JP4568206B2 - まくらはり台車用空気ばね - Google Patents

Description

この発明は、鉄道車両のまくらはり台車に使用される空気ばねに関するものである。

鉄道車両における走行時の乗り心地を向上させ、かつ乗車人員にかかわらず、車体とプラットホーム間の段差を一定に保つために、車両台車の枕ばねとして空気ばねが採用されている。
この種の空気ばねは、例えば、図８に示すように、内筒１と外筒２をダイヤフラム３により気密に連結し、内筒１を台車に、外筒２を車体にそれぞれ固定し、台車から車体に伝わる振動を、ダイヤフラム３の膨縮によって緩和しながら車体を支持して、乗客の乗り心地を良いものとする。

その車両台車には、まくらばり（ボルスタ）を有するまくらはり台車と、まくらばりを有しないボルスタレス台車があり、通常、その両台車にはそれぞれ異なる構造の空気ばねが採用されている。
後者のボルスタレス台車用空気ばねは、まくらばりを有しないことから、内筒の下面に緩衝積層ゴムを設け、この緩衝積層ゴムが内筒と台車の間に介在することにより、台車・車両間の左右方向の変位を吸収するようになっている（特許文献２ 図３参照）。

これらの空気ばねにおいて、ダイヤフラム３がパンクしたり、何らかの理由によってダイヤフラム３内の空気圧が失われたりすると（デフレートすると）、外筒２が下降して内筒１に当たり、ダイヤフラム３の緩衝作用が無くなり、乗り心地が悪くなる。
このため、まくらはり台車用空気ばねでは、図８に示すように、ダイヤフラム３内にばね性をもつストッパ４を設け、そのストッパ４でデフレート時に外筒２を受け支え、そのストッパ４の弾性によって、上記ダイヤフラム３の緩衝作用を行うようにしている。（特許文献１ 図１、特許文献２ 図２参照）。
一方、ボルスタレス台車用空気ばねは、上記緩衝積層ゴムの上下方向の伸縮によって、そのストッパ４の緩衝作用をも行うようになっている（特許文献２ 図３、図４参照）。
特開２０００−８８０３０号公報 特開２００２−２０６５８２号公報

このような空気ばねにおけるストッパ４（緩衝積層ゴム）において、そのばね定数を小さくすれば、振動に対する撓み量が増すため、軌道面狂い等による輪重変動に基づく台車振動の緩衝効果が向上し、デフレート時の乗り心地を向上させることができる。
しかし、例えば、ストッパ４のばね定数を、現状のものに比べ、１／１０程度にすると、ストッパ４の変位が１０倍程度になり、空気ばねとして成立しなくなるとともに、それほど軟らかいストッパ４では、車体の荷重を支えるだけの強度を確保することは困難である。
このことは、ボルスタレス台車用空気ばねにおける緩衝積層ゴムにおいても、同様である。

このため、ボルスタレス台車用空気ばねにおいては、内筒内面にさらにストッパを設け、そのストッパのばね定数を、緩衝積層ゴムのばね定数より小さく設定し、デフレート時、図９に示すように、まず、通常状態（外筒２の変位Ｘ＝０）から、Ｘ_１下降すると、そのストッパに外筒を当接させて支え、そのストッパの弾性により、台車振動の緩衝作用を行うことにより、デフレート時の快適な乗り心地を確保し、さらなる下降（Ｘ_１からＸ_２）すると、緩衝積層ゴムで支えて、空気ばねの剛性を確保するようにしている（特許文献２ 図１参照）。
すなわち、空気ばねのストッパを図９で示す非線形の撓み特性でもって撓ませて（収縮させて）、デフレート時の快適な乗り心地を確保するとともに、空気ばねの剛性を確保している。

また、台車（ボルスタ）の中央及び左右端にストッパをそれぞれ設け、その中央のストッパのばね定数を左右のストッパのばね定数より高くし、中央のストッパで台車の上下荷重を負担し、台車の左右へのローリング振動に対しては、左右のストッパで緩衝するようにして、乗り心地を向上させると共に、輪重変動を効果的に抑制（輪重変動特性を向上）したものもある（特許文献３ 図４参照）。
特開２００２−１２０７２２号公報

特許文献２図１に記載の空気ばねは、内筒の上下面にストッパ機能を設けているため、その上下方向が長い（高い）ものとなっており、設置スペースの問題が生じる。

この発明は、ボルスタレス台車用空気ばねのように、内筒下面に緩衝積層ゴムを有しないまくらはり台車用空気ばねにおいて、上記図９に示す非線形な撓み特性を有するストッパ機能を持たせることを課題とする。

上記課題を達成するために、この発明は、まず、内筒内面に、その非線形な撓み特性を有するストッパを設けることとしたのである。
つぎに、そのストッパを、柱状の内外の弾性体から成し、内側の弾性体は、外側の弾性体より背丈を高く、かつばね定数を小さく設定したのである。
内筒内面に設けた内外の弾性体は、外側弾性体の内側に内側弾性体が位置されて、両者はほぼ同一設置レベルとすることができるため、内筒の上下面にその両弾性体を設けた場合に比べれば、空気ばね全体の高さを低くすることができる。

この構成の空気ばねは、内外の弾性体のばね定数、並びに外筒内面と内側弾性体及び外側弾性体のそれぞれの間隙を、それぞれ適宜に設定することにより、その間隙の大きさ（長さ）及びばね定数に応じた非線形の撓み特性をもって、デフレート時の快適な乗り心地を確保するとともに、空気ばねの剛性を確保する。このため、その所要の乗り心地及び剛性を、実験及び実走行等によって求め、その乗り心地及び剛性になるように、その間隙を適宜に設定する。

この発明は、以上のように構成することにより、まくらはり台車用空気ばねにおいても、背丈を大きくすることなく、非線形な撓み特性を有するストッパ機能を持たせることができて、デフレート時の乗り心地を向上させ、輪重変動を効果的に抑制できるとともに、空気ばねの剛性を確保することができる。

この発明の実施形態としては、内筒と外筒をダイヤフラムにより気密に連結し、そのダイヤフラム内にばね性をもつストッパを設け、そのストッパでデフレート時に外筒を受け支えるまくらはり台車用空気ばねにおいて、前記ストッパが柱状の内外の弾性体から成り、内側の弾性体は、外側の弾性体より高く、かつばね定数を小さく設定されている構成を採用することができる。

上記ストッパの具体的な構成としては、例えば、上記内外の弾性体は上記ダイヤフラムと同心の円環状とし、その内側弾性体を、逆円錐台筒状ゴムの中心に上記デフレート時の外筒内面に当接する第１受け金具を設けたもの、前記外側弾性体を、上記内筒内面に固定した円筒柱状ゴムの上面に上記デフレート時の外筒内面に当接する第２受け金具を設けたものとし、その第２受け金具は、下側内方に傾斜する支持片を有して、その支持片に前記逆円錐台筒状ゴムの外面が固着されている構成とすることができる。

この構成であれば、内側の弾性体が外側の弾性体より高く設定されているため、デフレート時、外筒が下降すると、まず、第１受け金具に当たり、その当接により、外筒からの荷重が内側弾性体に伝わり、つぎに、その内側弾性体、第２受け金具を介して外側弾性体に伝わり、さらに、外筒が下降すると、やがて、外筒は第２受け金具に当たって、その外筒からの荷重の多くは外側弾性体に伝わることとなる。
このとき、内側弾性体のばね定数が外側弾性体のばね定数より小さく設定されているため、ストッパは、外筒内面と内側弾性体及び外側弾性体のそれぞれの間隙に応じた非線形の撓み特性を描くストッパ機能でもって、デフレート時の快適な乗り心地を確保するとともに、空気ばねの剛性を確保する。

この作用時、内外弾性体がダイヤフラムと同一心の円筒柱状であることは、内外筒に加わる荷重をその弾性体の全周で受けて支えることとなるため、そのストッパ機能が偏ることなくなされる。
また、内側弾性体は、その内外面で第１、第２受け金具に固着されているため、第１受け金具を介して外筒から受ける荷重に対して剪断ひずみとなり、圧縮ひずみに対して柔らかに撓むこととなる。このため、内側弾性体は、外側弾性体と同一の材料を使用しても、高さを長くすることなく、容易にばね定数の小さいものとすることができ、空気ばねの背丈が高くなることを抑制できる。

この第１、第２受け金具を有するストッパにおいて、上記逆円錐台筒状ゴムの弾性率を上記円筒柱状ゴムの弾性率より小さくすれば、より柔らかな撓みを得ることができる。このため、上記剪断ひずみでは十分な緩衝作用を得ることができない場合には、逆円錐台筒状ゴムの弾性率を円筒柱状ゴムの弾性率より小さくすることにより、その十分な緩衝作用を得ることができる。

一実施例を図１〜図３に示し、この実施例の空気ばね１０も図８に示した従来例と同様に、円板リング状の内筒１１と下向き椀状の外筒１２をタイヤ状のダイヤフラム１３により気密に連結した構造である。
内筒１１の下面には、上向き椀状の金具１４が設けられて、その内部に空気室１５が形成され、その空気室１５の中央にポート金具１６が設けられている。外筒１２の中央にもポート金具１７が設けられており、その両ポート金具１６、１７から、空気等の流体が空気室１５及びダイヤフラム１３に給排されて、ダイヤフラム１３を膨縮させる。

内筒１１は台車（ボルスタ）に、外筒１２は車体にそれぞれ弾性体を介することなく直接に固定され、上記空気等の流体の空気室１５及びダイヤフラム１３への給排によるダイヤフラム１３の膨縮により、台車から車体に伝わる振動が緩和されながら、この空気ばね１０を介して台車により車体が支持されて、乗客の乗り心地が良いものとなる。図中、１８はＯリング、１９は、車体又は台車への取付け金具である。

内筒１１内面（図１上面）の中央部ダイヤフラム１３内にこの発明の特徴であるストッパ２０が設けられている。このストッパ２０は、図１、図４、図５に示すように、内外のゴム製弾性体２１、２２とから成って、その両弾性体２１、２２は上記ダイヤフラム１３と同心の円環状のものである。

その内側弾性体２１は、天然ゴムからなる逆円錐台筒状ゴム２１ａの中心に有蓋逆円錐筒状の第１受け金具２１ｂを固着状態で設けたものであり、外側弾性体２２は、上記内筒１１内面に固定した天然ゴムからなる円筒柱状ゴム２２ａの上面に円板リング状の第２受け金具２２ｂを設けたものである。第１受け金具２１ｂの中央には空気穴２３が形成されて、この空気穴２３によって、空気室１５内とダイヤフラム１３内が連通する。
第２受け金具２２ｂは、断面く字状を呈して、下側内方に傾斜する支持片２４を有し、その支持片２４に逆円錐台筒状ゴム２１ａの外面が固着されている。両受け金具２１ｂ、２２ｂへの逆円錐台筒状ゴム２１ａの固着は溶着等の周知の手段を採用する。

外筒１２内面と内側弾性体２１（第１受け金具２１ｂ）の上面との間隙δ_１、内側弾性体２１上面と外側弾性体２２（第２受け金具２２ｂ）の上面との間隙δ_２、及びゴム２１ａ、２２ａの弾性率（内外弾性体２１、２２のばね定数Ｋ_１、Ｋ_２）は、デフレート時の所要の乗り心地及び剛性を、実験及び実走行等によって求め、その乗り心地及び剛性になるように、その間隙δ_１、δ_２及びばね定数Ｋ_１、Ｋ_２を適宜に設定する。
なお、外筒１２の内上面には、リチウムイオングリースなどの滑材を塗布して、第１、第２受け金具２１ｂ、２２ｂとの接離を円滑にし、摩耗粉を低減することが好ましい。

この実施例の空気ばね１０は、デフレート時、外筒１２が下降して、図６に示すように、第１受け金具２１ｂに当たると、その外筒１２からの荷重が内側弾性体２１に伝わって、ゴム２１ａの弾力（図９のＫ_１の状態、但し、この状態は、Ｋ_１＜＜Ｋ_２から_、≒Ｋ_１）によって、初期の小さな振動を緩衝して、デフレート時初期の快適な乗り心地を確保する。

さらに、大きな荷重が外筒１２に加わり、図７に示すように、外筒１２がさらに下降して第２受け金具２２ｂに当たると（Ｋ_１＜＜Ｋ_２から、その下降長さ≒Ｘ_２）、その外筒１２からの荷重の多くは外側弾性体２２に伝わり、そのゴム２２ａは弾性率が大きいため、空気ばねの剛性を確保しつつ振動を緩衝する（図９のＫ２の状態）。

この作用時、内側弾性体２１のばね定数Ｋ_１（ゴム２１ａの弾性率）が外側弾性体のばね定数Ｋ_２（ゴム２２ａの弾性率）より小さく設定されているため、ストッパ２０は、図９に示す、外筒１２内面と内側弾性体２１及び外側弾性体２２のそれぞれの間隙δ_１、δ_２に応じた非線形の撓み特性（Ｋ_１からＫ_２の折れ線）を描くストッパ機能でもって、デフレート時の乗り心地の向上及び輪重変動を効果的に抑制するとともに、空気ばねの剛性を確保する。

また、内外弾性体２１、２２がダイヤフラム１３と同一心の円筒柱状であるため、内外筒１１、１２に加わる荷重をその弾性体２１、２２の全周で受けて支え、そのストッパ機能が偏ることはない。

さらに、内側弾性体２１は、その内外面で第１、第２受け金具２１ｂ、２２ｂに固着されているため、第１受け金具２１ｂを介して外筒１２から受ける荷重に対して剪断ひずみとなり、圧縮ひずみに対して柔らかに撓むこととなる。このため、内側弾性体２１は、外側弾性体２２と同一の材料を使用しても、高さを長くすることなく、容易にばね定数Ｋ_１の小さいものとすることができ、空気ばねの背丈が高くなることを抑制している。

なお、この実施例において、両弾性体２１、２２のゴム２１ａ、２２ａを異なる材料を使用するなどにより弾性率を異ならせて、両弾性体２１、２２のばね定数Ｋ_１、Ｋ_２をさらに異ならせることもできる。
また、受け金具２１ｂ、２２ｂの外筒１２内面との当接面には、滑面処理、例えば、テフロン（登録商標）加工などを行うと良い。さらに、その受け金具２１ｂ、２２ｂにテフロン材を使用することもできる。このとき、ストッパ台座２５もテフロン材とすることもできる。

一実施例の一部切断正面図 同実施例の平面図 同実施例の右側面図 同実施例のストッパの切断正面図 同ストッパの平面図 同実施例の作用図 同実施例の作用図 従来例の切断正面図 非線形の撓み線を描くストッパの作用説明図

符号の説明

１０ 空気ばね
１１ 内筒
１２ 外筒
１３ ダイヤフラム
２０ ストッパ
２１ 内側弾性体
２１ａ 内側弾性体の逆円錐台筒状ゴム
２１ｂ 内側弾性体の第１受け金具
２２ 外側弾性体
２２ａ 外側弾性体の円筒柱状ゴム
２２ｂ 外側弾性体の第２受け金具
２４ 支持片

Claims (2)

1. 内筒（１１）と外筒（１２）をダイヤフラム（１３）により気密に連結し、そのダイヤフラム（１３）内にばね性をもつストッパ（２０）を設け、そのストッパ（２０）でデフレート時に外筒（１２）を受け支えるまくらはり台車用空気ばね（１０）において、
   上記ストッパ（２０）が柱状の内外の弾性体（２１、２２）から成り、内側の弾性体（２１）は、外側の弾性体（２２）より背丈を高く、かつばね定数（Ｋ_１）が小さく設定されており、
   上記内外の弾性体（２１、２２）は上記ダイヤフラム（１３）と同心の円環状とし、その内側弾性体（２１）は、逆円錐台筒状ゴム（２１ａ）の中心に上記デフレート時の外筒（１２）内面に当接する第１受け金具（２１ｂ）を設けたものであり、前記外側弾性体（２２）は、上記内筒（１１）内面に固定した円筒柱状ゴム（２２ａ）の上面に上記デフレート時の外筒（１２）内面に当接する第２受け金具（２２ｂ）を設けたものであり、その第２受け金具（２２ｂ）は、下側内方に傾斜する支持片（２４）を有して、その支持片（２４）に逆円錐台筒状ゴム（２１ａ）の外面が固着されていることを特徴とするまくらはり台車用空気ばね。
2. 上記逆円錐台筒状ゴム（２１ａ）の弾性率を上記円筒柱状ゴム（２２ａ）の弾性率より小さくしたことを特徴とする請求項１に記載のまくらはり台車用空気ばね。

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