JP4657903B2 - 空気バネ - Google Patents

Description

本発明は、軌道のカーブでの車両の走行安定性を高め得る空気バネに関し、例えば、鉄道車両の台車、特にボルスタレスタイプ台車に使用されるボルスタレス空気バネに好適なものである。

従来より、空気バネの一種として、下側の取付部材の上部に積層ゴムを介してゴム等で筒状に形成されたダイヤフラムを配置すると共に、この上に上側の取付部材が取り付けられ、振動発生部或いは振動受け部にこれら取付部材の何れか一方がそれぞれ連結されるような構造を有し、鉄道車両の台車に用いられているボルスタレス空気バネが、知られている。

そして、このようなボルスタレス空気バネでは、鉄道車両が軌道上を走行するのに伴う振動の入力により、軸方向に沿った相対変位が一対の取付部材間に生じるようになる他に、鉄道車両の前後方向や左右方向に沿った相対変位が生じるようになる。
特開平８−２１４７５号公報

例えば、軌道のカーブでは、鉄道車両の左右方向から大きな力が加わるのに伴い、直列的に配置される形のダイヤフラム及び積層ゴムがそれぞれ変形することになる。この為、変形量が大きくなり過ぎる結果として、車両の走行安定性が低下してより一層の高速化が図れない虞があった。

これに対して特許文献１に開示された構造のように、ダイヤフラムの外側にカバーを配置して、このカバーでダイヤフラムの変形を抑制するものが考えられているが、ダイヤフラムの外側にカバーを配置する関係から空気バネが大型化する等の欠点を有していた。
本発明は上記事実を考慮し、軌道のカーブでの車両の走行安定性を高め得る空気バネを提供することが目的である。

請求項１に係る空気バネは、振動発生部又は振動受け部の一方に連結される第１の取付部材と、
振動発生部又は振動受け部の他方に連結される第２の取付部材と、
一対の取付部材間に配置された中間材と、
第２の取付部材と中間材との間に配設されてこれら第２の取付部材と中間材との間の相対変位に伴って弾性変形する筒状のダイヤフラムと、
中間材と第１の取付部材との間に配設され且つ、複数のゴム材を積み重ねた構造とされる積層ゴムと、
積層ゴムと並列して中間材と第１の取付部材との間に配置され且つ、予め定められた方向の過大な水平変位を制限するストッパ材と、を有し、
前記ストッパ材が、中間材に固定された鋼板製の第１ストッパ壁と、該第１ストッパ壁と対向する第１の取付部材の部分に固定された鋼板製の第２ストッパ壁と、で構成されていることを特徴とする。

請求項１に係る空気バネの作用を以下に説明する。
振動発生部又は振動受け部の一方に連結される第１の取付部材と、振動発生部又は振動受け部の他方に連結される第２の取付部材との間に、中間材が配置されている。そして、第２の取付部材と中間材との間に筒状のダイヤフラムが配設されて、これら第２の取付部材と中間材との間の相対変位に伴ってこのダイヤフラムが弾性変形する。

従って、振動発生部が振動を発生させた場合、第１の取付部材及び中間材或いは、第２の取付部材の何れか一方を介して、振動がダイヤフラムに伝達され、これら第１の取付部材と第２の取付部材の間の相対的な移動に伴うダイヤフラムの変形により振動が吸収されて、第１の取付部材或いは第２の取付部材の他方に連結された振動受け部側に振動が伝達され難くなる。

さらに、中間材と第１の取付部材との間には、複数のゴム材を積み重ねて積層した構造とされる積層ゴムが、配設されている。この為、積層ゴムを有することにより、ダイヤフラムが十分に機能しない場合であっても、積層ゴムにより荷重を支持できると共に振動を吸収できるので、空気バネ全体としてクッション性が得られる。

但し、本請求項では、積層ゴムと並列して中間材と第１の取付部材との間に、鋼板製の第１ストッパ壁と、鋼板製の第２ストッパ壁とで構成されたストッパ材が配置されている。この為、軌道のカーブにおいて、予め定められた方向である鉄道車両の左右方向から大きな力が加わった場合でも、このストッパ材がこの方向の過大な水平変位を制限するので、必要以上に積層ゴムが変形しないようになる。以上より、本請求項によれば、軌道のカーブにおいて、変形量が大きくなり過ぎることがなく、空気バネが設置された車両の走行安定性を高めることができようになる。

請求項２に係る空気バネの作用を以下に説明する。
本請求項は請求項１と同様の構成を有して同様な作用を奏する。但し本請求項では、ストッパ材が、円弧状に形成された第１ストッパ壁と、直線状に形成された第２ストッパ壁と、で構成されるという構成になっている。

つまり、本請求項では、円弧状に形成された第１ストッパ壁と直線状に形成された第２ストッパ壁とが対向しているので、これらが相互に当接する際に、第１ストッパ壁の円弧状の先端部分で第２ストッパ壁に必ず接触するので、確実にこれらストッパ壁が機能するようになる。さらに、軌道のカーブで円弧状に形成された第１ストッパ壁と第２ストッパ壁が当接した状態で、両部材が対向する方向と直交する方向の変位が生じた場合でも、接触抵抗を小さくできるので、スムーズに変位させることができる。

請求項３に係る空気バネの作用を以下に説明する。
本請求項は請求項１と同様の構成を有して同様な作用を奏する。但し本請求項では、ストッパ材が、直線状に形成された第１ストッパ壁と、円弧状に形成された第２ストッパ壁と、で構成されるという構成になっている。

つまり、本請求項では、直線状に形成された第１ストッパ壁と円弧状に形成された第２ストッパ壁とが対向しているので、これらが相互に当接する際に、請求項２と同様に、確実にこれらストッパ壁が機能するようになる。

請求項４に係る空気バネの作用を以下に説明する。
本請求項は請求項２及び請求項３と同様の構成を有して同様な作用を奏する。但し本請求項では、第１ストッパ壁及び第２ストッパ壁がそれぞれ複数ずつ形成され、これら複数の第１ストッパ壁及び複数の第２ストッパ壁が直線状に並んで配置されるという構成になっている。

つまり、本請求項では、それぞれ複数ずつ形成された第１ストッパ壁及び第２ストッパ壁が直線状に並んで配置されていることから、予め定められた方向の過大な変位を制限する機能が、狭い空間内であってもストッパ材により確実に生じるようになる。

請求項５に係る空気バネの作用を以下に説明する。
本請求項は請求項２及び請求項３と同様の構成を有して同様な作用を奏する。但し本請求項では、第１ストッパ壁及び第２ストッパ壁がそれぞれ一対ずつ形成され、これら一対の第１ストッパ壁及び一対の第２ストッパ壁が直線状に並んで配置されるという構成になっている。つまり、本請求項では、それぞれ一対ずつ形成された第１ストッパ壁及び第２ストッパ壁が直線状に並んで配置されていることから、請求項４と同様に作用することになる。

請求項６に係る空気バネの作用を以下に説明する。
本請求項は請求項１と同様の構成を有して同様な作用を奏する。但し本請求項では、ストッパ材が、一対の第１ストッパ壁と、一対の第２ストッパ壁と、で構成され、一対の第１ストッパ壁間の中間材の部分に、気体が通過し得る第１貫通穴が設けられ、一対の第２ストッパ壁間の第１の取付部材の部分に、気体が通過し得る第２貫通穴が設けられるという構成になっている。

つまり、本請求項では、ストッパ材を有する場合であっても、第１貫通穴及び第２貫通穴が存在することで、空気バネのダイヤフラム内の空間と空気バネの下に位置する補助タンクとの間を確実に連通して気体が通過可能となる。

以上説明したように本発明の上記構成によれば、軌道のカーブでの車両の走行安定性を高め得る空気バネを提供できるという優れた効果を有し、例えば、鉄道車両の台車、特にボルスタレスタイプ台車に使用されるボルスタレス空気バネで特に優れた効果を発揮する。

本発明の最良の形態に係る空気バネを図を参照しつつ説明する。まず、本発明の最良の形態に係る空気バネの第１実施例を図１から図４に示し、これらの図に基づき本実施例を説明する。
図１及び図２に示すように、本実施例に係る空気バネであるボルスタレス空気バネ１０は、図示しない例えばサポート金具側へ連結される円板状に形成された第１の取付部材である下面板１２を備えている。また、この図示しないサポート金具が車両の車輪等と連結されることになる。

この下面板１２の中央には、気体を吸排気する為の円筒状の第１ポート金具１４が溶接等により固定されており、この第１ポート金具１４の外周に、封止の為のＯリング１６が取り付けられている。また、下面板１２の上部には、円筒状に形成され且つ上下方向ばね定数が８０００Ｎ／ｍｍ〜１４０００Ｎ／ｍｍ、通常約１００００Ｎ／ｍｍ程度とされた積層ゴム１８が、下面板１２の上面と加硫接着されて配置されている。

そして、この積層ゴム１８は、それぞれリング状に金属で形成された複数のリング板２０と、それぞれリング状にゴム材で形成された複数の弾性体２２とを、交互に積み重ねて積層した構造とされている。この積層ゴム１８の上部には、リング状に金属で形成された連結用リング２４が、積層ゴム１８の上面と加硫接着されて配置されており、この連結用リング２４の上面には、リング状に形成された中間材２６が、ボルト２８によりねじ止められて固定されている。尚、この中間材２６の上面には、図１及び図２に示す樹脂製の第１摺動板３０が配置されている。第１摺動板を構成する樹脂としては、例えばポリテトラフルオロエチレンなどを用いる。

一方、この中間材２６の直上の位置には、図１及び図２に示すように、車両の図示しない車体側に連結されて車体の荷重を支持する第２の取付部材である上面板３２が位置している。この上面板３２の中央には、気体を吸排気する為の円筒状の第２ポート金具３４が嵌合等により固定されており、この第２ポート金具３４の外周に、封止の為のＯリング３６が取り付けられている。

以上より、上記の第１ポート金具１４及び第２ポート金具３４に配管が繋がれて、このボルスタレス空気バネ１０の外部の空間とボルスタレス空気バネ１０内の空間Ｓとが、これらポート金具１４、３４により連通可能とされており、空気等の気体がこれらポート金具１４、３４により吸排できるようになっている。そして、少なくともボルスタレス空気バネ１０内の空間Ｓと、ボルスタレス空気バネ１０の上又は下側に配置されて圧縮空気を溜める為の図示しない補助タンクとの間が、第１ポート金具１４を介して繋がっている。

他方、この上面板３２の下部側中央部には、円盤状でステンレス鋼製の第２摺動板４０が配置されており、上面板３２の下部側外周部には、ゴム製の弾性材４２が固定されている。また、これら上面板３２と中間材２６との間には、円筒状にゴム材で形成された弾性膜であるダイヤフラム４６が配設されており、このベローズの役割をするダイヤフラム４６の両端部には、それぞれ膨らんだ形状の補強部４６Ａ、４６Ｂがリング状に設けられている。また、上記第２摺動板４０の外周部は、ダイヤフラム４６の補強部４６Ｂの下部を覆うように延出しており、ダイヤフラム４６のはずれを防止する構造となっている。尚、第２摺動板４０は第２の取付部材である上面板３２にボルト止めされていてもよいし、接着剤で接着されていてもよい。但し、シール性の面からはボルト止めにより強固に締結されているほうが好ましい。

さらに、この内の下側の補強部４６Ａが中間材２６及び連結用リング２４側に固定されて、このダイヤフラム４６の下端側が封止されており、上側の補強部４６Ｂが上面板３２の部分に固定されて、このダイヤフラム４６の上端側が封止されている。つまり、ダイヤフラム４６内の空間となるボルスタレス空気バネ１０内の空間Ｓが上面板３２及び中間材２６等により封止されている。

一方、図１及び図２に示すように、この中間材２６の上側にはゴム製でリング状に形成されたクッション部材４８が配置されており、このクッション部材４８の上部に配置された当接板５０の上面に第３摺動板５２が配置されている。第３摺動板を構成する樹脂としては、例えばポリテトラフルオロエチレンなどを用いる。

従って、上面板３２が下降した場合でも、上面板３２に取り付けられたステンレス鋼製の第２摺動板４０が、当接板５０に取り付けられるポリテトラフルオロエチレン製の第３摺動板５２に当接するので、これらが滑って相対的変位可能となる。また、方向Ｚに沿って大きな力が加わった場合には、クッション部材４８が圧縮されて中間材２６上のポリテトラフルオロエチレン製の第１摺動板３０にも、第２摺動板４０が当接して、積層ゴム１８でこの力を支持するようになる。

そして、中間材２６の下面側の中心を挟んだ図３における中心線Ａ上の位置には、円弧状に鋼板で形成され且つ垂直に下方向にそれぞれ延びる一対の第１ストッパ壁６２が溶接等によりそれぞれ固定されている。尚、それぞれ円弧状の一対の第１ストッパ壁６２の円弧を延ばすと、中間材２６の中心周りに円となる形にこれら一対の第１ストッパ壁６２は配置されており、また、一対の第１ストッパ壁６２間の中間材２６の部分には、気体が通過し得る第１貫通穴２６Ａが形成されている。

他方、下面板１２の上面側の一対の第１ストッパ壁６２と対向する図３における中心線Ａ上の部分には、直線状に鋼板で形成され且つ垂直に上方向にそれぞれ延びる一対の第２ストッパ壁６４が溶接等によりそれぞれ固定されている。但し、これら一対の第２ストッパ壁６４は一対の第１ストッパ壁６２の外側に位置し、中心線Ａに対してそれぞれ垂直に向いている。また、一対の第２ストッパ壁６４間の下面板１２の部分には、気体が通過し得る第２貫通穴１４Ａが形成された第１ポート金具１４が存在している。

以上より、本実施例では、第１ストッパ壁６２及び第２ストッパ壁６４がそれぞれ一対ずつ形成され、これら一対の第１ストッパ壁６２及び一対の第２ストッパ壁６４が直線状に並んで配置されていることになる。従って、これら一対の第１ストッパ壁６２及び一対の第２ストッパ壁６４が、積層ゴム１８と並列して中間材２６と下面板１２との間に配置されるストッパ材６０を構成し、第１ストッパ壁６２と第２ストッパ壁６４とが当接することで、予め定められた図１に示す鉄道車両の左右方向Ｘの過大な変位が制限されるようになる。

次に、本実施例に係るボルスタレス空気バネ１０の作用を説明する。
振動発生部となる車輪側に連結される下面板１２と、振動受け部である車体側に連結される上面板３２との間に、中間材２６が配置されており、中間材２６と上面板３２との間に円筒状のダイヤフラム４６が配設されている。また、下面板１２及び上面板３２にそれぞれ取り付けられたポート金具１４、３４によって、ダイヤフラム４６内の空間となる空間Ｓに空気が吸排されつつ、これら下面板１２と上面板３２との間の相対変位に伴って、このダイヤフラム４６が弾性変形することになる。

従って、車輪側で振動が発生した場合、下面板１２及び積層ゴム１８を介して振動がダイヤフラム４６に伝達され、上面板３２と下面板１２の間の相対的な移動に伴うダイヤフラム４６の変形により振動が吸収されて、上面板３２に連結された車体に振動が伝達され難くなる。

さらに、これら中間材２６と下面板１２との間には、複数のゴム材を積み重ねて積層した構造とされる積層ゴム１８が、配設されている。この為、積層ゴム１８を有することにより、ダイヤフラム４６が十分に機能しない場合であっても、積層ゴム１８により荷重を支持できると共に振動を吸収できるので、ボルスタレス空気バネ１０全体としてクッション性が得られる。

但し、本実施例では、円弧状に形成され且つ中間材２６に固定された一対の第１ストッパ壁６２と、直線状に形成され且つ第１ストッパ壁６２と対向する下面板１２の部分に固定された一対の第２ストッパ壁６４とで、構成されるストッパ材６０が、積層ゴム１８と並列して配置されている。

この為、軌道のカーブにおいて、予め定められた方向である鉄道車両の左右方向Ｘから大きな遠心力が加わった場合でも、ストッパ材６０の第１ストッパ壁６２と第２ストッパ壁６４とが当接してこの方向の過大な変位を制限するので、必要以上に積層ゴム１８が変形しないようになる。

つまり、図４に示すグラフのように、遠心力である荷重が加わると、積層ゴム１８及びダイヤフラム４６が夫々変形して、ボルスタレス空気バネ１０の鉄道車両の左右方向Ｘにおける変位の特性線Ｆが直線的に大きくなる。しかし、遠心力が大きくなって第１ストッパ壁６２と第２ストッパ壁６４とが当接した場合には、積層ゴム１８が変形できなくなってダイヤフラム４６のみの変形となるので、特性線Ｆが図４に示すように屈曲する。

以上より、本実施例によれば、軌道のカーブにおいて、変形量が大きくなり過ぎることがなく、このボルスタレス空気バネ１０が設置された車両の走行安定性を高めることができようになる。

さらに、本実施例では、円弧状に形成された一対の第１ストッパ壁６２及び直線状に形成された一対の第２ストッパ壁６４が直線状に並んだ状態で、第１ストッパ壁６２と第２ストッパ壁６４とが対向して配置されている。

つまり、本実施例では、これらが相互に当接する際に、第１ストッパ壁６２の円弧状の先端部分で第２ストッパ壁６４に必ず接触するので、確実にこれらストッパ壁６２、６４が機能するようになるだけでなく、一対ずつ形成された第１ストッパ壁６２及び第２ストッパ壁６４が直線状に並んで配置されていることから、鉄道車両の左右方向Ｘの過大な変位を制限する機能が、狭い空間内であっても確実に生じるようになる。

他方、本実施例では、一対の第１ストッパ壁６２間の中間材２６の部分に、気体が通過し得る第１貫通穴２６Ａが存在し、一対の第２ストッパ壁６４間の下面板１２の部分に、気体が通過し得る第２貫通穴１４Ａが存在している。

つまり、本実施例では、ストッパ材６０を有する場合であっても、第１貫通穴２６Ａ及び第２貫通穴１４Ａが存在することで、ボルスタレス空気バネ１０のダイヤフラム４６内の空間Ｓとこのボルスタレス空気バネ１０の下に位置する補助タンクとの間を第１ポート金具１４を介して繋ぐ際に、確実に連通して気体が通過可能となった。

次に、本発明の第２実施例に係る空気バネを図５に示し、この図に基づき本実施例を説明する。尚、第１実施例で説明した部材と同一の部材には同一の符号を付して、重複した説明を省略する。
図５に示すように本実施例でも第１実施例と同様に、ストッパ材７０が存在しているが、本実施例ではこのストッパ材７０が、直線状に形成され且つ中間材２６に固定された一対の第１ストッパ壁７２と、円弧状に形成され且つ第１ストッパ壁７２と対向する下面板１２の部分に固定された一対の第２ストッパ壁７４とで、構成されている。

従って、本実施例では、直線状に形成された第１ストッパ壁７２と円弧状に形成された第２ストッパ壁７４とが第１実施例と同様に相互に対向していることになるので、これらが相互に当接する際に、第１実施例と同様に確実にこれらストッパ壁７２、７４が機能するようになる。

尚、上記実施例においては、第１ストッパ壁及び第２ストッパ壁がそれぞれ一対存在する形とされているが、第１ストッパ壁及び第２ストッパ壁はそれぞれ一つずつ或いは、三つ以上の複数ずつ存在しても良い。また、これらストッパ壁は例えば厚さ１０ｍｍ程度の鋼板で形成されるが、厚さや材質はこれらに限定されるものではない。

さらに、上記実施例において、振動発生部側に下面板１２を連結し、振動受け部側に上面板３２を連結するような構成としたが、この逆の構成としても良い。また、上記実施例の説明において、振動を減衰して低減するようにしたが、振動の中でも突発的に存在する大きな振幅である衝撃を本発明は緩衝することもできる。

他方、上記実施例において、車両等の車体に入力される外部振動の防振を目的としたが、本発明は、例えば車両以外の他の建設機械、農業機械、建物、構造物等の防振にも用いられることはいうまでもなく、また、ボルスタレス空気バネ以外の空気バネにも適用可能である。

本発明の第１実施例に係るボルスタレス空気バネの断面図である。 図１の２−２矢視線断面図である。 図１の３−３矢視線拡大図である。 本発明の第１実施例に係るボルスタレス空気バネの荷重と変位の関係を表すグラフを示す図である。 本発明の第２実施例に係るボルスタレス空気バネの図１と同様の断面図である。

符号の説明

１０ ボルスタレス空気バネ
１２ 下面板（第１の取付部材）
１４Ａ 第２貫通穴
１８ 積層ゴム
２６ 中間材
２６Ａ 第１貫通穴
３２ 上面板（第２の取付部材）
４６ ダイヤフラム
６０ ストッパ材
６２ 第１ストッパ壁
６４ 第２ストッパ壁
７０ ストッパ材
７２ 第１ストッパ壁
７４ 第２ストッパ壁

Claims (6)

1. 振動発生部又は振動受け部の一方に連結される第１の取付部材と、
   振動発生部又は振動受け部の他方に連結される第２の取付部材と、
   一対の取付部材間に配置された中間材と、
   第２の取付部材と中間材との間に配設されてこれら第２の取付部材と中間材との間の相対変位に伴って弾性変形する筒状のダイヤフラムと、
   中間材と第１の取付部材との間に配設され且つ、複数のゴム材を積み重ねた構造とされる積層ゴムと、
   積層ゴムと並列して中間材と第１の取付部材との間に配置され且つ、予め定められた方向の過大な水平変位を制限するストッパ材と、を有し、
   前記ストッパ材が、中間材に固定された鋼板製の第１ストッパ壁と、該第１ストッパ壁と対向する第１の取付部材の部分に固定された鋼板製の第２ストッパ壁と、で構成されていることを特徴とする空気バネ。
2. ストッパ材が、円弧状に形成された第１ストッパ壁と、直線状に形成された第２ストッパ壁と、で構成されることを特徴とする請求項１記載の空気バネ。
3. ストッパ材が、直線状に形成された第１ストッパ壁と、円弧状に形成された第２ストッパ壁と、で構成されることを特徴とする請求項１記載の空気バネ。
4. 第１ストッパ壁及び第２ストッパ壁がそれぞれ複数ずつ形成され、これら複数の第１ストッパ壁及び複数の第２ストッパ壁が直線状に並んで配置されることを特徴とする請求項２若しくは請求項３記載の空気バネ。
5. 第１ストッパ壁及び第２ストッパ壁がそれぞれ一対ずつ形成され、これら一対の第１ストッパ壁及び一対の第２ストッパ壁が直線状に並んで配置されることを特徴とする請求項２若しくは請求項３に記載の空気バネ。
6. ストッパ材が、一対の第１ストッパ壁と、一対の第２ストッパ壁と、で構成され、
   一対の第１ストッパ壁間の中間材の部分に、気体が通過し得る第１貫通穴が設けられ、一対の第２ストッパ壁間の第１の取付部材の部分に、気体が通過し得る第２貫通穴が設けられることを特徴とする請求項１記載の空気バネ。

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