JP4928757B2 - 鉄道車両用空気ばね - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両における台車と車両との間に介装されて用いられる鉄道車両用空気ばねに係り、詳しくは、車体側の外筒と、その下方に配置される内筒と、これら両者に亘って配備される弾性材製のダイヤフラムとを有し、内筒と台車側の支持部材との上下間にクッション用の弾性機構が介装されて成る鉄道車両用空気ばね関するものである。

この種の空気ばねの一例である鉄道車両用空気ばね（ボルスタレス空気ばね）においては、何らかの原因によってダイヤフラムがエアーレス（パンク）状態になった場合でも、（１）曲線通過時に円滑に空気ばねが追従（横移動）できること、（２）ある程度のクッション（懸架）性能があること、が要求される。これらの要求に応じるために、従来では特許文献１や特許文献２において開示された鉄道車両用空気ばねが知られている。

特許文献１のものでは、内筒の上面に低摩擦係数を誇るフッ素系樹脂膜を装備することにより、ダイヤフラムのパンク時には外筒の下面とフッ素系樹脂膜とが円滑に滑るようにして前記要求（１）に答えるようにしてある。そして、前記要求（２）に関しては、リング状の積層ゴム構造を採る大小二組の弾性機構を、大型弾性機構の内径側空間部に小型弾性機構を潜り込ませるように配置して直列接続させてあり、上下寸法を抑制しながらバネ定数を十分低くしたクッション性能を出している。

特許文献２のものでは、内筒の上面にスライディングシートを装備してあり、ダイヤフラムのパンク時にはそのスライディングシートと外筒の課下面との円滑な摺動により、前記要求（１）に答えるようにしてある。そして、円筒状を呈するゴムブロックを、上面高さの最も高い外周部と、上面高さの最も低い内周部と、これら両者の中間の上面高さを有する中周部とから構成することにより、車両の荷重が重くなって沈み込み増すほどばね定数が高くなるようにして、前記要求（２）に答えられるように構成されている。

ここで前記要求（２）に答えるための構成に着目してみると、特許文献１のものでは、内外２段の環状積層ゴムを、複雑な形状で、かつ、複数の部品となるフレーム部材を用いて装備する複雑な構造であり、重量やコストの点では不利なものであるように思える。また、特許文献２のものでは、積層ゴムの上部を内中外三重のリング状部分に区別構成し、かつ、それらの高さ寸法を互いに異ならせるという非常に複雑な構造で、生産性に劣る弾性機構に設定されており、コスト高とならざるを得ないものである。
特開２００２−２０６５８２号公報 特開平８−１４５１０４号公報

本発明の目的は、弾性機構の構造等を更に工夫することにより、構造簡単で、コスト的にも有利となる状態で前記要求（２）に答えることが可能な鉄道車両用空気ばねを提供する点にある。

請求項１に係る発明は、車体側の外筒１と、その下方に配置される内筒２と、これら両者１，２に亘って配備される弾性材製のダイヤフラム３とを有し、前記内筒２と台車側の支持部材４との上下間にクッション用の弾性機構５が介装されて成る鉄道車両用空気ばねにおいて、
前記弾性機構５は、前記支持部材４と前記内筒２との上下間にゴムブロック体１５を連結固定するとともに、前記ゴムブロック体１５と前記内筒２との連結部Ｒが、前記内筒２と前記ゴムブロック体１５とが常時当接する第１連結部分ｒ１と、前記内筒２における前記第１連結部分ｒ１以外の部分２ｄと前記ゴムブロック体１５における前記第１連結部分ｒ１以外の部分１５Ａとが前記第１連結部分ｒ１における前記ゴムブロック体１５Ｂが所定量上下方向に圧縮されるに伴って当接される第２連結部分ｒ２とを有していることにより、そのバネ定数が、前記内筒２に所定の荷重が作用するまでの低荷重領域よりも、前記所定の荷重以上の荷重が作用する高荷重領域の方が高くなる非線形構造のものに構成し、
前記内筒２の上側に、前記非線形構造を有する弾性機構５とダイヤフラム３のデフレート時における荷重作用方向に直列配置されるようにクッション用の弾性ブロック１０を設け、前記ダイヤフラム３のデフレートに伴って下方移動してくる前記外筒１の下側部分１ｃが前記弾性ブロック１０に当接する状態に構成されていることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の鉄道車両用空気ばねにおいて、前記ゴムブロック体１５は、中心部１５Ａの上面高さがその外周部１５Ｂの上面高さよりも若干低く設定された円筒形のものに形成されるとともに、前記ゴムブロック体１５の上面に当接される前記内筒２の底面２Ｔが均一な高さレベルのものに形成され、前記外周部１５Ｂと前記内筒２とで前記第１連結部分ｒ１が、かつ、前記中心部１５Ａと前記内筒２とで前記第２連結部分ｒ２が夫々構成されていることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の鉄道車両用空気ばねにおいて、前記外周部１５Ｂは、硬質板１６とゴム部１５ｂとが上下に交互に積層される積層ゴム構造に構成されていることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、非線形特性を有する弾性機構と弾性ブロックとを、ダイヤフラムのデフレート時における荷重作用方向に直列配置してあるから、荷重が増すに連れてバネ定数が少なくとも三段階以上に硬くなる好ましい非線形特性が得られ、デフレート時における乗り心地の改善が図れるようになる。そのための構成としては、弾性機構と弾性ブロックとを直列配置する簡単な構造であるから、積層ゴムとその支持枠との複合体をリング状積層ゴムの内側空間に収容させるとか、三段階以上に互いに高さの異なるゴムリングを同心状に配列させるといった従来技術に比べて、コスト的にも有利な状態とすることができる。その結果、弾性機構の構造等を更に工夫することにより、ダイヤフラムがエアーレス（パンク等によるデフレート）状態になった場合でもある程度のクッション（懸架）性能があること、という要求を、構造簡単でコスト的にも有利となる状態で答えることができる鉄道車両用空気ばねを提供することができる。

そして、弾性機構の非線形構造としては請求項１のように、内筒とゴムブロック体との連結部を、常時当接する第１連結部分と、第１連結部分のゴムブロック体がある程度圧縮されるに伴って圧縮され始める第２連結部分とから構成するようにすれば、廉価なものにし易く好都合である。そして、請求項２のように、円形のゴムブロック体の外周部と内筒とで第１連結部分を構成し、高さの低い内周部と内筒とで第２連結部分を構成するようにすれば、さらに構造の簡素化を図ることができる。また、請求項３のように、ゴムブロック体の外周部を、硬質板とゴム部とが上下に交互に重ねて成る積層ゴム構造として、左右の傾き少なく上下方向の弾性を発揮できて安定的に支持できる鉄道車両用空気ばねとすることが可能である。

以下に、本発明による鉄道車両用空気ばねの実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は空気ばねの構造を示す断面図であり、図２は空気ばねの有する外筒下降ストロークと荷重との関係グラフを示す図である。

〔実施例１〕
実施例１による鉄道車両用空気ばねＡは、図１に示すように、鉄道車両の車体に取付られることとなる外筒（車体側の外筒）１と、その下方に配置される内筒２と、これら両者１，２に亘って配備されるゴム等の弾性材から成るダイヤフラム（ベローズ）３と、内筒２と車輪側の台座４との上下間に介装される弾性機構５とを有して構成されている。

外筒１は、上下二枚の鋼板から成る円形等の平面視形状を有する支持座１ａと、これの下面に固着される筒部１ｂと、筒部１ｂの下端部に固着される下端プレート（下側部分の一例）１ｃ、支軸１ｄ等から構成されており、筒部１ｂの外径側で、かつ、支持座１ａの下面側にはゴム製でリング状の上受座１ｅが装備されている。軸心Ｐを有する支軸１ｄは、下端プレート１ｃから支持座１ａを貫通して上方突出する状態で取付けられている。上受座１ｅは、ダイヤフラム３の上部３ａを広い面積でもって受け止める機能を発揮するものに構成されている。下端プレート１ｃの下側には、ステンレス鋼板製の摺動板１４が取付けられている。

内筒２は、リング状の基板２ａと、これの上面側に固着される筒壁部２ｂと、基板２ａに載せ付けられてボルト止め固定される支持板２ｃとから構成されており、基板２ａの外周部に固定される下受座１１に、ダイヤフラム３の下端部３ｂを載せ付けて受け止め支持されるように構成されている。下受座１１は、ゴム製の受部材６と、鋼板製の補強部７とから構成されている。

そして、支持板２ｃの上面には上下高さの低い円筒状のゴムブロック１０（弾性ブロックの一例）が固着（例：加硫接着）されている。支持板２ｃは、リング状の基板２ａの内周部に嵌合する円形の下部出っ張り２ｄを有しており、その下部出っ張り２ｄの底面２ｅと基板２ａの底面２ｔとは互いに同一平面となる状態に設定され、内筒２としての底面２Ｔを形成している。ゴムブロック１０の上面には、環状鋼板１２を介してフッ素系樹脂膜で成る円形の滑りシート１３がコーティングされている。

台座４（支持部材の一例）は、支軸１ｄと互いに同じ軸心Ｐを有する下筒軸８と、この下筒軸８の上端部に固着される円板状のフランジ板９とから構成されており、複数の車輪を有する台車（図示省略）が下筒軸８に対して軸心Ｐ回りで揺動可能に取り付けらる。

弾性機構５は、台座４のフランジ板９と内筒２の基板２ａとの上下間に平面視で円形のゴムブロック体１５を介装して連結固定するとともに、ゴムブロック体１５と内筒２との連結部Ｒが、内筒２とゴムブロック体１５とが常時当接する第１連結部分ｒ１と、内筒２における第１連結部分ｒ１以外の部分と、ゴムブロック体１５における第１連結部分ｒ１以外の部分とが、第１連結部分ｒ１におけるゴムブロック体１５が所定量上下方向に圧縮されるに伴って当接される第２連結部分ｒ２とを有して構成されている。

より具体的には、ゴムブロック体１５は、中心部１５Ａの上面高さがその外周部１５Ｂの上面高さよりも若干、即ち間隔ｄだけ低く設定された円筒形のものに形成されるとともに、ゴムブロック体１５の上面に当接される内筒２の底面２Ｔが均一な高さレベルのものに形成され、外周部１５Ｂと内筒２とで第１連結部分ｒ１が、かつ、中心部１５Ａと内筒２とで第２連結部分ｒ２が夫々構成されている。外周部１５Ｂは、鋼板等で成る上下二枚のリング状硬質板１６とゴム部１５ｂとが上下に交互に積層される積層ゴム構造に構成されている。

以上のような構造を採る鉄道車両用空気ばねＡにおいて、ダイヤフラム３のパンク又はデフレート時には、それに伴って下方移動（下降）してくる外筒１がゴムブロック１０に当接する状態に構成されている。より詳しくは、外筒１の下端部に装備される摺動板１４と滑りシート１３とが円滑に相対横移動可能に当接する。即ち、外筒１がまずゴムブロック１０に当接してゴムブロック１０が圧縮され、ゴムブロック１０の持つ比較的低いバネ定数ｋ１（図２参照）によりソフトなクッション状態が得られる。このとき、同時に外周部１５Ｂも若干は圧縮される（ゴムブロック１０とゴムブロック体１５とは荷重に対して直列配置されているから）。

荷重が増大すると、ゴムブロック１０がさらに圧縮されることで筒部１ｂの下端が筒壁部２ｂの上端に当接し（外筒１が内筒２に当接し：図２のＡ参照）、今度は外周部１５Ｂにみが圧縮される状態になる。この状態では、外周部１５Ｂの持つばね定数ｋ２（図２参照）が現われる。さらに荷重が増して外周部１５の圧縮変形量がｄに達すると、内周部１５Ａと下部出っ張り２ｄの底面２ｅとが（第２連結部ｒ２が）当接（内筒２が内周部１５Ａに当接：図２のＢ参照）され、内周部１５Ａも一緒に圧縮され始めるようになる。即ち、内周部１５Ａ及び外周部１５Ｂの双方が圧縮されることによる硬いばね定数ｋ３が現われる。

つまり、図２に示す外筒１の下降ストロークと荷重との関係を表すグラフのように、外筒１が（摺動板１４が）ゴムブロック１０に（滑りシート１３に）当接してから、外筒１が（筒部１ｂが）内筒２に（筒壁部２ｂに）当接するまで（図２における下降ストロークが０からＡまでの区間）は低いばね定数ｋ１によるソフトなクッション状態が得られる。次に、外筒１が内筒２に当接してから、内筒２が（下部出っ張り２ｄの底面２ｅが）内周部１５Ａの上面に当接するまで（図２における下降ストロークがＡからＢまでの区間）は中間のばね定数ｋ２による腰のある（メディアムな）クッション状態が得られる。

そして、内筒２が内周部１５Ａの上面に当接した後は、内周部１５Ａと外周部１５Ｂの双方、即ちゴムブロック体１５が圧縮されるようになり、高いばね定数ｋ３による踏ん張りの効く（ハードな）クッション状態が得られる。つまり、弾性機構５に関しては、そのバネ定数が、内筒２に所定の荷重が作用するまでの低荷重領域（図２のＡ−Ｂ間の領域）の値ｋ２よりも、所定の荷重以上の荷重が作用する高荷重領域（図２のＢ以降の領域）の値ｋ３の方が高くなる非線形構造に構成されている。

このように、中央部の高さを周りよりも少し低くしたゴムブロック体１５と、円筒形状のゴムブロック１０とを直列配置するという簡単な構造で、かつ、場所も取らずコスト安なものとしながらも、荷重が増すほどにばね定数が高くなる非線形のクッション装置を実現可能になる。その結果、ダイヤフラム３のパンク等によるデフレート時における走行安定性の確保に関する構成を、構造の簡素化、小型化、並びに廉価化を図りながら提供することができている。

例えば、外周部１５Ｂの上面を内周部１５Ａの上面よりも少し低く形成して、内周部１５Ａが内筒２の底面２Ｔに常時当接する構成を採ることも可能であるが、実施例１のように外周部１５Ｂが常時当接する構成の方が、内筒２と接触する部分の外郭形状が大きくできて安定した（座りの良い）空気ばねＡにできる利点がある。

実施例１による鉄道車両用空気ばねの構造を示す断面図 図１の空気ばねのバネ定数の特性グラフを示す図

１ 外筒
１ｃ 下側部分
２ 内筒
２ｄ 内筒における第１連結部分以外の部分
２Ｔ 底面
３ ダイヤフラム
４ 支持部材
５ 弾性機構
１０ 弾性ブロック
１５ ゴムブロック体
１５ｂ ゴム部
１５Ａ ゴムブロック体における第１連結部分以外の部分（中心部）
１５Ｂ 第１連結部分におけるゴムブロック体（外周部）
１６ 硬質板
Ａ 空気ばね
Ｒ 連結部
ｒ１ 第１連結部分
ｒ２ 第２連結部分

Claims (3)

1. 車体側の外筒と、その下方に配置される内筒と、これら両者に亘って配備される弾性材製のダイヤフラムとを有し、前記内筒と台車側の支持部材との上下間にクッション用の弾性機構が介装されて成る鉄道車両用空気ばねであって、
   前記弾性機構は、前記支持部材と前記内筒との上下間にゴムブロック体を連結固定するとともに、前記ゴムブロック体と前記内筒との連結部が、前記内筒と前記ゴムブロック体とが常時当接する第１連結部分と、前記内筒における前記第１連結部分以外の部分と前記ゴムブロック体における前記第１連結部分以外の部分とが前記第１連結部分における前記ゴムブロック体が所定量上下方向に圧縮されるに伴って当接される第２連結部分とを有していることにより、そのバネ定数が、前記内筒に所定の荷重が作用するまでの低荷重領域よりも、前記所定の荷重以上の荷重が作用する高荷重領域の方が高くなる非線形構造のものに構成し、
   前記内筒の上側に、前記非線形構造を有する弾性機構とダイヤフラムのデフレート時における荷重作用方向に直列配置されるようにクッション用の弾性ブロックを設け、前記ダイヤフラムのデフレートに伴って下方移動してくる前記外筒の下側部分が前記弾性ブロックに当接する状態に構成されている鉄道車両用空気ばね。
2. 前記ゴムブロック体は、中心部の上面高さがその外周部の上面高さよりも若干低く設定された円筒形のものに形成されるとともに、前記ゴムブロック体の上面に当接される前記内筒の底面が均一な高さレベルのものに形成され、前記外周部と前記内筒とで前記第１連結部分が、かつ、前記中心部と前記内筒とで前記第２連結部分が夫々構成されている請求項１に記載の鉄道車両用空気ばね。
3. 前記外周部は、硬質板とゴム部とが上下に交互に積層される積層ゴム構造に構成されている請求項２に記載の鉄道車両用空気ばね。

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