JP4989387B2 - 車両用軸ばねシステム - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両、トラック、産業用車両等に用いられる車両用軸ばねシステムに係り、詳しくは、主軸とこれと互いに同一又はほぼ同一の軸心を有する外筒との間に、複数の弾性層と硬質隔壁とを軸心と同心又はほぼ同心状態で径内外方向で交互に積層する積層ゴム構造で、かつ、軸心に沿う方向での断面視形状がハ字状を呈する弾性部が介装されて成る軸ばねを有する車両用軸ばねシステムに関するものである。

この種の軸ばね装置は、例えば鉄道車両においては、その蛇行動や上下動時の衝撃を吸収緩和するために、台車枠と車軸側部材との間に介装されている。即ち、軸箱支持装置の一例としての軸ばね装置は、特許文献１の図５に示すように、主軸とその周囲に配置された外筒との間に、複数の中間硬質筒とゴム製で複数の弾性層とが同心状態で、かつ、半径方向に交互に積層されて軸ばね装置が構成されている。

ここで、従来の一般的な軸ばねＡは、図５に示すように、鉄道台車２９において車輪２５の車軸２６を支える車軸箱（車輪側部材）２７を台車枠（車体側部材）２８に懸架支持させる手段であり、主軸３０とその周囲に配置された外筒３１との間に、複数の中間筒３２，３３と複数のゴム層３４とが同心状態で、かつ、径方向に交互に積層されて軸ばね部３５が構成されている。尚、３７は主軸３０に一体化されるストッパフランジである。

主軸３０は、金属製のものであって、円錐筒状に形成され、その下端には車軸２６の車箱２７に固定するための筒状支軸部３８が形成されている。この主軸３０の周囲に配置される複数の中間筒３２，３３及び外筒３１は、主軸３０と同様に金属製のものであって、円錐筒状に形成されており、これらの筒は径方向で外側に向かうほど上方位置となるよう主軸３０の軸心Ｑの方向にずれた状態で配置される。また、ゴム層３４は、主軸３０、中間筒３２，３３、及び外筒３１の間に介在され、これらに加硫成形されて一体化されている。

ところで、この種の軸ばね装置の傾向としては、空車時等のような車体重量が小さいときの乗り心地や曲線走行時における輪重抜けのし難さをより強める等のために、軸ばね装置を構成する弾性層として柔らかいゴムを使用し、全体のばね定数を低く設定するケースが多い。しかしながら、全体のばね定数を低く設定すると、例えば、定員以上の大きな車体重量が負荷された場合、弾性層が大きく撓んで却って乗り心地が悪化したり、それら弾性層に亀裂やクリープの生じるおそれが強まる等、軸ばね装置耐久性や乗車感に悪影響が出易い傾向がある。

そこで、定員等の大荷重時の乗り心地向上、弾性層の亀裂やクリープを回避するためにばね定数を高く設定すると、今度は空車時等のような車体重量が小さいときの曲線走行時の追従性や乗り心地が悪化する。また、最近の輪重管理の点で各荷重時のばね定数が一定では輪重抜けし易いことや輪重調整に手間が掛る等の観点から、新車への採用が困難になる場合もあった。

上記問題を解決するために、前記特許文献１の図１に示すように、主軸の上部に補助ばねを設け、低荷重域（空車時）では補助ばねが作用せず、定員又は定員付近の大なる車体重量になった高荷重域では、補助ばねが複数の弾性層と協働してばね作用を発揮する非線形ばね特性を有する構成の軸のばね装置も開示されている。また、特許文献２の図２に示されるように、主軸のフランジを大径化し、かつ、最内側の硬質隔壁（中間筒）を下方に延長させて、ある程度弾性部が撓むとフランジと最内側の硬質隔壁とが当接する構造（所謂メタルタッチ構造）として、非線形特性を出す工夫も試されている。
特開２００３−４０１０７号公報 特開２００６−５７７４６号公報

しかしながら、特許文献１の図１に示される手段では、弾性層とは別に補助ばねを必要とするため、部品点数の増加を伴うことになるとともに、補助ばねを主軸の上部に固定するためには、脱落しない適切な固定手段を用いなければならず、その固定作業も困難を要することが予想される。特許文献２に示される構成要素どうしを干渉させる手段では、干渉時の騒音の問題が残るとともに、摩耗や疲労を伴うものであって長期に安定した特性を得ることが困難であると思われる。

本発明の目的は、上記実情に鑑みて、上重量の種々に変化に拘らずに良好な乗り心地や揺れ軽減作用が発揮可能となる非線形特性を、部品点数の増加を招くことが極力なく、また騒音や早期摩耗のおそれがなく耐久性にも優れる状態としながら得ることができる改善された車両用軸ばねを提供する点にある。

請求項１に係る発明は、車体側部材１８と車輪側部材２１との何れか一方に取付けられる主軸１と、これと互いに同一又はほぼ同一の軸心Ｐを有する状態で車体側部材１８と車輪側部材２１との何れか他方に取付けられる外筒２との間に、複数の弾性層４と硬質隔壁５とを前記軸心Ｐと同心又はほぼ同心状態で径内外方向で交互に積層する積層ゴム構造の弾性部３が介装されて成る軸ばねＡが、左右の車輪１６，１７毎に装備されている車両用軸ばねシステムにおいて、
前記外筒１の前記軸心Ｐ方向における一端を閉塞してその閉塞部６と前記主軸１と前記弾性部３とで囲まれる部分で密閉室７を形成し、かつ、その密閉室７に懸架用の流体８を封入することで成る流体クッション機構９が前記左車輪用軸ばねＡと前記右車輪用軸ばねＡとの双方に装備されるとともに、それら左右の密閉室７，７を連通させる連通路１３が前記外筒２に嵌装される状態で設けら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に記載の車両用軸ばねシステムにおいて、前記左右の密閉室７，７が差圧弁１４を介して連通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１又は２に記載の車両用軸ばねシステムにおいて、前記流体８が空気であることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の車両用軸ばねシステムにおいて、前記軸ばねＡが、前記主軸１の外周面１ａ、前記弾性部３、及び前記外筒２の内周面２ａそれぞれの前記軸心Ｐに沿う方向での断面視形状が互いに同じ向きに揃えられたハ字状に形成され、かつ、前記弾性部３が前記軸心Ｐに沿う方向においては前記主軸１に対してその小径側に寄せて配置され、かつ、前記外筒２が前記軸心Ｐに沿う方向においては前記弾性部３に対してその小径側に寄せて配置される円錐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、詳しくは実施形態の項にて説明するが、軸ばねによる線形のバネ特性と流体クッション機構による非線形のバネ特性とが合体された特性、即ち、非線形なバネ特性が得られるようになる。流体クッション機構は、密閉室に懸架用流体を封入させる一般的な構成のものであるから、メタルタッチ等の構成要素どうしの衝突が無く、騒音や耐久性の点で有利になるとともに、流体クッション機構はその殆どが軸ばねの構成要素で形成されているので、専用の追加部品等が少なくて済み、経済的でもある。その結果、種々に変化するばね上重量の変化に拘らずに良好な乗り心地や揺れ軽減作用が発揮可能となる非線形特を、部品点数の増加を招くことが極力なく、また騒音や早期摩耗のおそれがなく耐久性にも優れる状態としながら得ることができる改善された車両用軸ばねを提供することができる。

そして、左右の密閉室が連通路で連通されているから、軸ばねとしての大きさを変えることなく各流体クッション機構における密閉室の容積（体積）が実質的に拡大されており、穏やかな非線形特性等、所望のバネ特性を設定し易い利点がある。そして、密閉室に漏れが生じるといった具合に左右何れか一方の流体クッション機構が損傷したような場合には、正常な流体クッション機構の圧が、不具合のある流体クッション機構の低下した圧と同じになるから、車両全体が下がることになり、車体が左右いずれかに傾く不都合は回避可能になる。その結果、ばね上重量の種々に変化に拘らずに良好な乗り心地や揺れ軽減作用が発揮可能となる非線形特性を、部品点数の増加を招くことが極力なく、また騒音や早期摩耗のおそれがなく耐久性にも優れる状態としながら得ることができ、しかも左右一方に流体漏れが生じても車両の左右傾斜が防止されて左右バランス良く走行することができ、安定性も改善される車両用軸ばねを提供することができる。

請求項２の発明によれば、次のような効果がある。左右の流体クッション機構が正常な状態では、走行中は極端に車両が左右傾斜する程の圧力差が生じないので差圧弁は動作しない。しかしながら、一方の密閉室がパンクする等の左右の流体クッション機構に所定以上の大きな圧力差が発生する場合には、その圧力差によって差圧弁がその内部の弁を開くように動作し、圧力の高い密閉室から圧力の低い密閉室へと連通路を開放し、それによって車両の左右傾斜を防止することができる。また、鉄道車両に適用した場合において、曲線通過時等には左右で輪重の差が発生し、それが左側の密閉室と右側の密閉室との内圧差となるが、大きな輪重差が発生した場合には、差圧弁が作動して左右の密閉室の圧が互いに等しくなるように車両用軸ばねシステムが作用する。従って、左右で均一な輪重配分が実現されて鉄道車両の走行安定性が改善され、よりバランス良く走行できるようになる。

請求項３の発明によれば、流体クッション機構を、クッション媒体である流体として空気を用いたエアクッション機構としてあるので、差圧弁が空気用のもので済む等、比較的廉価なものとしながら明確な非線形特性が得られる合理的なシステムとすることができる。

請求項４の発明によれば、円錐積層ゴム構造を有する軸ばねにおいて請求項１〜３の構成によるいずれかの効果が発揮されるものとなり、例えば、鉄道車両に適用した場合には、乗り心地の向上や曲線通過性の向上といった利点が得られる車両用軸ばねを提供することができる。

以下に、本発明による車両用軸ばねシステムの実施の形態を、鉄道車両に適用された場合について図面を参照しながら説明する。図１は車両用軸ばねシステムの概略図、図２は軸ばねの構造図、図３は軸ばね単品のバネ特性グラフ、図４は鉄道車両の懸架構造を示す模式図、図５は一般的な鉄道台車における軸バネの組付け構造図である。

〔実施例１〕
実施例１による車両用軸ばねシステムＳは、図１に示すように、軸ばね部ａと空気ばね部ｂとを有して成る左側及び右側の軸ばねＡａ，Ａｂと、左側軸ばねＡａの空気ばね部ｂと右側軸ばねＡｂの空気ばね部ｂとを連通させるための連通路１３と、連通路１３に設けられる差圧弁１４とを有して構成されている。各軸ばねＡａ，Ａｂは、図４に示すように、鉄道車両Ｂの台車１５に用いられており（詳細構造は図５のものと同じ）、左側軸ばねＡａ（Ａ）は左側車輪１６の懸架機構として、そして右側軸ばねＡｂ（Ａ）は右側車輪１７の懸架機構としてそれぞれ装備されている。

図４に示す台車１５において、１８は台車枠（車体側部材の一例）、１９はダイヤフラム式空気ばね、２０は車軸、２１は車軸箱（車輪側部材の一例）、Ｃは車両の左右中心である。図４では概略図として示してあるが、鉄道車両用の台車１５としての概要構成は、図５に示す従来のものと同じであって既に説明されているものであるから、ここでの詳しい説明は割愛するものとする。

軸ばねＡの構造を、右側軸ばねＡｂを用いて説明する。図２に示すように、右側軸ばねＡｂは、軸ばね部ａと、これの上部に一体的に構成される空気ばね部ｂとを有して構成されている。軸ばね部ａは、主軸１とこれと互いに同一（又はほぼ同一でも良い）の縦軸心Ｐを有する外筒２との間に、三層（複数の一例）の弾性層４と二層（複数の一例）の硬質隔壁５とを縦軸心Ｐと同心状態（又はほぼ同心状態でも良い）で径内外方向で交互に積層する積層ゴム構造の弾性部３を介装することで構成されている。空気ばね部ｂは、軸ばね部ａの上部に一体的に形成されるエアクッション機構（流体クッション機構の一例）９を有して構成されている。

主軸１は、金属製のものであって、上窄まり状の円錐外周面１ａ、ストッパフランジ１ｂ、下端開口１ｃ、ネジ部１ｄ（車軸の車箱に固定するために下端開口部１０ｃに形成されるネジ部）、中空部１ｅを有する筒状部材に形成されている。外筒２は、下拡がり状の円錐内周面２ａ、上端内側の嵌合内周面２ｂを有する断面がハ字状の円錐筒に形成されている。外筒２は、主軸１に対してその上側（円錐外周面１ａ側）よりも上方に寄せて（軸心Ｐに沿う方向においては主軸１に対してその小径側に寄せて）配置されている。

弾性部３は、縦軸心Ｐを中心とする内外三層のゴム層（弾性層の一例）４Ａ，４Ｂ，４Ｃと、同様に内外二層の硬質隔壁５Ａ，５Ｂとから成り、円錐外周面１ａと円錐内周面２ａとの間に介装される状態で主軸１と外筒２とに亘って装備されている。各硬質隔壁５は鋼板等の金属板や強化プラスチック等から形成される。各ゴム層４及び各硬質隔壁５は、いずれも縦軸心Ｐに沿う方向での断面視形状がハ字状を呈するテーパ円筒状のものに形成されている。

つまり、軸ばね部ａは、主軸１の外周面１ａ、弾性部３、及び外筒内周面２ａそれぞれの縦軸心Ｐに沿う方向での断面視形状が互いに同じ向きに揃えられたハ字状に形成され、かつ、弾性部３が縦軸心Ｐに沿う方向においては主軸１に対してその小径側に寄せて配置され、かつ、外筒２が縦軸心Ｐに沿う方向においては弾性部３に対してその小径側に寄せて配置される円錐積層ゴム構造に構成されている。

空気ばね部ｂであるエアクッション機構９は、外筒２の縦軸心Ｐ方向における一端を閉塞してその閉塞部６と主軸１との間に密閉室７を形成し、かつ、その密閉室７に懸架用の流体８を封入することで構成されている。詳述すると、主軸１の上端には、中空部１ｅを閉塞させるための栓１０が装備されるとともに、外筒２の上端には、Ｏリング１１を介することで外筒上端を閉塞するための円板蓋６が閉塞部として装備されている。従って、円板蓋６と弾性部３と栓１０とで囲まれる部分で密閉室７が形成されており、その密閉室７に空気（流体の一例）８を封入させることでエアクッション機構９が構成されている。つまり、荷重変動等によって主軸１と外筒２とが縦軸心Ｐ方向に相対移動すると、密閉室７の容積が変化してエア（流体）８が圧縮（又は膨張）されることになり、それによってエアサスペンション機能が発揮されるのである。

尚、密閉室７の設定容積を調整（増減調節）するために、図２に示すように、水、不凍液、砂等の非圧縮性の液体や固体（細かい粒子）で成る内容積調整用体（非圧縮性部材）１２を、予め密閉室７に封入しておいても良い。密閉室７の容積調整により、エアクッション機構９の初期荷重や非線形特性（後述）の調整が可能となる。尚、外筒２の上部側面には、左側軸ばねＡａの密閉室７とを連通させるべく合成樹脂製のチューブや金属管等による連通路１３が嵌装されている。

軸ばね部ａによるバネ特性（懸架特性）は、従来の軸ばねによるものと同等であり、図３に破線で示されるラインＸで示すように、外筒に下降移動量が増加するに対して弾性部３が外筒２を持上げようとするする力である反力荷重が比例して増加する線形特性（又はｈほぼ線形特性）が得られる。つまり、外筒２の下降移動量の如何に拘らずにバネ定数は一定となる特性である。但し、ハ字状を為す縦軸心Ｐに対する傾斜角度や、主軸１に対する外筒２の高さ位置等の緒元値の如何によっては、若干の非線形特性（外筒２の下降移動量が増すに連れてバネ定数が僅かに大きくなる特性）を示す場合もある。

そして、空気ばね部ｂによるバネ特性（懸架特性）は、これはつまり一般的なエアサスペンションであるから、図３に一点破線のラインＹで示すように、外筒２の下方移動量が増すに連れて前記反力荷重の増加率が大きくなる明確な非線形特性を発揮する。つまり、外筒２の下方移動量が大きくなる程、バネ定数も大きくなる特性である。従って、軸ばねＡ単品としての外筒２の下降移動と反力荷重との関係グラフは、図３に実線のラインＺで示すように、ラインＸとラインＹとの合体、即ち、非線形特性を示すものとなっている。

さて、図１に示すように、左右の密閉室７，７どうしを結ぶ連通路１３に設けられている差圧弁１４は、図示は省略するが、弁体、弁座、逆止弁、バネ、バネ調節板等を有して構成されており、一般的な定義では「一次側と二次側又はそれぞれの圧力と系の異なる圧力との差を、ある値に保持する調整弁」というものである。この差圧弁１４を実施例１のような構成として用いることにより、次のような機能を発揮可能になる。

即ち、鉄道車両Ｂの左右の空気ばね部ａ，ａが正常な状態では、走行中は極端に傾斜する程の圧力差が生じないので差圧弁１４は動作しない。しかしながら、一方の空気ばね部ａがパンクする等の左右の空気ばね部ａ，ａに所定以上の大きな圧力差が発生する場合には、その圧力差によって差圧弁１４がその内部の弁を開くように動作し、圧力の高い空気ばね部ａから圧力の低い空気ばね部ａへと連通路１３を開放し、それによって鉄道車両Ｂの傾斜を防止することができる。

軸ばね部ａには、走行に伴いさまざまな荷重（空車荷重、定員荷重、満車荷重、走行振動による荷重、加減速による荷重、等）を受け撓みを生じるとともに、密閉室７にはそれに応じた内圧が発生するようになる。そして、曲線通過時等には左右で輪重（車輪１６，１７に掛る荷重）の差が発生し、それが左側軸ばねＡａの密閉室７と右側軸ばねＡａの密閉室７との内圧差となる。大きな輪重差が発生した場合には、差圧弁１４が作動して左右の密閉室７，７の内圧（圧）が互いに等しくなるように車両用軸ばねシステムＳが作用する。その結果、左右で均一な輪重配分が実現されて鉄道車両Ｂの走行安定性が改善され、よりバランス良く走行できるものとなる。

このように、車輪軸２０に近い箇所に配置される左右の軸ばねＡ，Ａを用いて左右の輪重調整が行えるので、例えば、鉄道車両を支える左右の空気ばね（台車と車両との上下間に配されるダイヤフラムを用いた空気ばね）を用いて構築される同様なシステムに比べて、システムの小型化を図りながら応答性に優れるという利点がある。

〔別実施例〕
実施例１の車両用軸ばねシステムＳは、左右一つずつの軸ばねＡ，Ａを用いた構造のものであるが、左右二つずつの軸ばねの密閉室を一つの差圧弁１４を介して相互連通させる構造のものや、図１に示される構成のシステムを、各車軸ごとに設ける構成のものでも良い。また、例えば、前後に並ぶ右側車輪の軸ばねの密閉室どうしを連通させる等、前後に並ぶ車輪どうしの軸ばねを用いた車両用軸ばねシステムも可能である。

また、図１において、差圧弁１４を省略し、左右の密閉室７，７どうしを連通路１３で連通接続させるのみの構成による車両用軸ばねシステムＳでも良い。この場合には、左右の密閉室７，７の圧（内圧）は常時等しくなるので、図３に示す非線形特性（軸ばねＡ単品としての非線形特性）の立ち上がりが、図３に示す場合よりも緩くなる。そして、密閉室７に漏れが生じるといった具合に左右何れか一方の空気ばね部ａが損傷した場合には、正常な空気ばね部ａの圧が不具合のある空気ばね部ａの低下した圧と同じになるから、車両全体が下がることになり、車体が左右いずれかに傾く不都合は回避可能になる。

鉄道用の車両用軸ばねシステムＳを示す系統図（実施例１） 軸ばねの構造を示す断面 図２の車両用軸ばねの外筒下降移動量と反力荷重との関係グラフを示す図 左右軸ばねの鉄道車両への概略の搭載箇所を示す模式図 鉄道台車に装備された従来の軸ばねを示す一部切欠きの側面図

符号の説明

１ 主軸
１ａ 外周面
２ 外筒
２ａ 内周面
３ 弾性部
４ 弾性層
５ 硬質隔壁
６ 閉塞部
７ 密閉室
８ 懸架用の流体
９ 流体クッション機構
１３ 連通路
１４ 差圧弁
１６ 左車輪
１７ 右車輪
１８ 車体側部材
２１ 車輪側部材
Ａ 車輪用軸ばね
Ｐ 軸心

Claims (4)

1. 車体側部材と車輪側部材との何れか一方に取付けられる主軸と、これと互いに同一又はほぼ同一の軸心を有する状態で車体側部材と車輪側部材との何れか他方に取付けられる外筒との間に、複数の弾性層と硬質隔壁とを前記軸心と同心又はほぼ同心状態で径内外方向で交互に積層する積層ゴム構造の弾性部が介装されて成る軸ばねが、左右の車輪毎に装備されている車両用軸ばねシステムであって、
   前記外筒の前記軸心方向における一端を閉塞してその閉塞部と前記主軸と前記弾性部とで囲まれる部分で密閉室を形成し、かつ、その密閉室に懸架用の流体を封入することで成る流体クッション機構が前記左車輪用軸ばねと前記右車輪用軸ばねとの双方に装備されるとともに、それら左右の密閉室を連通させる連通路が前記外筒に嵌装される状態で設けられている車両用軸ばねシステム。
   
2. 前記左右の密閉室が差圧弁を介して連通されている請求項１に記載の車両用軸ばねシステム。
3. 前記流体が空気である請求項１又は２に記載の車両用軸ばねシステム。
4. 前記軸ばねが、前記主軸の外周面、前記弾性部、及び前記外筒の内周面それぞれの前記軸心に沿う方向での断面視形状が互いに同じ向きに揃えられたハ字状に形成され、かつ、前記弾性部が前記軸心に沿う方向においては前記主軸に対してその小径側に寄せて配置され、かつ、前記外筒が前記軸心に沿う方向においては前記弾性部に対してその小径側に寄せて配置される円錐積層ゴム構造に構成されている請求項１〜３の何れか一項に記載の車両用軸ばねシステム。

Images