JP5033499B2 - 軸ばね装置 - Google Patents

Description

本発明は、大型建機や大型船舶等でも使用可能であって主として鉄道車両に用いられる軸ばね装置に係り、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、中間硬質筒と弾性層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して成る弾性筒部が介装されて成る軸ばね装置に関するものである。

この種の軸ばね装置は、例えば、特許文献１において開示されるように、鉄道車両のサスペンションとして台車に用いられたものが知られている。これは、主軸の上に補助ばねを設けることにより、空車時のような車体重量が小さいときの追従性に優れた特性を発揮させながら、定員以上の車体重量が大きいときのゴムの亀裂やクリープを低減して耐久性の向上を図ることができる、と記載されている。

このような軸ばね装置においては、水平方向における異なったバネ定数の要求に関しては、例えば、図７に示す平面図で示される軸ばね装置Ａのように、弾性部３を構成する三層のゴム層１１，１２，１３のうちの、例えば最外側のゴム層１３に肉抜き部分ｎ，ｎを設ける手段を採ることがあった。この図７の例では、矢印イ方向の両端部に肉抜き部分ｎが設けてあるので、水平方向における矢印イ方向には比較的柔かいバネ定数にし、そして水平方向における矢印ロ方向には比較的硬いバネ定数にする、といった具合に差を付けることが可能である。尚、図７において、９，１０は硬質板であり、２Ｚは外筒２の状態に嵌合連結されるフランジである。

例えば、加減速時（急加速や急ブレーキ時は特に）の衝撃等、即ち主に前後方向にはショックが発生し易いので、図８に示す構成の軸ばね装置を用いる場合には、矢印ロ方向が鉄道車両の進行方向（レール方向）に向くように配置設定することにより、特性に見合った軸ばね装置として提供することが可能である。
特開２００３−４０１０７

しかしながら、ゴム層に肉抜き部を設ける手段には、幾つかの問題点があった。それは、肉抜きを設ける手段であるから、既存の軸ばね装置を流用することが先ず無理（完成後にゴム層に肉抜き部を形成するのが困難であり、かつ、コストも高くなる）であり、新作するしかない、という不便がある（既存品の流用ができない）。その場合、金型成形する上で肉抜き部分を作るには、入れ子型を加えることになって結局金型を新作することになり、新たに高価な型費が発生するとともに、工数の増大も招く。加えて、肉抜き部の形状如何（径方向に薄く扁平な形状等）によっては入れ子型が歪み易くなる不都合も考えられる。

本発明の目的は、更なる構造工夫により、型費の大幅増や製作工数増を招くことが少なく又は無く、廉価で合理的な手段によって水平方向の角度によるバネ定数変化が実現できるようにして、より改善された望ましい軸ばね装置を提供する点にある。

請求項１に係る発明は、主軸１とこれと互いに同一又はほぼ同一の軸心Ｐを有する外筒２との間に、中間硬質筒９，１０と弾性層１１〜１３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して成る弾性部３が介装されて成る軸ばね装置において、
前記外筒２に固定支持される外筒側部材１４と前記主軸１とを、前記軸心Ｐに沿う嵌合軸心Ｘを有する状態で弾性材Ｄを介して遊嵌合して成る弾性規制機構４が装備され、
前記弾性規制機構４が、前記嵌合軸心Ｘが前記軸心Ｐに一致し、かつ、外周に前記弾性材Ｄで成る弾性層１５が一体的に装備された棒状部１４Ａを有する前記外筒側部材１４における前記棒状部１４Ａを、前記軸心Ｐを中心とする嵌合穴５が形成される前記主軸１における前記嵌合穴５に遊内嵌することで構成され、
前記弾性層１５と前記嵌合穴５との間には前記軸心Ｐに沿う隙間ｄが形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に記載の軸ばね装置において、前記棒状部１４Ａと前記主軸１との遊嵌合構造部分にこれら両者１４Ａ，１の相対移動によって圧縮可能な弾性部材１８を設け、前記弾性部３の前記軸心Ｐ方向への圧縮変形によって前記棒状部１４Ａと前記主軸１とが所定量相対移動してから前記弾性部材１８の圧縮が開始されるようにして成る補助弾性機構Ｃが装備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、外筒に固定支持される外筒側部材と主軸とを、軸心に沿う嵌合軸心を有する状態で弾性材を介して遊嵌合して成る弾性規制機構を設けてあるので、ブレーキ時の衝撃や過大な入力、或いはカーブ走行時のロール規制に対して、柔軟な初期及び中期作動と踏ん張りの効く終期作動、並びにある程度以上の水平移動は阻止される特性が発揮され、水平方向の懸架性能向上と製品寿命の延命（耐久性向上）とを奏することが可能な軸ばね装置となっている。また、ゴム層に肉抜き部が無いから型費の改造や入れ子型の新設も無い。その結果、型費の大幅増や製作工数増を招くことが少なく又は無く、廉価で合理的な手段によって水平方向の角度によるバネ定数変化が実現できるようにして、より改善された望ましい軸ばね装置を提供することができる。

この場合、請求項１のように、弾性層が外装された棒状部を主軸の嵌合穴に遊内嵌する弾性規制機構では、穴の内周面に弾性層を設ける場合に比べて、弾性層の装備や加工がやり易く加工性やコスト的に有利である。

請求項２の発明によれば、棒状部と主軸とが所定量相対移動してから弾性部材が圧縮され始める補助弾性機構を設けたので、水平方向だけでなく上下方向の懸架特性も明確な非線形特性にすることができ、より総合的に優れる軸ばね装置を提供することができる。

以下に、本発明による軸ばね装置の実施の形態を、鉄道車両の台車に用いられるものとして図面を参照しながら説明する。図１，３，４，６はそれぞれ実施例１、参考実施例１、参考実施例２、実施例２による軸ばね装置の一部切欠き側面図、図２，５はそれぞれ実施例１、参考実施例２による軸ばね装置の非線形特性を示すグラフである。

〔実施例１〕
実施例１による鉄道車両用の軸ばね装置Ａは、図１に示すように、主軸１と、外筒２と、これら主軸１と外筒２との間に介装される弾性部３と、弾性規制機構４とから成り、図示は省略するが、鉄道車両における車軸の中心の前後両側のそれぞれの位置に装備される。軸ばね装置Ａは、図示のように、主軸１が外筒２の下方に位置する正立姿勢で用いられることが多い。

上下方向視で円形の主軸１は、台車側に支持される下端の支持部１Ａと、上部の本体部１Ｂと、支持部１Ａと本体部１Ｂとの上下間のフランジ部１Ｃと、上端から支持部１Ａのほぼ上下中央に架けて形成される平面視で円形を呈する嵌合穴５とを有して形成されている。本体部１Ｂの外周面６は、下方ほど上下軸心Ｐに対する径が大きくなる円錐面（テーパ外周面）に形成されている。

円筒状の外筒２は、下方ほど上下軸心Ｐに対する径が大きくなる円錐面、即ちテーパ内周面７と、その上部の嵌合内周部８とを有している。テーパ内周面７は、その傾斜角度及び方向が外周面６と同じに設定されている。また、嵌合内周部８には、後述する外筒側部材１４のフランジ円板部１４Ｂが内嵌支持される。この外筒２は、その下端部が主軸１の上端部に位置する高さレベルとなるように、主軸１に対する相対高さが設定されている。

弾性部３は、内外の第１及び第２中間硬質筒９，１０とゴム製の弾性層１１，１２，１３とを軸心Ｐと同心（又はほぼ同心でも良い）状態で径内外方向で交互に積層して構成されている。各中間硬質筒９，１０及び各弾性層１１〜１３は外周面６と同方向で同じ角度傾斜するテーパ円筒状のものに形成されており、最内側の第１弾性層１１の内周面が主軸１の外周面６に加硫接着等の手段によって一体化されるとともに、最外側の第３弾性層１３の外周面が外筒２のテーパ内周面７に加硫接着等の手段によって一体化されている。

弾性規制機構４は、外筒に固定支持される側面視の形状が略Ｔ字状の外筒側部材１４と主軸１とを、軸心Ｐに沿う嵌合軸心Ｘを有する状態で弾性材Ｄを介して遊嵌合することで構成されている。具体的には、弾性規制機構４が、嵌合軸心Ｘが軸心Ｐに一致し、かつ、外周にゴム等の弾性材料で成る外周の弾性層１５（弾性材Ｄの一例）が一体的に装備された断面円形の棒状部１４Ａと、外筒２に内嵌するフランジ円板部１４Ｂとを有する外筒側部材１４における棒状部１４Ａを、軸心Ｐを中心とする嵌合穴５が形成される主軸１における嵌合穴５に遊内嵌することで構成されている。尚、弾性層１５は、図示のように棒状部１４Ａの全周を覆う構成以外に、周方向や軸心Ｐ方向で間欠的に存在させるとか、網状のもの等、種々の構成が可能である。

即ち、通常は（水平方向の力が作用していないとき）、図１に示すように、主軸１の軸心Ｐと外筒２の軸心Ｗとが一致しており（嵌合軸心Ｘも一致している）、嵌合穴５と棒状部１４Ａの互いの軸心も一致しており、弾性層１５と嵌合穴５とには径方向で僅かな隙間ｄ、即ち環状の隙間が存在する遊嵌状態になっている。従って、水平方向であれば、前後左右を問わず、どの方向でも主軸１と外筒２とが相対的に距離ｄ動くまでは弾性部３のみの弾性、即ち第１バネ定数Ｋ１によって懸架される状態になる。主軸１と外筒２とが相対的に水平方向に距離ｄ以上動くと嵌合穴５の内周部と弾性層１５とが当接し、今度は弾性部３のと弾性層１５との双方の弾性、即ち第１バネ定数Ｋ１より高い値の第２バネ定数ｋ２によって懸架される状態になる。

つまり、図２に示す実施例１の軸ばね装置Ａの水平方向の懸架特性グラフのように、水平方向の荷重に対する変位（たわみ）が、距離ｄまでは第１バネ定数Ｋ１で、それ以上は第２バネ定数Ｋ２となる非線形特性が得られるようになっている。尚、弾性層１５がある程度圧縮されると棒状部１４Ａによるストッパー機能が発揮される。これにより、ブレーキ時の衝撃や過大な入力、或いはカーブ走行時の横変位規制（ロール規制）に対して、柔軟な初期及び中期作動と踏ん張りの効く終期作動、並びにある程度以上の水平移動は阻止される特性が発揮され、水平方向の懸架性能向上と製品寿命の延命（耐久性向上）とを奏することが可能な軸ばね装置となっている。さらに、嵌合穴５の下端には径の細い連通孔５ａが形成されており、これら嵌合穴５と連通孔５ａとにより、弾性部３と外筒側部材１４とで囲まれる空間部Ｓを外部連通させる空気給排部としての機能が発揮可能とされている。

〔参考実施例１〕
参考実施例１による鉄道車両用の軸ばね装置Ａは、図３に示すように、基本的には図１に示す実施例１の軸ばね装置と同じであり、弾性規制機構４が少し異なるのみである。即ち、弾性規制機構４は、嵌合軸心Ｘが軸心Ｐに一致させた棒状部１４Ａを有する外筒側部材１４における棒状部１４Ａを、軸心Ｐを中心とし、かつ、内周にゴム等の弾性材料で成る弾性層１６（弾性材Ｄの一例）が一体的に装備された嵌合穴５が形成された主軸１における嵌合穴５に遊内嵌することで構成されている。この実施例２の軸ばね装置Ａの持つ作用や効果は、前述の実施例１の軸ばね装置と同等である。

参考実施例１の軸ばね装置Ａでは、嵌合穴５の内周に弾性層１６を内嵌装着させるので、弾性部３の加硫接着時に弾性層１６の加硫接着も一挙に行うことが可能となる利点がある。これに対して、実施例１の軸ばね装置Ａでは、棒状部１４Ａに弾性層１５を外嵌装着させるので、嵌合穴５に設ける場合に比べて加工が容易になる利点がある。

〔参考実施例２〕
参考実施例２による鉄道車両用の軸ばね装置Ａは、図４に示すように、主軸１とこれと互いに同一又はほぼ同一の軸心Ｐを有する外筒２との間に、中間硬質筒９，１０と弾性層１１〜１３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して成る弾性部３が介装されて成る軸ばね装置であって、外筒２に弾性材１７を介して一体的に積層配備される支持部材１４と、この支持部材１４に軸心Ｐ方向に沿って主軸１に向かうように一体的に突設される棒状部１４Ａとを設けるとともに、支持部材１４と主軸１との間に軸心Ｐに交差する方向の力が作用した場合には、棒状部１４Ａと外筒２とが当接してから棒状部１４Ａと主軸１とが当接するように、棒状部１４Ａと外筒２並びに主軸１との夫々を遊嵌合させる変位差当接機構Ｂが装備されている。

具体的には、外筒２の上面を覆うような板状の蓋部材１９が外筒２の上端に嵌合装着されており、その蓋部材１９に積層ゴム構造の弾性材１７を介して側面視の形状が略Ｔ字状の支持部材１４が積層配備されている。弾性材１７は、上下２段のゴム層２０，２０と、その上下間に介装される１段の金属板等による硬質板２１とで成る三層構造のものであり、例えば加硫接着によって蓋部材１９の上面と支持部材１４の底面とに一体化される。蓋部材１９及び弾性材１７は共に中心孔１９ａ，１７ａを有する上下方向視で円環状の形状に形成されており、それらの中を棒状部１４Ａが通る構造となっている。

支持部材１４は、弾性材１７に搭載される上壁部１４Ｂと、その中心から垂下される棒状部１４Ａとから成り、棒状部１４Ａの下端部は、主軸１の嵌合孔５の上部にまで及んでいる。尚、外筒２、弾性部３、及び主軸１に関しては実施例１や参考実施例１の軸ばね装置のものと同一ものものであり、ここでの説明は割愛する。これにより、棒状部１４Ａ（支持部材１４）は、弾性部３と弾性材１７とを介して主軸１に装備されている。この場合は、鉄道車両は外筒２ではなく、支持部材１４に連結される構成になる。

変位差当接機構Ｂは、蓋部材１９の中心孔１９ａと棒状部１４Ａとの径差ｄ１よりも、主軸１の嵌合穴５と棒状部１４Ａとの径差ｄ２を大（ｄ１＜ｄ２）に設定することである。但し、弾性部３の水平方向のバネ定数、弾性材１７の水平方向のバネ定数、並びにそれらの予圧縮等の初期荷重等の総合条件から、主軸１と支持部材１４とに亘る水平方向の力により、先に蓋部材１９の中心孔１９ａと棒状部１４Ａとが当接し、それから嵌合穴５と棒状部１４Ａとが当接するようにｄ１とｄ２の値を決めてある。

従って、参考実施例２の軸ばね装置Ａの水平方向の懸架特性グラフは、図５に示すように、主軸１と支持部材１４との相対的な水平方向の変位量がｄ１までは、弾性部３と弾性材１７との双方によるソフトな第１バネ定数ｋ１になり、前記変位量がｄ１以上でからｄ２未満の間では弾性部３のみによるハードな第２バネ定数ｋ２になる。そして前記変位量がｄ２に到達すると、主軸１と棒状部１４Ａとが直接当接するリジッド状態になる。尚、棒状部１４Ａと中心孔１９ａとの相対移動量がｄ１のときの棒状部１４Ａと嵌合穴５との相対移動量はｄ１’（ｄ１＜ｄ１’＜ｄ２：図５参照）になる。この参考実施例２の軸ばね装置Ａの持つ水平方向に関する作用や効果は、前述の実施例１の軸ばね装置とほぼ同等になると思われる。

上下方向に関しては、弾性部３と弾性材１７との双方によって上下方向の荷重にも抗するようになるので、弾性部３のみによる場合に比べて、クッションストロークを無理なく増大させることが可能になるとか、よりソフトな乗り心地が可能になるといった利点が得られる。又、ゴム硬度の設定如何によっては、弾性部３がソフトなバネ定数を担当し、弾性材１７がハードなバネ定数を担当して、より理想的な非線形特性を有する懸架特性を構成することも可能である。

〔実施例２〕
実施例２による鉄道車両用の軸ばね装置Ａは、図６に示すように、基本的に実施例１の軸ばね装置を用いたものであって、棒状部１４Ａと主軸１との遊嵌合構造部分にこれら両者１４Ａ，１の相対移動によって圧縮可能な弾性部材１８を設け、弾性部３の軸心Ｐ方向への圧縮変形によって棒状部１４Ａと主軸１とが所定量相対移動してから弾性部材１８の圧縮が開始されるようにして成る補助弾性機構Ｃが装備されたものである。図６では、実施例１の軸ばね装置における嵌合穴５に、弾性部材１８として上下方向視が円形の棒状ゴム１８を設けた構成としてある。

棒状ゴム１８は、嵌合穴５の内径よりも幾分小さい目の径であるが、上端部のみガイド機能を持たせるべくほぼ嵌合穴５の内径に等しいフランジ部１８ａが形成されている。棒状ゴム１８は、重力によって嵌合穴５の断面Ｖ字状の底面５ｂに搭載される状態に配置されており、その上端と棒状部１４Ａの下端との上下間距離ｈが、前述の所定量に相当している（所定量ｈ）。つまり、上下方向の荷重に対しては、棒状部１４Ａが棒状ゴム１８に当接するまでの範囲では弾性部３のみによる比較的柔かいバネ定数での懸架状態になり、満員乗車時等の大きな荷重が作用して棒状部１４Ａが棒状ゴム１８に当接すると、今度は弾性部３と棒状ゴム１８との双方の弾性による比較的硬いバネ定数での懸架状態になる。

従って、実施例２の軸ばね装置Ａは、水平方向にも上下方向にも非線形なバネ定数による懸架特性が発揮されるようになっており、いずれの方向にもクッションストローク前半では乗り心地重視のソフトな懸架状態が得られ、クッションストローク後半では大荷重に耐えて踏ん張るように高いバネ定数によって腰のある懸架状態が得られるように、改善された高性能なものとなっている。

〔別実施例〕
弾性規制機構４は、例えば実施例１における棒状部１４Ａの下端部が円筒状になっており、主軸１の上端部がその円筒状の棒状部１４Ａの下端部に内嵌する、という構造を用いて構成することが可能である。同様に、変位差当接機構Ｂや補助弾性機構Ｃも種々の構造変更が可能である。

実施例１による軸ばね装置を示す一部切欠きの側面図 図１の軸ばね装置の非線形特性グラフを示す図 参考実施例１による軸ばね装置を示す一部切欠きの側面図 参考実施例２による軸ばね装置を示す一部切欠きの側面図 図４の軸ばね装置の非線形特性グラフを示す図 実施例２による軸ばね装置を示す一部切欠きの側面図 従来の軸ばね装置を示す平面図

１ 主軸
２ 外筒
３ 弾性部
４ 弾性規制機構
５ 嵌合穴
９，１０ 中間硬質筒
１１〜１３ 弾性層
１４ 外筒側部材
１４Ａ 棒状部
１５ 弾性層
１６ 弾性層
１７ 弾性材
１８ 弾性部材
Ａ 軸ばね装置
Ｂ 変位差当接機構
Ｃ 補助弾性機構
Ｄ 弾性材
Ｐ 軸心
Ｘ 嵌合軸心
ｄ 隙間

Claims (2)

1. 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、中間硬質筒と弾性層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して成る弾性部が介装されて成る軸ばね装置であって、
   前記外筒に固定支持される外筒側部材と前記主軸とを、前記軸心に沿う嵌合軸心を有する状態で弾性材を介して遊嵌合して成る弾性規制機構が装備され、
   前記弾性規制機構が、前記嵌合軸心が前記軸心に一致し、かつ、外周に前記弾性材で成る弾性層が一体的に装備された棒状部を有する前記外筒側部材における前記棒状部を、前記軸心を中心とする嵌合穴が形成される前記主軸における前記嵌合穴に遊内嵌することで構成され、
   前記弾性層と前記嵌合穴との間には前記軸心に沿う隙間が形成されている軸ばね装置。
2. 前記棒状部と前記主軸との遊嵌合構造部分にこれら両者の相対移動によって圧縮可能な弾性部材を設け、前記弾性部の前記軸心方向への圧縮変形によって前記棒状部と前記主軸とが所定量相対移動してから前記弾性部材の圧縮が開始されるようにして成る補助弾性機構が装備されている請求項１に記載の軸ばね装置。

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