JP5107371B2

JP5107371B2 - 軸箱支持構造

Info

Publication number: JP5107371B2
Application number: JP2010014485A
Authority: JP
Inventors: 祐三佐藤; 大雅横山; 聡市川
Original assignee: Japan Transport Engineering Co
Current assignee: Japan Transport Engineering Co
Priority date: 2009-02-05
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2030-01-26
Also published as: JP2010202179A

Description

本発明は、鉄道車両の軸箱支持構造に関するものである。

従来、鉄道車両の台車に設けられる軸箱支持構造の一つとして、並列ばね方式の軸箱支持構造がある。例えば特許文献１に記載の軸箱支持装置は、鉄道車両の車軸を支持する軸箱体と、軸箱体を前後方向から挟んで並設され、軸箱体に対して台車枠を上下に弾性支持する一対のコイルばねとを備えている。

特開２００２−３６２３６２号公報

上記従来の軸箱支持構造において、台車枠を主として上下方向に弾性支持するコイルばねは、一般的に、水平方向の支持剛性が低くなっている。そこで、コイルばねに案内用構造物を設けることで、コイルばねの水平方向の支持剛性の担保を図っていた。しかしながら、このような構造物を設けると、コイルばねの構造が複雑化し、組立時や調整時におけるメンテナンス性の低下が問題となっていた。

一方、コイルばねに変えて一対のゴムばねが採用されている並列ばね方式の軸箱支持構造では、常に軸箱体に対して台車枠を上下方向に弾性支持することになる。そのため、ゴムの劣化（へたり）に起因してばね定数が変化するため、定期的な確認や調整作業が必要となり、メンテナンス性が悪いといった問題があった。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、簡易な構成とすることができ、且つメンテナンス性に優れた軸箱支持構造を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係る鉄道車両の軸箱支持構造は、鉄道車両の台車に設けられた軸箱支持構造であって、鉄道車両の車軸を支持する軸箱体と、軸箱体の軸ばね座と台車枠の側梁との間に、車軸を挟んで並設される一対の軸ばねと、を備え、一対の軸ばねは、一方が軸箱体に対して台車枠を主として上下方向に弾性支持するコイルばねであり、他方が軸箱体に対して台車枠を主として上下方向及び水平方向に弾性支持するゴムばねであることを特徴とする。

この鉄道車両の軸箱支持構造では、軸ばねの一方がコイルばね、軸ばねの他方がゴムばねによって構成されている。コイルばねは、台車枠を主として上下方向に弾性支持する。一方、ゴムばねは、台車枠を主として上下方向及び水平方向に弾性支持する。そのため、ゴムばねにより、コイルばねに水平方向の支持剛性を高めるための案内用構造物が不要となり、構造が簡易化される。これにより、コイルばねの組立時や調整時におけるメンテナンス性の優れたものとすることができる。また、コイルばねにより、ゴムばねの上下方向の弾性支持による劣化の影響を低減できる。従って、ゴムばねの劣化に起因するばね定数の変化が抑制されるので、定期的な確認や調整作業を軽減でき、メンテナンス性の向上を図ることができる。以上のように、軸箱支持構造を簡易な構成とすることができ、且つメンテナンス性に優れたものとすることができる。

また、ゴムばねは、その撓み中心の高さが鉄道車両の車軸の所定の基準高さと略同等になるように、上下方向の取り付け位置が設定されていることが好ましい。このような構成とすることにより、コイルばね及びゴムばねの上下撓み量の違いに起因して、ゴムばねの撓み中心周りに回転変位する車軸とゴムばねの撓み中心との間の距離の前後変位量を減少させることができ、軸距（車軸間の距離）の変動を抑制できる。

また、ゴムばねは、積層ゴムとすることができる。この場合、積層ゴムを構成する例えば鋼板及びゴムの積層を変更、又はゴムの一部を空洞にすることにより、前後方向、左右方向及び上下方向それぞれのばね定数を好適に設定することができる。

本発明に係る鉄道車両の軸箱支持構造によれば、簡易な構成とすることができ、且つメンテナンス性に優れたものとすることができる。

本発明の一実施形態に係る軸箱支持構造の側面図である。車軸中心と円錐積層ゴムの撓み中心との間の距離の前後変位量を比較する図である。車軸中心と円錐積層ゴムの撓み中心との間の距離の前後変位量を比較する図である。上下ばね定数と交点との関係を説明するための図である。交点及び車軸中心の間の距離と軸距の変動との関係を説明するための図である。変形例に係る軸箱支持構造の側面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る軸箱支持構造の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る軸箱支持構造の側面図である。図１に示すように、軸箱支持構造１は、鉄道車両の台車に設けられる並列ばね式の軸箱支持構造であり、鉄道車両の車軸（図示しない）を支持する軸箱体２と、車軸を挟んで配設される一対の軸ばね４とを備えている。なお、図１では、台車における軸箱支持構造１の一方のみを図示しているが、図示しない他方の構成も同様である。

軸箱体２は、車軸を回転自在に支持する軸受（図示しない）が配設された軸受部６を有している。軸箱体２には、上下方向の振動を減衰するダンパ８を介して、台車枠１０の側梁１０ａに連結されている。また、軸箱体２の下部には、車軸（軸受部６）を挟んで鉄道車両の前後方向両側に張り出し、一対の軸ばね４を支持する座１２が設けられている。座１２は、軸ばね４の一方を支持する第１張出部１２ａと、軸ばね４の他方を支持する第２張出部１２ｂとから構成されている。

一対の軸ばね４は、コイルばね１４と、円錐積層ゴム（ゴムばね）１６とから構成されている。コイルばね１４は、軸箱体２よりも側梁１０ａの先端側に配設されている。コイルばね１４は、第１張出部１２ａと、側梁１０ａとの間に軸ばね座２０及び防振ゴム２２を介して配設されている。コイルばね１４は、軸箱体２に対して台車枠１０を主として上下方向に弾性支持する。

円錐積層ゴム１６は、例えば鋼板間にゴムが注入されてなる多層のゴムばねである。円錐積層ゴム１６は、軸箱体２（軸受部６）を挟んでコイルばね１４と並列に配設されている。具体的に、円錐積層ゴム１６は、第２張出部１２ｂの先端に形成された溝に下部が嵌入された状態でボルト固定されると共に、側梁１０ａに上部が連結されている。円錐積層ゴム１６は、軸箱体２に対して台車枠１０を前後方向、左右方向及び上下方向に弾性支持する。なお、円錐積層ゴム１６は、鋼板及びゴムの積層を変更することにより、水平方向のばね定数を上下ばね定数とは別に設定することができ、上下方向及び水平方向に対する支持剛性を調整できる。

上述した円錐積層ゴム１６は、その撓み中心高さがおおよそ鉄道車両の車軸の所定の基準高さとなるように、上下方向の取り付け位置が設定されている。鉄道車両の車軸の所定の基準高さとは、鉄道車両への乗客の乗降等により、車軸を挟んで並設される一対の軸ばねが伸び撓みする際の軸ばねの伸び時と撓み時の間において設定した車軸中心の高さをいい、好ましくは定員乗車時もしくは空車時の高さである。なお、定員とは、鉄道車両の車内面積や座席等によって設定された立席定員と座席定員との総和である。

ここで、軸箱体２と台車枠１０とは相対的に変動するが、台車枠１０を固定した際、コイルばね１４及び円錐積層ゴム１６に対して上下方向から荷重が加えられた場合に、コイルばね１４及び円錐積層ゴム１６のばね定数及び取り付け位置の違いに起因して軸箱体２が車軸周りに回転して上下方向に変位する。このとき、コイルばね１４及び円錐積層ゴム１６が撓む前のそれぞれの撓み中心を通る直線と、軸箱体２が回転したときにコイルばね１４及び円錐積層ゴム１６が上下方向に撓んだ後のそれぞれの撓み中心を通る直線とが交差する見かけ上の交点（以下、単に交点と称する）が存在する。本実施形態では、コイルばね１４の上下ばね定数及びコイルばね１４の中心軸と車軸中心との距離、及び円錐積層ゴム１６の上下ばね定数及び円錐積層ゴム１６の中心軸と車軸中心との距離は、車軸中心と交点との間の距離が大きくなるように設定されている。

具体的には、本実施形態では、例えばコイルばね１４の上下ばね定数が３７５Ｎ／ｍｍ、コイルばね１４の中心軸と車軸中心との距離が２７５ｍｍに設定され、円錐積層ゴム１６の上下ばね定数が７５０Ｎ／ｍｍ、円錐積層ゴム１６の中心軸と車軸中心との距離が２７５ｍｍに設定されている。これにより、交点は、軸箱体２から側梁１０ａの基端側に車軸中心から７７５ｍｍの位置に位置することになる。コイルばね１４の上下ばね定数及びコイルばね１４の中心軸と車軸中心との距離、及び円錐積層ゴム１６の上下ばね定数及び円錐積層ゴム１６の中心軸と車軸中心との距離と、交点との関係については後述する。

以上のような構成を有する軸箱支持構造１では、軸ばね４の一方がコイルばね１４、軸ばね４の他方が円錐積層ゴム１６によって構成されている。コイルばね１４は、軸箱体２に対して台車枠１０を主として上下方向に弾性支持する。一方、円錐積層ゴム１６は、軸箱体２に対して台車枠１０を主として上下方向及び水平方向に弾性支持する。そのため、円錐積層ゴム１６により、コイルばね１４の水平方向の支持剛性を高めるための複雑な構造を有する案内部等が不要となり、構造が簡易化される。これにより、コイルばね１４の組立時や調整時におけるメンテナンス性の優れたものとすることができる。

また、コイルばね１４により、円錐積層ゴム１６の上下方向の弾性支持による劣化の影響を低減できる。従って、円錐積層ゴム１６の劣化に起因するばね定数の変化が抑制されるので、定期的な確認や調整作業を軽減でき、メンテナンス性の向上を図ることができる。以上のように、本実施形態に係る軸箱支持構造１では、簡易な構成とすることができ、且つメンテナンス性に優れたものとすることができる。

また、円錐積層ゴム１６は、その撓み中心の高さが前述の鉄道車両の車軸の所定の基準高さと略同等になるように、上下方向の取り付け位置が設定されているため、コイルばね１４及び円錐積層ゴム１６の上下撓み量の違いに起因して、円錐積層ゴム１６の撓み中心周りに回転変位する車軸と円錐積層ゴム１６の撓み中心との距離の前後変位量を減少させることができ、軸距（車軸間の距離）の変動を抑制できる。

［円錐積層ゴムの撓み中心及び車軸の相対高さと軸距の変動との関係］
次に、円錐積層ゴム１６の撓み中心及び車軸の相対高さと軸距の変動との関係について、図２を参照しながら説明する。図２（ａ）〜図２（ｃ）は、車軸の所定の基準高さ時において円錐積層ゴム１６の撓み中心高さを鉄道車両の車軸中心の高さと略同等に設定した場合を示す図であり、図３（ａ）〜図３（ｃ）は、車軸の所定の基準高さ時において円錐積層ゴム１６の撓み中心高さを鉄道車両の車軸中心の高さよりも高く設定した場合を示す図である。図２及び図３では、（ａ）が車軸の所定の基準高さ時よりも、コイルばね１４及び円錐積層ゴム１６が撓んだ時、（ｂ）が車軸の所定の基準高さ時、（ｃ）が車軸の所定の基準高さ時よりも、コイルばね１４及び円錐積層ゴム１６が伸びた時をそれぞれ示しており、車軸の所定の基準高さ時の車軸中心の上下・前後位置をそれぞれＣ１，Ｃ２とし、車軸の所定の基準高さＣ２と円錐積層ゴム１６の撓み中心Ｐとの上下方向の距離をＲとしている。なお、図２及び図３では、いずれもコイルばね１４及び円錐積層ゴム１６の上面、すなわち台車枠１０を固定した状態の相対変位を示している。

ここで、車軸は、（ａ）状態から（ｃ）状態の間における軸箱体２の上下方向への変位に伴い、車軸中心と円錐積層ゴム１６の撓み中心間の距離Ｌ_０もしくはＬ_０’を保ちながら、円錐積層ゴム１６の撓み中心を中心とする円軌道を描くように変位する。その際、Ｃ１，Ｃ２は、（ａ）状態では上方向にδ_Ａ撓むことでＣ１’，Ｃ２’の上下・前後位置に変位し、（ｃ）状態では下方向にδ_Ｂ撓むことでＣ１”，Ｃ２”の上下・前後位置に変位する。また、同様に、円錐積層ゴム１６の撓み中心Ｐは、（ａ）状態では上方向にδ_ａ（≠δ_Ａ）撓むことでＰ’に変位し、（ｃ）状態では下方向にδ_ｂ（≠δ_Ｂ）撓むことでＰ”に変位する。このとき、図２に示すように、円錐積層ゴム１６の撓み中心Ｐの高さを車軸の所定の基準高さＣ１と略同等に設定した場合には、（ｂ）状態から（ｃ）状態の間における車軸中心と円錐積層ゴム１６の撓み中心との間の距離の前後変位量はΔｘ１となる。また同様に、（ａ）状態から（ｂ）状態の間においては、前後変位量はΔｘ１’となる。

一方、図３に示すように、車軸の所定の基準高さ時における円錐積層ゴム１６の撓み中心Ｐの高さを車軸の所定の基準高さＣ２よりも上方に距離Ｒだけ高く設定した場合には、（ａ）状態から（ｃ）状態の間における車軸中心と円錐積層ゴム１６の撓み中心との間の距離の前後変位量はΔｘ２となり、車軸の所定の基準高さ時における円錐積層ゴム１６の撓み中心Ｐの高さを車軸中心の高さと略同等に設定した場合に比べて、車軸中心と円錐積層ゴム１６の撓み中心との間の距離の前後変位量が増大（Δｘ１＜Δｘ２かつΔｘ１’＜Δｘ２）する。従って、車軸の所定の基準高さ時における円錐積層ゴム１６の撓み中心Ｐの高さを鉄道車両の車軸中心の高さと略同等となるように円錐積層ゴム１６の取り付け位置を設定することにより、軸距の変動を抑制することができる。

［軸ばねの上下ばね定数と交点及び車軸中心の間の距離との関係］
続いて、軸ばねの上下ばね定数と交点及び車軸中心の間の距離との関係について、図４を参照しながら説明する。図４は、上下ばね定数と交点及び車軸中心の間の距離との関係を説明するための図である。図４において、コイルばね１４の上下ばね定数をＫ１、円錐積層ゴム１６の上下ばね定数をＫ２とする。また、図４において、コイルばね１４の中心軸と車軸中心との距離をＬ１、円錐積層ゴム１６の中心軸と車軸中心との距離をＬ２とする。

上述の構成において、コイルばね１４にＦ１、円錐積層ゴム１６にＦ２の荷重が上下方向から加わると、軸箱体２が車軸周りに回転して上下方向に変位する。このときの車軸周りのモーメントは以下の式となる。
Ｆ１×Ｌ１＝Ｆ２×Ｌ２ …（１）

ここで、軸箱体２の撓み量をδ０、コイルばね１４の撓み量をδ１、及び円錐積層ゴム１６の撓み量をδ２とすると、フックの法則からＦ１＝Ｋ１×δ１、Ｆ２＝Ｋ２×δ２となるので、上記（１）式は以下の式に書き換えられる。
Ｋ１×δ１×Ｌ１＝Ｋ２×δ２×Ｌ２ …（２）

また、ばね定数Ｋ１とばね定数Ｋ２との合成ばね定数をＫ（＝Ｋ１＋Ｋ２）とすると、
Ｆ１＋Ｆ２＝Ｋ×δ０ …（３）
となり、撓み量の釣り合いから、
δ０＝（δ１×Ｌ１＋δ２×Ｌ２）／（Ｌ１＋Ｌ２） …（４）
となる。

また、図４において、コイルばね１４の変位前の上下方向撓み中心をＡ、コイルばね１４の変位後の上下方向撓み中心をＢとする。また、円錐積層ゴム１６の変位前の上下方向撓み中心をＣ、円錐積層ゴム１６の変位後の上下方向撓み中心をＤとする。そして、交点Ｏと各点とを結んだ三角形をそれぞれ三角形（ＯＡＢ）及び三角形（ＯＣＤ）とすると、各辺の比より以下の式が求められる。
δ１：δ２＝（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）：Ｌ３ …（５）

以上のようにして求められた式に、例えばＫ１＝３７５Ｎ／ｍｍ、Ｋ２＝７５０Ｎ／ｍｍ、Ｌ１＝２７５ｍｍ、Ｌ２＝２７５ｍｍを代入すると、Ｌ３＝５５０ｍｍとなる。従って、車軸中心と交点Ｏとの距離Ｌは７７５ｍｍ（＝Ｌ２＋Ｌ３）となる。

［交点及び車軸中心の間の距離と軸距の変動との関係］
次に、交点及び車軸中心の間の距離と軸距（車軸間の距離）の変動との関係について、図５を参照しながら説明する。図５は、交点及び車軸中心の間の距離と軸距の変動との関係を説明するための図である。ここで、車軸中心の上下方向の変位量をΔＴとすると、車軸中心と交点Ｏとの距離が長い場合の車軸中心と交点Ｏとの間の距離の前後変位量Δｘ３に対し、車軸中心と交点Ｏとの距離が短い場合の車軸中心と交点Ｏとの間の距離の前後変位量Δｘ４は、Δｘ３よりも大きくなる。従って、車軸に対して交点Ｏが遠方にあるほど、車軸の上下変位による車軸中心と交点Ｏとの間の距離の前後変位量が減少するため、軸距の変動を抑制できる。

従来の軸梁式の軸箱支持構造は、軸箱体から側梁に沿って延在すると共に、緩衝ゴムを介して台車枠に固定される支持腕を備えている。軸梁式の軸箱支持構造では、軸箱体の回転中心が支持腕と側梁との固定部分に位置している。そのため、支持腕の長さは、上述の車軸中心と交点Ｏとの距離と略一致する。この支持腕の長さは、構成上の制限があり、例えば５００ｍｍに設定されている。

これに対し、上述のようにコイルばね１４及び円錐積層ゴム１６の上下ばね定数Ｋ１，Ｋ２及びＬ１，Ｌ２を設定することにより、車軸中心と交点Ｏとの間の距離Ｌを例えば７７５ｍｍ（＞５００ｍｍ）に設定できる。このように、交点Ｏを車軸中心から遠方に設定することにより、本実施形態では、従来の構造の軸梁式に比べて軸距の変動を抑制できる。

また、本実施形態では、円錐積層ゴム１６が軸箱体２に対して台車枠１０を水平方向に弾性支持しているため、軸受と円錐積層ゴム１６の中心軸との距離（実質モーメント腕長）Ｌ２が実質的に上記従来の支持腕の長さに相当する。この実質モーメント腕長は、従来の支持腕の長さより短い。従って、従来の軸箱支持構造に比べて軸受回りのモーメントを小さくすることができ、軸受のこじり量（軸受及び車軸の接触圧の変動）を低減することができる。これにより、軸受の寿命を増やすことができ、軸箱支持構造１のメンテナンス性の向上を図ることができる。

また、本実施形態では、軸梁式の軸箱支持構造において、軸受けの上部に設けられるコイルばねを覆うばね帽が不要となるため、ばね帽を取り付けるための溶接工程が不要となり、製作を容易に行うことができると共に、溶接欠陥を減少させることができる。また、ばね帽が取り付けられた場合に比べて、軸箱支持構造の高さ方向の寸法を小さくすることができる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、コイルばね１４を軸箱体２よりも側梁１０ａの先端側に配設し、円錐積層ゴム１６を軸箱体２よりも側梁１０ａの基端側に配設しているが、配設方法はこれに限定されない。例えば図６に示す軸箱支持構造１Ａのように、コイルばね１４を軸箱体２よりも側梁１０ａの基端側に配設し、円錐積層ゴム１６を軸箱体２よりも側梁１０ａの先端側に配設してもよい。

また、上記実施形態では、コイルばね１４及び円錐積層ゴム１６の上下ばね定数Ｋ１，Ｋ２をＫ１＝３７５Ｎ／ｍｍ、Ｋ２＝７５０Ｎ／ｍｍとしたが、コイルばね１４及び円錐積層ゴム１６の上下ばね定数Ｋ１，Ｋ２を略同値（Ｋ１≒Ｋ２、或いはＫ１＝Ｋ２）に設定してもよい。この場合、車軸が略垂直に変位するので、交点Ｏが無限遠に存在することになり、軸距の変動を一層抑制することが可能となる。

また、上記実施形態では、ゴムばねとして円錐積層ゴム１６を例示したが、軸箱体２に対して台車枠１０を上下方向及び水平（前後・左右）方向に弾性支持するゴムであればよく、例えば水平方向の前後・左右のばね定数が等しいリング状のロールゴム等であってもよい。ロールゴムであっても、円錐積層ゴム１６と同様に、軸箱体２に対して台車枠１０を上下方向及び水平方向に弾性支持することができる。

また、上記実施形態では、軸箱体２がダンパ８を介して台車枠１０に連結されているが、ダンパ８は必ずしも設けられなくてもよい。ダンパ８が設けられない場合であっても、円錐積層ゴム１６の内部減衰により、従来の一対のコイルばねによって構成される軸箱支持構造に比べて、鉄道車両の良好な乗り心地を実現することができる。

１，１Ａ…軸箱支持構造、２…軸箱体、４…軸ばね、１０…台車枠、１０ａ…側梁、１２（１２ａ，１２ｂ）…座、１４…コイルばね、１６…円錐積層ゴム（ゴムばね）。

Claims

鉄道車両の台車に設けられた軸箱支持構造であって、
前記鉄道車両の車軸を支持する軸箱体と、
前記軸箱体の軸ばね座と台車枠の側梁との間に、前記車軸を挟んで並設される一対の軸ばねと、を備え、
前記軸ばねの一方は、前記軸箱体に対して前記台車枠を主として上下方向に弾性支持するコイルばねであり、前記軸ばねの他方は、前記軸箱体に対して前記台車枠を主として上下方向及び水平方向に弾性支持するゴムばねであることを特徴とする軸箱支持構造。
前記ゴムばねは、その撓み中心の高さが前記鉄道車両の前記車軸の所定の基準高さと略同等になるように、上下方向の取り付け位置が設定されていることを特徴とする請求項１記載の軸箱支持構造。
前記ゴムばねは、積層ゴムであることを特徴とする請求項１又は２記載の軸箱支持構造。