JP5309056B2 - 緩衝装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両における牽引装置等の各種リンクや、ヨーダンパ等の各種ダンパの取付部等に設けられ、弾性体によって衝撃や振動を緩和する緩衝装置に関するものである。

鉄道車両において、例えば車体と台車とを連結する牽引装置のリンクや、ヨーダンパ等の取付部には、ゴム等の弾性体を用いて衝撃や振動を緩和する緩衝装置（防振装置）が設けられている。
このような緩衝装置は、例えば、アウタ金具である外筒の内径側に、インナ金具であるピンを挿入し、外筒の内面とピンの外面との間にゴム等の弾性材を充填して構成される。外筒及びピンは、車体と台車の一方及び他方にそれぞれ固定される。一般にゴム製である弾性体は、金属等の硬質材料で形成された外筒及びピンに対して、加硫接着によって固定されている。

このような緩衝装置に関する従来技術として、例えば特許文献１には、乗り心地に影響を与える振動を低減することを目的として、高周波域（または変位量が小さい場合）における剛性を低周波域（または変位量が大きい場合）に対して低下させるため、ゴム部を外筒のみと接着してピンとは非接着状態とすることが記載されている。

特開２００７−１３９０９９号公報

上述したように、ゴム部とピンとを非接着とした緩衝装置においては、ピンがゴム部から抜けて脱落することが懸念される。特許文献１には、抜け止めのためにピンの外面とこれに当接するゴム部とに凹凸を形成して相互に係合させることが記載されているが、この場合、外筒とピンとの相対変位が大きくなった場合には、係合が外れて十分な抜け止め効果を得られないことが懸念される。

また、ゴム部とピンとを非接着とした緩衝装置においては、ピンの軸直角方向の荷重とこじり方向の荷重とを同時に繰り返し受けると、ピンとの摩擦によってゴムが摩耗し、摩耗粉が発生することが問題となっていた。

上述した問題に鑑み、本発明の課題は、軸方向変位が大きくなった場合であってもピンの脱落を防止できる緩衝装置を提供することである。
また、本発明の他の課題は、弾性部材の摩耗を抑制した緩衝装置を提供することである。

上述した課題を解決するため、本発明の緩衝装置は、第１の部材及び第２の部材の連結箇所に設けられ、前記第１の部材と前記第２の部材との相対変位を許容しつつ衝撃及び振動伝達を緩和する緩衝装置であって、前記第１の部材に固定される筒状部材と、前記第２の部材に固定されるとともに前記筒状部材の内径側に挿入されるピンと、前記筒状部材の内面と前記ピンの外面との間に設けられ前記筒状部材に固定されるとともに前記ピンに対して摺動可能とされた弾性部材とを備え、前記ピンには、前記筒状部材の径方向にほぼ沿って伸びた貫通穴が形成され、前記弾性部材には、前記弾性部材の対向する内周面間にわたして設けられるとともに前記貫通穴に挿入される係合部が一体に形成されることを特徴とする。
本発明によれば、外筒に対してピンの軸方向変位が大きくなった場合であっても、弾性部材の対向する内面間にわたされた係合部がピンの貫通穴に挿入されていることから、係合部が破断しない限りピンの脱落は防止される。また、除荷されると、係合部の弾性によってピンは初期位置まで復元する。

本発明において、前記ピンの前記弾性部材と当接する外面は、球面にほぼ沿った凸曲面状に形成される構成とすることができる。
これによれば、弾性部材のひずみやピンと弾性部材との接触面圧が局所的に高くなることを防止し、弾性部材の摩耗を抑制して摩耗粉の発生を低減することができる。

また、本発明において、前記ピンの前記弾性部材と当接する外面は、前記外筒の中心軸を含む平面で切って見た断面形状が弧状となる凸曲面状に形成される構成とすることができる。
このようにしても、弾性部材のひずみやピンと弾性部材との接触面圧が局所的に高くなることを防止し、弾性部材の摩耗を抑制して摩耗粉の発生を低減することができる。

以上のように、本発明によれば、軸方向変位が大きくなった場合であってもピンの脱落を防止できる緩衝装置を提供することができる。
また、本発明によれば、弾性部材の摩耗を抑制した緩衝装置を提供することができる。

本発明を適用した緩衝装置の第１実施形態を示す図である。 図１の緩衝装置におけるピンの外観斜視図である。 本発明の比較例である緩衝装置におけるピンの外観斜視図である。 図１の緩衝装置におけるピンの軸方向変位と荷重との相関を示すグラフである。 本発明を適用した緩衝装置の第２実施形態を示す図である。 図５の緩衝装置におけるピンの外観斜視図である。 第１実施形態の緩衝装置における径方向荷重及びこじり荷重負荷時のゴム部のひずみ分布を示す図である。 第２実施形態の緩衝装置における径方向荷重及びこじり荷重負荷時のゴム部のひずみ分布を示す図である。

以下、本発明を適用した緩衝装置の第１及び第２実施形態について、図面を参照して説明する。
＜第1実施形態＞
図１は、第１実施形態の緩衝装置を示す図である。
図１（ａ）は、外筒の中心軸方向から見た図である。
図１（ｂ）は、図１（ａ）のｂ−ｂ部矢視図である。
図１（ｃ）は、図１（ｂ）のｃ−ｃ部矢視図である。
図１（ｄ）は、図１（ａ）のｄ−ｄ部矢視断面図である。
図１（ｅ）は、図１（ｄ）のｅ−ｅ部矢視断面図である。
（後述する第２実施形態の図５において同様）

図１に示すように、緩衝装置１は、外筒１０、ピン２０、ゴム部３０を備えて構成されている。
外筒１０は、例えばスチール等の金属材料によって円筒状に形成されている。外筒１０は、例えば、鋼管を所定の長さに切断した後、端面に所定の面取り処理等を施して製作される。
外筒１０は、図示しない牽引装置のリンク端部やヨーダンパ等の端部に設けられた円筒部に圧入され固定されるアウタ金具である。

ピン２０は、例えばスチール等の金属材料によって形成され、外筒１０の内径側に挿入されている。ピン２０と外筒１０との間には、ゴム部３０が設けられる間隔が設けられている。ピン２０は、図示しない車体や台車枠に、例えばボルト−ナット等の締結手段によって固定されるインナ金具である。
図２は、ピン２０の外観斜視図である。
ピン２０は、中間部２１、被固定部２２等を備えて構成されている。また、中間部２１には、貫通穴２３が形成されている。

中間部２１は、外筒１０の内径側に配置される部分（軸方向における位置が外筒１０と重なった部分）である。
中間部２１は、ほぼ円柱状に形成されるとともに、その軸方向における両端部２１ａは、テーパ状に径が絞り込まれている。

被固定部２２は、ピン２０の軸方向における両端部にそれぞれ設けられている。被固定部２２は、図１に示すように、無負荷時には外筒１０の両端部から突き出して配置されている。被固定部２２は、中間部２１と同心の円柱の対向する両側面部を、平行な一対の平面に沿って平坦にカットした形状となっている。被固定部２２には、図示しないボルトが挿入されるボルト穴２２ａが形成されている。ボルト穴２２ａは、被固定部２２の一方の平面部から反対側の平面部まで貫通した丸穴として形成されている。

貫通穴２３は、中間部２１の軸方向における中心部に設けられ、中間部２１をその径方向に貫通した丸穴として形成されている。
また、貫通穴２３の端部近傍には、貫通穴２３の中心軸と直交する平面に沿って中間部２１の外周面を平坦にカットした形状とされた平面部２３ａが形成されている。

ゴム部３０は、外筒１０の内周面とピン２０の中間部２１の外周面との間に設けられた弾性部材である。
ゴム部３０は、外筒１０の内周面と例えば加硫接着によって固定されている。また、ゴム部３０は、ピン２０の中間部２１の表面及び貫通穴２３の内面とは接着されていない。
ゴム部３０の内周面３１は、ピン２０の中間部２１の形状に適合した円筒内面状の凹曲面として形成され、ピン２０の中間部２１と微小な空隙を隔てて対向し、荷重負荷による当接時に摺動可能とされている。このようなゴム部３０の内周面３１とピン２０の中間部２１の外周面との間の空隙は、ゴム部３０の加硫後の冷却時におけるゴムの収縮によって形成される。

また、ゴム部３０には、ピン２０の貫通穴２３に挿入される係合部３３が一体に形成されている。係合部３３は、貫通穴２３とほぼ同じ径を有する円柱状に形成され、内周面３１の対向する面間にわたして外筒１０の径方向に沿って伸びている。

次に、緩衝装置１の製造方法について説明する。先ず、外筒１０及びピン２０を準備し、冶具によって所定の位置関係となるように保持する。その後、ゴム部３０の両端面に相当する箇所の金型を配置し、金型、外筒１０、ピン２０の間に形成される空間部に未加硫ゴムを加圧充填する。そして、加熱することによってゴムを加硫し、ゴム部３０を成型するとともに、ゴム部３０と外筒１０とを加硫接着する。このとき、ゴム部３０とピン２０とは加硫接着されないようにする。

次に、上述した第１実施形態の効果を、以下説明する本発明の比較例と対比して説明する。
なお、以下説明する比較例及び第２実施形態においては、上述した第１実施形態と実質的に同様の箇所については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。

図３は、比較例の緩衝装置におけるピン２２０の外観斜視図である。比較例のピン２２０は、第１実施形態のピン２０に対して、貫通穴２３が設けられていない点で相違する。また、図示しないゴム部は、第１実施形態のゴム部３０に対して、係合部３３が設けられていない点で相違する。
また、図３に示すように、両端部２１ａと被固定部２２との境界部には、外径側につば状に張り出したフランジ部２１ｂが形成されている場合がある。
このような比較例の緩衝装置においては、外筒１０の軸方向における外筒１０とピン２０との相対変位が大きくなると、除荷されてもピン２０が初期位置まで復元しなかったり、さらにはピン２０が外筒１０及びゴム部３０から脱落する場合がありうる。
比較例の緩衝装置においては、ピン２２０の軸方向荷重に対する耐荷重は例えば３．３ｋＮであり、これ以上の軸方向荷重を受けた場合にはピン２２０の抜けが生ずる。

これに対し、第１実施形態においては、ピン２０の貫通穴２３内にゴム部３０の係合部３３が挿入されていることから、外筒１０の軸方向における外筒１０とピン２０との相対変位が大きくなった場合であっても、ピン２０の脱落が防止されるとともに、除荷された後には係合部３３の弾性力によって、ピン２０が初期位置まで復元する。
第１実施形態の緩衝装置１においては、ピン２０はゴム部３０の係合部３３が破断しない限りピン２０の脱落は生じず、ピン２０の軸方向荷重に対する耐荷重は例えば２７．０ｋＮであった。

図４は、第１実施形態におけるピン２０の軸方向変位（ゴム部３０のたわみ）と荷重との相関を示すグラフである。図４において、横軸は変位を示し、縦軸は荷重を示している。この試験は、外筒１０に対して、ピン２０を外筒１０の軸方向に４０ｍｍ相対変位させ、その後除荷するものである。
第１実施形態の緩衝装置１においては、変位が増加する往路と変位が減少する復路とで履歴が異なるヒステリシス特性は認められるが、ピン２０が脱落することはなく、また除荷後には初期位置への復元が可能であることがわかる。
このため、鉄道車両の車体と台車枠との間に設けられる牽引装置のリンクやヨーダンパ等のダンパの基部に第１実施形態の緩衝装置１を適用した場合、台車枠が車体に対して相対変位し、ピン２０が外筒１０に対して軸方向に変位した場合であっても、ピン２０の脱落を防止し、除荷時にはピン２０を初期位置まで確実に復元させることができる。
また、第１実施形態においては、ピン２０に貫通穴２３を形成し、その内部にゴム部３０と一体成型された係合部３３を挿入することによって、比較例に対して部品点数を増加させることなく上述した抜け止め効果を発揮できる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明を適用した緩衝装置の第２実施形態について説明する。
図５は、第２実施形態における緩衝装置２を示す図である。
図６は、第２実施形態におけるピン１２０の外観斜視図である。
第２実施形態のピン１２０は、中間部１２１の外周面を、ピン２０の中心軸と貫通穴２３の中心軸との交点を中心とする球面に沿った凸曲面として形成したものである。
すなわち、中間部１２１の外周面を、ピン１２０の中心軸を含む平面で切って見た断面形状は、外側が凸となる円弧状に形成されている。
また、第２実施形態においては、図５に示すように、ゴム部１３０の内周面１３１もピン１２０の中間部１２１の外周面にほぼ沿った球面状の凹曲面として形成されている。

次に、第２実施形態の効果を、上述した第１の実施形態と比較して説明する。
図７及び図８は、それぞれ第１実施形態及び第２実施形態において、ピン２０，１２０の軸直角方向（径方向）へ３１．６ｋＮの荷重を負荷するとともに、ピン２０，１２０を外筒１０に対してこじり方向へ６．９度傾斜させた際の、ゴム部３０，１３０のＦＥＭによって求めたひずみ分布を示す図である。

図７に示す第１実施形態の場合には、ピン２０の中間部２１における両端部２１ａのエッジ部分において、ゴム部３０のひずみが局所的に大きくなっていることがわかる。第１実施形態においては、最大ひずみは２１５．０％であった。
これに対し、図８に示す第２実施形態の場合には、ピン１２０の中間部１２０に第１実施形態のようなエッジ部が形成されないことから、ゴム部１３０のひずみが局所的に大きくなることが防止される。第２実施形態においては、最大ひずみは８２．８％であった。

第１及び第２実施形態の緩衝装置１，２において、上述した軸直角荷重及びこじり荷重を、４０万回繰り返し負荷する耐久試験において、発生した摩耗粉の重量を測定したところ、第１実施形態では１８．０ｇであったのに対し、第２実施形態では１０．７ｇと大幅に低減していることがわかった。

以上説明したように、第２実施形態によれば、上述した第１実施形態の効果と同様の効果に加えて、さらにピン１２０との摺動によるゴム部１３０の磨耗を抑制し、緩衝装置２の耐久性を向上することができる。

（他の実施形態）
なお、本発明は上述した各実施形態のみに限定されるものではなく、種々の応用や変形が考えられる。
例えば、緩衝装置を構成する各部材の形状、構造、材質、製法等は適宜変更することができる。
また、第２実施形態において、ピンの中間部の外周面は例えば球面状に形成されているが、これに限らず、例えば楕円を長軸又は短軸回りに回転させて得られる凸曲面状等、他の形状に形成してもよい。
また、各実施形態において、ピンの貫通穴及び弾性部材の係合部は１箇所設けているが、複数箇所設けてもよい。
また、各実施形態では、ゴムが充填される貫通穴の方向を、ピンの軸方向から見たときにボルト穴の方向と直角となるように配置することによって、車両のヨーイング方向のこじりに対して影響が少なくなるようにしているが、貫通穴の方向はこれに限らず適宜変更することができる。例えば、貫通穴をボルト穴と平行に配置して、車体ロール方向のこじりに対して影響が少なくなるようにしてもよい。

１ 緩衝装置（第１実施形態） ２ 緩衝装置（第２実施形態）
１０ 外筒 ２０ ピン
２１ 中間部 ２１ａ 両端部
２１ｂ フランジ部 ２２ 被固定部
２２ａ ボルト穴 ２３ 貫通穴
２３ａ 平面部 ３０ ゴム部
３１ 内周面 ３２ 溝部
３３ 係合部 １２０ ピン（第２実施形態）
１２１ 中間部 １３０ ゴム部（第２実施形態）
１３１ 内周面 ２２０ ピン（比較例）

Claims (3)

1. 第１の部材及び第２の部材の連結箇所に設けられ、前記第１の部材と前記第２の部材との相対変位を許容しつつ衝撃及び振動伝達を緩和する緩衝装置であって、
   前記第１の部材に固定される筒状部材と、
   前記第２の部材に固定されるとともに前記筒状部材の内径側に挿入されるピンと、
   前記筒状部材の内面と前記ピンの外面との間に設けられ前記筒状部材に固定されるとともに前記ピンに対して摺動可能とされた弾性部材とを備え、
   前記ピンには、前記筒状部材の径方向にほぼ沿って伸びた貫通穴が形成され、
   前記弾性部材には、前記弾性部材の対向する内周面間にわたして設けられるとともに前記貫通穴に挿入される係合部が一体に形成されること
   を特徴とする緩衝装置。
2. 前記ピンの前記弾性部材と当接する外面は、球面にほぼ沿った凸曲面状に形成されること
   を特徴とする請求項１に記載の緩衝装置。
3. 前記ピンの前記弾性部材と当接する外面は、前記外筒の中心軸を含む平面で切って見た断面形状が弧状となる凸曲面状に形成されること
   を特徴とする請求項１に記載の緩衝装置。
   

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