JP5315198B2 - 鉄道車両用空気ばね - Google Patents

Description

本発明は、ダイヤフラム型の空気ばね部と、その下に配置される弾性部とを備えて成る鉄道車両用空気ばねに関するものである。

この種の鉄道車両用空気ばねとしては、特許文献１において開示されたものが知られている。即ち、ゴム車体側の上支持部、その下方に配置される中間支持部、及びそ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で構成される空気ばね部と、弾性材層と硬質板とが交互に上下積層される状態で台車側の下支持部と中間支持部との上下間に介装される積層ゴム構造の弾性ばね部と、を有して成る鉄道車両用空気ばねである。

前記の鉄道車両用空気ばねは、通常は空気ばね部と弾性ばね部との双方の弾性によって懸架されており、主にバネ定数の比較的低い空気ばね部によってソフトで良好な懸架特性（サスペンション特性）が得られるように設定されている。そして、パンク等によってダイヤフラムがエアレス状態となって空気ばね部が機能しなくなる異常時には、中間支持部に載置されている弾性ストッパによって上支持部が支えられるも、ほぼ弾性ばね部のみの弾性による懸架状態となる。

ダイヤフラムがエアレス状態になってしまうと走行を止めて修理しなければならないが、お客を乗せている営業走行中等では即座に車庫に戻るわけにも行かないので、ある程度はエアレス状態、即ち弾性ばね部のみの懸架状態でも走行し続けることを可能にしておく必要がある。そこで、弾性ばね部の上下方向のバネ定数を、これのみの走行状態を考慮して比較的低く設定するようにはされているが、十分ではない。

即ち、エアレス時における弾性ばね部のみの懸架状態でも実用に耐える乗り心地の要求が厳しくなってきており、弾性ばね部における上下方向のバネ定数をより柔らかくすることが必要である。そのためには、弾性ばね部における弾性材層の段数、ゴム配合、ゴム厚みの調整等によってバネ定数の低いものとすることが効果的であが、その手段ではせん断方向のバネ定数も低く（柔らかく）なってしまい、横揺れし過ぎとなる不都合がある。そして、それにより、弾性ばね部の横方向への変位量が過大となって亀裂が入るとか、耐久性が低下するといった不具合も出易くなる。

特開２００７−０４６７１８号公報

本発明の目的は、積層ゴム構造の弾性ばね部と空気ばね部とが上下に積層配備されて成る鉄道車両用空気ばねにおいて、せん断方向の過剰な動きを抑制して上下方向のバネ定数を低く設定することが可能な弾性部を実現させ、空気ばね部が機能しない状態でも走行し続けることが可能となるように、弾性ばね部のみによる懸架性能を改善させる点にある。

請求項１に係る発明は、車体側の上支持部１、その下方に配置される中間支持部２、及びそれら両者１，２に亘って配備される弾性材製のダイヤフラム３とで構成される空気ばね部ａｃと、弾性材層１４と硬質板１５とが交互に上下積層される状態で台車側の下支持部４と前記中間支持部２との上下間に介装される積層ゴム構造の弾性ばね部５と、を有して成る鉄道車両用空気において、
前記弾性ばね部５に中空部１９を形成し、前記下支持部４にこれから上方突出する状態で固定される突出部１６が前記中空部１９に収容されるとともに、前記弾性ばね部５における前記中空部１９を形成する内壁面５Ａと前記突出部１６との横方向間に所定の間隙が設けられ、
前記間隙は、前記弾性ばね部５の横変位に従って前記内壁面５Ａと前記突出部１６とが下方から徐々に当接面積が増えて行くように、断面形状が下窄まり三角形となる移動用空間部１７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、前記中空部１９が前記弾性ばね部５の上下に亘る貫通孔で成り、前記突出部１６が前記下支持部４から立設される筒状部材で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、前記貫通孔１９が前記空気ばね部ａｃの上下軸心Ｐを中心として平面視で円形を呈する円柱孔に形成され、前記筒状部材１６が前記上下軸心Ｐを中心として平面視で円形を呈する外郭形状を持つ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４に係る発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の鉄道車両用空気ばねにおいて、前記弾性ばね部５が上下に所定量圧縮変位されたときに前記中間支持部２が前記突出部１６で受止められるように、前記突出部１６の高さが設定されていることを特徴とするものである。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の鉄道車両用空気ばねにおいて、前記突出部１６の外側面がクッション材２０Ａで覆われていることを特徴とするものである。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５の何れか一項に記載の鉄道車両用空気ばねにおいて、前記突出部１６の頂面がクッション材２０Ｂで覆わ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、横荷重が掛かる等によって弾性ばね部が大きく横変位する場合には、その内壁面が突出部に当接してそれより大きく横変位することが規制又は阻止されるようになる。従って、弾性ばね部を柔らかくして乗り心地を改善すべく上下方向のバネ定数を低することで横方向のバネ定数が低くなっても、過剰な横移動（横揺れ）が防止されるようになる。そして、その横移動規制作用は弾性ばね弁部の中空部に構成、即ち内部に収容可能であるから、外に露出されている場合に比べて、異物の咬み込みや汚れるといった不利益が明確に生じ難くなる利点もある。その結果、せん断方向の過剰な動きを抑制して上下方向のバネ定数を低く設定することが可能な弾性部を実現させ、空気ばね部が機能しない状態でも走行し続けることが可能となるように、弾性部のみによる懸架性能が改善される鉄道車両用空気ばねを提供することができる。

請求項２の発明によれば、弾性ばね部の上下に亘る貫通孔が中空部であり、下支持部から立設される筒状部材が突出部であり、方向性のない素直な横移動規制作用が少ない改造によってシンプルに（廉価に）得ることができる利点がある。この場合、請求項３のように、貫通孔が空気ばね部の上下軸心を中心として平面視で円形を呈する円柱孔に、そして、筒状部材が上下軸心を中心として平面視で円形を呈する外郭形状を持つ状態に構成されておれば、より円滑な横移動規制作用が得られて好都合である。

請求項４の発明によれば、横移動規制用の突出部が、弾性ばね部の過剰な上下変位（上下方向の圧縮）も規制できるようになり、横移動規制及び上下移動規制が行えるより合理的に鉄道車両用空気ばねを提供することができる。

請求項５の発明によれば、クッション材によって横移動規制が衝撃の少ないソフトで良好な挙動とすることができる利点があり、請求項６の発明によれば、クッション材によって上下移動規制が衝撃の少ないソフトで良好な挙動とすることができる利点がある。

鉄道車両用空気ばねの構造を示す断面図（実施例１） 図１の鉄道車両用空気ばねが大きく横変位した状態を示す断面図 図１の鉄道車両用空気ばねのエアレス状態例を示す断面図 エアレス状態においてさらに弾性ばね部が圧縮された状態を示す断面図 弾性ばね部の横荷重と撓みとの関係グラフを示す図表

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。

〔実施例１〕
実施例１による鉄道車両用空気ばねＡは、図１〜図４に示すように、外筒（車体側の上支持部の一例）１、その下方に配置される中間支持部２、及びそれら両者１，２に亘って配備されるゴム（弾性材の一例）製のダイヤフラム３とで構成される空気ばね部ａｃと、ゴム層（弾性材層の一例）１４と金属板（硬質板の一例）１５とが交互に上下積層される状態で台座（台車側の下支持部の一例）４と中間支持部２との上下間に介装される積層ゴム構造の弾性ばね部５と、を有して構成されている。

外筒１は、上下二枚の円形鋼板から成る支持座１ａと、これの下面に固着される有底筒状の補強部１ｂと、支軸１ｃ等から構成されており、補強部１ｂの径外側で、かつ、支持座１ａの径外側及び下面側にはゴム製でリング状の上受座１ｄが装備されている。縦軸心（上下向きの軸心）Ｐを有する中空の支軸１ｃは、補強部１ｂ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おり、客車等の車体（図示省略）に支持される。上受座１ｄは、ダイヤフラム３の上部３ａを広い面積でもって弾性的に受け止める機能を発揮するものに構成されている。また、補強部１ｂの下側には、ステンレス鋼板等の滑り性の良い材料製の上摺動板６が取付けられている。

中間支持部２は、リング状の基板２Ａと、これの上面側にボルト（図示省略）止めされる受皿板２Ｂ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７に、ダイヤフラム３の下部である下ビード部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。受皿板２Ｂの上側には、厚肉リング状でゴム製のストッパ１３が加硫接着等によって一体化され、そのストッパ１３の上面にはステンレス鋼板等の滑り性の良い材料製でリング状の下摺動板８が取付けられている。受皿板２Ｂの中心には上下に貫通する通気孔２ｂが形成されている。尚、ストッパ１３と下摺動板８との上下間に、厚さの薄い下摺動板８の強度補償用鋼板（符記省略）が設けられているが、無くても良い。

下受座７は、鋼板製の補強部９と、これの上に積層されるゴム製の受部材１０とから構成されている。受皿板２Ｂの外周部上端には、内筒２から下ビード部３ｂが上方移動して抜け出ることを規制するハンブ１８が形成されている。台座４は、支軸１ｃと互いに同じ縦軸心Ｐを有する筒軸１１と、筒軸１１の上部に嵌合一体化されるフランジ板１２とで形成されており、筒軸１１が台車枠（図示省略）に支持される。

弾性ばね部５は、台座４のフランジ板１２と中間支持部２の基板２Ａとの上下間に、厚肉リング状のゴム層１４の三層とリング状の金属板１５の二層とを交互に重ねて一体化して成る筒状の積層ゴムに構成されている。弾性ばね部５の中空部には、フランジ板１２に載置固定される金属材等からなる有蓋筒状のストッパ部材１６が設けられており、その外表面は弾性ばね部５のゴム層１４に続くゴム（クッション材の一例）２０で覆われている。それにより、弾性ばね部５の内側におけるストッパ部材１６との間には、断面が下窄まり形状で縦軸心Ｐ回りの回転体形状を示す移動用空間部１７が形成されている。尚、ストッパ部材１６の上部中央には縦軸心Ｐを中心とする通気孔１６ａが形成されている。

つまり、弾性ばね部５の径内側に中空部１９を形成し、台座４にこれから上方突出する状態で固定されるストッパ部材（突出部の一例）１６が中空部１９に収容されるとともに、弾性ばね部５における中空部１９を形成する内壁面５Ａとストッパ部材１６との横方向間に所定の間隙、即ち移動用空間部１７が設けられている。弾性ばね部５の上下方向のバネ定数は従来のものに比べて明確に低く設定されており、何らかのトラブルによってダイヤフラム３がエアレス状態になって空気ばね部ａｃが機能せず、弾性ばね部５のみによる懸架状態でも何とか営業走行が続けられる乗り心地が得られるように設定されている。

次に、鉄道車両用空気ばねＡの作用状況について説明する。まず、通常は図１に示すように空気ばね部ａｃも弾性ばね部５も機能する良好な懸架作用が得られる。そして、過大な横方向の入力（荷重等）が作用した場合には、低いバネ定数を有する弾性ばね部５が大きく弾性横変位し、図２に示すように、移動用空間部１７における荷重作用方向下手側の部位は大きく開き変形し、かつ、移動用空間部１７における荷重作用方向上手側の部位は消滅して突出部１６の外側面、即ちクッション材である側周面ゴム部２０Ａと内壁面５Ａとが当接するストッパー作用が生じている。

このストッパ部材１６による弾性ばね部５の内壁面５Ａの横変位規制作用により、低硬度のゴムを用いる等によってバネ定数の低い弾性ばね部５としてあるにも拘らず、過剰な横変位が生じないように構成されている。図２において、側周面ゴム部２０Ａと内壁面５Ａとが当接する状態では、荷重作用方向下手側がやや下がるように中間支持部２が若干傾斜しており、台座４の軸心Ｘと空気ばね部ａｃの軸心Ｐとが大きく横ズレする挙動を示している。

移動用空間部１７は、断面形状が下窄まり三角形に設定されているので、弾性ばね部５の横変位に従って側周面ゴム部２０Ａと内壁面５Ａとは下方から徐々に当接面積が増えて行くようになる。それにより横変位による荷重（横荷重）と撓み（横変位）との関係は、図５に示すように非線形なものとなる。即ち、移動用空間部１７の下端部から側周面ゴム部２０Ａと内壁面５Ａとが当接し始めるｔ点までは荷重の増加と撓みの増加とが線形に変化するが、ｔ点を過ぎると荷重の増加に対して撓みの増加が鈍化する非線形となる。これは、側周面ゴム部２０Ａと内壁面５Ａとの当接面積が次第に増すことに因るものであり、横揺れ規制時における横変位の停止挙動がプログレッシブになって乗り心地の改善に寄与している。

次に、パンクしたとか、エア配管系統に不具合が出る等によってダイヤフラム３内の空気が抜けてしまうエアレス状態の鉄道車両用空気ばねＡが図３に示されている。即ち、外筒１が、上摺動板６が下摺動板８に当接するまで下方移動しており、弾性ばね部５のみで懸架される状態（実際にはゴム製のストッパ１３も弾性懸架要素にはなる）となっている。この場合、従来よりも弾性ばね部５のバネ定数が柔らかいので、何とか走行し続けることができる乗り心地が得られている。例えば、午前中にダイヤフラムがパンクして空気ばね部ａｃが不能になっても、その日の終わりまでは弾性ばね部５の弾性のみでの懸架状態で営業走行が可能となり、それから修理することができる。これにより、乗客並びに鉄道会社に与える不都合を最小限とすることが可能になる。

図４は、図３に示すエアレス状態において、さらに上下荷重が増した場合を示しており、弾性ばね部５が圧縮されて受皿板２Ｂがクッション材である頂面ゴム部２０Ｂに当接している鉄道車両用空気ばねＡである。つまり、受皿板２Ｂが頂面ゴム部２０Ｂに当接する前では弾性ばね部５による弾性特性（バネ定数）であり、当接した後は弾性ばね部５と頂面ゴム部２０Ｂとの双方による弾性特性（バネ定数）となり、ストッパ部材１６は、横方向だけでなく上下方向の過剰変位も非線形特性で規制する上下移動規制機能も有している。これにより、空気ばね部ａｃが機能しないエアレス状態では、低いバネ定数によって良好な上下方向の懸架性能が得られるようにしながら、過剰な上下変位はストッパ部材１６によって規制される、という優れた弾性ばね部５に構成されている。

実施例１においては、弾性ばね部５の各ゴム層１４、側周面ゴム部２０Ａ、頂面ゴム部２０Ｂとは同一の材料であって一体的に加硫できて製作上も便利であるが、ゴム層１４とクッション材２０とを各別に形成しても良い。移動用空間部１７の横方向寸法や、その上下での寸法差の程度は、非線形特性を考慮する等適宜に設定することが可能である。また、ストッパ部材１６は中実の円柱体や、上下方向視で正多角形の部材であるとか、或は筒軸１１を上方に延ばすことで成るように構成する等、種々の変更設定が可能である。

１ 上支持部
２ 中間支持部
３ ダイヤフラム
４ 下支持部
５ 弾性ばね部
５Ａ 内壁面
１４ 弾性材層
１５ 硬質板
１６ 突出部、筒状部材
１９ 中空部
２０Ａ クッション材
２０Ｂ クッション材
Ｐ 上下軸心
ａｃ 空気ばね部

Claims (6)

1. 車体側の上支持部、その下方に配置される中間支持部、及びそ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で構成される空気ばね部と、弾性材層と硬質板とが交互に上下積層される状態で台車側の下支持部と前記中間支持部との上下間に介装される積層ゴム構造の弾性ばね部と、を有して成る鉄道車両用空気ばねであって、
   前記弾性ばね部に中空部を形成し、前記下支持部にこれから上方突出する状態で固定される突出部が前記中空部に収容されるとともに、前記弾性ばね部における前記中空部を形成する内壁面と前記突出部との横方向間に所定の間隙が設けられ、
   前記間隙は、前記弾性ばね部の横変位に従って前記内壁面と前記突出部とが下方から徐々に当接面積が増えて行くように、断面形状が下窄まり三角形となる移動用空間部に構成されている鉄道車両用空気ばね。
   
2. 前記中空部が前記弾性ばね部の上下に亘る貫通孔で成り、前記突出部が前記下支持部から立設される筒状部材で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. 前記貫通孔が前記空気ばね部の上下軸心を中心として平面視で円形を呈する円柱孔に形成され、前記筒状部材が前記上下軸心を中心として平面視で円形を呈する外郭形状を持つ状態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。
4. 前記弾性部が上下に所定量圧縮変位されたときに前記中間支持部が前記突出部で受止められるように、前記突出部の高さが設定されている請求項１〜３の何れか一項に記載の鉄道車両用空気ばね。
5. 前記突出部の外側面がクッション材で覆われている請求項１〜４の何れか一項に記載の鉄道車両用空気ばね。
6. 前記突出部の頂面がクッション材で覆われている請求項１〜５の何れか一項に記載の鉄道車両用空気ばね。

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