JP5623855B2

JP5623855B2 - バネ構造体

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Publication number: JP5623855B2
Application number: JP2010221800A
Authority: JP
Inventors: 義一大貫
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: JP2012077799A

Description

本発明は、バネ構造体に係り、たとえば、鉄道車両等において軸箱（車軸）と台車との間に介在されて、これらを水平方向に弾性的に支持すると共に振動入力を緩衝するために用いられるバネ構造体に関する。

鉄道車両等において軸箱（車軸）と台車との間に介在されるバネ構造体として、特許文献１には、金属内筒と金属外筒の間に、ゴムと金属板とを交互に半径方向に積層した構造の円筒積層ゴムが記載されている。また、金属内筒又は金属外筒に突起部を設け、ゴムの変位量が大きくなった場合には突起部が金属外筒又は金属内筒に当たるようにすることで、台車枠と軸箱体の間の大変位を抑制できる構造が記載されている。

しかし、特許文献１の構造では、突起部が金属外筒又は金属内筒に当たったときに大きな衝撃が生じることがある。衝撃を小さくするためには、突起部を柔らかい部材で構成すると、突起部の本来的な機能（ストッパーとしての機能）が低くなる。

また、特許文献２には、主軸と外筒との間における最内側の弾性層に肉抜きを形成して、主軸との相対的な径方向移動が所定方向で行われ易くなるようにした構造の軸ばねが記載されている。

しかし、特許文献２の構造においても、肉抜き部が解消される程度にまで相対変位が大きくなると、その瞬間に衝撃が作用することがある。

特開２００８−２４７２２９号特開２００９−２４７３４号

本発明は上記事実を考慮し、相対移動する２つの移動部材の大変位を抑制可能で、変位が大きくなったときの衝撃も緩和できるバネ構造体を得ることを課題とする。

請求項１に記載の発明では、相対移動する２つの移動部材のいずれか一方に連結される第１連結部材と、前記移動部材の他方に連結され、前記第１連結部材との間に間隙を構成して対向する対向面を備えた第２連結部材と、前記第１連結部材と前記第２連結部材との間で前記第２連結部材の対向面に沿った方向に延在されて第１連結部材と第２連結部材との間隙を仕切ると共に、この延在方向で間隙の一部を第１連結部材と第２連結部材との空隙部として残すように配置される複数の仕切部材と、前記第１連結部材及び前記第２連結部材と前記仕切部材の間、及び仕切部材同士の間に配置され第１連結部材と第２連結部材との相対移動により弾性変形する第１弾性部材と、前記空隙部に配置されて前記第１連結部材と前記第２連結部材との相対移動により圧縮弾性変形すると共に、当該圧縮弾性変形の方向と直交する方向で複数の前記仕切部材のそれぞれとの間に異なる長さのクリアランスを構成する第２弾性部材と、を有する。

このバネ構造体では、第１連結部材と第２連結部材との間隙が仕切部材で仕切られ、さらに、第１連結部材及び第２連結部材と仕切部材の間、及び仕切部材同士の間に第１弾性部材が配置されている。実質的に、第１連結部材と第２連結部材との間で仕切部材と第１弾性部材とが交互に積層されていることになる。そして、第１連結部材と第２連結部材とが相対移動すると、第１弾性部材が弾性変形し、相対移動に対して緩衝作用が発揮される。

第１連結部材と第２連結部材との間では、仕切部材がその延在方向で間隙の一部を第１連結部材と第２連結部材との空隙部を構成するように配置されている。空隙部には第２弾性部材が配置されており、第１連結部材と第２連結部材との相対移動で、第２弾性部材が圧縮弾性変形すると、これによっても相対移動に対する緩衝効果が発揮される。

第２弾性部材は、圧縮弾性変形の方向と直交する方向では、複数の仕切部材のそれぞれとの間にクリアランスを構成している。第２弾性部材の圧縮弾性変形時には、第１連結部材と第２連結部材とが接近するため、これらのクリアランスが徐々に短くなっていく。そして、クリアランスの解消によって、第２弾性部材はクリアランス解消前は非接触であった仕切部材からも押されることになり、第２弾性部材のバネ特性が変化する（圧縮弾性変形に必要な荷重が高くなる）。

ここで、クリアランスは、複数の仕切部材のそれぞれとの間で異なる長さとされている。したがって、第２弾性部材は、複数の仕切部材に対し段階的に（換言すれば異なるタイミングで多段階に）接触されていくことになる。これにより、第２弾性部材の圧縮弾性変形の初期では、実質的なバネ定数を小さくし（すなわち柔らかくし）、衝撃を抑制できる。そして、第２弾性部材の圧縮弾性変形が大きい場合には、実質的なバネ定数を大きくし（すなわち硬くし）、第２弾性部材に、第１連結部材と第２連結部材との相対移動を抑制する効果（大変位に対するストッパー効果）を発揮させることが可能となる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記第１弾性部材と前記第２弾性部材とが、互いに異なる種類の弾性体で構成されている。

このように、第１弾性部材と第２弾性部材とを異なる種類の弾性体で構成することで、これらを同一の弾性体で構成したものと比較して、所望の特性を容易に得ることが可能となる。

請求項３に記載の発明では、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記第１弾性体が前記第１連結部材、前記第２連結部材及び前記仕切部材に加硫接着されたゴムであり、前記第２弾性体が前記第１連結部材及び前記第２連結部材に加硫接着されたゴムである。

このように、第１弾性部材をゴムとして第１連結部材、第２連結部材及び仕切部材に加硫接着するが、これだけでなく、第２弾性部材もゴム製として、第１連結部材及び第２連結部材に加硫接着することで、バネ構造体の全体的な構造を安定的に維持でき、初期の特性を長期間に亘って維持できるようになる。

また、第１弾性部材と第２弾性部材の双方を同時に加硫接着することも可能であり、これによってバネ構造体の製造が容易になる。

請求項４に記載の発明では、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記第２弾性部材が、前記圧縮弾性変形の方向で前記第１連結部材と前記第２連結部材の双方に接触している。

したがって、第１連結部材と第２連結部材との相対移動の初期から、第２弾性部材を圧縮弾性変形させることが可能となる。

請求項５に記載の発明では、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記第１連結部材体が円筒状に形成された内側円筒体とされ、前記第２連結部材が、前記第１弾性部材及び前記第２弾性部材の自然状態で前記内側円筒体と同心の円筒状に形成された外側円筒体とされている。

このように、第１連結部材を内側円筒体とし、第２連結部材を、内側円筒体と同心の外側円筒体とすることで、バネ構造体における緩衝作用の方向依存性を少なくできる。

本発明は上記構成としたので、相対移動する２つの移動部材の大変位を抑制可能で、変位が大きくなったときの衝撃も緩和できる。

本発明の第１実施形態に係るバネ構造体を鉄道車両へ適用した状態で示す側面図である。本発明の第１実施形態に係るバネ構造体を内側円筒体と外側円筒体とが相対移動していない状態で示す水平方向の断面図である。本発明の第１実施形態に係るバネ構造体を内側円筒体と外側円筒体とが相対移動した状態で示す水平方向の断面図である。本発明の第１実施形態に係るバネ構造体を内側円筒体と外側円筒体とが図３に示すものよりもさらに相対移動した状態で示す水平方向の断面図である。本発明の第１実施形態に係るバネ構造体における弾性圧縮変形の変形量と荷重との関係を定性的に示すグラフである。本発明の第１実施形態の変形例に係るバネ構造体を内側円筒体と外側円筒体とが相対移動していない状態で示す水平方向の断面図である。

図１には、本発明の第１実施形態のバネ構造体１２が、鉄道車両（全体像は図示省略）に適用した状態で示されている。また、図２には、このバネ構造体１２が、図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図にて示されている。なお、図面において、鉄道車両の前後方向を矢印Ａで示す。

図２から分かるように、バネ構造体１２は、円筒状に形成された内側円筒体２２と、この内側円筒体２２よりも大径の円筒状とされた外側円筒体２４とを有している。外側円筒体２４は、内側円筒体２２と中心軸ＣＡを一致させて配置されており、内側円筒体２２と外側円筒体２４との間に、本発明に係る間隙が構成されている。外側円筒体２４の内周面は内側円筒体２２と対向しており、本発明に係る対向面となっている。

図１に示すように、内側円筒体２２には、その内部に、鉄道車両の台車から延出された軸部材１４が挿通されて、ボルト１８等により固定（連結）される。これに対し、外側円筒体２４の外周側には、鉄道車両の軸箱１６が固定（連結）される。すなわち、軸箱１６はバネ構造体１２を介して、台車に連結されることになる。なお、以下において「径方向」とは、内側円筒体２２の径方向を言うものとするが、この「径方向」は、外側円筒体２４の径方向と一致する。

内側円筒体２２と外側円筒体２４との間には、複数の仕切部材２６が配置されている。本実施形態では特に、仕切部材２６として、径方向内側に位置する内側仕切部材２６Ａと、径方向外側に位置する外側仕切部材２６Ｂの２種類を有する構成としている。これらの仕切部材２６はいずれも、平面視にて中心軸ＣＡを中心とする円弧状、すなわち、外側円筒体２４の内周面に沿った形状に形成されると共に、内側円筒体２２と外側円筒体２４との間隙を略均等な間隔で複数（本実施形態では３つ）の区画に仕切っている。また、図１から分かるように、内側円筒体２２かｒ、内側仕切部材２６Ａ、外側仕切部材２６Ｂ、外側円筒体２４へと、順に高さが低くなるように形成されている。

さらに、図２から分かるように、内側仕切部材２６Ａ及び外側仕切部材２６Ｂのいずれも、周方向では内側円筒体２２を完全に取り囲まないように車幅方向に２分割されており、内側円筒体２２と外側円筒体２４の間の間隙には、中心軸ＣＡを挟んで対向する位置（対称な位置）に、２つの空隙部２８が構成されている。外側仕切部材２６Ｂと内側仕切部材２６Ａの形状は、外側仕切部材２６Ｂ同士の端部の間隔Ｄ１が、内側仕切部材２６Ａ同士の間隔Ｄ２よりも広くなるように決められている。なお、本実施形態では以下において、これら２つ空隙部２８の並び方向が、鉄道車両における車両前後方向（矢印Ａ方向）と一致するようにバネ構造体１２が配置されるものを例として挙げるが、バネ構造体１２の配置方向はこれに限定されない。

外側円筒体２４と外側仕切部材２６Ｂの間、外側仕切部材２６Ｂと内側仕切部材２６Ａの間、及び、内側仕切部材２６Ａと内側円筒体２２の間には、ゴム製の第１弾性部材３２が配置され加硫接着されている。実質的に、外側仕切部材２６Ｂと内側仕切部材２６Ａの間に、第１弾性部材３２と仕切部材２６とが交互に積層された２組の弾性積層体３０が、中心軸ＣＡを中心として対称の位置に配置されていることになる。そして、外側円筒体２４と内側円筒体２２とが径方向に相対移動すると、第１弾性部材３２が弾性変形することで、この相対移動に対する抗力を発揮すると共に、緩衝作用を発揮する。

２つの空隙部２８のそれぞれには、ゴム製の第２弾性部材３４が配置されている。第２弾性部材３４は同一形状とされており、外側円筒体２４と内側円筒体２２の双方に接触している。そして、内側円筒体２２と外側円筒体２４との相対移動により、矢印Ａ方向に圧縮弾性変形される。本実施形態では特に、最終的な製品形状よりも外側円筒体２４を大径に成型しておき、空隙部２８に第２弾性部材３４を配置したのち、外側円筒体２４を加締める（外側から縮径させる）ことにより、第２弾性部材３４を外側円筒体２４と内側円筒体２２の間で挟み込むようにして圧着させている。もちろん、このような加締めによらず、第２弾性部材３４を空隙部２８に圧入してもよい。

第２弾性部材３４は、外周側から内周側に向かって段階的に幅（周方向の長さ）が短くなる形状（いわゆる階段形状）とされており、外側段部３６Ｂが外側仕切部材２６Ｂと矢印Ａ方向に所定のクリアランス３８Ｂを開けて対向している。また、内側段部３６Ａは、内側仕切部材２６Ａと矢印Ａ方向に、クリアランス３８Ｂよりも短い所定のクリアランス３８Ａを開けて対向している。

次に、本実施形態のバネ構造体１２の作用を説明する。

鉄道車両において、軸部材１４と軸箱１６とが所定の位置を維持している状態、すなわち、これらが相対移動していない状態では、図２に示すように、内側円筒体２２と外側円筒体２４とは中心が一致しており（中心軸ＣＡ）、第１弾性部材３２及び第２弾性部材３４は、弾性変形していない。

ここで、軸部材１４と軸箱１６とが車両前後方向に相対移動（振動を含む）した場合を考えると、内側円筒体２２と外側円筒体２４の中心もずれるため、第１弾性部材３２が弾性変形し、軸部材１４と軸箱１６との相対移動に抗力を作用させると共に、緩衝作用を発揮する。

また、２つの第２弾性部材３４のうち、一方の第２弾性部材３４では、矢印Ａ方向に圧縮弾性変形される（図３及び図４における右側の第２弾性部材３４を参照）。これにより、クリアランス３８Ａ、３８Ｂも徐々に短くなっていくが、クリアランス３８Ａはクリアランス３８Ｂよりも短いため、第２弾性部材３４の圧縮弾性変形により、まず、クリアランス３８Ａが解消されて、内側段部３６Ａが内側仕切部材２６Ａに接触する（図３の状態）。さらに第２弾性部材３４が圧縮弾性変形すると、クリアランス３８Ｂも解消されて、外側段部３６Ｂが外側仕切部材２６Ｂに接触する（図４の状態）。

ここで、図５には、このように第２弾性部材３４がクリアランス３８Ａ、３８Ｂを縮めながら圧縮弾性変形する過程における、圧縮量と荷重との関係がグラフにより定性的に示されている。このグラフにおいて、第２弾性部材３４が圧縮弾性変形を開始する時点をＴ０、クリアランス３８Ａが解消される時点をＴ１、クリアランス３８Ｂが解消される時点をＴ２でそれぞれ示している。

このグラフから分かるように、第２弾性部材３４の圧縮弾性変形の開始からクリアランス３８Ａが解消されるまでの間（Ｔ０〜Ｔ１の間、以下「第１段階」という）では、第２弾性部材３４は内側円筒体２２と外側円筒体２４とで圧縮弾性変形されるため、直線の傾きが相対的に緩やかになっている。第２弾性部材３４を圧縮させるために必要な荷重も相対的に小さくなっており、第２弾性部材３４は、実質的に柔らかい状態になっている。

クリアランス３８Ａが解消されてから、クリアランス３８Ｂが解消されるまでの間（Ｔ１〜Ｔ２の間、以下「第２段階」という）では、第２弾性部材３４は、さらに内側仕切部材２６Ａと外側円筒体２４との間でも圧縮弾性変形されるため、直線の傾きが第１段階と比較して相対的に急になっている。すなわち、第２段階では、第２弾性部材３４を圧縮させるために必要な荷重も相対的に大きくなっており、第２弾性部材３４は、第１段階よりも硬い状態になっている。

さらに、クリアランス３８Ｂが解消された以降（Ｔ２よりもグラフにおいて右側、以下「第３段階」という）では、第２弾性部材３４は、さらに外側仕切部材２６Ｂと外側円筒体２４との間でも圧縮弾性変形されるため、直線の傾きが第２段階と比較して相対的に急になっている。第３段階では、第２弾性部材３４を圧縮させるために必要な荷重が、第２段階よりもさらに大きくなっており、第２弾性部材３４は、第２段階よりも硬い状態になっている。

このように、本実施形態のバネ構造体１２では、第２弾性部材３４の圧縮弾性変形の初期において、実質的なバネ定数を小さく（すなわち柔らかく）している。したがって、従来と比較して、第２弾性部材３４に内側円筒体２２あるいは外側円筒体２４が衝撃的に当たることが抑制され、鉄道車両における乗り心地が改善される。

また、第２弾性部材３４が大きく圧縮弾性変形した場合には、実質的なバネ定数を大きく（すなわち硬く）なるので、第２弾性部材３４に、内側円筒体２２と外側円筒体２４との過大な相対移動を抑制する効果（大変位に対するストッパー効果）を発揮させることが可能となる。

特に、本実施形態では、外側円筒体２４を加締めることで、第２弾性部材３４を外側円筒体２４と内側円筒体２２の間で挟み込むようにして圧着させるか、もしくは、第２弾性部材３４を空隙部２８に圧入する方法により、所定の位置に保持している。これによれば、第２弾性部材３４として、第１弾性部材３２とは異なる材質（物性）の弾性材料を用いて、所望の特性を得ることが容易になる。また、第１弾性部材３２及び第２弾性部材３４としては、ゴムに限定されず、金属製あるいは樹脂製の板バネやコイルバネ等であってもよい。

もちろん、第２弾性部材３４をゴム製とし、たとえば外側円筒体２４や内側円筒体２２に加硫接着してもよく、この構成では、第２弾性部材３４を空隙部２８の所定位置により確実に保持できるようになる。なお、第２弾性部材３４を外側円筒体２４や内側円筒体２２に加硫接着する場合には、第１弾性部材３２（ゴム製）の加硫接着工程と同一の工程で行うことが、製造方法の簡素化（作り易さ）の点で好ましい。たとえば、第２弾性部材３４として、第１弾性部材３２と同一の材料を用いるか、もしくや略同様の条件（環境）で加硫接着されるものを用いればよい。後者の場合は、第２弾性部材３４として、第１弾性部材３２とは異なる材質（物性）の弾性材料を用いることもできる。

また、第２弾性部材３４は、必ずしも、外側円筒体２４や内側円筒体２２に接触している必要はなく、隙間を開けていてもよい。たとえば、外側円筒体２４や内側円筒体２２から保持部材を延出させておき、この保持部材によって第２弾性部材３４を保持すればよい。図６に示す変形例では、第２弾性部材３４が内側円筒体２２から離間している。ただし、上記実施形態のように、第２弾性部材３４を外側円筒体２４と内側円筒体２２の双方に接触させておくと、外側円筒体２４と内側円筒体２２の相対移動の初期から、第２弾性部材３４を圧縮弾性変形させることができ、好ましい。これに対し、第２弾性部材３４を外側円筒体２４や内側円筒体２２から離間させておくと、第１弾性部材３２及び第２弾性部材３４が、お互いの弾性特性に及ぼす影響が小さくなり、チューニングをしやすくなる。

また、上記では、本発明の仕切部材として、内側仕切部材２６Ａと外側仕切部材２６Ｂの２種類を備えたものを上げているが、さらに多くの仕切部材を配置して、内側円筒体２２と外側円筒体２４の間をより多くの層に仕切ってもよい。そして、仕切部材の数に合わせて第２弾性部材３４の段部の数も多くすれば、より多段階で第２弾性部材３４を仕切部材に順に接触させていくことが可能となる。

本発明に係る第１連結部材及び第２連結部材としても、上記の内側円筒体２２及び外側円筒体２４に限定されない。すなわち、第１連結部材及び第２連結部材は円筒状に形成されている必要はなく、さらに、第２連結部材は、第１連結部材を全周に亘って取り囲んでいる必要もない。たとえば、第１連結部材は、円柱状あるいは角柱状に形成されていてもよい。第２連結部材としても、第１連結部材を囲む周方向に分割された複数の板部材で構成されていてもよい。上記実施形態のように、第１連結部材及び第２連結部材を円筒状に形成すると、第１連結部材と第２連結部材との相対移動時における緩衝作用において方向依存性が少なくなる（好ましくは無くなる）ので好ましい。

１２バネ構造体
１４軸部材
１６軸箱
１８ボルト
２２内側円筒体（第１連結部材）
２４外側円筒体（第２連結部材）
２６仕切部材
２６Ａ内側仕切部材
２６Ｂ外側仕切部材
２８空隙部
３０弾性積層体
３２第１弾性部材
３４第２弾性部材
３６Ａ内側段部
３６Ｂ外側段部
３８Ａクリアランス
３８Ｂクリアランス

Claims

相対移動する２つの移動部材のいずれか一方に連結される第１連結部材と、
前記移動部材の他方に連結され、前記第１連結部材との間に間隙を構成して対向する対向面を備えた第２連結部材と、
前記第１連結部材と前記第２連結部材との間で前記第２連結部材の対向面に沿った方向に延在されて第１連結部材と第２連結部材との間隙を仕切ると共に、この延在方向で間隙の一部を第１連結部材と第２連結部材との空隙部として残すように配置される複数の仕切部材と、
前記第１連結部材及び前記第２連結部材と前記仕切部材の間、及び仕切部材同士の間に配置され第１連結部材と第２連結部材との相対移動により弾性変形する第１弾性部材と、
前記空隙部に配置されて前記第１連結部材と前記第２連結部材との相対移動により圧縮弾性変形すると共に、当該圧縮弾性変形の方向と直交する方向で複数の前記仕切部材のそれぞれとの間に異なる長さのクリアランスを構成する第２弾性部材と、
を有するバネ構造体。
前記第１弾性部材と前記第２弾性部材とが、互いに異なる種類の弾性体で構成されている請求項１に記載のバネ構造体。
前記第１弾性体が前記第１連結部材、前記第２連結部材及び前記仕切部材に加硫接着されたゴムであり、
前記第２弾性体が前記第１連結部材及び前記第２連結部材に加硫接着されたゴムである請求項１又は請求項２に記載のバネ構造体。
前記第２弾性部材が、前記圧縮弾性変形の方向で前記第１連結部材と前記第２連結部材の双方に接触している請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のバネ構造体。
前記第１連結部材体が円筒状に形成された内側円筒体とされ、
前記第２連結部材が、前記第１弾性部材及び前記第２弾性部材の自然状態で前記内側円筒体と同心の円筒状に形成された外側円筒体とされている請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のバネ構造体。