JP5772006B2

JP5772006B2 - 鉄道車両用台車の軸箱支持装置

Info

Publication number: JP5772006B2
Application number: JP2011011032A
Authority: JP
Inventors: 広一郎石原; 均田口; 近藤　修; 修近藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2031-01-21
Also published as: JP2012153158A

Description

本発明は、鉄道車両用台車の軸箱支持装置に関するものである。

鉄道車両用台車の軸箱支持装置は、軸受けを保持して輪軸の円滑な回転運動を確保する機能と、軸ばねを介して走行時の車体や台車の自重荷重を保持する機能を必要としている。

また、前記軸箱支持装置は、走行時に輪軸から受ける外部荷重に対して適切な構造強度を保つ必要がある。

この軸箱支持装置は、ばね下の振動を小さくして乗り心地を向上する観点から、軽量化を図ることが有効で、車両振動の抑制や、軌道へ与える影響の抑制に効果がある。従って、最近は、アルミニウム材を使用した軸箱や、軸箱の薄肉化が図られている（例えば特許文献１の従来技術）。

しかしながら、アルミニウム材を使用した軸箱や、薄肉化を図った軸箱は、軸箱上部からの負荷荷重により、軸箱が変形し易い。負荷荷重によって軸箱に大きな変形が生じると、軸受けの円滑な回転が阻害される。

従って、軽量化を図りつつ、軸箱に大きな変形を生じさせないようにして、長期に亘って軸受けの円滑な回転運動を確保する機能を保証できる軸箱支持装置の検討が重要な課題になっており、各種の軸箱支持装置が提案されている。

例えば特許文献２では、軸ばねからの上下鉛直荷重を、台車の前後方向に離隔した位置に分散して軸箱に伝えるべく、軸ばねと軸箱の間に設置する防振ゴムを、台車の前後方向に離隔した位置で軸箱に当接するようにした軸はり式軸箱支持装置が開示されている。

この特許文献２で開示された軸箱支持装置は、軸ばねから防振ゴムに負荷される荷重を台車の前後方向の２か所に分散することで、荷重負担領域を限定して軸受けへの負担を軽減し、軸受けの外輪、内輪、転動体の剥離や摩耗を抑えようとするものである。

ところで、軸ばねから軸箱に負荷される荷重は上下鉛直方向に作用するものが主なものであるが、走行開始時や制動時には前後方向分力が、また曲線路の走行時には車体の傾斜によるローリング方向分力や左右方向分力が軸箱に負荷される。

これらの荷重は、主に軸箱の支持板や支持はりで支持されるが、これらの複合荷重が軸ばねから軸箱へ波及する影響を考慮すると、特許文献２のように台車の前後方向の２か所に分散するだけでは、安定性に不安が残る。

また、特許文献２で開示された前後に分離したブロック状のスペーサ（鉄材、密度７．９）を防振ゴムと軸箱の間に介在させる実施形態１や、軸箱（アルミ材、密度２．７）に上部に張り出すようにスペーサを一体的に形成した実施形態３は、軽量化という点からあまり効果的ではない。

さらに、前記の実施形態１と実施形態３は、防振ゴムに高強度のスペーサ（鉄）あるいは軸箱（アルミニウム）が狭い範囲で接触するので、角部において防振ゴムにフレッチング摩耗の発生が危惧される。

特開昭６２−１０１５７６号公報特開２００７−２６１２９２号公報

本発明が解決しようとする課題は、鉄道車両用台車の軸箱支持装置において、軽量化と長期にわたる軸受けの円滑な回転運動を確保することである。特に荷重負荷される軸箱の変形を小さく抑制することが、軸箱内に設置する軸受け健全性を高く保持するために重要であり、軽量性を維持しながらコンパクトにこれを実現することが求められている。従来技術である特許文献２に記載の発明では、ローリング方向分力や左右方向分力の複合荷重が軸ばねから軸箱へ波及する影響を考慮すると、安定性に不安が残る。また、実施の形態によっては軽量化の点で効果的でない。

本発明の鉄道車両用台車の軸箱支持装置は、軽量化と長期に亘る軸受けの円滑な回転運動を確保する機能を保証しつつ、ローリング方向分力や左右方向分力の複合荷重が作用した場合も安定してその複合荷重を支持できる構造を提供することを目的としている。

すなわち、本発明の鉄道車両用台車の軸箱支持装置は、
軸受けを介して輪軸を回転自在に支持する軸箱と、この軸箱を台車枠との相対変位が可能なように支持する支持部を有し、前記軸箱と前記台車枠の間に、台車枠側から、軸ばね、軸ばね座、スペーサ、及び防振ゴムを順に配置した鉄道車両用台車の軸箱支持装置であって、
前記軸箱の上面と接触する前記防振ゴムを、軸箱の上面との接触面が、軸箱の上面の外周に内接する外周を有するリング状、または、軸箱の上面の外形寸法と同じ寸法のロの字状となるような形状に形成し、これらリング状またはロの字状の内周が軸箱上面の中央部に突出状に設けた角と接触しないようにしたことを最も主要な特徴としている。

本発明では、軸箱の上面と接触する防振ゴムを、軸箱の上面との接触面が、軸箱の上面の外周に内接する外周を有するリング状、または、軸箱の上面の外形寸法と同じ寸法のロの字状となるような形状に形成し、これらリング状またはロの字状の内周が軸箱上面の中央部に突出状に設けた角と接触しないようにするので、全方向あるいは前後左右方向に対して異方性無く支持することができる。その結果、防振ゴムのへたり変形を小さくできるのと共に、軸箱の変形を抑制できて軸受けに与える影響も小さくなる。

本発明は、防振ゴムの軸箱との接触面の形状を特定して、軸箱に作用する上下方向荷重が負荷される領域を限定するので、従来の軸箱に比べて、軸受けとの境界部における軸箱の変形を抑制することができる。従って、軸受けの円滑な回転が保持でき、軸受け機能の耐久性に優れた軸箱支持装置となる。

本発明を適用する鉄道車両用台車の軸箱支持装置の一般的な構成例を台車の側面から見た概略図である。本発明の鉄道車両用台車の軸箱支持装置の説明図で、（ａ）は要部を台車の側面から見た概略図、（ｂ）は防振ゴムの第１の例を軸箱側から見た図、（ｃ）は防振ゴムの第２の例を示す（ｂ）と同様の図である。円板状の防振ゴムを採用した従来例を説明した図で、（ａ）は台車の側面から見た図、（ｂ）防振ゴムを軸箱側から見た図である。特許文献２で開示された前後に分離した防振ゴムを説明した図で、（ａ）は台車の側面から見た図、（ｂ）軸箱側から見た図である。 FEM解析モデルの構成を示す斜視図である。軸箱と軸受け間における軸箱のＸ方向の変形分布を示した図である。軸箱と軸受け間における軸箱のＹ方向の変形分布を示した図である。軸箱と軸受け間における軸箱のＺ方向の変形分布を示した図である。軸箱の上面に内接する防振ゴムのリング状の接触面の寸法関係を説明する図で、（ａ）は軸箱の上面が正方形の場合、（ｂ）は軸箱の上面が長方形の場合である。軸箱の上面に内接する防振ゴムのロの字状の接触面の寸法関係を説明する図で、（ａ）は軸箱の上面が正方形の場合、（ｂ）は軸箱の上面が長方形の場合である。防振ゴムのリング又はロの字の幅と防振ゴムにかかる圧縮応力との関係を示した図である。 FEM解析結果から求まる防振ゴムのＸ方向の変形範囲と、防振ゴムのリング又はロの字の幅との関係を示した図である。

本発明では、軽量化と長期に亘る軸受け機能の保証を行いつつ、ローリング方向分力や左右方向分力の複合荷重が作用した場合も安定してその複合荷重を支持するという目的を、防振ゴムの軸箱との接触面の形状を特定することで実現した。

以下、本発明を実施するための形態例を、添付図面を用いて説明する。
図１は、本発明を適用する鉄道車両用台車の軸箱支持装置の一般的な構成例を台車の側面から見た概略図、図２は本発明の鉄道車両用台車の軸箱支持装置の説明図である。

図１において、１は軸受け２を介して輪軸３の回転を支持する軸箱であり、この軸箱１は支持部４によって台車枠５との相対変位が可能なように、台車枠５に支持されている。そして、これら軸箱１と台車枠５の間には、台車枠５側から順に、軸ばね６、軸ばね座７、スペーサ８、及び防振ゴム９が配置されている。

本発明では、前記軸箱１の上面１ａと接触する前記防振ゴム９を、軸箱１の上面１ａとの接触面９ａが、軸箱１の上面１ａの外周１ｂに内接する外周９ｂを有するリング状（図２（ｂ）参照）、または、軸箱の上面の外形寸法と同じ寸法のロの字状（図２（ｃ）参照）となるような形状に形成し、軸箱１の上面１ａの角１ｃと接触しないようにしたものを使用することが特徴である。

上記構成の本発明の軸箱支持装置の効果を確認するために、FEM（有限要素法）による構造解析を実施して、軸箱の変形を調査した。比較として、図３に示す、軸箱１の上面１ａの角１ｃと接触する円板状の防振ゴム１１を採用した従来例１と、図４に示す前後に分離した防振ゴム１２を採用した特許文献２で開示された従来例２についてもFEM解析を実施した。なお、図２〜４中の１０，１３は防振ゴム９，１１，１２の上面に取付けられた接着板である。

FEM解析に使用したモデルを図５に示すが、白抜き矢印で示す上方からの荷重が、順次、軸ばね座７、スペーサ８、防振ゴム９、軸箱１に伝達される。軸箱１には、前記上方からの荷重が、最終的に防振ゴム９から接触領域の区域に限定されて軸箱１へ伝達されることになる。

実施したFEM解析は、軸ばね座７に上方からの荷重を負荷し、車軸３ａを固定した境界条件により、数値解析を実施した。解析結果は、軸箱１〜軸受け２の境界の変形量で評価した。

下記表１に軸箱支持装置を構成する各部品の材料を示す。これらの材料物性を用いて軸箱支持装置のFEM解析を実施した。表２にFEM解析を行った４つのモデル構成を示す。なお、表３はFEM解析に用いた防振ゴムの寸法形状を示す。本発明は、この表３に示した寸法に厳密には拘束されないが、一般的な鉄道車両の軸箱支持装置の典型的な形状設計の例として挙げる。

解析結果について、軸箱と軸受け間における軸箱のＸ，Ｙ，Ｚ方向の変形分布を図６〜８に示す。
これら図６〜８における横軸の角度は、上方からの荷重に対して、軸箱と軸受けが主に荷重負担する９０度〜２７０度（０度位置は図５に示す様に鉛直下方）の範囲について示している。

さらに、これらの図６〜８を基に、下記表４に最大変形量の大小関係を示す。これらの結果から、表２中に示す発明例１、発明例２における最大変形量は、従来例１、従来例２よりも小さな値を示し、軸受けに与える影響は、従来例１、従来例２よりも小さく、本発明は優れていることが分かる。

次に、防振ゴム９の接触面９ａの形状を、図２（ｂ）のようにリング状とした場合や、図２（ｃ）のようにロの字状とした場合の軸箱１の上面１ａとの関係について説明する。

〔軸箱１の上面１ａの形状が、Ａ1＝Ａ2の正方形である場合〕
リング状の接触面９ａの形状は、図９（ａ）に示すように半径Ｒ1＝Ａ1の円とする。一方、ロの字状の接触面９ａの形状は、図１０（ａ）に示すようにＬ1＝Ｌ2＝Ａ1＝Ａ2の正方形とする。

〔軸箱１の上面１ａの形状が、Ａ1＜Ａ2の長方形の場合〕
リング状の接触面９ａの形状は、図９（ｂ）に示すようにＲ2＝Ａ1、Ｒ3＝Ａ2の楕円とする。一方、ロの字状の接触面７ａの形状は、図１０（ｂ）に示すようにＬ1＝Ａ1、Ｌ2＝Ａ2の長方形とする。

すなわち、防振ゴム９の接触面９ａの形状は、軸箱１の上面１ａの矩形に内接するリング状又はロの字状として、可能な限り大きな径又は辺とするのである。

次に、軸箱１の上面１ａとの接触面９ａがリング状またはロの字状である防振ゴム９の、内周と外周との距離（以下、幅という。）について説明する。

リング又はロの字の幅Ｗ1又はＷ2は、これら幅Ｗ1又はＷ2を小さくし、リング又はロの字の内部の、荷重負担しない領域、すなわち角との間の角と接触しない領域を大きくとることが、従来技術からの改善効果の程度が大きくなり望ましい。但し、幅Ｗ1又はＷ2が小さすぎると、軸箱１の上面１ａとの接触面積が減少して防振ゴム９の圧縮応力が大きくなり、長期の使用によってヘタリを生じるので、圧縮応力が過大とならないように下限を設定することが望ましい。

以上の点を考慮し、本発明の効果が大きく確保できる幅Ｗ1又はＷ2の最適な範囲について検討した結果を以下に示す。

幅Ｗ1又はＷ2の下限値については、幅Ｗ1又はＷ2が小さくなると、軸箱１の上面１ａとの接触面積が減少するので、急激に防振ゴム９の圧縮応力が大きくなり、長期の使用による防振ゴム９の永久ひずみ（ヘタリ）や摩耗が懸念される。

一般的な設計例として、軸箱１への負荷荷重Ｆの設計最大荷重Ｆmaxは１００kＮ程度、軸箱１の寸法をＡ1＝Ａ2＝２５０mmの正方形とした場合、防振ゴム９に作用する圧縮応力の上限σＬは１０Ｎ／mm²程度で、実際の防振ゴム９に作用する圧縮応力σ＜σＬとする必要がある。

以上より、軸箱１の上面１ａとの接触面積をＳとすると、σ（＝Ｆmax／Ｓ）より、Ｓ≧１００００mm²とする必要がある。

従って、ロの字状の防振ゴム９の場合、接触面積Ｓ（Ｗ2）=｛［Ａ1²−（Ａ1−２×Ｗ2）²］｝から、１０．４mm≦Ｗ2が導かれる。また、リング状の防振ゴム９の場合、接触面積Ｓ（Ｗ1）＝｛π［Ｒ²−（Ｒ−Ｗ1）²］｝から、１３．４mm≦Ｗ1が導かれる。

よって、本発明では、両者の共通の範囲として、１５mm≦（Ｗ1又はＷ2）を防振ゴム９の耐久性上必要な範囲として採用することが望ましい。なお、図３に示す円板状の防振ゴム１１の接触面の全面で軸箱１の上面１ａと接触する従来の防振ゴム１１の圧縮応力を１とすると、前記範囲は、図１１に示すように防振ゴム９の圧縮応力がほぼ１０倍以下に収まる範囲となる。逆に言えば、典型的な設計として防振ゴム９の接触面９ａの面積の縮減割合を、上記従来の防振ゴム１１の面積の、おおよそ１／１０以上に留めれば、防振ゴム９の耐久性上良いことを意味する。

図１２は、FEM解析結果から求まるＸ方向変形範囲と、前記幅Ｗ1又はＷ2の関係を示した図である。図１２から、図３に示す従来の防振ゴム１１の変位の約８０％以下になって、大きな効果が期待できる範囲として、幅Ｗ1又はＷ2≦５０mmであることが分かる。従って、幅Ｗ1、Ｗ2の上限値を５０mmとすることが本発明の効果を実現するために推奨される。

以上の検討結果より、１５mm≦Ｗ1又はＷ2≦５０mmの範囲が、長期耐久性に優れ、また、従来の円板状の防振ゴムを使用した軸箱支持装置との効果の差が大きく、本発明の望ましい範囲であると言える。

なお、本発明と図３に示す従来技術との差を明確にするために、防振ゴム９，１１の中心部に形成する孔の径について比較しておく。

図３に示した従来の防振ゴム１１を採用した軸箱１の角１ｃの外径は直径が５０mm程度であり、角１ｃを貫通させるために防振ゴム１１に設ける貫通孔１１ａの直径Ｂは５０mmよりも少し大きい６０mm程度である。

一方、本発明のリング状の防振ゴム９の場合、内部の孔９ｃの直径（２Ｒ−２Ｗ1）は、Ｗ1の範囲１５mm≦Ｗ1≦５０mmと、角との間の接触しない領域の確保を考慮すれば、１５０mm≦（２Ｒ−２Ｗ1）≦２２０mm程度になる。

従って、従来の防振ゴム１１を採用した軸箱１の角１ｃを貫通する貫通孔１１ａの直径Ｂと、本発明のリング状の防振ゴム９の内部の孔９ｃの直径（２Ｒ−２Ｗ1）は、両者の孔を設ける目的がもともと異なるのと共に、寸法上の違いが大きく、設計概念や設計形状が重なる範疇のものではない。

本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

１軸箱
１ａ上面
１ｂ外周
１ｃ角
２軸受け
３輪軸
４支持部
５台車枠
６軸ばね
７軸ばね座
８スペーサ
９防振ゴム
９ａ接触面
９ｂ外周

Claims

軸受けを介して輪軸を回転自在に支持する軸箱と、この軸箱を台車枠との相対変位が可能なように支持する支持部を有し、前記軸箱と前記台車枠の間に、台車枠側から、軸ばね、軸ばね座、スペーサ、及び防振ゴムを順に配置した鉄道車両用台車の軸箱支持装置であって、
前記軸箱の上面と接触する前記防振ゴムを、軸箱の上面との接触面が、軸箱の上面の外周に内接する外周を有するリング状、または、軸箱の上面の外形寸法と同じ寸法のロの字状となるような形状に形成し、これらリング状またはロの字状の内周が軸箱上面の中央部に突出状に設けた角と接触しないようにしたことを特徴とする鉄道車両用台車の軸箱支持装置。
前記リング状またはロの字状の防振ゴムの内周と外周との距離が１５mm以上、５０mm以下であることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用台車の軸箱支持装置。