JP6041702B2

JP6041702B2 - 空気ばね

Info

Publication number: JP6041702B2
Application number: JP2013033322A
Authority: JP
Inventors: 裕喜安永
Original assignee: Toyo Tire and Rubber Co Ltd
Current assignee: Toyo Tire Corp
Priority date: 2013-02-22
Filing date: 2013-02-22
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2033-02-22
Also published as: JP2014163423A; WO2014129020A1; CN105008755A; CN105008755B; EP2960541A1; EP2960541A4

Description

本発明は、鉄道車両などにおいて車両を台車に懸架する手段として好適に用いられる空気ばねに関するものである。

この種の空気ばねは、即ち、上支持部と、上支持部の下方に配置される下支持部と、上支持部と前記下支持部とに亘って配備される弾性材製のダイヤフラムとを有して成る空気ばねは、特許文献１において開示されるものが知られている。特許文献１のものでは、上面板（１）が上支持部に、下面板（２）が下支持部に、そして筒状可撓膜体（３）がダイヤフラムにそれぞれ相当している。

近年の鉄道車両においては、ボルスタを用いない構造の台車、即ちボルスタレス台車を用いることが主流になっており、空気ばね、つまりはダイヤフラムには頻繁に捩り応力が作用するものとなっている。ダイヤフラムにおける下支持部に支持される部分である下ビード部は、上支持部に支持させる上ビード部よりも径が小さいため、ダイヤフラムが捩じられることにより生じる捩り応力の負担は、主に下ビード部が受け持つようになる。

そのため、下支持部における下ビード部が嵌着される部分である下ビード受部と下ビード部とが、頻繁な捩り応力によりズレ動き、摩耗し易いとか、エアが漏れ易いといったことによる寿命低下が考えられた。また、強い捩じり応力が作用する場合には、下ビード部が下ビード受部から外れそうになるおそれもあった。

そこで、特許文献２にて開示されるように、下ビード部（１１）を嵌着させて支持する下ビード受部に相当する環状被挟持部（１７）を、第２部材（２Ｓ）に対して水平方向にスライド移動可能に支持する横移動手段（Ｙ１）を設けたものがあった。この構造の採用により、前述の捩り応力をダイヤフラム（３）の変形と横移動手段（Ｙ１）の動作との双方に分散させて、下ビード部と下ビード受部とのズレ動きが極力生じないようにすることが可能であった。

特開平５−１９６０８２号公報特開２００２−１８７５４８号公報

特許文献２による横移動手段の採用により、下ビード部と下ビード受部とのズレ動きが緩和される効果はある程度発揮されたのではあるが、要改善点のあることも次第に指摘されてきていた。
それは、環状被挟持部（１７）をある範囲で径方向にスライド移動可能とするための横移動手段の構造が複雑であり、部品点数が明確に増加してコストアップを招くとともに、摺動部の定期的なメンテナンスが必要である上、複数のＯリング（２０）からの新たなエア漏れのおそれもあった。従って、量産するには問題が多く、さらなる改善の余地が残されているものであった。

本発明の目的は、下ビード部と下ビード受部との支持構造を見直して工夫することにより、ボルスタレス台車を用いた鉄道車両などのダイヤフラムに強い捩り応力が作用する場合でも、下ビード部と下ビード受部とのズレ動きが明確に抑制又は防止され、良好に機能する空気ばねを提供する点にある。

請求項１に係る発明は、上支持部１と、前記上支持部１の下方に配置される下支持部２と、前記上支持部１と前記下支持部２とに亘って配備される弾性材製のダイヤフラム３とを有して成る空気ばねにおいて、
前記下支持部２における前記ダイヤフラム３の下ビード部３ｂを支持する下ビード受部Ｋが、前記下ビード部３ｂが嵌着されるビード受本体６と、前記ビード受本体６と前記下支持部２との間に介装される弾性材製の弾性層９とを有して構成され、
前記ビード受本体６は、前記下ビード部３ｂに内接する上下向きの側周壁６Ａと、前記下ビード部３ｂが載せ付けられる横向きの底周壁６Ｂと、前記ダイヤフラム３における前記下ビード部３ｂ付近の本体部３ｃに接して案内する湾曲ガイド壁６Ｃとを有し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に記載の空気ばねにおいて、前記ビード受本体６は、前記下ビード部３ｂに内接する上下向きの側周壁６Ａと、前記下ビード部３ｂが載せ付けられる横向きの底周壁６Ｂとを有する断面略Ｌ字形状の環状体に形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に記載の空気ばねにおいて、前記弾性層９は、前記側周壁６Ａに内接する縦リング部９Ａと、前記底周壁６Ｂの下面６ｂに接する横リング部９Ｂとを有する断面Ｌ字形状の環状体に形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３に記載の空気ばねにおいて、前記下支持部２は、前記縦リング部９Ａに内接する縦筒部８Ａと、前記横リング部９Ｂの下面９ｂに接する円板部８Ｂとを有する断面Ｌ字形状の環状構造部８を備えて構成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空気ばねにおいて、前記弾性層９がゴム製であ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空気ばねにおいて、前記上支持部１が車両に支持され、かつ、前記下支持部２が台車又は台車側の部材に支持される鉄道車両用のものであ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、ダイヤフラムが捩れ変形した場合には、ダイヤフラム自体が弾性変形するのみならず、ダイヤフラムの下ビード部と下支持部との間に介装される下ビード受部の弾性層も弾性変形するようになる。従って、ダイヤフラムの捩り変形による応力は、ダイヤフラムの弾性と下ビード受部の弾性とに分散されるようになるから、下ビード部とビード受本体との間の応力が従来に比べ軽減されるようになり、寿命低下のおそれなく下ビード部と下ビード受部とのズレ動きを極力生じないようにできる。
また、そのための手段は、ビード受本体と弾性層とを有する下ビード受部のみで済むから、部品点数の増加や構造の複雑かも殆どなく、量産にも好適である。
その結果、ボルスタレス台車を用いた鉄道車両などのダイヤフラムに強い捩り応力が作用する場合でも、下ビード部と下ビード受部とのズレ動きが明確に抑制又は防止され、良好に機能する空気ばねを提供することができる。

この場合、請求項２の発明のように、下ビード受部におけるビード受本体を、下ビード部に内接する上下向きの側周壁と、下ビード部が載せ付けられる横向きの底周壁とを有する断面略Ｌ字形状の環状体に形成すれば、下ビード部を下方及び径内側の双方でしっかりと保持できて好都合である。
また、請求項３の発明のように、弾性層を、側周壁に内接する縦リング部と、底周壁の下面に接する横リング部とを有する断面Ｌ字形状の環状体に形成すれば、ビード受本体を下方及び径内側の双方でしっかりと保持できて好都合である。

請求項４の発明によれば、縦リング部に内接する縦筒部と、横リング部の下面に接する円板部とを有する断面Ｌ字形状の環状構造部を下支持部に備える構成であるから、断面Ｌ字形状の環状構造部が下支持部に一体に形成される場合に比べて、環状構造部の製作が容易であって下支持部の形状の複雑化も招かない。従って、２部品に分けることで、却って生産性に優れる状態で空気ばねを提供できる利点が得られる。

また、請求項５の発明のように、弾性層をゴム製とすることで機能及び生産性に優れる空気ばねが実現できるとか、請求項６の発明のように、鉄道車両用として好適な空気ばねを提供する、といったことも可能である。

空気ばねの構造を示す断面図（実施形態１）下ビード受部を示す拡大断面図図１の空気ばねが捩れた状態の例を示す作用図下側ビードの構造を示す要部の拡大断面図ビードコア〜３Ｐ間の応力と変位との関係グラフを示す図３Ｐ〜４Ｐ間の応力と変位との関係グラフを示す図下側ビード部の捻れ角と変位との関係グラフを示す図空気ばねの構造を示す断面図（実施形態２）従来の空気ばねを示す断面図

以下に、本発明による空気ばねの実施の形態を、例として鉄道車両用のものについて図面を参照しながら説明する。なお、「台車又は台車側の部材」における「台車側の部材」とは、主軸体４などの台車に直接支持される部材や、下支持部２などの何か（主軸体４や弾性部５など）を介して台車に間接支持される部材を含むものとする。

〔実施形態１〕
図１に示すように、空気ばねＡは、鉄道車両用懸架装置Ｓに組み込まれて存在している。懸架装置Ｓは、空気ばねＡと、積層ゴム構造の弾性機構Ｂと、滑りストッパＣとを備えて構成されている。弾性機構Ｂの主軸体４は台車（図示省略）に支持され、空気ばねＡの上支持部１は鉄道車両（図示省略）に支持されている。
通常時の懸架は、空気ばねＡと弾性機構Ｂとが受け持ち、空気が抜けるなど空気ばねＡがエアレス状態になって萎んだ非常時には、滑りストッパＣが、下降してくる上支持部１を受止めて支える機能を発揮するように構成されている。

空気ばねＡは、客車等の被支持体（図示省略）に固定されるものであって上下向きの軸心Ｐを中心とする略円板状の上支持部１と、円盤状の上蓋部２Ａと筒状のリング部２Ｂとを有して成るものであって軸心Ｙを有する下支持部（台車又は台車側の部材の一例）２と、これら両者１，２に亘って配備されるゴム（弾性材の一例）製で略横倒しドーナツ状を呈するダイヤフラム３とを有して構成されている。下支持部２には、リング部２Ｂとダイヤフラム３との間に配備されて緩和機構として機能する下ビード受部Ｋが装備されている。

上支持部１は、円板状の上本体１Ａと、その中心部に上方突出状態で一体化される筒状円錐台形状のボス部１Ｂとを備えており、軸心Ｐを有する平面視で円形を呈する部材に構成されている。上本体１Ａの下面側には扁平な上滑り板１０が装備され、また、上本体１Ａの外周端部である取付外周部１ａの下面側には、断面形状が略鉤状の装着リング１４がボルト止めされる。

下支持部２は、リング部２Ｂと、上蓋部２Ａと、リング部２Ｂに外嵌装備される下ビード受部Ｋとからなり、上下向きの軸心Ｙを有する状態で弾性機構Ｂを介して台車（図示省略）に支持される。リング部２Ｂは、下に行くほど径が大きくなる傾斜内周面２ｂを有する縦向き筒状で金属材などの硬質材で形成されている。上蓋部２Ａは、皿を伏せたような形状であって金属材などの硬質材で形成され、リング部２Ｂの上面側にボルト止め一体化される。
上蓋部２Ａの上面には扁平な下滑り板７が一体的に装備されている。上蓋部２Ａとリング部２Ｂとは、互いに嵌合するインロー段差構造によって互いに共有の軸心Ｙを有する状態でのボルト止めで一体的に連結されている。

有効径Ｌを有するダイヤフラム３は、上側の大径側周端部である上ビード部３ａと、下側の小径側周端部である下ビード部３ｂと、本体部３ｃとを有してなる弾性膜体であり、ベローズとも呼ばれる。弾性膜体であるダイヤフラム３は、図２に示すように、外側のゴム層（弾性材層）１５と、内側のゴム層（弾性材層）１６と、これら両者１５，１６の間の内外２層でなる補強コード層１７とによる複数層構造のものに構成されている。そして、下ビード部３ｂにおいては、補強コード層１７で囲まれる状態で高強度で環状の芯材１８を備える構成とされている。

上支持部１とダイヤフラム３とは、取付外周部１ａと装着リング１４とで上ビード部３ａを気密状に挟持保持することで一体化されている。ダイヤフラム３と下支持部２とは、下ビード受部Ｋの外側の環状体であるビード受本体６に下ビード部３ｂが嵌着されることにより気密状に一体化されている。
従って、ダイヤフラム３の内部空間は外部と気密状に遮断されており、空気の圧縮による緩衝作用（エアクッション）が生じるように構成されている。なお、弾性機構Ｂにおける主軸体４の孔（符記省略）やボス部１Ｂの孔（符記省略）を通しての空気の出し入れにより、空気ばねＡにおける緩衝作用の硬軟調節を行う構成を採ることが可能である。

弾性機構Ｂは、図１に示すように、筒状の芯軸４Ａと環状円板４Ｂとでなり、上下向きの軸心Ｘを有する主軸体４と、これと互いに同一（又はほぼ同一）の軸心Ｘを有する状態でリング部２Ｂとの間に形成される弾性部５とを有して構成されている。なお、主軸体４は、台車（図示省略）に支持される。
弾性部５は、複数の弾性層５Ａ〜５Ｃと硬質隔壁５ａ，５ｂとが軸心Ｘと同心（又はほぼ同心）状態で径内外方向で交互に積層されて、軸心Ｘに沿う方向での断面視形状がハ字状を呈する積層ゴム構造のものに構成されている。このように断面がハ字形状を呈する弾性機構Ｂと空気ばねＡとが上下方向で直列に配備される構造の懸架装置Ｓは、コニカルストッパー型空気ばねとも呼ばれる。

滑りストッパＣは、図１に示すように、上支持部１に装備される上滑り板１０と、上蓋部２Ａに装備される下滑り板７とで構成されている。例えば、上滑り板１０と下滑り板７との何れか一方を低摩擦材料で、かつ、何れか他方をステンレス板でそれぞれ形成すると良いが、この限りではない。

次に、下ビード受部Ｋについて説明する。下ビード受部Ｋは図１，図２に示すように、下ビード部３ｂが嵌着される前述のビード受本体６と、リング部２Ｂに外嵌されるものであって環状構造部である内フランジ８と、これらビード受本体６と内フランジ８との間に介装される環状の弾性層９とを有して構成されている。

金属材などでなるビード受本体６は、下ビード部３ｂに内接する上下向きの側周壁６Ａと、下ビード部３ｂが載せ付けられる横向きの底周壁６Ｂと、下ビード部３ｂ付近の本体部３ｃをに接して案内する湾曲ガイド壁６Ｃとを有する断面略Ｌ字形状で円形の環状体に形成されている。湾曲ガイド壁６Ｃは、ほぼ９０度の円弧状となる外周面６ｃを備えている。
ゴムなどでなる弾性層９は、側周壁６Ａに内接する縦リング部９Ａと、底周壁６Ｂの下面６ｂに接する横リング部９Ｂとを有する断面Ｌ字形状で円形の環状体に形成されている。
金属材などでなる内フランジ８は、縦リング部９Ａに内接する縦筒部８Ａと、横リング部９Ｂの下面９ｂに接する円板部８Ｂとを有する断面Ｌ字形状の環状構造部に形成されている。

内フランジ８は、リング部２Ｂの外周上端部に形成された段付で仕上げ精度に優れる縦向きインロー部１１に落し込み嵌合されるとともに、リング部２Ｂにボルト止めされる上蓋部２Ａの外周部１２によって上方への抜け止めが為されている。縦向きインロー部１１には、気密性を出すためのＯリング１３が装備されている。
実施形態１においては、内フランジ８を介して弾性層９をリング部２Ｂに支持させているが、例えば、内フランジ８相当の構造部が一体形成されているリング部２Ｂに支持させる構成を採ることは可能である。

近年多用されるボルスタレス台車が用いられる場合、鉄道車両用懸架装置Ｓにおける空気ばねＡは、その構造上、主に前後方向に大きな捩じれ変形を伴うものとなっている。つまり、空気ばねＡのダイヤフラム３は、曲線通過時における車体（車両）と台車との上下軸心に関する相対角度差と、遠心力による偏芯とによる捩れを一手に受け持つ。そのため、ダイヤフラムには、頻繁な捩れ移動に耐える柔軟さと耐久性とが求められるとともに、上下のビード部３ａ，３ｂ、特に、径が小さく応力負担の大きい下ビード部３ｂと下支持部２との嵌合部には外れ難さや擦れ強さが求められる。

曲線通過などにより、ダイヤフラム３がどれだけ捩じられるかの例を図３に示す。図３に示されるように、図１に示す通常状態（捩れがなく、三つの軸心Ｐ，Ｙ，Ｘが一直線上に並ぶ状態）に比べて、上支持部１の軸心Ｐ、下支持部２の軸心Ｙ、及び主軸体４の軸心Ｘの三者が互いに横ずれ移動し、かつ、下支持部２の軸心Ｙが明確に傾いている。特に、上支持部１の軸心Ｐが、下支持部２の軸心Ｙ及び主軸体４の軸心Ｘに対する横ずれ量（偏芯量）が大きいことが見て取れる。なお、図３では、捩れ変形具合を理解し易くすべく、空気ばねＡの概ねの形状線を示すとともに、各部のハッチングは意図的に省略してある。

ダイヤフラム３は、図３の紙面右側の部分は横方向に引張られ、かつ、図３の紙面左側の部分では横方向に圧縮されるという捩れ変形を受けている。そして、下ビード受部（緩和機構）Ｋにおける弾性層９も、図３の紙面右側の部分では引張り変形され、図３の紙面左側の部分では圧縮変形されているのが理解できる。また、弾性機構Ｂにおける各弾性層５Ａ〜５Ｃにおいても、程度は若干少ないが、弾性層９と同様な変形を来たしているとともに、ハ字状断面構造を持つ弾性機構Ｂの存在ゆえに、下支持部２が主軸体４に対して傾き変位していることが伺える。

本発明による空気ばねＡでは、下ビード部３ｂを下支持部２にダイレクトに嵌着させる従来手段とは異なり、硬質材製のビード受本体６と弾性材製の弾性層９とを有する下ビード受部Ｋを下ビード部３ｂと下支持部２との間に設けたことを特徴としている。つまり、下ビード受部Ｋにおける弾性層９の弾性変形により、ダイヤフラムの捩れ変形によって下ビード部３ｂに作用する応力が大きく緩和されるようになる。

これにより、ダイヤフラム３とビード受本体６（詳しくは、底周壁６Ｂ及び湾曲ガイド壁６Ｃ）との擦れ（従来ではダイヤフラムと下支持部との擦れ）が軽減されるとともに、下ビード部３ｂが側周壁６Ａから引き離されるようにビード受本体６から抜け出し方向に大きく移動して、気密性に支障を来たすとか外れ易くなるといった不都合のおそれも解消されるようになる。

図４に、実施形態１による空気ばねＡのダイヤフラム３における下ビード部３ｂ及びその付近部位の応力線図の例を示す。例として、外側の補強コード層１７は内外２層のコード１７ａ，１７ｂを重ねて形成されており、内側の補強コード層１７も内外２層のコード１７ｃ，１７ｄを重ねて形成されている。後述する図５〜図７においては、芯材１８は「ビードコア」、内側の補強コード層１７の内側コード１７ｄは「３Ｐ」、内側の補強コード層１７の外側コード１７ｃは「４Ｐ」とそれぞれ呼び代えて記載してある。

そして、ダイヤフラム３が図３に示す如く捩れ変形した状態において、下支持部２に対する上支持部１の変位と、下ビード部３ｂの各所又は部位の応力との関係グラフを図５〜７に示す。図５は、芯材（ビードコア）１８と内側コード１７ｄ（３Ｐ）との間に作用する応力を示している。図５においては、芯材１８と内側コード１７ｄとの間に存在するゴムに作用する応力、という意味で「ビードコア〜３Ｐ間ゴム」と記してある。

図６は、内側の補強コード層１７における内側コード１７ｄ（３Ｐ）と外側コード１７ｃ（４Ｐ）との間の箇所に作用する応力を示している。図５においては、内外のコード１７ｄ，１７ｃ間に存在するゴムに作用する応力、という意味で「３Ｐ〜４Ｐ間ゴム」と記してある。

図７は、下ビード部３ｂにおける最も大きく捩じられる部位の捩れ角を示している。即ち、ダイヤフラム３における最も引張られる部位（図３で紙面右側端の部分）と、最も圧縮される部位（図３で紙面左側端の部分）との中央となる部位であり、その最大捩れ部位の上支持部１に対する正規の位置から捩れた角度を「捩れ角」として記してある。
なお、図５，６、及びそれらの説明において言う各所は、図７の説明で定義した部位のダイヤフラム３に存在しており、より詳しくは、下ビード部３ｂにおける芯材１８と底周壁６Ｂ（図２参照）との間の部位にある。

図５〜図７においては、本発明による空気ばねＡにおける値を実線で、そして、従来構造の空気ばねＤにおける値を破線でそれぞれ示してある。なお、ここで言う従来構造とは、図９に示す空気ばねＤ、即ち、図１における下ビード受部Ｋが、金属製で単一部品で形成されたものであり、ダイヤフラム３がリジッドに下支持部２に嵌着された構造のもののデータである。図９においては、図１と対応する箇所には同じ符号を付してある。
図５〜図７から分るように、いずれのデータでも、本発明品のものは応力が従来品よりも減少しており、下ビード受部（緩和機構）Ｋの効果が如実に表れているのが理解できる。特に、相関的には、捩れ角が大きくなればなるほど応力減少値も大きくなるとみて差し支えないであろう。

〔実施形態２〕
懸架装置Ｓは図８に示すものでも良い。即ち、図８に示す実施形態２による懸架装置Ｓは、図１のものと弾性機構Ｂと下支持部２とが異なるものであり、下ビード受部Ｋは実質的に同じである。つまり、実施形態１における内フランジ８が省略され、その代わりに下支持部２の一部で弾性層９を直接に支持する構成である。

この場合の弾性機構Ｂは、５つの弾性層５Ａ〜５Ｅと５つの硬質隔壁５ａ〜５ｅとを交互に上下に重ねてなる積層ゴム構造の弾性部５に構成されている。
下支持部２は、環状構造部８を一体に有する単一の部材で形成されており、その上側に、補強板１９を挟んで下滑り板７を支持する台枠２０が設けられている。

〔別実施形形態〕
下ビード受部Ｋは、硬質材製のビード受本体６と弾性製の弾性層９との対が２以上重ねられてなる多層構造のものでも良い。また、ビード受本体６や弾性層９は、円弧状、Ｉ字形状、横倒し略Ｚ形状などＬ字形状以外の断面形状を持つものであっても良い。

１上支持部
２下支持部
３ダイヤフラム
３ｂ下ビード部
６ビード受本体
６Ａ側周壁
６Ｂ底周壁
８環状構造部
８Ａ縦筒部
８Ｂ円板部
９弾性層
９Ａ縦リング部
９Ｂ横リング部
Ｋ下ビード受部

Claims

上支持部と、前記上支持部の下方に配置される下支持部と、前記上支持部と前記下支持部とに亘って配備される弾性材製のダイヤフラムとを有して成る空気ばねであって、
前記下支持部における前記ダイヤフラムの下ビード部を支持する下ビード受部が、前記下ビード部が嵌着されるビード受本体と、前記ビード受本体と前記下支持部との間に介装される弾性材製の弾性層とを有して構成され、
前記ビード受本体は、前記下ビード部に内接する上下向きの側周壁と、前記下ビード部が載せ付けられる横向きの底周壁と、前記ダイヤフラムにおける前記下ビード部付近の本体部に接して案内する湾曲ガイド壁とを有している空気ばね。
前記ビード受本体は、前記下ビード部に内接する上下向きの側周壁と、前記下ビード部が載せ付けられる横向きの底周壁とを有する断面略Ｌ字形状の環状体に形成されている請求項１に記載の空気ばね。
前記弾性層は、前記側周壁に内接する縦リング部と、前記底周壁の下面に接する横リング部とを有する断面Ｌ字形状の環状体に形成されている請求項２に記載の空気ばね。
前記下支持部は、前記縦リング部に内接する縦筒部と、前記横リング部の下面に接する円板部とを有する断面Ｌ字形状の環状構造部を備えて構成されている請求項３に記載の空気ばね。
前記弾性層がゴム製である請求項１〜４の何れか一項に記載の空気ばね。
前記上支持部が車両に支持され、かつ、前記下支持部が台車又は台車側の部材に支持される鉄道車両用のものである請求項１〜５の何れか一項に記載の空気ばね。