JP6149732B2

JP6149732B2 - 空気ばね

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Publication number: JP6149732B2
Application number: JP2013555702A
Authority: JP
Inventors: 浦　康彦; 康彦浦; 浩一原口; 隆之澤; 吉田　淳; 淳吉田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2017-06-21
Anticipated expiration: 2033-04-01
Also published as: US20150219177A1; US9759282B2; CN103703269B; WO2014020942A1; JPWO2014020942A1; CN103703269A

Description

本発明は、空気ばねに関するものであり、より特定的には、ダイアフラムの空気漏れを抑制することが可能な空気ばねに関するものである。

鉄道車両においては、走行時に車体に負荷される衝撃や振動を軽減するため、車体と台車との間に空気ばねが配置される。空気ばねは、車体側に接続される上面板と、台車側に配置される下面板と、上面板と下面板とを接続するように配置されるゴム製のダイアフラムなどを主に備え、ダイアフラムが弾性変形することにより車両走行時の衝撃や振動を軽減することができる。また、上面板あるいは下面板などの部材を構成する材料としては、これらの部材の耐摩耗性や強度を確保する観点から、たとえばアルミニウムや鉄などの金属が主に採用されている（たとえば、特開２００９−１３８９０５号公報（特許文献１）参照）。

特開２００９−１３８９０５号公報

上面板や下面板を構成する材料としてアルミニウムや鉄などの金属を採用する場合、当該構成材料とダイアフラムを構成するゴムとの弾性率の差が大きくなる（アルミニウム：約７０ＧＰａ、鉄：約２００ＧＰａ、ゴム：約０．１ＧＰａ）。そのため、たとえばダイアフラムが大きく変形する場合には、当該弾性率の差に起因して上面板とダイアフラムや下面板とダイアフラムとの接触部において隙間が形成され易く、その結果ダイアフラムの空気漏れが生じるという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ダイアフラムの空気漏れを抑制することが可能な空気ばねを提供することである。

本発明の空気ばねは、第１支持部材と、第１支持部材から見て主荷重方向に間隔をおいて配置される第２支持部材と、第１支持部材と第２支持部材とを接続することにより閉鎖空間を形成し、弾性変形可能なゴムからなるダイアフラムとを備えている。第１支持部材および第２支持部材の少なくとも一の部材において、ダイアフラムとの接続部を構成する材料の弾性率は、ダイアフラムを構成するゴムの弾性率よりも大きく、アルミニウムの弾性率よりも小さくなっている。

本発明の空気ばねでは、第１支持部材および／または第２支持部材において、ダイアフラムとの接続部を構成する材料の弾性率が上記の通りであるため、当該接続部が鉄やアルミニウムから構成される場合に比べて、当該接続部を構成する材料とダイアフラムを構成するゴムとの弾性率の差がより小さくなっている。そのため、第１支持部材とダイアフラムおよび／または第２支持部材とダイアフラムとの接続部において、当該弾性率の差に起因した隙間の形成を抑制することができる。したがって、本発明の空気ばねによれば、ダイアフラムの空気漏れを抑制することが可能な空気ばねを提供することができる。

上記空気ばねでは、上記少なくとも一の部材において、接続部を構成する材料の弾性率は、１ＧＰａ以上４０ＧＰａ以下となっていてもよい。

これにより、第１支持部材とダイアフラムおよび／または第２支持部材とダイアフラムとの接続部における隙間の形成をより効果的に抑制することができる。その結果、ダイアフラムの空気漏れをより効果的に抑制することができる。

上記空気ばねにおいて、接続部は、ＦＲＰから構成されていてもよい。これにより、空気ばねをより軽量化することができる。

上記空気ばねにおいて、接続部を構成するＦＲＰは、プレス成形法により形成されていてもよい。これにより、当該接続部を含む第１支持部材および／または第２支持部材の加工性をより向上させることができる。

上記空気ばねにおいて、上記少なくとも一の部材は、接続部と、単位体積当たりの質量が接続部よりも小さい軽量化部とを含んでいてもよい。これにより、空気ばねをさらに軽量化することができる。

上記空気ばねにおいて、軽量化部は、ハニカム状構造物から構成されていてもよい。また、軽量化部は、発泡体から構成されていてもよい。また、軽量化部は、ＦＲＰを除いたエンジニアリングプラスチックから構成されていてもよい。これにより、空気ばねの軽量化がより容易になる。

上記空気ばねにおいて、接続部は、ＣＦＲＰ以外のＦＲＰから構成されていてもよい。そして、軽量化部は、ＣＦＲＰから構成されていてもよい。これにより、空気ばねを一層軽量化することができる。

上記空気ばねにおいて、上記少なくとも一の部材は、接続部と、接続部よりも弾性率が大きい材料からなる補強部とを含んでいてもよい。これにより、ダイアフラムの空気漏れを抑制しつつ、空気ばねの強度をより向上させることができる。

上記空気ばねにおいて、第１支持部材の第２支持部材に対向する面および第２支持部材の第１支持部材に対向する面の少なくとも一の面上には、金属から構成される部材が配置されていてもよい。これにより、デフレート時やローリング走行時に第１支持部材と第２支持部材とが接触する場合における第１支持部材および／または第２支持部材の耐摩耗性をより向上させることができる。また、第１支持部材および／または第２支持部材の強度をより向上させることができる。なお、デフレートとは、パンク状態のことを意味し、空気ばねのダイアフラムから空気が排気された状態を意味する。

上記空気ばねにおいて、第１支持部材の第２支持部材に対向する面および第２支持部材の第１支持部材に対向する面の少なくとも一の面上には、樹脂から構成される部材が配置されていてもよい。これにより、デフレート時に第１支持部材と第２支持部材とが接触する場合における第１支持部材と第２支持部材との摺動特性をより向上させることができる。

以上の説明から明らかなように、本発明の空気ばねによれば、ダイアフラムの空気漏れを抑制することが可能な空気ばねを提供することができる。

空気ばねの構造を示す概略図である。下面板の構造を示す概略平面図である。下面板の構造を示す概略断面図である。他の下面板の構造を示す概略断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

まず、本発明の一実施の形態の空気ばねの構造について説明する。図１を参照して、本実施の形態の空気ばね１は、第１支持部材としての上面板１０と、第２支持部材としての下面板２０と、ゴム下板３０と、積層ゴム４０と、ダイアフラム５０とを主に備えている。

上面板１０の中心軸を含む領域には、下面板２０側とは反対側に突出する車体側スピゴット１１が形成されている。車体側スピゴット１１の外周部には、Ｏリング１２が取り付けられている。上面板１０は、車体側スピゴット１１を介して車体側（図示しない）に接続される。

下面板２０は、上面板１０から見て主荷重方向に間隔をおいて配置されている。下面板２０の上面板１０に対向する面２０ａ上には、たとえば金属あるいは樹脂から構成される摺動部材２１が配置されている。また、摺動部材２１は、上面板１０の下面板２０に対向する面１０ａおよび下面板２０の上面板１０に対向する面２０ａの少なくとも一の面上に配置されていればよく、面１０ａ上に配置されていてもよいし、面１０ａおよび面２０ａのそれぞれの面上に配置されていてもよい。

ダイアフラム５０は、弾性変形が可能なゴムから構成され、上面板１０と下面板２０とを接続することにより閉鎖空間を形成する。より具体的には、ダイアフラム５０の両端は、上面板１０および下面板２０によりそれぞれ支持される。これにより、ダイアフラム５０、上面板１０および下面板２０は閉鎖空間を形成する。

上面板１０および下面板２０の少なくとも一の部材において、ダイアフラム５０との接続部を構成する材料の弾性率は、ダイアフラム５０を構成するゴムの弾性率よりも大きくアルミニウムの弾性率よりも小さくなっている。より具体的には、当該接続部を構成する材料の弾性率は１ＧＰａ以上４０ＧＰａ以下となっており、当該接続部は弾性率が約１０ＧＰａの繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：ＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ）から構成されている。また、当該接続部を構成するＦＲＰは、たとえばＳＭＣ（ＳｈｅｅｔＭｏｌｄｉｎｇＣｏｎｐｏｕｎｄ）法またはＢＭＣ（ＢｕｌｋＭｏｌｄｉｎｇＣｏｍｐｏｕｎｄ）法により形成されている。本実施の形態では、上面板１０および下面板２０におけるダイアフラム５０との接続部がＦＲＰから構成されている。より具体的には、上面板１０においては当該接続部を含む上面板１０全体がＦＲＰから構成されており、下面板２０においては当該接続部としての本体部２２がＦＲＰから構成されている。なお、本実施の形態のように上面板１０および下面板２０におけるダイアフラム５０との接続部がＦＲＰから構成される場合に限られず、上面板１０および下面板２０のいずれか一の部材におけるダイアフラム５０との接続部がＦＲＰから構成されていてもよい。また、上面板１０および下面板２０のうちダイアフラム５０との接続部がＦＲＰから構成される一の部材とは別の部材は、たとえば鉄やアルミニウムなどの金属から構成されていてもよい。また、上面板１０および下面板２０のダイアフラムとの接続部の構成材料としては、部材の軽量化の観点からはＦＲＰを採用することが好ましく、部材の強度向上の観点からは鉄やアルミニウムなどの金属を採用することが好ましい。

図２および図３を参照して、下面板２０の構造について詳細に説明する。図３において、図３中の点線に示す中心線より右側図は、下面板２０の図２中線分ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面を部分的に示し、当該中心線より左側図は、下面板２０の図２中線分ＩＩＩ’−ＩＩＩ’に沿った断面を部分的に示している。下面板２０は、ＦＲＰから構成される本体部２２と、軽量化部２３とを含んでいる。軽量化部２３は、下面板２０を軽量化するために本体部２２を部分的に肉抜きし、さらに補強のためにＦＲＰとは別の材料を入れ込んだ部分であり、単位体積当たりの質量が本体部２２よりも小さくなっている。軽量化部２３は、たとえばアラミドハニカムまたはペーパーハニカムなどのハニカム材料、プラスチック発泡体またはカーボン発泡体などの発泡材料、あるいはエンジニアリングプラスチックなどから構成されている。また、下面板２０においては、本体部２２がＣＦＲＰ（ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ）以外のＦＲＰから構成されていてもよい。そして、軽量化部２３がＣＦＲＰから構成されていてもよい。また、上面板１０および下面板２０の少なくとも一の部材が本体部２２と軽量化部２３とを含んでいればよく、たとえば上面板１０が本体部２２と軽量化部２３とを含んでいてもよく、また上面板１０および下面板２０が本体部２２と軽量化部２３とを含んでいてもよい。また、下面板２０は、軽量化部２３を含まず、下面板２０を軽量化するために本体部２２を部分的に除去した（肉抜きにした）構造を有していてもよい。

図１を参照して、積層ゴム４０は、下面板２０から見て上面板１０とは反対側に配置されている。積層ゴム４０は、金属などからなる硬質層４１およびゴムなどからなる弾性層４２を複数有し、硬質層４１と弾性層４２とが主荷重方向において交互に積層された構造を有している。積層ゴム４０は、複数の弾性層４２を有することにより、弾性変形が可能となっている。また、積層ゴム４０の中心には中空部が形成されている。

ゴム下板３０は、下面板２０から見て上面板１０とは反対側において積層ゴム４０と接触して配置されている。ゴム下板３０の中心軸を含む領域には、積層ゴム４０側とは反対側に突出する台車側スピゴット３１が形成されている。すなわち、ゴム下板３０には、ゴム下板３０の中心軸を含むように突出する小径部としての台車側スピゴット３１が取り付けられている。台車側スピゴット３１の外周部には、Ｏリング３２が取り付けられている。ゴム下板３０は、台車側スピゴット３１を介して、台車（図示しない）側に接続される。そして、空気ばね１は、ゴム下板３０の支持面３０ａにおいて、車体（図示しない）を台車（図示しない）に対して支持する。ゴム下板３０は、部材の強度向上の観点からは鉄やアルミニウムなどの金属から構成されることが好ましく、また部材の軽量化の観点からはＦＲＰなどから構成されることが好ましい。

以上のように、本実施の形態の空気ばね１では、上面板１０および下面板２０において、ダイアフラム５０との接続部を構成する材料の弾性率が、ダイアフラム５０を構成するゴムの弾性率よりも大きく、アルミニウムの弾性率よりも小さくなっている。そのため、当該接続部が鉄やアルミニウムから構成される場合に比べて、当該接続部を構成する材料とダイアフラム５０を構成するゴムとの弾性率の差がより小さくなっており、上面板１０とダイアフラム５０および下面板２０とダイアフラム５０との接続部において、当該弾性率の差に起因した隙間の形成を抑制することができる。したがって、本実施の形態の空気ばね１によれば、ダイアフラム５０の空気漏れを抑制することができる。

また、上述のように、本実施の形態の空気ばね１では、上面板１０および下面板２０において、ダイアフラム５０との接続部を構成する材料の弾性率が、１ＧＰａ以上４０ＧＰａ以下となっていてもよい。これにより、上面板１０とダイアフラム５０および下面板２０とダイアフラム５０との接続部における隙間の形成をより効果的に抑制することができる。その結果、ダイアフラム５０の空気漏れをより効果的に抑制することができる。

また、上述のように、本実施の形態の空気ばね１では、上面板１０および下面板２０において、ダイアフラム５０との接続部はＦＲＰから構成されていてもよい。空気ばねにおいては、車両の高速化や省エネルギー化のために部品を軽量化する必要があるため、上面板１０や下面板２０を構成する材料として軽量な材料を採用する必要がある。この構成材料としては、たとえばアルミニウムや鉄よりも比重が小さいマグネシウムを採用することも可能であるが、加工性が悪いために部材の製造コストが増大するという問題がある。これに対して、本実施の形態の空気ばね１では、マグネシウムと同等の比重を有し、より加工性に優れたＦＲＰをダイアフラム５０との接続部を構成する材料として採用することにより、部品の加工性を悪化させることなく空気ばねをより軽量化することができる。

また、上述のように、本実施の形態の空気ばね１では、上面板１０および下面板２０において、ダイアフラム５０との接続部を構成するＦＲＰは、ＳＭＣ法またはＢＭＣ法により形成されていてもよいが、これに限定されるものではない。すなわち、本実施の形態の空気ばね１では、上面板１０および下面板２０において、ダイアフラム５０との接続部を構成するＦＲＰは、プレス成形法により形成されていればよい。これにより、当該接続部を含む上面板１０および下面板２０の加工性をより向上させることができる。

また、上述のように、本実施の形態の空気ばね１では、下面板２０は、ＦＲＰから構成されるダイアフラム５０との接続部としての本体部２２と、単位体積当たりの質量が本体部２２よりも小さい軽量化部２３とを含んでいてもよい。これにより、空気ばねをさらに軽量化することができる。

また、上述のように、本実施の形態の空気ばね１では、下面板２０の軽量化部２３は、アラミドハニカムまたはペーパーハニカムから構成されていてもよいが、これに限定されるものではない。すなわち、本実施の形態の空気ばね１では、下面板２０の軽量化部２３は、ハニカム状構造物から構成されていればよい。また、軽量化部２３は、プラスチック発泡体またはカーボン発泡体から構成されていてもよいが、これに限定されるものではない。すなわち、本実施の形態の空気ばね１では、軽量化部２３は、発泡体から構成されていればよい。また、軽量化部２３は、エンジニアリングプラスチックから構成されていてもよい。このような材料を軽量化部２３の構成材料として採用することにより、空気ばねの軽量化がより容易になる。

また、上述のように、本実施の形態の空気ばね１では、下面板２０の本体部２２は、ＣＦＲＰ以外のＦＲＰから構成されていてもよい。そして、軽量化部２３は、ＣＦＲＰから構成されていてもよい。これにより、空気ばねを一層軽量化することができる。

また、上述のように、本実施の形態の空気ばね１では、下面板２０の上面板１０に対向する面２０ａ上には、金属から構成される摺動部材２１が配置されていてもよい。これにより、デフレート時に上面板１０と下面板２０とが接触する場合における下面板２０の耐摩耗性をより向上させることができる。また、下面板２０の強度をより向上させることができる。

また、上述のように、本実施の形態の空気ばね１では、下面板２０の上面板１０に対向する面２０ａ上には、樹脂から構成される摺動部材２１が配置されていてもよい。これにより、デフレート時に上面板１０と下面板２０とが接触する場合における上面板１０と下面板２０との潤滑特性をより向上させることができる。

また、本実施の形態の空気ばね１において、下面板２０は、本体部２２と軽量化部２３とを含む構成（図３参照）であってもよいが、これに限定されない。図４を参照して、下面板２０Ａ（第２支持部材）は、接続部としての本体部２４と、当該本体部２４よりも弾性率が大きい材料からなる補強部２５とを含んでいてもよい。本体部２４は、下面板２０の場合と同様にＦＲＰから構成されており、また補強部２５は、たとえば鉄やアルミニウムなどの金属材料から構成されている。また、本体部２４および補強部２５は、円盤形状を有しており（補強部２５の方が径が大きい）、中心軸を共有するように補強部２５上に本体部２４が配置されている。このように、ダイアフラムとの接続部である本体部２４をＦＲＰから構成することによりダイアフラムの空気漏れが抑制され、さらに補強部２５を鉄やアルミニウムなどの金属材料から構成することにより下面板２０Ａの強度をより向上させることができる。

また、補強部２５は、上述のように鉄やアルミニウムなどの金属単体から構成されていてもよいが、これに限定されるものではない。補強部２５は、たとえばＦＲＰの中に鉄やアルミニウムなどの金属が埋め込まれて構成されていてもよい。また、補強部２５は、たとえばＦＲＰの表面（上面または下面、あるいは上面および下面）上に鉄やアルミニウムなどからなる薄い金属板（図示しない）が配置されて構成されていてもよい。この場合、当該金属板は、補強部２５のＦＲＰからなる部分と本体部２４とを接続するように存在する。

また、下面板２０Ａは、補強部２５上に本体部２４が配置された構成に限定されず、たとえばＦＲＰからなる本体部が中空部を含む円板形状を有し、当該中空部内に金属材料からなる補強部が配置されていてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の空気ばねは、ダイアフラムの空気漏れを抑制することが要求される空気ばねにおいて、特に有利に適用され得る。

１空気ばね、１０上面板、１０ａ，２０ａ面、１１車体側スピゴット、１２，３２Ｏリング、２０，２０Ａ下面板、２１摺動部材、２２，２４本体部、２３軽量化部、２５補強部、３０ゴム下板、３０ａ支持面、３１台車側スピゴット、４０積層ゴム、４１硬質層、４２弾性層、５０ダイアフラム。

Claims

第１支持部材と、
前記第１支持部材から見て主荷重方向に間隔をおいて配置される第２支持部材と、
前記第１支持部材と前記第２支持部材とを接続することにより閉鎖空間を形成し、弾性変形可能なゴムからなるダイアフラムとを備え、
前記ダイアフラムの一端および他端は、それぞれ前記第１支持部材および前記第２支持部材により支持されており、
前記第１支持部材および前記第２支持部材の少なくとも一の部材において、前記ダイアフラムとの接続部を構成する材料の弾性率は、前記ダイアフラムを構成する前記ゴムの弾性率よりも大きく、アルミニウムの弾性率よりも小さい、空気ばね。
前記少なくとも一の部材において、前記接続部を構成する材料の弾性率は、１ＧＰａ以上４０ＧＰａ以下となっている、請求項１に記載の空気ばね。
前記接続部は、ＦＲＰから構成されている、請求項２に記載の空気ばね。
前記接続部を構成するＦＲＰは、プレス成型品である、請求項３に記載の空気ばね。
前記少なくとも一の部材は、前記接続部と、単位体積当たりの質量が前記接続部よりも小さい軽量化部とを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の空気ばね。
前記軽量化部は、ハニカム状構造物から構成されている、請求項５に記載の空気ばね。
前記軽量化部は、発泡体から構成されている、請求項５に記載の空気ばね。
前記軽量化部は、エンジニアリングプラスチックから構成されている、請求項５に記載の空気ばね。
前記接続部は、ＣＦＲＰ以外のＦＲＰから構成されており、
前記軽量化部は、ＣＦＲＰから構成されている、請求項５〜８のいずれか１項に記載の空気ばね。
前記少なくとも一の部材は、前記接続部と、前記接続部よりも弾性率が大きい材料からなる補強部とを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の空気ばね。
前記第１支持部材の前記第２支持部材に対向する面および前記第２支持部材の前記第１支持部材に対向する面の少なくとも一の面上には、金属から構成される部材が配置されている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の空気ばね。
前記第１支持部材の前記第２支持部材に対向する面および前記第２支持部材の前記第１支持部材に対向する面の少なくとも一の面上には、樹脂から構成される部材が配置されている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の空気ばね。