JP6247494B2 - 鉄道車両台車用の板バネの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の台車に用いる繊維強化樹脂製の板バネの製造方法に関する。

鉄道車両には、車体を支持してレール上を走行するための台車が設けられており、一般的な台車では、輪軸を支持する軸受が収容された軸箱が台車枠に対して上下方向に変位可能となるように軸箱支持装置により支持されている。台車枠は、横方向に延びる横ばりと、その横ばりの両端部から前後方向に延びた左右一対の側ばりとを備え、軸箱支持装置が、軸箱とその上方にある側ばりとの間に介装されたコイルバネからなる軸バネを備える。

これに対し、特許文献１では、台車枠のうち側ばりの部分を省いた台車が提案されている。その台車では、軸箱支持装置及び側ばりの代わりに車両長手方向に延びた繊維強化樹脂からなる板バネを設け、その板バネの前後方向両端部を軸箱で支持し、その板バネの前後方向中央部が横ばりの車幅方向両端部を下方から支持している。これによれば、台車枠のうち側ばりの部分が省かれるので、台車枠が軽量化されて組立作業も簡素化される。

国際公開第２０１３／００８４６８号公報

ところで、繊維強化樹脂からなる板バネを製作するにあたっては、板バネ１つ１つを個別に成形するのが通常のやり方となる。しかし、繊維強化樹脂の成形品では、成形中における成形キャビティ内の圧力分布がキャビティ端部において不均一になる可能性がある。繊維強化樹脂の成形品である板バネの端部において不均一な部分が生じると、板バネの端部の性質が不安定となって、板バネの性能や寿命等に影響が出る場合がある。

そこで本発明は、繊維強化樹脂からなる板バネの製造効率を向上させるとともに、板バネの性能及び寿命等を向上させることを目的とする。

本発明に係る鉄道車両台車用の板バネの製造方法は、鉄道車両台車において車軸の軸受を収容する軸箱に支持された状態で車両長手方向に延びて横ばりを弾性的に支持する板バネを製造するための方法であって、主面の法線方向から見て一方向に配向した連続繊維の層を有する繊維強化樹脂のマザープレートを成形する成形工程と、前記マザープレートを前記一方向に沿って切断するための平行な複数の切断線の位置を決定する切断位置決定工程と、前記複数の切断線に沿って前記マザープレートを切断することで、繊維強化樹脂からなる複数の板バネを取り出す切断工程と、を備える。

前記製法によれば、複数の板バネを繊維強化樹脂で個別に成形する場合に比べて、製作する板バネの数に対する成形工程の数が低減されるため、製造効率を向上できる。また、マザープレートのうち切断線が延びる方向に直交する方向の端部において成形による不均一な部分が生じても、その端部を板バネとして利用しないように切断線の位置を決定することで、繊維強化樹脂からなる板バネの性能及び寿命等を向上できる。そして、マザープレートの主面の法線方向から見て一方向に配向した連続繊維が用いられ、マザープレートは前記一方向に沿って切断されるため、切断面において繊維が不均一になることが防がれ、強化繊維への切断による影響を十分に抑制することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、繊維強化樹脂からなる板バネの製造効率を向上できるとともに、板バネの性能及び寿命等を向上できる。

第１実施形態に係る板バネを用いた鉄道車両台車の側面図である。 図１に示す板バネの製造手順を説明するフローチャートである。 成形工程で成形されるマザープレートの平面図である。 図３のIV−IV線断面図である。 図３のV−V線断面図である。 切断位置決定工程で決定される切断線の一例が示されたマザープレートの平面図である。 切断工程でマザープレートから取り出された板バネの平面図である。 図７のVIII−VIII線断面図である。 図７のIX−IX線断面図である。 第２実施形態に係る板バネを用いた鉄道車両台車の要部側面図である。 図１０に示す板バネの要部の縦断面図である。

以下、実施形態を図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る板バネを用いた鉄道車両台車１の側面図である。図１に示すように、鉄道車両台車１は、二次サスペンションとなる空気バネ２を介して車体５０を支持するための台車枠３を備える。台車枠３は、左右方向である車幅方向に延びる横ばり４を備えているが、横ばり４の車幅方向両端部から前後方向である車両長手方向に延びる側ばりを備えていない。空気バネ２は、横ばり４の上面に設置されている。横ばり４の前方及び後方には、車幅方向に沿って前後一対の車軸５が配置され、車軸５の車幅方向両側には車輪６が固定されている。車軸５の車幅方向両端部には、車輪６よりも車幅方向外側にて車軸５を回転自在に支持する軸受７が設けられ、その軸受７は軸箱８に収容されている。横ばり４の車幅方向両端部は、軸ばり式の連結機構９によって軸箱８に連結されている。横ばり４と軸箱８との間には、車両長手方向に延びた板バネ１０が架け渡され、板バネ１０の長手方向中央部１０ａが横ばり４の車幅方向両端部を下方から弾性的に支持し、板バネ１０の長手方向両端部１０ｃが軸箱８に支持されている。即ち、板バネ１０が、一次サスペンションの機能と従来の側ばりの機能とを兼ねている。

横ばり４の車幅方向両端部の下部には、円弧状の下面１１ａを有する当接部材１１が設けられ、当接部材１１が板バネ１０の長手方向中央部１０ａに上方から載せられて自由接触している。即ち、当接部材１１は、板バネ１０を上下方向に固定しない状態で、横ばり４からの重力による下方荷重によって板バネ１０の上面に接触している。また、軸箱８の上端部には支持部材１２が取り付けられ、板バネ１０の長手方向両端部１０ｃは支持部材１２を介して軸箱８に下方から支持されている。板バネ１０の長手方向両端部１０ｃも、支持部材１２に上方から載せられて、板バネ１０からの下方荷重によって支持部材１２の上面に自由接触している。板バネ１０のうち長手方向中央部１０ａと長手方向両端部１０ｃとの間の延在部１０ｂは、側面視で長手方向中央部１０ａに向けて下方に傾斜しており、板バネ１０の長手方向中央部１０ａは、板バネ１０の長手方向両端部１０ｃよりも下方に位置している。即ち、板バネ１０は、側面視で全体として下方に凸となる弓形状に形成されている。そして、板バネ１０は、長手方向両端部１０ｃから長手方向中央部に向けて徐々に肉厚が大きくなるように形成されている。

次に、台車１に用いる板バネ１０の製造手順を図面を参照しながら説明する。図２は、図１に示す板バネ１０の製造手順を説明するフローチャートである。図３は、成形工程で成形されるマザープレートの平面図である。図４は、図３のIV−IV線断面図である。図５は、図３のV−V線断面図である。図６は、切断位置決定工程で決定される切断線の一例が示されたマザープレートの平面図である。図２〜４に示すように、まず、繊維強化樹脂からなるマザープレート１００を、例えばオートクレープ成形法などの金型を用いた成形法を用いて成形する成形工程を行う（ステップＳ１）。

マザープレート１００は、平面視で矩形状であり、その一辺に沿った方向をＸ方向（一方向）とし、それに直交する他辺に沿った方向をＹ方向とする（図３参照）。マザープレート１００のＸ方向における長さは、完成品である板バネ１０の車両長手方向の長さＬ１（図７参照）と実質的に同じである。マザープレート１００のＹ方向における長さＬ２は、完成品である板バネ１０の車両長手方向に直交する幅方向の長さＬ３（図６及び７参照）の２倍よりも大きく、好ましくは、３倍よりも大きい。マザープレート１００は、Ｙ方向から見た側面視で全体として下方に凸となる弓形状に形成されている。

マザープレート１００は、上層１２１、中間層１２２及び下層１２３を有し、異なる種類の繊維強化樹脂を複合して形成されている。例えば、上層１２１及び下層１２３はＣＦＲＰによって形成され、中間層１２２（コア層）はＧＦＲＰによって形成される。各層１２１〜１２３間には接着剤が介在している。マザープレート１００は、Ｘ方向の両端部からＸ方向の中央部に向けて徐々に肉厚が大きくなるように形成されている。具体的には、中間層１２２の肉厚は、Ｘ方向の両端部からＸ方向の中央部に向けて徐々に肉厚が大きくなるように形成され、上層１２１及び下層１２３の肉厚は一定である。マザープレート１００のＹ方向に直交する断面の形状（図４の形状）は、Ｙ方向のいずれの位置でも同じである。

中間層１２２は、強化繊維シート（例えば、ガラス繊維シート）に樹脂を含浸したプリプレグをＹ方向に積層して加圧・加熱してなる複数のＦＲＰ板１２２ａ（例えば、板厚３０ｍｍ）を更にＹ方向に積層して互いに接着したものである。中間層１２２は、Ｙ方向に直交する平面に沿って延び、かつ、当該平面内でクロスする二方向に向けて配向された連続繊維を強化繊維として有している。よって、中間層１２２の強化繊維は、マザープレート１００の主面の法線方向（例えば、図３及び４のＺ方向）から見ると、Ｘ方向に配向した連続繊維である。

上層１２１及び下層１２３は、強化繊維シート（例えば、炭素繊維シート）に樹脂を含浸したプリプレグをＺ方向に積層して加圧・加熱したものである。上層１２１及び下層１２３は、マザープレート１００の主面に沿ってＸ方向の一端部１００ａから他端部１００ｂまで連続してＸ方向に延びた連続繊維を強化繊維として有している。よって、上層１２１及び下層１２３の強化繊維も、マザープレート１００の主面の法線方向（例えば、図３及び４のＺ方向）から見ると、Ｘ方向に配向した連続繊維である。

各層１２１〜１２３には、プリプレグの状態で強化繊維をシート状に保持しておくために上述の強化繊維とは異なる方向に延びた補助繊維が含まれている。但し、マザープレート１００における強化繊維に対する補助繊維の質量割合は２０％未満である。なお、各層１２１〜１２３には、強化繊維として短繊維は含まれていない。

次に、図６に示すように、マザープレート１００の内部欠陥（例えば、気泡や接着不良）等を公知の非破壊検査装置を用いて検査し、マザープレート１００における欠陥箇所１００ｅの位置を特定する欠陥検査工程を行う（ステップＳ２）。次いで、マザープレート１００をＸ方向に沿って切断するための平行な複数の切断線Ａ〜Ｉの位置を決定する切断位置決定工程を行う（ステップＳ３）。この際、マザープレート１００のＹ方向の両端部１００ｃ，１００ｄを板バネ１０として利用しないために、当該両端部１００ｃ，１００ｄを板バネ１０よりも狭い幅で切り落とすように切断線Ａ，Ｉの位置を決定する。更に、欠陥検査工程で特定された欠陥箇所１００ｅの位置を板バネ１０として利用しないために、当該欠陥箇所１００ｅを板バネ１０が取り出される領域から除外するように切断線Ｃ，Ｄの位置を決定する。即ち、図６においてマザープレート１００にハッチングを付した部分が板バネとして利用不可能な領域として特定される。

そして、残りの利用可能な領域において平行な複数の板バネ１００を取り出せるように切断線Ａ〜ＩのＹ方向位置を総合的に決定する。そのとき、バネ定数の異なる板バネを取り出す要求がある場合には、板バネ１０のＹ方向の長さＬ３，Ｌ４（幅）を異ならせるように切断線Ａ〜ＩのＹ方向位置を決定すればよい。最後に、切断装置（例えば、ダイヤモンドカッター等）により、複数の切断線Ａ〜Ｉに沿ってマザープレート１００を切断することで、繊維強化樹脂からなる複数の板バネ１０を取り出す切断工程を行う（ステップＳ４）。このとき、マザープレート１００のＸ方向の両端部１００ａ，１００ｂは、切り落とさずに板バネ１０としてそのまま使用される。なお、この切断工程の後には金型を用いた成形工程は存在しない。ただし、板バネの形状によっては、Ｘ方向の両端部１００ａ、１００ｂは加工を施しても良い。このように、繊維強化樹脂製の大きなマザープレート１００から複数の板バネ１０を取り出すことで、複数の板バネ１０を繊維強化樹脂で個別に成形する場合に比べて、製作する板バネ１０の数に対する成形工程の数が低減され、製造効率が向上する（図６の例では、７つの板バネが１つの成形工程で製作される。）。

図７は、切断工程でマザープレート１００から取り出された板バネ１０の平面図である。図８は、図７のXIII−XIII線断面図である。図９は、図７のIX−IX線断面図である。図７〜９に示すように、上述した各工程（Ｓ１〜４）にて得られた板バネ１０は、マザープレート１００の上層１２１、中間層１２２及び下層１２３と同等の性質が維持された上層２１、中間層２２及び下層２３を備えることになる。マザープレート１００の連続繊維は、Ｚ方向から見て切断線Ａ〜Ｉの方向と同じＸ方向に配向しており、切断面Ｓ（図８）と平行に延びているため、短繊維を用いる場合に比べ、切断面Ｓにおいて繊維が不均一になることがなく、板バネ１０の幅方向の端部１０ｄ，１０ｅにおいて強化繊維への切断による影響を十分に抑制することができる。

また、板バネ１０には、マザープレート１００のうち不均一となりやすい端部１００ｃ，１００ｄ（図６）を用いておらず、欠陥箇所１００ｅも除外されている。したがって、繊維強化樹脂からなる板バネ１０の性能及び寿命等が良好となる。また、本実施の形態において、マザープレート１００のＸ方向の両端部１００ａ，１００ｂは、切り落とさずに板バネ１０としてそのまま使用されるが、板バネ１０の長手方向の両端部は、台車１への搭載時に支持部材１２に支持されてバネ機能を発揮しない部分であるから、板バネ１０のバネ性能を良好に保ちながら切断工程の工数を削減できることになる。なお、板バネ１０の長手方向の両端部を支持部材１２に取り付けるための取付部材やその他の付属品を設けるため等に、両端部に加工を施してもよい。

（第２実施形態）
図１０は、第２実施形態に係る板バネ２１０を用いた鉄道車両台車の要部側面図である。図１１は、図１０に示す板バネ２１０の要部の縦断面図である。図１０及び１１に示すように、本実施形態の板バネ２１０は、その長手方向の両側の端部２１０ｃにおいて、軸箱８に対する水平方向の相対移動が規制された位置決め部材、例えば金属製のピン２３５が挿通されている。これにより、板バネ２１０が、軸箱８に対して長手方向に相対移動しようとしても、その動きがピン２３５により規制され、板バネ２１０の長手方向の位置ズレを抑えられる。

具体的には、板バネ２１０の長手方向の両側の端部２１０ｃが、軸箱８の上端部に取り付けられた支持部材１２にバネ座２３０を介して下方から支持されている。バネ座２３０と支持部材１２とは、凹凸嵌合構造等を用いて水平方向の相対移動が規制されている。バネ座２３０は、支持部材１２の上に載せられる底壁部２３０ａと、底壁部２３０ａの車幅方向両側から上方に突出する左右一対の側壁部２３０ｂとを備え、板バネ２１０と底壁部２３０ａとの間には、ゴム板２３１が介在している。

板バネ２１０は、複数の繊維強化樹脂の層２２１〜２２３を有し、１つの層２２２の長手方向の端部２２２ａにピン２３５が貫通している。そして、別の層２２３の長手方向の端部２２３ａが、ピン２３５が貫通した層２２２の端部２２２ａに巻き付くように折り返されて湾曲している。より具体的には、板バネ２１０は、上層２２１、中間層２２２及び下層２２３を有し、異なる種類の繊維強化樹脂を複合して形成されている。本例では、上層２２１及び下層２２３はＣＦＲＰによって形成され、中間層２２２はＧＦＲＰによって形成される。各層２２１〜２２３間には接着剤が介在している。

中間層２２２は、ガラス繊維シートに樹脂を含浸したプリプレグをＹ方向（図９参照）に積層して加圧・加熱してなる複数のＦＲＰ板１２２ａ（図９参照）を更にＹ方向に積層して互いに接着したものである。中間層２２２は、Ｙ方向に直交する平面に沿って延び、かつ、当該平面内でクロスする二方向に向けて配向された連続繊維を強化繊維として有している。中間層２２２の長手方向の端部２２２ａは、他の部分に比べて厚肉であり、Ｙ方向（図９参照）に開口する挿通孔２２２ａが形成され、その挿通孔２２２ａにピン２３５が貫通している。

ＦＲＰ板１２２ａは、ＦＲＰの平板を所定形状に切断して作成するが、その切断の際に、ピン２３５を挿通させる挿通孔２２２ａも形成する。そして、複数のＦＲＰ板１２２ａを互いにＹ方向（図９参照）に積層し、その積層された複数のＦＲＰ板１２２ａの連通した挿通孔２２２ａにピン２３５を挿通し、その状態でＦＲＰ板１２２ａ同士及びピン２３５を互いに接着する。ピン２３５は、複数のＦＲＰ板１２２ａの挿通孔２２２ａに貫通するので、ＦＲＰ板１２２ａ同士を接着する際の位置決めガイドの役目も果たす。これにより、ピン２３５と中間層２２２とが接着されるため、中間層２２２がピン２３５と擦れることによる摩耗が防止される。なお、ピン２３５は、板バネ２１０のＹ方向（図９参照）の幅より少し長い。

中間層２２２の端部２２２ａは、上方に向かって突出することで厚肉となっている。上層２２１は、中間層２２２よりも長手方向に短く、中間層２２２の端部２２２ａが上層２２１の長手方向の端面２２１ａに向かい合って接着されている。上層２２１の長手方向の端面２２１ａ及びそれに向かい合う中間層２２２の端部２２２ａの面２２２ｃは、上方にいくにつれて長手方向外方に向かうテーパー面である。中間層２２２の端部２２２ａの肉厚は、上層２２１の肉厚及びそれが積層された場所（即ち、端部２２２ａ以外の部分）における中間層２２２の肉厚を足し合わせた厚さと同じである。

下層２２３の端部２２３ａは、中間層２２２よりも長手方向に長く、中間層２２２の端部２２２ａに巻き付くように折り返されて湾曲している。これにより、挿通孔２２２ｂが形成された端部２２２ａが下層２２３の端部２２３ａにより補強される。中間層２２２の長手方向の端面は、側面視で円弧状である。下層２２３の端部２２３ａは、中間層２２２の端部２２２ａの上面を経て上層２２１の上面にまで至っている。下層２２３の端部２２３ａの先端面２２３ｂは、上方にいくにつれて長手方向外方に向かうテーパー面である。上層２２１及び下層２２３は、炭素繊維シートに樹脂を含浸したプリプレグをＺ方向（図９参照）に積層して加圧・加熱したものであり、長手方向の一端から他端まで連続して延びた連続繊維を強化繊維として有している。板バネ２１０のピン２３５は、バネ座２３０の左右の側壁部２３０ｂに形成された挿通孔２３０ｃを挿通しており、ピン２３５の両端に挿通孔２３０ｃよりも大きい頭部２３６が接続されてピン２３５が挿通孔２３０ｃから抜けることが防止されている。なお、他の構成は前述した第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

上記板バネ２１０を製造するにあたっては、第１実施形態と同様の手順が利用可能である。即ち、マザープレートのＸ方向（図３参照）の両端部の断面形状を図１１に示す板バネ２１０の断面形状と同じに成形し、そのマザープレートをＸ方向に沿って切断することで、複数の板バネ２１０を取り出すことができる。

なお、上記の実施形態において、挿通孔２２２ａには、ピン２３５ではなく、例えば金属製のパイプを挿通してもよく、この場合、パイプの中にピン２３５が挿通される。これにより、金属製のピン２３５及びパイプ同士が接触するため、繊維強化樹脂と金属が接触することがなく、摩耗を防止することができる。

また、上記の実施形態では、ピン２３５の両端の両端部には頭部２３６を接続する構成としたが、フランジ付きのピン２３５として一体に構成されたものでもよい。

本発明は前述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲でその構成を変更、追加、又は削除することができる。なお、上記実施形態では、切断工程により得られた板バネはそのまま台車に利用されるが、切断工程の後に板バネの表面を研磨する工程を設けてもよい。また、成形工程における成形法は、繊維強化樹脂を所望の形状に形成できれば特に限定されず、種々の成形法を用いることができる。

以上のように、本発明に係る鉄道車両台車用の板バネの製造方法は、繊維強化樹脂からなる板バネの製造効率を向上し、かつ、板バネの性能及び寿命等を向上できる優れた効果を有し、この効果の意義を発揮できる鉄道車両台車に広く適用すると有益である。

１ 台車
５ 車軸
７ 軸受
８ 軸箱
１０，２１０ 板バネ
１００ マザープレート

Claims (3)

1. 鉄道車両台車において車軸の軸受を収容する軸箱に支持された状態で車両長手方向に延びて横ばりを弾性的に支持する板バネを製造するための方法であって、
   主面の法線方向から見て一方向に配向した連続繊維の層を有する繊維強化樹脂のマザープレートを成形する成形工程と、
   前記マザープレートを前記一方向に沿って切断するための平行な複数の切断線の位置を決定する切断位置決定工程と、
   前記複数の切断線に沿って前記マザープレートを切断することで、繊維強化樹脂からなる複数の板バネを取り出す切断工程と、を備え、
   前記切断位置決定工程では、前記マザープレートのうち前記切断線が延びる方向に直交する方向の端部を板バネとして利用しないために、当該端部を前記板バネよりも狭い幅で切り落とすように前記切断線の位置を決定する、鉄道車両台車用の板バネの製造方法。
2. 鉄道車両台車において車軸の軸受を収容する軸箱に支持された状態で車両長手方向に延びて横ばりを弾性的に支持する板バネを製造するための方法であって、
   主面の法線方向から見て一方向に配向した連続繊維の層を有する繊維強化樹脂のマザープレートを成形する成形工程と、
   前記マザープレートを前記一方向に沿って切断するための平行な複数の切断線の位置を決定する切断位置決定工程と、
   前記複数の切断線に沿って前記マザープレートを切断することで、繊維強化樹脂からなる複数の板バネを取り出す切断工程と、
   前記マザープレートを検査して欠陥箇所の位置を特定する欠陥検査工程と、を備え、
   前記切断位置決定工程では、前記特定された欠陥箇所の位置を前記板バネとして取り出す領域から除外するように前記複数の切断線の位置を決定する、鉄道車両台車用の板バネの製造方法。
3. 前記切断位置決定工程では、前記切断工程で取り出される前記複数の板バネの幅を異ならせるように複数の切断線の位置を決定する、請求項１又は２に記載の鉄道車両台車用の板バネの製造方法。

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