JP6283467B2 - 空気ばね用ダイヤフラム及び空気ばね - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両などの車両に好適に用いられる空気ばね、並びにその空気ばねに用いられるダイヤフラムに関するものである。

この種の空気ばねは、特許文献１や特許文献２において開示されるように、車体側の上支持部と、台車側の下支持部と、上支持部と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、を有して構成されている。
例えば、空気ばねは懸架手段として鉄道車両に用いられる場合が多く、台車と車両の上下間に配備される。

この場合、空気ばねのダイヤフラムは、乗車人員が増加するなどによる荷重増加に伴い、上下寸法が縮小し、かつ、横方向寸法、即ち径が拡径されるように形状変化する。従って、空気ばねの周囲には、ダイヤフラムの最大拡径寸法を考慮したスペースを設計時に取っておく必要がある。
しかしながら、空気ばねの周囲には、各種配線や配管、車両フレームの一部、或いは、高さ調節装置、台車−軸はり間連動機構といった種々の機構類や構造体などが配備されるので、ダイヤフラムの拡径量を考慮した設計が必ずしも行えるとは限らない。

そのため、場合によっては、特許文献３にて開示されるもののように、ダイヤフラムの外周部を径外側から覆う側周壁（１ａ）を上支持部である外筒（１）に形成し、ダイヤフラムが所定の径以上には拡径変位しないように規制する構造の空気ばねも作られている。
このように、ダイヤフラムの外径が所定の値以上には拡径しないように規制する構成の採用により、ダイヤフラム周囲の空間部を他の目的に活用できるだけでなく、荷重増に対して、ダイヤフラムの内圧は上昇するが上下寸法が変化し難く、従って、車両位置が殆ど下がらないという利点も得られる。

特開２０１１−０８０５０７号公報 特開２０１２−０１７８４２号公報 特開２０１２−０１７７６９号公報

ところが、上記のように利点の多い特許文献３に示される空気ばねではあるが、改善すべき点のあることが指摘されてきている。
即ち、側周壁（１ｂ）を備える上支持部（１）が徒に大型化・重量化してしまうとともに、ゴム製のリングガイド（１ｃ）を装備するなどコスト上も不利である。しかも、それらリングガイド（１ｃ）や側周壁（１ｂ）はダイヤフラムの径外側に配置構成されるものであるから、結局、その分は大径化してしまうものであり、周囲のスペースを設計時に考慮する必要がある、という従来の問題も依然として残っているものであった。

本発明の目的は、さらなる鋭意研究により、ダイヤフラムの拡径規制を行う手段を、実質的にダイヤフラム外径を大きくすることがなく、かつ、上支持部の大型化や重量化を伴うことなく実現させるようにして、改善された空気ばね用ダイヤフラム並びに空気ばねを提供する点にある。

請求項１に係る発明は、車体側の上支持部１に嵌着可能な上ビード部３ａと、台車側の下支持部２に嵌着される下ビード部３ｂと、前記上ビード部３ａと前記下ビード部３ｂとの間の本体部３ｃとを有する弾性材３Ａでなる空気ばね用ダイヤフラムにおいて、
前記本体部３ｃの製造時における径が最大となる最大径部位に補強材６を周設して、前記本体部３ｃが所定の値以上に拡径しないように規制する拘束部ｋが、前記本体部３ｃの径内側に張出す状態で設けられ、
前記弾性材３Ａは、外側の弾性材層１４と内側の弾性材層１５との間に補強コード層１６を設けた複数層体に構成され、
前記補強材６は、前記補強コード層１６に沿う形状となる状態で前記外側の弾性材層１４に埋設されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の空気ばね用ダイヤフラムにおいて、前記拘束部ｋは、前記本体部３ｃを形成する前記弾性材３Ａの厚さを径内側に張出して増大させた厚肉部分１３に前記補強材６を埋設することにより構成されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の空気ばね用ダイヤフラムにおいて、
前記厚肉部分１３が、前記外側の弾性材層１４の厚さを径内側に張出して増大させることにより形成されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の空気ばね用ダイヤフラムにおいて、
前記補強材６の断面形状は、前記補強材６における前記補強コード層１６に面する部分が前記補強コード層１６に沿う形状となる状態に形成されていることを特徴とする。

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用ダイヤフラムにおいて、
前記弾性材３Ａがゴムを有して形成されていることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、車体側の上支持部１と、台車側の下支持部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３Ａ製のダイヤフラム３と、を有して構成される空気ばねにおいて、
前記ダイヤフラム３の製造時における径が最大となる最大径部位に補強材６を周設して、前記ダイヤフラム３が所定の値以上に拡径しないように規制する拘束部ｋが、前記ダイヤフラム３の径内側に張出す状態で設けられ、
前記弾性材３Ａは、外側の弾性材層１４と内側の弾性材層１５との間に補強コード層１６を設けた複数層体に構成され、
前記補強材６は、前記補強コード層１６に沿う形状となる状態で前記外側の弾性材層１４に埋設されていることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項６に記載の空気ばねにおいて、
前記拘束部ｋは、前記ダイヤフラム３を形成する前記弾性材３Ａの厚さを径内側に張出して増大させた厚肉部分１３に前記補強材６を埋設することにより構成されていることを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項７に記載の空気ばねにおいて、
前記厚肉部分１３が、前記外側の弾性材層１４の厚さを径内側に張出して増大させることにより形成されていることを特徴とする。

請求項９に係る発明は、請求項８に記載の空気ばねにおいて、
前記補強材６の断面形状は、前記補強材６における前記補強コード層１６に面する部分が前記補強コード層１６に沿う形状となる状態に形成されていることを特徴とする。

請求項１０に係る発明は、請求項６〜９の何れか一項に記載の空気ばねにおいて、
前記弾性材３Ａがゴムを有して形成されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、本体部の最大径部位に補強材を周設して拘束部が設けられているので、上支持部を大型化する必要なく本体部の拡径を規制することが可能になる。その上、拘束部は本体部の径内側に張出すように設けられているから、拘束部が径外側に張出すように設けられる場合に比べて、有効径がほぼ同じであれば拘束部の分は最大外径を小型化できて、周囲の有効スペース拡大に寄与することが可能になり、最大外径を同じとすれば、有効径を大きくすることができる。
その結果、ダイヤフラムの拡径規制を行う手段を、実質的にダイヤフラム外径を大きくすることがなく、かつ、上支持部の大型化や重量化を伴うことなく、しかも合理的設計が行えるようにしながら実現させることができるという改善された空気ばね用ダイヤフラムを提供することができる。

請求項１の発明によれば、ダイヤフラムを形成する弾性材は補強コード層を内装する強度に優れたものであるとともに、その補強コード層の径外側に外径規制用の補強材が配備されているから、ダイヤフラムの内圧上昇によって膨張する補強コード層が補強材に押付けられ、補強材の高い強度により外径の拡大が規制される、という具合に拡径規制作用が有効に発揮される。

請求項２の発明によれば、拘束部においては、本体部を形成する弾性材の厚肉部分に補強材が埋設されているので、補強材が外部に晒されることがなく耐久性に優れるとともに外観上も好ましい空気ばね用ダイヤフラムを、特別な追加構成なく実現することができる。

請求項３の発明によれば、補強材と補強コード層の間に弾性材が存在しているので、補強材と補強コード層の接触、摩耗を防ぐことができ、耐久性が向上するようになる。
例えば、補強コード層の内側に補強材が配置されている場合では、内圧上昇により補強コード層と補強材とは互いに離反する方向に力が作用することになり、弾性材と補強材との接着部が剥離する等の不具合を起こす可能性が高く、また耐久性も期待できない。従って、本請求項３の構成には明確な優位性がある。

請求項４の発明によれば、補強コード層を極力、面で拘束することができ、ダイヤフラムが横方向に（左右方向に）動くときの補強コード層の荷重負担が軽減され、耐久性や耐圧性が向上するようになる。加えて、補強材と補強コード層とが対向する面積が大きく取れるので、それら両者６，１６間にゴム（外側のゴム層１４）が確保され、補強材と補強コード層とが直接に擦り付けられる状況は先ず生じないようになり、品質の安定化に寄与できるようにもなる。

また、請求項５のように、弾性材を、ゴムを有する材料から形成すれば、ダイヤフラムに必要な条件を生産性良く満たすことができる。

請求項６の発明によれば、請求項１の空気ばね用ダイヤフラムによる作用効果と同等の作用効果を奏することができる空気ばねを提供することができる。

請求項７の発明によれば、請求項２の空気ばね用ダイヤフラムによる作用効果と同等の作用効果を奏することができる空気ばねを提供することができる。

請求項８の発明によれば、補強材と補強コード層の間に弾性材が存在しているので、補強材と補強コード層の接触、摩耗を防ぐことができ、耐久性が向上するようになる。
例えば、補強コード層の内側に補強材が配置されている場合では、内圧上昇により補強コード層と補強材とは互いに離反する方向に力が作用することになり、弾性材と補強材との接着部が剥離する等の不具合を起こす可能性が高く、また耐久性も期待できない。従って、本請求項５の構成には明確な優位性がある。

請求項９の発明によれば、補強コード層を極力、面で拘束することができ、ダイヤフラムが横方向に（左右方向に）動くときの補強コード層の荷重負担が軽減され、耐久性や耐圧性が向上するようになる。加えて、補強材と補強コード層とが対向する面積が大きく取れるので、それら両者６，１６間にゴム（外側のゴム層１４）が確保され、補強材と補強コード層とが直接に擦り付けられる状況は先ず生じないようになり、品質の安定化に寄与できるようにもなる。

また、請求項１０のように、弾性材を、ゴムを有する材料から形成すれば、ダイヤフラムに必要な条件を生産性良く満たすことができる。

空気ばねの構造を示す断面図 ダイヤフラム単品を示す断面図 空気ばねの要部を示す断面図 ダイヤフラムの有効径を示し、（ａ）は拘束リングが外装タイプ、（ｂ）は拘束リングが内装タイプ 別構造の拘束リングを有するダイヤフラムの要部を示す断面図

以下に、本発明による空気ばね及び空気ばね用ダイヤフラムの実施の形態を、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。

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おり、その空気ばねＡに用いられるダイヤフラム３が空気ばね用ダイヤフラムである。
懸架装置Ｓは、空気ばねＡと、弾性ストッパＢと、ばね座Ｃとを備えて構成されており、ばね座Ｃは台車ｄに支持され、空気ばねＡの上部は車両ｂに支持されている。
通常時の懸架は空気ばねＡ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下降した非常時には弾性ストッパＢが弾性作用を発揮するように構成されている。

空気ばねＡは、図１に示すように、車両ｂ側（車体側）の上支持部１と、台車ｄ側の下支持部２と、上支持部１と下支持部２とに亘って配備される弾性材製のダイヤフラム（ベローズとも呼ばれる）３と、を有して構成されている。

上支持部１は、上下方向視で円形を呈する鋼板製の支持座１ａ、支持座１ａの下面に固着される鋼板製で無蓋円形箱状の台座部１ｂ、支持座１ａと台座部１ｂの中心に固定される筒状の支軸１ｃ、及び、台座部１ｂの径外側において支持座１ａの下面側に一体化されるリング状でゴム製の上受座１ｄ等を有して構成されている。
支持座１ａの径外側部分が若干下方に折れ曲る下向き皿状に形成されており、その下方に折れ曲る外周部の上側に回り込み、かつ、台座部１ｂの外周面には薄膜状となるように設けられる上受座１ｄにより、上ビード部３ａ（後述）を嵌着する上ビード受部４が形成されている。また、台座部１ｂの下面には、ステンレス鋼板製で円形の摺動材７が一体的に装備されている。

下支持部２は、ばね座Ｃに載置され、かつ、弾性ストッパＢが載せ付けられる略円盤状の支持本体２ａと、その周囲に立設される側周壁２ｂと、側周壁２ｂの上下中間から径外側に張出し形成されるフランジ２ｃと、を有する金属製で略深皿状の構造物に構成されている。フランジ２ｃの外周側及び上面側には、鋼板製補強材１２ａを有する環状ゴム１２が一体化されており、この環状ゴム１２とフランジ２ｃの基端部と側周壁２ｂの下部とにより、下ビード部３ｂ（後述）を嵌着する下ビード受部５が形成されている。

ダイヤフラム３は、車体側の上支持部である上ビード受部４に嵌着可能な上ビード部３ａと、台車側の下支持部である下ビード受部５に嵌着される下ビード部３ｂと、上ビード部３ａと下ビード部３ｂとの間に形成される略横倒しタイヤ状の本体部３ｃとを有するゴム（弾性材の一例）製のセルフシール型ダイヤフラムに形成されている。本体部３ｃの上側部分は、上受座１ｄによってガイドされている。
本体部３ｃにおける径が最大となる最大径部位（又はその近傍の部位）に補強材６を周設して、本体部３ｃが所定の値以上に拡径しないように規制する拘束部ｋが、本体部３ｃの径内側に張出す状態で設けられている。

弾性ストッパＢは、下支持部２の支持本体２ａに乗せ付けられてボルト止めされる基板８に、上下３枚の例えば鋼板でなる硬質板９ａ，９ｂ，９ｃと上下３段の例えばゴムでなる弾性材層１０ａ，１０ｂ，１０ｃとを交互に積層して成る弾性部１０を設けてなる筒状で積層ゴム構造に構成されている。最上段の硬質板９ａの上面には、低摩擦材から成る滑り部材１１が一体的に設けられている。
何らかの原因でダイヤフラム３の空気が抜けたエアレス状態になって上支持部１が下降すると、摺動材７と滑り部材１１とが当接して弾性ストッパＢで懸架する非常懸架状態になる。この非常懸架状態では、摺動材７と滑り部材１１とが低摩擦で滑りが良いので、上支持部１と下支持部２とが円滑に相対横移動することが可能とされている。

〔実施形態１〕
次に、空気ばねＡ及びダイヤフラム３について詳述する。図１〜図３に示すように、空気ばねＡにおける拘束部ｋは、本体部３ｃを形成する弾性材の厚さを径内側に張出して増大させた厚肉部分１３に補強材６を埋設することにより構成されている。
ダイヤフラム３を形成する弾性材３Ａは、外側のゴム層（弾性材層の一例）１４と内側のゴム層（弾性材層の一例）１５との間に補強コード層１６を設けた複数層構造の弾性膜（ゴム膜）で構成されるとともに、厚肉部分１３が、外側のゴム層１４の厚さを径内側に張出して増大させることにより形成され、その外側のゴム層１４による厚肉部分１３に埋設される状態で補強材６が周設されている。

補強材６は、図３に示すように、平面視でリング状又は渦巻状をなす金属材（スチール）などによる芯材１７がゴムなどによる保護層１８で覆われてなる構造のものに構成されている。そして、拘束部ｋが、補強コード層１６が径内側に湾曲変形することでなる厚肉部分１３の形状から、補強材６の断面形状は、補強材６における補強コード層１６に面する部分が補強コード層１６に沿う形状となる状態に形成されている。
径内側に膨らむことで形成される厚肉部分１３における補強コード層１６は、上側の径最大部分から径内側かつ下方に傾く下窄まり部分１６ａと、下側の径最大部分から径内側かつ上方に傾く上窄まり部分１６ｂと、これら下窄まり部分１６ａと上窄まり部分１６ｂとを結ぶ極小径部分１６ｃとを備えて構成されている。

そして、図３に示すように、厚肉部分１３における補強コード層１６の径外側部分に埋設されている補強材６は、下窄まり部分１６ａに沿う上斜めカット部６ａ、上窄まり部分１６ｂに沿う下斜めカット部６ｂ、及び極小径部分１６ｃに沿う内周縦壁部６ｃを有して、断面が内向きの略台形を呈する形状に形成されている。各カット部６ａ，６ｂは、芯材１７とそれを囲む保護層１８とによる四角断面部分を段階的に欠いた階段状の形状を呈しているが、この限りではない。
厚肉部分１３における外側のゴム層１４は、補強材６の存在により、補強材６の径外側であるアウター部１４ａと補強材６の径内側であるインナー部１４ｂとを有する構成となっている。従って、補強材６と補強コード層１６とが直接に擦り付けられる状況は先ず生じないように工夫されている。

図４に、ダイヤフラム３（空気ばねＡ）の有効径の箇所を、それぞれ＋で示してある。図４（ａ）は、補強材６がダイヤフラム３の径外側に設けた比較例構造の例であり、図４（ｂ）は本発明によるもの、即ち、補強材をダイヤフラム３の径内側に設ける場合の例（実施形態２を参照）である。
拘束部ｋを除くダイヤフラム３の最大径が互いに同じｒｍであり、かつ、ダイヤフラム３の有効径をｒｉ〔図４（ａ）〕及びｒｕ〔図４（ｂ）〕とする。この場合、拘束部ｋが内側に入り込む図４（ｂ）のものは、図４（ａ）に比べてダイヤフラム内容積が若干減るが、その差は極僅かでありｒｉ≒ｒｕ（厳密にはｒｕはｒｉより極僅かに小さいが、ほぼ同じと見てよい）と考える。なお、図４において、ダイヤフラム最大径ｒｍと上支持部１の径とが同じに描いてあるが、この限りではない。

以上のように、拘束部ｋを除くダイヤフラム最大径が共にｒｍ、有効径ｒｉ≒ｒｕである場合、比較例構造である図４（ａ）では拘束部ｋの径方向長さをｒｍに加えたｒｈであるに対して、本発明品である図４（ｂ）ではｒｍであるから、ほぼ拘束部ｋの厚み分はダイヤフラム３の（空気ばねＡの）最大径を小さくすることができる。図４（ａ）に示すものに比べて、有効径をほぼ変えることなくダイヤフラム外径を明確に小さくすることができるので、台車取付け寸法で有利になるなど、周囲スペースの有効活用化を促進することが可能になる。
加えて、拘束部ｋが径外側に出っ張らないから、図２に示すダイヤフラム３を金型成型する場合において、拘束部ｋを加えたことに因る専用の金型も不要になる。金型で拘束部ｋの位置を定めないから、金型作製後において、金型の変更を伴うことなく拘束部ｋの位置をある程度調整、変更することが可能になる利点もある。

また、補強材６における補強コード層１６に面する部分１６ａ〜１６ｃが補強コード層１６に沿う形状となる状態に形成されているので、後述の実施形態２による拘束部ｋに比べて、補強コード層１６を極力、面で拘束することができる。故に、鉄道車両の曲線走行などによってダイヤフラム３が横方向に（左右方向に）動くときの補強コード層１６の荷重負担が軽減され、耐久性や耐圧性が向上するようになる。
また、傾斜面である上下の窄まり部分１６ａ，１６ｂにより、補強コード層１６との接面（対向面）が広がり、製造時にそれら両者６，１６間にゴム（外側のゴム層１４）を確保することができ、後述の実施形態２による拘束部ｋに比べて、品質の安定化が図れる利点もある。

〔実施形態２〕
実施形態２による空気ばね用ダイヤフラム及び空気ばねは、実施形態１のものと拘束部ｋが異なるのみであり、その要部を図５に示す。
図５に示すように、拘束部ｋは断面が矩形の補強材６を有するものである。補強材６の径内側における上下の角部６ｄ、６ｅが、ダイヤフラム３の補強コード層１６の径外側面に接触する又は非常に近接する位置関係になっている。それ以外は実施形態１によるダイヤフラム３（空気ばねＡ）と同じであり、図５において、対応する箇所には対応する符号を付してある。

いずれの実施形態によるダイヤフラム３（空気ばねＡ）でも、拘束部ｋの存在により、有効な外径規制作用を得ることができる。そして、実施形態２によるダイヤフラム３（空気ばねＡ）では、拘束部ｋを構成する断面矩形の補強材６は、実施形態１による場合に比べて、その形成（作製）が容易である。実施形態１による空気ばねＡでは、拘束部ｋを構成する断面横倒し略台形の補強材６は、実施形態２による場合に比べて、埋設される補強コード層１６と補強材６とが角当たりするおそれが無く、より安定的に外径規制作用を発揮できる利点がある。

１ 上支持部
２ 下支持部
３ ダイヤフラム
３Ａ 弾性材
３ａ 上ビード部
３ｂ 下ビード部
３ｃ 本体部
６ 補強材
１３ 厚肉部分
１４ 外側の弾性材層
１５ 内側の弾性材層
１６ 補強コード層
Ａ 空気ばね
ｋ 拘束部

Claims (10)

1. 車体側の上支持部に嵌着可能な上ビード部と、台車側の下支持部に嵌着される下ビード部と、前記上ビード部と前記下ビード部との間の本体部とを有する弾性材でなる空気ばね用ダイヤフラムであって、
   前記本体部の製造時における径が最大となる最大径部位に補強材を周設して、前記本体部が所定の値以上に拡径しないように規制する拘束部が、前記本体部の径内側に張出す状態で設けられ、
   前記弾性材は、外側の弾性材層と内側の弾性材層との間に補強コード層を設けた複数層体に構成され、
   前記補強材は、前記補強コード層に沿う形状となる状態で前記外側の弾性材層に埋設されている空気ばね用ダイヤフラム。
2. 前記拘束部は、前記本体部を形成する前記弾性材の厚さを径内側に張出して増大させた厚肉部分に前記補強材を埋設することにより構成されている請求項１に記載の空気ばね用ダイヤフラム。
3. 前記厚肉部分が、前記外側の弾性材層の厚さを径内側に張出して増大させることにより形成されている請求項２に記載の空気ばね用ダイヤフラム。
4. 前記補強材の断面形状は、前記補強材における前記補強コード層に面する部分が前記補強コード層に沿う形状となる状態に形成されている請求項３に記載の空気ばね用ダイヤフラム。
5. 前記弾性材がゴムを有して形成されている請求項１〜４の何れか一項に記載の空気ばね用ダイヤフラム。
6. 車体側の上支持部と、台車側の下支持部と、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、を有して構成される空気ばねであって、
   前記ダイヤフラムの製造時における径が最大となる最大径部位に補強材を周設して、前記ダイヤフラムが所定の値以上に拡径しないように規制する拘束部が、前記ダイヤフラムの径内側に張出す状態で設けられ、
   前記弾性材は、外側の弾性材層と内側の弾性材層との間に補強コード層を設けた複数層体に構成され、
   前記補強材は、前記補強コード層に沿う形状となる状態で前記外側の弾性材層に埋設されている空気ばね。
7. 前記拘束部は、前記ダイヤフラムを形成する前記弾性材の厚さを径内側に張出して増大させた厚肉部分に前記補強材を埋設することにより構成されている請求項６に記載の空気ばね。
8. 前記厚肉部分が、前記外側の弾性材層の厚さを径内側に張出して増大させることにより形成されている請求項７に記載の空気ばね。
9. 前記補強材の断面形状は、前記補強材における前記補強コード層に面する部分が前記補強コード層に沿う形状となる状態に形成されている請求項８に記載の空気ばね。
10. 前記弾性材がゴムを有して形成されている請求項６〜９の何れか一項に記載の空気ばね。

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