JP6308819B2

JP6308819B2 - 軸ばね

Info

Publication number: JP6308819B2
Application number: JP2014046785A
Authority: JP
Inventors: 杉本　憲一; 憲一杉本
Original assignee: Toyo Tire and Rubber Co Ltd
Current assignee: Toyo Tire Corp
Priority date: 2014-03-10
Filing date: 2014-03-10
Publication date: 2018-04-11
Anticipated expiration: 2034-03-10
Also published as: CN104913001A; JP2015169313A; CN104913001B

Description

本発明は、主として鉄道車両に用いられる軸ばね装置に係り、詳しくは、主軸と、主軸の軸心方向視で主軸に外囲する状態に配置される外筒との間に、中間硬質筒と弾性層とを軸心に関する径内外方向で交互に積層してなる弾性部が介装されている軸ばねに関するものである。

この種の軸ばねを用いたものとしては、鉄道車両用の台車に適用された例が多い。例えば、特許文献１（図３を参照）においては、鉄道台車２９において車輪２５の車軸２６を支える車軸箱２７を台車枠２８に懸架支持させる手段として適用されている。

ところで、この種の軸ばね装置の傾向としては、空車時等のような車体重量が小さいときの乗り心地や曲線走行時における輪重抜けのし難さをより強める等のために、軸ばねを構成する弾性層として柔らかいゴムを使用し、全体のばね定数を低く設定するケースが多い。
しかしながら、全体のばね定数を低く設定すると、例えば、満車（定員以上）時における急制動といった大なる負荷が作用する場合には、弾性層が大きく撓んで却って乗り心地が悪化したり、それら弾性層に亀裂やクリープの生じるおそれが強まる等、軸ばねの耐久性や乗車感に悪影響が出易い傾向がある。

そこで、定員等の大荷重時の乗り心地向上、弾性層の亀裂やクリープを回避するためにばね定数を高く設定すると、今度は空車時等のような車体重量が小さいときの曲線走行時の追従性や乗り心地が悪化する。
また、最近の輪重管理の点で各荷重時のばね定数が一定では輪重抜けし易いことや輪重調整に手間が掛る等の観点から、新車への採用が困難になる場合もあった。

そこで、特許文献２の図３に示されるように、主軸の上部に配備される補助の空気バネを有する制御システムを設けて、低荷重域（空車時）では空気バネを殆ど作用させず、定員又は定員付近の大なる車体重量になった高荷重域では、空気バネが弾性部と協働してばね作用を発揮する非線形ばね特性を有する構成の軸のばねも開示されている。
また、特許文献３に示されるように、主軸のフランジを大径化し、かつ、最内側の硬質隔壁（中間筒）を下方に延長させ、ある程度弾性部が撓むとフランジと最内側の硬質隔壁とが当接する、所謂メタルタッチ構造として非線形特性を出す軸ばねも試されている。

特開２００９−１１５１５６号公報特開２００３−３４１５１１号公報特開２００６−０５７７４６号公報

しかしながら、特許文献２に示される手段では、弾性層とは別に空気バネを伴う制御システムを必要とするため、部品点数の増加及びコストアップを招くのみならず、空気バネを主軸の上部に固定するため構造も複雑化してしまう問題がある。また、特許文献３に示される構成要素どうしを干渉させる手段では、干渉時の騒音の問題が付きまとうものであり、長期に安定した特性を得ることが困難であると思われる。

本発明の目的は、上記実情に鑑みて、満車での急制動時などのばね上重量の変化に拘らずに良好な乗り心地や揺れ軽減作用が発揮可能となる非線形特性を、極力、部品点数や構造の複雑化を招くことなく、また耐久性にも優れるように、従来に比べて改善された軸ばねを提供する点にある。

請求項１に係る発明は、主軸１と、前記主軸１の軸心Ｐ方向視で前記主軸１に外囲する状態に配置される外筒２と、中間硬質筒９，１０と弾性層１１，１２，１３とを前記軸心Ｐに関する径内外方向で交互に積層して前記主軸１と前記外筒２との間に介装される弾性部３と、を備えてなる軸ばねにおいて、
前記主軸１に弾性材製のストッパ４を着脱可能に設けて、前記主軸１と前記外筒２とが前記軸心Ｐ方向に所定量相対接近移動するに伴って、前記外筒２に固定される被固定体１８ａと前記ストッパ４とが当接する状態に構成し、
前記主軸１が筒状のものに形成されており、前記ストッパ４は、前記主軸１の中空部１Ｄに入り込んで密嵌合又は圧入される装着部４Ｂと、前記主軸１の環状端面１ｂに当接する段差部４ａが形成されるように前記装着部４Ｂよりも太くて前記主軸１から前記軸心Ｐ方向に突出する作用部４Ａと、を有し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に記載の軸ばねにおいて、
前記中空部１Ｄが、前記環状端面１ｂから前記軸心Ｐ方向で前記主軸１の内奥に行くに従って径が大きくなる基拡がり形状に形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１又は２に記載の軸ばねにおいて、
前記作用部４Ａの先端面４ｂに、前記被固定体１８ａとの摩擦係数を低減する摺動材２１が装備されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、主軸と外筒とが軸心方向に所定量相対接近移動するまでは、弾性部の弾性による懸架状態になり、所定量相対接近移動したあとは、弾性部とストッパとの双方の弾性による懸架状態になる。従って、弾性部のみによる懸架状態での緩やかな非線形特性に、ストッパによる懸架状態、即ち、ストッパのばね定数が加わる二段階非線形特性になるから、比較的軽荷重時には弾性部によるソフトな懸架状態が得られ、大きく沈んだ大荷重時には弾性部とストッパとの双方の弾性によるハードな懸架状態が得られるようになる。

しかも、その二段階非線形特性を得るための手段が、主軸又は外筒に弾性材製のストッパを設けるだけであるから、複雑な構造も不要であってシンプル構造で廉価に構成できるものとなっている。
その結果、満車での急制動時などのばね上重量の変化に拘らずに良好な乗り心地や揺れ軽減作用が発揮可能となる非線形特性を、極力、部品点数や構造の複雑化を招くことなく、また耐久性にも優れるように、従来に比べて改善された軸ばねを提供する。

請求項１の発明によれば、軸ばねとしての中心軸を有する主軸にストッパを設ける手段であるから、外筒に設ける場合に比べて、軸ばねの中心箇所にバランス良く配置し易いとか、他の部材なく直接主軸に取付けできるなど、構造の簡単化や廉価化を伴いながら合理的に装備することが可能になる。

請求項１の発明によれば、主軸の中空部に、環状端面に段差部が当接するまで装着部を密嵌合又は圧入することで簡単で確実に主軸に設けることができる。

請求項２の発明によれば、中空部を、主軸の内奥に行くに従って径が大きくなる基拡がり形状として軽量なものに構成しながら、装着部の嵌合又は圧入によってストッパを確実に主軸に設けることができる利点がある。

請求項３の発明によれば、被固定体がストッパに当接する状態、即ち、大荷重が作用した状態における被固定体とストッパとの横方向への相対移動が低摩擦状態で行えて好都合である。

軸ばねの構造を示す断面図（実施例１）大荷重作用時の変形状態を示す断面図荷重と変形量との関係グラフを示す図ストッパの別嵌合構造その１を示す要部の断面図ストッパの別嵌合構造その２を示す要部の断面図軸ばねの使用例を示す鉄道台車の要部の側面図

以下に、本発明による軸ばねの実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、図１などに示すように、主軸１に対して外筒２が上位となる姿勢で使用されることが多いので、この姿勢を正立姿勢と呼び、その正立姿勢で上下左右を規定するものとする。

本発明によれば、図１に示すように、軸ばねＡは、主軸１と、外筒２と、これら主軸１と外筒２との間に介装される弾性部３と、主軸１の上端部に設けられるストッパ４とを有して構成されている。軸ばねＡは、図示のように、主軸１が外筒２の下方に位置する正立姿勢で用いられることが多いが、その限りではない。

軸心Ｐを有し、軸心Ｐ方向視で円形を呈する主軸１は、台車側に支持される下端の支持部１Ａと、上部の本体部１Ｂと、支持部１Ａと本体部１Ｂとの上下間のフランジ部１Ｃと、上端から支持部１Ａのほぼ上下中央に架けて形成される平面視で円形を呈する中空部１Ｄとを有して構成されている。本体部１Ｂの外周面５及び内周面６は、下方ほど軸心Ｐに対する径が大きくなる円錐面（テーパ外周面、逆テーパ内周面）に形成されている。つまり、中空部１Ｄは、環状端面１ｂから軸心Ｐ方向で主軸１の内奥に行くに従って径が大きくなる基拡がり形状に形成されている。

円筒状の外筒２は、下方ほど上下軸心Ｐに対する径が大きくなる円錐面、即ちテーパ内周面７ａを有するスカート部７と、その上部の筒上部８とを有している。テーパ内周面７ａは、その傾斜角度及び方向が本体部１Ｂの外周面５と互いに同じに設定されている。筒上部８は、基本、軸心Ｐに関する径一定の内周面を有する部分であるが、後述の固定部材１８ａなどを内嵌可能とするために若干大径の内嵌部８ａが形成されている。
この外筒２は、その下端部が主軸１の上端部に位置する高さレベルとなる程度に側面視において主軸１よりも上側に寄せられ、かつ、主軸１に外囲する状態で配置される。

弾性部３は、内外の第１及び第２中間硬質筒９，１０とゴム製の弾性層１１，１２，１３とを軸心Ｐと同心（又はほぼ同心でも良い）状態で径内外方向で交互に積層して構成されている。
金属材などでなる各中間硬質筒９，１０及び各弾性層１１〜１３は、本体部１Ｂの外周面５と同方向で同じ角度傾斜するテーパ円筒状のものに形成されている。最内側の第１弾性層１１の内周面が、主軸１の外周面５に加硫接着等の手段によって一体化されるとともに、最外側の第３弾性層１３の外周面が、外筒２のテーパ内周面７ａに加硫接着等の手段によって一体化されている。

ストッパ４は、図１に示すように、比較的大径の作用部４Ａと、比較的小径の装着部４Ｂとを有する段付円柱状のものであり、可撓性を有する弾性材、例えばゴムにより構成されている。装着部４Ｂの径は、主軸１の中空部１Ｄの最上端に圧入される程度の値とされており、下方への強制移動により、環状の段差部（段差面）４ａが本体部１Ｂの環状端面１ｂに載せ付けられる位置まで挿入される。ストッパ４の主軸１への固定手段は、例えば接着など、圧入以外の手段でも良い。

軸ばねＡは、例えば、図６に示すように、鉄道台車１４において車輪１５の車軸１６を支える車軸箱１７を、台車枠１８に懸架支持させる手段として用いられる。この例では、車軸１６の前後それぞれに軸ばねＡを配置してあり、鉄道車両（図示省略）と同じばね上側であって台車枠１８に固定される固定部材１８ａが、外筒２の内嵌部８ａに内嵌固定される構成となっている。主軸１は、その支持部１Ａを、車軸箱１７に下方凹入状態で形成される上下方向視で円形の収容部１７ａに内嵌することにより、車軸箱１７に配置される。

ストッパ４が作用する状態の例としては、鉄道車両が満車（定員以上の乗車時）において急制動されたような大荷重が台車に作用する場合である。図２に示す例では、主軸１に対して弾性部３を弾性変形させて固定部材（被固定体の一例）１８ａが大きく下がり、外筒２の環状の上面２ａに当接するだけでなく、ストッパの上面４ｂにも当接した状態を描いてある。この状態からさらに相対的に固定部材１８ａが下がると、それまでは弾性部３の弾性のみであったものが、ストッパ４の弾性も加えられた状態になる。

従って、弾性部３の弾性変形開始から固定部材１８ａがストッパ４に当接するときの弾性部３の軸心Ｐ方向での変形量をα（所定量相対接近移動）とすると、弾性部３の変形量と荷重との関係は図３に示すグラフを示すものとなる。即ち、変形量がα以下までは弾性部３のみによる弾性変形挙動（緩い非線形のラインｘ）を示し、変形量がαを超えると、弾性部３とストッパ４との双方による弾性変形挙動（急な非線形のラインｙ）に変化する。なお、破線のラインｚは、ストッパ４が無い場合（弾性部３のみの場合）のものである。

ストッパ４は、主軸１の構造（中空部１Ｄ及び環状端面１ｂ）を利用して着脱可能に装着されているので、取付け、取外しが容易である上、単独での部品交換も行える。また、既存の軸ばねにストッパ４を後付け装着することも可能である。作用部４Ａの大きさ（径、高さなど）や硬さ（ゴム硬度、ばね定数）の変更により、非線形特性を調節設定することができる。また、装着部４Ｂの大きさ変更によっても、ばね特性の微調整や耐久性の長短設定が可能でもある。

図１に示すように、ストッパ４について、作用部４Ａの高さ寸法をｈ１、装着部４Ｂの高さ寸法をｈ２、そしてストッパ４の上面４ｂと外筒２の上面２ａとの上下間隔をＸとした場合、ｈ２＞Ｘとするのが望ましい。
上面２ａには固定部材１８ａが配置される（図２参照）ので、上下間隔の前記Ｘは、いわゆる空車時におけるストッパ４と固定部材１８ａとの隙間の寸法である。満員のときに激しく上下動するなど、図示しない車体底面（又は固定部材１３ａ）がストッパ４の上面４ｂに当接した場合（図２を参照）、ストッパ４が車体底面にくっついてしまうことがあり、次に車体底面が上昇移動した際にストッパ４が主軸１から引き抜かれるおそれがある。

そこで、ｈ２＞Ｘに設定しておけば、そのような状況になってもストッパ４が主軸１から完全に抜けてしまうことがないようになり、再度の車体下降移動によりストッパ４が押されて元の位置に戻るといった具合に、主軸１に挿入支持される状態の維持が可能となる良さがある。
なお、車体底面などの固定部材１３ａが外筒２の内嵌部８ａに嵌り込む構造の場合は、図１に仮想線による引き出し線にて示される間隔Ｘに関して、ｈ２＞Ｘに設定する。
また、作用部４Ａの高さ寸法ｈ１と、装着部４Ｂの高さ寸法ｈ２との比率に関して特段の決まりはないが、例えば、安定したストッパー特性や十分な耐久性を得る点から、ｈ１＜ｈ２に設定する、という構成を採っても良い。

ストッパ４は、図１などに示すように、作用部４Ａの上端外周部を丸めたり斜めカットしたり、また、装着部４Ｂの下端外周部を丸めたり斜めカットすれば、耐久性向上や挿入のし易さが改善されるなど、好都合である。

〔別実施形態〕
（１）図４に示すように、下方に行くほど径が小さくなるテーパ状の内周面６’を備える基窄まり形状の中空部１Ｄを有する主軸１に構成した軸ばねＡでも良い。この場合、装着部４Ｂが、その上下に亘って中空部１Ｄに圧入可能となる構成のストッパ４を採用することが可能である。この構成では、内周面６’も荷重を受けることが可能となり、作用部４Ａだけでなく装着部４Ｂも弾性作用させることが可能なストッパ４とすることができる。

（２）図５に示すように、中空部１Ｄの上端部に、径外側に向けて凸となる周溝１９を設けるとともに、その周溝１９に嵌合する周凸条２０が形成されたストッパ４を設ける構成の軸ばねＡでも良い。この場合、ストッパ４の中空部１Ｄへの嵌合装着に伴って周凸条２０が周溝１９に圧入され、ストッパ４の上方への抜け止め作用が強化される効果が得られる。図５では、周溝１９及び周凸条２０は断面形状が半円形状であるが、その他の形状でも良い。

（３）図５に仮想線で示すように、ストッパ４の上面（先端面）４ｂに、固定部材１８ａとの摩擦係数を低減する摺動材２１を装備しても良い。摺動材２１の装備により、固定部材１８ａが当接する状態（図２参照）、即ち、大荷重が作用した状態における固定部材１８ａとストッパ４との横方向への相対移動が低摩擦状態で行えて好都合である。摺動材２１としてはナイロン（薄板）、フッ素樹脂などの低摩擦係数を有する材料が挙げられる。

（４）図示は省略するが、ストッパ４を固定部材１８ａなどの外筒２側の部材又は外筒２に設ける構成でも良い。例えば、内嵌部８ａに内嵌する状態で外筒２に支持される円板状部材を設け、その円板状部材の下面にストッパ４を固定する構成が考えられる。この場合、台車側と車両側とに相対上下変位があると、主軸１の平らな上面又は中空部１Ｄに嵌合装着される蓋部材、即ち、主軸１又は主軸１側の部材とストッパ４とが当接しての懸架状態となる。

１主軸
１Ｄ中空部
１ｂ環状端面
２外筒
３弾性部
４ストッパ
４Ａ作用部
４Ｂ装着部
４ａ段差部
４ｂ先端面
９，１０中間硬質筒
１１〜１３弾性層
１８ａ被固定体、固定部材
２１摺動材
Ｐ軸心

Claims

主軸と、前記主軸の軸心方向視で前記主軸に外囲する状態に配置される外筒と、中間硬質筒と弾性層とを前記軸心に関する径内外方向で交互に積層して前記主軸と前記外筒との間に介装される弾性部と、を備えてなる軸ばねであって、
前記主軸に弾性材製のストッパを着脱可能に設けて、前記主軸と前記外筒とが前記軸心方向に所定量相対接近移動するに伴って、前記外筒に固定される被固定体と前記ストッパとが当接する状態に構成し、
前記主軸が筒状のものに形成されており、前記ストッパは、前記主軸の中空部に入り込んで密嵌合又は圧入される装着部と、前記主軸の環状端面に当接する段差部が形成されるように前記装着部よりも太くて前記主軸から前記軸心方向に突出する作用部と、を有している軸ばね。
前記中空部が、前記環状端面から前記軸心方向で前記主軸の内奥に行くに従って径が大きくなる基拡がり形状に形成されている請求項１に記載の軸ばね。
前記作用部の先端面に、前記被固定体との摩擦係数を低減する摺動材が装備されている
請求項１又は２に記載の軸ばね。