JP6478790B2

JP6478790B2 - 軸ばね

Info

Publication number: JP6478790B2
Application number: JP2015091162A
Authority: JP
Inventors: 篠原　克行; 克行篠原
Original assignee: Toyo Tire Corp
Current assignee: Toyo Tire Corp
Priority date: 2015-04-28
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2019-03-06
Anticipated expiration: 2035-04-28
Also published as: CN106090093B; CN106090093A; JP2016205588A

Description

本発明は、鉄道車両や大型建機、或いは大型船舶等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、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主軸と外筒との間に介装される弾性部と、を備えてなる軸ばねに関するものである。

この種の軸ばね装置は、例えば鉄道車両においては、その蛇行動や上下動時の衝撃を吸収緩和するために、台車枠と車軸側部材との間に介装されている。即ち、軸箱支持装置の一例としての軸ばね装置は、主軸とその周囲に配置された外筒との間に、複数の中間硬質筒とゴム製で複数の弾性層とが同心状態で、かつ、半径方向に交互に積層されて軸ばね装置が構成されている。

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、軸ばね装置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、定員以上の大きな車体重量が負荷された場合、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、軸ばね装置耐久性や乗車感に悪影響が出易い傾向がある。

そこで、特許文献１において開示されるように、荷重が増すに従って、外筒に固定される外筒側部材又は主軸に固定される主軸側部材と中間硬質筒が当接する変位差当接機構が装備されたものが知られている。このような構成を採れば、外筒側部材又は主軸側部材と中間硬質筒が当接する前よりも後の方が弾性部のバネ定数が大になる特性、即ち、非線形特性が得られる。

その結果、部品点数の増加を招くことなく、弾性層の亀裂やクリープのおそれを低減して耐久性を高められ、また、種々に変化する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できる軸ばね装置が提供できる。

特開２００８−２７５００９号公報

しかしながら、軸ばねが採用される鉄道車両などの仕様は製品により変化するため、仕様が異なるごとに専用の設計及び施工が必要になるという不利がある。そして、部品点数が増加し、製品管理も次第に煩雑化することが予測される。また、機種によっては非線形特性が不要な場合もある。
このように、軸ばねに要求される特性はさらに多種多様化してきているので、懸架装置としての非線形特性が実現できる、というだけでは上記要求の多様化には対応しきれず、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、種々の非線形特の要求や線形特性の要求など、より幅広い懸架特性を、製品種類の増加や製品管理の煩雑化を伴うことがないようにして、より改善される軸ばねとして提供する点にある。

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５と弾性層４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との間に構成される弾性部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、前記中間硬質筒５に当接するストッパー機構Ｓを前記主軸１又は前記外筒２に設けるにあたり、前記ストッパー機構Ｓを前記主軸１又は前記外筒２に装着して固定する装備状態と、前記ストッパー機構Ｓを前記主軸１又は前記外筒２に装着しない非装着状態とが選択可能に構成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に記載の軸ばねにおいて、
前記ストッパー機構Ｓは、前記主軸１に対して着脱可能に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に記載の軸ばねにおいて、
前記ストッパー機構Ｓは、複数の構造部材６を周方向に繋ぎ合わせることにより前記軸心Ｐの方向視で前記主軸１を外囲する状態に形成される支持体ａを有して構成されていることを特徴とする。

請求項４係る発明は、請求項３記載の軸ばねにおいて、
前記構造部材６は扇形部材であり、前記支持体ａは前記軸心Ｐの方向視で環状形状を呈している請求項３に記載の軸ばね。

請求項５に係る発明は、請求項２〜４の何れか一項に記載の軸ばねにおいて、
前記ストッパー機構Ｓは、前記装備状態では前記主軸１に形成されているフランジ１ｂに載せ付けられる構成とされていることを特徴とする。

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軸ばねにおいて、
前記主軸１の外周面１ａ、前記弾性部３、及び前記外筒２の内周面２ａそれぞれの前記軸心Ｐに沿う方向での断面視形状が互いに同じ向きに揃えられたハ字状に形成され、かつ、前記弾性部３が前記軸心Ｐに沿う方向においては前記主軸１に対してその小径側に寄せて配置され、かつ、前記外筒２が前記軸心Ｐに沿う方向においては前記弾性部３に対してその小径側に寄せて配置されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、ストッパー機構を装着して、非線形特性の懸架装置として使用できる装備状態と、ストッパー機構を装着しない非装備状態とが選択可能に構成されているから、非装備状態にしソフトな乗り心地にするとか、装備状態にして大荷重にも耐える腰のある懸架性能を出すなど、非線形特性の有無が選択設定できる。また、ストッパー機構自体の形状や寸法を変えることで、非線形の特性自体を種々に変更設定することも可能である。

つまり、非線形特性か線形特性かの要求される懸架性能に合わせた仕様の軸ばねとして出荷することが可能になり、ストッパー機構以外、即ち軸ばねとしては１種類のもので良いから、ニーズに合わせて専用に設計することに起因する部品点数の増加や製品管理の煩雑化を抑制又は解消することが可能になる。また、実機に搭載されている既存の軸ばねに対してストッパー機構を後付け装着して、懸架性能を非線形特性化することも可能となる利点もある。

その結果、種々の非線形特性の要求や線形特性の要求など、より幅広い懸架特性を、製品種類の増加や製品管理の煩雑化を伴うことがない状態で実現できるので、より改善された軸ばねとして提供することができる。

軸ばねが鉄道車両などの実機に組付けられている状態においては、外部に露出している軸ばねの周りには比較的空間のあることが多い。故に、請求項２の発明によれば、非線形特性を出すストッパー機構が、主軸に対して着脱可能に設けられているので、実機に組み込まれている状態を視認するなど、状況を確認することができる。
また、既設の軸ばねにストッパー機構を後付け装備して非線形特性とすることが、車両や台車に取り付けられて周りに他物が存在し易い外筒に装備される構成に比べて、簡単に実現可能になるという利点もある。

請求項３の発明によれば、ストッパー機構は、複数の構造部材を周方向に繋ぎ合わせて主軸を外囲する状態に形成されているから、ストッパー機構が装備されていない状態で実機に組み込まれている軸ばねに、複数の構造部材を繋ぎ合わせて支持体とすることができる。従って、主軸にストッパー機構を後付け装備することができる、という実用上で大なる利点を有する軸ばねを提供することができる。
この場合、請求項４のように、構造部材を軸心方向視で扇形を呈する扇形部材に、そして支持体を軸心方向視で環状形状を呈するものに構成すれば、無駄のないフォルムでストッパー機構が構成できて好都合である。

請求項５の発明によれば、ストッパー機構が主軸のフランジに載せ付けられる構成であるから、中間硬質筒との当接によりストッパー機構に作用する下向きの荷重は、ストッパー機構における構成要素の変形や不測の移動といった不都合なく、良好にフランジで受け止めることができる。

請求項６の発明によれば、断面ハ字状を呈する円錐積層ゴム構造の弾性部３を有する構成により、外筒の内側にすり鉢状凹部（図６参照）を形成することができる。そのすり鉢状凹部の空間を用いることにより、ストッパー機構を外筒に設けて装備状態にすることが可能な軸ばねを提供することができる。

軸ばねの構造を示す縦断面図（ａ）図１に示す軸ばねの平面図、（ｂ）図１に示す軸ばねの底面図ストッパの非装着状態を示す軸ばねの縦断面図軸ばねによる非線形特性グラフを示す図半割り体の別締結構造を示す要部の底面図別構造の軸ばねを示す縦断面図

以下に、本発明による軸ばねの実施の形態を、鉄道車両に適用した場合について図面を参照しながら説明する。

〔実施例１〕
軸ばねＡは、図１及び図３に示すように、主軸１と、主軸１と互いに同一（又はほぼ同一でも良い）の縦向きの軸心Ｐを有する外筒２と、三層の弾性層４と二層の中間硬質筒５とを軸心Ｐと同心状態（又はほぼ同心状態でも良い）で径内外方向で交互に積層する積層ゴム構造として、主軸１と外筒２との間に構成される弾性部３と、ストッパー機構Ｓとを備えて構成されている。

主軸１は、金属製のものであって、上窄まり状の円錐外周面１ａ、フランジ１ｂ、下端開口１ｃ、ネジ部１ｄ、中空部１ｅを有する筒状部材に形成されている。中空部１ｅは、軸心Ｐ方向で外筒２側となる小径孔部１ｆと、この小径孔部１ｆよりも径が大きい状態で軸心Ｐ方向で反外筒２側となる大径孔部１ｇとを有している。
外筒２は、下拡がり状の円錐内周面２ａ、上端内側の嵌合内周面２ｂを有する断面がハ字状の円錐筒に形成されている。外筒２は、主軸１に対してその上側（円錐外周面１ａ側）よりも上方に寄せて（軸心Ｐに沿う方向においては主軸１に対してその小径側に寄せて）配置されている。

弾性部３は、軸心Ｐを中心とする内外三層のゴム層（弾性層４の一例）４Ａ，４Ｂ，４Ｃと、同様に内外二層の中間硬質筒５Ａ（５），５Ｂ（５）とから成り、円錐外周面１ａと円錐内周面２ａとの間において主軸１と外筒２とに亘る状態で構成されている。各中間硬質筒５Ａ，５Ｂは鋼板等の金属板や強化プラスチック等から形成される。ゴムなどの弾性材でなる各弾性層４及び各中間硬質筒５は、いずれも軸心Ｐに沿う方向での断面視形状がハ字状を呈するテーパ円筒状のものに形成されている。

本実施例においては、円錐外周面１ａと各中間硬質筒５Ａ，５Ｂと円錐内周面２ａとの軸心Ｐに対する傾斜角度は、荷重の作用しない自由状態においては互いに全て等しい角度に設定されている。なお、図２（ａ）に示すように、外側のゴム層４Ｃの前後、或いは左右に、部分的にゴムを欠如してなる肉抜き部１８を形成しても良い。図２（ａ）における１９は、外筒２を車体側の部材にボルト止めするためのナット部である。

つまり、軸ばねＡは、主軸１の外周面１ａ、弾性部３、及び外筒内周面２ａそれぞれの軸心Ｐに沿う方向での断面視形状が互いに同じ向きに揃えられたハ字状に形成され、かつ、弾性部３が軸心Ｐに沿う方向においては主軸１に対してその小径側に寄せて配置され、かつ、外筒２が軸心Ｐに沿う方向においては弾性部３に対してその小径側に寄せて配置される円錐積層ゴム構造に構成されている。

図１，３に示すように、内側の中間硬質筒５Ａの下端の高さ位置よりも、外側の中間硬質筒５Ｂの下端の高さ位置の方が高く、かつ、外側の中間硬質筒５Ｂの下端の高さ位置よりも外筒２の下端の高さ位置の方が高い。また、内側の中間硬質筒５Ａの上端の高さ位置よりも、外側の中間硬質筒５Ｂの上端の高さ位置の方が高く、かつ、外側の中間硬質筒５Ｂの上端の高さ位置よりも外筒２の上端の高さ位置の方が高い。

次に、ストッパー機構Ｓについて説明する。ストッパー機構Ｓは、主軸１に装着された装備状態（図１を参照）と、主軸１に（軸ばねＡに）装着されない非装備状態（図３を参照）とが選択可能なものに構成されている。基本的には装備状態のストッパー機構Ｓについて述べる。ストッパー機構Ｓは、複数の扇形部材（構造部材の一例）６を周方向に繋ぎ合わせることにより、軸心Ｐの方向視で主軸１を外囲する状態の支持体ａを有して構成されている。この場合は環状形状の支持体ａである。

ストッパー機構Ｓは、図１、図２（ｂ）に示すように、軸心Ｐ方向視で半割り扇形を呈する一対の台座部（扇形部材の一例）６，６からなる支持体ａと、各台座部６の上面６ａに載置固定されるストッパ片７とを有して構成されている。
台座片６は、台座主部６Ａと、鍔部６Ｂとを備えている。台座主部６Ａは、金属や非鉄金属、合成樹脂材、或いは複合材料など、好ましくは高強度材料よりなり、フランジ１ｂの側面である外周面８にインロー外嵌可能な台座主部６Ａと、フランジ１ｂの環状上面８ａに載せ付けられる状態でフランジ１ｂ上側の小径環部９にインロー外嵌可能な鍔部６Ｂとを備えている。台座主部６Ａには、その下方に開口する状態の扇形凹入部１０が２箇所ずつ形成されている。

ストッパ片７は、台座主部６Ａと同様に半割り扇形であると良いが、軸心Ｐに対する角度範囲が９０度のものであるとか、２個の６０度程度のものを台座主部６Ａに周方向に間隔をあけて設置する構成でも良い。ストッパ片７は、図１に示すように、比較的高さの低い内周部１１と、内周部１１よりも高さの高い外周部１２とを備えている。内周部１１は内側の中間硬質筒５Ａの丁度下方に位置し、外周部１２は外側の中間硬質筒５Ｂの丁度下方に位置している。

一対の台座部６，６をフランジ１ｂに装着するには、鍔部６Ｂが環状上面８ａに載せ付けられる状態（図１の状態）において、各台座部６の両周端壁６ｂそれぞれに形成されている孔（符号省略）に、ボルト・ナット１３を挿通して締付ける〔図２（ｂ）を参照〕という作業を行う。すると、図１に示すように、ストッパ片７付きの台座部６の一対が、各鍔部６Ｂが環状上面８ａに載せ付けられ、かつ、フランジ１ｂに外嵌固定に固定される状態の支持体ａを有するストッパー機構Ｓが構成される装備状態となる。
なお、ストッパー機構Ｓを主軸１に装着しない場合の軸ばねＡは、図３に示すとおり、フランジ１ｂに支持体ａは装着されない。

つまり、軸ばねＡは、主軸１と外筒２とが軸心Ｐ方向に所定量相対接近移動するに伴って、中間硬質筒５に当接するストッパー機構Ｓを主軸１に設けるにあたり、ストッパー機構Ｓを主軸１に装着して固定する装備状態と、ストッパー機構Ｓを主軸１に装着しない非装着状態とが選択可能に構成されている。
ストッパー機構Ｓは、２個（複数の一例）の扇形部材である台座部６を周方向に繋ぎ合わせることにより、軸心Ｐの方向視で主軸１を外囲する環状形状に形成されており、主軸１に対して着脱可能なものに構成されている。

図１に示す装備状態においては、内側の中間硬質筒５Ａの下端とストッパ片７の内周部１１との上下間隔をｄ１、外側の中間硬質筒５Ｂの下端とストッパ片７の外周部１２との上下間隔をｄ２とすると、ｄ１＜ｄ２に設定されている。
そして、上下方向の荷重が作用して、外筒２が主軸１の軸心Ｐ方向にて相対的に間隔Ｌ１（所定量）接近すると、最初に内側の中間硬質筒５Ａの下端と内周部１１とが当接し、それ以上内側の中間硬質筒５Ａが主軸１側に移動できない第１移動規制状態になる。
荷重が増して、さらに外筒２が移動して自由状態から間隔Ｌ２接近すると、今度は外側の中間硬質筒５Ｂと外周部１２とが当接し、それ以上外側の中間硬質筒５Ｂも主軸１側に移動できない第２移動規制状態になる。

軸ばねＡにおける主軸１と外筒２との軸心Ｐ方向の相対変位を横軸に、かつ、荷重を縦軸にとったものが図４に示す荷重−変位グラフである。外筒２が主軸１に対して間隔Ｌ１に近づくまでは、内外三層のゴム層４Ａ，４Ｂ，４Ｃが全て弾性作用する最も低いバネ定数ｋ１によって弾性部３が弾性変形する。
間隔Ｌ１で内側の中間硬質筒５Ａは接近移動が不可となるので、外筒２が主軸１に対して間隔Ｌ１から間隔Ｌ２まで近づく間は、中間ゴム層４Ｂと外側ゴム層４Ｃとによるバネ定数ｋ２により弾性部３が弾性変形する。

そして、間隔Ｌ２で、内側の中間硬質筒５Ａに加えて外側の中間硬質筒５Ｂも接近移動が不可となるから、外筒２が主軸１に対して間隔Ｌ２を越えて移動する状態では、外側ゴム層４Ｃのみによるバネ定数ｋ３により、弾性部３が弾性変形する。
三つのバネ定数ｋ１，ｋ２，ｋ３には、ｋ１＜ｋ２＜ｋ３という関係があるので、装備状態の軸ばねＡは、主軸１と外筒２との相対変位量が増すに連れてバネ定数が高くなる非線形特性の懸架装置として機能する。

ストッパー機構Ｓにおける強度メンバである支持体ａは、フランジ１ｂに上から被さる鍔部６Ｂが設けられているので、ストッパ片７に作用する軸心Ｐ方向（下向き）の荷重は鍔部６Ｂを介してフランジ１ｂが受け止めることになる。従って、鍔部６Ｂがなく、ボルト・ナット１３の締め付け力による摩擦により支持体ａがフランジ１ｂに支持される構成に比べて、支持体ａが軸心Ｐ方向に抜け出たり移動するおそれがなく、確実に荷重を支えられる利点がある。

そして、図３に示すストッパー機構Ｓを設けない非装備状態では、荷重と変位がほぼ比例する線形な懸架特性が得られる軸ばねＡとなる。なお、弾性部３が断面ハ字形状であることから、図４における変位量が増すに連れてばね定数が極僅かに大きくなる非線形特性を有する軸ばねＡとすることは可能である。

以上のように、本発明による軸ばねＡは、ストッパー機構Ｓを装着して、非線形特性の懸架装置として使用できる装備状態と、ストッパー機構Ｓを装着しない非装備状態とが選択可能に構成されている。
これにより、ソフトな乗り心地の懸架性能にすべく非装備状態にするとか、大荷重にも耐える腰のある懸架性能にすべく装備状態にするなど、要求される懸架性能に合わせて出荷することが可能になるとともに、後付け装着可能なストッパー機構Ｓ以外はそのままで良く、ニーズに合わせて専用に設計することに起因する部品点数の増加や製品管理の煩雑化が抑制又は開放される利点がある。

中間硬質筒５との当接高さを種々に変更すれば、ストッパー機構Ｓを装備した軸ばねＡの非線形の懸架特性（懸架性能）を種々に変更設定可能である。従って、ストッパー機構Ｓの変更設定により、軸ばねＡ自体は１種類でありながら種々の非線形特性を持つものとして設定することが可能である。また、軸ばねＡに後付け装着できるから、既に実機に搭載されている軸ばねに対して装着し、容易に非線形することも可能となる利点もある。

〔別実施形態〕
（１）隣合う台座部６，６どうしの及びフランジ１ｂへの固定手段としては、図５に示すように、上向き開放コ字形状のガセット金具１４を用いてもよい。即ち、隣合う周端壁６ｂ，６ｂどうしに跨らせてガセット金具１４を圧入することにより、一対の台座部６，６をフランジ１ｂに装着固定して支持体ａとするストッパー機構Ｓである。ガセット金具１４における一対の突片１４ａ，１４ａの間隔を、一対の周端壁６ｂ，６ｂの厚みと同じ或いは僅かに小さい値として圧入すると良い。

（２）図６に示すように、ストッパー機構Ｓを外筒２に対して着脱可能に設ける構成の軸ばねＡも可能である。この例では、外筒２の嵌合内周面２ｂに、スナップリング１５により軸心Ｐ方向に抜け止めされる状態で、円形金具１６（支持体ａの一例）が嵌合装備されている。主軸１と外筒２とが軸心Ｐ方向に所定量接近すると、円形金具１６の内周部１６Ａの底面１６ａと外側の中間硬質筒５Ｂの上端とが当接するので、それ以前よりもそれ以後の方がばね定数が高くなる非線形特性が得られる。

つまり、断面ハ字状を呈する円錐積層ゴム構造の弾性部３を有する構成により、外筒２の内側にすり鉢状凹部１７を形成することができる。このすり鉢状凹部１７の空間を用いることにより、図６に示すようにストッパー機構Ｓを外筒２に設けて装備状態にすることが可能な軸ばねＡが実現できている。

（３）支持体ａを、軸心Ｐに関する角度が１２０度の台座部を３つ繋ぎ合わせてなるものでも可能である。
ストッパ片７の高さを変更設定することにより、非線形特性の立ち上がりが急なものや緩いものなど、種々の設定が自在に行える。また、中間硬質筒５の数に合わせて、ストッパ片７における中間硬質筒５に当接する箇所数の変更設定も可能である。

１主軸
１ａ外周面
１ｂフランジ
２外筒
２ａ内周面
３弾性部
４弾性層
５中間硬質筒
６構造部材（扇形部材）
Ｐ軸心
Ｓストッパー機構
ａ支持体

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構成される弾性部と、を備えてなる軸ばねであって、
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、前記中間硬質筒に当接するストッパー機構を前記主軸又は前記外筒に設けるにあたり、前記ストッパー機構を前記主軸又は前記外筒に装着して固定する装備状態と、前記ストッパー機構を前記主軸又は前記外筒に装着しない非装備状態とが選択可能に構成されている軸ばね。
前記ストッパー機構は、前記主軸に対して着脱可能に構成されている請求項１に記載の軸ばね。
前記ストッパー機構は、複数の構造部材を周方向に繋ぎ合わせることにより前記軸心の方向視で前記主軸を外囲する状態に形成される支持体を有して構成されている請求項２に記載の軸ばね。
前記構造部材は扇形部材であり、前記支持体は前記軸心の方向視で環状形状を呈している請求項３に記載の軸ばね。
前記ストッパー機構は、前記装備状態では前記主軸に形成されているフランジに載せ付けられる構成とされている請求項２〜４の何れか一項に記載の軸ばね。
前記主軸の外周面、前記弾性部、及び前記外筒の内周面それぞれの前記軸心に沿う方向での断面視形状が互いに同じ向きに揃えられたハ字状に形成され、かつ、前記弾性部が前記軸心に沿う方向においては前記主軸に対してその小径側に寄せて配置され、かつ、前記外筒が前記軸心に沿う方向においては前記弾性部に対してその小径側に寄せて配置されている請求項１〜５の何れか一項に記載の軸ばね。