JP6730176B2

JP6730176B2 - 鉄道車両用空気ばね

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Publication number: JP6730176B2
Application number: JP2016253991A
Authority: JP
Inventors: 裕喜安永
Original assignee: Toyo Tire Corp
Current assignee: Toyo Tire Corp
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2020-07-29
Anticipated expiration: 2036-12-27
Also published as: CN108240414B; CN108240414A; JP2018105454A

Description

本発明は、鉄道車両用空気ばねの耐久性の向上に関するものである。

従来、鉄道車両等に用いられる空気ばねとして、車両の走行安定性及び乗心地性を高めるために、車両進行方向に沿う前後方向と左右方向とでばね特性（剛性）を変えた空気ばね、いわゆる、異方性空気ばねが多用されている。異方性空気ばねの具体的構成として、たとえば、空気ばねの上面板の左右方向部分に、ダイアフラム（可撓部材）と対向しつつダイアフラムに沿って延ばした延長部を形成したものが知られている。これにより、ダイアフラムが上面板の延長部に当接することで、空気ばねの変位が抑制され、前後方向に対して左右方向の剛性を高めることが可能となる。

しかしながら、上記構成の空気ばねにおいては、上面板の左右方向に形成された延長部がダイアフラムに直接当接して擦れるため、延長部に当接する部分におけるダイアフラムの摩耗が発生していた。

上記課題を解決するために、特許文献１に開示されているように、上面板に形成された延長部のダイアフラムと対向する部分に、摺動シートが配置された空気ばねが知られている。

特開２００５−３６８２５号公報

しかしながら、上記構成の空気ばねにおいては、延長部に配置された摺動シートがダイアフラムの繰り返し変位により剥離や破損するおそれがあり、摺動シートの剥離や破損によって耐久性が低下するというリスクがあった。

そこで、本発明においては、摺動シートを用いることなく、上面板と可撓部材との擦れ合いによる摩耗を抑制し、耐久性を向上させることが可能な空気ばねを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明者が鋭意検討した結果、可撓部材成形用の金型内面に設けられた空気抜き用の浅溝が転写して可撓部材の外表面に形成された格子状の凸条部が空気ばねの耐久性に大きく影響していることを見出して本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明の一態様としての鉄道車両用空気ばねは、上面板と、下側部材と、前記上面板及び下側部材の間に介装される筒状の可撓部材と、可撓部材の成形金型の内面に設けられた空気抜き用の浅溝が転写して可撓部材の外表面に形成された格子状の凸条部とを備え、凸条部は、少なくとも可撓部材の中心軸から放射状に形成された複数の縦凸条部を有し、前記可撓部材の外表面において、可撓部材と上面板とが互いに擦れ合う領域は縦凸条部が存在しない縦凸条部非形成領域としたことを特徴とする。

上面板の下面は、平面状に形成された平面部と、前記平面部の外周縁部に連設され、半径方向外側に向かって下方に傾斜した傾斜面部とを備えており、前記縦凸条部非形成領域は、前記可撓部材が前記上面板の左右方向、すなわち、鉄道車両の進行方向に対して左右方向に形成された傾斜面部と当接する領域であるようにしていてもよい。なお、以下、空気ばねの方向に関しては、鉄道車両に搭載した状態で、鉄道車両の進行方向を前方向として記載する。

縦凸条部非形成領域は、前記可撓部材を前後左右の４つの区分に区分けしたとき、前記可撓部材の前記左右区分が前記上面板の左右方向に形成された傾斜面部と当接する領域であるようにしてもよい。

また、空気ばねは、上面板が前後方向よりも左右方向の方が前記傾斜面部の面積及び／又は傾斜が大きくなるように形成していてもよい。

上記本発明の一態様に係る空気ばねによれば、摺動シートを用いることなく、耐久性を向上させることが可能な空気ばねを得ることが可能となる。

本発明に係る鉄道車両用空気ばねの実施形態を示す縦断面図図１の空気ばねを左右方向から見た一部側面図図１の空気ばねを鉄道車両に搭載した状態を示す概略図本実施形態で使用される可撓部材を示す平面図図２において縦凸条部非形成領域を合わせて示す。図４において縦凸条部非形成領域を合わせて示す。本実施形態で使用される可撓部材を示す斜視図評価試験装置を示す概略図中立状態での左右方向傾斜部への可撓部材の押付力を示す概略図オフセット状態での左右方向傾斜部への可撓部材の押付力を示す概略図従来の空気ばねで使用される可撓部材を示す斜視図

以下、本発明の実施形態について図面を基に説明する。図１は、本発明に係る鉄道車両用空気ばねとしての実施形態を示す縦断面図である。図２は、図１の空気ばねを左右方向から見た一部側面図であり、図３は図１の空気ばねを鉄道車両に搭載した状態を示す概略図である。

図１および図２に示すように、空気ばね１は、上面板２と、その下側に配置される下側部材３と、上面板２及び下側部材３の間に筒状の可撓部材４を備える。図１においては、空気ばねの中心軸Ａの左半分は前後方向の縦断面図を示し、中心軸Ａの右半分は、左右方向の縦断面図を示す。

上面板２は円盤状に形成される。上面板２の下面はゴム材で覆われており、平面状に形成された平面部５と、前記平面部の外周縁部に連設され、半径方向外側に向かって下方に傾斜した傾斜面部６とを備えている。傾斜面部６は、可撓部材４に当接して可撓部材４の変位量を抑制する変位抑制機能を有する。

本実施形態では、上面板２の前後方向に形成された傾斜面部６よりも、上面板２の左右方向に形成された傾斜面部６の面積及び／又は傾斜が大きくなるように形成される。これによって、空気ばねの上面板２と下側部材３との間の水平方向の相対的変位（以下、単に「変位」と略する。）のうち、前後方向の変位よりも左右方向の変位が抑制されるように構成された、いわゆる、異方性空気ばねとされる。

下側部材３は、弾性機構７と、弾性機構７の頂板８の上面外周縁部から外周部にかけて装着される環状で帯状の下面板９と、頂板８にボルト止めされるフランジ部を有する円盤状の上面板受部１１とを備える。

弾性機構７は、環状の頂板８と、環状の底板１２との間にゴム製で環状の弾性材層１３と環状の硬質板１４とが交互に積層された積層ゴムを備えた構造とされる。本実施形態では、頂板８、底板１２及び硬質板１４として金属板が用いられている。弾性機構７としては、積層ゴム構造を備え、ストッパーとしての機能を有するものであればよく、コニカルストッパー等であってもよい。また、下側部材３として、弾性機構７を除いた構成とすることも可能である。

可撓部材４は、補強コードが埋設された補強ゴム層を中間層とする筒状積層ゴムから構成されており、可撓部材４の上端部及び下端部にはビードコアに補強ゴム層を巻き付けた肉厚のビード部１０ａ及び１０ｂが形成されている。可撓部材４の上端側ビード部１０ａは、上面板２に設けられた円盤状のビード受部２ａに外嵌される。下端側ビード部１０ｂは、弾性機構７の頂板８に設けられたビード受部８ａに外嵌される。

可撓部材４は、未加硫ゴムを金型によって加硫成形することによって形成することができる。金型は、閉型したときに金型内に空気が残存し易い。金型内に空気が残存すると、加硫後の可撓部材の形状が歪になったり、ゴムの加硫が不均一になり、不良率が高くなる等の問題が生じる。そのため、可撓部材４の金型の内面には、通常、空気抜き用の格子状の浅溝が形成される。

したがって、加硫後の可撓部材４には、図１１に示すように、空気抜き用の浅溝が転写して外表面に格子状の凸条部１５が形成される。凸条部１５は、可撓部材４の中心軸Ａから放射状に形成された複数の縦凸条部１５ａと、可撓部材４の周方向に間隔をおいて形成された複数の横凸条部１５ｂとを有する。

本発明では、空気ばね１の可撓部材４の外表面において、可撓部材４と上面板２とが互いに擦れ合う領域は、図７に示すように、縦凸条部１５ａが存在しない縦凸条部非形成領域１６としており（図中、縦凸条部非形成領域１６は、二点鎖線で囲まれた領域として示す。）、これにより、空気ばね１の耐久性を向上させることができる。

可撓部材４と上面板２とが互いに擦れ合う領域は、可撓部材４の外表面の異常の有無によって確認することができる。すなわち、可撓部材４と上面板２との擦れ合いは、上面板２と下側部材３とが水平方向に変位を繰り返すことによって発生する。このような繰り返し変位による擦れ合いにより、先ず、縦凸条部１５ａが粘着化しつつ摩耗し、縦凸条部１５ａの周辺に粘着化が広がる。可撓部材４の表面が粘着化し、上面板２と擦れ合うことで表面が凹凸化し、最終的に抉れ摩耗が発生する。

したがって、可撓部材４と上面板２とが互いに擦れ合う領域は、後述するように、実際に空気ばね１を試験装置等によって繰り返し水平方向に変位させた後、可撓部材４の表面のうち、粘着化、表面の凹凸化及び抉れ摩耗等の異常が認められる範囲として認識することができる。

図３は、本発明の空気ばね１を搭載した鉄道車両１７を示す概略図である。図示のように、空気ばね１は、左右方向が、鉄道車両１７の左右方向に一致するようにして、車体１８と台車１９との間に設置される。図３に示す台車はボルスタレス台車であり、レール上を転がる左右一対の車輪２１を有する前後一対の車軸２２を回転自在に支持する支持フレーム２３と、支持フレーム２３を車体１８に対して上下軸心周りに回動自在に保持するための回転軸２４とを備える。車体１８の底面と支持フレーム２３との間に左右一対の空気ばね１，１が介装される。

上記構成の鉄道車両１７においては、空気ばね１は異方性を有するため、左右方向よりも前後方向の変位量が大きくなる。空気ばね１が前後方向に変位することにより、上面板２の左右方向の傾斜面部６と、この傾斜面部６に対向する可撓部材４とが擦れ合うことになる。

さらに、上述のごとく、ボルスタレス台車では、支持フレーム２３を車体１８に対して上下軸心周りに回動自在に保持するため、空気ばね１には、上面板２と２下側部材３との間にねじれが生じる。このねじれによっても、上面板２と可撓部材４との間で擦れ合う力が発生する。

実際、可撓部材４の擦れ合いによる不具合は、可撓部材４の外表面のうち、左右方向に存在する上面板の傾斜面部６と当接する領域で発生する。したがって、縦凸条部非形成領域１６として、可撓部材４が上面板２の左右方向に形成された傾斜面部６と当接する領域に設定することができる。このような、本発明の空気ばね１は、異方性空気ばねや、ボルスタレス台車に搭載される空気ばねとして好適に使用することができる。

可撓部材４に縦凸条部非形成領域１６を形成するには、従来どおり、可撓部材４の外表面の全面に格子状の凸条部１５を形成した後、縦凸条部非形成領域１６に設定した領域内に存在する縦凸条部１５ａを削り取る方法を採用することができる。ただ、この場合は、
縦凸条部１５ａを削除する作業が必要となる。

別の方法として、可撓部材４の成形金型の内面に形成される格子状の空気抜き用浅溝のうち、転写して縦凸条部非形成領域１６内の縦凸条部１５ａを形成する浅溝を予め埋めておくか、最初から形成しないようにすることも可能である。この方法では、別途、縦凸条部１５ａを削除する作業を必要としないという点で好ましい。

しかしながら、上記方法では、上面板２の左右方向に形成された傾斜面部６の形状に合わせて、可撓部材４の周方向に、広範囲に縦凸条部非形成領域１６を設定する場合、可撓部材４成形時に空気の抜けが悪くなり、成形不良率が高くなる可能性が生じる。そこで、このような場合には、図４〜図７に示すように、可撓部材４を前後左右の４つの区分４ａ〜４ｄに区分けしたとき、可撓部材４の左右区分４ｂ及び４ｄが前記上面板２の左右方向に形成された傾斜面部６と当接する領域を縦凸条部非形成領域１６とすることができる。なお、図５及び図６では、縦凸条部非形成領域１６は、二点鎖線で囲まれた網掛け領域として表す。

これにより、可撓部材成形時における空気抜けの悪化を防止しつつ、可撓部材４の生産性を良好に維持することが可能となる。なお、可撓部材４の前後左右の４つの区分４ａ〜４ｄとは、図４に示すように、可撓部材４を平面視したとき、可撓部材４の中心Ａを通る前後軸に対して可撓部材の中心Ａから±４５°傾斜する線上を通る仮想垂直面で等分に区分けされる４つの区分を意味する。

［空気ばねの作製］
本実施例では、上記実施形態で示した空気ばねを実際に作製して、耐久性を評価した。具体的には、図４〜７に示すように、可撓部材４を前後左右の４つの区分４ａ〜４ｄに区分けしたとき、可撓部材が左右区分４ｂ及び４ｄにおいて上面板２の左右方向に形成された傾斜面部６と当接する領域を縦凸条部非形成領域１６とした。そして、この領域１６内に縦凸条部１５ａが存在しないように予め可撓部材４の成形金型内の該当する浅溝を埋めておき、可撓部材４を加硫成形した。これに上面板２及び下側部材３を組み付けて空気ばね１を作製した（実施例）。

これに対して、基本的な構成は実施例と同じとした上で、図１１に示すように、縦凸条部非形成領域１６を設けずに、格子状に凸条部１５を形成した可撓部材４を用いた空気ばねを作製し、これを比較例とした。

［評価試験］
図８に示すように、空気ばね１の上面板を、揺動アームの先端に固定する（上面板の左右方向と揺動アームが延びる方向とを一致させて固定する）とともに、下側部材３を固定盤に固定し、可撓部材内に所定の加圧空気を封入した状態で、上面板２を下側部材３に対して４０ｍｍオフセットした状態（図８参照）で揺動させた。すなわち、空気ばねを左右方向に４０ｍｍオフセットした状態で前後方向に揺動させた。その他の条件は以下の通りである。
・揺動アーム回転中心から上面板中心までの距離：９９５ｍｍ
・揺動アーム回転中心から下側部材中心までの距離：９５５ｍｍ
・振幅：±７０ｍｍ
・振動数：０．５Ｈｚ

［評価結果］
先ず、予備の評価として、比較例の空気ばねを用いて、空気ばねの上面板を左右方向にオフセットしない中立状態と、４０ｍｍオフセットした状態とで評価したところ、オフセットした状態の空気ばねの方が抉れ摩耗が早期に発生した。抉れ摩耗の発生箇所は、図８でいえば、可撓部材の外表面のうち、外側の傾斜面部に当接する部分であった。この抉れ摩耗の形態及び発生箇所は、実際の鉄道車両に搭載した空気ばねの抉れ摩耗と近似するものであった。

すなわち、図９に示すように、空気ばねが中立状態のときより、図１０に示すように、空気ばねがオフセット状態で可撓部材と上面板との間の押し付け力が弱くなる状態で捩れ摩耗が発生した。このことは、可撓部材と上面板とが強固に密着しているよりも、弱い力で互いに滑ることで縦凸条部を起点に捩れ摩耗が生じやすくなることを示している。そこで、評価試験では、上面板を下側部材に対して左右方向に４０ｍｍオフセットした条件で比較試験を行なった。

実施例と比較例を評価した結果、比較例では２万サイクルの揺動で抉れ摩耗が発生したが、実施例では全く異常は認められなかった。以上より、可撓部材の外表面において、上面板の左右方向の傾斜面部が当接する領域を縦凸条部が存在しない縦凸条部非形成領域とすることにより、耐久性を大きく向上させることが可能であることが確認された。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。たとえば、本実施形態においては、空気ばね１は異方性空気ばねを使用していたが、前後方向及び左右方向とも傾斜面部が同じ形状の空気ばねであってもよい。

また、本実施形態では、可撓部材４の左右区分４ｂ及び４ｄが上面板２の左右方向に形成された傾斜面部６と当接する領域を縦凸条部非形成領域１６としているが、縦凸条部非形成領域１６以外の領域の縦凸条部１５ａを取り除くようにしてもよい。また、縦凸条部１５ａのみならず、横凸条部１５ｂも取り除くようにしてもよい。

本実施形態及び上記変形例に開示されている構成要件は互いに組合せ可能であり、組合せることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

１空気ばね
２上面板
３下側部材
３ａビード受部
４可撓部材
５平面部
６傾斜面部
７弾性機構
８頂板
９下面板
１０ａ，１０ｂビード部
１１上面板受部
１２底板
１３弾性材層
１４硬質板
１５凸条部
１５ａ縦凸条部
１５ｂ横凸条部
１６縦凸条部非形成領域
１７鉄道車両
１８車体
１９車輪
２１台車
２２車軸
２３支持フレーム
２４回転軸

Claims

上面板と、下側部材と、前記上面板及び下側部材の間に介装される筒状の可撓部材と、可撓部材の成形金型の内面に設けられた空気抜き用の浅溝が転写して可撓部材の外表面に形成された格子状の凸条部とを備え、前記凸条部は、少なくとも可撓部材の中心軸から放射状に形成された複数の縦凸条部を有し、前記可撓部材の外表面において、可撓部材と上面板とが互いに擦れ合う領域は縦凸条部が存在しない縦凸条部非形成領域としたことを特徴とする鉄道車両用空気ばね。
前記上面板の下面は、平面状に形成された平面部と、前記平面部の外周縁部に連設され、半径方向外側に向かって下方に傾斜した傾斜面部とを備えており、前記縦凸条部非形成領域は、前記可撓部材が前記上面板の左右方向に形成された傾斜面部と当接する領域であることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用空気ばね。
前記縦凸条部非形成領域は、前記可撓部材を前後左右の４つの区分に区分けしたとき、前記可撓部材の前記左右区分が前記上面板の左右方向に形成された傾斜面部と当接する領域であることを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄道車両用空気ばね。
前記上面板は、前後方向よりも左右方向の方が前記傾斜面部の面積及び／又は傾斜が大きくなるように形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の鉄道車両用空気ばね。