JP6918406B2 - Leaf springs for railroad car bogies and bogies for railroad cars - Google Patents
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本発明は、鉄道車両台車用板バネ及び鉄道車両用台車に関する。 The present invention relates to a leaf spring for a railroad vehicle bogie and a bogie for a railroad vehicle.
特許文献1に開示されるように、車両長手方向に延びる板バネを台車枠に設け、板バネの車両長手方向の両端部を軸箱で支持し、板バネの車両長手方向の中央部により台車枠の横梁を支持する鉄道車両用台車が知られている。
As disclosed in
一例として、板バネは、FRP(繊維強化プラスチック)からなる上層及び下層の間に、コア層が配置されて構成される。また一例として、上層及び下層は、車両長手方向を単一の配向方向として連続繊維が配向したUD層を有する。このような板バネを用いることで、側梁を省略して台車枠を軽量化できると共に、台車の組立作業を簡素化できる。 As an example, a leaf spring is configured by arranging a core layer between an upper layer and a lower layer made of FRP (fiber reinforced plastic). Further, as an example, the upper layer and the lower layer have a UD layer in which continuous fibers are oriented with the vehicle longitudinal direction as a single orientation direction. By using such a leaf spring, the side beam can be omitted to reduce the weight of the bogie frame, and the bogie assembly work can be simplified.
板バネには、その基本性能として、上下方向の荷重に対して優れた強度を有することが求められるが、台車をクレーンで釣り上げた際等においてねじり荷重が及ぶおそれがある。また板バネでは、コア層においてクラックが上下方向に延びるように発生した場合、クラックが上層又は下層にまで進展し、板バネの性能が低下して寿命が短縮するおそれがある。 The leaf spring is required to have excellent strength against a load in the vertical direction as its basic performance, but there is a possibility that a torsional load may be applied when the trolley is caught by a crane or the like. Further, in the leaf spring, when the crack is generated in the core layer so as to extend in the vertical direction, the crack may extend to the upper layer or the lower layer, the performance of the leaf spring may be deteriorated, and the life may be shortened.
そこで本発明は、上下方向の荷重に対する優れた強度を基本性能として有しながら、ねじり荷重に対しても高い強度を有する鉄道車両台車用板バネを提供することを第1の目的とする。 Therefore, a first object of the present invention is to provide a leaf spring for a railroad vehicle bogie, which has excellent strength against a load in the vertical direction as a basic performance and also has a high strength against a torsional load.
また本発明は、FRPからなる上層及び下層の間に、コア層が配置された鉄道車両台車用板バネにおいて、コア層で発生したクラックによる板バネの性能低下及び寿命の短縮化を防止することを第2の目的とする。 Further, the present invention is to prevent deterioration of the performance and shortening of the life of a leaf spring for a railroad vehicle bogie in which a core layer is arranged between an upper layer and a lower layer made of FRP due to a crack generated in the core layer. Is the second purpose.
本発明の一態様に係る鉄道車両台車用板バネは、少なくとも1つの長尺状のFRP構造を備えた鉄道車両台車用板バネであって、前記FRP構造は、前記板バネの長手方向を単一の配向方向として連続繊維が配向した複数の主UDシートと、前記長手方向に対して前記板バネの幅方向に5°以上10°以下の範囲の角度で傾斜する方向を単一の配向方向として連続繊維が配向した少なくとも1つの副UDシートと、を有し、前記複数の主UDシートのうち所定数の主UDシートが上下方向に積層された主UDシート積層体に対して、前記副UDシートが前記板バネの板厚方向に積層されている。 The leaf spring for a railroad vehicle bogie according to one aspect of the present invention is a leaf spring for a railroad vehicle bogie having at least one long FRP structure, and the FRP structure simply has a longitudinal direction of the leaf spring. A single orientation direction is a plurality of main UD sheets in which continuous fibers are oriented as one orientation direction, and a direction in which the continuous fibers are inclined at an angle in the range of 5 ° or more and 10 ° or less in the width direction of the leaf spring with respect to the longitudinal direction. With respect to a main UD sheet laminate in which a predetermined number of main UD sheets are laminated in the vertical direction among the plurality of main UD sheets, the sub The UD sheets are laminated in the leaf thickness direction of the leaf spring.
上記構成によれば、板バネの長手方向を単一の配向方向として連続繊維が配向した所定数の長尺状の主UDシートが上下方向に積層された主UDシート積層体により、上下方向の荷重に対して優れた強度が基本性能として得られる。また、板バネの幅方向に5°以上10°以下の範囲の角度で傾斜する方向を単一の配向方向として連続繊維が配向した副UDシートを、主UDシート積層体に対して板バネの板厚方向に積層したことにより、ねじり荷重に対しても高い強度が得られる。 According to the above configuration, a predetermined number of long main UD sheets in which continuous fibers are oriented with the longitudinal direction of the leaf spring as a single orientation direction are laminated in the vertical direction by a main UD sheet laminate in the vertical direction. Excellent strength against load is obtained as basic performance. Further, a secondary UD sheet in which continuous fibers are oriented with a direction in which the leaf spring is inclined at an angle of 5 ° or more and 10 ° or less in the width direction of the leaf spring as a single orientation direction is provided as a leaf spring with respect to the main UD sheet laminate. By laminating in the plate thickness direction, high strength can be obtained even with a torsional load.
また、本発明の別の態様に係る鉄道車両台車用板バネは、一対の長尺状のFRP構造を備えた鉄道車両台車用板バネであって、コア層と、前記コア層の前記板バネの板厚方向一方側に積層され、前記一対のFRP構造のうち一方である上層と、前記コア層の前記板厚方向他方側に積層され、前記一対のFRP構造のうち他方である下層と、を備え、前記上層及び前記下層は、前記板バネの長手方向を単一の配向方向として連続繊維が配向したUD層と、前記UD層よりも前記コア層側で前記UD層に前記板バネの前記板厚方向に積層された遮断層とを有し、前記遮断層では、前記長手方向に対して前記板バネの幅方向一方側に40°以上50°以下の範囲の角度で傾斜する方向に第1連続繊維が配向すると共に、前記長手方向に対して前記板バネの幅方向他方側に40°以上50°以下の範囲の角度で傾斜する方向に第2連続繊維が配向している。 Further, the leaf spring for a railroad vehicle trolley according to another aspect of the present invention is a leaf spring for a railroad vehicle trolley having a pair of long FRP structures, and is a core layer and the leaf spring of the core layer. The upper layer, which is one of the pair of FRP structures, and the lower layer, which is laminated on the other side of the core layer in the plate thickness direction, are laminated on one side in the plate thickness direction. The upper layer and the lower layer include a UD layer in which continuous fibers are oriented with the longitudinal direction of the leaf spring as a single orientation direction, and the leaf spring in the UD layer on the core layer side of the UD layer. It has a blocking layer laminated in the plate thickness direction, and the blocking layer is inclined in an angle in the range of 40 ° or more and 50 ° or less on one side in the width direction of the leaf spring with respect to the longitudinal direction. The first continuous fiber is oriented, and the second continuous fiber is oriented in a direction in which the leaf spring is inclined at an angle in the range of 40 ° or more and 50 ° or less on the other side of the width direction of the leaf spring with respect to the longitudinal direction.
上記構成によれば、上層及び下層において、UD層の連続繊維と、遮断層の第1連続繊維及び第2連続繊維とを、40°以上50°以下の範囲の十分な角度で交差させることができる。このため、コア層において上下方向にクラックが発生した場合、クラックがUD層の連続繊維の間隙を通って上下方向に進展するのを、UD層よりもコア層側でUD層に板バネの板厚方向に積層された遮断層において未然に遮断できる。 According to the above configuration, in the upper layer and the lower layer, the continuous fibers of the UD layer and the first continuous fibers and the second continuous fibers of the blocking layer can be crossed at a sufficient angle in the range of 40 ° or more and 50 ° or less. can. Therefore, when cracks occur in the vertical direction in the core layer, the cracks propagate in the vertical direction through the gaps between the continuous fibers of the UD layer, so that the leaf spring plate is formed on the UD layer on the core layer side of the UD layer. It can be blocked in advance in the blocking layer laminated in the thick direction.
本発明によれば、上下方向の荷重に対する優れた強度を基本性能として有しながら、ねじり荷重に対しても高い強度を有する鉄道車両台車用板バネを提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a leaf spring for a railroad vehicle bogie, which has excellent strength against a load in the vertical direction as a basic performance and also has a high strength against a torsional load.
また本発明によれば、FRPからなる上層及び下層の間に、コア層が配置された鉄道車両台車用板バネにおいて、コア層で発生したクラックによる板バネの性能低下及び寿命の短縮化を防止できる。 Further, according to the present invention, in a leaf spring for a railroad vehicle bogie in which a core layer is arranged between an upper layer and a lower layer made of FRP, it is possible to prevent deterioration of leaf spring performance and shortening of life due to cracks generated in the core layer. can.
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
図1は、実施形態に係る鉄道車両台車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を介して鉄道車両の車体50を支持する台車枠3を備える。台車枠3は、車幅方向に延びて車体50を支持する横梁4を備えているが、横梁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梁を備えていない。
FIG. 1 is a side view of the
空気バネ2は、横梁4の上面に設置されている。横梁4の車両長手方向両側には、一対の車軸5が配置されている。車軸5の車幅方向両側には、車輪6が固定されている。また車軸5の車幅方向両側には、車軸5を回転自在に支持する軸受7と、各軸受7をそれぞれ収容する一対の軸箱8が設けられている。横梁4の車幅方向両端部は、軸梁式の連結機構9によって、一対の軸箱8に連結されている。
The
横梁4と軸箱8との間には、板バネ10が架け渡されている。板バネ10は、車両長手方向に延びるように配置され、その車両長手方向の両端部10cが一対の軸箱8に支持された状態で横梁4を支持している。板バネ10は、長手方向中央部10aにおいて、横梁4の車幅方向両端部を下方から弾性的に支持している。これにより、板バネ10は、一次サスペンションの機能と従来の側梁の機能とを兼ねている。
A
本実施形態では、横梁4の車幅方向両端部の下部に、車幅方向から見て円弧状の下面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中央部10aに自由接触している。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、横梁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。
In the present embodiment, a contact member 11 having an arc-shaped
軸箱8の上端部には、支持部材12が取り付けられている。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は、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。これにより板バネ10の長手方向両端部10cが、一対の軸箱8に固定されない状態で、一対の軸箱8に支持されている。
A
図2は、図1の板バネ10の斜視図である。図1及び2に示すように、板バネ10のうち、長手(X)方向中央部10aと長手方向両端部10cとの間に位置する延在部10bは、側面視で長手方向中央部10aに向けて下方に傾斜し、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板バネ10の板厚(Z)方向下方に凸となる弓形状に形成されている。また板バネ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。
FIG. 2 is a perspective view of the
図3は、図1の板バネ10の分解図である。板バネ10は、少なくとも1つ(本実施形態では一対)の長尺状のFRP構造を備える。図3に示すように、具体的に板バネ10は、コア層17と、一対のFRP構造のうち一方である上層15と、一対のFRP構造のうち他方である下層16とを備える。
FIG. 3 is an exploded view of the
コア層17は、板バネ10の長手方向に延びている。一例としてコア層17は、側面視において、その少なくとも一部が板バネ10の中立軸と重なる位置に配置されている。コア層17は、板バネ10の長手方向に延びる複数の層24(ここではGFRP層)が、板バネ10の幅(Y)方向に積層された積層構造を有する(図4参照)。
The
本実施形態では、コア層17の厚み(Z)方向寸法は、その長手方向中央から両端に向かって減少している。一例として、コア層17の最小厚み方向寸法は、下層16の厚み方向寸法よりも大きく且つ上層15の厚み方向寸法よりも小さい。また、コア層17の最大厚み方向寸法は、上層15の厚み方向寸法よりも大きく、ここでは上層15の厚み方向寸法の3倍よりも大きい。
In the present embodiment, the thickness (Z) direction dimension of the
上層15は、コア層17の板バネ10の板厚方向一方側(ここでは上方側)に積層されている。下層16は、コア層17の板厚方向他方側(ここでは下方側)に積層されている。上層15及び下層16は、板バネ10の長手方向に延びている。本実施形態では、上層15、下層16、及びコア層17は、板バネ10の長手方向一端から他端まで連続的に延在している。
The
上層15及び下層16の厚み方向寸法は、一例として一定である。上層15の厚み方向寸法は、下層16の厚み方向寸法よりも大きい。一例として本実施形態では、上層15の厚み方向寸法は、下層16の厚み方向寸法の2倍よりも大きい。また、上層15及び下層16の厚み方向寸法は、板バネ10の幅方向寸法よりも小さい。
The dimensions of the
上層15は、接着層18によりコア層17の上面に接着され、下層16は、接着層18によりコア層17の下面に接着されている。接着層18は、接着剤からなる。接着層18は、公知の接着剤を含む。接着層18が含む接着剤は、エポキシ系接着剤の他、アクリル系接着剤、ポリウレタン系接着剤、或いは、シリコン樹脂系接着剤等の反応硬化系樹脂接着剤でもよい。
The
板バネ10が備えるFRP構造は、本実施形態では炭素繊維強化プラスチック(CFRP)により構成されているが、これに限定されない。板バネ10が備えるFRP構造は、その他、ガラス繊維強化プラスチック(GFRP)、ガラス長繊維強化プラスチック(GMT)、アラミド繊維強化プラスチック(AFRP)、ボロン繊維強化プラスチック(BFRP)、ポリエチレン繊維強化プラスチック(DFRP)、ザイロン(登録商標)強化プラスチック(ZFRP)等の少なくともいずれかにより構成されてもよい。また、CFRPが用いられる場合、連続繊維(強化繊維)としての炭素繊維は、PAN系又はピッチ系のいずれのものでもよい。
The FRP structure included in the
また、上層15及び下層16がFRP構造により構成される場合、上層15と下層16とが含む各連続繊維の材質は、同一でもよいし、異なっていてもよい。
When the
図4は、板バネ10の長手方向から見た鉛直断面図である。図4では、上層15,接着層18、及びコア層17の各一部断面を示している。コア層17における複数の層24は、接着剤により接着されている。図4に示すように、隣接する層24の間には、接着層19が形成されている。接着層19は、板バネ10の長手方向と上下方向とに延びている。
FIG. 4 is a vertical cross-sectional view of the
なおコア層17は、接着剤を用いることなく一体的に成形してもよい。この場合、コア層17は、接着層19を有さない構成となる。
The
上層15及び下層16は、複数の主UDシート20と、少なくとも1つの副UDシート21とを有する。ここで言うUDシートとは、FRP構造において強化繊維として機能する連続繊維が、実質的に所定方向を単一の配向方向として配向した繊維シートを指す。
The
主UDシート20は、板バネ10の長手方向を単一の配向方向として連続繊維が配向している。副UDシート21は、板バネ10の長手方向に対して板バネ10の幅方向に5°以上10°以下の範囲の角度で傾斜する方向を単一の配向方向として連続繊維が配向している。本実施形態では、上記した少なくとも1つの副UDシート21は、複数の副UDシート21を含んでいる。
In the
主UDシート20の連続繊維の切断面F1は、主UDシート20の長手方向端面に位置し、副UDシート21の連続繊維の切断面F2は、副UDシート21の幅方向側面に位置している(図5参照)。
The cut surface F1 of the continuous fiber of the
なお、各UDシート20,21の内部では、複数の連続繊維が、補助繊維によって束ねられていてもよい。この場合、FRP構造における連続繊維に対する補助繊維の質量割合は、一例として20%未満である。
Inside each of the
図4に示すように、上層15及び下層16は、少なくとも1つ(本実施形態では複数)の主UDシート積層体22を有する。主UDシート積層体22は、複数の主UDシート20のうち所定数の主UDシート20が上下方向に積層されて構成されている。ここで言う所定数とは、一例として数枚乃至数十枚の範囲の値に設定されるが、これに限定されない。
As shown in FIG. 4, the
板バネ10では、主UDシート積層体22に対して、副UDシート21が板バネ10の板厚方向に積層されている。複数の副UDシート21のうち少なくとも一対の副UDシート21は、主UDシート積層体22を板バネ10の板厚方向に挟んで配置されている。本実施形態の上層15及び下層16では、複数の主UDシート積層体22と、複数の副UDシート21とが、板バネ10の板厚方向に交互に配置されている。
In the
上層15と下層16とが含む主UDシート積層体22の数は、適宜設定可能であるが、例えば数個以上数十個以内の範囲の値に設定できる。本実施形態では、上層15は十数個の主UDシート積層体22を含み、下層16は数個の主UDシート積層体22を含む。即ち、上層が含む主UDシート積層体22の数は、下層16が含む主UDシート積層体22の数より多い。
The number of the main UD sheet laminates 22 included in the
なお板バネ10では、一対の副UDシート21が、主UDシート積層体22を板バネ10の板厚方向に挟んで配置されていなくてもよい。例えば、板バネ10の板厚方向にコア層17から最も遠位に位置する主UDシート積層体22のコア層17側とは反対側に、少なくとも1つの副UDシート21が積層されていてもよい。また、主UDシート積層体22に対して、複数の副UDシート21を連続して板バネ10の板厚方向に積層してもよい。
In the
上層15及び下層16の各々において、複数の主UDシート20が配置された部分の合計厚み方向寸法は、上層15及び下層16における少なくとも1つの副UDシート21が配置された部分の合計厚み方向寸法よりも大きく設定されている。
In each of the
本実施形態の複数の副UDシート21は、第1副UDシート21aと第2副UDシート21bとを含んでいる。第1副UDシート21aは、板バネ10の長手方向に対して板バネ10の幅方向一方側に5°以上10°以下の範囲の角度で傾斜する方向を単一の配向方向として連続繊維が配向している。第2副UDシート21bは、板バネ10の長手方向に対して板バネ10の幅方向他方側に5°以上10°以下の範囲の角度で傾斜する方向を単一の配向方向として連続繊維が配向している。
The plurality of
言い換えると、第1副UDシート21aの連続繊維は、第1副UDシート21aの法線方向から見て、板バネ10の長手方向一端側から他端側に向けて、反時計回りに板バネ10の長手方向に対して5°以上10°以下の範囲の角度で傾斜する方向に配向している。
In other words, the continuous fibers of the first
また第2副UDシート21bの連続繊維は、第2副UDシート21bの法線方向から見て、板バネ10の長手方向一端側から他端側に向けて、時計回りに板バネ10の長手方向に対して5°以上10°以下の範囲の角度で傾斜する方向に配向している。本実施形態では、複数の副UDシート21は、第1副UDシート21aと第2副UDシート21bとを同数ずつ含んでいる。
Further, the continuous fibers of the second
また上層15及び下層16の各々は、主UD層26、副UD層27、及び遮断層28を有する。主UD層26は、上層15及び下層16を構成する主な層である。主UD層26は、板バネ10の長手方向を単一の配向方向として連続繊維が配向したFRP層であり、本実施形態では、主UDシート積層体22が樹脂中に配置されて構成されている。
Each of the
副UD層27は、板バネ10の板厚方向に主UD層26に積層される層である。副UD層27は、板バネ10の長手方向に対して板バネ10の幅方向に5°以上10°以下の範囲の角度で傾斜する方向を単一の配向方向として連続繊維が配向したFRP層であり、本実施形態では、副UDシート21が樹脂中に配置されて構成されている。
The
上層15及び下層16は、複数の主UD層26の合計部分を主構造として有すると共に、複数の副UD層27の合計部分を副構造として有する。これにより板バネ10は、上下方向の荷重に対する強度を基本性能として有すると共に、ねじり荷重に対しても高い強度を有する。
The
遮断層28は、コア層17の内部で板バネ10の板厚方向にクラックが発生した場合において、クラックが上層15又は下層16にまで進展するのを未然に遮断する。遮断層28は、主UD層26よりもコア層17側で、主UD層26に板バネ10の板厚方向に積層される。
When a crack occurs in the
遮断層28はFRP層であり、第1連続繊維及び第2連続繊維を含む。遮断層28では、板バネ10の長手方向に対して板バネ10の幅方向一方側に40°以上50°以下の範囲の角度で傾斜する方向に第1連続繊維が配向すると共に、板バネ10の長手方向に対して板バネ10の幅方向他方側に40°以上50°以下の範囲の角度で傾斜する方向に第2連続繊維が配向している。第1連続繊維及び第2連続繊維は、強化繊維として機能する。
The
言い換えると、第1連続繊維は、遮断層28の法線方向から見て、板バネ10の長手方向一端側から他端側に向けて、反時計回りに40°以上50°以下の範囲の第1角度に傾斜する方向に配向している。第1角度は、一例として45°である。
In other words, the first continuous fiber is in the range of 40 ° or more and 50 ° or less counterclockwise from one end side to the other end side in the longitudinal direction of the
また第2連続繊維は、遮断層28の法線方向から見て、板バネ10の長手方向一端側から他端側に向けて、時計回りに40°以上50°以下の範囲の第2角度で傾斜する方向に配向している。第2角度は、一例として45°である。
Further, the second continuous fiber is formed at a second angle in the range of 40 ° or more and 50 ° or less clockwise from one end side to the other end side in the longitudinal direction of the
遮断層28の第1連続繊維及び第2連続繊維は、このような角度で傾斜する方向に配向しているため、主UD層26の連続繊維に対して40°以上50°以下の範囲の十分な角度で交差している。
Since the first continuous fiber and the second continuous fiber of the
本実施形態の遮断層28は、第1連続繊維と第2連続繊維とによる織物構造を有する。本実施形態の遮断層28は、前記織物構造からなる少なくとも1つ(ここでは2つ)の織物繊維シート23が樹脂中に配置されて構成されている。ここで言う織物とは、平織物、綾織物、或いは朱子織物等の公知の織物組織を有するものである。
The
なお遮断層28は、織物繊維シート23を有していなくてもよい。この場合、遮断層28は、第1連続繊維を含む第1遮断UDシートと、第2連続繊維を含む第2遮断UDシートとを有していてもよい。
The
即ち遮断層28は、遮断層28の法線方向から見て、板バネ10の長手方向一端側から他端側に向けて、板バネ10の長手方向に対して、第1連続繊維が反時計回りに第1角度で傾斜した方向を単一の配向方向として配向する第1遮断UDシートと、遮断層28の法線方向から見て、板バネ10の長手方向一端側から他端側に向けて、板バネ10の長手方向に対して、第2連続繊維が時計回りに第2角度で傾斜した方向を単一の配向方向として配向する第2遮断UDシートとを有していてもよい。
That is, in the
ここで、第1角度及び第2角度は、同一でもよいし、互いに異なっていてもよい。第1角度及び第2角度が同一である場合、第1角度及び第2角度は、例えば、40°,45°,又は50°のいずれでもよい。また、第1角度及び第2角度が互いに異なる場合、例えば、第1角度が40°,45°,又は50°のいずれかであり、且つ、第2角度が、40°,45°,又は50°のうち第1角度と異なる角度であってもよい。 Here, the first angle and the second angle may be the same or different from each other. When the first angle and the second angle are the same, the first angle and the second angle may be, for example, 40 °, 45 °, or 50 °. When the first angle and the second angle are different from each other, for example, the first angle is either 40 °, 45 °, or 50 °, and the second angle is 40 °, 45 °, or 50. The angle of ° may be different from the first angle.
また、本実施形態の遮断層28は、上層15及び下層16における最もコア層17に近接する部分に配置されている。遮断層28は、上層15及び下層16のうち少なくとも一方が有していればよい。
Further, the
上層15及び下層16の製造時には、板バネ10の板厚方向に複数のプリプレグ(FRPシート)を積層し、所定数のプリプレグが積層される毎に、このプリプレグ積層体150(図6参照)を減圧下で加圧・加熱する。一例として、図5は、図2の上層15の製造時の様子を示す図である。図5に示すように、上層15は、板バネ10の板厚方向に積層された複数のプリプレグにより構成される。複数のプリプレグは、複数の主プリプレグ30と、少なくとも1つ(本実施形態では複数)の副プリプレグ31と、少なくとも1つの遮断プリプレグ32を含む。
At the time of manufacturing the
主プリプレグ30は、主UDシート20に樹脂が含浸されて構成される。副プリプレグ31は、副UDシート21に樹脂が含浸されて構成される。副プリプレグ31は、第1副UDシート21aを含む第1副プリプレグ31aと、第2副UDシート21bを含む第2副プリプレグ31bとを有する。遮断プリプレグ32は、織物繊維シート23に樹脂が含浸されて構成されている。シート20,21,及び23に含浸される樹脂は、エポキシ樹脂であるが、その他の樹脂であってもよく、例えば、ポリイミド、フェノール、ビスマレイミド、ポリイミド、或いはビニルエステル等の熱硬化性樹脂でもよい。
The
一対の第1副プリプレグ31a及び第2副プリプレグ31bは、所定数の主プリプレグ30を板バネ10の板厚方向に積層した主プリプレグ積層体を板バネ10の板厚方向に挟んで配置されている。本実施形態では、第1副プリプレグ31a及び第2副プリプレグ31bは、各主プリプレグ積層体を板バネ10の板厚方向に挟んで交互に配置されている。なお、第1副プリプレグ31a及び第2副プリプレグ31bの少なくとも一方は、板バネ10の板厚方向に連続して配置されていてもよい。
The pair of first sub-prepregs 31a and second sub-prepregs 31b are arranged by sandwiching a main prepreg laminate in which a predetermined number of
上層15及び下層16の製造時には、遮断プリプレグ32が、上層15及び下層16の最もコア層17側に配置された状態で、主プリプレグ30と副プリプレグ31とが遮断プリプレグ32に積層される。複数のプリプレグ30〜32は、減圧下で加圧・加熱されることにより一体化される。
At the time of manufacturing the
なお下層16は、上層15と同様の方法により製造されるが、主プリプレグ30と副プリプレグ31との数が、上層15よりも少ない。また、複数のプリプレグを減圧下で加圧・加熱する方法としては、例えば真空バック法を例示できるが、これに限定されず、例えばオートクレーブ法でもよい。
The
図6は、減圧下で加圧・加熱されるプリプレグ積層体150を示す斜視図である。一般にプリプレグ積層体では、隣接するプリプレグの間に若干の空気が混入する場合がある。この空気の少なくとも一部は、各プリプレグが減圧下で加圧・加熱される際に連続繊維の配向方向に沿って排出される。ここで、プリプレグ積層体の長手方向両端内に混入した空気は、排出経路が比較的短いために排出され易いが、プリプレグ積層体の長手方向中央内に混入した空気は、排出経路が比較的長いために排出されにくい。
FIG. 6 is a perspective view showing a
図6に示すように、これに対して本実施形態では、主UDシート20の連続繊維の切断面F1が主UDシート20の長手方向端面に位置し、副UDシート21の連続繊維の切断面F2が副UDシート21の幅方向側面に位置している。従って、プリプレグ積層体150の長手方向両端面と幅方向両端面に、UDシート20,21の繊維断面が配置されている。
As shown in FIG. 6, on the other hand, in the present embodiment, the cut surface F1 of the continuous fiber of the
これにより、プリプレグ積層体150の長手方向中央内に混入した空気は、副UDシート21の連続繊維の配向方向に沿って排出経路を移動し、副UDシート21の幅方向側面から排出され易くなる。なお、プリプレグ積層体150から排出される空気は、隣接するプリプレグの間に混入した空気だけでなく、各プリプレグ内に混入した空気も含む。
As a result, the air mixed in the center of the prepreg laminated
このように、プリプレグ積層体150を減圧下で加圧・加熱する際、各UDシート20,21の連続繊維の配向方向に沿って、プリプレグ積層体150の内部から空気が効率よく排出される。従って、板バネ10のFRP構造において、空気の混入による内部欠陥が発生するのを抑制でき、板バネ10の製造時における歩留まりの低下を抑え、生産コストの上昇を抑制できる。
In this way, when the
また、プリプレグ積層体150内に複数の主UDシート20と複数の副UDシート21とを配置することで、複数の異なる方向に沿った空気の排出経路を設けることができ、プリプレグ積層体150の内部からの空気の排出効果を一層高めることができる。
Further, by arranging the plurality of
プリプレグ積層体150において、上記のように各UDシート20,21によるプリプレグ積層体150の内部からの空気の排出効果を良好に得るためには、プリプレグ積層体150に各シート20,21が少なくとも1つずつ含まれる状態で、プリプレグ積層体150を減圧下で加圧・加熱することが望ましい。以上のように、予め設定された数のプリプレグ30〜32を積層し、これを減圧下で加圧・加熱することにより、上層15及び下層16が製造される。
In the
なお、本実施形態では、複数のプリプレグ30〜32を用いて上層15及び下層16を製造する例を示したが、上層15及び下層16の製造方法はこれに限定されない。上層15及び下層16のその他の製造方法としては、例えばレジントランスファ成形法(RTM)や、真空アシストレジントランスファ成形法(VARTM)等のレジンインジェクション成形方法(RIM)が挙げられる。また、上層15及び下層16の製造方法は、互いに異なっていてもよい。
In the present embodiment, an example in which the
ここで、FRP構造を備える板バネを製造する場合、板バネにおいて上下方向の荷重に対する強度を効率よく得るためには、板バネの長手方向を単一の配向方向とする連続繊維のみを強化繊維として含むFRP構造を製造することが考えられるが、板バネにねじり荷重が及んだ場合、板バネにクラック等の損傷が発生するおそれがある。 Here, in the case of manufacturing a leaf spring having an FRP structure, in order to efficiently obtain the strength against a load in the vertical direction in the leaf spring, only continuous fibers having the longitudinal direction of the leaf spring as a single orientation direction are reinforced fibers. However, when a torsional load is applied to the leaf spring, damage such as cracks may occur in the leaf spring.
この対策として、板バネのねじり荷重に対する強度を向上させるため、多方向に配向させた連続繊維を強化繊維として含むFRP構造を製造することが考えられるが、この場合、板バネの上下方向の荷重に対する強度が低下し、効率的に板バネを設計することが困難になると共に、板バネの重量増加及び生産コストの上昇を招くおそれがある。 As a countermeasure, in order to improve the strength of the leaf spring against the torsional load, it is conceivable to manufacture an FRP structure containing continuous fibers oriented in multiple directions as reinforcing fibers. In this case, the load in the vertical direction of the leaf spring is considered. It becomes difficult to design the leaf spring efficiently, and the weight of the leaf spring may increase and the production cost may increase.
これに対して本実施形態の板バネ10によれば、板バネ10の長手方向を単一の配向方向として連続繊維が配向した所定数の長尺状の主UDシート20が上下方向に積層された主UDシート積層体22により、上下方向の荷重に対して優れた強度が基本性能として得られる。
On the other hand, according to the
また、板バネ10の幅方向に5°以上10°以下の範囲の角度で傾斜する方向を単一の配向方向として連続繊維が配向した副UDシート21を、主UDシート積層体22に対して板バネ10の板厚方向に積層したことにより、ねじり荷重に対しても高い強度が得られる。具体的には、副UDシート21により板バネ10の幅方向の強度が補強され、板バネ10に幅方向にクラックが発生・進展するのが抑制される。
Further, the
また、上層15及び下層16の各々において、複数の主UDシート20が配置された部分の合計厚み方向寸法が、上層15及び下層16における少なくとも1つの副UDシート21が配置された部分の合計厚み方向寸法よりも大きいので、板バネ10において、上下方向の荷重に対する高い強度を基本性能として確保しながら、ねじり荷重に対する強度を確保し易くすることができる。
Further, in each of the
また、複数の副UDシート21のうち少なくとも一対の副UDシート21が、主UDシート積層体22を板厚方向に挟んでいるので、板バネ10において、主UDシート20と副UDシート21との上下方向の積層順を調整することで、上下方向の荷重と、ねじり荷重とに対する強度のバランスを調整し易くできる。
Further, since at least a pair of
また、複数の副UDシート21は、第1副UDシート21aと第2副UDシート21bとの両方を同数ずつ含むので、板バネ10の長手方向に垂直な周方向に板バネ10がねじれるのを防止し易くできる。
Further, since the plurality of
また、主UDシート20の連続繊維の切断面F1が、主UDシート20の長手方向端面に位置し、副UDシート21の連続繊維の切断面F2が、副UDシート21の幅方向側面に位置しているので、板バネ10の製造時に、各UDシート20,21の積層構造内部から連続繊維の配向方向に沿って空気を効率よく排出でき、空気が残留することでFRP構造に内部欠陥が発生するのを低減できる。
Further, the cut surface F1 of the continuous fiber of the
また、板バネ10における少なくとも1つのFRP構造は、コア層17の板厚方向一方側に積層された上層15、及び、コア層17の板厚方向他方側に積層された下層16のうち少なくとも一方であるので、上層15、下層16、及びコア層17を備える板バネ10において、上下方向の荷重に対する高い強度を基本性能として有しながら、ねじり荷重に対しても高い強度を得ることができる。
Further, at least one FRP structure in the
また、本実施形態のコア層17では、複数の層24のうち、層24の層内、及び、隣接する層24の間の接着層19において、層間剥離等のクラックが上下方向(板バネ10の板厚方向)に延びるように発生する場合が考えられる。また例えば、複数の層24を積層して加圧・加熱することにより一体的に成形されたコア層17等、接着層19を有しないコア層17においても、層24の層内からクラックが上下方向に延びるように発生する場合が考えられる。
Further, in the
ここで、本実施形態の板バネ10によれば、上層15及び下層16において、主UD層26の連続繊維と、遮断層28の第1連続繊維及び第2連続繊維とを、40°以上50°以下の範囲の十分な角度で交差させることができる。
Here, according to the
このため、コア層17において上下方向にクラックが発生した場合、クラックが主UD層26の連続繊維の間隙を通って上下方向に進展するのを、主UD層26よりもコア層17側で主UD層26に板バネ10の板厚方向に積層された遮断層28において未然に遮断できる。よって、コア層17で発生したクラックが上層15又は下層16にまで進展することで、板バネ10の性能が低下して板バネ10の寿命が短縮されるのが防止される。
Therefore, when cracks occur in the
また、コア層17の構造に関わらず、コア層17と遮断層28との間において、クラックが上下方向に発生する場合が考えられる。この場合も、コア層17と遮断層28との間で発生したクラックが上層15又は下層16にまで進展するのが、遮断層28により防止される。
Further, regardless of the structure of the
なお、上層15及び下層16の少なくともいずれかは、主UDシート積層体22を第1主UDシート積層体として有すると共に、この第1主UDシート積層体とは別の複数の第2主UDシート積層体を有していてもよい。第2主UDシート積層体は、複数の主UDシート20を板バネ10の板厚方向に積層して構成される。各第2主UDシート積層体に含まれる主UDシート20の数は異なっている。
At least one of the
板バネ10の板厚方向において、各第2主UDシート積層体は、少なくとも1つの副UDシート21を挟んで配置される。板バネ10に複数の第2主UDシート積層体を配置する場合、例えば、複数の第2主UDシート積層体を、板バネ10の板厚方向にコア層17から遠ざかるにつれて、第2主UDシート積層体に含まれる主UDシート20の数が少なくなるように配置できる。
In the plate thickness direction of the
このような複数の第2主UDシート積層体を、第1主UDシート積層体(主UDシート積層体22)と副UDシート21とに対して組み合わせて用いることで、上下方向の荷重とねじり荷重とに対する板バネ10の強度バランスを細かく調整できる。
By using such a plurality of second main UD sheet laminates in combination with respect to the first main UD sheet laminate (main UD sheet laminate 22) and the
本発明は前述した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。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and its configuration can be changed, added, or deleted without departing from the spirit of the present invention.
1 鉄道車両台車
4 横梁
5 車軸
7 軸受
8 軸箱
10 板バネ
10c 板バネの車両長手方向端部
15 上層
16 下層
17 コア層
20 主UDシート
21 副UDシート
21a 第1副UDシート
21b 第2副UDシート
22 主UDシート積層体
26 主UD層(UD層)
28 遮断層
50 車体
1
28
Claims (13)
前記FRP構造は、
前記板バネの長手方向を単一の配向方向として連続繊維が配向した複数の主UDシートと、
前記長手方向に対して前記板バネの幅方向に5°以上10°以下の範囲の角度で傾斜する方向を単一の配向方向として連続繊維が配向した少なくとも1つの副UDシートと、を有し、
前記複数の主UDシートのうち所定数の主UDシートが上下方向に積層された主UDシート積層体に対して、前記副UDシートが前記板バネの板厚方向に積層されている、鉄道車両台車用板バネ。 A leaf spring for a railroad vehicle bogie having at least one long FRP structure.
The FRP structure is
A plurality of main UD sheets in which continuous fibers are oriented with the longitudinal direction of the leaf spring as a single orientation direction, and
It has at least one sub-UD sheet in which continuous fibers are oriented with a direction in which the leaf spring is inclined at an angle of 5 ° or more and 10 ° or less with respect to the longitudinal direction as a single orientation direction. ,
A railroad vehicle in which a predetermined number of main UD sheets are laminated in the vertical direction among the plurality of main UD sheets, and the sub UD sheets are laminated in the thickness direction of the leaf spring. Leaf spring for bogie.
前記複数の副UDシートのうち少なくとも一対の副UDシートが、前記主UDシート積層体を前記板厚方向に挟んでいる、請求項1又は2に記載の鉄道車両台車用板バネ。 The at least one sub-UD sheet includes a plurality of the sub-UD sheets.
The leaf spring for a railcar bogie according to claim 1 or 2, wherein at least one pair of sub-UD sheets among the plurality of sub-UD sheets sandwiches the main UD sheet laminate in the plate thickness direction.
前記少なくとも1つのFRP構造は、前記コア層の前記板厚方向一方側に積層された上層、及び、前記コア層の前記板厚方向他方側に積層された下層のうち少なくとも一方である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の鉄道車両台車用板バネ。 With more core layer
The at least one FRP structure is at least one of an upper layer laminated on one side of the core layer in the plate thickness direction and a lower layer laminated on the other side of the core layer in the plate thickness direction. The leaf spring for a railcar bogie according to any one of 1 to 5.
前記遮断層は、前記長手方向に対して前記板バネの幅方向に40°以上50°以下の範囲の角度で傾斜する方向に配向した連続繊維を含む、請求項6に記載の鉄道車両台車用板バネ。 At least one of the upper layer and the lower layer has a blocking layer arranged in a portion closest to the core layer.
The railroad vehicle bogie according to claim 6, wherein the blocking layer contains continuous fibers oriented in a direction of inclining at an angle in the range of 40 ° or more and 50 ° or less in the width direction of the leaf spring with respect to the longitudinal direction. Leaf spring.
コア層と、
前記コア層の前記板バネの板厚方向一方側に積層され、前記一対のFRP構造のうち一方である上層と、
前記コア層の前記板厚方向他方側に積層され、前記一対のFRP構造のうち他方である下層と、を備え、
前記上層及び前記下層は、前記板バネの長手方向を単一の配向方向として連続繊維が配向したUD層と、前記UD層よりも前記コア層側で前記UD層に前記板バネの前記板厚方向に積層された遮断層とを有し、
前記遮断層では、前記長手方向に対して前記板バネの幅方向一方側に40°以上50°以下の範囲の角度で傾斜する方向に第1連続繊維が配向すると共に、前記長手方向に対して前記板バネの幅方向他方側に40°以上50°以下の範囲の角度で傾斜する方向に第2連続繊維が配向している、鉄道車両台車用板バネ。 A leaf spring for a railroad vehicle bogie equipped with a pair of long FRP structures.
With the core layer
The upper layer of the core layer, which is laminated on one side of the leaf spring in the plate thickness direction and is one of the pair of FRP structures,
A lower layer, which is laminated on the other side of the core layer in the plate thickness direction and is the other of the pair of FRP structures, is provided.
The upper layer and the lower layer are a UD layer in which continuous fibers are oriented with the longitudinal direction of the leaf spring as a single orientation direction, and the thickness of the leaf spring on the UD layer on the core layer side of the UD layer. It has a barrier layer laminated in the direction,
In the blocking layer, the first continuous fiber is oriented in a direction in which the leaf spring is inclined at an angle in the range of 40 ° or more and 50 ° or less on one side in the width direction of the leaf spring with respect to the longitudinal direction, and is oriented with respect to the longitudinal direction. A leaf spring for a railroad vehicle bogie, in which the second continuous fiber is oriented in a direction in which the second continuous fiber is inclined in a direction of inclining at an angle in the range of 40 ° or more and 50 ° or less on the other side in the width direction of the leaf spring.
前記横梁の車両長手方向両側に配置された車軸を回転自在に支持する軸受をそれぞれ収容する一対の軸箱と、
請求項1〜11のいずれか1項に記載の前記鉄道車両台車用板バネと、を備え、
前記鉄道車両台車用板バネが、車両長手方向に延びるように配置され、その車両長手方向の両端部が前記一対の軸箱に支持された状態で前記横梁を支持している、鉄道車両用台車。 A cross beam that extends in the width direction and supports the body of the railway vehicle,
A pair of axle boxes each containing bearings rotatably supporting the axles arranged on both sides of the cross beam in the longitudinal direction of the vehicle, and
The leaf spring for a railroad vehicle bogie according to any one of claims 1 to 11 is provided.
The railroad vehicle bogie is arranged so as to extend in the vehicle longitudinal direction, and the cross beams are supported in a state where both ends in the vehicle longitudinal direction are supported by the pair of axle boxes. ..
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