JP5007202B2 - 車両用軸ばね - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両、トラック、産業用車両等に用いられる軸ばね装置に係り、詳しくは、主軸とこれと互いに同一又はほぼ同一の軸心を有する外筒との間に、複数の弾性層と硬質隔壁とを前記軸心と同心又はほぼ同心状態で径内外方向で交互に積層する積層ゴム構造の弾性部が介装されて成る車両用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、特許文献１の図５に示すように、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。

ここで、従来の一般的な軸ばねＡは、図３に示すように、鉄道台車（装着対象の一例）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であり、主軸３０とその周囲に配置された外筒３１との間に、複数の中間筒３２，３３と複数のゴム層３４とが同心状態で、かつ、径方向に交互に積層されて軸ばね部３５が構成されている。尚、３７は主軸３０に一体化されるストッパフランジである。

主軸３０は、金属製のものであって、円錐筒状に形成され、その下端には車軸２６の車箱２７に固定するための筒状支軸部３８が形成されている。この主軸３０の周囲に配置される複数の中間筒３２，３３及び外筒３１は、主軸３０と同様に金属製のものであって、円錐筒状に形成されており、これらの筒は径方向で外側に向かうほど上方位置となるよう主軸３０の軸心Ｑの方向にずれた状態で配置される。また、ゴム層３４は、主軸３０、中間筒３２，３３、及び外筒３１の間に介在され、これらに加硫成形されて一体化されている。

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、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。

上記問題を解決するために、前記特許文献１の図１に示すように、主軸の上部に補助ばねを設け、低荷重域（空車時）では補助ばねが作用せず、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、補助ばねが複数の弾性層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装置も開示されている。また、特許文献２の図２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）を下方に延長させて、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構造（所謂メタルタッチ構造）として、非線形特性を出す工夫も試されている。
特開２００３−４０１０７号公報 特開２００６−５７７４６号公報

しかしながら、特許文献１の図１に示される手段では、弾性層とは別に補助ばねを必要とするため、部品点数の増加を伴うことになるとともに、補助ばねを主軸の上部に固定するためには、脱落しない適切な固定手段を用いなければならず、その固定作業も困難を要することが予想される。特許文献２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残るとともに、摩耗や疲労を伴うものであって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、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可能となる非線形特を、部品点数の増加を招くことが極力なく、また騒音や早期摩耗のおそれがなく耐久性にも優れる状態としながら得ることができる改善された車両用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とこれと互いに同一又はほぼ同一の軸心Ｐを有する外筒２との間に、複数の弾性層４と硬質隔壁５とを前記軸心Ｐと同心又はほぼ同心状態で径内外方向で交互に積層する積層ゴム構造の弾性部３が介装されて成る車両用軸ばねにおいて、
前記主軸１と前記外筒２との前記軸心Ｐ方向での相対移動によって膨縮され、かつ、懸架用の流体８で満たされる密閉室７を有して成る流体懸架機構ｂが装備され、
前記流体懸架機構ｂを有しない標準懸架状態と、前記流体懸架機構ｂを装備する複合懸架状態とが選択設定可能に構成され、
前記密閉室７が、前記外筒２の軸心Ｐ方向における一端を閉塞可能な閉塞部６と、前記主軸１と、前記弾性部３とで囲まれる空間部９で構成されるとともに、前記標準懸架状態においては前記閉塞部６が前記外筒２から取外されており、前記複合懸架状態では前記閉塞部６が前記外筒２に密封状態で装着され、
前記閉塞部６が、前記外筒２の上端部にＯリング１１を介して抜け止め状態で内嵌される板状部材に形成されていることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の車両用軸ばねにおいて、前記主軸１が中空部１ｅを有する筒状に形成されるとともに、前記主軸１の前記密閉室側端に前記中空部１ｅを閉塞させる栓１０が装備されていることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の車両用軸ばねにおいて、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ることで成るすり鉢状凹部９Ａを有する円錐積層ゴム構造に構成されるとともに、前記密閉室７が前記すり鉢状凹部９Ａに設けられていることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の車両用軸ばねにおいて、前記流体が不凍液であることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、主軸と外筒との軸心方向での相対移動によって動作する流体封入式の流体懸架機構が装備されているから、それによる明確な非線形特性が得られるようになるから、単にバネ定数を大きくする場合よりも乗り心地を改善しながら大荷重に耐えることができる優れた懸架性能を出すことが可能になる。その結果、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可能となる非線形特を、部品点数の増加を招くことが極力なく、また騒音や早期摩耗のおそれがなく耐久性にも優れる状態としながら得ることができる改善された車両用軸ばねを提供することができる。尚、懸架用の流体としては、請求項４のように、市場に広く出回っていて購入し易く比較的廉価な不凍液を使用することができる。

請求項１の発明によれば、軸ばね部のみによる従来通りの標準懸架状態に設定して、比較的低荷重条件に適した仕様にできるとともに、軸ばね部と流体懸架機構との双方によって懸架する複合懸架状態に設定して、大荷重時にも良好な乗車感と踏ん張りが効く特性が出せて比較的大荷重条件に適した仕様にもできる使い勝手の良い車両用軸ばねを提供することができる。そして、請求項１のように、標準懸架状態の車両用軸ばねに、閉塞部と懸架用の流体とを加えるだけの簡単な構造によって複合懸架状態に設定できる手段が可能であり、それによって経済的に両仕様の使い分けが行える利点がある。この場合、請求項１のように、閉塞部を、円板部材とＯリングという簡単で廉価な構成要素によって経済的に構築することが可能である。

請求項２の発明によれば、栓を加えることにより、外部連通する中空部を有する主軸、即ち、既に市場に出回っている現行品の主軸を設計変更無くそのまま用いることができ、生産性に優れるとか、ユーザーが有する現行品を用いて本発明品に改造できるといった利点が追加される。

請求項３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を有する構成によるすり鉢状凹部を利用して密閉室が設けられており、必要スペースの追加無く或いは少なくしながら十分な容積の密閉室を持つ合理的な複合懸架状態の車両用軸ばねが実現可能になる。

以下に、本発明による車両用軸ばねの実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１，２はそれぞれ実施例１，２による車両用軸ばねの断面図、図３は従来の軸ばね及びその鉄道台車への装着構造例を示す一部切欠きの側面図である。

実施例１による車両用軸ばねＡは、図１に示すように、主軸１とこれと互いに同一（又はほぼ同一でも良い）の縦軸心Ｐを有する外筒２との間に、三層（複数の一例）の弾性層４と二層（複数の一例）の硬質隔壁５とを縦軸心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の弾性部３が介装されて成る軸ばね部ａと、この軸ばね部ａの上部に一体的に装備される流体懸架機構ｂとで構成されている。

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、ストッパフランジ１ｂ、下端開口１ｃ、ネジ部１ｄ（車軸の車箱に固定するために下端開口部１ｃに形成されるネジ部）、中空部１ｅを有する筒状部材に形成されている。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、縦軸心Ｐを中心とする内外三層のゴム層（弾性層の一例）４Ａ，４Ｂ，４Ｃと、同様に内外二層の硬質隔壁５Ａ，５Ｂとから成り、円錐外周面１ａと円錐内周面２ａとの間に介装される状態で主軸１と外筒２とに亘って装備されている。各硬質隔壁５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。各ゴム層４及び各硬質隔壁５は、いずれも縦軸心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。

つまり、軸ばね部ａは、主軸１の外周面１ａ、弾性部３、及び外筒内周面２ａそれぞれの縦軸心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が縦軸心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が縦軸心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。

流体懸架機構ｂは、外筒２の縦軸心Ｐ方向における一端を閉塞してその閉塞部６と主軸１との間に密閉室７を形成し、かつ、その密閉室７に懸架用の流体８を封入することで構成されている。つまり、車両用軸ばねＡには、主軸１と外筒２との縦軸心Ｐ方向での相対移動によって膨縮され、かつ、懸架用の流体８で満たされる密閉室７を有して成る流体懸架機構ｂが装備されているのである。

詳述すると、主軸１の上端には、中空部１ｅを閉塞させるための栓１０が装備されるとともに、外筒２の上端には、Ｏリング１１を介することで外筒上端を密封閉塞するための円板蓋（板状部材の一例）６が閉塞部として内嵌装備されている。従って、外筒２と円板蓋６と弾性部３と栓１０（主軸１）とで囲まれる空間部９によって密閉室７が形成されており、その密閉室７に不凍液（流体の一例）８を空隙なく封入させて満たすことにより、液体封入式の流体懸架機構ｂが構成されている。

主軸１の外周面１ａ、弾性部３、及び外筒２の内周面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ことで成るすり鉢状凹部９Ａが形成されている。即ち、すり鉢状凹部９Ａは空間部９の一部である。

車両用軸ばねＡは、図２に示す実施例２のように、流体懸架機構ｂを有しない標準懸架状態のものと、流体懸架機構ｂを装備する複合懸架状態（図１参照）のものとが選択設定可能に構成された車両用軸ばねＡでも良い。即ち、密閉室７が、外筒２の軸心Ｐ方向における一端を閉塞可能な閉塞部６と、主軸１と、弾性部３とで囲まれる空間部９で構成されるとともに、標準懸架状態においては閉塞部６が外筒２から取外されており（図２参照）、複合懸架状態では閉塞部６が外筒２に密封状態で装着されている（図１参照）のである。

円板蓋６は、Ｏリング１１を介して外筒２に内嵌されており、図１に示すように外筒２に内嵌装備される装着状態と、図２に示すようにＯリング１１と共に外筒２から取外された取外し状態とを選択設定可能に構成されている。円板蓋６が外筒２に内嵌装備される複合懸架状態では、図１に示すように、台車枠２８の受止め支持部２８Ａが外筒２及び円板蓋６の上側に位置しており、密閉室７の圧力が上昇しても円板蓋６の外筒２からの上方への（軸心Ｐに沿って主軸１から離れる方向への）抜け出しを阻止する構成となっている。そして、標準懸架状態で良い場合には、図２に示すように、円板蓋６及びＯリング１１が装着されない状態の外筒２を用いて車両用軸ばねＡとする。

この車両用軸ばねＡは、荷重条件が比較的緩い場合（荷重が軽い場合）には、軸ばね部ａ（弾性部３）のみによって弾性懸架される標準懸架状態（図２参照）に設定し、荷重条件が厳しい場合（荷重が重い場合）には、軸ばね部ａ（弾性部３）と流体懸架機構ｂとの双方によって弾性懸架される複合懸架状態（図１参照）に設定することができる。

密閉室７に満たされる液体（不凍液）８は非圧縮性であり、車両用軸ばねＡに作用する荷重が変動しても密閉室７の体積（容積）は一定に保つようになるため、複合懸架状態では、荷重が増すと弾性部３が通常の弾性変形をするだけでなく、下方への膨らみ変形も加味されるモード（変形モード）となる。そして、車両用軸ばねＡとしての挙動は、鉄道車両の荷重によるゴム層４Ａ，４Ｂ，４Ｃ本来の弾性変形と、不凍液８が容積一定を保つために密閉室７が弾性層４を押出す変形とが合成された挙動（複合挙動）となり、非線形特性が明確化されるようになる。

つまり、標準懸架状態では、弾性部３の弾性変形では僅かに非線形特性（弾性変形量が増すに連れてバネ定数も大きくなる特性）が生じる程度であって殆ど線形特性を呈するが、流体懸架機構ｂが加味される複合懸架状態では、明確な非線形特性が得られる。しかも、標準懸架状態の車両用軸ばねＡに、円板蓋６とＯリング１１と流体（不凍液）８とを加えるだけの簡単な構造によって複合懸架状態に設定（切換）できるので、干渉を伴う非線形ゴムばねと比較して経年変化が小さく、初期性能が維持され易い利点がある。

〔別実施例〕
主軸1、外筒２、弾性部３が軸心Ｐに沿う平行な円筒形を呈する軸ばねや、密閉室７が主軸１の下方に配置される形状の軸ばねでも良い。複合懸架状態における密閉室７に満たされる流体は、砂等の粉体、作動油（オイル）等の不凍液以外の液体や、空気、窒素等の気体（ガス）を用いても良い。また、車両用軸ばねは、エンジンを車体に防振支持するエンジンマウントとして使うことも可能である。

実施例１による軸ばねの構造を示す断面図 実施例２による軸ばねの構造を示す断面図 鉄道台車に装備された従来の軸ばねを示す一部切欠きの側面図

１ 主軸
１ａ 外周面
１ｅ 中空部
２ 外筒
２ａ 内周面
３ 弾性部
４ 弾性層
５ 硬質隔壁
６ 閉塞部
７ 密閉室
８ 懸架用の流体
９ 空間部
９Ａ すり鉢状凹部
１０ 栓
１１ Ｏリング
Ａ 車両用軸ばね
Ｐ 軸心
ｂ 流体懸架

Claims (4)

1. 主軸とこれと互いに同一又はほぼ同一の軸心を有する外筒との間に、複数の弾性層と硬質隔壁とを前記軸心と同心又はほぼ同心状態で径内外方向で交互に積層する積層ゴム構造の弾性部が介装されて成る車両用軸であって、
   前記主軸と前記外筒との前記軸心方向での相対移動によって膨縮され、かつ、懸架用の流体で満たされる密閉室を有して成る流体懸架機構が装備され、
   前記流体懸架機構を有しない標準懸架状態と、前記流体懸架機構を装備する複合懸架状態とが選択設定可能に構成され、
   前記密閉室が、前記外筒の軸心方向における一端を閉塞可能な閉塞部と、前記主軸と、前記弾性部とで囲まれる空間部で構成されるとともに、前記標準懸架状態においては前記閉塞部が前記外筒から取外されており、前記複合懸架状態では前記閉塞部が前記外筒に密封状態で装着され、
   前記閉塞部が、前記外筒の上端部にＯリングを介して抜け止め状態で内嵌される板状部材に形成されている車両用軸ばね。
2. 前記主軸が中空部を有する筒状に形成されるとともに、前記主軸の前記密閉室側端に前記中空部を閉塞させる栓が装備されている請求項１に記載の車両用軸ばね。
3. 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ることで成るすり鉢状凹部を有する円錐積層ゴム構造に構成されるとともに、前記密閉室が前記すり鉢状凹部に設けられている請求項１又は２に記載の車両用軸ばね。
4. 前記流体が不凍液である請求項１〜３の何れか一項に記載の車両用軸ばね。

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