JP5427920B2 - 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。

この種の軸ばねを用いた車両としては、特許文献１において開示された鉄道車両用のものが知られている。即ち、特許文献１の図２に示されるように、車軸を支える車軸箱２７を台車枠２８に懸架支持させる手段であって、上下向きの姿勢で車軸箱の前後に一つずつ配される状態で台車に組み込まれている。

この軸ばねでは、弾性部のゴムがクッションバネになっているとともに、そのゴムの持つ粘性により、若干ではあるがダンパ（減衰）機能も持ち合わせている。言い換えると鉄道用台車においては、高い減衰性能を必要としない場合等に軸ばねを用いた懸架構造が採られている。鉄道台車に用いられる軸ばねは、弾性部等の断面ハ字状を呈するもの、即ち、円錐積層ゴム構造を有する軸ばねである。

軸ばねを用いる構造の台車において、高い減衰性能を持たせたい場合には、まず弾性部の弾性層を構成するゴムを減衰性の高い材料のもの、所謂「高減衰ゴム」を用いることが考えられる。しかしながら、ゴムの減衰性を高くすると要求されるクリープ性能を満たすことができなくなり、クリープ性能を満たすようにすると減衰性は悪くなってしまうという具合に、減衰性能とクリープ性能とは相反する特性であるため、実現が困難である。

そこで、主軸を中空の筒軸状のもの（特許文献１の図３や図４を参照）に形成し、その中空部のスペースを利用してダンパ機構を設ける手段が考えられる。例えば、中空部をシリンダに形成して作動油等の減衰用流体を入れるとともに、そのシリンダ内において軸心方向に摺動移動するオリフィス付ピストンを外筒側に支持させる、といった構成のダンパ機構が考えられる。しかしながら、この手段では、構造の複雑化、部品点数の増加、重量増、コストアップが余儀なくされてしまう。

また、特許文献２（図１等を参照）や、特許文献３（図１，図３を参照）に示されるように、別体のダンパ装置を軸ばねと併設させる手段も考えられる。この手段では、軸ばねのとしての「構造の複雑化」は回避されるが、まとまった配置スペースが別途必要になるとともに、重量増やコストアップの問題は依然として残る。従って、高い減衰性能を持つ車両用軸ばねの実現には、更なる改善の余地が残されているものであった。
特開２００２−２９５５８４号公報 特開２００１−０６３５６７号公報 特開２００６−２８１９６９号公報

本発明の目的は、更なる構造工夫により、部品点数の増加やコストアップが極力少なくなるようにしながら、専用の配置スペースが不要で簡易なダンパ付の車両用軸ばねを実現して提供する点にある。

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、
断面がハ字状の前記外筒２は、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、
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、前記軸心Ｐに沿う方向での断面視形状がハ字状に形成される円錐積層ゴム構造の軸ばね部ａを有し、
前記主軸１は、中空部１ｅを有して前記軸心Ｐ方向に貫通する筒状部材に形成されるとともに、前記中空部１ｅに蓋をして閉塞させる栓１０が前記主軸１のダンパ室側端に装備され、
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る膨縮が可能なダンパ室９と、このダンパ室９に連通されるオリフィス１２と、を有して成るダンパ機構ｂが装備され、
前記ダンパ室９が、前記外筒２の軸心方向における一端を閉塞する閉塞部６と、前記主軸１と、前記栓１０と、前記弾性部３とで囲まれる空間部７で構成され、
前記栓１０に前記中空部１ｅと前記ダンパ室９とを連通させる前記オリフィス１２が形成されている車両用軸ばね。

請求項１の発明によれば、主軸と外筒との相対上下動に伴うダンパ室の膨縮により、ダンパ室とその外部とを連通するオリフィスを流体が通過し、それによって減衰力（減衰性能）を得ることができる。ダンパ室は、元々備わっている構成要素である主軸と外筒との軸心方向の相対移動を利用したものであるから、ダンパ室を膨縮させるための特別な構造が不要である。その結果、更なる構造工夫により、部品点数の増加やコストアップが極力少なくなるようにしながら、専用の配置スペースが不要で簡易なダンパ付の車両用軸ばねを実現して提供することができる。この場合、ダンパ室は、請求項１のように、外筒の軸心方向における一端を閉塞する閉塞部と、主軸と、弾性部とで囲まれる空間部で構成する手段を採ることが可能である。

請求項１の発明によれば、外部連通する中空部を有する主軸、即ち、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る利点があるとともに、そのために主軸上端に装備される栓、即ち新設部品である栓にオリフィスも形成してあるから、多機能化が図られた栓とする合理構成が可能となる利点もある。

実施例１による車両用軸ばねの構造を示す断面図 参考実施例１による車両用軸ばねの構造を示す断面図 参考実施例２による車両用軸ばねの構造を示す断面図 図１における弾性部の第１別構造を示す要部の断面図 図１における弾性部の第２別構造を示す要部の断面図 図３における弾性膜の別構造を示す要部の断面図

以下に、本発明による車両用軸ばねの実施の形態を、鉄道車両の台車における懸架用として用いられる場合について図面を参照しながら説明する。図１は実施例１の車両用軸ばねを示す断面図、図２，３はそれぞれ参考実施例１，２の車両用軸ばねを示す断面図、図４，５は図１の車両用軸ばねの別構造を示す要部の断面図、図６は図３の車両用軸ばねの別構造を示す要部の断面図である。

〔実施例１〕
実施例１による車両用軸ばねＡは鉄道台車に使用されるものであって、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の上部に一体的に形成されるダンパ機構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主軸１の下端部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。

ダンパ機構ｂは、主軸１と外筒２との縦軸心Ｐ方向での相対移動による膨縮（「膨張と縮小」の略）が可能なダンパ室９と、このダンパ室９に連通されるオリフィス１２と、オリフィス１２に続くオリフィスチューブ１３と、を有して構成されている。ダンパ室９は、外筒２の縦軸心Ｐ方向における一端である上端を閉塞する閉塞部６と、主軸１と、弾性部３とで囲まれる空間部７で構成されている。主軸１の上端には、中空部１ｅに蓋をして閉塞させる栓１０が装備されており、その栓１０も空間部７の構成要素になっているとともに、栓１０を縦軸心Ｐ方向に貫通する小径の孔１０ａを形成して主軸１の中空部１ｅとダンパ室９とを連通させるオリフィス１２とされている。閉塞部６は、Ｏリング１１を介して外筒２の上端に内嵌される円板蓋によって構成されている。

そして、主軸１の中空部１ｅに、栓１０のオリフィス１２に連続される第２オリフィスとも言うべき螺旋状のオリフィスチューブ１３が配備されている。例えば、オリフィスチューブ１３は、オリフィス１２と同等の小径内径を有して予め螺旋状に形成されチューブ（金属管、非鉄金属管、合成樹脂製管、等）を設けて構成される。そして、オリフィスチューブ１３の先端開口部１３ａは、下端開口１ｃを介して外部に通ずる中空部１ｅ内において開放されており、その結果、ダンパ機構ｂは、オリフィス１２の先端部が大気開放されるエアダンパー機構に構成されている。

つまり、ダンパ室９を形成する空間部７には空気（大気、エア）が充満されており、鉄道車両（図示省略）の荷重変動や走行振動等によって外筒２が主軸１に対して上下移動することによるダンパ室９の膨縮が生じると、それに伴う空間部７と外部とのエアの流通が小径で長さの長いオリフィス１２及びオリフィスチューブ１３を介して行われることによる空気の流通抵抗により、主軸１と外筒２との相対上下変動が減衰されるダンパ機能が発揮されるのである。オリフィスチューブ１３の付設によって大なる減衰力を出してあるが、小なる減衰力で良い場合には、オリフィスチューブ１３を省略して栓１０のオリフィス１２のみを有するダンパ機構ｂでも良い。

実施例１による車両用軸ばねＡによれば、次のような特徴を有している。主軸１と外筒２との相対上下動に伴って空気（エア）がオリフィス１２，１３を通過することにより、高い減衰性能を得ることができる。栓１０のオリフィス１２に続く気柱共鳴管であるオリフィスチューブ１３を設けることにより、特定の周波数に対して振動低減を図ることが可能となっている。つまり、オリフィスチューブ１３（気中共鳴管）の固有振動数を問題となっている周波数に合せることにより、特定周波数のエネルギーをオリフィスチューブ１３で吸収させることが可能になるのである。

また、弾性部３のゴム層４にすぐり孔が設けられている場合では、図４，図５に示すように、すぐり孔２１を閉塞するに足りるゴム膜等の閉塞膜２２を設けることで対処する。これらの閉塞膜２２，２２は、軸ばねの製造過程ですぐり孔２１に膜を設けることも可能である。図４は、外側ゴム層４Ｃのすぐり孔２１に形成された最小面積の閉塞膜２２の一例を示し、図５は、外側ゴム層４Ｃのすぐり孔２１に形成された傾斜した楕円閉塞膜２２の一例を示すそれぞれ要部の断面図である。尚、すぐり孔及びその弊害を補う閉塞膜の抱き合わせ構成は、後述する参考実施例１，２においても同様に適用可能である。

〔参考実施例１〕
参考実施例１による車両用軸ばねＡは、図２に示すように、オリフィス１２が異なる以外は実施例１の車両用軸ばねＡと同じである。その異なるオリフィス１２は、軸心方向に貫通する状態で弾性層３に、具体的には中間ゴム層４Ｂに形成される貫通孔１４を有して構成されている。この場合は栓１０の孔１０ａ（図１参照）は省略される。尚、図２に仮想線で示すように、小径の内部流路を有して内側ゴム層４Ａを上下に貫通するオリフィスチューブ１５を設けてオリフィス１２とする手段でも良く、この手段ではチューブ１５の長さ調節によってオリフィス１２としての長さ（減衰性）の可変調節設定が行える点で有利である。

〔参考実施例２〕
参考実施例２による車両用軸ばねＡは、図３に示すように、ダンパ機構ｂが異なる以外は実施例１の車両用軸ばねＡと同じである。その異なるダンパ機構ｂは、外筒２の上端に固定される面板１６と、主軸１と、これら面板１６と主軸１とに亘って張設される弾性膜１７とで囲まれる空間部１８で形成されるダンパ室９を有して構成されている。上下方向視の形状が円形を為す面板１６は外筒２の上端内側の嵌合内周面２ｂに内嵌されて、段差部２ｃで下限位置が固定される状態で先に嵌合内周面２ｂに内嵌されている円環状の取付座１９の上側に、Ｏリング１１を介して積層配置されている。

弾性膜１７は、上下方向視で円形を為すラッパ状（スピーカーにおけるコーン型振動板状）に形成されるものであって、強化繊維入りゴム等の弾性材を用いて形成されている。弾性膜１７の上端部は、取付座１９の内周面１９ａに内嵌される上端周壁１７ａと、取付座１９の下面１９ｂに沿う上端フランジ部１７ｂとによって取付座１９に密封嵌合されるとともに、弾性膜１７の下端部は、主軸１の上端に装備される栓１０の上端壁に密着接合されている。その結果、面板６と弾性膜１７と栓１０（主軸１）とで囲まれる空間部１８がダンパ室９を形成している。

栓１０には、図１の場合と同様に上下に貫通する孔１０ａによるオリフィス１２が形成されているとともに、そのオリフィス１２に続くオリフィスチューブ１３が中空部１ｅに内装されている点も実施例１のものと同様である。また、弾性部３には、具体的には外側弾性層４Ｃには、縦軸心Ｐ方向に貫通する空気給排用孔２０が形成されている。空気給排用孔２０は、例えば外側弾性層４Ｃの径方向厚みを直径とする円孔が挙げられる（図３）が、その他の孔でも良い。

参考実施例２の車両用軸ばねＡにおいては、主軸１と外筒２との相対上下移動が生じると、弾性膜１７等によるダンパ室９が膨縮変化し、それによってオリフィス１２，１３を介しての外部との空気給排による減衰力が生じるダンパ機構ｂが構築されている。但し、弾性部３に設けられている空気給排用孔２０を通じての空気給排により、面板１６と、弾性部３と、栓１０等で囲まれた部分におけるダンパ室９以外の部分の容積が、外筒２と主軸１との相対上下動によって変化しないように構成されている。

参考実施例２による車両用軸ばねＡによれば、次のような特徴を有している。主軸１と外筒２との相対上下動に伴って空気（エア）がオリフィス１２，１３を通過することにより、高い減衰性能を得ることができる。栓１０のオリフィス１２に続く気柱共鳴管であるオリフィスチューブ１３を設けることにより、特定の周波数に対して振動低減を図ることが可能となっている。つまり、オリフィスチューブ１３（気中共鳴管）の固有振動数を問題となっている周波数に合せることにより、特定周波数のエネルギーをオリフィスチューブ１３で吸収させることが可能になる。

弾性膜１７の形状に関しては、図３に示す円滑な表面形状を有する形状でも良いが、次のようなものでもの良い。即ち、膜素材の剛性高い場合は、図６に示すように、径内側への折返し部２３を複数有して、幾重に折り重ねた提灯のようにすることにより、高い追従性と効率の良い空気給排気〔ダンパ室９と大気（外部）との間のオリフィス１２を介したエアの給排気〕が実現できる。

〔別実施例〕
オリフィス１２や１３の先端開口に続く密閉容器であるタンク室を設け、これらオリフィス、タンク室、及びダンパ室にエアや各種ガス（窒素ガス等の不活性ガス）、或いはガスと油（流体）との双方が入れられたダンパ機構ｂも可能である。

１ 主軸
１ｅ 中空部
２ 外筒
３ 弾性部
４ 弾性層
５ 硬質隔壁
６ 閉塞部
７ 空間部
９ ダンパ室
１０ 栓
１２ オリフィス
１４ 孔
１６ 面板
１７ 弾性膜
１８ 空間部
２０ 空気給排用孔
Ａ 車両用軸ばね
Ｐ 軸心
ａ 軸ばね部
ｂ ダンパ機構

Claims (1)

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ばねであって、
   断面がハ字状の前記外筒は、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、
   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、前記軸心に沿う方向での断面視形状がハ字状に形成される円錐積層ゴム構造の軸ばね部を有し、
   前記主軸は、中空部を有して前記軸心方向に貫通する筒状部材に形成されるとともに、前記中空部に蓋をして閉塞させる栓が前記主軸のダンパ室側端に装備され、
   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る膨縮が可能なダンパ室と、このダンパ室に連通されるオリフィスと、を有して成るダンパ機構が装備され、
   前記ダンパ室が、前記外筒の軸心方向における一端を閉塞する閉塞部と、前記主軸と、前記栓と、前記弾性部とで囲まれる空間部で構成され、
   前記栓に前記中空部と前記ダンパ室とを連通させる前記オリフィスが形成されている車両用軸ばね。

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