JP2002257169A

JP2002257169A - 鉄道車両用高疲労強度軸ばね

Info

Publication number: JP2002257169A
Application number: JP2001058423A
Authority: JP
Inventors: Koji Asano; 浩二浅野; Kazunori Watanabe; 一範渡辺; Taizo Makino; 泰三牧野; Masanori Sawada; 雅典澤田; Mitsusachi Yamamoto; 三幸山本
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd; East Japan Railway Co
Current assignee: Nippon Steel Corp; East Japan Railway Co
Priority date: 2001-03-02
Filing date: 2001-03-02
Publication date: 2002-09-11

Abstract

(57)【要約】【課題】軽量化を図りつつ、ばね座端部と一巻き目と
の接触部における発生応力を低減させ、高疲労強度を達
成すること。【解決手段】ばね素線をコイリングした鉄道車両用軸
ばねである。最弱部位であるばね座の端部と一巻き目と
の間で圧縮荷重が負荷された時に接触する部分の形状
を、圧縮荷重が負荷されていない状態では、ばね座端部
と一巻き目との隙間量が３ｍｍ以上、７ｍｍ以下であ
り、ばね素線径をｄ、コイル中心径をＤとした場合、設
計荷重を負荷した状態で、ｄ／２０の幅を有する部分の
長さがＤ／８以上である接触面を確保する。【効果】鉄道車両用軸ばねの高疲労強度化を、接触部
形状の改善で実現でき、鉄道車両の軽量化による省エネ
ルギーに寄与するばかりでなく、その高速化にともなう
車軸等のばね下部品の発生応力の増大を抑制する効果が
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉄道車両等に用い
られる車軸の両端（ジャーナル部）に嵌め合わされた軸
受と台車枠との間に配される、一般に軸ばねと呼ばれる
コイルばねに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】鉄道車両用の軸ばねは、車輪とレールと
の接触から生じる振動、衝撃を緩和する目的で使用さ
れ、通常、車軸の両端（ジャーナル部）に嵌め合わされ
た軸受と台車枠との間に配されており、通常、コイルば
ねの形態となっている。

【０００３】近年の鉄道車両の高速化に伴い、軸ばねの
軽量化が要求されている。このため、材料を高強度化
し、設計応力を上げることで線径を小さくすることが検
討されている。しかしながら、線径を小さくすると、ば
ね座端部と一巻き目との間で接触して微小な相対すべり
が生じるため、フレッティング疲労と呼ばれる摩耗を伴
った疲労破壊が生じるといった問題点があった。

【０００４】このような問題点を解決するには、発生応
力を低減させる方法と一巻き目を強化させる方法の二通
りのアプローチが考えられる。前者の方法としては、特
開昭６２−２５８２３６号にあるように、ばねの線径を
端部と中央部で変化させ、線径を大きくした一巻き目で
の発生応力を低減させる方法が考えられる。しかしなが
ら、このような方法では、線径を変化させるために機械
加工が必要であり、作業工程が余分に必要になる。ま
た、線径が大きくなっている部分があるため、その分重
量が増加するといった問題がある。

【０００５】一方、後者の方法としては、ショットピー
ニングによって表面層に圧縮残留応力を付与して強化す
る方法が考えられる。しかしながら、疲労破壊が生じる
一巻き目のばね座端部に面した部分に対してショットピ
ーニングによりショット粒を投射しても、一巻き目とば
ね座端部との隙間が２ｍｍ程度しかないため、投射角度
が限られ、疲労強度向上に効果があるレベルの圧縮残留
応力を付与することは困難であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記した問
題点に鑑みてなされたものであり、軽量化を図りつつ、
ばね座端部と一巻き目との接触部における発生応力を低
減させ、高疲労強度を達成できる鉄道車両用高疲労強度
軸ばねを提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明の鉄道車両用高疲労強度軸ばねは、ばね
座の端部と一巻き目との間で圧縮荷重が負荷された時に
接触する部分の形状を、圧縮荷重が負荷されていない状
態では、ばね座端部と一巻き目との隙間量が３ｍｍ以
上、７ｍｍ以下であり、ばね素線径をｄ、コイル中心径
をＤとした場合、設計荷重を負荷した状態で、ｄ／２０
の幅を有する部分の長さがＤ／８以上である接触面を確
保することとしている。そして、このようにすること
で、ばね座の端部と一巻き目との接触部の面圧、すなわ
ち、発生応力を低減させ、高疲労強度が達成される。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の鉄道車両用高疲労強度軸
ばねは、ばね素線をコイリングした鉄道車両用軸ばねに
おいて、最弱部位であるばね座の端部と一巻き目との間
で圧縮荷重が負荷された時に接触する部分の形状を、圧
縮荷重が負荷されていない状態では、ばね座端部と一巻
き目との隙間量が３ｍｍ以上、７ｍｍ以下であり、ばね
素線径をｄ、コイル中心径をＤとした場合、設計荷重を
負荷した状態で、ｄ／２０の幅を有する部分の長さがＤ
／８以上である接触面が確保されているものであり、必
要に応じて、１段目はショット粒径を０．６〜１ｍｍ、
アークハイトを１〜１．３ｍｍＡとし、２段目以降はシ
ョット粒径を０．１〜０．４ｍｍとした条件で、２段階
以上のショットピーニングを施す。

【０００９】本発明の鉄道車両用高疲労強度軸ばねの形
状を図１に模式的に示す。ばね座の端部と一巻き目との
間で圧縮荷重が負荷された時に接触する部分を、図１中
にＡで記している。

【００１０】本発明の鉄道車両用高疲労強度軸ばねにお
いて、図２（ａ）に示すように、圧縮荷重が負荷されて
いない状態で、ばね座端部と一巻き目との隙間量Ｌを３
ｍｍ以上、７ｍｍ以下としたのは、隙間量Ｌが３ｍｍ未
満の場合には、接触部Ａでばね座と一巻き目が接触する
最小荷重が小さくなり、設計荷重で接触部Ａに生じる接
触面圧が大きくなるからである。接触面圧が大きいと摩
擦に起因した発生応力が大きくなり、接触部Ａのフレッ
ティング疲労強度が低下する虞がある。また、後述のシ
ョットピーニングでショット粒が接触部Ａに投射され難
くなり、接触部Ａに期待された圧縮残留応力が得られな
い虞がある。

【００１１】反対に隙間量Ｌが７ｍｍを超えると、接触
部Ａの面圧は下がるものの、図１のＢ部に生じる曲げ応
力が大きくなり、Ｂ部を起点として疲労破壊が生じる可
能性があるからである。

【００１２】また、本発明の鉄道車両用高疲労強度軸ば
ねにおいて、図２（ｂ）（ｃ）に示したように、設計荷
重を負荷した状態で、ｄ／２０の幅を有する部分の長さ
がＤ／８以上である接触面が確保されていることとした
のは、接触面の長さがＤ／８未満であると、接触面積が
小さくなるため、接触面圧が大きくなり、接触部Ａのフ
レッティング疲労強度が低下する虞があるからである。
なお、接触面の寸法は、設計荷重が負荷された時に接触
部Ａに感圧紙等を挟んで測定する。

【００１３】以上のような接触部形状の変更だけでもば
ねの高疲労強度化にはかなりの効果が得られるが、更な
る高疲労強度化を実現するには、圧縮残留応力の付与に
よって亀裂進展を抑制するために、１段目はショット粒
径を０．６〜１ｍｍ、アークハイトを１〜１．３ｍｍＡ
とし、２段目以降はショット粒径を０．１〜０．４ｍｍ
とした条件で、２段階以上のショットピーニングを施す
ことが望ましい。このうち、１段目のショットピーニン
グでは、表面から深さ０．５ｍｍ程度までの領域に圧縮
残留応力を生じさせ、また、２段目のショットピーニン
グではごく表面の圧縮残留応力を増加させる。

【００１４】１段目のショット粒径が０．６ｍｍ未満で
あると、上記のアークハイトを得るのに非常に大きな投
射速度が必要となり現実的でない。反対に、１段目のシ
ョット粒径が１ｍｍを超えると、隙間量が３〜７ｍｍで
ある接触部Ａにショット粒が効率的に投射されず、期待
された圧縮残留応力が得られないからである。

【００１５】また、１段目のアークハイトが１ｍｍＡ未
満であると、投射角度の制限がある接触部Ａに期待され
た圧縮残留応力が得られない。反対に、１段目のアーク
ハイトが１．３ｍｍＡを超えると、いわゆるオーバーピ
ーニングと呼ばれる状態となり、表面の圧縮残留応力値
が小さくなるからである。

【００１６】２段目以降のショット粒径が０．１ｍｍ未
満であると、１段目のショットピーニングで生じた圧縮
残留応力がほとんど変化しない。反対に２段目以降のシ
ョット粒径が０．４ｍｍを超えると、１段目のショット
ピーニングを長時間実施した場合と同様になり、オーバ
ーピーニングに近い状態となるからである。なお、ばね
の製造工程において、ショットピーニングは、コイリン
グ、熱処理、ばね座加工後、セッティング前等に行うこ
とが好ましい。

【００１７】本発明の鉄道車両用高疲労強度軸ばねは、
ばね座の端部と一巻き目との間で圧縮荷重が負荷された
時に接触する部分の形状を上記したように規定したの
で、前記接触部の面圧、すなわち、発生応力を低減さ
せ、高疲労強度が達成される。

【００１８】加えて、この本発明の鉄道車両用高疲労強
度軸ばねにおいて、上記した条件の２段階以上のショッ
トピーニングを施し、圧縮残留応力を付与した場合に
は、疲労亀裂の進展が抑制され、更なる高疲労強度が達
成される。

【００１９】

【実施例】上記した本発明の効果を確認するために、実
際に軸ばねを試作し、本発明を実施した場合と実施して
いない場合とを比較した。試作したばねの諸元は、ばね
常数が１５００Ｎ／ｍｍ、ばね自由長が３００ｍｍ、静
荷重は８３ｋＮ、動荷重は２５ｋＮである。設計応力を
最大剪断応力で８５０ＭＰａとすると、この諸元より、
ばね素線径は４３ｍｍ、総巻き数は５．５、コイル中心
径は２７０ｍｍとなる。

【００２０】このような形状のばねについて、ＪＩＳ
ＳＵＰ１０ばね鋼を用い、図３に示したフローチャート
のように、端部を加工した素線を熱間でコイリングした
後、焼入焼戻しによる熱処理を施し、その後、圧縮荷重
が負荷された時の一巻き目と接触するばね座の端部を仕
上げ加工した後、ショットピーニングを施し、セッティ
ングした。

【００２１】ばね素線は、コイリング前にばね座となる
端部が図４に示す形状となるように、圧延・機械加工し
ており、本発明の接触部形状を得るために、図４に示し
たばね座端部の角度θを調整した。接触部の形状として
は、荷重が負荷されていない状態で隙間量が５ｍｍ、設
計荷重（上記静荷重＋動荷重）が負荷されたときの接触
面寸法については、ばね素線の円周方向の幅が２．２ｍ
ｍの部分が、ばね素線長手方向に４３ｍｍの長さ存在し
た。

【００２２】通常の１段階のみのショットピーニングを
施したばねを本発明例１ａ（請求項１に対応するも
の）、２段階のショットピーニングを施したものを本発
明例２（請求項２に対応するもの）とした。また、本発
明例１ａ及び本発明例２と接触部の形状は同じである
が、ショットピーニングの条件を変えた４種類のばねを
本発明例１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ（請求項１に対応する
もの）とした。本発明例２とショットピーニング条件は
同じであるが、接触部の形状が異なる３種類のばねを製
作し、比較例１〜３とした。

【００２３】本発明例１ａのショットピーニングの条件
は、ショット粒径が０．８ｍｍ、アークハイトが０．８
ｍｍＡとした。また、本発明例２のショットピーニング
の条件は、1 段目のショット粒径を0 ．7 ｍｍ、アーク
ハイトを１．１ｍｍＡとし、２段目のショット粒径を
０．２ｍｍとした。下記表１に製作した全てのばねの接
触部形状とショットピーニング条件をまとめて示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】本発明例および比較例のばねの耐久性を評
価するために疲労試験を行った。疲労試験は、電機油圧
サーボ型の疲労試験機を用い、ばねに静荷重相当の圧縮
荷重を平均荷重として与え、さらに動荷重相当の振幅の
荷重を与えている。まず、設計荷重と同じ、最大剪断応
力（τｍａｘ）が８５０ＭＰａとなる条件ですべてのば
ねを疲労試験した。その結果を下記表２に示す。

【００２６】接触部の形状が本発明の範囲内である、本
発明例１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，２では１×１０
⁷ 回の繰返し数でも破断せず、本発明で規定した接触部
の形状がばねの高疲労強度化に有効であることが判っ
た。次に、τｍａｘが９５０ＭＰａとなる条件で本発明
例のばねを疲労試験した。その結果も併せて表２に示
す。ショットピーニングの条件が本発明の範囲内である
本発明例２では１×１０⁷回の繰返し数でも破断せず、
本発明で規定した接触部の形状がばねの更なる高疲労強
度化に有効であることが判った。

【００２７】

【表２】

【００２８】本発明のばねに使用される素材は特に規定
しないが、主として鉄鋼材料、例えばＪＩＳＳＵＰ
９、ＳＵＰ１０、ＳＵＰ１１等に代表されるばね用鋼で
良い。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の鉄道車両
用高疲労強度軸ばねは、鉄道車両用軸ばねの高疲労強度
化を、接触部形状の改善とショットピーニング条件の適
正化で実現することができる。これは、鉄道車両の軽量
化による省エネルギーに寄与するばかりでなく、その高
速化にともなう車軸等のばね下部品の発生応力の増大を
抑制する効果があることを意味する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の鉄道車両用高疲労強度軸ばねの形状を
示す模式図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図であ
る。

【図２】（ａ）は本発明の鉄道車両用高疲労強度軸ばね
における、ばね座の端部と一巻き目との間で圧縮荷重が
負荷される前の説明図、（ｂ）は同じく圧縮荷重が負荷
た時の接触部分の説明図、（ｃ）は（ｂ）の接触面部分
の平面図である。

【図３】本発明の鉄道車両用高疲労強度軸ばねの製造工
程を説明するフローチャートである。

【図４】（ａ）は本発明の鉄道車両用高疲労強度軸ばね
のコイリング前のばね素線端部付近の形状を示す模式
図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）
のＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は（ａ）のＣ−Ｃ’断面図で
ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者渡辺一範東京都渋谷区代々木２丁目２番２号東日本旅客鉄道株式会社総合企画本部内 (72)発明者牧野泰三大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者澤田雅典大阪府大阪市此花区島屋５丁目１番109号住友金属工業株式会社関西製造所製鋼品事業所内 (72)発明者山本三幸大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内Ｆターム(参考） 3J059 AC05 AE04 BA04 BA08 EA08 GA02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ばね素線をコイリングした鉄道車両用軸
ばねにおいて、最弱部位であるばね座の端部と一巻き目
との間で圧縮荷重が負荷された時に接触する部分の形状
を、圧縮荷重が負荷されていない状態では、ばね座端部
と一巻き目との隙間量が３ｍｍ以上、７ｍｍ以下であ
り、ばね素線径をｄ、コイル中心径をＤとした場合、設
計荷重を負荷した状態で、ｄ／２０の幅を有する部分の
長さがＤ／８以上である接触面が確保されていることを
特徴とする鉄道車両用高疲労強度軸ばね。
【請求項２】請求項１記載の鉄道車両用高疲労強度軸
ばねにおいて、１段目はショット粒径を０．６〜１ｍ
ｍ、アークハイトを１〜１．３ｍｍＡとし、２段目以降
はショット粒径を０．１〜０．４ｍｍとした条件で、２
段階以上のショットピーニングを施したことを特徴とす
る鉄道車両用高疲労強度軸ばね。