JP2006329280A - 空気ばね - Google Patents

Abstract

【課題】円錐台又は角錐台状の外周面を持つ支持部材を有する空気バネにおいて、支持部材の外周面と内筒とに亘って配備される環状の弾性体を、通常の正常動作時における柔らかいバネ特性を持つものとしながらも、大荷重時には硬いバネ特性が発揮できて腰のあるものとなるよう、非線形特性が備わったものに改善する。
【解決手段】外筒１と、内筒２と、これら両者１，２に亘って配備されるダイヤフラム３と、円錐面状の外周面４ａを有する支持部材４と、この支持部材４の外周面４ａと内筒２とに亘って配備される環状の弾性体５とを有して成る空気バネにおいて、弾性部材１１を有する緩衝体１２を内筒２と支持部材４との間に配備して、内筒２と支持部材４との相対接近移動による弾性部材１１の弾性変形が、弾性体５が所定量弾性変形してから開始される状態に構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に鉄道車両における台車と車両との間に介装されて用いられる空気ばねに関するものである。

ヨーロッパの鉄道車両等に使用される空気バネの一種として、ベローズ（ダイヤフラム）の内側に円錐台状のストッパー（支持部材）を有する構造のものがある。この円錐台状のストッパーは、通常「コニカルストッパー」と呼ばれている。このような構造を有する空気バネの従来例としては、特許文献１の図面（図４）において開示されたものが知られている。

即ち、コニカルストッパー型の空気バネは、外筒と、内筒と、これら両者に亘って配備されるダイヤフラムと、円錐面又は角錐面状の外周面を有する支持部材と、この支持部材の外周面と内筒とに亘って配備される環状の弾性体とを有して構成されている。鉄道車両に組み込まれた使用状態では、通常は荷重をダイヤフラムと弾性体とが直列に受ける状況になり、比較的バネ常数の柔らかい（乗り心地の良い）緩衝装置として機能するが、デフレート等による大荷重時には、弾性体のみで支える状況となる。

そのため、弾性体には、上記大荷重時でも弾性支持による緩衝機能が求められるのであるが、そのような設計は難しいものである。何故なら、通常の正常な空気バネとしての動作時に適した柔らかいバネ定数に設定すれば、大荷重時に適した硬いバネ定数の状態にはできないとともに、その逆に大荷重時に適した硬いバネ定数に設定すれば、通常時の緩衝性能が劣ってしまうからである。

そこで、上記問題に対応すべく、弾性体を互いにバネ定数の異なる複数の環状ゴムから成る構造として、荷重が増すほどバネ定数が大きく（硬く）なるように、いわゆる非線形特性（プログレッシブ特性）をある程度は持たせる構成とすることが可能ではある。しかしながら、この構成では、バネ定数が大きくなるためには、バネ定数の小さい環状ゴムがほぼ剛体となるまで圧縮させる（弾性限界以上に変形させる）ことが必要となる手段であるから、歪みが大きくなってへたり易くなるとか、耐久性が悪化するといった不都合があり、やはり実現が難しいものである。従って、コニカルストッパー型の空気バネにおいては、さらなる改善の余地が残されているのが実情であった。
特開２００２−２０６５８２号公報

本発明の目的は、円錐台又は角錐台状の外周面を持つ支持部材を有する空気バネにおいて、支持部材の外周面と内筒とに亘って配備される環状の弾性体を、通常の正常動作時における柔らかいバネ特性を持つものとしながらも、大荷重時には硬いバネ特性が発揮できて腰のあるものとなるよう、非線形特性が備わったものに改善する点にある。

請求項１に係る発明は、外筒１と、内筒２と、これら両者１，２に亘って配備されるダイヤフラム３と、円錐面又は角錐面状の外周面４ａを有する支持部材４と、この支持部材４の前記外周面４ａと前記内筒２とに亘って配備される環状の弾性体５とを有して成る空気バネにおいて、
弾性部材１１を有する緩衝体１２を前記内筒２と前記支持部材４との間に配備して、前記内筒２と前記支持部材４との相対接近移動による前記弾性部材１１の弾性変形が、前記弾性体５が所定量弾性変形してから開始される状態に構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に記載の空気バネにおいて、前記緩衝体１２が前記内筒２に支持されるとともに、前記緩衝体１２と前記支持部材４との間に適宜の間隙Ｘが形成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に記載の空気バネにおいて、前記弾性部材１１がある程度弾性変形されるに伴って、前記支持部材４が前記内筒２に直接的に当接する状態に構成さ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３に記載の空気バネにおいて、前記緩衝体１２が、前記内筒２に支持される前記弾性部材１１と、前記内筒２との間に所定の間隙Ｙを有する状態で前記弾性部材１１に支持される非弾性部材１０とから構成されており、前記支持部材４が前記非弾性部材１０を介して前記内筒２に当接可能に構成されていることを特徴とするものである。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載の空気バネにおいて、前記非弾性部材１０が、略円錐台又は角錐台を呈する金属材で形成されるとともに、前記弾性部材１１が、前記金属材の円錐面又は角錐面状の外周面１０ａと前記内筒２とに跨って配備される環状ゴムで形成されていることを特徴とするものである。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５の何れか一項に記載の空気バネにおいて、前記弾性体５が、環状のゴム材５Ａ〜５Ｃと環状の金属板材５ａ，５ｂとが交互に積層されて成る積層ゴム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、支持部材と内筒との間に弾性部材から成る緩衝体を配置して、内筒と支持部材との相対接近移動による弾性部材の弾性変形が、弾性体が所定量弾性変形してから開始される状態に構成されているから、詳しくは実施例において説明するが、外筒に作用する荷重が所定以上に大きくなると、弾性体による弾性に加えて緩衝体による弾性が並列的に加算されることになり、バネ定数を無理なく大きくすることができる。これにより、ある程度の荷重までは小さいバネ定数による柔らかいバネ特性を持つ状態にできるとともに、大荷重が作用する場合には大きいバネ定数による硬いバネ特性を持つ状態に切換えることが可能になる。

その結果、円錐台又は角錐台状の外周面を持つ支持部材を有する空気バネにおいて、支持部材の外周面と内筒とに亘って配備される環状の弾性体を、通常の正常動作時における柔らかいバネ特性を持つものとしながらも、大荷重時には全体として硬いバネ特性が発揮できて腰のあるものとなるよう、非線形特性が備わったものに改善することができた。この場合、請求項６のように、弾性体を積層ゴムで構成すれば、支持部材と内筒とが互いに安定的に弾性支持されるようにすることができる。

請求項２の発明によれば、内筒に支持される緩衝体と支持部材との間に間隙を設ける構成により、請求項１における「内筒と前記支持部材との相対接近移動による前記弾性部材の弾性変形が、前記弾性体が所定量弾性変形してから開始される状態」を実現させている。これによれば、弾性体を基準とした場合のバネ上となる内筒に緩衝体を支持させてあるから、支持部材に設ける場合にくらべてバネ下質量を軽くすることができ、その分緩衝装置（空気バネ）としての性能向上が図れる利点が追加される。

請求項３の発明によれば、詳しくは実施例において説明するが、緩衝体の弾性が加算される重い荷重条件よりもさらに大荷重が作用すると、支持部材を直接的に内筒に当接させて緩衝機能を無くす手段である。つまり、あまりの荷重になるとリジッド状態（後述のメタルコンタクト状態）として、それ以上の弾性変形が（たわみが）生じないようにして、姿勢変化が大きくなり過ぎることによる不利益を回避するに有効なものである。例えば、車両において一定以上のたわみを制限するような場合に効果的である。

請求項４の発明によれば、内筒に支持される弾性部材と、内筒との間に間隙を有する状態で弾性部材に支持される非弾性部材とで緩衝体を構成することにより、請求項３における「弾性部材がある程度弾性変形されるに伴って、前記支持部材が前記内筒に直接的に当接する状態」を実現させている。これによれば、バネ定数を大きくして非線形特性を得るための緩衝体を、支持部材を内筒に直接的に当接させる構成に兼用させているので、その分の省スペース化やコストダウンが可能となり、合理的、経済的に請求項３の発明による前記作用効果が得られる利点がある。

請求項５の発明によれば、緩衝体を構成する弾性部材は、非弾性部材の円錐面又は角錐面状の外周面に配置されるから、支持部材の接近に伴う弾性変形がその接近方向だけでなく、接近方向と直交する方向にも作用する。その結果、大きな荷重が作用しても支持部材と内筒との軸心がずれない作用、いわゆる調芯作用が発揮されるようになって、安定的に緩衝機能が発揮される品質の良い空気バネとして提供することができる。

以下に、本発明による空気バネの実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は空気バネの構造を示す断面図、図２は空気バネの「荷重−たわみ」の特性を示すグラフである。本発明による空気バネは、主に鉄道車両における台車の左右夫々に配備されており、その上に配置される車体を支え持つものとして機能する。

〔実施例１〕
実施例１による空気バネＡは、客車等の被支持体（図示省略）に固定される略円板状の外筒１と、上蓋部２Ａと筒状のリング部２Ｂとから成る内筒２と、これら両者１，２に亘って配備されるダイヤフラム（ベローズ）３と、円錐面状の外周面４ａを有する支持部材４と、この支持部材４の外周面４ａと内筒２とに亘って配備される環状の弾性体５とを有して構成されており、通常、「コニカルストッパー型空気バネ」と呼ばれている。支持部材４の下面には、柱状部６ａと板部６ｂとから成る台車（図示省略）への取付部材６がボルト止めされている。

上蓋部２Ａは、皿を伏せたような形状の金属材等で形成されており、上面側には上下に扁平で環状の弾性ストッパ７がスクリュー止めされている。この弾性ストッパ７は、大荷重時等において、上蓋部２Ａが金属製の外筒１に直に当接しないように緩衝作用するものとして配備されている。リング部２Ｂは、下方ほど径が若干大きくなるように傾斜が付けられたテーパ内周面８を有するとともに、ダイヤフラム３を抜け止め状に嵌装するための環状突起９が外周面側に形成されている。上蓋部２Ａとリング部２Ｂとは、互いに嵌合するインロー段差部２ａ，２ｂを有して互いに共有の軸心Ｐを有する状態でボルト止めによって一体的に連結されて内筒２に構成されている。

外筒１は、その外径側端が若干下がった取付外周部１ａに形成されており、その取付外周部１ａと、これの下面側にボルト止めされる断面形状が略鉤状の装着リング１４とを用いることにより、ダイヤフラム３の大径側周端部３ａが気密状に挟持されて取付けられている。また、ダイヤフラム３の小径側周端部３ｂは、環状突起９に沿う状態でその上側においてリング部２Ｂに気密状に外嵌装着されている。これにより、ダイヤフラム３の内部空間Ｓは外部と気密状に遮断されており、空気の圧縮による緩衝作用（エアクッション）が生じるように構成されている。尚、外筒１の中心部に一体化されているボス部１Ｂを介して、ダイヤフラム３内に対する空気の出し入れにより、エアクッションの硬軟調節を行う構成を採ることが可能である。

支持部材４は、内部下方開放となるように抉り取り内部空間ｒを設けて軽量化された円錐台形状を呈するものであり、前述の円錐面状の外周面４ａと、円形（環形）で平面状の先端頂部４ｂと、リング状の底面４ｃとを有している。先端頂部４に雌ネジ部４ｍを形成しておけば、支持部材４が上昇して中間ストッパ１０（後述）と当接する際の緩衝部材を先端頂部４に装着することが可能となる利点がある。

弾性体５は、ゴム材による内外三重の第１〜第３弾性層５Ａ，５Ｂ，５Ｃと、これらの間に介在される金属板製で内外二重の第１及び第２仕切り層５ａ，５ｂとから成る積層ゴムに構成されている。これら各弾性層５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び各仕切り層５ａ，５ｂはいずれも環状のものであり、第１弾性層５Ａの内周面が支持部材４の外周面４ａに加硫接着等の手段によって固着されるとともに、第３弾性層５Ｃの外周面が内筒２のテーパ内周面８に加硫接着等の手段によって固着されている。つまり、支持部材４と内筒２とが弾性体５を介して連結一体化されている。

外周面４ａとテーパ内周面８とは、互いに平行又はほぼ平行で、かつ、急な傾斜角度を呈する傾斜周面に設定されている。第１〜第３弾性層５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、互いに同じ又はほぼ同じ径方向の厚みを有しており、その有効幅（上下方向幅）は第１弾性層５Ａが最も広く、第３弾性層５Ｃが最も狭く、そして第２弾性層５Ｂがそれらの中間の値に設定されている。従って、第１及仕切り層５ａは第２仕切り層５ｂよりも幅寸法が大きいものとなっている。このように三つの弾性層５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、夫々の有効幅を互いに異ならせることで互いに異なるバネ定数を持っており、それによって若干非線形となるバネ特性を得ている。

図１に示すように、弾性部材１１を有する緩衝体１２を内筒２と支持部材４との上下間に配備して、内筒２と支持部材４との相対接近移動による弾性部材１１の弾性変形が、弾性体５が所定量弾性変形してから開始される状態に構成されている。緩衝体１２は、金属材製で略円錐台形状の中間ストッパ（非弾性部材の一例）１０と、これの円錐面１０ａと上蓋部２Ａの下面側に固定される環状の取付台１３とに跨る環状ゴムで成る弾性部材１１とから構成されている。

空気バネＡは、外筒１、内筒２、緩衝体１２、支持部材４、及び弾性体５のいずれもが共通の軸心Ｐを有する状態に配置形成されたものであり、自由状態においては、先端頂部４ｂと中間ストッパ１０の底面１０ｂとの上下間には距離Ｘの間隙が形成されており、中間ストッパ１０の頂面１０ｃと上蓋部２Ａとの上下間の夫々には距離Ｙの間隙が形成されている。また、本明細書においては、破線の丸印で囲まれた支持部材４部分の構造を「コニカルストッパー」と呼び、破線の丸印で囲まれた緩衝体１２部分の構造を「補助ばね」と呼ぶものとする。

次に、空気バネＡの機能や作用について説明する。例えば、取付部材６が台車に、かつ、外筒１が客車に夫々取り付けられた鉄道車両に空気バネＡが組み込まれている場合において、通常の正常な使用状態（適正荷重状態）では、ダイヤフラム３内の密封空気によるエアクッションの弾性と弾性体５による弾性とが（ベローズとコニカルストッパーとが）バネ系として直列に作用しており、バネ定数の低い方の性能が表れる柔らかいクッション状態がもたらされる。この状態では、先端頂部４ｂと底面１０ｂとの上下間には間隙が存在しており、支持部材４が中間ストッパ１０に当接することはない。

次に、何らかの原因（ダイヤフラム３のパンク「デフレート」等）によって大荷重時が作用するときには、弾性ストッパ７が外筒１に当接してエアクッションが機能しなくなって、実質的に弾性体５のみでのクッション状態になる。このとき、積層ゴムによる弾性体５の荷重特性は若干非線形に設定されてはいるが、荷重が大きくなると耐え切れなくなって支持部材４が中間ストッパ１０に当接し、弾性体５の弾性と弾性部材１１の弾性とが（コニカルストッパーと補助ばねとが）バネ系として並列に作用することになり、バネ定数が加算されて硬いクッション状態がもたらされる。

つまり、図２に示す非線形特性グラフのように、支持部材４が中間ストッパ１０に当接する地点Ｑまでは、弾性体５のみの弾性による「荷重−たわみ」の関係グラフになり、地点Ｑを過ぎると弾性体５と弾性部材１１との双方の弾性による「荷重−たわみ」の関係グラフになるので、荷重が大になるほど支持部材４の移動距離（上昇距離）の増加率が低くなる非線形（プログレッシブ）特性の曲線ラインが得られる。これは中間ストッパ１０が内筒２に当接する地点Ｒまで続く。さらに、荷重が増すと、ついには中間ストッパ１０が上蓋部２Ａ、即ち内筒２に当接して非緩衝状態（メタルコンタクト状態：いわゆるリジッド状態）となり、それ以上たわまないようになる「たわみ制限」状態がもたらされる。例えば、鉄道車両においては、客車が所定角度以上に左右に傾かないように規制されるようになる。

つまり、低荷重時にはほぼ線形となる柔らかいバネ特性で乗り心地の良い状態（図２の低荷重領域）が現出され、大荷重時にはバネ定数が大きくなって踏ん張りが効いた腰のあるバネ特性（図２の非線形領域）が現出されるとともに、さらなる大荷重時には、メタルコンタクトによってたわみ制限されるという、好ましい特性を有する空気バネＡとすることができている。

そして、支持部材４と中間ストッパ１０との上下間距離Ｘを適切に設定することにより、図２に示すグラフの非線形領域［緩衝体１２（補助ばね）が作用する領域］を自由に設定することや、低荷重領域を自由に設定することが可能になる。これにより、旅客用鉄道車両に用いられるときには低荷重領域を増やして乗り心地に優れる空気バネＡに設定するとか、荷物運搬用鉄道車両に用いられるときには非線形領域を増やして重い荷重にも踏ん張りの効く耐荷重に優れる空気バネＡに設定するといった具合に、適用される諸条件に応じてバネ特性をセッティングできる効果がある。

また、弾性体５（第１〜第３弾性層５Ａ，５Ｂ，５Ｃ）や緩衝体１２（弾性部材１１）のゴム硬度を変更することにより、図２に示す空気バネＡの有する非線形特性を自由に設定することが可能になる。つまり、低荷重領域や非線形領域におけるバネ定数を柔らか目であるとか、硬い目である等、適宜に設定できるようになる。これは形状変更を伴わないので、生産設備に関わる投資を軽減することができ、形状変更を伴う場合に比べてコストダウンが可能になる利点がある。

さらに、中間ストッパ１０と内筒２との上下間距離Ｙを適切に設定することにより、所定以上の大荷重が作用した場合には、支持部材４が直接的に内筒２に当接する状態（メタルコンタクト状態）となり、弾性体５と弾性部材１１とによるバネ作用を抑制或いは規制することができる。これは前述したように、鉄道車両等において一定以上のたわみが生じないように制限させるのに有効な手段である。

〔実施例２〕
実施例２による空気バネＢでも良い。これは、図３に示すように、図１に示す空気バネＡにおける支持部材４と中間ストッパ１０とが一体化されたような支持部材４を有する構造のものであり、補助ばね部分の構造が異なる以外は同じである。この場合の緩衝体１２は環状の弾性部材１１のみで構成されており、自由状態においては、支持部材４における中間ストッパ部分２５の円錐外周面２６と弾性部材１１の内周面２１との間に所定の間隙Ｘが形成され、かつ、支持部材４の上端面２７と上蓋部２Ａとの上下間には間隙Ｘよりも大きな間隔を有する間隙Ｙが形成されている。

つまり、荷重が増えると、まず間隙Ｘが無くなって中間ストッパ部分２５が弾性部材１１に当接してバネ定数が増大する非線形領域のバネ特性になる。そして、さらに荷重が増えると、今度は上端面２７が上蓋部２Ａの下面に当接してメタルコンタクト状態になるのであり、結果として実施例１の空気バネＡと同様なバネ特性が発揮される。つまり、内筒２と支持部材４との相対接近移動による弾性部材１１の弾性変形が、弾性体５が所定量弾性変形してから開始される状態に構成されるとともに、弾性部材１１がある程度弾性変形されるに伴って、支持部材４が内筒２に直接的に当接する状態に構成されている。

〔別実施例〕
緩衝耐１２の弾性部材１１は、弾性部であれば良く、ゴムやウレタン等の高分子樹脂、或いは金属体でも可能である。高分子樹脂のソリッドも可能である。支持部材４の外周面４ａや、中間ストッパ１０の外周面１０ａは角錐面でも良く、支持部材４の外周面４ａと内筒２の内周面８との傾斜角度が一致していなくても良い。また、弾性体５や弾性部材１１は、複数のものが周方向に均等又は不均等角度ごとに配置される構造でも良い。

実施例１による空気バネの構造を示す断面図 図１の空気バネのバネ特性グラフを示す図 実施例２による空気バネの構造を示す断面図

符号の説明

１ 外筒
２ 内筒
３ ダイヤフラム
４ 支持部材
４ａ 外周面
５ 弾性体
５Ａ〜５Ｃ 環状のゴム材
５ａ，５ｂ 環状の金属板材
１０ 非弾性部材
１０ａ 外周面
１１ 弾性部材
１２ 緩衝体
Ａ，Ｂ 空気バネ
Ｘ，Ｙ 間隙

Claims (6)

1. 外筒と、内筒と、これら両者に亘って配備されるダイヤフラムと、円錐面又は角錐面状の外周面を有する支持部材と、この支持部材の前記外周面と前記内筒とに亘って配備される環状の弾性体とを有して成る空気バネであって、
   弾性部材を有する緩衝体を前記内筒と前記支持部材との間に配備して、前記内筒と前記支持部材との相対接近移動による前記弾性部材の弾性変形が、前記弾性体が所定量弾性変形してから開始される状態に構成されている空気バネ。
2. 前記緩衝体が前記内筒に支持されるとともに、前記緩衝体と前記支持部材との間に適宜の間隙が形成されている請求項１に記載の空気バネ。
3. 前記弾性部材がある程度弾性変形されるに伴って、前記支持部材が前記内筒に直接的に当接する状態に構成されている請求項１又は２に記載の空気バネ。
4. 前記緩衝体が、前記内筒に支持される前記弾性部材と、前記内筒との間に所定の間隙を有する状態で前記弾性部材に支持される非弾性部材とから構成されており、前記支持部材が前記非弾性部材を介して前記内筒に当接可能に構成されている請求項３に記載の空気バネ。
5. 前記非弾性部材が、略円錐台又は角錐台を呈する金属材で形成されるとともに、前記弾性部材が、前記金属材の円錐面又は角錐面状の外周面と前記内筒とに跨って配備される環状ゴムで形成されている請求項４に記載の空気バネ。
6. 前記弾性体が、環状のゴム材と環状の金属板材とが交互に積層されて成る積層ゴムである請求項１〜５の何れか一項に記載の空気バネ。
   

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