JP2010060016A

JP2010060016A - 空気ばね装置

Info

Publication number: JP2010060016A
Application number: JP2008224838A
Authority: JP
Inventors: Kenta Kawase; 健太川瀬
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2008-09-02
Filing date: 2008-09-02
Publication date: 2010-03-18

Abstract

【課題】積層弾性体の適正化を図ることにより、空気ばね装置の変位量を低下させることなく耐久性の向上した空気ばね装置を提供する。
【解決手段】この空気ばね装置１は、上面板４と下面板５との間に可撓性膜体６を気密に狭持してなる空気ばね２と、複数の弾性部材８ａ〜８ｇを、該弾性部材の層間に剛性部材９を挟み込んで直列に積層してなり、空気ばね２の上面板４及び下面板５の少なくともに一方にその一端が接続された積層弾性体３と、積層弾性体３の他端に取り付けられた支持部材１１と、を具える。積層弾性体の複数の弾性部材８ａ〜８ｇのうち、支持部材に取り付けられた弾性部材８ａの厚さは、他の弾性部材８ｂ〜８ｇの厚さよりも大きい。
【選択図】図２

Description

この発明は、鉄道車両、特にボルスターレス台車に好適に適用可能な空気ばね装置に関する。

鉄道車両に取り付けられる台車の一つとして、空気ばね装置を具えるボルスターレス台車があり、車両走行時にかかる空気ばね装置に要求される変形量は、鉄道車両の進行方向である前後方向に大きく、進行方向に直交する方向である左右方向に小さい。ボルスターレス台車用の空気ばね装置としては、特許文献１に開示されているような、上面板と下面板との間にゴムベローズ等の可撓性膜体を気密に狭持してなる空気ばねと、複数の弾性部材間に剛性部材を挟み込むように積層してなる積層弾性体とを組み合わせた空気ばね装置がしばしば使用される。

このような空気ばね装置をボルスターレス台車に取り付け鉄道車両に装着した場合、空気ばねは、車両の振動を吸収し、車両からの荷重による垂直方向への変形を抑制しつつも、前後方向への入力に対し、その入力と同一の方向に撓み変形する。また、積層弾性体も前後方向の入力によって弾性変形するので、空気ばね装置全体として前後方向への変形量を大きく確保することが可能となる。それらのことから、空気ばねにより振動を吸収して乗車時の乗り心地性を向上させつつも、空気ばね装置を前後方向に充分に変形させることが可能となる。
特開平１１−３２１６４６号公報

ところで、近年の車両に対する高い安全性の確保と維持費の削減の要求に伴い、車体を支持する空気ばね装置については、さらなる耐久性の向上が希求されている。空気ばね装置において、この耐久性の向上を実現するためには、積層弾性体の寿命を長期化することが有効である。

しかしながら、積層弾性体を構成する弾性部材の剛性を高めると、当然積層弾性体の変位量も小さくなるため、空気ばね装置の変位量が、特に車体の前後方向の要求変位量に対して不足するおそれがある。

それゆえ、この発明の目的は、積層弾性体の適正化を図ることにより、空気ばね装置の変位量を低下させることなく耐久性の向上した空気ばね装置を提供することにある。

本願の発明者は、前記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、積層弾性体の複数の弾性部材のうち、空気ばねから最も離れて位置し、かつ台車又は車両に接続される支持部材に取り付けられた弾性部材が他の弾性部材と比較して耐久性に劣ることを突き止め、しかも、積層弾性体の一端が空気ばねに接続される一方でその他端が上記支持部材に固定され、かつそれぞれの弾性部材の厚さが均等であることがその原因であるとの知見を得た。すなわち、空気ばね装置に例えば前後方向にせん断力が生じ、積層弾性体が弾性変形した場合、積層弾性体の一端が空気ばねに接続される一方でその他端が上記支持部材に固定されていることから、空気ばねから遠ざかるにつれてその曲げモーメントは大きくなり、また、支持部材に取り付けられた弾性部材における応力集中が他の弾性部材に比べて大きくなるので、各弾性部材の厚さを均等とした場合、支持部材に取り付けられた弾性部材への応力集中の影響は大きくなる。

この発明はかかる知見に基づいて完成したものであり、すなわち、前記の目的は、上面板と下面板との間に可撓性膜体を気密に狭持してなる空気ばねと、複数の弾性部材を、該弾性部材の層間に剛性部材を挟み込んで直列に積層してなり、前記空気ばねの上面板及び下面板の少なくともに一方にその一端が接続された積層弾性体と、前記積層弾性体の他端に取り付けられた支持部材と、を具える空気ばね装置において、前記積層弾性体の複数の弾性部材のうち、前記支持部材に取り付けられた弾性部材の厚さは、他の弾性部材の厚さよりも大きいことを特徴とする空気ばね装置によって達成される。かかる構成を採用し、支持部材に取り付けられた弾性部材の厚さを他の弾性部材の厚さよりも大きくすることで、支持部材に取り付けられた弾性部材のばね定数を小さくすることができるとともに支持部材に取り付けられた弾性部材とその他の弾性部材との応力集中を均一化することができるので、従来の空気ばね装置に比べ、支持部材に取り付けられた弾性部材の応力集中の影響を低減することができる。また、空気ばねが水平方向に変位した際に生じる歪を支持部材に取り付けられた弾性部材において効果的に低減することもできるので、積層弾性体の倒れ込み変形を抑制することができる。よって、空気ばねの変位量を小さくすることなくその耐久性を向上させることが可能となる。

また、支持部材に取り付けられた弾性部材に隣接する弾性部材の厚さは、支持部材に取り付けられた弾性部材の次に大きくすることが好ましい。

しかも、各弾性部材の厚さは、支持部材から遠ざかるにつれて漸減することが好ましい。

この発明によれば、積層弾性体の適正化を図ることにより、空気ばね装置の変位量を低下させることなくその耐久性の向上させることができる。

以下、この発明の実施の形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。図１はこの発明に従う代表的な空気ばね装置の上面図である。図２は、図１に示す空気ばね装置のＥＯＥ’線に沿う断面図であり、その右方側は車両の進行方向である前後方向（Ｏ−Ｅ’線）に沿うの断面を示すものであり、その左方側は左右方向（Ｏ−Ｅ線）に沿うの断面を示すものである。図３は、図１及び２に示す空気ばね装置を前後方向に変形させたときのその前後方向に沿う断面を示す断面図である。

この発明に従う空気ばね装置１は、図１及び２に示すように、空気ばね２及び積層弾性体３を具える。かかる空気ばね２は、上面板４、下面板５、及び上面板４と下面板５との間に配設され、その両端部分を上面板４と下面板５に気密に連結した筒状の可撓性膜体６からなる。上面板４には、鉄道車両に取り付けて固定するための上ボス７が配設されている。かかる空気ばね２の内圧を確保するためには、空気や不活性化ガス等の気体が充填される。

また、積層弾性体３は、７層の筒状ゴムから構成される弾性部材８ａ〜８ｇ（総称して弾性部材８）を、その層間に６層の筒状の剛性部材９を挟み込んで下面板５に直列に積層して構成されている。弾性部材８ａ〜８ｂの内径及び外径は全て等しく設定されている。積層弾性体３の空気ばね２から離間する側の面には、ボルスターレス台車に取り付けて固定するための下ボス１０を有する下端支持部材１１が取り付けられている。かかる積層弾性体３の弾性部材８のうち、空気ばね２に対し最も遠位にある弾性部材８である最遠位弾性部材８ａの厚さｈ_ａは、その他の弾性部材８ｂ〜８ｇの厚さｈ_ｂ〜ｈ_ｇよりも大きい。

一般に、図４に示すような従来技術に従う空気ばね装置１００では、前後方向に変形する場合、積層弾性体１０３の弾性部材１０８は、空気ばね１０２に対し離間するほどにその前後方向への入力が大きく負荷される。また、同時に、積層弾性体１０３が入力の負荷される方向に変形する際には、最遠位弾性部材１０８ａが下端支持部材１１１により拘束されており、かつ積層弾性体１０３が空気ばね１０２により引っ張られることから、弾性部材１０８は垂直方向にも引っ張られることとなり、空気ばねに対し遠位側にある弾性部材１０８ほどにその垂直方向へと引っ張られる力が大きく負荷される。それらのことから、従来技術の空気ばね装置が前後方向に変形すると、積層弾性体１０３がそのまま倒れ込むような形状に変形して、最遠位弾性部材１０８ａにて前後方向及び垂直方向に変形する量が最も大きくなるという現象が起こる。その結果、最遠位弾性部材１０８ａの応力集中が他の弾性部材に比べて大きくなり、各弾性部材１０８の厚さを均一とした場合、最遠位弾性部材１０８ａへの応力集中の影響は大きかった。

これに対し、この発明では、最遠位弾性部材８ａの厚さｈ_ａを他の弾性部材８ｂ〜８ｇの厚さｈ_ｂ〜ｈ_ｇよりも大きくすることで最遠位弾性部材８ａの体積を他の弾性部材８ｂ〜８ｇのそれよりも大きくすることができるので、最遠位弾性部材８ａのばね定数を小さくすることができるとともにかかる最遠位弾性部材８ａとその他の弾性部材８ｂ〜８ｇとの応力集中を均一化することができるので、図４に示すような従来の空気ばね装置１００に比べ、最遠位弾性部材８ａへの応力集中の影響を低減することができる（すなわち、積層弾性体３の各弾性部材８ａ〜８ｇの変形を均一化することができる）。また、空気ばね２が水平方向に変位した際に生じる歪を最遠位弾性部材８ａにおいて効果的に低減することができるので積層弾性体３の倒れ込みを効果的に抑制することができる。よって、空気ばね装置１の変位量を小さくすることなくその耐久性を向上させることが可能となるのである。なお、空気ばね装置１の「変形量」とは、具体的には、上ボス７の軸線をＸとし、下ボス１０の軸線をＹとしたときの上ボス７の軸線Ｘと下ボス１０の軸線Ｙとのずれ幅ＳＬを指すものとする。

また、上記構成を採用したこの発明に従う空気ばね装置１を製造する際には、寸法の異なる弾性部材８ａ〜ｇを用いる以外は、従来の空気ばね装置の各種部品をそのまま使用することができるので、製造コストを低く抑えつつ耐久性の向上を図ることが可能となる。

さらに、最遠位弾性部材８ａに隣接する弾性部材８ｂの厚さｈ_ｂは、最遠位弾性部材８ａの厚さｈ_ａの次に大きくすることが好ましい。このようにすれば、積層弾性体３の各弾性部材８ａ〜８ｇにおける応力集中をさらに均一化することができるので、空気ばね装置１の耐久性を一層高めることが可能となる。

しかも、各弾性部材８ａ〜８ｇの厚さｈ_ａ〜ｈ_ｇを、下端支持部材１１から遠ざかるにつれて漸減させる、すなわち下端支持部材１１から空気ばね２に向かって徐々に弾性部材８ａ〜８ｇの厚さｈ_ａ〜ｈ_ｇを小さくすることが好ましい。このようにすれば、積層弾性体３の全体の高さを大きくすることなく、積層弾性体３の各弾性部材８ａ〜８ｇでの応力集中を完全に均一化することが可能となるので、空気ばね装置１の小型化を図りつつその耐久性をより一層高めることが可能となる。

なお、上述したところはこの発明の実施形態の一部を示したに過ぎず、この発明の趣旨を逸脱しない限り、これらの構成を交互に組み合わせたり、種々の変更を加えたりすることができる。例えば、図示の例では、積層弾性体３は、下面板５のみに取り付けられているが、反対側の上面板４のみに取り付けたり、あるいは、上面板４と下面板５の双方に取り付けたりすることも可能である。また、これまで図示して説明してきた空気ばね装置１の弾性部材８ａ〜８ｇは、積層弾性体３の外径側にて、一定の曲率で内に凹む形状となっているが、図示は省略するが、積層弾性体３の外径側にて、２種類の曲率で内に凹む形状とすることも可能である。

次いで、この発明の効果を確認するため、この発明に従う空気ばね装置（実施例１）及び従来技術に従う空気ばね装置（従来例１）をそれぞれ試作し、耐久性の評価に供したので、以下に説明する。

実施例１の空気ばね装置は、図２に示すように、空気ばねと、ゴムにより構成される７層の筒状の弾性部材を、その層間に一般構造用圧延鋼板により構成される厚さ８ｍｍの筒状の剛性部材を挟み込んで積層してなる積層弾性体とを具える。空気ばね装置の高さは２７０ｍｍであり、幅は６８０ｍｍである。また、空気ばね装置の弾性部材は、外径及び内径が全て同一であり、その厚さは表１に示す通りである。従来例１の空気ばね装置は、図４に示すように、空気ばねと、ゴムにより構成される７層の筒状の弾性部材を、その層間に一般構造用圧延鋼板により構成される厚さ８ｍｍの剛性部材を挟み込んで積層してなる積層弾性体とを具える。空気ばね装置の高さは２７０ｍｍであり、幅は６８０ｍｍである。また、空気ばね装置の弾性部材は、外径及び内径が全て同一であり、その厚さも全て同一である（表１参照）。

空気ばね装置の耐久性は、空気ばねに４９０ｋＰａの内圧（相対圧）を負荷した上で、室温の下、上ボスの軸線と下ボスの軸線とが前後方向に７０ｍｍのずれ幅でずれるよう空気ばね装置を繰り返し変形させ、積層弾性体に故障（クラック）が発生するまでの繰り返し回数を測定することにより評価した。なお、故障の発生は目視にて行った。その結果を表２に示す。

上記試験の結果、表２に示すように、従来例１の空気ばね装置では、変形の繰返し回数が５０万回に達した時点で下端支持部材の外周付近に空気ばね側に反るような変形が生じるとともに最下層（最遠位弾性部材）及びそれに隣接する（第２層）弾性部材にクラック（亀裂）が発生した。これに対して、実施例１の空気ばね装置では、変形の繰返し回数が
２００万回に達するまで何らの故障も発生しなかった。従って、この発明によって高い耐久性が得られることが確認された。

以上のことから明らかなように、この発明によって、空気ばね装置の変位量を低下させることなくその耐久性の向上させることが可能となった。

図１は、この発明に従う代表的な空気ばね装置の上面図である。図２は、図１に示す空気ばね装置のＥＯＥ’線に沿う断面図であり、その右方側は車両の進行方向である前後方向（Ｏ−Ｅ’線）に沿うの断面を示すものであり、その左方側は左右方向（Ｏ−Ｅ線）に沿うの断面を示すものである。図３は、図１及び２に示す空気ばね装置を前後方向に変形させたときのその前後方向に沿う断面を示す断面図である。図４は、従来技術の空気ばね装置における図２と同様の断面を示す断面図である。

符号の説明

１空気ばね装置
２空気ばね
３積層弾性体
４上面板
５下面板
６可撓性膜体
７上ボス
８弾性部材
８ａ最遠位弾性部材
９剛性部材
１０下ボス
１１下端支持部材
Ｘ上ボスの軸線
Ｙ下ボスの軸線
ＳＬ上ボスの軸線と下ボスの軸線とのずれ幅

Claims

上面板と下面板との間に可撓性膜体を気密に狭持してなる空気ばねと、複数の弾性部材を、該弾性部材の層間に剛性部材を挟み込んで直列に積層してなり、前記空気ばねの上面板及び下面板の少なくともに一方にその一端が接続された積層弾性体と、前記積層弾性体の他端に取り付けられた支持部材と、を具える空気ばね装置において、
前記積層弾性体の複数の弾性部材のうち、前記支持部材に取り付けられた弾性部材の厚さは、他の弾性部材の厚さよりも大きいことを特徴とする空気ばね装置。
前記支持部材に取り付けられた弾性部材に隣接する弾性部材の厚さは、前記支持部材に取り付けられた弾性部材の次に大きい、請求項１に記載の空気ばね装置。
各弾性部材の厚さは、前記支持部材から遠ざかるにつれて漸減する、請求項１又は２に記載の空気ばね装置。