JP5576990B2 - 鉄道車両台車用板バネ - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、鉄道車両の軸はり式の台車に用いる鉄道車両台車用板バネに関し、繊維強化プラスチック、特に、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を主材料として構成した鉄道車両台車用板バネに関する。
従来から、鉄道車両の台車は、走行性能や乗り心地を左右する重要な装置であり、基本的な機能や性能として、乗客や貨物などを乗せた車体を、車体の下から支持しながら軌道上を円滑に走行するという重要な役割がある。
このため、台車は、駆動機構としての電動機、ブレーキ、車輪や車軸、走行安定性のためのまくらバネ（空気バネ）、軸バネ、そして、これらを支持する台車枠から構成されている。
また、最近では、従来の車体と台車枠の間に枕はり（ボルスタ）を配置した「枕はり式台車」から、車体と台車枠の間に枕はり（ボルスタ）がない「ボルスタレス台車」が開発され、とりわけ「軸はり式台車」が主流になりつつある（特許文献１（特開平９−３０１１６３号公報など参照））。
この軸はり式台車は、車両の全荷重を、車体の横はり、枕はり、枕バネ（空気バネ）、台車枠、軸バネ、軸箱、車軸・車輪、レールの順に受けている。図１２は、この軸はり式台車の概略を示す部分拡大上面図、図１３は、図１２のＡ方向の矢視図である。
台車１００は、レールと平行に配置される一対の側はり１０２、１０４と、これらの側はり１０２、１０４の間に、レールの枕木と平行に配置される一対の横はり１０６、１０８とを備えている。
また、側はり１０２、１０４の間には、車軸１１０と車輪１１２が、軸箱１１４を介して回転可能に装着されている。そして、側はり１０２、１０４と軸箱１１４の間には、台車１００と軸箱１１４の間で、牽引力、ブレーキ力を伝えるために、コイル状の軸バネ１１６の動作に応じて、上下方向に移動可能なように、軸部１１８で軸着された軸箱支持装置１２０が介装されている。車両の総重量の５０％は台車であり、この台車は鋼構造大枠と鋼製バネで構成されている。
しかしながら、このような従来の軸はり式台車１００では、車両の総重量の５０％は台車であり、鋼構造の側はり１０２、１０４と、横はり１０６、１０８と、鋼製バネの軸バネ１１６から構成されているため、どうしても重量が重くなってしまうことになる。
また、これらの側はり１０２、１０４ と、横はり１０６、１０８との間を、複雑な溶接、組立作業をしており、熟練と加工時間が必要で、コストと時間を要する。
なお、軸バネ１１６として、鋼製板バネが従来用いられており、バネの特性を得るために、重ね板バネが用いられていたが、コイルバネに世代交代して今日に至っている。すなわち、金属の鋼製の一枚バネは、バネとして重すぎ、振動減衰がせず、難しい課題があり近年使われていない。
また、上記のように、一枚バネでは問題があり、重ねバネになるのは、十分な強度と低いバネ定数の両立が困難なためである。しかしながら、重ね板バネでは、部品数の増加による組み立て性が悪くなり、煩雑な作業が必要で時間もかかり、コストも高くつくことになっていた。
本発明は、このような現状に鑑み、従来のように、熟練の要する溶接、組立作業が不要で、コストと時間を低減することができるとともに、鋼製で重量の重い側はりが不要で、台車構造の簡素化が図れ、軽量化とコストの低減が図れ、しかも高寿命で耐久性も向上した鉄道車両台車用板バネを提供することを目的とする。
本発明の鉄道車両台車用板バネは、強化繊維が長手方向に延びるように積層した繊維強化プラスチックからなる上面部材と、強化繊維が長手方向に延びるように積層した繊維強化プラスチックからなる下面部材と、前記上面部材と下面部材との間に配置されたコアー芯材部材とを備え、前記コアー芯材部材が、上面部材と下面部材の積層方向に対して、直交方向である幅方向に積層されるとともに、強化繊維が前記コアー芯材部材の側面視で、曲げ中立軸に対して傾斜し、互いに交差するように積層した繊維強化プラスチックから構成したことを特徴とする。
板バネに曲げ荷重を加えると、上面には主として圧縮荷重が加わり、下面には主として引っ張り荷重が加わり、中央部には主としてせん断荷重が加わる。これに対して、本発明は、圧縮荷重を分担する上面部材を、強化繊維が長手方向に延びるように積層した繊維強化プラスチック、特に、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）から構成し、引っ張りを分担する下面部材を、強化繊維が長手方向に延びるように積層した繊維強化プラスチックから構成している。
そして、せん断荷重を分担するコアー芯材部材を、上面部材と下面部材の厚さ方向に（積層方向に）対して、直交方向である幅方向に積層されるとともに、強化繊維がコアー芯材部材の側面視で、曲げ中立軸に対して傾斜し、互いに交差するように積層した繊維強化プラスチックから構成するとともに、これらの部材の間を接着する層間部（接着層）から構成している。
従って、荷重に対して適切な方向に強化繊維が配向されているので、鉄道車両台車用板
バネに必要な強度を得るのに軽量で済むことになる。また、これらの部材の強度を適正に設定することによって、最大限界荷重を超えた時、破壊の開始を層間部、上面部材、下面部材と順に開始させることによって、破断が一気に発生することがない。
バネに必要な強度を得るのに軽量で済むことになる。また、これらの部材の強度を適正に設定することによって、最大限界荷重を超えた時、破壊の開始を層間部、上面部材、下面部材と順に開始させることによって、破断が一気に発生することがない。
また、繊維強化プラスチック、特に、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）は、引っ張り強度に比較して圧縮強度が５０％ほど弱い材料であるが、本発明では、コアー芯材部材が、上面部材と下面部材の厚さ方向に（積層方向に）対して、直交方向である幅方向に積層されるとともに、コアー芯材部材の側面視で、曲げ中立軸に対して傾斜する方向に積層した繊維強化プラスチックから構成している。
このように、コアー芯材部材、上面部材、下面部材の断面を最適設計することで、圧縮荷重、引張り荷重、せん断荷重に対して最適となり、全体で最も軽くて任意のバネ定数を持つ板バネとすることができる。
さらに、金属板バネでは、一枚バネが上記したように問題があり困難であり、重ねバネになるのに対して、本願発明の鉄道車両台車用板バネのように、複合材板バネとして、一枚バネが可能になるのは、上記の形状設計自由度の他に、材料物性として、繊維強化プラスチック、特に、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）の方が、低弾性率高強度であるからである。
さらに、金属製のバネ、台車枠などは、金属疲労の問題があるが、本発明によれば、上記のように安全率を適正に設定することによって、繊維強化プラスチック、特に、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）は、金属と比較して疲労による強度低下が少ないため、長寿命化が図れることになる。
従って、本発明によれば、従来のように、熟練の要する溶接、組立作業が不要で、コストと時間を低減することができるとともに、鋼製で重量の重い側はりが不要で、台車構造の簡素化が図れ、軽量化とコストの低減が図れ、しかも高寿命で耐久性も向上した鉄道車両台車用板バネを提供することができる。
また、鉄道車両台車用板バネは、前記コアー芯材部材の強化繊維が、前記コアー芯材部材の側面視で、曲げ中立軸に対して４５゜で傾斜してもよい。
このように、上面部材と下面部材の中間にコアー芯材部材を設け、せん断荷重を分担させ、コアー芯材部材の強化繊維が、コアー芯材部材の側面視で、曲げ中立軸に対して４５゜で傾斜することによって、せん断荷重に対して最適となり、全体で最も軽くて任意の高剛性（バネ定数）を持つ板バネとすることができる。
また、鉄道車両台車用板バネは、前記鉄道車両台車用板バネが、その下面が、両端部から中心方向に向かって下方に傾斜して延びる直線部と、両直線部の間の中央部分に形成した弧状部分とから構成されていてもよい。
炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）からなる厚板に、板バネとして曲げを加えると、層間強度（層間せん断強度、層間接着強度）が不足することになる。すなわち、曲げ方向の側面視で、円弧状にカーブしている場合、円弧を大きくする方向に曲げると層間が剥離する方向になり弱くなる。
これに対して、両端部から中心方向に向かって下方に傾斜して延びる直線部と、両直線部の間の中央部分に形成した弧状部分とから構成することによって、層間強度（層間せん断強度、層間接着強度）が向上する。
また、鉄道車両台車用板バネは、前記鉄道車両台車用板バネが、両端部から中心方向に向かって厚さが徐々に大きくなるように構成されてもよい。このように、両端部から中心方向に向かって厚さが徐々に大きくなるように構成されているので、上面部材、下面部材の曲げ応力を最適化することができる。
また、鉄道車両台車用板バネは、前記下面部材の下方に金属製の保護部材を備えてもよい。このように構成することによって、下面部材の下方に設けた金属製の保護部材によって、線路上の飛び石による破損損傷から、鉄道車両台車用板バネの本体部を保護することができる。
また、鉄道車両台車用板バネは、前記下面部材と保護部材との間に、弾性材料から構成される弾性部材を介装してもよい。このように構成することによって、下面部材と金属製の保護部材との間に介装した弾性部材がクッション機能の役目をするので、線路上の飛び石による破損損傷から、鉄道車両台車用板バネの本体部を効果的に保護することができる。
また、鉄道車両台車用板バネは、前記上面部材の上方に台車荷重受け部材を備えてもよい。このように構成することによって、台車の荷重が直接、鉄道車両台車用板バネの本体部に接触、作用することがないので、鉄道車両台車用板バネの本体部を保護することができる。
また、鉄道車両台車用板バネは、前記上面部材と台車荷重受け部材との間に、弾性材料から構成される緩衝部材を介装してもよい。このように構成することによって、上面部材と台車荷重受け部材との間に介装した弾性材料から構成される緩衝部材がクッシヨン機能の役目をするので、台車の荷重が直接、鉄道車両台車用板バネの本体部に接触、作用することがないので、鉄道車両台車用板バネの本体部を効果的に保護することができる。
また、鉄道車両台車用板バネは、前記繊維強化プラスチックが、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）から構成されてもよい。このように繊維強化プラスチックが、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）から構成するのが、曲げ弾性、機械的強度、繰り返し荷重に対する耐久性などを考慮すれば望ましい。
本発明によれば、従来のように、熟練の要する溶接、組立作業が不要で、コストと時間を低減することができるとともに、鋼製で重量の重い側はりが不要で、台車構造の簡素化が図れ、軽量化とコストの低減が図れ、しかも高寿命で耐久性も向上した鉄道車両台車用板バネを提供することができる。
以下、実施の形態（実施例）を図面に基づいてより詳細に説明する。図１は、実施の形態に係る鉄道車両台車用板バネの分解斜視図、図２は、実施の形態に係る鉄道車両台車用板バネの正面図、図３は、図２の鉄道車両台車用板バネの上面図、図４は、図１の鉄道車両台車用板バネのコアー芯材部材の構成を説明する斜視図、図５は、図２のＡ-Ａ線での断面図、図６は、実施の形態に係る鉄道車両台車用板バネを軸はり式台車に適用した概略を示す部分拡大上面図、図７は、図６のＢ方向の矢視図、図８は、実施の形態に係る鉄道車両台車用板バネを軸はり式台車に適用した場合の荷重の状態を説明する概略図、図９は、図７の部分拡大図、図１０は、図９のＣ-Ｃ線での断面図、図１１は、図９のＤ-Ｄ線での断面図である。
図１〜図３において、符号１０は、全体で実施の形態に係る鉄道車両台車用板バネを示している。図１〜図３に示したように、鉄道車両台車用板バネ１０は、上面部材１２と、下面部材１４と、これらの上面部材１２と下面部材１４との間に配置されたコアー芯材部材１６とを備えている。
上面部材１２は、図１に示したように、弧状の板バネ形状であって、図８に示したように、圧縮荷重を分担する部分である。また、上面部材１２は、図５の断面図で示したように、強化繊維が長手方向に延びるように積層した繊維強化プラスチックから構成されている。
同様に、下面部材１４は、図１に示したように、弧状の板バネ形状であって、図８に示したように、引張荷重を分担する部分である。また、下面部材１４は、図５の断面図で示したように、強化繊維が長手方向に延びるように積層した繊維強化プラスチックから構成されている。
一方、コアー芯材部材１６は、図８に示したように、せん断荷重を分担する部分であって、略弧状の板バネ形状である。また、コアー芯材部材１６は、図４に示したように、その下面が、両端部から中心方向に向かって下方に傾斜して延びる直線部１６aと、これらの両直線部１６aの間の中央部分に形成した弧状部分１６ｂとから構成されている。なお、コアー芯材部材１６は、図４に示したように、その上面は、なだらかな弧状に形成されている。
さらに、コアー芯材部材１６は、図４、図５に示したように、上面部材１２と下面部材１４の厚さ方向に（積層方向に）対して、直交方向である幅方向に積層されるとともに、コアー芯材部材１６の側面視で、曲げ中立軸（水平軸）に対して傾斜する方向（傾斜角α）に積層した繊維強化プラスチックから構成されている。
なお、この場合、曲げ中立軸（水平軸）に対して傾斜する方向（傾斜角α）とは、図４に示したように、水平方向に対して傾斜する角度αで、相互に繊維が交差することを意味するものである。
しかしながら、水平方向に対して角度αで傾斜する繊維に対して、図４に示したように、他の繊維が直交する場合に限定されるものではなく、例えば、３０°、６０゜など任意の角度βで相互に交差する場合も含むものである。
この場合、側面視において、強化繊維が、傾斜角αが、４５゜の交差角度で交差する方向に延びるように積層した繊維配交とするのが望ましい。しかしながら、この傾斜角αは、コアー芯材部材１６が受けるせん断荷重を考慮して適宜変更することも可能である。
コアー芯材部材１６の受けるせん断荷重を考慮すれば、この水平方向に対する傾斜角αは、曲げ中立軸（水平軸）に対して４５゜とするのが望ましい。このようにコアー芯材部材１６、上面部材１２、下面部材１４の断面を最適設計することで、圧縮荷重、引張り荷重、せん断荷重に対して最適となり、全体で最も軽くて任意のバネ定数を持つ板バネとすることができる。
また、コアー芯材部材１６は、両端部から中心方向に向かって厚さが徐々に大きくなるように構成されている。この場合、図４に示したように、曲げ荷重により上面部材１２に発生する圧縮応力、曲げ荷重により下面部材１４に発生する引張り応力が均一となるように最適化するために、放物線分布に近い状態とするのが望ましい。
さらに、上面部材１２と、下面部材１４の厚さは、特に限定されるものではないが、コアー芯材部材１６の両端部の厚さＴ１と同程度の厚さとするのが望ましい。この場合、上面部材１２と、下面部材１４と、コアー芯材部材１６は、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂などの熱硬化性樹脂からなるプラスチックなどの高分子材料と、炭素繊維、アラミド繊維などの強化繊維材料とを複合化して成形された繊維強化プラスチック（ＦＲＰ（Fiber Reinforced plastic））、例えば、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ（carbon Fiber Reinforced plastic））、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced plastic））、ガラス長繊維強化プラスチック（ＧＭＴ）、アラミド繊維強化プラスチック（ＡＦＲＰ（Aramid Fiber Reinforced Plastic））、ボロン繊維強化プラスチック（ＢＦＲＰ）、ポリエチレン繊維強化プラスチック（ＤＦＲＰ）、ザイロン強化プラスチック（ＺＦＲＰ）などの繊維強化プラスチックが使用可能である。
また、上面部材１２と、下面部材１４と、コアー芯材部材１６は、これらの繊維強化プラスチックを１種類以上選択して、組み合わせて積層することももちろん可能である。特に、上面部材１２と、下面部材１４、コアー芯材部材１６を、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）で構成するのが、曲げ弾性、機械的強度、繰り返し荷重に対する耐久性などを考慮すれば望ましい。
また、上面部材１２と、下面部材１４と、コアー芯材部材１６は、上記の強化繊維材料を樹脂で含浸した樹脂含浸材料（プリプレグ材料）を用いて積層するのが望ましい。この場合、一方向に、精密かつ一様に強化繊維を引き揃えたプリプレグ材を用いて積層構造とするのが望ましい。すなわち、強化繊維を積層する際に、テンションを負荷することによって、強化繊維をできる限り、直線状に配列して積層するのが望ましい。
また、この場合、強化繊維と樹脂を硬化し複合材化する際に、均一に加圧、加熱するのが、機械的強度などを考慮すれば望ましい。このような繊維強化プラスチックを成形する方法としては、上記のようにプリプレグ材を用いて積層構造とする方法に特に限定されるものではなく、例えば、レジントランスファ成形法（ＲＴＭ（Resin Transfer Molding））、真空アシストレジントランスファ成形法（ＶＡＲＴＭ（Vacuum Assist Resin Transfer Molding））などのレジンインジェクション成形方法（ＲＩ（Resin Injection Molding））によって成形すればよい。
さらに、これらの上面部材１２と、下面部材１４と、コアー芯材部材１６との間は、図示しないが、接着剤層によって相互に接着するのが望ましい。この場合、接着剤層としては、特に限定されるものではなく、公知の接着剤を使用でき、施工性を考慮すれば、弾性接着剤であるのが好ましい。
このような弾性接着剤としては、ポリウレタン系・シリコン樹脂系、アクリル樹脂系などの弾性構造接着剤などが使用可能である。
さらに、図５の断面図で示したように、上面部材１２と、下面部材１４と、コアー芯材部材１６を、外周を覆う外周保護層１１で被覆するのが望ましい。このような外周保護層としては、耐摩耗性を考慮して、例えば、アラミド繊維強化プラスチックから構成することができる。
また、図１、図５に示したように、下面部材１４の下方に金属製の保護部材１８を備えているのが望ましい。このように構成することによって、下面部材１４の下方に設けた金属製の保護部材１８によって、線路上の飛び石による破損損傷から、鉄道車両台車用板バネ１０の本体部（上面部材１２と、下面部材１４と、コアー芯材部材１６）を保護することができる。
この場合、保護部材１８を構成する金属材料としては、特に限定されるものではなく、耐久性、腐食性などを考慮すれば、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＭＡ４００などを用いることができる。
また、保護部材１８の厚さとしては、鉄道車両台車用板バネ１０の本体部のバネ性などを阻害することがないように、また、軽量化を阻害することがないように、１.６mm〜６.０mm、好ましくは、４.５mmの厚さとすることができる。
また、下面部材１４と保護部材１８との間に、弾性材料から構成される弾性部材２０を介装するのが望ましい。このように構成することによって、下面部材１４と金属製の保護部材１８との間に介装した弾性部材２０がクッション機能の役目をするので、線路上の飛び石による破損損傷から、鉄道車両台車用板バネ１０の本体部を効果的に保護することができる。
この場合、弾性部材２０を構成する弾性部材としては、特に限定されるものではなく、例えば、ゴム（天然ゴム系、合成ゴム系、ウレタン系、シリコンゴム系、エラストマー樹脂などの高分子物質）、弾性接着剤、シリコン系、ウレタン系、アクリル系などゴム状弾性を有する高分子物質が使用可能であり、その工業用素材としてのゴム弾性力が、振動、衝撃吸収性と衝撃強さから効果的である。この弾性部材の中でも、施工性を考慮すれば、弾性接着剤であるのが好ましい。
このような弾性接着剤としては、ポリウレタン系・シリコン樹脂系、アクリル樹脂系などの弾性構造接着剤などが使用可能である。
さらに、図１、図５に示したように、上面部材１２の上方に台車荷重受け部材２２を備えるのが望ましい。このように台車荷重受け部材２２を備えることによって、台車の荷重が直接、鉄道車両台車用板バネ１０の本体部に接触、作用することがないので、鉄道車両台車用板バネの本体部を保護することができる。
この場合、台車荷重受け部材２２としては、特に限定されるものではないが、軽量性、強度などを考慮して、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）から構成するのが望ましい。また、この台車荷重受け部材２２は、上面が平坦で荷重を受ける平坦面２２aとなっており、下面２２ｂが弧状形状となっている。
また、上面部材１２と台車荷重受け部材２２との間に、弾性材料から構成される緩衝部材２４を介装するのが望ましい。このように構成することによって、上面部材１２と台車荷重受け部材２２との間に介装した弾性材料から構成される緩衝部材２４がクッション機能の役目をするので、台車の荷重が直接、鉄道車両台車用板バネの本体部に接触、作用することがないので、鉄道車両台車用板バネの本体部を効果的に保護することができる。
なお、この緩衝部材２４は、上記の弾性部材２０と同様な弾性部材から構成することができる。このように構成される鉄道車両台車用板バネ１０は、図６、図７に示したように、軸はり式台車に適用することができる。
なお、図６、図７では、図１２、図１３の従来の軸はり式台車１００ と同じ構成部材には同一の参照番号を付してその詳細な説明を省略する。この場合、従来の側はり１０２、１０４を省略して、鉄道車両台車用板バネ１０を、その中央部分１０aを、横はり１０６、１０８の下方に配置するとともに、その両端部１０ｂを、軸箱１１４の上方に当接するように配置している。
なお、鉄道車両台車用板バネ１０の両端部には、図７、図９、図１０に示したように、例えば、ＳＭ４００などの金属製の断面略Ｕ字形状の端部荷重受け部材２６が設けられており、この端部荷重受け部材２６が、溶接によって、軸箱１１４の上方に固定されてぃる。
また、図１１に示したように、鉄道車両台車用板バネ１０の中央部分の台車荷重受け部材２２には、横はり１０６、１０８の下方に架け渡して配設された固定用はり１２２を受ける凹部２２ｃが形成されており、これにより、固定用はり１２２に固定されるようになっている。
なお、図１０、図１１に示したように、鉄道車両台車用板バネ１０の上面部材１２と台車荷重受け部材２２との間に、補強の目的で、金属製の鋼板部材２８が介装することも可能である。
このように構成することによって、図８に示したように、上面部材１２で圧縮荷重を分担するとともに、下面部材１４で引張荷重を分担し、さらに、コアー芯材部材１６でせん断荷重を分担することになる。
従って、実施の形態に係る鉄道車両台車用板バネ１０では、圧縮荷重を分担する上面部材１２を、強化繊維が長手方向に延びるように積層した繊維強化プラスチック、特に、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）から構成し、引張荷重を分担する下面部材１４を、強化繊維が長手方向に延びるように積層した繊維強化プラスチックから構成している。
そして、せん断荷重を分担するコアー芯材部材１６を、上面において、強化繊維が長手方向に延び、断面において、強化繊維が厚さ方向に延び、側面において、強化繊維が交差する方向に延びるように積層した繊維強化プラスチックから構成するとともに、これらの部材の間を接着する層間部（接着層）から構成している。
従って、これらの部材の強度を適正に設定することによって、最大限界荷重を超えた時、破壊の開始を層間部、上面部材１２、下面部材１４と順に開始させることによって、破断が一気に発生することがない。
また、炭素繊維は引っ張り強度に比較して圧縮強度が厚板にすると５０％ほど弱い材料であるが、本実施の形態のように、上面部材１２と下面部材１４の中間にコアー芯材部材１６を設け、せん断荷重を分担させるとともに、コアー芯材部材１６を、上面において、強化繊維が長手方向に延び、断面において、強化繊維が厚さ方向に延び、側面において、強化繊維が交差する方向に延びるように積層した繊維配交とすることにより、せん断荷重に対して最適となり、全体で最も軽くて任意の高剛性（バネ定数）を持つ板バネとすることができる。
さらに、金属製のバネ、台車枠などは、金属疲労の問題があるが、上記のように安全率を適正に設定することによって、繊維強化プラスチック、特に、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）は疲労を起こさないので、長寿命化が図れることになる。
従って、従来のように、熟練の要する溶接、組立作業が不要で、コストと時間を低減することができるとともに、鋼製で重量の重い側はりが不要で、台車構造の簡素化が図れ、軽量化とコストの低減が図れ、しかも高寿命で耐久性も向上した鉄道車両台車用板バネを提供することができる。
炭素繊維を、熱硬化エポキシ樹脂で含浸させたプリプレグを用いて、図４に示したように、炭素繊維が長手方向に延びるように積層し、成形型内で、プリプレグ指定の温度、圧力、時間で成形することにより、上面部材１２を成形した。
同様に、炭素繊維を、熱硬化エポキシ樹脂で含浸させたプリプレグを用いて、図４に示したように、炭素繊維が長手方向に延びるように積層し、プリプレグ指定の温度、圧力、時間で成形することにより、下面部材１４を成形した。
また、炭素繊維を、熱硬化エポキシ樹脂で含浸させたプリプレグを用いて、図４に示したように、プリプレグ指定の温度、圧力、時間で成形することにより、上面部材１２と下面部材１４の厚さ方向に（積層方向に）対して、直交方向である幅方向に積層されるとともに、コアー芯材部材１６の側面視で、曲げ中立軸（水平軸）に対して傾斜する方向（斜角α）に積層した繊維強化プラスチックによって、コアー芯材部材１６を成形した。
これらの上面部材１２と下面部材１４の中間にコアー芯材部材１６を配置するように、フィルム接着剤を用いて相互に接着して、実施の形態に係る鉄道車両台車用板バネ１０を作成した（全長２４００mm、幅１８０mm、中央部の厚さ１００mm、端部の厚さ４０mm）。
これを、図８に示したような、構造の試験装置を用いて、繰り返し荷重試験を行った。この結果、３１５kNで破壊が生じた。その結果、通常の鉄道車両台車用として十分な強度を有していることが実証された。
上記実施例１の結果から明らかなように、実証するために試作した、スパン２１００mmの複合材板バネにおいて、２８００N/mm（板バネあたり）程度のばね定数、３１５kN（板バネあたり）程度の破壊荷重、と鉄道台車用板バネとして十分な基本性能を確認することができた。
また、上記試作複合材板バネの重量は、約４５kgであり、鋼鉄製重ね板バネに比して大幅な軽量化を達成することができた。なお、上記試作複合材板バネは、単一の板バネであり、鋼鉄製重ね板バネに比して大幅な部品数の低減と組み立て性の向上を達成することができた。
なお、重量は、複合材板バネ単体に鋼板の保護材を接着すると、８０kg程度となるが、それでも、従来の鋼鉄製板バネより、大幅に軽量化することができる。以上、実施の態様を説明してきたが、本発明はこれに限定されることはなく、例えば、上記実施例では、鉄道車両台車用板バネの本体部を、上面部材１２と下面部材１４の中間にコアー芯材部材１６の３層構造としたが、上面部材１２と下面部材１４を複数層設けて、４層以上の構成とすることも可能であり、さらには、これらの上面部材１２と下面部材１４の中間にコアー芯材部材１６の間に、金属製の薄板部材を介装して複合化することも可能であるなど本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
本発明は、例えば、鉄道車両の軸はり式の台車に用いる鉄道車両台車用板バネに関し、繊維強化プラスチック、特に、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を主材料として構成した鉄道車両台車用板バネ、およびそれを用いた鉄道車両台車に適用することができる。
１０ 鉄道車両台車用板バネ
１０a 中央部分
１０b 両端部
１１ 外周保護層
１２ 上面部材
１４ 下面部材
１６ コアー芯材部材
１６a 直線部
１６b 弧状部分
１８ 保護部材
２０ 弾性部材
２２ 台車荷重受け部材
２２a 平坦面
２２b 下面
２２c 凹部
２４ 緩衝部材
２６ 端部荷重受け部材
２８ 鋼板部材
１００ 台車
１１０ 車軸
１１２ 車輪
１１４ 軸箱
１１６ 軸バネ
１１８ 軸部
１２０ 軸箱支持装置
α 交差角
１０a 中央部分
１０b 両端部
１１ 外周保護層
１２ 上面部材
１４ 下面部材
１６ コアー芯材部材
１６a 直線部
１６b 弧状部分
１８ 保護部材
２０ 弾性部材
２２ 台車荷重受け部材
２２a 平坦面
２２b 下面
２２c 凹部
２４ 緩衝部材
２６ 端部荷重受け部材
２８ 鋼板部材
１００ 台車
１１０ 車軸
１１２ 車輪
１１４ 軸箱
１１６ 軸バネ
１１８ 軸部
１２０ 軸箱支持装置
α 交差角
Claims (9)
- 鉄道車両台車用板バネであって、
強化繊維が長手方向に延びるように積層した繊維強化プラスチックからなる上面部材と、
強化繊維が長手方向に延びるように積層した繊維強化プラスチックからなる下面部材と、
前記上面部材と下面部材との間に配置されたコアー芯材部材とを備え、
前記上面部材、前記下面部材、及び前記コアー芯材部材は、いずれも前記鉄道車両台車用板バネの一端から他端まで連続的に延在しており、
前記コアー芯材部材が、上面部材と下面部材の積層方向に対して、直交方向である幅方向全体に亘って積層されるとともに、強化繊維が前記コアー芯材部材の側面視で、曲げ中立軸に対して傾斜し、互いに交差するように積層した繊維強化プラスチックから構成され、
前記鉄道車両台車用板バネは、その下面が、両端部から中心方向に向かって下方に傾斜して延びる直線部と、両直線部の間の中央部分に形成した弧状部分とから構成されていることを特徴とする鉄道車両台車用板バネ。 - 前記上面部材の厚さは、前記下面部材の厚さよりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の鉄道車両台車用板バネ。
- 前記コアー芯材部材の強化繊維が、前記コアー芯材部材の側面視で、曲げ中立軸に対して４５°で傾斜することを特徴とする請求項１または２に記載の鉄道車両台車用板バネ。
- 前記鉄道車両台車用板バネが、両端部から中心方向に向かって厚さが徐々に大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の鉄道車両台車用板バネ。
- 前記下面部材の下方に金属製の保護部材を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の鉄道車両台車用板バネ。
- 前記下面部材と保護部材との間に、弾性材料から構成される弾性部材を介装したことを特徴とする請求項５に記載の鉄道車両台車用板バネ。
- 前記上面部材の上方に台車荷重受け部材を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の鉄道車両台車用板バネ。
- 前記上面部材と台車荷重受け部材との間に、弾性材料から構成される緩衝部材を介装したことを特徴とする請求項７に記載の鉄道車両台車用板バネ。
- 前記繊維強化プラスチックが、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）から構成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の鉄道車両台車用板バネ。
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