JP5803930B2

JP5803930B2 - 車両用空気ばねとそれを用いた台車

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Publication number: JP5803930B2
Application number: JP2012540753A
Authority: JP
Inventors: 浩一原口; 隆之澤; 俊寿足立
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2010-10-25
Filing date: 2011-10-07
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2031-10-07
Also published as: WO2012056863A1; JPWO2012056863A1; CN103180193A; CN103180193B

Description

この発明は、車両用空気ばね、特に、インフレート時(空気が封入されている正常時）、デフレート時(所謂パンク時）のばね特性に優れ、従来品に比べてより一層の小型化も図れる空気ばねと、それを用いた台車に関する。

鉄道車両用のサスペンションとして採用される空気ばねは、二次ばねとして車両の台車と車体との間に設置される。この空気ばねには、ボルスタ付き台車用とボルスタレス台車用がある。

これらの空気ばねの中で、下記特許文献１に開示されるようなものがある。特許文献１の空気ばねは、台車側に取り付ける内筒と、車体側に取付ける外筒と、その内筒と外筒間に設置して空気を封入するダイヤフラムを有し、さらに、各々がばね性を有する外部ストッパと内部ストッパを有している。

外部ストッパと内部ストッパは、ゴム層と補強板を交互に重ねた積層ゴムで形成されたものが多用されている。外部ストッパは、略円筒状であり、ダイヤフラムを備えた空気ばねの内筒を支持する。また、内部ストッパは、ダイヤフラムの内側に設置され、デフレート時に外筒を支持する。
デフレート時に外筒が内部ストッパ上に乗り、内部ストッパと外部ストッパを介しての荷重（車体重量）支持がなされる。
これにより、デフレートに起因したダイヤフラムによるクッション性能の喪失が内部ストッパのばね特性によって補われ、デフレート時にも車両の走行安全性と不快感の少ない乗り心地が確保される。

ところで、上記構造の空気ばねは、外部ストッパと内部ストッパの２者を備えるため、高さ寸法が大きくなる傾向がある。

その問題の対策として、特許文献１の空気ばねは、図４に示すように、内筒の中央部に下に窪んだ凹部を設けてその凹部を外部ストッパの内部に入り込ませ、その凹部上に内部ストッパを取り付けている。これにより、外部ストッパと内部ストッパを高さ方向に部分的にオーバラップさせて全高(全体の高さ寸法）を短縮することを可能にしている。

特開２００２−２０６５８２号公報

前記特許文献１の空気ばねにおいて、内部ストッパのばね定数をより下げるために内部ストッパの高さを大きくする場合、全高を少なくとも維持しようとすれば、外部ストッパと内部ストッパのオーバラップ量を大きくすることになる。

インフレート時、空気ばねが水平方向に変位する際、外部ストッパは弾性変形して、ダイヤフラムの水平運動を補助する役割を担う。そのとき、傾いた外部ストッパが、内部ストッパを取り付ける内筒の凹部と干渉しないようにする必要がある。しかしながら、外部ストッパとの干渉を避けるために、凹部を小さくすると、内部ストッパの外径が小さくなって内部ストッパの受圧面積を十分に確保できなくなる。

この発明は、外部ストッパと内部ストッパを併用した空気ばねについて、全高の更なる低下と、デフレート時の良好なばね特性の確保を両立させることを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明の車両用空気ばねは、車体側の外筒と、前記外筒より下方の内筒と、前記外筒と前記内筒との間に配置されるダイヤフラムと、前記内筒を支持するばね特性を持った筒状の外部ストッパと、前記内筒で支持されるばね特性を持った内部ストッパとを備える。そして前記内筒が、前記外部ストッパの内側で該外部ストッパに対して高さ方向にオーバラップし前記内部ストッパの一端面を支持する下細りの傾斜支持壁と、その傾斜支持壁の底部から内側（中心方向）に延びる補強壁と、前記傾斜支持壁の上端から径方向外向きに延び出した前記外部ストッパの上面による被支持部とを有し、前記内部ストッパの他端面を固定し、前記内部ストッパを挟んで前記傾斜支持壁と対向する下細りの傾斜固定壁を前記内部ストッパの内側にさらに備える車両用空気ばねにした。

この車両用空気ばねにおいて、前記内筒は、前記傾斜支持壁で前記内部ストッパを支持するため、空気ばねの水平変位によって前記外部ストッパが傾いても、前記傾斜支持壁と前記外部ストッパとの干渉を避けることができ、前記内部ストッパの支持面積も確保することができる。前記内部ストッパの受圧面積および体積を確保することで、デフレート時にも、空気ばねの搭載荷重を適当に受けることができる。また前記傾斜支持壁と前記傾斜固定壁との間で固定された前記内部ストッパは準剪断型のストッパとして作用し、デフレート時にも良好なばね特性を得ることができる。

一実施態様において、前記内部ストッパとしては、車量を受けて剪断変形を起こす下細り円錐形の準剪断型のストッパを用い、この準剪断型の内部ストッパの一端面（外径面）を前記傾斜支持壁に、前記内部ストッパの他端面（内径面）を前記傾斜固定壁にそれぞれ固定する。

この内部ストッパは、前記凹部の周壁の内面のほぼ全域にわたる範囲に設置するのが好ましい。

この発明は、車軸と車輪を取り付けた台車枠上に、上述したこの発明の空気ばねをサスペンションとして設置した台車も併せて提供する。

車量で準剪断変形を起こしてクッション効果を生じる空気ばね用の準剪断型のストッパは、前記特許文献１の図４にも示されている周知のクッション材である。この発明の空気ばねは、内部ストッパとしてその準剪断型のストッパを用いたので、凹部の周壁と内部ストッパとの間に内部ストッパの水平方向弾性変形を許容するための空間を設ける必要がない。従って、内筒の内部スペースを無駄なく利用することができる。

また、その準剪断型の内部ストッパを、下細りの円錐形状をなすものにしたので、内筒に設ける凹部の周壁を下細り円錐形状にしてその周壁と外部ストッパとの間に外部ストッパの水平方向弾性変形を許容するための下広がりの空間を確保することができる。

加えて、準剪断型の内部ストッパを採用したことで、前記凹部の周壁の傾斜角θの規制も緩和され、その傾斜角θを十分に大きくすることができる。これにより、凹部の底壁から外部ストッパの下面板までの距離を大きくせずに外部ストッパの水平方向弾性変形の許容量を増大させることが可能になり、全高の更なる低減と、デフレート時の良好なばね特性の確保が可能になる。

また、この発明の台車は、全高低下とデフレート時の良好なばね特性の確保を両立させた空気ばねを採用しているので、車輪の直径を大きくする要求や、デフレート時の走行安全性を高める要求に応えることができ、車両の高速化に寄与できる。

この発明の空気ばねの一形態を示す断面図この発明の空気ばねの他の形態を示す断面図この発明の台車の実施形態の概要を示す側面図特許文献１に開示された空気ばねの断面図図１の発明の空気ばねの他の形態を示す断面図図２の発明の空気ばねの他の形態を示す断面図

１空気ばね
２外筒
２ａ上面板
２ｂ空気ポート
２ｃ支軸
３内筒
３ａ押え具
４ダイヤフラム
５外部ストッパ
６内部ストッパ
５ａ，６ａ積層ゴム
５ａ_−１，６ａ_−１ゴム層
５ａ_−２，６ａ_−２補強板
５ｂ下面板
５ｃ空気ポート
５ｄ支軸
ｆｏ外径面
ｆｉ内径面
７押圧板
８凹部
８_−１周壁（傾斜支持壁）
８_−２底壁（補強壁）
９中空コーン
９ａ荷重印加面（傾斜固定壁）
１０台車
１１車軸
１２車輪
１３台車枠
１３ａ側梁
１４軸ばね
２０車体
ｇ１，ｇ２空間
θ 内筒の凹部の周壁の傾斜角
Ｌ外部ストッパと内部ストッパのオーバラップ長さ
ｄａ内筒と押圧板間の径方向隙間寸法
ｄｂ外部ストッパの半径での水平方向弾性変形の許容量

以下、この発明の車両用空気ばねと台車の実施の形態を、添付図面の図１〜図３および図５〜図６に基づいて説明する。図１に示した車両用空気ばね１は、外筒２、内筒３、ダイヤフラム４、外部ストッパ５、内部ストッパ６及び押圧板７を組み合わせて構成されている。

外筒２は、給排気用の空気ポート２ｂを有する支軸２ｃをダイヤフラム４の上部を覆う上面板２ａの中心に設けた部材であり、この外筒２は車体２０に取り付けられる。

その外筒２と内筒３間にダイヤフラム４が配置される。このダイヤフラム４の内部に圧縮空気が導入されてインフレート時にエアークッション効果が発揮される。

外部ストッパ５は、圧縮変形を起こす圧縮型のクッション材である。図示の外部ストッパ５は、環状のゴム層５ａ_−１と補強板５ａ_−２を交互に重ねた略円筒状の積層ゴム５ａと下面板５ｂを組み合わせて構成されており、空気ポート５ｃを有する支軸５ｄを中心に垂下して設けた前記下面板５ｂが車両の台車１０に取り付けられる。この外部ストッパ５の上端に内筒３が固定されてその内筒３の支持が外部ストッパ５によって行われる。空気ポート２ｂ、５ｃは、後述する内筒３に設けられた凹部８の底壁８_−２と中空コーン９に設けた孔を介して連通している。

なお、外部ストッパ５は、最大想定荷重を受けた状態で下面板５ｂに対する内筒３の乗り上げが起こらないようにその性能が決定されている。

内筒３は、下に窪んだ凹部８を中央に備えている。その凹部８は、下細り円錐形の周壁（傾斜支持壁）８_−１と底壁（補強壁）８_−２を備えるものにしてあり、この凹部の周壁８_−１上に内部ストッパ６を設置して内部ストッパ６を内筒３で支えている。

内部ストッパ６は、垂直加重(上からの荷重）に対して剪断変形を起こす準剪断型のク
ッション材である。この内部ストッパ６は、ばね定数が外部ストッパ５よりも小さく設定されている。また、デフレート時に押圧板７を浮遊位置に保持できるものにしている。図示の内部ストッパ６は、円錐状のゴム層６ａ_−１と、円錐状の補強板６ａ_−２を交互に重ねた積層ゴム６ａによって構成されるものになっているが、図２に示すように、単一のゴム塊で構成されるものであってもよい。

この内部ストッパ６は、下細り円錐形状をなすものにして傾斜した外径面ｆｏを凹部８の周壁８_−１の内面に接している。

押圧板７は、内筒３の上部に設けた押え具３ａで図１の位置からの上への移動を阻止しているが、図１の位置から下への移動と、内筒３に対する所定量の水平方向相対移動は許容される。図示の押圧板７は、内筒３との摺動面に、フッ素樹脂などの低摩擦係数のコーティング層(図示せず）を有するものもあり、この場合、上記の水平方向相対移動量を大
きく確保する必要はない。

この押圧板７の中央下面に凹部８と同心配置の中空コーン９を垂下して設け、その中空コーン９の下細り円錐形の外周面（傾斜固定壁）を荷重印加面９ａにしてその面に内部ストッパ６の内径面ｆｉを接着している。

なお、内部ストッパ６の外径面ｆｏと内径面ｆｉの接着は、同ストッパの上側と下側のみについて行っており、内・外径面の高さ方向の中間部は、荷重印加面９ａと周壁８_−１に対してそれぞれ未接着の状態になっている。この構成によって、内部ストッパの垂直荷重による剪断変形を起こり易くすることができるが、内・外径面ｆｏ，ｆｉの全域を接着してもよい。

この内部ストッパ６は、内筒３の凹部８を外部ストッパ５の内側に入り込ませている。そのために、凹部の周壁８_−１に支持された内部ストッパ６が、図１に示した長さＬの範囲で外部ストッパ５に対して高さ方向にオーバラップし、オーバラップの無い構造に比べて空気ばねの全高が長さＬ相当分低くなっている。

内部ストッパ６は、上から適度に加圧して予備圧縮を行っており、予備圧縮点からの復元を押圧板７で阻止することで予備圧縮状態を保持している。この内部ストッパ６は、デフレート時に最大想定荷重を受けた状態で押圧板７の浮遊状態が維持されるようにその性能が決定されている。

この内部ストッパ６は、図１、図２に示すように、凹部の周壁８_−１の内面のほぼ全域にわたる範囲に設置すると好ましい。そのようにすることで凹部８の内部スペースを無駄なく利用でき、ゴム層の体積も最大限に確保することができる。

以上のように構成したこの車両用空気ばね１は、準剪断型の内部ストッパ６を採用したので、凹部の周壁８_−１と内部ストッパ６との間に従来設けていた図４の空間ｇ１を設ける必要がない。

また、その準剪断型の内部ストッパ６を、下細りの円錐形状をなすものにしたので、内筒の凹部の周壁８_−１と外部ストッパ５との間に外部ストッパ５の水平方向弾性変形(設
計上の最大弾性変形量）を許容するための下広がりの空間ｇ２を確保することができる。

凹部の周壁８_−１は、圧縮型の内部ストッパを採用した特許文献１の空気ばねと違って内部ストッパ６の受圧面積を確保する上での傾斜角規制が少ない。従って、周壁８_−１の傾斜角θを大きくして空間ｇ２を増大させることができる。

そのために、凹部の底壁８_−２から外部ストッパの下面板５ｂまでの距離を大きくせずに外部ストッパ５の水平方向弾性変形の許容量を増大させることが可能になり、車両用空気ばねの全高の更なる低減と、デフレート時の良好なばね特性の確保が可能になる。

また、準剪断型の内部ストッパを採用したので、圧縮型の内部ストッパを採用した特許文献１の空気ばねに比べて、デフレート時の垂直荷重に対するばね定数を十分に小さくし得る効果も得られる。特許文献１の空気ばねは、デフレート時のばね定数が３ｋＮ／ｍｍ程度が最も軟らかいレベルになるが、準剪断型の内部ストッパであれば、デフレート時のばね定数が２ｋＮ／ｍｍ以下といったレベルも可能であるので、ユーザの選択の範囲が広がる。

なお、内部ストッパ６を凹部の周壁８_−１の内面のほぼ全域にわたる範囲に設置した空気ばねは、内筒３の内部スペースの利用効率がより高まり、内部ストッパ６構成するゴム層の体積も最大限に確保することができる。内部ストッパや外部ストッパはゴム層の体積が大きいほどゴムの荷重負担が軽減されて耐久性の面で有利となる。

図５は図１の発明の空気ばねの他の形態を示す断面図である。また図６は図２の発明の空気ばねの他の形態を示す断面図である。これらの形態では支軸５ｄが凹部の底壁８_−２まで突出している。これにより図１および図２の実施の効果に加えて、空気ばねの水平移動距離が一定以上大きくなると、水平移動しにくくなる効果を得ることができる。即ち、支軸５ｄが底壁（補強壁）８_−２に接触することにより、外部ストッパ５の水平変位を抑制する。そして、空気ばねが水平方向に大きく変位し、支軸５ｄが底壁（補強壁）８_−２に接触した以降は、外部ストッパ５が移動できなくなり、空気ばね全体の水平方向の剛性は大きくなる。これにより、空気ばねが大きく水平移動する際に水平変位量を抑制できることとなり、最終的に車両の大変位を抑制することができる。
本願発明においては、傾斜している内部ストッパ構造により、水平方向への移動は抑制される。一方、傾斜している内部ストッパ構造により、せん断方向にも可動となり、良好なばね定数（クッション性）を得ることができる。当該支持体の付設により、不必要な水平移動を抑制することができるので、傾斜している内部ストッパ構造のクッション性を確実なものとすることができる。
なお、支軸５ｄの空気ポート５ｃはあっても無くてもよい。下側に吸気孔を設けない場合には支軸５ｄに空気ポート５ｃは無くてもよい。

次に、この発明の台車の実施の形態を図３に示す。図に示すように、例示の台車１０は、車軸１１と車輪１２を取り付けた台車枠１３を有する。台車枠１３には、側梁１３ａが含まれている。その台車枠１３は、軸ばね１４を介して車軸１１に受け支えられており、その台車枠１３上に上述したこの車両用空気ばね１をサスペンションとして設置している。

車両用空気ばね１は、外部ストッパ５の下面板５ｂを台車枠１３に固定しており、この空気ばね１の外筒２を鉄道車両の車体２０に固定して台車１０と車体２０間に空気ばね１を介在する。

このように構成した台車１０は、全高低下とデフレート時の良好なばね特性の確保を両立させた空気ばね１を採用しているので、車輪１２の直径を大きくする要求や、デフレート時の走行安全性を高める要求に応えることができ、車両の高速化の要求に応えることが可能になる。

上述した実施の形態は本発明の技術的範囲を制限するものではなく、本発明の範囲内で種々の変形や応用が可能である。たとえば押圧板を保持する押え具はナットやネジであってもよい。
押圧板には、空気ばね吊り下げ用のネジを設けることができる。
押圧板には、空気ばねの減衰を与える絞り穴を設けることができる。
傾斜固定壁には、空気ばね吊り下げ用のネジを設けることができる。
傾斜固定壁には、空気ばねの減衰を与える絞り穴を設けることができる。

Claims

車体側の外筒と、前記外筒より下方の内筒と、前記外筒と前記内筒との間に配置されるダイヤフラムと、前記内筒を支持するばね特性を持った筒状の外部ストッパと、前記内筒で支持されるばね特性を持った内部ストッパとを備え、
前記内筒が、前記外部ストッパの内側で該外部ストッパに対して高さ方向にオーバラップし前記内部ストッパの一端面を支持する下細りの傾斜支持壁と、その傾斜支持壁の底部から内側に延びる補強壁と、前記傾斜支持壁の上端から径方向外向きに延び出した前記外部ストッパの上面による被支持部とを有し、
前記内部ストッパの他端面を固定し、前記内部ストッパを挟んで前記傾斜支持壁と対向する下細りの傾斜固定壁を前記内部ストッパの内側にさらに備える車両用空気ばね。
前記外筒の当接によって前記内部ストッパを押圧するための押圧板と、前記内部ストッパを予備圧縮点で保持するための押え具とをさらに備え、
前記押圧板が、前記押え具で押えられる周縁部と前記押え具より上方に突出する凸部とを有する請求項１に記載の車両用空気ばね。
前記内部ストッパが、ゴム層と補強板を複数相互に重ねた積層ゴムで構成され、前記傾斜支持壁が、その内面のほぼ全域にわたる範囲で前記積層ゴムの一端面を支持する請求項１又は請求項２に記載の車両用空気ばね。
車軸と車輪を取り付けた台車枠上に、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の空気ばねをサスペンションとして設置した台車。