JP6838925B2 - 鉄道車両の二次サスペンション装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の車体と台車との間に介設される二次サスペンション装置に関する。

近年の鉄道車両では、客車における乗降口と駅ホームとの間の段差の解消や、貨物車における車両限界内での積荷コンテナ寸法の拡大などのために、低床化が要求される場合がある。

低床化すると、台車のスペースや変位量の制約は大きくなる。例えば、車体と台車枠との間に配置される二次サスペンションにコイルバネを用いると、それを収めるスペースには鉛直方向に長い寸法が必要で、かつ、空車時と満車（満載）時との間の荷重変動による伸縮量も考慮する必要がある。そこで、レベリングバルブによって高さが概ね一定に制御される空気バネ（例えば、特許文献１参照）を二次サスペンションとして用いることで、鉛直方向寸法を小さくし、かつ、荷重変動による伸縮量を僅かにすることができる。

特許第４９２８７５７号公報

ところで、空気バネには、鉄道車両に各種機器の駆動源として搭載されたコンプレッサからの圧縮空気が供給されるが、空気バネは圧縮空気の消費量が多いため、コンプレッサを増設又は大容量化する必要が生じる。

そこで本発明は、二次サスペンションに空気バネを用いながらも、コンプレッサの増加又は大容量化を防止することを目的とする。

本発明の一態様に係る鉄道車両の二次サスペンション装置は、車体と台車との間に介設される二次サスペンション装置であって、下部材と、前記下部材に対して鉛直方向に変位可能な上部材と、前記下部材と前記上部材とを繋いで圧縮空気空間を形成するダイヤフラムとを有する空気バネと、前記空気バネの弾性変形範囲内で前記下部材と前記上部材とが互いに鉛直方向に近接変位するのに連動して圧縮変形する補助バネと、を備える。

前記構成によれば、空気バネが弾性変形範囲内にある状態で補助バネが車体を支持できるため、空気バネに要求される圧縮空気量を低減でき、コンプレッサの増加又は大容量化を防止できる。

本発明によれば、鉄道車両の二次サスペンションに空気バネを用いながらも、コンプレッサの増加又は大容量化を防止できる。

第１実施形態に係る鉄道車両の要部の側面図である。 図１に示す二次サスペンション装置の一部断面図である。 図２に示す二次サスペンション装置の補助バネの平面図である。 第２実施形態の二次サスペンション装置の一部断面図である。 第３実施形態に係る鉄道車両の要部の側面図である。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１は、実施形態に係る鉄道車両１の要部の側面図である。図１に示すように、鉄道車両１は、車体２と、車体２を支持する台車３とを備える。車体２は、貨物が積載される貨車あるいは人間が搭乗する客車である。台車３は、台車枠４を備える。台車枠４は、車幅方向に延びる横梁（図示せず）と、当該横梁の車幅方向両側において車両長手方向に延びる一対の側梁６とを有する。

側梁６の車両長手方向両側には、車幅方向に沿って延びる車軸７が配置されている。車軸７の各々には、一対の車輪８が設けられている。車軸７の両端部は、軸箱９に収容された軸受（図示せず）に回転自在に支持されている。側梁６と軸箱９との間には、一次サスペンション装置１０が介設されている。一次サスペンション装置１０の形態は特に限定されず、例えば、ゴムバネ、コイルバネ又はそれらの組み合わせが用いられる。

一対の側梁６の車両長手方向の中央部には、二次サスペンション装置１２がそれぞれ上方から載せられている。即ち、二次サスペンション装置１２は、車体２と台車枠４との間に介設されている。二次サスペンション装置１２は、空気バネ１３と、後述する補助バネ３０（図２参照）とを備える空気バネ装置である。空気バネ１３は、下部材１４と、上部材１５と、ダイヤフラム１６とを有する。

下部材１４は、台車枠４に接続されている。上部材１５は、車体２に接続されて、下部材１４に対して鉛直方向に変位可能である。ダイヤフラム１６は、可撓性材料（例えば、ゴム）からなり、下部材１４と上部材１５とを気密的に繋いで圧縮空気空間Ｓを形成する。上部材１５は、空気バネ１３の内部空間である圧縮空気空間Ｓを外部に連通させる給排口１５ａを有する。給排口１５ａは、第１空気管１７に接続されている。

空気バネ１３の圧縮空気空間Ｓには、車体２（又は別の車両の車体）に設けられたコンプレッサ（図示せず）から第１空気管１７及び第２空気管１８を通じて圧縮空気が供給される。即ち、空気バネ１３は、その内部の圧縮空気空間Ｓに貯留された圧縮空気による圧力で車体２からの荷重を弾性的に支持する。下部材１４は、圧縮空気空間Ｓを側梁６内の補助空気室（図示せず）に連通させる補助空気室連通口１４ａを有する。なお、下部材１４には、二次サスペンション装置１２のハンドリングのために給排口１５ａからアイボルト（図示せず）を挿入して螺合するための雌ネジ１４ｂが形成されている。

空気バネ１３には、自動高さ調整装置２０が設けられている。自動高さ調整装置２０は、車体２と台車枠４との間の鉛直方向の相対変位に機械的に連動して空気バネ１３に対する給排気を行い、空気バネ１３の高さを概ね一定に保つものである。

自動高さ調整装置２０は、給排気弁２１と、アーム２２と、連結棒２３とを備える。給排気弁２１は、給気ポート２１ａと、排気ポート２１ｂと、接続ポート２１ｃと、弁体２１ｄと、作動回転軸２１ｅとを有する。給気ポート２１ａは、第２空気管１８を介してコンプレッサ（図示せず）に連通している。排気ポート２１ｂは、大気に開放されている。接続ポート２１ｃは、第１空気管１７を介して圧縮空気空間Ｓと連通している。

弁体２１ｄは、接続ポート２１ｃが給気ポート２１ａに連通する給気位置と、接続ポート２１ｃが排気ポート２１ｂに連通する排気位置との間で動作可能に構成されている。作動回転軸２１ｅは、その回転動作に弁体２１ｄを連動させることで、弁体２１ｄを給気位置と排気位置との間で切替動作を行わせる。アーム２２は、その一端が作動回転軸２１ｅに接続されている。連結棒２３は、その一端がアーム２２の他端に接続され、その他端が台車枠４に接続されている。

自動高さ調整装置２０は、空気バネ１３の高さが所定の設定値Ｈである場合には、空気バネ１３に対する給排気を行わない。他方、空気バネ１３の高さが設定値Ｈから所定の不感帯を超えて外れた場合には、アーム２２及び連結棒２３の動きに伴って作動回転軸２１ｅが回転して弁体２１ｄが動作することにより、自動高さ調整装置２０が空気バネ１３に対する給排気を行い、空気バネ１３の高さが設定値Ｈに戻るように調整される。

図２は、図１に示す二次サスペンション装置１２の一部断面図である。図２に示すように、二次サスペンション装置１２は、空気バネ１３と、空気バネ１３の圧縮空気空間Ｓに収容された補助バネ３０とを備える。補助バネ３０は、下部材１４と上部材１５との間に挟まれている。下部材１４は、上部材１５に圧縮空気空間Ｓを介して対向する下板２４と、下板２４の下面に固定された積層ゴム体２５とを有する。下板２４は、補助バネ３０が鉛直方向に挿通される開口２４ａを有する。積層ゴム体２５は、複数のプレート層２６〜２８と、それらプレート層２６〜２８の間に交互に挟まれた複数のゴム層２９とを有する。複数のプレート層２６〜２８は、下板２４に固定される最上プレート層２６と、台車枠４に固定される最下プレート層２８と、最上プレート層２６と最下プレート層２８との間に配置される中間プレート層２７とからなる。

最下プレート層２８は、下板２４の開口２４ａと鉛直方向に対向する座部２８ａを有する。積層ゴム体２５は、座部２８ａよりも上側において補助バネ３０が挿通される開口２５ａが形成されている。補助バネ３０は、上部材１５と最下プレート層２８の座部２８ａとによって挟まれている。下部材１４（具体的には、座部２８ａ）の上面には、補助バネ３０の下端が内嵌される凹部２８ｂが形成されている。上部材１５の下面にも、補助バネ３０の上端が内嵌される凹部１５ｂが形成されている。補助バネ３０の下端は、下部材１４に固定され、補助バネ３０の上端は、上部材１５に固定されている。

なお、補助バネ３０を支持する座部２８ａは、最下プレート層２８に設けられる代わりに、中間プレート層２７又は最上プレート層２６に設けられてもよい。あるいは、補助バネ３０は、上部材１５と下板２４とで挟まれてもよい。また、補助バネ３０が下部材１４及び上部材１５に位置決め嵌合される構造の代わりに又は当該構造と併せて、補助バネ３０が下部材１４及び上部材１５の少なくとも一方に固定具により固定されていてもよい。

図３は、図２に示す二次サスペンション装置１２の補助バネ３０の平面図である。図２及び３に示すように、補助バネ３０は、一例として、積層ゴム体である。補助バネ３０は、複数のプレート層３１と、それらプレート層３１の間に交互に挟まれた複数のゴム層３２とを有する。補助バネ３０の少なくとも上面は、平面視で給排口１５ａを囲む形状を有する。即ち、補助バネ３０は、鉛直方向から見て給排口１５ａと重なる空間を形成する環状であり、上方から見て下部材１４の雌ネジ１４ｂが露出している。補助バネ３０には、圧縮空気空間Ｓのうち補助バネ３０の外側の領域を給排口１５ａに連通させる空気通路Ｐが形成されている。補助バネ３０の少なくとも下面は、平面視で補助空気室連通口１４ａを囲む形状を有する。本実施形態では、空気通路Ｐが、圧縮空気空間Ｓのうち補助バネ３０の外側の領域を補助空気室連通口１４ａに連通させる。

具体的には、補助バネ３０は、鉛直方向に延びる第１流路Ｐ１を形成する筒状に形成されており、複数のゴム層３２のうち少なくとも１つに水平方向に延びる第２流路Ｐ２が形成されている。第１流路Ｐ１は、給排口１５ａと連通する。第２流路Ｐ２は、第１流路Ｐ１に連通して且つ圧縮空気空間Ｓのうち補助バネ３０の外側の領域（即ち、補助バネ３０とダイヤフラム１６との間の空間）に連通する。即ち、第１流路Ｐ１及び第２流路Ｐ２によって空気通路Ｐが構成されている。なお、第２流路Ｐ２は、ゴム層３２に設けられる代わりに、複数のプレート層３１のうち少なくとも１つに形成されてもよい。

補助バネ３０は、空気バネ１３の弾性変形範囲内で下部材１４と上部材１５とが互いに鉛直方向に近接変位するのに連動して圧縮変形可能となる。本実施形態の二次サスペンション装置１２において、上部材１５に空車荷重が負荷された状態では、補助バネ３０だけで空車荷重を支持し、上部材１５に積車荷重が負荷されたときに、圧縮空気空間Ｓ内の圧縮空気と補助バネ３０との両方で積車荷重を支持する。なお、「空車荷重」は、車体２に貨物又は人間が積っていない空車状態で車体２から二次サスペンション装置１２に負荷される荷重を意味し、「積車荷重」は、車体２に貨物又は人間が載っている積車状態で車体２から二次サスペンション装置１２に負荷される荷重を意味する。

具体的には、補助バネ３０のバネ定数は、空車状態において空車荷重と釣り合う力を発揮する値に設定されている。本実施形態では、空車状態において、空気バネ１３の内圧が車体２を支持しうる圧力よりも小さくなり（例えば、大気圧）、かつ、空気バネ１３の高さが設定値Ｈとなる。なお、空車状態での空気バネ１３の内圧は、車体２の重量を実質的に支持しない圧力であればよく、例えば、圧縮空気空間Ｓから排出しきれない圧縮空気が空気バネ１３の内部に残存して圧縮空気空間Ｓが大気圧以上になっていても構わない。

空車状態から積車状態となると、車体２が下降して空気バネ１３の高さが設定値Ｈよりも小さくなるが、自動高さ調整装置２０の動作によってコンプレッサからの圧縮空気が空気バネ１３に供給されて、空気バネ１３の高さが設定値Ｈに戻るとともに空気バネ１３のバネ定数が増加する。これにより、車体２からの積車荷重は、補助バネ３０と空気バネ１３との両方で支持されることになる。

以上に説明した構成によれば、空気バネ１３が弾性変形範囲内にある状態で補助バネ３０が車体２を支持できるため、空気バネ１３に要求される圧縮空気量を低減でき、コンプレッサの増加又は大容量化を防止できる。特に、貨物車の場合には、コンプレッサが貨車には搭載されずに機関車にのみ搭載されるため、空気バネ１３に要求される圧縮空気量を低減できることの効果は高くなる。

また、補助バネ３０が空気バネ１３の内部空間に収容されることで、二次サスペンション装置１２をコンパクトにできる。また、補助バネ３０が空気バネ１３の内部空間に収容されることで、車体２及び台車３に対して補助バネ３０を結合せずとも空気バネ１３を結合すれば足りるので、二次サスペンション装置１２に対する車体２及び台車３のインターフェースの設計は従来通りのままでよく、設計負担の増加や強度確保のための重量増加も防止できる。しかも、補助バネ３０がゴム等を有する場合において、補助バネ３０が空気バネにより外界から保護されるので、補助バネ３０の劣化も防止できる。

また、補助バネ３０は、下板２４の開口２４ａを挿通し、上部材１５と積層ゴム体２５のプレート層２８の座部２８ａとの間に挟まれるので、補助バネ３０の鉛直方向の中間部が下板２４の開口２４ａの縁部で囲まれ、補助バネ３０の姿勢を安定させることができる。

また、補助バネ３０には、空気バネ１３の圧縮空気空間Ｓのうち補助バネ３０の外側の領域を給排口１５ａに連通させる空気通路Ｐが形成されているので、補助バネ３０の上面が給排口１５ａを囲む形状であっても、空気バネ１３の機能を適切に確保できる。

また、空気バネ１３の上部材１５に空車荷重が負荷されたときに、補助バネ３０が空車荷重を支持するので、コンプレッサから空気バネ１３への圧縮空気量を減らすことができ、コンプレッサを省エネ化できる。他方、空気バネ１３の上部材１５に積車荷重が負荷されたときに、空気バネ１３の圧縮空気空間Ｓ内の圧縮空気と補助バネ３０との両方が積車荷重を支持するので、積車荷重が空気バネ１３と補助バネ３０とに分散され、補助バネ３０の疲労を抑制できる。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態の二次サスペンション装置の一部断面図である。図４に示すように、第２実施形態の二次サスペンション装置１１２では、空気バネ１１３の圧縮空気空間Ｓに収容される補助バネ１３０としてコイルバネが用いられている。上部材１１５の下面には、補助バネ１３０の上端が外嵌される凸部１１５ｂが形成されている。下部材１４（具体的には、座部１２８ａ）の上面には、補助バネ１３０の下端が外嵌される凸部１２８ｂが形成されている。補助バネ１３０の下端は、下部材１１４に固定され、補助バネ１３０の上端は、上部材１１５に固定されている。

補助バネ１３０は、下板２４の開口２４ａ及び積層ゴム体１２５の開口１２５ａを挿通している。補助バネ１３０は、平面視で給排口１１５ａを囲む形状を有する。補助バネ１３０はコイルバネであるため、そのコイルバネの隙間が、圧縮空気空間Ｓのうち補助バネ１３０の外側の領域を給排口１１５ａに連通させる空気通路の役目を果たす。なお、他の構成は前述した第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

（第３実施形態）
図５は、第３実施形態に係る鉄道車両２０１の要部の側面図である。図５に示すように、鉄道車両２０１では、二次サスペンション装置２１２として、空気バネ２１３と、空気バネ２１３の外部に配置された補助バネ２３０とが、台車２０３の台車枠２０４に搭載されている。即ち、空気バネ２１３が、車体２０２と台車枠２０４との間に挟まれていると共に、補助バネ２３０が、空気バネ２１３とは異なる位置において、車体２０２と台車枠２０４との間に挟まれている。一例として、空気バネ２１３が、台車枠２０４の車両長手方向の中央部に配置され、一対の補助バネ２３０が、空気バネ２１３の車両長手方向の両側に配置されている。

補助バネ２３０は、空気バネ２１３が弾性変形範囲内で鉛直方向に伸縮するのに連動して圧縮変形可能となる。本実施形態では、一対の補助バネ２３０の全体のバネ定数は、空車状態において空車荷重と釣り合う力を発揮する値に設定されている。車体２０２が空車状態のときは、補助バネ２３０だけで空車荷重を支持し、車体２０２が積車状態のときは、空気バネ２１３と補助バネ２３０との両方で積車荷重を支持する。なお、他の構成は前述した第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、その構成を変更、追加、又は削除することができる。１つの実施形態中の一部の構成を他の実施形態に適用してもよく、実施形態中の一部の構成は、その実施形態中の他の構成から分離して任意に抽出可能である。補助バネは、弾性を有するものであればよく、積層ゴム体及びコイルバネ以外のものでもよい。自動高さ調整装置は、機械的に高さ調整を行うものに限られず、電気的な制御により高さ調整を行うものでもよい。第１実施形態では、積層ゴム体である補助バネ３０を空気バネ１３の凹部１５ｂ，２８ｂに内嵌する構成とし、第２実施形態では、コイルバネである補助バネ１３０を空気バネ１１３の凸部１１５ｂ，１２８ｂに外嵌する構成としたが、第１実施形態の補助バネ３０は凸部に外嵌される構成とし、第２実施形態の補助バネ１３０は凹部に内嵌される構成としてもよい。あるいは、上部材及び下部材のいずれか一方に凸部を設けるとともに、上部材及び下部材のいずれか他方に凹部を設け、一実施形態中で内嵌と外嵌とを混在させた構成としてもよい。空気バネの内部空間に補助バネを収容してなる空気バネ装置は、一次サスペンションに適用されてもよい。

１，２０１ 鉄道車両
２，２０２ 車体
３，２０３ 台車
１２，１１２，２１２ 二次サスペンション装置
１３，１１３，２１３ 空気バネ
１４，１１４ 下部材
１５ 上部材
１５ａ 給排口
１６ ダイヤフラム
２４ 下板
２４ａ 開口
２５ 積層ゴム体
２６〜２８ プレート層
２８ａ，１２８ａ 座部
３０，１３０，２３０ 補助バネ
Ｐ 空気通路
Ｓ 圧縮空気空間

Claims (6)

1. 車体と台車との間に介設される二次サスペンション装置であって、
   下部材と、前記下部材に対して鉛直方向に変位可能な上部材と、前記下部材と前記上部材とを繋いで圧縮空気空間を形成するダイヤフラムとを有する空気バネと、
   前記空気バネの弾性変形範囲内で前記下部材と前記上部材とが互いに鉛直方向に近接変位するのに連動して圧縮変形する補助バネと、を備え、
   前記上部材に空車荷重が負荷されたときに、前記補助バネが前記空車荷重を支持し、
   前記上部材に積車荷重が負荷されたときに、前記圧縮空気空間内の圧縮空気と前記補助バネとの両方が前記積車荷重を支持する、鉄道車両の二次サスペンション装置。
2. 車体と台車との間に介設される二次サスペンション装置であって、
   下部材と、前記下部材に対して鉛直方向に変位可能な上部材と、前記下部材と前記上部材とを繋いで圧縮空気空間を形成するダイヤフラムとを有する空気バネと、
   前記空気バネの弾性変形範囲内で前記下部材と前記上部材とが互いに鉛直方向に近接変位するのに連動して圧縮変形するコイルバネと、を備える、鉄道車両の二次サスペンション装置。
3. 前記補助バネは、前記圧縮空気空間に収容され、前記下部材と前記上部材との間に挟まれている、請求項１又は２に記載の鉄道車両の二次サスペンション装置。
4. 前記下部材は、前記上部材に前記圧縮空気空間を介して対向する下板と、前記下板の下面に接続され、複数のゴム層及び複数のプレート層を有する積層ゴム体とを有し、
   前記下板は、開口を有し、
   前記複数のプレート層のうち１つのプレート層は、前記開口と鉛直方向に対向する座部を有し、
   前記補助バネは、前記開口に挿通された状態で、前記上部材と前記１つのプレート層の前記座部との間に挟まれている、請求項３に記載の鉄道車両の二次サスペンション装置。
5. 車体と台車との間に介設される二次サスペンション装置であって、
   下部材と、前記下部材に対して鉛直方向に変位可能な上部材と、前記下部材と前記上部材とを繋いで圧縮空気空間を形成するダイヤフラムとを有する空気バネと、
   前記空気バネの弾性変形範囲内で前記下部材と前記上部材とが互いに鉛直方向に近接変位するのに連動して圧縮変形する補助バネと、を備え、
   前記上部材に空車荷重が負荷されたときに、前記補助バネが前記空車荷重を支持し、
   前記上部材に積車荷重が負荷されたときに、前記圧縮空気空間内の圧縮空気と前記補助バネとの両方が前記積車荷重を支持し、
   前記補助バネは、前記圧縮空気空間に収容され、前記下部材と前記上部材との間に挟まれ、
   前記下部材は、前記上部材に前記圧縮空気空間を介して対向する下板と、前記下板の下面に接続され、複数のゴム層及び複数のプレート層を有する積層ゴム体とを有し、
   前記下板は、開口を有し、
   前記複数のプレート層のうち１つのプレート層は、前記開口と鉛直方向に対向する座部を有し、
   前記補助バネは、前記開口に挿通された状態で、前記上部材と前記１つのプレート層の前記座部との間に挟まれ、
   前記上部材は、前記圧縮空気空間の内外を連通させる給排口を有し、
   前記補助バネの上面は、前記給排口を囲む形状を有し、
   前記補助バネには、前記圧縮空気空間のうち前記補助バネの外側の領域を前記給排口に連通させる空気通路が形成されている、鉄道車両の二次サスペンション装置。
6. 前記補助バネの下端は、前記下部材に固定され、
   前記補助バネの上端は、前記上部材に固定されている、請求項３乃至５のいずれか１項に記載の鉄道車両の二次サスペンション装置。

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