(57)【要約】    【課題】中心軸に直交する方向に繰り返し力を受ける場合にも、取付板と取付板用ボルトの頭部とのすみ肉溶接部の亀裂を防止することができる空気ばねを提供する。    【解決手段】ダイヤフラム３の一端に車体１８側への取付板４を固定し、ダイヤフラム３の他端にピストン５を固定する。取付板用ボルト８により取付板４を車体１８側に締結する。取付板用ボルト８の頭部８ａの周囲を取付板４にすみ肉溶接する。取付板用ボルト８の頭部８ａの付近に段差部８ｃを形成する。段差部８ｃの径は、ボルト軸部８ｂよりも大径かつ頭部８ａよりも小径に設定する。取付板４のボルト孔７は、段差部８ｃが挿通可能な径に設定する。この構造により、すみ肉溶接による残留応力を低減すると共に、すみ肉溶接部２４に作用する繰り返し応力度を小さくする。【選択図】図１
2006090417.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体室の壁部を構成する円筒状のダイヤフラムと、該ダイヤフラムの一端に固定された車体側への取付板と、ダイヤフラムの他端に固定されたピストンとを備え、前記取付板を車体側に締結する頭付の取付板用ボルトが設けられ、該取付板用ボルトは、前記取付板のボルト孔をダイヤフラムの中心軸方向の中央側から外端側に貫通し、その頭部の周囲が取付板にすみ肉溶接された空気ばねにおいて、
前記取付板用ボルトに、その頭部付近をボルト軸部よりも大径かつ頭部よりも小径に設定してなる段差部が形成され、前記取付板のボルト孔が前記段差部を挿通可能な径に設定されたことを特徴とする空気ばね。
【請求項２】
前記ダイヤフラムは、その中心軸を上下方向に向けて配置され、上端に前記取付板が固定され、下端に前記ピストンが固定され、ピストンを内側に押し込んだように下端部が内側に折り返されたことを特徴とする請求項１に記載の空気ばね。
【請求項３】
低床車のエアサスペンションに装備されることを特徴とする請求項１又は２に記載の空気ばね。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両や自動車、特にノンステップバスなどの低床車のエアサスペンションに装備される空気ばねに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、鉄道車両や自動車のエアサスペンションに装備される空気ばねは、車体側と車軸側との間に介装され、主に気体室の空気圧によって車体側の重量を車軸側に伝えるものであり、この空気ばねが伸縮することにより、車軸側から車体側に伝わる振動が吸収される。
【０００３】
図５に空気ばねの一例（特許文献１）を示す。この空気ばねは、気体室１０１の壁部を構成する円筒状のダイヤフラム１０２の両端に取付板１０３とピストン１０４とを固定した構造とされ、車体側の重量を中心軸方向に受けるように、ダイヤフラム１０２の中心軸を上下方向に向けて配置される。取付板１０３は車体側に取り付けられ、ピストン１０４は車軸側に取り付けられる。
【０００４】
取付板１０３の車体側への取り付けは、複数の取付板用ボルト１０５を用いたボルト締結とされる。取付板用ボルト１０５は、頭付きのボルトとされ、取付板１０３に形成されたボルト孔に下から上向きに挿通される。取付板用ボルト１０５の頭部１０６は、その周囲を取付板１０３にすみ肉溶接され、気体室１０１の外側からの作業のみでナット締め可能とされる。
【特許文献１】特開平１０−２９９８０８号公報（段落番号００１１、００１４、００１６、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、バリアフリー化を目的としたノンステップバスなどの低床車は、その車体側の底部と車軸側との間のスペースが狭く、そのスペースに空気ばねを設置できないことが多い。この場合、車体側の底部よりも高い位置に空気ばねを設置することになるため、車軸側のローリング中心と空気ばねとの高低差が大きくなり、車軸側のローリングに伴って、車軸側に取り付けられたピストンが上下方向だけでなく水平方向にも変位しやすい。
【０００６】
ピストンの水平方向の変位により、空気ばねが中心軸と直交する方向に力を受けるため、車体側への取付板にモーメントが作用して、取付板用ボルトを引き抜こうとする力が生じる。取付板用ボルトを引き抜こうとする力は、車軸側のローリングに伴って繰り返し作用するものであり、取付板と取付板用ボルトの頭部とのすみ肉溶接部に亀裂を生じさせるおそれがある。
【０００７】
本発明は、中心軸に直交する方向に繰り返し力を受ける場合にも、取付板と取付板用ボルトの頭部とのすみ肉溶接部の亀裂を防止することができる空気ばねを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために本発明が提供する空気ばねは、気体室の壁部を構成する円筒状のダイヤフラムと、ダイヤフラムの一端に固定された車体側への取付板と、ダイヤフラムの他端に固定されたピストンとを備えたものであり、取付板を車体側に締結する頭付の取付板用ボルトを設けて、この取付板用ボルトに、取付板のボルト孔をダイヤフラムの中心軸方向の中央側から外端側に貫通させ、その頭部の周囲を取付板にすみ肉溶接したものである。さらに、取付板用ボルトに、その頭部付近をボルト軸部よりも大径かつ頭部よりも小径に設定してなる段差部を形成し、取付板のボルト孔を段差部が挿通可能な径に設定したものである。
【０００９】
この構成によれば、ボルト軸部よりも大径の段差部を挿通可能なように、取付板のボルト孔の径を設定するので、取付板の横ずれを生じさせることなく、ボルト孔の径を大きく設定することができる。これにより、すみ肉溶接による残留応力を低減すると共に、すみ肉溶接部に作用する繰り返し応力度を小さくして、すみ肉溶接部の近傍における亀裂の発生を防止することができる。
【００１０】
つまり、取付板用ボルトの頭部の周囲をすみ肉溶接することにより、ボルト孔を取り囲むように溶接線が形成され、その近傍に残留変形および残留応力が生じる。この残留変形および残留応力は溶接収縮によるものであり、溶接収縮を拘束する剛性が大きくなるほど、残留変形は小さくなるが、反対に残留応力は大きくなる。
【００１１】
溶接収縮の拘束に、取付板のうちの溶接線よりも内側の部位の剛性が寄与するが、ボルト孔を大径に設定することにより、溶接線からボルト孔の周縁までの長さが小さくなるため、溶接線よりも内側の部位の剛性が小さくなる。これにより、溶接収縮の拘束が弱くなり、すみ肉溶接による残留応力が低減される。
【００１２】
また、ピストンがダイヤフラムの中心軸に直交する方向に繰り返し力を受けることにより、取付板にモーメントが作用し、取付板用ボルトを引き抜こうとする力が溶接線よりも内側の部位からボルト頭部に繰り返し作用する。この力の反作用により、すみ肉溶接部に曲げモーメントおよびこれに伴う繰り返し応力度が生じるが、溶接線からボルト孔の周縁までの長さを小さくすることにより、すみ肉溶接部に生じる曲げモーメントおよびこれに伴う繰り返し応力度が小さくなる。
【００１３】
空気ばねのより具体的な構成として、ダイヤフラムの中心軸を上下方向に向けて配置し、その上端に取付板を固定して下端にピストンを固定し、ピストンを内側に押し込むように下端部を内側に折り返した構造を採用すれば、本発明の好適な態様を提供することができる。
【００１４】
つまり、この構造の空気ばねは、気体室の空気圧によって中心軸方向に力を伝えようとするものであり、ピストンの上下方向の変位に対しては、ダイヤフラム自体はほとんど抵抗しないが、ピストンの水平方向の変位に対しては、ダイヤフラム自体が抵抗し、取付板に生じるモーメントが大きくなりやすい。そのため、すみ肉溶接部に生じる繰り返し応力度が大きくなりやすく、本発明を採用するのが好ましい構造である。
【００１５】
また、本発明の空気ばねは、ピストンの水平方向の変位が大きくなりやすい低床車のエアサスペンションに装備するのが、より好適である。
【発明の効果】
【００１６】
以上のとおり、本発明によると、取付板用ボルトの頭部付近に、ボルト軸部よりも大径の段差部を形成し、この段差部を挿通可能な大きさにボルト孔の径を設定している。これにより、中心軸に直交する方向に繰り返し力を受ける場合にも、すみ肉溶接部の近傍の残留応力を低減し、かつ、すみ肉溶接部に作用する繰り返し応力度を低減することができ、すみ肉溶接部における亀裂の発生を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る空気ばねを実施するための最良の形態について、図面を用いて説明する。図１は本発明に係る空気ばねの軸方向断面図である。
【００１８】
この空気ばね１は、ノンステップバスなどの低床車のエアサスペンションに装備されて、気体室２の空気圧によって車体１８側の重量をフレーム２０側（車軸側）に伝えると共に、その伸縮によってフレーム２０側から車体１８側に伝わる振動を吸収するためのものであり、気体室２の壁部を構成する円筒状のダイヤフラム３と、ダイヤフラム３の上端に固定された取付板４と、ダイヤフラム３の下端に固定されたピストン５とを備えている。
【００１９】
ダイヤフラム３は、中心軸を上下方向に向けて配置された円筒状のゴム膜からなり、その上下端を取付板４およびピストン５で塞がれることにより、ダイヤフラム３の内部に気体室２が構成される。
【００２０】
ダイヤフラム３を構成するゴム膜には、例えばナイロン製の補強コードが埋設され、この補強コードによってゴム膜が補強されると共に、ゴム膜自体の伸縮が規制される。ダイヤフラム３の下端部は、ピストン５を上向きに押し込んだように内側に折り返され、その折返し長さの変化を伴って、ダイヤフラム３がその中心軸方向に容易に伸縮可能とされている。これにより、ダイヤフラム３の中心軸方向における剛性が小さくされ、空気ばね１が、主に気体室２の空気圧によって中心軸方向に力を伝えるようになっている。
【００２１】
取付板４は、例えば鋼製の円板状とされ、その周縁部６を下側にカシメることにより、ダイヤフラム３の上端に固定されている。取付板３の周縁付近には、２つのボルト孔７が形成され、それぞれのボルト孔７を２種類の取付板用ボルト８、９が下側から上向きに貫通している。取付板用ボルト８、９は、その頭部８ａ、９ａの周囲を取付板４にすみ肉溶接され、気体室２の外側からの作業のみでナット締め可能とされている。これらの取付板用ボルト８、９により、取付板４が車体１８側の金具１９に締結される。
【００２２】
一方の取付板用ボルト８は、頭部８ａとボルト軸部８ｂと頭部８ａの近傍に形成された段差部８ｃとからなる。段差部８ｃは、頭部８ａの近傍を頭部８ａよりも小径かつボルト軸部８ｂよりも大径に設定してなり、この段差部８ｃを挿通可能な大きさに取付板４のボルト孔７の径が設定される。
【００２３】
他方の取付板用ボルト９は、頭部９ａとボルト軸部９ｂとからなり、その軸部９ｂに中央穴９ｃが形成されている。この中央穴９ｃが気体室２に空気を供給するための給気口とされる。
【００２４】
ピストン５は、例えば鋼製の円筒状とされ、その下端を塞ぐように一体に設けられたピストン受け１０がボルト１１によってフレーム２０側の金具２２に締結される。このピストン５は、先細り形状とされ、その上下動によってダイヤフラム３の内側に押し込まれる際に、又はダイヤフラム３の内側から引き出される際に、ダイヤフラム３の折返し部がピストン５の外周面に沿うようになっている。
【００２５】
ピストン５の上端部には、この部位を半径方向内向きに折曲してなるフランジ１２が形成され、このフランジ１２で囲まれた開口に上方から嵌め込むように皿状のロアシート１３が設けられている。ロアシート１３は、例えば鋼製の円板を補強するように、その周縁付近を上向きに折曲してなり、さらに、その周縁部１３ａが半径方向外向きに突出する鍔状に形成されている。
【００２６】
ロアシート１３は、フランジ１２で囲まれた開口に嵌るだけの大きさとされ、その底部がピストン受け１０の中央部上面に設けられた座部１４にボルト１５によって締結される。これにより、ダイヤフラム３の下端がフランジ１２とロアシート１３の周縁部１３ａとで中心軸方向に挟持され、ダイヤフラム３の下端にピストン５が固定される。
【００２７】
ロアシート１３の中央部上面側には、ストッパ台１６を介してゴム製のストッパ１７が設けられ、ピストン５が上向きに大変位した際にストッパ１７が取付板４に当接することにより、ピストン５の上方への変位を制限するようになっている。
【００２８】
次に、エアサスペンションに装備した空気ばねの挙動を説明する。まず、空気ばねの装着位置とピストンの変位方向との関係について説明する。図２は空気ばねの装着位置を示す図であり、左半分が通常の車両に装備する場合を示し、右半分が低床車に装備する場合を示す。
【００２９】
図２に示すように、通常の車両においては、空気ばね１は、その取付板４を車体１８の底部１８ａに設けられた金具１９に取り付け、ピストン５をフレーム２０に取り付けることにより、車体１８の底部１８ａとフレーム２０との間に介装される。この場合、空気ばね１は、フレーム２０のローリング中心２１とほぼ同じ高さに設置されることになり、フレーム２０のローリングによるピストン５の変位方向が上下方向にほぼ一致する。
【００３０】
これに対して、低床車においては、空気ばね１は、その取付板４を車体１８のホイールハウス１８ｂの天井部分１８ｃに設けられた金具１９に取り付け、ピストン５をフレーム２０に設けられた金具２２に取り付けることにより、車体１８のホイールハウス１８ｂの天井部分１８ｃとフレーム２０との間に介装される。この場合、空気ばね１は、フレーム２０のローリング中心２３よりも高い位置に設置されることになり、フレーム２０のローリングによるピストン５の変位方向は、上下方向から水平方向に傾斜する。
【００３１】
図３は空気ばねの挙動を示す図であり、（ａ）はピストンの変位方向が上下方向に一致する状態を示し、（ｂ）はピストンの変位方向が上下方向から水平方向に傾斜する状態を示す。（ａ）の状態は、フレーム２０のローリングがない状態、あるいは、フレーム２０がローリングした場合であっても、空気ばね１を通常の車両に装備する場合である。（ｂ）の状態は、空気ばね１を装備した低床車のフレーム２０がローリングした場合である。
【００３２】
いずれの場合にも、ダイヤフラム３自体の中心軸方向の剛性は小さく、主に気体室２の空気圧によって車体１８側の重量をフレーム２０側に伝える。また、空気ばね１は、ダイヤフラム３の伸縮に伴う気体室２の容積変化によって空気圧が変化することにより、車体１８を弾性的に支持し、地表の凹凸などに伴ってフレーム２０側から車体１８側に伝わる振動を吸収する。
【００３３】
図３（ａ）に示すように、ピストンの変位方向が上下方向に一致する状態では、ピストン５およびダイヤフラム３の中心軸が一致し、ダイヤフラム３の変形は、その中心軸方向の伸縮のみである。一方、図３（ｂ）に示すように、ピストンの変位方向が上下方向から水平方向に傾斜する状態では、ピストン５が上下方向に加えて水平方向にも変位し、ダイヤフラム３が、その中心軸方向の伸縮に加えて水平方向にたわむように変形する。
【００３４】
ダイヤフラム３は、その中心軸に直交する方向にある程度の剛性を有するため、図３（ｂ）のように、その下端のピストン５が水平方向に繰り返し変位することにより、ピストン５から繰り返し力としての水平力（Ｈ）を受ける。水平力（Ｈ）とダイヤフラム３の上下方向の長さ（ｈ）との積に相当する大きさのモーメント（Ｍ＝Ｈ・ｈ）が取付板４に作用し、この取付板４に作用するモーメント（Ｍ）を取付板用ボルト８、９の間隔（Ｗ）で除した大きさの引張力（Ｐ＝Ｍ／Ｗ）が取付板用ボルト８に生じる。
【００３５】
図４はボルト孔の周縁部に作用する力の分布を示す図であり、（ａ）は段差部を有する取付板用ボルトを用いる場合を示し、（ｂ）は従来の取付板用ボルトを用いる場合を示す。
【００３６】
図４に示すように、フレーム２０のローリングにより、取付板用ボルト８、２５に引張力（Ｐ）が生じ、取付板用ボルト８、２５の頭部８ａ、２５ａが取付板４のボルト孔７の周縁部を押し上げる。頭部８ａ、２５ａがボルト孔７の周縁部を押し上げる力により、頭部８ａ、２５ａの周囲のすみ肉溶接部２４に曲げモーメントが作用し、この曲げモーメントに伴って曲げ応力度が発生する。この曲げ応力度は、フレーム２０のローリングによるものであり、繰り返し発生するものである。
【００３７】
ボルト孔７の周縁部がその周方向における単位幅当たりに受ける力の重心（Ｇ）は、ボルト孔７の周縁とすみ肉溶接部２４との中間点に位置し、その力の強さおよび重心（Ｇ）からすみ肉溶接部２４までの長さ（Ｌ）が大きくなるほど、すみ肉溶接部２４に生じる曲げ応力度が大きくなる。
【００３８】
ボルト孔７の周縁からすみ肉溶接部２４までの長さは、図４（ａ）に示すように、段差部８ｃを有する取付板用ボルト８を用いる場合が（Ａ）、図４（ｂ）に示すように、段差部のない取付板用ボルト２５を用いる場合が（Ｂ）であり、その大きさはＡ＜Ｂの関係にある。すなわち、重心（Ｇ）からすみ肉溶接部２４までの長さ（Ｌ）は、段差部８ｃを有する取付板用ボルト８を用いる場合（Ｌ＝Ａ／２）の方が、段差部のない取付板用ボルト２５を用いる場合（Ｌ＝Ｂ／２）よりも小さくなる（Ａ／２＜Ｂ／２）。
【００３９】
これにより、取付板用ボルト８、２５の頭部８ａ、２５ａが取付板４のボルト孔７の周縁部を押し上げる力の総和は、段差部の有無にかかわらず同じ強さ（＝Ｐ）であるが、段差部８ｃを有する取付板用ボルト８を用いる方が、段差部のない取付板用ボルト２５を用いる場合よりも、すみ肉溶接部２４における曲げ応力度が小さくなる。なお、頭部８ａ、２５ａの径を小さく設定すれば、力の重心（Ｇ）からすみ肉溶接部２４までの長さ（Ｌ）を小さくできるが、すみ肉溶接部２４の溶接線の長さが短くなり、単位長さ当たりのすみ肉溶接部２４の受け持つ負担が大きくなる。
【００４０】
また、段差部８ｃを有する取付板用ボルト８用いる場合は、段差部のない取付板用ボルト２５を用いる場合よりも、ボルト孔７の周縁からすみ肉溶接部２４までの長さが短い（Ａ＜Ｂ）ので、すみ肉溶接部２４の溶接線の内側において溶接収縮を拘束する剛性が小さくなり、その分、すみ肉溶接部２４付近の残留応力が小さくなる。
【００４１】
このように、段差部８ｃを有する取付板用ボルト８を用いることにより、すみ肉溶接部２４の残留応力が小さくなると共に、フレーム２０のローリングによる繰り返し力に伴う繰り返し応力度も小さくなり、すみ肉溶接部２４の近傍の亀裂が生じにくくなる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る空気ばねの軸方向断面図
【図２】空気ばねの装着位置を示す図
【図３】空気ばねの挙動を示す図
【図４】ボルト孔の周縁部に作用する力の分布を示す図
【図５】従来の空気ばねの軸方向断面図
【符号の説明】
【００４３】
１    空気ばね
２    気体室
３    ダイヤフラム
４    取付板
５    ピストン
７    ボルト孔
８    取付板用ボルト
８ａ  頭部
８ｂ  ボルト軸部
８ｃ  段差部
２１、２３  ローリング中心
２４  すみ肉溶接部
【図１】
2006090417.tif 000003
【図２】
2006090417.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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