(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤフラムと、該ダイヤフラムに接触し該ダイヤフラムを支持するゴム座とを備える鉄道車両のボルスタレス台車用空気ばねにおいて、
前記ゴム座は、前記ダイヤフラムに接触するゴム製部材と、該ゴム製部材を支持する裏当て金とを備え、
前記ゴム製部材は、前記ダイヤフラムに接触する部分の肉厚が略一定に形成され、
前記裏当て金は、前記ゴム製部材の前記ダイヤフラムとの接触面の垂線に対して、前記ゴム製部材を支持する支持面が略垂直になるように形成され、
前記ゴム座は、前記ダイヤフラムに接触するコーナ部を有し、該コーナ部の縦断面において、前記ゴム製部材の前記ダイヤフラムとの接触部の曲率半径が、前記ダイヤフラムの肉厚の２倍以上に形成されていることを特徴とする鉄道車両のボルスタレス台車用空気ばね。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両のボルスタレル台車用空気ばねに関し、特に、空気ばねを構成するゴム製部材の変形や、磨耗を低減し、ひいては長寿命化を図り得る空気ばねに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、鉄道車両用の空気ばねは、振動絶縁性の良さや、ばね係数の柔らかさに起因して、乗り心地が良く、また、レべリングバルブの高さ調整機構により、車両の高さを大きく変化させないで、柔らかいばね係数を得ることができるという利点を有するため、広く活用されている。
【０００３】
ここで、鉄道車両に使用されるボルスタレス台車は、曲線を通過する際の所謂ボギー時において、車体に対して、台車中心の鉛直軸周りに回転する。この際、台車の左右両端にある空気ばねの位置では、左右空気ばねのスパンと回転角に比例した前後変位と、前記鉛直軸周りの回転変位とを受けることになる。
【０００４】
前記空気ばねは、振動を吸収し、振動の上流側（台車枠側）から下流側（車体側）への伝達を抑制するべく、空気を可変変位の下で密封できるゴム製部品（ダイヤフラム）を備えた構造を有し、変形によって、前記ゴム製部品が他の部品と接触現象を生じることになる。
【０００５】
例えば、曲線を通過する際に台車がボギーしたとき、ボルスタレス台車用の空気ばねは、上部（車体側）と下部（台車枠側）が水平方向に約１５０ｍｍ変位する。斯かる変位は、空気ばねを構成するダイヤフラムの撓みで吸収することになるが、ダイヤフラムは、上記台車のボギー時に、前後変位のみならず回転変位に基づき変形することになる。
【０００６】
前記ダイヤフラムは、前述のようにゴム材料から形成されており、内圧で膨張した状態において、空気ばねを構成する外筒や内筒のゴム座との間でゴム同士の接触をしている。したがって、前後方向に約１５０ｍｍ程度変形し、さらにボギー角分、鉛直軸周りにねじられると、ダイヤフラムに皺が発生したり、接触部分の接触圧が大きくなるという問題がある。
【０００７】
特に、ボルスタレス台車においては、台車がボギーする時の水平方向の大変位とボギー角（台車の回転角）の回転を空気ばねにおいて許容しないといけないため、前記ダイヤフラムの大変形が生じ、これにより、ダイヤフラムが空気ばねを構成する外筒や内筒に過度に接触し、磨耗が生じることがある。
【０００８】
また、このような摩擦力が生じる状態での仕事により、磨耗抵抗が減少したり、或いはゴムが溶融しゴムの磨耗を加速することになる。これらは、ダイヤフラムやゴム製部材の寿命を縮める要因となっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、斯かる従来技術の問題点を解決するべくなされたもので、鉄道車両のボルスタレス台車用空気ばねを構成するダイヤフラムと外筒や内筒のゴム製部材との接触条件を緩和し、ゴムの磨耗量を減少させ、ひいてはダイヤフラムやゴム製部材の磨耗寿命を長くし得る空気ばねを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意研究し、ダイヤフラムと、内筒又は外筒のゴム製部材との接触部分について詳細な検討を施すことにより、本発明を案出したものである。
【００１１】
すなわち、本発明は、ダイヤフラムと、該ダイヤフラムに接触し該ダイヤフラムを支持するゴム座とを備える鉄道車両のボルスタレス台車用空気ばねにおいて、前記ゴム座は、前記ダイヤフラムに接触するゴム製部材と、該ゴム製部材を支持する裏当て金とを備え、前記ゴム製部材は、前記ダイヤフラムに接触する部分の肉厚が略一定に形成され、前記裏当て金は、前記ゴム製部材の前記ダイヤフラムとの接触面の垂線に対して、前記ゴム製部材を支持する支持面が略垂直になるように形成され、前記ゴム座は、前記ダイヤフラムに接触するコーナ部を有し、該コーナ部の縦断面において、前記ゴム製部材の前記ダイヤフラムとの接触部の曲率半径が、前記ダイヤフラムの肉厚の２倍以上に形成されていることを特徴とする鉄道車両のボルスタレス台車用空気ばねを提供するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る空気ばねの概略構成を示す縦断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る空気ばね１は、ダイヤフラム２と、ダイヤフラム２を支持する内筒３及び外筒４とを備えている。ここで、内筒３は、シアーパック５と、ダイヤフラム２に接触し該ダイヤフラム２を支持するゴム座６とを備えている。ゴム座６は、ダイヤフラム２に接触するゴム製部材７と、ゴム製部材７を支持する裏当て金８とを備えている。また、ダイヤフラム２に接触する外筒４の内側にもゴム製部材７が備えられおり、前記ゴム座６と同様の機能を奏するように構成されている。
【００１５】
斯かる構成を有する空気ばね１は、図８に示すように、使用に際し、車体１０と台車１１の間に装着され、高さ調整機構９によりダイヤフラム２が膨張した状態で車体１０を支持する。
【００１６】
以下、本実施形態に係る空気ばね１の特徴であるゴム座６の形状について詳細に説明する。
【００１７】
一般にゴム材料は非圧縮材料に近い性質を示し、ポアソン比も０．５に近く、圧縮、引っ張りの荷重が負荷されたとき、体積の変化がない変形の仕方をすることが知られている。
【００１８】
すなわち、ｘ、ｙ、ｚ軸の各方向の歪をεx、εy、εzとすると、ゴムの非圧縮性は、
εx＋εy＋εz＝０          ・・・（１）
と表すことができる。これは、接触の荷重がかかる方向には圧縮され縮むが、荷重方向と垂直な方向には伸びが生じることを意味する。
【００１９】
例えば、ｘ方向に圧縮されると、すなわち
εx＜０                    ・・・（２）
であると、上記（１）式を満足するためには、必然的に
εy＋εz＞０               ・・・（３）
となり、ｙ、ｚ方向に伸びることになる。
【００２０】
ここで、仮に垂直方向の伸びが拘束され自由に伸びない状態になると、すなわち、
εy＋εz＝０               ・・・（４）
であるとすれば、上記（１）式を満足するためには
εx＝０                    ・・・（５）
となり、これは、圧縮が容易ではなく、荷重方向に極めて堅い物性を示すことを意味する。
【００２１】
このようなことがゴム同士の接触面内で生じると、面内の領域における接触圧の分布に集中化を招き、接触面圧の最大値の増加を誘発し易いといえる。
【００２２】
本実施形態に係るゴム座６の形状は、以上に述べた考え方に基づき案出されたものであり、裏当て金８が、圧縮方向の荷重を支持しつつ、当該荷重方向と垂直な方向のゴム製部材７の伸びを拘束しないような形状とされている。
【００２３】
すなわち、ゴム製部材７のダイヤフラム２との接触面μの垂線Φと、裏当て金８のゴム製部材７を支持する支持面γとのなす角αが垂直になるような形状とされている。
【００２４】
換言すれば、まず、垂線Φを下記（６）式のように定義し、
ゴム製部材７の接触面μ⊥（垂直）垂線Φ      ・・・（６）
次に、接触面μと垂線Φとのなす角αが前記支持面γ上で常に垂直であるように、すなわち、
α＝９０°                ・・・（７）
の関係式を常に満足するように裏当て金８の支持面γの形状が決定されている。
【００２５】
ここで、本実施形態に係るゴム座６は、ゴム製部材７のダイヤフラム２と接触する部分の肉厚が略一定に形成されている。これは、ゴム製部材７の肉厚に変化があると、ゴム製部材７の変形に一様性がなくなり、歪集中や、変形拘束が生じ易くなるため、これを回避するためである。このように、本実施形態に係る裏当て金８の支持面γの形状は、ゴム製部材７の肉厚が一定である付帯条件のもとに決定されている。
【００２６】
例えば、図２に示すように、ゴム製部材７の接触面μが円弧状に形成されている部分では、裏当て金８の支持面γは、前記円弧と同心であり、且つ、ゴム製部材７の肉厚分だけ小さい曲率半径の形状が決定されることになる。また、ゴム製部材の接触面μが直線上に形成されている部分では、裏当て金８の支持面γも前記接触面μに平行な直線とし、全体としてゴム製部材７の拘束を最小限化する形状とされている。
【００２７】
ここで、前述した図１に示すように、ダイヤフラム２は、内筒３又は外筒４と接触しており、車両の走行状態（直線、曲線）や、振動（ローリング、左右動等）に応じて、接触の範囲や接触の圧力の大きさや分布は変化している。斯かる接触は、上下変位の復元力や左右振動の復元力を生じさせ、正常に車体の姿勢を支持するための重要な要素であるが、過大な接触面圧は、ダイヤフラム２、内筒３又は外筒４を構成するゴムの磨耗を促進するので、接触面圧は低い方が好ましい。
【００２８】
そこで、本実施形態に係る空気ばね１では、ダイヤフラム２と接触するゴム座６の縦断面に着目し、空気ばね１の内圧及びボギー時の変位を摸擬し得るコンピュータによる数値解析法である有限要素法（ＦＥＭ）による解析手法を開発して、ゴム座６のコーナ部の曲率半径Ｒを変化させるパラメトリック解析を実施し、接触面圧を低下させ得る良好な条件を算出した。なお、斯かる解析の際には、前述したように、ゴム製部材７のダイヤフラム２との接触面μの垂線Φと、裏当て金８のゴム製部材７を支持する支持面γとのなす角αが垂直であることを条件とした。また、斯かる解析においては、ダイヤフラム２の内部の空気圧の影響と、車両が曲線を曲がるときに生じるボギー変位（空気ばね１の上部の車体側と、下部の台車枠側が水平方向にずれる変位）による、接触面圧の変化も把握した。
【００２９】
上記解析結果の一例として、ダイヤフラム２とゴム座６とのコーナ部に沿った接触面圧分布を解析した例を図３に示す。図３において（ａ）は内圧負荷時、（ｂ）はボギー変位負荷時（前記（ａ）の内圧負荷に更にボギー変位による負荷を考慮）の解析結果例をそれぞれ示す。また、コーナ部の曲率半径Ｒをパラメトリックに変化させたときの接触面圧の最大値をプロットしたものを図４に示す。
【００３０】
図４に示すように、曲率半径Ｒを大きくすることによって、最大接触面圧は低減する。特に、曲率半径Ｒをダイヤフラム２の肉厚ｔの２倍以上にすることにより、最大接触面圧の絶対値が低くなり、ゴムの磨耗耐久性能を保持でき、長寿命化が期待できるということが分かった。
【００３１】
以上のように、ゴム座６の接触面形状の形状パラメータを限定することにより、接触面圧が平均化され、最大接触面圧を小さくできることが分かった。接触面圧が低い方が、接触面圧と垂直方向、すなわちダイヤフラム２の表面に沿って生じる摩擦力も小さく、ダイヤフラム２及びゴム座６の磨耗の減少を図る上で有効である。
【００３２】
また、図５に示す本実施形態に係るゴム座６（図５の（ａ）はＲ／ｔ＝４、（ｂ）はＲ／ｔ＝２）と、図６に示す比較品とについて、最大接触面圧を比較した結果を図７に示す。ここで、図６に示す比較品は、ゴム製部材７のダイヤフラム２との接触面１２の垂線１３に対して、ゴム製部材７を支持する裏当て金８の支持面１４が垂直でないものを含む（約４５°〜９０°）ように形成されている（なお、Ｒ／ｔ＝３．３）。図７に示すように、本実施形態に係るゴム座６の方が接触面圧の分布が均等化して、最大値が小さくなり、磨耗の点で、比較品よりも好ましいことが分かった。
【００３３】
なお、本実施形態では、主として内筒３のゴム座６について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、外筒４及びその内側に設けられたゴム製部材についても同様にして適用可能である。また、ゴム製部材７のダイヤフラム２との接触面１２の垂線に対して、ゴム製部材７を支持する裏当て金８の支持面が垂直であるとして説明したが、本発明は、必ずしも完全に垂直である必要はなく、設計誤差の範囲内で垂直とみなせるものも包含する。
【００３４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に係る鉄道車両のボルスタレス台車用空気ばねによれば、空気ばねを構成するダイヤフラムと外筒や内筒のゴム製部材との接触条件を緩和し、ゴムの磨耗量を減少させ、ひいてはダイヤフラムやゴム製部材の磨耗寿命を長くし得るという優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明の一実施形態に係る空気ばねの概略構成を示す縦断面図である。
【図２】  図２は、図１に示すゴム座を拡大して表す縦断面図である。
【図３】  図３は、図１に示すダイヤフラムとゴム座とのコーナ部に沿った接触面圧分布の解析結果例であり、（ａ）は内圧負荷時、（ｂ）はボギー変位負荷時の解析結果例をそれぞれ示す。
【図４】  図４は、図１に示すゴム座のコーナ部の曲率半径Ｒを変化させたときの接触面圧の最大値を示す。
【図５】  図５は、本発明に係るゴム座の設計例を示す縦断面図である。
【図６】  図６は、比較例のゴム座の設計例を示す縦断面図である。
【図７】  図７は、本発明に係るゴム座と比較例のゴム座の最大接触面圧を比較した結果である。
【図８】  図８は、本発明に係る空気ばねを車両に装着した状態を示す概略構成図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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