(57)【要約】      （修正有）【課題】空気ばねがパンク等でデフレートされも、上下方向の柔らかなばね特性を十分に発揮し、柔らかいばね特性が限界に達するほどの大きな垂直荷重が作用してなお、その垂直荷重を硬いばね特性で弾性支持する一方、水平方向入力を、弾性支持することができる空気ばね装置を提供する。【解決手段】上面板１および下面板２と、これらのそれぞれの面板１，２に、それぞれの端部を気密に連結した筒状可撓膜体３とからなり、内部に気体を封入した空気ばね４の、前記下面板２と、その下面板２の下方側に離隔して位置する下端支持プレート８との間に、ゴム材料を主体として、垂直荷重の作用に対して、主には剪断変形される剪断ばね手段５、および、主には圧縮変形される圧縮ばね手段６のそれぞれを直列に配設し、剪断ばね手段５の変形量が所定量に達した後に、荷重の支持を剪断ばね手段５から圧縮ばね手段６に肩代わりさせる当接部材１０を設けてなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面板および下面板と、これらのそれぞれの面板に、それぞれの端部を気密に連結した筒状可撓膜体とからなり、内部に気体を封入した空気ばねの、前記下面板と、その下面板の下方側に離隔して位置する下端支持プレートとの間に、ゴム材料を主体として、垂直荷重の作用に対して、主には剪断変形される剪断ばね手段、および、主には圧縮変形される圧縮ばね手段のそれぞれを直列に配設し、剪断ばね手段の変形量が所定量に達した後に、荷重の支持を圧縮ばね手段に肩代わりさせる当接部材を設けてなる空気ばね装置。
【請求項２】
剪断ばね手段を、円錐台状もしくは角錐台状の錐台形状ゴム部材と、錐台形状剛性板との交互の積層構造体の、芯体および外筒への接合構造とするとともに、圧縮ばね手段を、前記下端支持プレート上に接合される、円環状のゴム板と、円環状の剛性板との交互の積層構造体の、上端リングへの接合構体としてなる請求項１に記載の空気ばね装置。
【請求項３】
剪断ばね手段および圧縮ばね手段のそれぞれを、空気ばね側から順次に配設するとともに、剪断ばね手段の変形量を規制する、圧縮ばね手段側への当接部材を下面板に設け、その当接部材が圧縮ばね手段側に当接してなお、下端支持プレートと剪断ばね手段との間に隙間を確保してなる請求項１もしくは２に記載の空気ばね装置。
【請求項４】
剪断ばね手段の芯体を、前記下面板の下面に取付けてなる請求２もしくは３に記載の空気ばね装置。
【請求項５】
空気ばねの筒状可撓膜体をセルフシール構造としてなる請求項１〜４のいずれかに記載の空気ばね装置。
【請求項６】
当接部材と、それが当接する圧縮ばね手段側部材との間に緩衝層を設けてなる請求項１〜５のいずれかに記載の空気ばね装置。
【請求項７】
緩衝層を、剪断ばね手段のゴム部材と一体に構成してなる請求項６に記載の空気ばね装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、鉄道車両用のボルスタレス台車に適用して好適な空気ばね装置に関するものであり、とくには、装置全体の上下方向のばね定数を、大きな変位領域にわたって十分小さく保って、鉄道車両等への乗心地を高める一方で、空気ばねの、パンク等に起因するデフレート時においても、柔らかなばね特性を確保して、一定の乗心地を保持しつつ、安全な走行を実現するとともに、大きな垂直荷重の作用に伴う大きな変形が生じてなお、垂直方向および水平方向の力の有効なる弾性支持を可能とする空気ばね装置を提案するものである。
【背景技術】
【０００２】
欧州タイプと称される従来のこの種の空気ばねとしては、たとえば、特許文献１に記載されたものがある。
これは、外筒および内筒と、これら両者に亘って配備されるダイヤフラムと、円錐面又は角錐面状の外周面を有する支持部材と、この支持部材の外周面と前記内筒とに亘って配備される環状の弾性体とを有して成る空気ばねにおいて、弾性部材を有する緩衝体を前記内筒と前記支持部材との間に配備して、前記内筒と前記支持部材との相対接近移動による前記弾性部材の弾性変形が、前記弾性体が所定量弾性変形してから開始される状態に構成したものである。
【０００３】
この空気ばねは、支持部材と内筒との間に弾性部材から成る緩衝体を配置して、内筒と支持部材との相対接近移動による弾性部材の弾性変形が、弾性体が所定量弾性変形してから開始される状態に構成されているから、外筒に作用する荷重が所定以上に大きくなると、弾性体による弾性に加えて緩衝体による弾性が並列的に加算されることになり、ばね定数を無理なく大きくすることができる。これにより、ある程度の荷重までは小さいばね定数による柔らかいばね特性を持つ状態にできるとともに、大荷重が作用する場合には大きいばね定数による硬いばね特性を持つ状態に切換えることが可能になる。
その結果、円錐台又は角錐台状の外周面を持つ支持部材を有する空気ばねにおいて、支持部材の外周面と内筒とに亘って配備される環状の弾性体を、通常の正常動作時における柔らかいばね特性を持つものとしながらも、大荷重時には全体として硬いばね特性が発揮できて腰のあるものとなるよう、非線形特性が備わったものに改善することができた。この場合、弾性体を積層ゴムで構成すれば、支持部材と内筒とが互いに安定的に弾性支持されるようにすることができると、するものである。
【特許文献１】特開２００６−３２９２８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかるにこの従来技術は、内外筒にわたって配備されるダイアフラムに対し、それの下方側に、二種類の、いわゆるコニカルタイプの、弾性体および緩衝体を直列に配設したものであり、ここでは、たとえば、ダイアフラムのパンク等によってそこから充填内圧が洩出することに起因して、外筒上の垂直荷重が内筒に直接的に作用することで、直列配置になる、弾性体および緩衝体が、ともに剪断変形を主体として、比較的小さなばね定数の下で、限界位置まで容易に変形することになるので、それらの弾性体および緩衝体の両者が限界位置まで変形したときは、支持部材と内筒とが、緩衝体内の非弾性部材を介してメタルコンタクトすることになって、それ以後は、垂直荷重の弾性的な支持が不能となる他、水平方向入力に対しても、内外筒の相対摺動は可能であるも、それを弾性的に支持することは不可能となる。
【０００５】
この発明は、従来技術が抱えるこのような問題点を解決することを課題とするものであり、それの目的とするところは、空気ばねがパンク等によってデフレートされて、それ本来のばね機能を発揮し得なくなってなお、上下方向の柔らかなばね特性を十分に発揮させて、一定の乗心地を保持しつつ、安全な走行を可能とし、しかも、柔らかいばね特性が限界に達するほどの大きな変形の発生、ひいては、大きな垂直荷重が作用してなお、その垂直荷重を硬いばね特性の下に弾性支持する一方で、垂直荷重の大小のいかんにかかわらず、水平方向入力を、柔軟に弾性支持することができる空気ばね装置を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の空気ばね装置は、上面板および下面板と、これらのそれぞれの面板に、それぞれの端部を気密に連結した筒状可撓膜体とからなり、内部に空気、不活性ガス等の気体を加圧封入した空気ばねの、前記下面板と、その下面板の下方側に離隔して、たとえば水平に位置する下端支持プレートとの間に、ゴム材料を主体として、垂直荷重の作用に対して、主には剪断変形される剪断ばね手段、および、主には圧縮変形される圧縮ばね手段のそれぞれを、所要の順序で直列に配置して、空気ばねと、剪断ばね手段と、圧縮ばね手段との三者を直列に整列させ、垂直荷重によって剪断ばね手段の変形量が所定値に達した後に、荷重の支持を圧縮ばね手段に完全に肩代わりさせる当接部材を、たとえば、上面板側または下端支持プレート側に設けてなるものである。
【０００７】
ここで好ましくは、剪断ばね手段を、円錐台状もしくは角錐台状の錐台形状ゴム部材と、錐台形状剛性板との交互の積層構造体の、芯体、たとえば内筒および、外筒への接合構体とするとともに、圧縮ばね手段を、前記下端支持プレート上に接合される、円環状のゴム板と、円環状の剛性板との交互の積層構造体の、上端リングへの接合構体とする。
【０００８】
また好ましくは、剪断ばね手段および圧縮ばね手段のそれぞれを、空気ばね側から順次に配設するとともに、剪断ばね手段の変形量を規制する、圧縮ばね手段側への当接部材を下面板に設け、その当接部材が圧縮ばね手段側に当接してなお、より好適には、圧縮ばね手段に圧縮変形が生じてなお、下端支持プレートと剪断ばね手段、なかでも、剪断ばね手段の弾性変形下で下端支持プレート側へ最も突出して位置することになる剛性部材との間に隙間を確保する。
【０００９】
そしてまた、筒体とすることができる、剪断ばね手段の芯体を、前記下面板の下面に取付けること、空気ばねの筒状可撓膜体を、内部に封入した気体圧力の作用下で、上下のそれぞれの面板に対して気密にシールされるセルフシール構造とすること、当接部材と、それが当接する圧縮ばね手段側部材との間で、それらの少なくとも一方に、ゴム，プラスチック、各種の繊維、皮革等とすることができる緩衝層を設けることが好ましく、この緩衝層は、剪断ばね手段のゴム部材と一体をなすゴムにて構成することがより好適である。
【発明の効果】
【００１０】
この発明の空気ばね装置では、空気ばねと、剪断ばね手段と、圧縮ばね手段とのそれぞれを直列に整列させて配設することで、直列ばねの原理により垂直荷重の作用に対しては、ばね定数の低い方の性能を顕在化させて、主には、空気ばねと剪断ばね手段とによって柔軟に弾性支持することができ、その垂直荷重が、剪断ばね手段の変形限界に達するほどに大きくなって、当接部材が作用した後は、主には、空気ばねと圧縮ばね手段とによって、硬いばね特性の下で弾性支持することができ、このことは、空気ばねがパンク等によってデフレートされて、空気ばねがそれ本来の機能を発揮し得なくなって、剪断ばね手段および圧縮ばね手段の両者によって垂直荷重を弾性支持する場合にもまたほぼ同様である。
【００１１】
またこの装置に、水平方向の力が入力されたときは、主には、空気ばねの水平変形と、圧縮ばね手段の剪断変形とによって、その力を柔軟に弾性支持することができる。
そして、圧縮ばね手段による水平入力のこのような弾性支持は、空気ばねのデフレートの有無にかかわらず、特には、剪断ばね手段と、圧縮ばね手段との直列配置構造の下で、主には、圧縮ばね手段の剪断ばね特性の顕在化の下で、垂直荷重の大小のいかんにかかわらず、十分柔軟に支持されることになる。
【００１２】
従ってこの装置では、剪断ばね手段が、それの変形限界まで変形して、当接部材が作用するほどに大きな垂直荷重を受け、それ以後の垂直荷重の弾性支持は専ら圧縮ばね手段の作用によって行われることになっても、水平方向の入力に対しては、空気ばねがデフレートされていると否とにかかわらず、圧縮ばね手段の剪断変形をもって柔軟に弾性支持することができる。
【００１３】
ここで、剪断ばね手段を錐台形状ゴム部材と、錐台形状剛性板との交互の積層構造体の、内筒とすることができる芯体および外筒への接合構体としたときは、垂直荷重の入力に対し、ゴム部材を、剪断方向に加え、圧縮方向にも変形させて、ばね定数の幾分の増加傾向の下で、剪断変形だけを行わせる場合に比して、ゴム部材の絶対変形量を抑制することができるので、ゴム部材の耐久性を高めることができ、この一方で、剪断ばね手段を、水平方向の入力に対しても弾性機能の発揮に寄与させることができる。
【００１４】
また、圧縮ばね手段を、たとえば、水平な下端支持プレート上に接合される、ともに水平な、円環状ゴム板と、円環状剛性板との交互の積層構造体の、これも水平な上端リングへの接合構体としたときは、そこへの垂直荷重の作用時には、圧縮ばね手段に硬いばね特性を発揮させる一方で、水平方向の入力に対しては、円環状ゴム板の剪断変形下で、柔軟なばね特性を発揮させることができる。
【００１５】
なお、剪断ばね手段および圧縮ばね手段のそれぞれを、空気ばね側から順次に配設するとともに、剪断ばね手段の変形量を規制する、圧縮ばね手段側への当接部材を下面板に設け、その当接部材が圧縮ばね手段側に当接して、垂直荷重の弾性支持を、剪断ばね手段から圧縮ばね手段に肩代わりさせてなお、下端支持プレートと剪断ばね手段との間に隙間を確保したときは、簡単な構造の装置をもって、上記の各種機能を十分に発揮させることができ、しかも、剪断ばね手段が、垂直荷重によって限界位置まで変形されていても、圧縮ばね手段を、水平方向の入力の弾性支持のために、十分円滑に、かつ確実に機能させることができる。
【００１６】
ところで、剪断ばね手段の、内筒とすることができる、錐台形状の芯体を、たとえば、それの大表面底部側で下面板の下面に取付けたときは、圧縮ばね手段の中空部寸法との関連の下で、その中空部内へ、剪断ばね手段の一部を進入させて配置することが可能となり、これにより、装置の占有空間、ひいては、外形寸法の小型化を図ることができ、鉄道車両の低床化を実現することができる。
またこの一方で、水平方向の入力に対しては、剪断ばね手段と圧縮ばね手段とを、直列配置構成のばねとして機能させて、直列ばねの原理の下で、小さい方のばね定数の顕在化を図ることができる。
【００１７】
以上のような空気ばね装置において、空気ばねの筒状可撓膜体をセルフシール構造としたときは、筒状可撓膜体の、面板への固定部材等を不要として、部品点数を有効に低減させることができるとともに、筒状可撓膜体のメンテナンス、交換等を簡易なものとすることができ、また、空気ばねそれ自体の高さを低くして、上述したところと相俟って、車両の一層の低床化を実現することができる。
【００１８】
ここにおいて、当接部材と、それが当接する圧縮ばね手段側部材との間で、それら両者の少なくとも一方に、ゴム、プラスチック、繊維、皮革等からなる緩衝層を設けたときは、その当接部材が、圧縮ばね手段側部材に当接する際の、衝撃および騒音の発生を有効に緩和することができ、この場合、剪断ばね手段のゴム部材をもって、その剪断ばね手段の外筒の、圧縮ばね手段上に配設されるフランジ部の表面を覆う緩衝層を一体形成したときは、緩衝層の配設のためのコストおよび作業工数をともに有利に低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、この発明の実施の形態を示す縦断面図であり、図中１は、たとえば水平姿勢で車体側に取付けられる上面板を、また２は下面板を、そして３は、それらの両面板１，２にそれぞれの端部を気密に連結した図ではセルフシール構造の筒状可撓膜体をそれぞれ示し、これらの部材１，２，３は、内部に、空気、不活性ガス等とすることができる所定の圧力の気体を封入することで空気ばね４を構成する。
【００２０】
ここでは、このような空気ばね４の下面板２側に、剪断ばね手段５および圧縮ばね手段６のそれぞれを直列に配設して、空気ばね４と、剪断ばね手段５と、圧縮ばね手段６とを順次の直列整列構造とする。このことによれば、垂直荷重の作用に対して、ばね定数の低い方の性能が顕在化する柔らかいばね特定がもたらされる。
なお、剪断ばね手段５と、圧縮ばね手段６とは、図に示すところとは順序を入れ換えて配設することも可能である。
【００２１】
またこの図に示すところでは、剪断ばね手段５を、図の下方側に向けて寸法が次第に小さくなる円錐台状、角錐台状等の錐台形状をなすゴム部材５ａと、同様の錐台形状剛性板５ｂとの交互の積層構造体の、図では軽量化のために筒体とした、外表面が同様の錐台形状の芯体７ａおよび、外筒７ｂへの接合構体とする。
【００２２】
そしてまた圧縮ばね手段６を、下面板２の下方側に離隔して位置して、たとえば水平姿勢で台車に取付けられる下端支持プレート３に接合される、円環状の水平なゴム板６ａと、円環状の同様の剛性板６ｂとの交互の積層構造体の、上端リング９への接合構体としてなり、ゴム板６ａ，剛性板６ｂおよび上端リング９のそれぞれの内径を均一径としてなる。
【００２３】
空気ばね４の下面板２と、この下面板２の下方側に離隔して位置する、たとえば水平姿勢の下端支持プレート８との間に、図示のように配設されるそれぞれのばね手段５，６は、ここでは、圧縮ばね手段６の下端面を下端支持プレート８上に接合させ、また、剪断ばね手段５の芯体７ａを、それの大表面底部側で下面板２の下面に取り付ける一方で、外筒７ｂのフランジ部７ｃを、圧縮ばね手段６の上端リング９の上面に嵌め合わせ掛合させ、そして、下面板２に形成されて、図の下方側へ突出するも、剪断ばね手段５の外筒フランジ部７ｃの上方側に所定の間隔ｘをおいて位置する、リング状の当接部材１０を設け、このときの間隔ｘを、剪断ばね手段５、なかでも、圧縮ばね手段６の内側への入り込み姿勢で、剪断ばね手段５の作用に当って最も大きく下降変位する芯体７ａと、下端支持プレート８、図では、下端支持プレート８を台車に取り付けるための下ボス８ａとの間の間隔ｙより小さく設定することによって組付けることができる。
このように、剪断ばね手段５を、圧縮ばね手段６の内側に入れ込むことで、水平入力に対しては、それらの両ばね手段５，６が直列配置構造となって、柔らかいばね特性を実現することができる。
【００２４】
なおこの図に示すところにおいて、１１は、剪断ばね手段５の外筒フランジ部７ｃの上面に、ゴム部材５ａと一体に構成した、これもリング状をなす緩衝層を示す。この緩衝層１１は、前述したように、当接部材１０がフランジ部７ｃに衝当する際の衝撃および騒音を緩和するべく機能する。
この緩衝層１１は、ゴム部材５ａと一体に構成することで、それを別途に形成し、別途配設する場合に比してコストを大きく低減させることができる。
【００２５】
また１２は、下面板２の、上面板１との対抗面に設けた滑動案内部材としてのポリテトラフロオロエチレン層を示し、このポリテトラフロオロエチレン層１２は、上面板の下面が、上面板２の上面に接触した状態の下での、それら両者の相対水平変位を円滑なものとするべく機能する。
そして１３は、上面板１を車体側に取り付けるために機能するとともに、空気ばね４のための、所定圧力の気体の供給を可能とする流路を具える上ボスを示す。
【００２６】
以上のように構成してなる空気ばね装置によれば、空気ばね４が正常な状態の下での鉄道車両の通常走行時には、垂直荷重の作用に対し、空気ばね４と、剪断ばね手段５と、圧縮ばね手段６との直列配置構造の下で、主には、空気ばね４と、剪断ばね手段５、なかでもゴム部材５ａとの変形によって、荷重を、柔軟なばね特性の下で弾性支持することができる。
図２に示すグラフの曲線Ａは、この状態での、荷重の大きさと、ばね定数との関係を示すものである。
【００２７】
この一方で、空気ばね４がパンク等によってデフレートされたときの垂直荷重は、剪断ばね手段５が、それの変形限界に到るまでは、図２に、曲線Ｂで示すように、比較的小さなばね定数の下で柔軟に弾性支持されることになって、一定の乗心地を保持しながらの安全な走行が可能となる。
【００２８】
これに対し、剪断ばね手段５が変形限界に達して、当接部材１０が外筒フランジ部７ｃに当接した後は、垂直荷重は、上下の面板１，２およびそのフランジ７ｃを経て、圧縮ばね手段６だけによって弾性支持させることになるため、ばね定数は、荷重の増加に伴ってほぼ直線状に増加することになり、この硬いばね特定の故に、車両の空車時と満車時との間での車高の変化を十分小さく抑えることができる。
【００２９】
また、この空気ばね装置によれば、水平方向の入力は、空気ばね４の正常状態の下では、空気ばね４および圧縮ばね手段６の水平方向変位によって、図３に曲線Ｃで示すように、極めて柔軟なばね特性の下で弾性的に支持することができる。
そしてその空気ばね４のデフレート状態の下では、剪断ばね手段５と圧縮ばね手段６とが直列配置構造になることから、圧縮ばね手段６の剪断変形に基き、図３に曲線Ｄで示すように、これもまた小さなばね定数の下で、水平入力を弾性的に支持することができる。
【００３０】
なお、空気ばね４のこのデフレート状態の下では、たとえ、剪断ばね手段５が、垂直荷重によって、当接部材１０が作用する限界位置まで剪断変形されていても、前述したように、間隔ｘを間隔ｙより予め小さく設定していることから、剪断ばね手段５の、下端支持プレート８に対する水平変位は十分に許容されることになり、圧縮ばね手段６は円滑に剪断変形することができる。
ところで、空気ばねのデフレート状態の下では、上面板１の下面が、下面板２の上面に接触することになるも、両面板１，２の水平相対変位は、前述したように、下面板２上のポリテトラフロオロエチレン層１２によって許容されることになる。
【００３１】
ちなみに、特許文献１に記載された空気ばねによれば、空気ばねのデフレート下での水平入力に対しては、メタルコンタクト状態に到るまでの間であっても、二種類の、いわゆるコニカルタイプの弾性体および緩衝体が相互の並列配置姿勢の下で、主として圧縮変形されることになるため、図３に曲線Ｅで示すような大きなばね定数の下で、その入力が支持されることになり、これがため、車両への乗心地の確保が難しくなり、また、比較的高速での、脱線のおそれのない全安走行が難しくなる。
【００３２】
ところで、図示の空気ばね装置は、振動等の入力の減衰手段を具備していないも、入力の減衰は、両車側に、メカニカルダンパ等の減衰手段を設けることによって行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】この発明の実施の形態を示す縦断面図である。
【図２】垂直荷重とばね定数との関係を示すグラフである。
【図３】水平荷重とばね定数との関係と示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１  上面板
２  下面板
３  筒状可撓膜体
４  空気ばね
５  剪断ばね手段
５ａ  ゴム部材
５ｂ，６ｂ  剛性板
６  圧縮ばね手段
６ａ  ゴム板
７ａ  芯体
７ｂ  外筒
７ｃ  フランジ部
８  下端支持プレート
８ａ  下ボス
９  上端リング
１０  当接部材
１１  緩衝材
１２  ポリテトラフロオロエチレン
１３  上ボス
ｘ，ｙ  間隔
【図１】
2009197986.tif 000003
【図２】
2009197986.tif 000004
【図３】
2009197986.tif 000005