用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧（10）具備：由以使增強(qiáng)纖維在長(zhǎng)度方向上延伸的方式層疊的纖維增強(qiáng)塑料構(gòu)成的上表面構(gòu)件（12）；由以使增強(qiáng)纖維在長(zhǎng)度方向上延伸的方式層疊的纖維增強(qiáng)塑料構(gòu)成的下表面構(gòu)件（14）；和配置于上表面構(gòu)件（12）和下表面構(gòu)件（14）之間的芯材構(gòu)件（16）；芯材構(gòu)件（16）由纖維增強(qiáng)塑料構(gòu)成，該纖維增強(qiáng)塑料在作為相對(duì)于上表面構(gòu)件（12）和下表面構(gòu)件（14）的層疊方向正交的方向的寬度方向上被層疊，并且以使增強(qiáng)纖維在側(cè)視芯材構(gòu)件（16）時(shí)相對(duì)于彎曲中立軸傾斜且相互交叉的方式層疊。
【專利說(shuō)明】用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及例如用于鐵道車輛的軸梁式的轉(zhuǎn)向架中的鐵道車輛轉(zhuǎn)向架用板簧，具體涉及以纖維增強(qiáng)塑料、尤其是以碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP ；carbon fiber reinforcedplastic)為主材料構(gòu)成的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧。
【背景技術(shù)】
[0002]以往以來(lái)，鐵道車輛的轉(zhuǎn)向架是影響行駛性能和乘坐心情的重要的裝置，作為基本的功能和性能等，具有將載有乘客和貨物等的車身從車身的下方支持的同時(shí)順利地在軌道上行駛的重要的作用。
[0003]因此，轉(zhuǎn)向架由作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、車輪和車軸等、為了行駛穩(wěn)定性的枕簧(空氣彈簧)、軸簧以及支持它們的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架構(gòu)成。
[0004]又，最近，從在現(xiàn)有的車身和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架之間配置枕梁(搖枕)的“枕梁式轉(zhuǎn)向架”至開(kāi)發(fā)出了在車身和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架之間沒(méi)有配置枕梁(搖枕)的“無(wú)搖枕轉(zhuǎn)向架”，尤其是“軸梁式轉(zhuǎn)向架”逐漸成為主流(專利文獻(xiàn)I (參照日本特開(kāi)平9-301163號(hào)公報(bào)等))。
[0005]該軸梁式轉(zhuǎn)向架按照車身的橫梁、枕梁、枕簧(空氣彈簧)、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、軸簧、軸箱、車軸.車輪、軌道的順序支承車輛的全載荷。圖12是示出該軸梁式轉(zhuǎn)向架的概略的部分放大上表面圖，圖13是圖12的A方向的向視圖。
[0006]轉(zhuǎn)向架100具備與軌道平行地配置的一對(duì)側(cè)梁102、104、和在這些側(cè)梁102、104之間與軌道的枕木平行地配置的一對(duì)橫梁106、108。
[0007]又，在側(cè)梁102、104之間通過(guò)軸箱114可旋轉(zhuǎn)地安裝有車軸110和車輪112。而且，為了在轉(zhuǎn)向架100和軸箱114之間傳遞牽引力、制動(dòng)力，而以根據(jù)螺旋狀的軸簧116的動(dòng)作可在上下方向上移動(dòng)的方式在側(cè)梁102、104和軸箱114之間介設(shè)有由軸部118軸支持的軸箱支持裝置120。車輛的總重量的50%是轉(zhuǎn)向架，該轉(zhuǎn)向架由鋼結(jié)構(gòu)大框架和鋼制彈簧構(gòu)成。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn):
專利文獻(xiàn):
專利文獻(xiàn)1:日本特開(kāi)平9-301163號(hào)公報(bào)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]發(fā)明要解決的問(wèn)題:
然而，在這樣的現(xiàn)有的軸梁式轉(zhuǎn)向架100中，車輛的總重量的50%是轉(zhuǎn)向架，并且由鋼結(jié)構(gòu)的側(cè)梁102、104、橫梁106、108、和鋼制彈簧的軸簧116構(gòu)成，因此重量無(wú)論如何都變重。
[0010]又，在這些側(cè)梁102、104和橫梁106、108之間進(jìn)行復(fù)雜的焊接、組裝作業(yè)，因此需要熟練的技巧和加工時(shí)間，從而需要成本和時(shí)間。
[0011]另外，作為軸簧116，以往使用鋼制板簧，并且為了得到彈簧的特性，而使用重疊板簧，但是不斷換代后變成螺旋彈簧直至現(xiàn)在。即，金屬的鋼制的一片式彈簧對(duì)于彈簧來(lái)說(shuō)過(guò)重，且不能振動(dòng)衰減，存在較難克服的問(wèn)題，近年來(lái)不被使用。
[0012]又，如上所述，在一片式彈簧中存在問(wèn)題而采用重疊彈簧的原因是難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)充分的強(qiáng)度和較低的彈簧常數(shù)。然而，在重疊板簧中，因部件數(shù)量的增加而導(dǎo)致組裝性變差，需要繁瑣的作業(yè)且花費(fèi)時(shí)間，而且成本也提高。
[0013]本發(fā)明鑒于這樣的現(xiàn)狀，其目的是提供不需要如以往那樣需要熟練的技巧的焊接、組裝作業(yè)，且能夠降低成本和時(shí)間，并且不需要鋼制且重量重的側(cè)梁，從而可以謀求轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的精簡(jiǎn)化，并且可以謀求輕量化和成本的降低，此外高壽命且耐久性也改善的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧。
[0014]解決問(wèn)題的手段:
本發(fā)明的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧具備:由以使增強(qiáng)纖維在長(zhǎng)度方向上延伸的方式層疊的纖維增強(qiáng)塑料構(gòu)成的上表面構(gòu)件；由以使增強(qiáng)纖維在長(zhǎng)度方向上延伸的方式層疊的纖維增強(qiáng)塑料構(gòu)成的下表面構(gòu)件；和配置于所述上表面構(gòu)件和下表面構(gòu)件之間的芯材構(gòu)件；所述芯材構(gòu)件由纖維增強(qiáng)塑料構(gòu)成，該纖維增強(qiáng)塑料在作為相對(duì)于上表面構(gòu)件和下表面構(gòu)件的層疊方向正交的方向的寬度方向上被層疊，并且以使增強(qiáng)纖維在側(cè)視所述芯材構(gòu)件時(shí)相對(duì)于彎曲中立軸傾斜且相互交叉的方式層疊。
[0015]在對(duì)板簧施加彎曲載荷時(shí)，上表面主要被施加壓縮載荷，下表面主要被施加拉伸載荷，中央部主要被施加剪切載荷。對(duì)此，本發(fā)明是將分擔(dān)壓縮載荷的上表面構(gòu)件由以使增強(qiáng)纖維在長(zhǎng)度方向上延伸的方式層疊的纖維增強(qiáng)塑料、尤其是碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)構(gòu)成，將分擔(dān)拉伸的下表面構(gòu)件由以使增強(qiáng)纖維在長(zhǎng)度方向上延伸的方式層疊的纖維增強(qiáng)塑料構(gòu)成。
[0016]而且，將分擔(dān)剪切載荷的芯材構(gòu)件由纖維增強(qiáng)塑料和粘接這些構(gòu)件之間的層間部(粘接層)構(gòu)成，該纖維增強(qiáng)塑料在作為相對(duì)于上表面構(gòu)件和下表面構(gòu)件的厚度方向(層疊方向)正交的方向的寬度方向上被層疊，并且以使增強(qiáng)纖維在側(cè)視芯材構(gòu)件時(shí)相對(duì)于彎曲中立軸傾斜且相互交叉的方式層疊。
[0017]因此，增強(qiáng)纖維相對(duì)于載荷以適當(dāng)?shù)姆较蛉∠?，因此即使輕量也可以得到用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧所需的強(qiáng)度。又，通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)定這些構(gòu)件的強(qiáng)度，以此在超過(guò)最高限度載荷時(shí)，開(kāi)始破壞的順序按照層間部、上表面構(gòu)件、下表面構(gòu)件依次開(kāi)始，因此不會(huì)一下子發(fā)生斷裂。
[0018]又，纖維增強(qiáng)塑料、尤其是碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)是壓縮強(qiáng)度比拉伸強(qiáng)度小50%左右的材料，但是在本發(fā)明中，芯材構(gòu)件由纖維增強(qiáng)塑料構(gòu)成，該纖維增強(qiáng)塑料在作為相對(duì)于上表面構(gòu)件和下表面構(gòu)件的厚度方向(層疊方向)正交的方向的寬度方向上被層疊，并且在側(cè)視芯材構(gòu)件時(shí)相對(duì)于彎曲中立軸傾斜的方向上層疊。
[0019]通過(guò)像這樣最佳地設(shè)計(jì)芯材構(gòu)件、上表面構(gòu)件、下表面構(gòu)件的截面，以此對(duì)于壓縮載荷、拉伸載荷、剪切載荷來(lái)說(shuō)成為最佳，可以形成為在整體上最輕且具有任意的彈簧常數(shù)的板簧。
[0020]此外，在金屬板簧中，一片式彈簧如上述那樣存在問(wèn)題而變得困難，因此采用重疊彈簧，相對(duì)于此，如本發(fā)明的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧那樣，作為復(fù)合材料板簧可以采用一片式彈簧的原因是，除了上述的形狀設(shè)計(jì)自由度以外，在材料物理性質(zhì)方面，纖維增強(qiáng)塑料、尤其是碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)具有低彈性率高強(qiáng)度。
[0021]此外，金屬制造的彈簧、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等存在金屬疲勞的問(wèn)題，但是根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)如上述那樣適當(dāng)?shù)卦O(shè)定安全率，以此使纖維增強(qiáng)塑料、尤其是碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)相較于金屬較少出現(xiàn)因疲勞而導(dǎo)致的強(qiáng)度下降，因此謀求長(zhǎng)壽命化。
[0022]因此，根據(jù)本發(fā)明，可以提供不需要進(jìn)行如以往那樣要求熟練的技巧的焊接、組裝作業(yè)，可以減少成本和時(shí)間，并且不需要鋼制且重量較重的側(cè)梁，可以謀求轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)潔化，可以謀求輕量化和成本的降低，而且具有高壽命且耐久性也改善的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧。
[0023]又，用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧也可以使所述芯材構(gòu)件的增強(qiáng)纖維在側(cè)視所述芯材構(gòu)件時(shí)相對(duì)于彎曲中立軸以45°傾斜。
[0024]像這樣，在上表面構(gòu)件和下表面構(gòu)件的中間設(shè)置芯材構(gòu)件，以此使其分擔(dān)剪切載荷，并且使芯材構(gòu)件的增強(qiáng)纖維在側(cè)視芯材構(gòu)件時(shí)相對(duì)于彎曲中立軸以45°傾斜，以此對(duì)于剪切載荷來(lái)說(shuō)成為最佳，可以形成為在整體上最輕且具有任意的高剛性(彈簧常數(shù))的板簧。
[0025]又，用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧也可以是所述用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧的下表面由從兩端部向中心方向向下傾斜地延伸的直線部、和形成于兩個(gè)直線部之間的中央部分上的弧狀部分構(gòu)成。
[0026]在作為板簧的由碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)構(gòu)成的厚板上施加彎曲時(shí)，層間強(qiáng)度(層間剪切強(qiáng)度、層間粘接強(qiáng)度)變得不足。即，在側(cè)視彎曲方向時(shí)，在以圓弧狀彎曲的情況下，如朝著使圓弧變大的方向彎曲，則層間向著剝離的方向從而層間強(qiáng)度變得脆弱。
[0027]對(duì)此，通過(guò)由從兩端部向中心方向向下傾斜地延伸的直線部、和形成于兩個(gè)直線部之間的中央部分上的弧狀部分構(gòu)成，以此提高層間強(qiáng)度(層間剪切強(qiáng)度、層間粘接強(qiáng)度)。
[0028]又，用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧也可以是所述用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧形成為厚度從兩端部向中心方向逐漸增大的結(jié)構(gòu)。通過(guò)像這樣形成為厚度從兩端部向中心方向逐漸增大的結(jié)構(gòu)，因此可以使上表面構(gòu)件、下表面構(gòu)件的彎曲應(yīng)力最佳化。
[0029]又，用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧也可以在所述下表面構(gòu)件的下方配備金屬制的保護(hù)構(gòu)件。通過(guò)像這樣構(gòu)成，可以通過(guò)設(shè)置于下表面構(gòu)件的下方的金屬制的保護(hù)構(gòu)件保護(hù)用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧的主體部以免因線路上的飛散的石頭而受到破損損傷。
[0030]又，用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧也可以在所述下表面構(gòu)件和保護(hù)構(gòu)件之間介設(shè)由彈性材料構(gòu)成的彈性構(gòu)件。通過(guò)像這樣構(gòu)成，由于介設(shè)在下表面構(gòu)件和金屬制的保護(hù)構(gòu)件之間的彈性構(gòu)件發(fā)揮緩沖功能，因此可以有效地保護(hù)用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧的主體部以免因線路上的飛散的石頭而受到破損損傷。
[0031]又，用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧也可以在所述上表面構(gòu)件的上方配備轉(zhuǎn)向架載荷支承構(gòu)件。通過(guò)像這樣構(gòu)成，以此轉(zhuǎn)向架的載荷不會(huì)直接接觸并作用在用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧的主體部上，因此可以保護(hù)用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧的主體部。
[0032]又，用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧也可以在所述上表面構(gòu)件和轉(zhuǎn)向架載荷支承構(gòu)件之間介設(shè)由彈性材料構(gòu)成的緩沖構(gòu)件。通過(guò)像這樣構(gòu)成，由介設(shè)在上表面構(gòu)件和轉(zhuǎn)向架載荷支承構(gòu)件之間的彈性材料構(gòu)成的緩沖構(gòu)件發(fā)揮緩沖功能，因此轉(zhuǎn)向架的載荷不會(huì)直接接觸并作用在用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧的主體部上，因此可以有效地保護(hù)用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧的主體部。
[0033]又，也可以是用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧的所述纖維增強(qiáng)塑料由碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)構(gòu)成。在考慮彎曲彈性、機(jī)械強(qiáng)度、相對(duì)于重復(fù)載荷的耐久性等時(shí)，像這樣纖維增強(qiáng)塑料由碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)構(gòu)成是優(yōu)選的。
[0034]發(fā)明效果:
根據(jù)本發(fā)明，可以提供不需要如以往那樣要求熟練的技巧的焊接、組裝作業(yè)，可以減少成本和時(shí)間，并且不需要鋼制且重量較重的側(cè)梁，可以謀求轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)潔化，可以謀求輕量化和成本的減少，而且具有高壽命且耐久性也改善的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0035]圖1是根據(jù)實(shí)施形態(tài)的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧的分解立體圖；
圖2是根據(jù)實(shí)施形態(tài)的用于鐵道車輛的板簧的主視圖；
圖3是圖2的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧的上表面圖；
圖4是說(shuō)明圖1的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧的芯材(core)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)的立體圖；
圖5是在圖2的A-A線上剖切的剖視圖；
圖6是示出將根據(jù)實(shí)施形態(tài)的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧應(yīng)用到軸梁式轉(zhuǎn)向架中的概略的局部放大上表面圖；
圖7是圖6的B方向的向視圖；
圖8是說(shuō)明在將根據(jù)實(shí)施形態(tài)的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧應(yīng)用到軸梁式轉(zhuǎn)向架中的情況下的載荷的狀態(tài)的概略圖；
圖9是圖7的局部放大圖；
圖10是在圖9的C-C線上剖切的剖視圖；
圖11是在圖9的D-D線上剖切的剖視圖；
圖12是示出現(xiàn)有的軸梁式轉(zhuǎn)向架的概略的局部放大上表面圖；
圖13是圖12的A方向的向視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]以下，基于附圖詳細(xì)說(shuō)明實(shí)施形態(tài)(實(shí)施例)。圖1是根據(jù)實(shí)施形態(tài)的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧的分解立體圖，圖2是根據(jù)實(shí)施形態(tài)的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧的主視圖，圖3是圖2的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧的上表面圖，圖4是說(shuō)明圖1的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧的芯材構(gòu)件的結(jié)構(gòu)的立體圖，圖5是在圖2的A-A線上剖切的剖視圖，圖6是示出將根據(jù)實(shí)施形態(tài)的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧應(yīng)用于軸梁式轉(zhuǎn)向架的概略的局部放大上表面圖，圖7是圖6的B方向的向視圖，圖8是說(shuō)明在將根據(jù)實(shí)施形態(tài)的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧應(yīng)用到軸梁式轉(zhuǎn)向架中的情況下的載荷的狀態(tài)的概略圖，圖9是圖7的局部放大圖，圖10是在圖9的C-C線上剖切的剖視圖，圖11是在圖9的D-D線上剖切的剖視圖。
[0037]在圖1?圖3中，符號(hào)10在整體上表示根據(jù)實(shí)施形態(tài)的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧。如圖1?圖3所示，用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧10具備上表面構(gòu)件12、下表面構(gòu)件14、和配置在這些上表面構(gòu)件12和下表面構(gòu)件14之間的芯材構(gòu)件16。
[0038]上表面構(gòu)件12如圖1所示形成為弧狀的板簧形狀，是如圖8所示分擔(dān)壓縮載荷的部分。又，上表面構(gòu)件12如在圖5的剖視圖中所示由以使增強(qiáng)纖維在長(zhǎng)度方向上延伸的方式層疊的纖維增強(qiáng)塑料構(gòu)成。
[0039]同樣的，下表面構(gòu)件14如圖1所示形成為弧狀的板簧形狀，是如圖8所示分擔(dān)拉伸載荷的部分。又，下表面構(gòu)件14如圖5的剖視圖所示由以使增強(qiáng)纖維在長(zhǎng)度方向上延伸的方式層疊的纖維增強(qiáng)塑料構(gòu)成。
[0040]另一方面，芯材構(gòu)件16是如圖8所示分擔(dān)剪切載荷的部分，形成為大致弧狀的板簧形狀。又，芯材構(gòu)件16如圖4所示，其下表面由從兩端部向中心方向向下傾斜地延伸的直線部16a、和形成于這兩個(gè)直線部16a之間的中央部分上的弧狀部分16b構(gòu)成。另外，芯材構(gòu)件16如圖4所示，其上表面形成為坡度小的弧狀。
[0041]此外，芯材構(gòu)件16如圖4、圖5所示由纖維增強(qiáng)塑料構(gòu)成，該纖維增強(qiáng)塑料在作為相對(duì)于上表面構(gòu)件12和下表面構(gòu)件14的厚度方向(層疊方向)正交的方向的寬度方向上層疊，并且在側(cè)視芯材構(gòu)件16時(shí)，在相對(duì)于彎曲中立軸(水平軸)傾斜的方向(傾斜角α )上層疊。
[0042]另外，在該情況下，相對(duì)于彎曲中立軸(水平軸)傾斜的方向(傾斜角α )是指如圖4所示，纖維以相對(duì)于水平方向傾斜的角度α相互交叉的情況。
[0043]然而，對(duì)于相對(duì)于水平方向以角度α傾斜的纖維，并不限于如圖4所示其他纖維與其正交的情況，也包含例如以30°、60°等的任意的角度β相互交叉的情況。
[0044]在該情況下，在側(cè)視下，優(yōu)選的是以使增強(qiáng)纖維在以傾斜角α為45°的交叉角度交叉的方向上延伸的方式層疊的纖維取向。然而，該傾斜角α也可以在考慮芯材構(gòu)件16所承受的剪切載荷的基礎(chǔ)上適當(dāng)變更。
[0045]如果考慮芯材構(gòu)件16所承受的剪切載荷，則該相對(duì)于水平方向的傾斜角α優(yōu)選的是相對(duì)于彎曲中立軸(水平軸)形成為45°。通過(guò)像這樣最佳地設(shè)計(jì)芯材構(gòu)件16、上表面構(gòu)件12、下表面構(gòu)件14的截面，以此對(duì)于壓縮載荷、拉伸載荷、剪切載荷來(lái)說(shuō)成為最佳，可以形成為在整體上最輕且具有任意的彈簧常數(shù)的板簧。
[0046]又，芯材構(gòu)件16形成為厚度從兩端部向中心方向逐漸增大的結(jié)構(gòu)。在該情況下，如圖4所示，為了使因彎曲載荷而在上表面構(gòu)件12上產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力、因彎曲載荷而在下表面構(gòu)件14上產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力變得均一以實(shí)現(xiàn)最佳化，優(yōu)選的是形成為接近拋物線分布的狀態(tài)。
[0047]此外，上表面構(gòu)件12、和下表面構(gòu)件14的厚度并不特別限定，但是優(yōu)選的是形成為與芯材16的兩端部的厚度Tl相同程度的厚度。在該情況下，上表面構(gòu)件12、下表面構(gòu)件14、和芯材構(gòu)件16例如可以使用將由環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂等的熱硬化性樹脂所組成的塑料等的高分子材料、與碳纖維、芳綸纖維等的增強(qiáng)纖維材料復(fù)合化而成型的纖維增強(qiáng)塑料(FRP ;fiber reinforced plastic)；例如，碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP ；carbon fiber reinforced plastic)、玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP ；glass fiber reinforcedplastic)、玻璃長(zhǎng)纖維增強(qiáng)塑料(GMT ;glass mat reinforced thermoplastic)、芳絕纖維增強(qiáng)塑料(AFRP ;aramid fiber reinforced plastic)、硼纖維增強(qiáng)塑料(BFRP ;boronfiber reinforced plastic)、聚乙烯纖維增強(qiáng)塑料(DFRP ;dyneema fiber reinforcedplastic)、柴隆纖維增強(qiáng)塑料(ZFRP ;zylon fiber reinforced plastic)等的纖維增強(qiáng)塑料。[0048]又，上表面構(gòu)件12、下表面構(gòu)件14和芯材構(gòu)件16當(dāng)然可以選擇一種以上的這些纖維增強(qiáng)塑料，進(jìn)行組合并層疊。尤其是，如果考慮彎曲彈性、機(jī)械強(qiáng)度、對(duì)于重復(fù)載荷的耐久性等，則優(yōu)選的是將上表面構(gòu)件12、下表面構(gòu)件14、芯材構(gòu)件16由碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)構(gòu)成。
[0049]又，上表面構(gòu)件12、下表面構(gòu)件14、芯材構(gòu)件16優(yōu)選的是使用將上述增強(qiáng)纖維材料浸潰在樹脂中的樹脂浸潰材料(預(yù)浸材料)進(jìn)行層疊。在該情況下，優(yōu)選的是使用使增強(qiáng)纖維向一方向、精密且均勻地對(duì)齊的預(yù)浸材料而形成層疊結(jié)構(gòu)。即，優(yōu)選的是在層疊增強(qiáng)纖維時(shí)，通過(guò)施加張力，以此盡可能使增強(qiáng)纖維排列為直線狀地層疊。
[0050]又，在該情況下，如果考慮機(jī)械強(qiáng)度等，則優(yōu)選的是在使增強(qiáng)纖維和樹脂硬化而形成復(fù)合材料時(shí)，均勻地加壓、加熱。對(duì)于將像這樣的纖維增強(qiáng)塑料成型的方法，并不特別限于像上述那樣使用預(yù)浸材料形成層疊結(jié)構(gòu)的方法，只要例如通過(guò)樹脂傳遞模塑法(RTM ；resin transfer molding)、真空輔助樹脂傳遞模塑法(VARTM ;vaccum assist resintransfer molding)等的樹脂注射成型法(RI ；resin injection molding)成型即可。
[0051]此外，這些上表面構(gòu)件12、下表面構(gòu)件14、芯材構(gòu)件16之間,盡管未圖不,但是優(yōu)選的是通過(guò)粘接劑層相互粘接。在該情況下，對(duì)于粘接劑層，并不特別限定，可以使用公知的粘接劑，如果考慮施工性，則優(yōu)選的是彈性粘接劑。
[0052]作為像這樣的彈性粘接劑，可以使用聚氨酯系?硅樹脂系、丙烯酸樹脂系等的彈性結(jié)構(gòu)粘接劑等。
[0053]此外，如圖5的剖視圖所示，優(yōu)選的是將上表面構(gòu)件12、下表面構(gòu)件14、芯材構(gòu)件16用覆蓋外周的外周保護(hù)層11覆蓋。對(duì)于像這樣的外周保護(hù)層，考慮到耐磨損性，而例如可以由芳綸纖維增強(qiáng)塑料構(gòu)成。
[0054]又，如圖1、圖5所示，優(yōu)選的是在下表面構(gòu)件14的下方具備金屬制的保護(hù)構(gòu)件
18。通過(guò)像這樣構(gòu)成，可以通過(guò)設(shè)置在下表面構(gòu)件14的下方的金屬制的保護(hù)構(gòu)件18保護(hù)用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧10的主體部(上表面構(gòu)件12、下表面構(gòu)件14和芯材構(gòu)件16)以免因線路上的飛散的石頭而受到破損損傷。
[0055]在該情況下，對(duì)于構(gòu)成保護(hù)構(gòu)件18的金屬材料，并不特別限定，如果考慮到耐久性、腐蝕性等，則例如可以使用SUS304、SMA400等。
[0056]又，作為保護(hù)構(gòu)件18的厚度,可以是1.6mm~6.0mm、優(yōu)選的是4.5mm的厚度，以防阻礙用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧10的主體部的彈簧性等并且以防阻礙輕量化。
[0057]又，優(yōu)選的是在下表面構(gòu)件14和保護(hù)構(gòu)件18之間介設(shè)由彈性材料構(gòu)成的彈性構(gòu)件20。通過(guò)像這樣構(gòu)成，介于下表面構(gòu)件14和金屬制的保護(hù)構(gòu)件18之間的彈性構(gòu)件20發(fā)揮緩沖功能，因此可以有效地保護(hù)用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧10的主體部以免因線路上的飛散的石頭而受到破損損傷。
[0058]在該情況下，對(duì)于構(gòu)成彈性構(gòu)件20的彈性構(gòu)件并不特別限定，例如可以使用橡膠(天然橡膠系、合成橡膠系、聚氨酯系、硅橡膠系、彈性體樹脂等的高分子物質(zhì))、彈性粘接劑、硅樹脂系、聚氨酯系、丙烯酸系等的具有橡膠狀彈性的高分子物質(zhì)，其作為工業(yè)用原材料的橡膠彈性力在振動(dòng)、沖擊吸收性和沖擊強(qiáng)度方面有效果。在該彈性構(gòu)件中，如果考慮施工性，則優(yōu)選的是彈性粘接劑。
[0059]作為像這樣的彈性粘接劑，可以使用聚氨酯系?硅樹脂系、丙烯酸樹脂系等的彈性結(jié)構(gòu)粘接劑等。
[0060]此外，如圖1、圖5所示，優(yōu)選的是在上表面構(gòu)件12的上方具備轉(zhuǎn)向架載荷支承構(gòu)件22。通過(guò)像這樣具備轉(zhuǎn)向架載荷支承構(gòu)件22，以此轉(zhuǎn)向架的載荷不會(huì)直接接觸并作用在用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧10的主體部上，因此可以保護(hù)用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧的主體部。
[0061]在該情況下，對(duì)于轉(zhuǎn)向架載荷支承構(gòu)件22，并不特別限定，但是考慮到輕量性、強(qiáng)度等，而優(yōu)選的是由玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)構(gòu)成。又，該轉(zhuǎn)向架載荷支承構(gòu)件22的上表面平坦且形成為支承載荷的平坦面22a，下表面22b形成為弧狀形狀。
[0062]又，優(yōu)選的是在上表面構(gòu)件12和轉(zhuǎn)向架載荷支承構(gòu)件22之間介設(shè)由彈性材料構(gòu)成的緩沖構(gòu)件24。通過(guò)這樣構(gòu)成，介設(shè)在上表面構(gòu)件12和轉(zhuǎn)向架載荷支承構(gòu)件22之間的由彈性材料構(gòu)成的緩沖構(gòu)件24發(fā)揮緩沖功能，因此轉(zhuǎn)向架的載荷不會(huì)直接接觸并作用在用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧的主體部上，因此可以有效地保護(hù)用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧的主體部。
[0063]另外，該緩沖構(gòu)件24可以由與上述彈性構(gòu)件20相同的彈性構(gòu)件構(gòu)成。像這樣構(gòu)成的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧10如圖6、圖7所示可以應(yīng)用于軸梁式轉(zhuǎn)向架中。
[0064]另外，在圖6、圖7中，對(duì)于與圖12、圖13的現(xiàn)有的軸梁式轉(zhuǎn)向架100相同的構(gòu)成構(gòu)件標(biāo)以相同的參考符號(hào)并省略其詳細(xì)說(shuō)明。在該情況下，省略現(xiàn)有的側(cè)梁102、104，并且將用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧10以如下方式配置:其中央部分IOa配置在橫梁106、108的下方，并且其兩端部IOb與軸箱114的上方抵接。
[0065]另外，在用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧10的兩端部上，如圖7、圖9、圖10所示設(shè)置有例如SM400等的金屬制的截面大致U字形狀的端部載荷支承構(gòu)件26，該端部載荷支承構(gòu)件26通過(guò)焊接固定在軸箱114的上方。
[0066]又，如圖11所示，在用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧10的中央部分的轉(zhuǎn)向架載荷支承構(gòu)件22上，形成有支承以架設(shè)在橫梁106、108的下方的方式配設(shè)的固定用梁122的凹部22c，借助于此，固定于固定用梁122上。
[0067]另外，如圖10、圖11所示，在用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧10的上表面構(gòu)件12和轉(zhuǎn)向架載荷支承構(gòu)件22之間，也可以以增強(qiáng)為目的介設(shè)金屬制的鋼板構(gòu)件28。
[0068]通過(guò)像這樣構(gòu)成，如圖8所示，用上表面構(gòu)件12分擔(dān)壓縮載荷，并且用下表面構(gòu)件14分擔(dān)拉伸載荷，此外，用芯材構(gòu)件16分擔(dān)剪切載荷。
[0069]因此，在根據(jù)實(shí)施形態(tài)的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧10中，使分擔(dān)壓縮載荷的上表面構(gòu)件12由以使增強(qiáng)纖維在長(zhǎng)度方向上延伸的方式層疊的纖維增強(qiáng)塑料、尤其是碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)構(gòu)成，并且使分擔(dān)拉伸載荷的下表面構(gòu)件14由以使增強(qiáng)纖維在長(zhǎng)度方向上延伸的方式層疊的纖維增強(qiáng)塑料構(gòu)成。
[0070]而且，使分擔(dān)剪切載荷的芯材構(gòu)件16由纖維增強(qiáng)塑料和粘接這些構(gòu)件之間的層間部(粘接層)構(gòu)成，該纖維增強(qiáng)塑料以從上表面?zhèn)瓤词乖鰪?qiáng)纖維在長(zhǎng)度方向上延伸、從截面?zhèn)瓤词乖鰪?qiáng)纖維在厚度方向上延伸、從側(cè)面?zhèn)瓤词乖鰪?qiáng)纖維在交叉的方向上延伸的方式層置。
[0071]因此，通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)定這些構(gòu)件的強(qiáng)度，以此在超過(guò)最高限載荷時(shí)，開(kāi)始破壞的順序按照層間部、上表面構(gòu)件12、下表面構(gòu)件14依次開(kāi)始，因此不會(huì)一下子發(fā)生斷裂。[0072]又，碳纖維是在形成為厚板時(shí)壓縮強(qiáng)度比拉伸強(qiáng)度小50%程度的材料，但是如本實(shí)施形態(tài)所示，在上表面構(gòu)件12和下表面構(gòu)件14的中間設(shè)置芯材構(gòu)件16，以此使其分擔(dān)剪切載荷，并且使芯材構(gòu)件16形成為以在上表面上使增強(qiáng)纖維在長(zhǎng)度方向上延伸、在截面上使增強(qiáng)纖維在厚度方向上延伸、在側(cè)面上使增強(qiáng)纖維在交叉的方向上延伸的方式層疊的纖維取向，以此對(duì)于剪切載荷來(lái)說(shuō)成為最佳，并且可以形成為整體上最輕且具有任意的高剛性(彈簧常數(shù))的板簧。
[0073]此外，金屬制的彈簧、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等存在金屬疲勞的問(wèn)題，但是通過(guò)如上所述適當(dāng)?shù)卦O(shè)定安全系數(shù)，以此不會(huì)使纖維增強(qiáng)塑料、尤其是碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)引起疲勞，因此可以謀求長(zhǎng)壽命化。
[0074]因此，可以提供不需要如以往那樣要求熟練的技巧的焊接、組裝作業(yè)，可以減少成本和時(shí)間，并且不需要鋼制且重量較重的側(cè)梁，可以謀求轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)潔化，可以謀求輕量化和成本的減少，而且具有高壽命且耐久性也改善的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧。
[0075]實(shí)施例1
使用將碳纖維浸潰在熱硬化環(huán)氧樹脂中的預(yù)浸料，如圖4所示，以使碳纖維在長(zhǎng)度方向上延伸的方式層疊，并且在成型模具內(nèi)以預(yù)浸料被指定的溫度、壓力、時(shí)間成型，以此成型為上表面構(gòu)件12。
[0076]同樣地，使用將碳纖維浸潰在熱硬化環(huán)氧樹脂中的預(yù)浸料，如圖4所示，以使碳纖維在長(zhǎng)度方向上延伸的方式層疊，并且以預(yù)浸料被指定的溫度、壓力、時(shí)間成型，以此成型為下表面構(gòu)件14。
[0077]又，使用將碳纖維浸潰在熱硬化環(huán)氧樹脂中的預(yù)浸料，如圖4所示，以預(yù)浸料指定的溫度、壓力、時(shí)間成型，以此通過(guò)如下那樣形成的纖維增強(qiáng)塑料成型為芯材構(gòu)件16，該纖維增強(qiáng)塑料在相對(duì)于上表面構(gòu)件12和下表面構(gòu)件14的厚度方向(層疊方向)正交的方向的寬度方向上被層疊，并且在側(cè)視芯材構(gòu)件16時(shí)在相對(duì)于彎曲中立軸(水平軸)傾斜的方向(斜角α )上層疊。
[0078]在這些上表面構(gòu)件12和下表面構(gòu)件14的中間配置芯材構(gòu)件16，并且使用薄膜粘接劑相互粘接，從而制作出根據(jù)實(shí)施形態(tài)的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧10 (全長(zhǎng)2400mm、寬度180mm、中央部的厚度100mm、端部的厚度40mm)。
[0079]使用如圖8所示的結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)裝置重復(fù)地對(duì)其進(jìn)行了載荷試驗(yàn)。其結(jié)果是在315kN的力下發(fā)生了破壞。其結(jié)果是，證實(shí)了用于通常的鐵道車輛時(shí)具有充分的強(qiáng)度。
[0080]由上述實(shí)施例1的結(jié)果可知，在為了證實(shí)而試制作的跨距為2100mm的復(fù)合材料板簧中，能夠確認(rèn)作為用于鐵道車輛的板簧的足夠的基本性能，即2800N/_ (每個(gè)板簧)左右的彈黃常數(shù)、315kN (每個(gè)板黃)左右的破壞載荷。
[0081]又，上述試制作復(fù)合材料板簧的重量約為45kg，相較于鋼鐵制造的重疊板簧能夠?qū)崿F(xiàn)大幅度的輕量化。另外，上述試制作復(fù)合材料板簧是單一的板簧，相較于鋼鐵制造的重疊板簧可以實(shí)現(xiàn)大幅度的部件數(shù)量的減少和組裝性的改善。
[0082]另外，在單獨(dú)的復(fù)合材料板簧上粘接鋼板的保護(hù)件時(shí)，重量變成80kg左右，但是即便這樣，也能夠比現(xiàn)有的鋼鐵制造的板簧大幅度輕量化。以上說(shuō)明了實(shí)施形態(tài)，但是本發(fā)明并不限于此，例如在上述實(shí)施例中，將用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧的主體部形成為在上表面構(gòu)件12和下表面構(gòu)件14的中間具有芯材構(gòu)件16的三層結(jié)構(gòu)，但是也可以設(shè)置多層上表面構(gòu)件12和下表面構(gòu)件14，從而形成為四層以上的結(jié)構(gòu)，此外也可以在這些上表面構(gòu)件12和下表面構(gòu)件14的中間，在芯材構(gòu)件16之間介設(shè)金屬制造的薄板構(gòu)件而進(jìn)行復(fù)合化等，在不脫離本發(fā)明的目的的范圍內(nèi)可以進(jìn)行各種變更。
[0083]工業(yè)應(yīng)用性:
本發(fā)明涉及例如使用于鐵道車輛的軸梁式的轉(zhuǎn)向架中的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧，可以應(yīng)用于以纖維增強(qiáng)塑料、尤其是碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)為主材料構(gòu)成的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧，以及使用該板簧的鐵道車輛轉(zhuǎn)向架中。
[0084]符號(hào)說(shuō)明:
【權(quán)利要求】
1.一種用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧，其特征在于，具備: 由以使增強(qiáng)纖維在長(zhǎng)度方向上延伸的方式層疊的纖維增強(qiáng)塑料構(gòu)成的上表面構(gòu)件； 由以使增強(qiáng)纖維在長(zhǎng)度方向上延伸的方式層疊的纖維增強(qiáng)塑料構(gòu)成的下表面構(gòu)件；和 配置于所述上表面構(gòu)件和下表面構(gòu)件之間的芯材構(gòu)件； 所述芯材構(gòu)件由纖維增強(qiáng)塑料構(gòu)成，該纖維增強(qiáng)塑料在作為相對(duì)于上表面構(gòu)件和下表面構(gòu)件的層疊方向正交的方向的寬度方向上被層疊，并且以使增強(qiáng)纖維在側(cè)視所述芯材構(gòu)件時(shí)相對(duì)于彎曲中立軸傾斜且相互交叉的方式層疊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧，其特征在于，所述芯材構(gòu)件的增強(qiáng)纖維在側(cè)視所述芯材構(gòu)件時(shí)相對(duì)于彎曲中立軸以45°傾斜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1至2中任意一項(xiàng)所述的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧，其特征在于，所述用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧的下表面由從兩端部向中心方向向下傾斜地延伸的直線部、和形成于兩個(gè)直線部之間的中央部分上的弧狀部分構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧，其特征在于，用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧形成為厚度從兩端部向中心方向逐漸增大的結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧，其特征在于，在所述下表面構(gòu)件的下方配備金屬制的保護(hù)構(gòu)件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧，其特征在于，在所述下表面構(gòu)件和保護(hù)構(gòu)件之間介設(shè)由彈性材料構(gòu)成的彈性構(gòu)件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項(xiàng)所述的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧，其特征在于，在所述上表面構(gòu)件的上方配備轉(zhuǎn)向架載荷支承構(gòu)件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧，其特征在于，在所述上表面構(gòu)件和轉(zhuǎn)向架載荷支承構(gòu)件之間介設(shè)由彈性材料構(gòu)成的緩沖構(gòu)件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任意一項(xiàng)所述的用于鐵道車輛轉(zhuǎn)向架的板簧，其特征在于，所述纖維增強(qiáng)塑料由碳纖維增強(qiáng)塑料構(gòu)成。
【文檔編號(hào)】B61F5/30GK103796899SQ201280044504
【公開(kāi)日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月15日
【發(fā)明者】木村學(xué), 古屋光啟, 中尾俊一, 西村武宏 申請(qǐng)人:株式會(huì)社Gh工藝, 川崎重工業(yè)株式會(huì)社