本发明涉及一种作为大型建筑机械、大型船舶、尤其是铁路车辆用优选的轴弹簧，详细来说，涉及一种如下所述的轴弹簧，该轴弹簧具有主轴、在主轴的轴心方向视角下以围绕主轴的状态配备的外筒、以及弹性部，所述弹性部在使多个弹性材料层与一个或多个硬质材料壁向相对于轴心的径内外方向交替地层叠的状态下，插装于主轴与外筒之间。
背景技术：
这种轴弹簧例如在铁路车辆中，为了吸收缓和其曲折行车、上下活动时的冲击而插装于转向架框架与车轴侧部件之间。即，作为轴箱支撑装置一例的轴弹簧，较多的结构为，在主轴与配置于其周围的外筒之间，两个硬质材料壁和三个橡胶层为同心状态且在半径方向上交替地层叠。
作为铁路车辆用轴弹簧的倾向，如果考虑良好的乘坐舒适度则期望使弹性层弹簧常数较软，若考虑负载有超载乘车时等的较大重量的情况下的耐载荷，则期望弹簧常数较硬。为了满足像这样相反的要求，以往如在日本专利公开2014-073726号公报(参照图3、6)、日本专利公开2015-169313号公报中所公开的那样，做成使主轴的外周面、弹性层、以及外筒的内周面彼此向相同方向倾斜的倾斜型的轴弹簧。
通过做成倾斜型，能够实现如下的轴弹簧，其可获得缓冲行程越增加，弹簧常数也越大的所谓的渐进特性，当缓冲行程较小时产生较软的弹簧常数带来的良好的乘车感，并且，当缓冲行程较大时，即使对于较硬的弹簧常数带来的重载荷，也能够保持平稳(日语：踏ん張りの効く)。
但是，在热门路线中乘客人数始终较多或者为了实现合理化而减少了车辆连接数量的情况下，也提出了上下方向的高刚性化，即，高弹簧常数化的期望。在倾斜型的轴弹簧中，首先考虑设置成使相对于其上下轴心的倾斜角度增大(放躺的)的角度，从而使弹簧常数变硬的方法，如此一来则耐最大载荷不必要地增大，不合适。至于原因，是因为定员(最大乘客人数，即最大载荷)不变。
因此，也考虑了增大弹性部的同时也增大倾斜角度，且使耐最大载荷不变的同时进行弹簧常数的硬化的方法，但在该方法中，轴弹簧自身大型化，仍然不合适。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开2014-073726号公报
专利文献2：日本专利公开2015-169313号公报
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于，提供一种经过改进的轴弹簧，以能够满足如下要求，该要求为在缓冲行程初期或者前半部容易地使弹簧常数硬化，且以不增加耐最大载荷的方式使其高弹簧常数化。
(二)技术方案以及有益效果
本发明涉及一种轴弹簧，其具有主轴1；外筒2，其在所述主轴1的轴心P方向视角下以围绕所述主轴1的状态配备；以及弹性部3，其在使多个弹性材料层4a、4b、4c和一个或者多个硬质材料壁5a、5b向相对于所述轴心P的径内外方向交替地层叠的状态下，插装于所述主轴1与所述外筒2之间，在所述轴弹簧中，
所述主轴1的外周面1a和所述外筒2的内周面2a形成为相对于所述轴心P以彼此相同的第一角度θ1倾斜的圆锥面，所述硬质材料壁5a、5b的相对于所述轴心P倾斜的第二角度θ2设定成比所述第一角度θ1更大的角度。
根据本发明，在采用层叠橡胶结构的弹性部中，由于使由弹性材料层夹持的硬质材料壁的倾斜角度比主轴的外周面、外筒的内周面的倾斜角度更大，因此相较于硬质材料壁的倾斜角度与主轴的外周面、外筒的内周面的倾斜角度相等的现有的结构，能够使弹性部的相对于作用在轴弹簧上的载荷的弹性位移量的增加程度变得急剧。并且，由于主轴的外周面以及外筒的内周面的倾斜角度与以往相同，因此能够使最大载荷时的弹性变形量不变。
其结果为，能够提供经过改善的轴弹簧，其通过进一步的结构改进，以能够满足如下要求，该要求为在缓冲行程初期或者前半部容易地使弹簧常数硬化，且以不增加耐最大载荷的方式使其高弹簧常数化。
第二的本发明的特征在于，在技术方案1所述的轴弹簧中，所述外筒2相对于所述主轴1靠近所述轴心P方向上的所述外周面1a的前端窄小侧配置。
第三的本发明的特征在于，在技术方案1所述的轴弹簧中，所述弹性部3具有内中外三个弹性材料层4a、4b、4c和内外两个硬质材料壁5a、5b，所述内硬质材料壁5a的所述第二角度θ2和所述外硬质材料壁5b的所述第二角度θ2均设定成比所述第一角度θ1更大的角度。
第四的本发明的特征在于，在技术方案2所述的轴弹簧中，所述弹性部3具有内中外三个弹性材料层4a、4b、4c和内外两个硬质材料壁5a、5b，所述内硬质材料壁5a的所述第二角度θ2和所述外硬质材料壁5b的所述第二角度θ2均设定成比所述第一角度θ1更大的角度。
根据第二的本发明，若为外筒相对于主轴在轴心方向上靠近主轴外周面的前端窄小侧的轴弹簧，或若为第三或者第四的本发明那样，具有内中外三个弹性材料层和内外两个硬质材料壁的轴弹簧，则能够进一步明确地获得技术方案1的发明的作用效果。
第五的本发明的特征在于，在技术方案1所述的轴弹簧中，所述第二角度θ2比所述第一角度θ1更大的范围设定成1.5～7.5度。
第六的本发明的特征在于，在技术方案2所述的轴弹簧中，所述第二角度θ2比所述第一角度θ1更大的范围设定成1.5～7.5度。
第七的本发明的特征在于，在技术方案3所述的轴弹簧中，所述第二角度θ2比所述第一角度θ1更大的范围设定成1.5～7.5度。
第八的本发明的特征在于，在技术方案4所述的轴弹簧中，所述第二角度θ2比所述第一角度θ1更大的范围设定成1.5～7.5度。
根据第五～八的本发明，弹簧常数的硬化设定成刚刚好的范围，能够适当地获得技术方案1的发明的作用效果。即，这是因为若第二角度θ2比第一角度θ1更大的范围低于1.5度时，则几乎无法期待弹簧常数的硬化效果，若高于7.5度，则容易造成弹簧常数的硬化过剩。
第九的本发明的特征在于，在技术方案1～8中任一项所述的轴弹簧中，所述外周面1a具有前端窄小前端面9和前端窄小基端面10，其中，所述前端窄小前端面9具有比所述第一角度θ1更大的第三角度θ3；所述前端窄小基端面10具有比所述第一角度θ1更小的第四角度θ4，所述外周面1a的平均角度设定成所述第一角度θ1。
根据第九的本发明，即使在主轴的圆锥面状外周面与例如中间部相比，以前端部的角度更急剧(强烈)且基端部的角度缓和这样的三级的方式倾斜的情况下，只要它们的平均角度是与外筒的内周面相同的倾斜角度即可。因此，具有可实现使主轴的形状变化丰富化的优点。
附图说明
图1是实施方式1的轴弹簧的俯视图。
图2是沿“前-轴心P-右”切开图1的轴弹簧的剖视图。
图3是示出载荷与位移量的关系曲线图表的图。
图4是实施方式2的轴弹簧的俯视图。
图5是沿“前-轴心P-右”切开图4的轴弹簧的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图以铁路车辆用轴弹簧对本发明的轴弹簧的实施方式进行说明。
〔实施方式1〕
如图1和图2所示，铁路车辆用轴弹簧(以下简称为轴弹簧)A构成为具有：主轴1、具有与主轴1彼此相同(或者也可以大致相同)的纵向轴心P的外筒2、以及插装于主轴1与外筒2之间的弹性部3。弹性部3做成使三层的弹性层4和两层的中间硬质筒5相对于轴心P以同心状态(或者也可以为大致同心状态)向径内外方向交替地层叠的层叠橡胶结构，而构成于主轴1与外筒2之间。
在此，在图1(图4)中，将连结形成于弹性层4的贯穿孔6、7与轴心P的线段的方向定义为左右，将连结形成于主轴1的下端部的一对螺纹孔1g、1g的方向定义为前后。并且，在图2(图5)中，将具有轴心P的主轴1作为基准，根据主轴1的形状将前端窄小侧定义为上，将根端扩大侧(前端窄小侧的相反侧)定义为下。
如图1、2所示，主轴1为金属制，形成为具有圆锥上部1A、凸缘部1B、下部直筒部1C的筒状轴，其中，所述圆锥上部1A具有由上部窄小状的圆锥面构成的倾斜外周面1a；所述凸缘部1B具有最大径的大外周面1b，并在圆锥上部1A的下侧连续；所述下部直筒部1C具有直径较细的小外周面1c，并在凸缘部1B的下侧连续。倾斜外周面1a相对于轴心P以第一角度θ1倾斜。
在圆锥上部1A上形成有以轴心P为中心上端开口的中空部1d，该中空部1d延伸设置到下部直筒部1C的上下中间位置。在下部直筒部1C，形成有细径纵孔1f以及螺纹孔1g、1g，其中，该细径纵孔1f具有轴心P并且下端开口，该螺纹孔1g、1g以分别配置于细径纵孔1f的两侧的状态形成。这些细径纵孔1f和螺纹孔1g、1g在中空部1d的漏斗状底面1e开口。
如图1、2所示，外筒2为金属制，具有由下部扩大状的圆锥面构成的倾斜内周面2a、在倾斜内周面2a的上侧连续的嵌合内周面2b、以及圆环状的上端面2c，外筒2形成为纵剖面形状呈“ハ”字状的筒部件。具有轴心P的外筒2相对于主轴1靠近上侧(前端窄小侧)配置。即，以使得主轴1的上端部的高度水平与外筒2的下端部的高度水平为大致相同的方式，使外筒2靠近上侧。
倾斜内周面2a的相对于轴心P的倾斜角度设定成与主轴1的倾斜外周面1a相同的第一角度θ1。也就是，倾斜内周面2a与倾斜外周面1a彼此平行。该第一角度θ1设定为例如10度(或者10度±5度)，也可以是除此以外的角度。
在图2中，用箭头标记表示倾斜外周面1a的辅助线a与倾斜内周面2a的辅助线b是相互平行的。
如图1、2所示，弹性部3通过将弹性层4、和中间硬质筒5以向相对于轴心P的径内外方向交替地层叠的状态插装于主轴1与外筒2之间来构成，其中，弹性层4为环状且由三个橡胶层(弹性材料层的一例)4a、4b、4c构成，中间硬质筒5为金属制或钣金制且由两个环形圈(硬质材料壁的一例)5a、5b构成。弹性层4在径向上从内开始具有内橡胶层4a、中橡胶层4b、外橡胶层4c。内橡胶层4a具有从径外侧覆盖主轴1的上表面(省略附图标记)的大部分的薄膜部4h。中间硬质筒5在径向上从内开始具有内环形圈5a、外环形圈5b。
弹性层4和中间硬质筒5相对于轴心P向与主轴1的倾斜外周面1a、外筒2的倾斜内周面2a相同的方向倾斜。并且，内和外的各环形圈5a、5b相对于轴心P倾斜的第二角度θ2设定成比第一角度θ1更大的角度。
关于第二角度θ2，例如当第一角度θ1为10度时则设定为12.5度。除此之外，(θ1+1.5度)≦θ2≦(θ1+7.5度)，优选为(θ1+2.5度)≦θ2≦(θ1+4.5度)，或者也可以是除此以外的角度(θ1＜θ2)。
在图2中，用双重箭头标记表示内环形圈5a的辅助线c与外环形圈5b的辅助线d是相互平行的。
内橡胶层4a、中橡胶层4b以及外橡胶层4c中，它们的下端部的厚度(径向的厚度)彼此均相同(或者大致相同)。在图2中，构成为，若将连结各橡胶层4a～4c的下端面的最向上方凹入的位置的线段作为辅助线e，则各橡胶层4a～4c在辅助线e上的宽度相同或者大致相同。
通过使两个环形圈5a、5b向相对于倾斜外周面1a和倾斜内周面2a躺下的角度倾斜，而成为外橡胶层4c上端部的厚度＞中橡胶层4b上端部的厚度＞内橡胶层4a上端部的厚度。另外，内环形圈5a相对于主轴1靠近上侧(前端窄小侧)，外环形圈5b相对于内环形圈5a靠近上侧(前端窄小侧)，外筒2相对于外环形圈5b靠近上侧(前端窄小侧)。
如图1、图2所示，在外橡胶层4c和中橡胶层4b中，在左右方向上配置的各一对贯穿孔6、7以上下贯通状态形成。如图1所示，若画出将外和中的各贯穿孔6、7的宽度方向端(相对于轴心P的周向端)连结并穿过轴心P的辅助线f、g，则各贯穿孔6、7的宽度角度均为彼此相等的第六角度θ6。一条辅助线g为也穿过外筒2的一对安装用螺纹部8、8的中心的状态。第六角度θ6在前后按照相等的角度分配。为了外筒2和各中间硬质筒5、5的防锈，各贯穿孔6、7在径向上残留橡胶膜4g并具有大致接近橡胶层4c、4b的径向宽度的宽度。
然而，若对外筒2作用载荷，则弹性部3在外筒2相对于主轴1下降的方向上弹性变形并悬挂。对于由倾斜外周面1a和倾斜内周面2a夹持的弹性部3，除了剪切载荷之外还作用压缩载荷，在这种结构的基础上，可获得随着轴心P方向的载荷增加而使弹性部3的弹簧常数也增加的非线性特性，所谓的渐进特性。
由于使两个环形圈5a、5b成为比倾斜外周面1a和倾斜内周面2a更放躺的角度，因此当作用有使外筒2和主轴1在轴心P方向上接近的方向的载荷时，与现有结构的弹性部(两个环形圈5a、5b与倾斜外周面1a和倾斜内周面2a全部为彼此相同的角度)相比，使作为弹性部3的最大载荷条件不变，并使弹性部3的弹簧常数的增加程度在初期或者前半部急剧，并且在后期或者后半部变得平缓。
在弹性层4中，对于轴心P方向的载荷，因耐剪切力和耐压缩力双方而进行弹性位移，关于中橡胶层4b，与现有结构(环形圈5a、5b的倾斜角度θ2等于倾斜内周面2a的倾斜角度θ1的结构)相比，耐压缩力的比例增大，随着载荷增加，弹簧常数增加的程度即渐进特性变得急剧(强烈)。
内橡胶层4a、外橡胶层4c也受到单侧倾斜角度(θ2)放躺的影响，渐进特性虽然不是中橡胶层4b的程度，但与现有结构相比变得急剧。由于作为弹性部3的内外的倾斜角度(θ1)与以往相同或者大致相同，因此在载荷增加到冲程后半部或者冲程结束的状态下，渐进特性变得比以往小。因此，作为弹性部3的最大载荷时的最大位移量能够与以往相同或大致相同。
图3中示出表示轴弹簧A中的弹性部3相对于轴心P方向的载荷的位移量的关系的载荷-位移量的曲线图的一例。线(a)表示环形圈5a、5b的倾斜角度与倾斜外周面1a和倾斜内周面2a相同的现有的轴弹簧的载荷-位移量的曲线图，线(b)表示本申请的轴弹簧A的载荷-位移量的曲线图。
根据图3的曲线图可知，在现有的轴弹簧和实施方式1、2的轴弹簧A中，虽然最大载荷时的位移量相同(或者大致相同)，但是关于某一载荷时的位移量，实施方式1、2的轴弹簧这一方较小，即，弹簧常数变大。
〔实施方式2〕
轴弹簧A也可以是图4和图5所示的结构。实施方式2的轴弹簧A与实施方式1的轴弹簧A除了主轴1的形状和贯穿孔6、7的周向长度(θ7)不同以外均相同，在对应的位置上标注相同的附图标记，并省略说明。主轴1的外周面1a和外筒2的内周面2a形成为具有相对于轴心P向彼此相同的方向倾斜的圆锥面(9、11、2a)。
如图4、图5所示，主轴1具备前端窄小前端面9、前端窄小基端面10、前端窄小中间面11，而具有多级倾斜的倾斜外周面1a，其中，所述前端窄小前端面9具有比第一角度θ1更大的第三角度θ3；所述前端窄小基端面10具有比第一角度θ1更小的第四角度θ4；所述前端窄小中间面11具有比第一角度θ1稍小的第五角度θ5。也就是，主轴1的外周面1a形成为呈多级地前端窄小倾斜的状态。并且，该三级的倾斜外周面1a的平均角度设定为与第一角度θ1相同或者大致相同。
即，在用箭头Z表示横跨主轴1和外筒2形成的弹性部3的配设方向(在相对于轴心P的径向上的延伸方向)，将前端窄小前端面9处的弹性层4的相对于箭头Z的宽度长度设定为w9、将前端窄小基端面10处的弹性层4的相对于箭头Z的宽度长度设定为w10、将前端窄小中间面11处的弹性层4的相对于箭头Z的宽度长度设定为w11的情况下，构成公式1：θ3×w9+θ4×w10+θ5×w11≒θ1×(w9+w10+w11)的状态。
弹性部3的配设方向Z是在径内外方向上将三个橡胶层4a、4b、4c各自的上表面彼此连结的上线段相对于轴心P的角度、和在径内外方向上将下表面彼此连结的下线段相对于轴心P的角度的平均角度。
上线段可以如下定义：将在三个橡胶层4a、4b、4c各自的上表面中最向下方凹入的位置连结的线段，或者，将使各上表面的径内外的各个端部与最向下方凹入的点平均化后得到的假想位置连结的线段。
下线段可以如下定义：将三个橡胶层4a、4b、4c各自的下表面中最向上方凹入的位置连结的线段(参照图2的辅助线e)，或者，将使各下表面的径内外的各个端部与最向上方凹入的点平均化后得到的假想位置连结的线段。
并且，如图5所示，将分别与外周面1a的各面9、10、11一体化的弹性层4的实质厚度定义为相对于箭头Z的宽度长度w9、w10、w11。
另外，在图5的轴弹簧A的情况下，由于θ1＜θ3、θ1＞θ4、θ1＞θ5，公式1也可以表现为公式2：(θ3-θ1)×w9≒(θ1-θ4)×w10+(θ1-θ5)×w11。例如，当θ1＝10度、θ3＝33.5度、θ4＝0度、θ5＝7.5度、w9＝6、w10＝11、w11＝12时，(33.5-10)×6＝141、(10-0)×11＝110、(10-7.5)×12＝30，因此141≒140(110+30)。
弹性层4的宽度长度w9、w10、w11是考虑弹性部3的倾斜度而与各外周面9、10、11对应的实质的宽度的长度。也就是，形成主轴1的倾斜外周面1a的三个倾斜外周面9、10、11构成为它们的算术平均角度与θ1相等或者大致相等的状态。此外，主轴1也可以具备如下所述的倾斜外周面1a，即前端窄小中间面10的相对于轴心P的倾斜角度是θ1，相对于第一角度θ1倾斜的面仅设置成前端窄小前端面9(θ3)和前端窄小基端面10(θ4)这两个面。
＜其它实施方式＞
外筒2相对于主轴1的向轴心P方向的靠近度(靠近量)也可以是图1、4所示的以外的量。轴弹簧也可以采用弹性层4是两个且中间硬质筒5是一个的结构、弹性层4是四个以上且中间硬质筒5是三个以上的结构。