(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体と台車との間に設けられ、第１気体圧を有する気体を含む空気ばね部と、
台車または車体に設けられ、第２気体圧を有する気体を含む補助タンク部と、
空気ばね部と補助タンク部とを接続する連通部に設けられる可変絞り装置と、
を備え
可変絞り装置は、
ステム上に少なくとも下ランドと上ランドとが配置される揺動スプールと、
揺動スプールの各ランドの外周を支持して揺動スプールをステムの軸方向に揺動自在に案内し、空気ばね部の気体が揺動スプール側に供給されまたは揺動スプール側から排出される第１開口部と補助タンク部の気体が揺動スプール側から排出されまたは揺動スプール側に供給される第２開口部とを有するスリーブと、
揺動スプールの下ランド及び上ランドに対し、それぞれステムの軸方向に沿った復元力を与える下側復元バネと上側復元バネと、
下ランドの下側バネ室の空間と、上ランドの上側バネ室の空間とを連通することで揺動スプールがスリーブに対し中立状態にあるときに揺動スプールの軸方向差圧をゼロとする中間接続流路と、
第１開口部と第２開口部との間に接続して設けられ、第１開口部と第２開口部との間の連通量が予め定めた所定バイアス量の連通状態となるように設定されるバイアス絞り部と、
を備え、
揺動スプールは、
スリーブに対する揺動スプールの相対的変位差に応じて下側復元バネと上側復元バネから揺動駆動力を受け、空気ばね部と補助タンク部との間の連通量を揺動スプールの相対的変位差の符号に関わらず、線形的にまたは非線形的に変更することを特徴とする車両用空気ばねシステム。
【請求項２】
請求項１に記載の車両用空気ばねシステムにおいて、
可変絞り装置は、
バネ系を含む揺動スプールの固有周波数を予め定めたハイパス周波数以下に設定し、スリーブに対する揺動スプールの相対的変位差のハイパス周波数以上の高周波成分を通過させることを特徴とする車両用空気ばねシステム。
【請求項３】
請求項１に記載の車両用空気ばねシステムにおいて、
可変絞り装置は、
中間接続流路に設けられ、下側復元バネと上側復元バネと揺動スプールの質量に応じた気体流れの脈動を抑制するための１または予め定めた数の中間固定絞り部を備えることを特徴とする車両用空気ばねシステム。
【請求項４】
請求項１に記載の車両用空気ばねシステムにおいて、
可変絞り装置の揺動スプールは、
スリーブに対し中立状態にあるときに、中央ランドが第２開口部を塞ぐ位置に配置され、中央ランドと下ランドとの間に形成される下気体室と、中央ランドと上ランドとの間に形成される上気体室とが共に第１開口部に連通する位置に配置され、
スリーブに対し中立状態から移動するときに、中央ランドが第２開口部を開く位置に相対的に移動し、その相対的位置関係の変更量に応じた連通量に、バイアス絞り部によって設定される所定バイアス量を加えた連通量で、第２開口部と第１開口部とが連通することを特徴とする車両用空気ばねシステム。
【請求項５】
請求項４に記載の車両用空気ばねシステムにおいて、
可変絞り装置の揺動スプールは、
下気体室と上気体室とを連通する連通路を含む中央ランドを有することを特徴とする車両用空気ばねシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用空気ばねシステムに係り、特に、車体と台車との間に設けられる空気ばね部と台車または車体に設けられる補助タンク部とを備える車両用空気ばねシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
振動を緩和するためにばね構造が用いられるが、特に、空気のばね定数による復元力を利用するものは、一般的に空気ばねと呼ばれる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、鉄道車両用空気ばねとして、上面板および下面板のそれぞれに、筒状可撓膜体の上下の端部をそれぞれ気密に連結し、上面板を加圧空気供給手段の一例としてのコンプレッサに、下面板を補助タンクにそれぞれ接続する構成が述べられている。この構造において、空気ばねの上下方向のばね定数は、筒状可撓膜体への供給内圧、受圧面積等によって定まる一定値とされ、したがって、空気ばねのばね力は、上下面板の相対変位量に応じてほぼ線形に変化することが述べられている。
【０００４】
ここでは、空気ばねと補助タンクとの間の連通をもたらす通孔内に、通孔の中心軸に沿って変位可能なロッド状の弁部材と、その弁部材を上面板に押圧する附勢手段が設けられ、これによって、上下面板における振動振幅が小さいときは弁部材もそれに応じて振動するので、通孔が十分に開放し、空気ばね内部と補助タンク内部が連通して全体として柔らかいばね特性となる。上下面板における振動振幅が大きいときは、通孔が閉塞するので、空気ばねには空気の流通がなくなって硬いばね特性となる。したがって、大振幅の振動については、硬いばね特性で十分大きな復元力を得ることができ、小振幅のときはやわらかいばね特性となって優れた乗り心地とすることができると述べられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１７７９２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１によれば、小振幅振動に対しては空気ばねと補助タンクとを連通させてやわらかいばね特性とし、大振幅振動に対しては空気ばねと補助タンクとの間を閉塞させて硬いばね特性とできる。ここでは、空気ばねと補助タンクとの間が、連通するかしないかでばね特性を変更できるようになっている。ここで、例えば、振動の状況に応じて、空気ばねと補助タンクとの間の連通量を連続的に可変にし、車体が低周波で大きく振動しているときには連通量を小さくすることで振動を吸収し、車体が高周波で小さく振動している場合には連通量を大きくすることで振動を絶縁させれば、さらに一層、乗り心地の改善に寄与する。
【０００７】
本発明の目的は、振動の状況に応じて、空気ばねと補助タンクとの間の連通量の連続的可変を可能とする車両用空気ばねシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る車両用空気ばねシステムは、車体と台車との間に設けられ、第１気体圧を有する気体を含む空気ばね部と、台車または車体に設けられ、第２気体圧を有する気体を含む補助タンク部と、空気ばね部と補助タンク部とを接続する連通部に設けられる可変絞り装置と、を備え、可変絞り装置は、ステム上に少なくとも下ランドと上ランドとが配置される揺動スプールと、揺動スプールの各ランドの外周を支持して揺動スプールをステムの軸方向に揺動自在に案内し、空気ばね部の気体が揺動スプール側に供給されまたは揺動スプール側から排出される第１開口部と補助タンク部の気体が揺動スプール側から排出されまたは揺動スプール側に供給される第２開口部とを有するスリーブと、揺動スプールの下ランド及び上ランドに対し、それぞれステムの軸方向に沿った復元力を与える下側復元バネと上側復元バネと、下ランドの下側バネ室の空間と、上ランドの上側バネ室の空間とを連通することで揺動スプールがスリーブに対し中立状態にあるときに揺動スプールの軸方向差圧をゼロとする中間接続流路と、第１開口部と第２開口部との間に接続して設けられ、第１開口部と第２開口部との間の連通量が予め定めた所定バイアス量の連通状態となるように設定されるバイアス絞り部と、を備え、揺動スプールは、スリーブに対する揺動スプールの相対的変位差に応じて下側復元バネと上側復元バネから揺動駆動力を受け、空気ばね部と補助タンク部との間の連通量を揺動スプールの相対的変位差の符号に関わらず、線形的にまたは非線形的に変更することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る車両用空気ばねシステムにおいて、可変絞り装置は、バネ系を含む揺動スプールの固有周波数を予め定めたハイパス周波数以下に設定し、スリーブに対する揺動スプールの相対的変位差のハイパス周波数以上の高周波成分を通過させることが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る車両用空気ばねシステムにおいて、可変絞り装置は、中間接続流路に設けられ、下側復元バネと上側復元バネと揺動スプールの質量に応じた気体流れの脈動を抑制するための１または予め定めた数の中間固定絞り部を備えることが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る車両用空気ばねシステムにおいて、可変絞り装置の揺動スプールは、スリーブに対し中立状態にあるときに、中央ランドが第２開口部を塞ぐ位置に配置され、中央ランドと下ランドとの間に形成される下気体室と、中央ランドと上ランドとの間に形成される上気体室とが共に第１開口部に連通する位置に配置され、スリーブに対し中立状態から移動するときに、中央ランドが第２開口部を開く位置に相対的に移動し、その相対的位置関係の変更量に応じた連通量に、バイアス絞り部によって設定される所定バイアス量を加えた連通量で、第２開口部と第１開口部とが連通することが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る車両用空気ばねシステムにおいて、可変絞り装置の揺動スプールは、下気体室と上気体室とを連通する連通路を含む中央ランドを有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
上記構成により、車両用空気ばねシステムは、車体と台車との間に設けられる空気ばね部と、台車または車体に設けられる補助タンク部と、空気ばね部と補助タンク部とを接続する連通部に設けられる可変絞り装置とを備える。そして、可変絞り装置は、スリーブに対する揺動スプールの相対的変位差に応じ、空気ばね部と補助タンク部との間の連通量をスリーブに対する揺動スプールの相対的変位差の符号に関わらず、線形的にまたは非線形的に変更する。
【００１７】
可変絞り装置は、空気ばね部と補助タンク部との間の連通量をスリーブに対する揺動スプールの相対的変位差に応じて変更する。この方式を取ることで、例えばサーボ弁等による複雑な制御等を要せずに、空気ばね部と補助タンク部との間の連通量を変更できる。これによって、車両の乗客の乗り心地を一層改善できる。
【００１８】
また、車両用空気ばねシステムにおいて、可変絞り装置は、揺動スプールの両端にそれぞれ下側復元バネと上側復元バネとを有するスプール・スリーブ機構であって、揺動スプールは、スリーブに対する揺動スプールの相対的振動の変位差によって揺動駆動力を受け、この揺動駆動力によって中央ランドと第１開口部との間の相対位置関係が可変的に変更されることで、第１開口部と第２開口部との間の気体の流れを可変的に絞り、その連通量を連続的に可変できる。
【００１９】
また、車両用空気ばねシステムにおいて、可変絞り装置において、下ランドの下側バネ室の空間と、上ランドの上側バネ室の空間とを連通する中間接続流路を備えることで中立状態では軸方向差圧をゼロとして、スリーブに対する揺動スプールの相対的変位差によって下側復元バネと上側復元バネから揺動駆動力を受けることができる。
【００２０】
このように、相対的振動の変位差によって揺動スプールが軸方向に移動するので、揺動スプールの駆動のための外部駆動装置を特別に要することなく、流れの方向あるいは流量等を連続的に可変とすることができる。
【００２１】
また、車両用空気ばねシステムにおいて、可変絞り装置は、バネ系を含む揺動スプールの固有周波数を予め定めたハイパス周波数以下に設定し、スリーブに対する揺動スプールの相対的変位差のハイパス周波数以上の高周波成分を通過させる。これにより、台車から車体に対し、高周波振動が伝達されることを効果的に抑制することができる。
【００２２】
また、車両用空気ばねシステムにおいて、可変絞り装置は、中間接続流路に設けられ、下側復元バネと上側復元バネと揺動スプールの質量に応じた気体流れの脈動を抑制するための１または予め定めた数の中間固定絞り部を備える。スリーブに対する相対的振動の変位差によって下側バネ室と上側バネ室との間の気体圧差が生じるが、その気体圧差による気体流れの脈動を中間固定絞り部によって抑制するので、振動抑制を滑らかなものとすることができる。
【００２３】
また、車両用空気ばねシステムにおいて、可変絞り装置は、揺動スプールは、スリーブに対し中立状態にあるときに、中央ランドが第２開口部を塞ぐ位置に配置され、中央ランドと下ランドとの間に形成される下気体室と、中央ランドと上ランドとの間に形成される上気体室とが共に第１開口部に連通する位置に配置され、スリーブに対し中立状態から移動するときに、中央ランドが第２開口部を開く位置に相対的に移動し、その相対的位置関係の変更量に応じた連通量で、第２開口部と第１開口部とが連通する。
【００２４】
また、車両用空気ばねシステムにおいて、可変絞り装置は、揺動スプールは、下気体室と上気体室とを連通する連通路を含む中央ランドを有する。これにより、下気体室と上気体室とが共に第１開口部に連通するための構成がスリーブ内で実現でき、構成を簡単なものとできる。
【００２５】
また、車両用空気ばねシステムにおいて、可変絞り装置は、第１開口部と第２開口部との間に、第１開口部と第２開口部との間の連通量が予め定めた所定量の連通状態となるように設定される絞り部が設けられる。これにより、中立状態における第１開口部と第２開口部との間の連通量をゼロでなく、予めバイアスされた大きさとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る実施の形態の車両用空気ばねシステムが適用される車両の様子を説明する図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の車両用空気ばねシステムの様子を説明する図である。
【図３】本発明に係る実施の形態において、揺動スプールがスリーブに対する相対的振動の変位によって下側復元バネと上側復元バネから揺動駆動力を受ける場合に適した構成の可変絞り装置を示す図である。
【図４】本発明に係る実施の形態において、可変絞りの作用を説明する図である。
【図５】図３の可変絞り装置の作用を説明する図である。
【図６】図５とともに、図３の可変絞り装置の作用を説明する図である。
【図７】図３の可変絞り装置を用いたときの変位変動と周波数の関係を説明する図である。
【図８】図３の他の変形例として、中間ランドに連通路を設ける等の様子を説明する図である。
【図９】図８の連通路の様子を説明するための中央ランドの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、車両用空気ばねシステムが適用される対象として、鉄道車両を説明するが、空気ばねと補助タンクとを用いる構成であればよく、車両以外の用途に適用されるものであってもよい。
【００２８】
なお、以下では補助タンク部を台車に設けられるものとして説明するが、補助タンク部を車体に設ける構成とすることも可能である。また、以下では、台車と車体との間に空気ばね部が設けられるものとして説明するが、ここで台車とは、空気ばね部を支持する部材として広義の意味に用いている。例えば、車輪を支持する車軸に接続される部材を台車枠と呼ぶことにして、その台車枠が空気ばねを支持する場合には、台車枠が以下で述べる台車に相当する。台車枠の上にボルスタを備える構成において、台車枠とボルスタが積み重ねられてその上に空気ばね部が支持される場合にはボルスタが以下で述べる台車に相当し、台車枠が空気ばね部を支持しその上部にボルスタが設けられる場合には台車枠が以下で述べる台車に相当する。したがって、台車枠と車体との間に空気ばね部が設けられる構成は、あくまで鉄道車両の構成例の１つである。
【００２９】
以下では、車両用空気ばねシステムに適用される流体として空気を説明するが、ここでいう空気は広義のものであって、大気以外にも、それに準じる成分構成を有する気体を用いるものとしてもよい。
【００３０】
また、以下では、可変絞り装置について、例えば、第１気体圧ＰAが２つの開口部に供給され、第２気体圧ＰBが１つの開口部に供給される等の説明を行うが、開口部の数はそれぞれ１つでも複数でも構わない。また、開口部とランドとの位置関係も、第１気体圧ＰAに関する開口部と第２気体圧ＰBに関する開口部とが、相互に連通しない遮断状態と、相互に連通し、その際に揺動駆動力に応じて流れの方向あるいは流量等を可変するものであれば、どのような配置関係であってもよい。
【００３１】
また、以下で説明するバネ定数、固有周波数等は、説明のための一例であって、車両用空気ばねシステムが適用される車両システム等の性能仕様に応じて適宜変更することができる。
【００３２】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００３３】
図１は、車両用空気ばねシステム２０１を搭載する鉄道車両２００の構成例を説明する図である。図１に示される鉄道車両２００は、車体２０２と、台車２０４と、車体２０２と台車２０４との間に設けられる空気ばね部２０８，２０９と、台車２０４に設けられる補助タンク部２１０，２１１と、空気ばね部２０８と補助タンク部２１０とを連通する連通部、および空気ばね部２０９と補助タンク部２１１とを連通する連通部にそれぞれ設けられる可変絞り装置１６を備える。なお、補助タンク部２１１を車体２０２に設けることも可能である。また、鉄道車両２００は、車輪２１４を支持する車軸と、車軸と台車２０４との間に設けられる軸ばね２１３を備え、車輪２１４はレール２１６の上を走行可能である。
【００３４】
ここで、空気ばね部２０８，２０９と、補助タンク部２１０，２１１と、可変絞り装置１６を含んで、車両用空気ばねシステム２０１が構成される。図２は、車両用空気ばねシステム２０３の詳細な構成を示す図である。ここでは、空気ばね部２０８についての部分が示されているが、空気ばね部２０９についても同様な構成であるので、以下では、空気ばね部２０８の部分に代表させて、車両用空気ばねシステム２０３の構成を説明する。
【００３５】
なお、図２には、ＸＹＺ軸の方向を示した。ここでＺ方向を台車２０４側から車体２０２側に向かう方向としてある。このＺ方向は鉄道車両２００における重力方向で、いわゆる上下方向である。符号は、重力方向を−Ｚ方向とした。Ｘ方向は、台車２０４の上面に平行な方向で、鉄道車両２００の幅方向である。Ｙ方向も台車２０４の上面に平行な方向であるが、鉄道車両２００の前後方向に相当する方向である。
【００３６】
車両用空気ばねシステム２０３は、上記のように、空気ばね部２０８と、補助タンク部２１０と、可変絞り装置１６を含んでいるが、その他に、車体２０２と台車２０４との間の間隔Ｈを予め定めた基準範囲に保つための高さ調整弁２２０、供給気体源２２４、気体供給路２２６、左右の補助タンク２１０，２１１の間の圧力差である差圧が予め定められた基準値を超える場合に両者を連通させる差圧弁等を含む。
【００３７】
空気ばね部２０８は、円筒状可撓膜体で、その上端部が車体２０２に、下端部が台車２０４に取り付けられる。車体２０２に取り付けられる上端部側には、気体供給路２２６に接続される入力口が設けられ、台車２０４に取り付けられる下端部側には、補助タンク部２１０に接続される連通部２１２が設けられる。なお、上述したように、別例として、補助タンク部２１０を車体２０２に設ける構成とすることもできる。
【００３８】
空気ばね部２０８は、空気のばね定数を利用して上下方向に伸長または収縮する機能を有する上下方向伸縮可能なばね体である。空気ばね部２０８は、気体供給路２２６を介して高さ調整弁２２０に接続され、気体圧ＰAの気体で満たされている。
【００３９】
補助タンク部２１０は、空気ばね部２０８に対し、バッファ容量としての機能を有する空気溜め容器である。補助タンク部２１０の気体圧を空気ばね部２０８の気体圧ＰAと区別してＰBとすると、補助タンク部２１０と空気ばね部２０８は連通部２１２によって連通しているので、通常はＰB＝ＰAである。
【００４０】
補助タンク部２１０は、空気ばね部２０８において気体圧ＰAが急変するとき等において、その急変を緩和する機能を有する。例えば、鉄道車両２００の走行中の変位や衝撃等により、空気ばね部２０８に作用する荷重が変化し、空気ばね部２０８の気体圧ＰAが急変することが生じる。このような場合には、空気ばね部２０８における気体圧ＰAと補助タンク部２１０の気体圧ＰBとの間に差圧が生じるので、空気ばね部２０８と補助タンク部２１０との間に空気の流れが生じ、これによって、空気ばね部２０８の気体圧ＰAの急変が緩和される。
【００４１】
可変絞り装置１６は、空気ばね部２０８と補助タンク部２１０とを接続する連通部２１２に設けられ、揺動スプール５０に対するスリーブ４０の相対的振動の変位差に応じて揺動駆動力を受け、空気ばね部２０８と補助タンク部２１０との間の連通量を自動的に変更する機能を有する絞り装置である。可変絞り装置１６は、その揺動スプール５０の軸方向がＺ方向に平行になるように、連通部２１２に設けられる。
【００４２】
図３は、可変絞り装置１６の構成を説明する図である。なお、図３は、ＸＺ断面図とＹＺ断面図とが示されている。この可変絞り装置１６は、筐体２１と、スリーブ４０と、揺動スプール５０とを備えるスプール・スリーブ機構の一種である。筐体２１には、空気ばね部２０８に接続され第１気体圧ＰAを有する気体が供給または排出される第１接続部２８と、補助タンク部２１０に接続され第２気体圧ＰBを有する気体が供給または排出される第２接続部３０とが設けられる。すなわち、可変絞り装置１６は、第１接続部２８と第２接続部３０の２つのポートを有している箱状の絞り装置である。
【００４３】
可変絞り装置１６は、空気ばね部２０８の内部空間の容積および補助タンク部２１０の内部空間の容積よりも十分小さい体積を有しているので、空気ばね部２０８の内部空間の中、補助タンク部２１０の内部空間の中、あるいは空気ばね部２０８と補助タンク部２１０をつなぐ連通部２１２に適当に配置できる。その場合に、第１接続部２８の開口部が空気ばね部２０８の内部空間に向かって開き、また、第２接続部３０の開口部が補助タンク部２１０の内部空間に向かって開くように配置されることが必要である。
【００４４】
図３では、可変絞り装置１６の筐体２１が連通部２１２の中に配置され、そして、＋Ｘ側の側面に第１接続部２８が来るように、−Ｘ側の側面に第２接続部３０が来るように配置される。もっとも、上記のように、第１接続部２８が空気ばね部２０８に面して開口し、第２接続部３０が補助タンク部２１０に面して開口すればよいので、これ以外の配置も可能である。
【００４５】
ここでは、図２に示されるように、可変絞り装置１６の筐体２１が連通部２１２の中に配置され、そのときに、上記のように、第１接続部２８の開口部が空気ばね部２０８の内部空間に向かうように、また、第２接続部３０の開口部が補助タンク部２１０の内部空間に向かうように位置決めされて固定される。
【００４６】
図３において、筐体２１は、中心部にスリーブ４０と揺動スプール５０とが配置される配置空間を有する筒状部材である。この配置空間において、揺動スプール５０の上下両端側にそれぞれ設けられる上側バネ室２２と下側バネ室２４は、それぞれに上側復元バネ６４と下側復元バネ６６が軸方向に圧縮・伸長可能に収納される空間である。
【００４７】
また、筐体２１において、第１接続部２８は、スリーブ４０に設けられる下開口部４６と上開口部４４を介して、第１気体圧ＰAを有する気体を揺動スプール５０側に供給し、または、揺動スプール５０側から第１気体圧ＰAを有する気体を排出するための流路である。ここでは、下開口部４６と上開口部４４とが共に接続されることで、下開口部４６と上開口部４４とが連通して、気体を導く開口部としては同じ機能を有するものとなっている。その意味で、互いに連通するように構成された下開口部４６と上開口部４４とを合わせて、第１開口部と呼ぶことができる。
【００４８】
同様に、筐体２１において、第２接続部３０は、スリーブ４０に設けられる中央開口部４２を介して、第２気体圧ＰBを有する気体を揺動スプール５０側に供給し、または、揺動スプール５０側から第２気体圧ＰBを有する気体を排出するための流路である。中央開口部４２は１つであるが、これを上記の第１開口部と対比するために、第２開口部と呼ぶことができる。
【００４９】
上側バネ室２２に収納される上側復元バネ６４と、下側バネ室２４に収納される下側復元バネ６６とは、揺動スプール５０の軸方向移動に対し、中立位置に戻す機能を有する弾性体である。図３では、上側復元バネ６４、下側復元バネ６６はコイルバネとして示されているが、揺動スプール５０の軸方向に圧縮・伸長して、揺動スプール５０が軸方向に移動する場合に常に中立位置に引き戻す機能を有する弾性体であれば、プラスチックゴム、板バネ等であってもよい。
【００５０】
上側復元バネ６４は、上記のように弾性体であるが、その軸方向の両端にはそれぞれ円板が設けられる。上側の円板は、上側復元バネ６４の軸方向位置を定め、復元力を設定するためのものである。筐体２１にねじ込まれる上側調整ネジ７０は、その先端がこの上側の円板に接触し、ねじ込み量に応じてその軸方向位置を調整する機能を有する。このようにして、上側調整ネジ７０のねじ込み量調整によって上側復元バネ６０の復元力が設定される。なお上側調整ネジ７０と後述する下側調整ネジ７２は、いずれか一方あるいは双方とも省略することができる。
【００５１】
上側復元バネ６４における下側の円板は、揺動スプール５０の上端に復元力を伝達するものである。下側の円板と揺動スプール５０の上端とは、摩擦が少なくなるように、ピボットと軸受の構成を取ることができる。すなわち、下側の円板の下端面にピボットを設け、揺動スプール５０の上端にピボットを受ける軸受を配置して、線接触によって相互の支持を行うものとできる。ピボットを揺動スプール５０に設け、軸受を上側円板に設けるものとしてもよい。なお、ピボット等は摩擦を少なくするためのものであるので、ピボット等がなくても、可変絞り装置１６は絞りとして機能する。
【００５２】
同様に、下側復元バネ６６においても、その軸方向の両端にはそれぞれ円板が設けられる。そして、下側の円板は、下側復元バネ６６の軸方向位置を定め、復元力を設定するためのものであり、上側の円板は、揺動スプール５０に復元力を伝達するものである。また、筐体２１にねじ込まれる下側調整ネジ７２は、そのねじ込み量に応じて下側復元バネ６６の軸方向位置を調整する機能を有することも同様である。その他、詳細な構成は、上側復元バネ６４に関して説明したものと同様の内容である。
【００５３】
このようにして、揺動スプール５０の両端には、上側復元バネ６４と下側復元バネ６６とが設けられ、基本的には、揺動スプール５０の軸方向位置が中立位置とされる。
【００５４】
中間接続流路１２０，１２２は、上ランド５４の上側にある上側バネ室２２の空間と、下ランド５６の下側にある下側バネ室２４の空間とを連通する流路で、これにより、中立状態では、揺動スプール５０の両端における軸方向差圧をゼロとしている。これによって、揺動スプール５０に対するスリーブ４０の相対的振動の変位差によって、揺動スプール５０は、上側復元バネ６４と下側復元バネ６６から揺動駆動力を受けることになる。
【００５５】
なお、中間接続流路１２０，１２２に設けられる中間固定絞り部１３０は、上側バネ室２２と下側バネ室２４との間の気体の流れを予め定めた絞り量で絞る機能を有するが、場合によっては省略することができる。そこで、中間固定絞り部１３０の内容については後述することにして、以下では、特に断らない限り、中間固定絞り部１３０を省略した構成について説明を続ける。
【００５６】
図３におけるスリーブ４０は、円筒状の部材で、外周部は筐体２１に固定される固定面とされ、内周面は揺動スプール５０を軸方向移動可能に支持する摺動面とされる。摺動面としては、スリーブ４０と揺動スプール５０との金属接触によるもののほか、揺動スプール５０の外周に樹脂等を設け、金属と樹脂との接触によるものとしてもよい。
【００５７】
筐体２１の構成の説明で述べたように、スリーブ４０には、軸方向に沿って相互に離間して３つの開口部が設けられる。配置順序は、図３に示すように、−Ｚ側である下側から＋Ｚ側である上側に向かって、下開口部４６、中央開口部４２、上開口部４４である。これらの開口部に対応して筐体２１にも３つの開口部が設けられ、既に述べたように、下開口部４６と上開口部４４とは第１接続部２８に接続され、中央開口部４２は第２接続部３０に接続される。
【００５８】
揺動スプール５０は、ステム上に上ランド５４と中央ランド５２と下ランド５６とが配置される軸体である。各ランドの配置順序は、図３に示すように、−Ｚ側である下側から＋Ｚ側である上側に向かって、下ランド５６、中央ランド５２、上ランド５４である。各ランドの外周寸法は、スリーブ４０の内周面の摺動面の内径寸法よりやや小さめに設定される。やや小さめとは、各ランドとスリーブ４０とによって気密を保持しながら、揺動スプール５０がスリーブ４０に支持されて軸方向に滑らかに移動可能な隙間を保持する程度である。また、この隙間によってダンピング効果を積極的に働かせる場合には、この隙間量をある程度広くすることがよい。
【００５９】
ステムは、各ランドの間を接続する細い軸部材であって、その外径は各ランドの外径に比べて十分小さい。したがって、各ランド間のステムと、スリーブ４０との間には空間が形成され、この空間は気体を保持あるいは気体が流れる気体室となる。図３の例では、下ランド５６と中央ランドとの間に下気体室、中央ランド５２と上ランド５４との間に上気体室が形成されている。
【００６０】
揺動スプール５０の各ランドの配置位置と、スリーブ４０の各開口部の配置位置とは次のように設定される。すなわち、揺動スプール５０が中立位置にあるとき、中央ランド５２は、中央開口部４２をちょうど閉じる位置である。そして、下ランド５６は、下開口部４６を完全に開くように、下開口部４６の位置よりも−Ｚ方向にずれた位置とされる。また、上ランド５４は、上開口部４４を完全に開くように、上開口部４４の位置よりも＋Ｚ方向にずれた位置とされる。
【００６１】
したがって、中立状態では、第１気体圧ＰAは、下開口部４６と上開口部４４を介して、揺動スプール５０の側に供給される。一方、第２気体圧ＰBは、中央開口部４２が中央ランド５２で閉じられているので、そこで遮断されて揺動スプール５０の側には供給されない。
【００６２】
すなわち、図３に示されるように、揺動スプール５０がスリーブ４０に対し中立状態にあるときには、第１開口部と第２開口部に対する各ランドの相対位置関係について第１開口部と第２開口部との間の連通量がゼロとなるように設定される。具体的には、図３のようにスプールが３つのランドを有し、スリーブが３つの開口部を有する場合、上記のように、中立状態では、中央ランド５２が第２開口部である中央開口部４２を完全に塞ぐことができるように、中央ランド５２と中央開口部４２の位置関係が設定される。このとき、下ランド５６と上ランド５４は、いずれも第１開口部である下開口部４６と上開口部４４を塞がないような位置関係とされる。このような位置関係にあるときの揺動スプール５０の位置が揺動スプール５０の中立位置である。
【００６３】
なお、場合によっては、中立状態であっても、第１開口部と第２開口部との間の連通量について予め定めた所定量の連通状態としてもよい。具体的には、中央ランド５２が第２開口部である中央開口部４２を完全に塞がずに、予め定めた余裕隙間でもって第２開口部を揺動スプール５０側に部分的に開くものとしてもよい。このように中央ランド５２が第２開口部を部分的に開くようにすることで、第１開口部と第２開口部との間に、適当量の気体の連通を行わせることができる。これによって、可変絞り装置１６の動作をより安定なものとできる。また、逆に、中央開口部４２の両側に揺動スプール５０のオーバラップを設け、中立状態およびオーバラップの範囲で揺動スプール５０が移動しても第１開口部と第２開口部とが連通しないようにすることもできる。以下では、中立状態のときに第１開口部と第２開口部との間の連通量がゼロである場合について説明を続ける。
【００６４】
また、揺動スプール５０に対するスリーブ４０の相対的振動の変位差によっても、上下の復元バネの変位による復元力によって揺動駆動力が揺動スプール５０に与えられることがある。車体２０２と台車２０４との間の相対的振動は、Ｚ方向であるので、以下では、揺動スプール５０の軸方向をＺ方向とすると共に、揺動スプール５０に与えられる揺動駆動力がこのＺ方向の相対的振動の変位差によって与えられるものとして、説明を続ける。
【００６５】
このように、揺動スプール５０に対するスリーブ４０の相対的振動の変位差によって、揺動スプール５０は、上側復元バネ６４と下側復元バネ６６から揺動駆動力を受けると、揺動スプール５０はその中立状態から移動する。この移動によって、第１開口部と第２開口部に対する各ランドの相対位置関係が可変的に変更される。これによって、気体の流れを可変的に絞るようにして、第１開口部２８と第２開口部３０との間の連通量が移動の方向に関わらず位置関係の変更量に応じて変更されることになる。移動の方向に関わらずとは、移動の方向が上側方向であっても、下側方向であっても、揺動スプール５０に対するスリーブ４０の相対的移動量の絶対値が同じであれば、第１開口部２８と第２開口部３０との間の連通量が同じとなる、という意味である。その具体的内容については後述する。
【００６６】
ここで、空気ばね部２０８と補助タンク部２１０との間の気圧差を抑制するための揺動スプール５０の駆動は、揺動スプール５０に対するスリーブ４０の相対的振動の変位差を利用しており、特別な駆動装置を用いることなく、揺動スプール５０に対するスリーブ４０の相対的振動の変位差が生じれば自動的に揺動駆動が行われる。また、揺動スプール５０に対するスリーブ４０の相対的振動の変位差の大きさに応じて連通量である流路面積が可変され、揺動スプール５０に対するスリーブ４０の相対的振動の変位差が大きいほど、連通量である流路面積が大きくなる。このように、揺動スプール５０のＺ方向移動量と流路面積の変化量とが比例関係となるように開口部の形状を設定できる。そのほかに、Ｚ方向移動量と流路面積との関係を非線形とすることもでき、また２段階変化とすることもできる。
【００６７】
図４は、可変絞り装置１６の作用として、揺動スプール５０とスリーブ４０との間の相対的位置関係が変更されたときの第１接続部２８と第２接続部３０との間の連通量の変化を説明する図である。ここでは、第１接続部２８をＡとし、第２接続部３０をＢとして示してある。図４には、横軸に時間をとり、揺動スプール５０とスリーブ４０との間の相対的位置の差である変位Ｚの変化と、これに対応する第１接続部２８と第２接続部３０との間の連通量の変化が示されている。なお、図４では、紙面の左右方向がＺ方向にとってある。図４に示されるように、Ｚが中立状態からみてプラス側あるいはマイナス側に変化しても、第１接続部２８と第２接続部３０との間の連通量は、Ｚの変化の方向に関わらず、Ｚの絶対値が同じであれば、同じとなる。第１接続部２８と第２接続部３０との間の連通量の大きさは、Ｚの絶対値の大きさの変更に応じて変更される。つまり、可変絞り装置１６は、Ｚの変化関数に対する一種の整流作用を有している。
【００６８】
図５、図６は、上記構成の可変絞り装置１６の作用を説明する図である。図５は、筐体２１及びスリーブ４０が＋Ｚ方向の加速度＋αの振動を受けた場合、図６は、筐体２１及びスリーブ４０が−Ｚ方向の加速度−αの振動を受けた場合である。
【００６９】
上記のように、図５においては、筐体２１及びこれと一体に固定されているスリーブ４０が＋Ｚ方向の加速度＋αを受けた場合である。このときには、上側復元バネ６４と下側復元バネ６６によって揺動スプール５０がスリーブ４０に対してバネ懸架されているので、揺動スプール５０は、スリーブ４０に対し、相対的に下側、つまり−Ｚ方向に変位する。このように、揺動スプール５０は、スリーブ４０に対する相対的振動の変位によって上側復元バネ６４と下側復元バネ６６から揺動駆動力を受ける。
【００７０】
揺動スプール５０がスリーブ４０に対し相対的に−Ｚ方向に変位するときは、揺動スプール５０の中立位置から−Ｚ側への移動によって、中央ランド５２は中央開口部４２の上側を開くことになる。この開く量は、変位量の大きさ、つまり振動の軸方向加速度＋αによって異なる。つまり、開く量である流路面積は、振動の軸方向加速度αが大きければ大きく、振動の軸方向加速度αが小さければ小さい。このように、流路面積は、振動の軸方向加速度αによって可変的に変更される。つまり、空気ばね部２０８と補助タンク部２１０との間の連通量は、振動の軸方向加速度αによって自動的に、しかも可変的に変更される。
【００７１】
このようにして、補助タンク部２１０からの第２気体圧ＰBを有する気体は、第２接続部３０−中央開口部４２−揺動スプール５０の上気体室−上開口部４４−第１接続部２８を通り、空気ばね部２０８に導かれる。なお、ここでは、ＰBがＰAより大きいと考えたが、ＰBがＰAより小さいときは、流れる方向が逆向きとなる。
【００７２】
一方、図６においては、筐体２１及びこれと一体に固定されているスリーブ４０が−Ｚ方向の加速度−αを受けた場合である。ここでも、上側復元バネ６４と下側復元バネ６６によって揺動スプール５０がスリーブ４０に対してバネ懸架されているので、揺動スプール５０は、スリーブ４０に対し、相対的に上側、つまり＋Ｚ方向に変位する。
【００７３】
揺動スプール５０がスリーブ４０に対し相対的に＋Ｚ方向に変位するときは、揺動スプール５０の中立位置から＋Ｚ側への移動によって、中央ランド５２は中央開口部４２の下側を開くことになる。開く量は、振動の軸方向加速度−αによって異なる。揺動スプール５０の中立位置から−Ｚ側への移動の場合と同様に、開く量である流路面積は、振動の軸方向加速度αによって可変的に変更される。
【００７４】
したがって、空気ばね部２０８からの第１気体圧ＰAを有する気体は、第１接続部２８下開口部４６−揺動スプール５０の下気体室−中央開口部４２−第２接続部３０を通り、補助タンク部２１０に導かれる。なお、ここでは、ＰAがＰBより大きいと考えたが、ＰAがＰBより小さいときは、流れる方向が逆向きとなる。
【００７５】
このように、可変絞り装置１６は、例えば、スリーブ４０に対する揺動スプール５０の相対的変位差によって、筐体２１及びスリーブ４０が＋Ｚ方向の加速度＋αを受けるときは、揺動スプール５０が−Ｚ方向に移動するとともに空気ばね部２０８と補助タンク部２１０とが連通し、逆に筐体２１及びスリーブ４０が−Ｚ方向の加速度−αを受けるときは、揺動スプール５０が＋Ｚ方向に移動するとともに補助タンク部２１０と空気ばね部２０８とが連通する。つまり、スリーブ４０に対する揺動スプール５０の相対的変位差の符号、あるいはそれによって生じる加速度αの符号にかかわらず、空気ばね部２０８と補助タンク部２１０の間が連通する。
【００７６】
上記のように、筐体２１及びスリーブ４０が±αで振動するときは、揺動スプール５０も上下方向に振動し、また、気体も上下方向に振り分けを繰り返しながら流れる。この場合でも図４に説明したと同様に、揺動スプール５０とスリーブ４０との間の相対的位置の差である変位Ｚの変化の方向に関わらず、Ｚの絶対値が同じであれば、これに対応する第１開口部と第２開口部との間の連通量の変化は同じとなる。もっとも、図５、図６では、Ｚの変化の方向に応じて、第１開口部と第２開口部との間の気体の流れる方向が振り分けられるが、連通量自体の変化は図４の通りとなる。
【００７７】
このときに、バネ系を含む揺動スプール５０はその系の固有周波数で振動するので、揺動スプール５０の質量とバネ系のバネ定数を適当に設定することで、揺動スプール５０に対するスリーブ４０の相対的振動は、周波数ｆに応じて変化する。例えば、バネ系を含む揺動スプール５０の固有周波数を適当に低い周波数になるように設定すれば、その固有周波数よりも高い周波数の振動の場合、揺動スプール５０とスリーブ４０の相対的変位ΔＺは揺動スプール５０の振幅と同じになる。つまり、振動の高周波成分が通過するように作用する。
【００７８】
その様子を図７に示す。図７の横軸は周波数ｆで、縦軸は相対的変位ΔＺである。図７では、バネ系を含む揺動スプール５０の固有周波数ｆ0が異なる２つの場合が示されている。バネ系を含む揺動スプール５０の固有周波数ｆ0が高いほど、ΔＺが通過する周波数が高くなる。このように、バネ系を含む揺動スプール５０の固有周波数を変更することで、相対的変位ΔＺのハイパス特性を適当に変更することができる。
【００７９】
したがって、バネ系を含む揺動スプール５０の固有周波数を予め定めたハイパス周波数以下となるように適切に設定することで、車体２０２と台車２０４の間の相対的振動のハイパス周波数以上の高周波成分を通過させることができる。これによって、例えば、台車２０４の振動のうち、高周波成分の振動を車体２０２に伝達しないようにできる。つまり、可変絞り装置１６は、スリーブ４０に対する揺動スプール５０の相対的変位差の周波数がハイパス周波数以下の場合、空気ばね部２０８と補助タンク部２１０との間が連通せず、逆にスリーブ４０に対する揺動スプール５０の相対的変位差の周波数がハイパス周波数以上の場合、空気ばね部２０８と補助タンク部２１０との間が連通するハイパスフィルタとして作用する。
【００８０】
ここで、振動を抑制するための揺動スプール５０の駆動は、抑制すべき振動によるスリーブ４０と揺動スプール５０との間の相対的振動の変位によって上側復元バネ６４と下側復元バネ６６から受ける揺動駆動力を利用しており、特別な駆動装置を用いることなく、振動が生じれば自動的に揺動駆動が行われる。また、振動の軸方向加速度の大きさに応じて流路面積が可変され、振動の軸方向加速度の絶対値が大きいほど、流路面積が大きくなるので、振動が生じても、迅速にその振動を抑制するように働く。
【００８１】
このように、図３の構成においては、軸方向の加速度を揺動スプール５０が受け、バネ系を含めた揺動スプール５０の固有周波数で揺動スプール５０が振動する。すなわち、上側復元バネ６４と下側復元バネ６６は、揺動スプール５０の振動とともに収縮・伸長を繰り返すが、それによって、上側バネ室２２の気体圧と下側バネ室２４の気体圧も変動し脈動する。
【００８２】
この脈動は、中間接続流路１２０，１２２を設けることで抑制することができるが、中間接続流路１２０，１２２に中間固定絞り部１３０を設けることで、その脈動をさらに効果的に抑制することができる。中間固定絞り部１３０としては、オリフィス絞り、ラジアルスリット方式絞り、多孔質物質の中に気体を流す多孔質絞り等を用いることができる。
【００８３】
図３のように、揺動スプール５０とスリーブ４０として、３つのランド、３つの開口部を有する構成を利用するときは、そのうちの２つの開口部を互いに連通して第１開口部として用い、この２つの開口部を筐体２１に設けた流路で接続するものとして説明した。
【００８４】
図８は、中央ランド５２に軸方向に貫通する連通路１５０を設け、これによって中央ランド５２の両側の気体室を相互に連通する構成を示す図である。なお、図８では、紙面の左右方向がＺ方向にとってある。この構成によれば、第１接続部２８に２つの開口部をそれぞれ接続する必要がなく、スリーブ４０と筐体２１の構造を簡単なものとできる。図８の例では、第１接続部２８に下開口部４６のみが接続されており、上開口部４４に対応する上気体室は、連通路１５０を介し、下開口部４６に対応する下気体室に接続されている。図９は、中央ランド５２の断面図であり、この例では、相互に分離している４つの連通路１５０が中央ランド５２を軸方向に貫通している。
【００８５】
同様な考えで、図３における中間接続流路１２０，１２２を、揺動スプール５０の長手軸の中を通す連通路で構成するものとできる。すなわち、図３で説明した中間接続流路１２０，１２２に代えて、揺動スプール５０の中心部を通って上側バネ室２２の側と下側バネ室２４の側とを連通させるものとできる。その場合に、さらに、中間固定絞り部１３０も、揺動スプール５０の長手軸の内部に内蔵するものとしてもよい。このような構成を用いることで、可変絞り装置１６の小型化を図ることができる。
【００８６】
図８において、下開口部４６と中央開口部４２との間を接続して設けられるバイアス絞り部１５２は、下開口部４６に対応する第１開口部と、中央開口部４２に対応する第２開口部との間の連通量が予め定めた所定バイアス量の連通状態となるように設定される絞り装置である。図３に関連して、中立状態であっても、第１開口部と第２開口部との間の連通量について予め定めた所定量の連通状態としてもよいとして説明したが、バイアス絞り部１５２を用いることで、第１開口部と第２開口部との間の連通量について予め定めた所定量の連通状態に設定することが容易となる。つまり、バイアス絞り部１５２は、第１開口部と第２開口部との間の連通量を揺動スプール５０とスリーブ４０との間の相対的な位置関係の変化によって可変する可変絞り装置の主たる構成に対し、これに並列的に設けられる第１開口部と第２開口部との間のバイアス流路である。バイアス絞り部１５２は、図８に示されるように、揺動スプール５０の軸周りを囲むような環状の絞り装置を用いることができる。
【００８７】
上記では、スリーブ４０に設けられる下開口部４６と上開口部４４において、第１気体圧ＰAを有する気体が揺動スプール５０の側に供給されまたは揺動スプール５０の側から排出され、そして、中央開口部４２において、第２気体圧ＰBを有する気体が揺動スプール５０の側に供給されまたは揺動スプール５０の側から排出される。このような場合、下開口部４６と上開口部４４とを第１開口部、中央開口部４２を第２開口部と呼ぶことができることは既に述べた。このように、上記では、開口部は３つであったが、開口部を３つ以外とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明に係る車両用空気ばねシステムは、鉄道車両等において台車と車体との間に設けられる空気ばねに関して利用できる。
【符号の説明】
【００８９】
１６  可変絞り装置、２１  筐体、２２  上側バネ室、２４  下側バネ室、２８  第１接続口、３０  第２接続口、３２  第１接続流路、３４  第２接続流路、４０  スリーブ、４２  中央開口部、４４  上開口部、４６  下開口部、５０  揺動スプール、５２  中央ランド、５４  上ランド、５６  下ランド、６４  上側復元バネ、６６  下側復元バネ、７０  上側調整ネジ、７２  下側調整ネジ、１２０，１２２  中間接続流路、１３０  中間固定絞り部、１５０  連通路、１５２  バイアス絞り部、２００  鉄道車両、２０３  車両用空気ばねシステム、２０２  車体、２０４  台車、２０８，２０９  空気ばね部、２１０，２１１  補助タンク部、２１２  連通部、２１３  軸ばね、２１４  車輪、２１６  レール、２２０  高さ調整弁、２２４  供給気体源、２２６  気体供給路。
【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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【図９】
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