(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の鉄道車両を連結する連結器用の緩衝器であって；
連結器にかかる自連力を受けるロッドを有する油圧シリンダと、油圧シリンダ内への油の抜き入れをコントロールする制御弁と、ロッドの戻しばねと、緩衝器力を検出するセンサを備え、
該緩衝器変位が０近傍を除く、上記ロッドの戻しばね力が上記鉄道車両の車体構体端部の強度に達するまでの間、緩衝器力が、緩衝器変位及び変位速度にかかわりなく、上記鉄道車両の車体構体端部の強度程度のほぼ一定値となるように、上記油圧シリンダの油の圧力及び抜き入れする油の流量の双方を上記制御弁で制御することを特徴とする車両連結器用緩衝器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の鉄道車両を連結する連結器用の緩衝器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両を連結する際は、車両連結器に連結器作用力（以下、自連力という）が掛かる。この自連力のピーク値を低減するため、車両連結器には車両連結器用緩衝器が備えられている。
図５及び図６は、車両連結器に備えられた従来の緩衝器の一例を示す一部断面平面図及び一部断面側面図である。
この車両連結器用緩衝器は、在来線電車用に広く用いられたゴム緩衝器１０である。このゴム緩衝器１０は、電車（フレーム）１の端部下方に固定されている。そして、ゴム緩衝器１０の端部には、直交配置されたピン２、３及びピン継手４を介して車両連結器５が連結されている。ゴム緩衝器１０は、両面に長方形のゴム製突起を接着した鋼板（パッド）１１を積層して枠１２に納めたもので、ゴムの圧縮変形により車両連結器５に掛かる衝撃を吸収する。
【０００３】
このような構成のゴム緩衝器１０は、構造が簡単で安価なことから広く用いられている。ゴム緩衝器１０は、一般に、変位の増加とともに剛性が高くなる緩衝器変位−緩衝器力（δ−Ｆ）特性を示す。例えばタキ４３０００、コキ５００００等の大型貨車用に開発されたＲＤ１９形は、緩衝容量を拡大するために鋼板（パッド）が多く、ストロークが長いため、最大圧縮・引張荷重が、９８０ｋＮである。そして、最大圧縮荷重による６７ｍｍの変形で吸収される歪エネルギは、２３．０ｋＮ・ｍである。
【０００４】
また、図７は、車両連結器に備えられた従来の緩衝器の別の一例を示す模式的断面側面図である。
この車両連結器用緩衝器は、積載荷重の大きい貨車に用いられる油緩衝器２０である。この油緩衝器２０も、図５、６に示すゴム緩衝器と同様に、貨車の先端部下方に固定されている。油緩衝器２０は、ダッシュポット２１とゴムを用いた戻しばね２２を並列に配置したもので、ダッシュポット２１内の油の移動と戻しばね２２の圧縮変形により車両連結器に掛かる衝撃を吸収する。即ち、ダッシュポット２１のシリンダ２１ａの側面には、ピストン２１ｂの変位方向に複数のオリフィス２１ｃが開けられている。そして、ピストン２１ｂの変位、即ち緩衝器変位の増加に伴ってオリフィス２１ｃが順次塞がれ、衝撃エネルギの緩衝によりピストン２１ｂの速度が低下しても一定の抵抗力が維持される。
【０００５】
このような構成の油緩衝器２０は、ゴム緩衝器１０と比較して構造が複雑で高価なことから、特に積載荷重が大きい大物貨車に用いられている。油緩衝器２０は、緩衝器変位に依らず車両間の相対初速度に応じてほぼ一定の緩衝器変位−緩衝器力（δ−Ｆ）特性を示し、緩衝容量やエネルギ消散効率が高い。例えばシキ８５０、シキ１０００、シキ８１０Ｂ２等の大物貨車用に開発されたＨＤ５Ｄ形は、４０ｔと３００ｔの車両同士を初速２．０ｋｍ／ｈで打ち当てた場合、最大変位７０ｍｍに達するまで緩衝器力が一定で、１４７．０ｋＮ・ｍの歪エネルギを吸収する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、いわゆる新幹線電車の駆動・制動機能が失われた場合、その新幹線電車（以下、故障編成という）を健全な車両（以下、救援編成という）で救援する際には、故障編成と救援編成の連結部等に著大な自連力が発生する。特に、急制動時には、車両間の相対運動による過渡的な自連力のピーク値が、車体強度や列車座屈に対する安全上問題とされる。
【０００７】
ここで、現行の新幹線電車用に開発された車両連結器用緩衝器としては、例えばＲＤ０１１Ａ形がある。このＲＤ０１１Ａ形は、ゴム緩衝器であり、初圧を０として乗り心地を向上させるため、引張荷重専用のゴム緩衝器と圧縮荷重専用のゴム緩衝器２組が直列配置されている。取付寸法による制約から、圧縮用に比べ引張用の鋼板（パッド）が少なく、最大圧縮荷重が、９８０ｋＮ、最大引張荷重が、７８４ｋＮとなる。そして、最大圧縮荷重による４３ｍｍの変形で吸収される歪エネルギは、１１．８ｋＮ・ｍとなる。このように、現行の新幹線電車用に許容される自連力は、車体構体端部の強度により圧縮が９８０ｋＮ、車両連結器用緩衝器の性能により引張が７８４ｋＮとされる。
【０００８】
一方、車両の高速化、軽量化を図る上では車体構体強度の見直しを迫られる場合がある。このとき、故障救援時の自連力低減は重要な課題であり、その有効な手段としては車両連結器緩衝器のエネルギー容量拡大が挙げられる。そこで、数値シミュレーションにより、現行の新幹線電車用のゴム緩衝器（ＲＤ０１１Ａ形）よりエネルギ容量が大きい上記ゴム緩衝器（ＲＤ１９形）１０及び油緩衝器（ＨＤ５Ｄ形）２０に替えた場合の自連力低減効果の確認を行った。
【０００９】
その結果、ゴム緩衝器（ＲＤ１９形）１０を用いた場合は、故障編成の圧縮自連力最大値が低減した。しかし、このゴム緩衝器（ＲＤ１９形）１０は、初圧が大きくて前後衝動による乗り心地の悪化が予想されるため、新幹線電車に採用することは困難である。
油緩衝器（ＨＤ５Ｄ形）２０を用いた場合は、静的な荷重に対する緩衝器変位−緩衝器力（δ−Ｆ）特性は戻しばね２２のみに依存し、ゴム緩衝器と同様である。ところが、動特性は衝突速度や車両荷重により異なるものの、車両間の相対速度が拡大せず、ダッシュポット２１が十分に機能しないため、自連力低減効果が認められない。
以上のことから、新幹線電車用として新規な車両連結器用緩衝器の開発が望まれている。
【００１０】
本発明は、このような課題に対応するためになされたもので、エネルギ容量を拡大させて自連力のピーク値を低減させると共に任意の一定値に抑制することができる車両連結器用緩衝器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の車両連結器用緩衝器は、複数の鉄道車両を連結する連結器用の緩衝器であって
連結器にかかる自連力を受けるロッドを有する油圧シリンダと、油圧シリンダ内への油の抜き入れをコントロールする制御弁と、ロッドの戻しばねと、緩衝器力を検出するセンサを備え、
該緩衝器変位が０近傍を除く、上記ロッドの戻しばね力が上記鉄道車両の車体構体端部の強度に達するまでの間、緩衝器力が、緩衝器変位及び変位速度にかかわりなく、上記鉄道車両の車体構体端部の強度程度のほぼ一定値となるように、上記油圧シリンダの油の圧力及び抜き入れする油の流量の双方を上記制御弁で制御することを特徴とする。
【００１２】
このような構造により、ほぼフラットな緩衝器変位−緩衝器力（δ−Ｆ）特性を示すことから所定の自連力の元での吸収エネルギが最大になり、逆に言えば緩衝器力が最小になるので、車体強度や列車座屈に対する安全性を高めることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の１実施例に係る車両連結器用緩衝器を説明する。
図１は、本発明の１実施例に係る車両連結器用緩衝器の周辺部を含む全体構成を示す概略図である。
この車両連結器用緩衝器１００は、新幹線電車５１の先頭車両の緊急車両連結器５５に用いられる油緩衝器である。車両連結器用緩衝器１００は、油圧シリンダ１１０、制御弁１２０、戻しばね１４０、センサ１５０及び油タンク１６０で大略構成されている。油圧シリンダ１１０は、緊急車両連結器５５に掛かる自連力を受ける機能を有する。制御弁１２０は、油圧シリンダ１１０と油タンク１６０との間の作動油の抜き入れをコントロールする機能を有する。戻しばね１４０は、油圧シリンダ１１０に装着されており、緊急車両連結器５５に掛かる自連力を受けたり、油圧シリンダ１１０を変位前の元の状態に戻す機能を有する。センサ１５０は、例えばロードセルが用いられ、油圧シリンダ１１０と緊急車両連結器５５をつなぐピン継手５４に装着されており、緩衝器力を検出する機能を有する。このような構成の車両連結器用緩衝器１００は、新幹線電車５１の先頭部下方に固定されている。
【００１５】
緊急車両連結器５５は、直交配置されたピン５２、５３及びピン継手５４を介して車両連結器用緩衝器１００の端部に連結されている。この緊急車両連結器５５は、連結時には新幹線電車５１の先頭部上方に係止されているばね吊り装置５６を介してワイヤ５７で吊られている。また、昇降時には図示一点鎖線で示すようにピン５３を中心に旋回し、新幹線電車５１の先頭部中央に配設されている連結器掛け金具５８に掛け止めされている。
【００１６】
図２は、図１に示す車両連結器用緩衝器１００を構成する油圧シリンダ１１０及び戻しばね１４０の詳細構造を示す断面側面図である。
この油圧シリンダ１１０のシリンダ１１１の内側先端には、ピストン１１２が嵌め込まれ、内側後端には、ゴム製の緩衝材１１３が嵌め込まれている。シリンダ１１１の外周先端には、制御弁１２０からの作動油を入れる入りポート１１１ａが設けられ、外周後端には、制御弁１２０へ作動油を抜く抜きポート１１１ｂが設けられている。ピストン１１２には、ロッド１１４の後端が固定されている。そして、ロッド１１４の先端とシリンダ１１１の先端の間には、ばね材で成る戻しばね１４０が挿入固定されている。
【００１７】
図３は、図１に示す車両連結器用緩衝器１００を構成する制御弁１２０の詳細構造を示すブロック図である。
この制御弁１２０は、比例電磁式制御弁（例えば商品名：インテリジェント流量圧力制御モジュール（ＩＰシリーズ）、製造メーカ名：カヤバ工業（株））が用いられる。この制御弁１２０は、信号Ｘｒに応じて駆動されるバルブ１２１と、バルブ１２１の出口側の圧力の一部を逃がすブリード弁１２２と、バルブ１２１の開度Ｘの検出手段１２３と、バルブ１２１の入口圧Ｐａ、出口圧Ｐｂの検出手段１２４ａ、１２４ｂとを備えている。
【００１８】
さらに、これらの圧力差と開度Ｘから流量Ｑを演算する手段１２５と、流量Ｑと流量指令信号Ｑｒからバルブ開度Ｘｑを演算する手段１２６と、出口圧Ｐｂと圧力指令信号Ｐｂｒからバルブ開度Ｘｐを演算する手段１２７と、検出圧力の差からメータイン及びメータアウトの方向を判定する手段１２８とを備えている。そして、この判定結果がメータインのときにバルブ開度Ｘｑ及びＸｐのうち小さい方を、判定結果がメータアウトのときにバルブ開度Ｘｑ及びＸｐのうち大きい方を選択する手段１２９と、選択した開度によりバルブ１２１を駆動する手段１３０と、判定結果がメータインのときにブリード弁１２２を開弁する駆動手段１３１とを備えている。
【００１９】
このような構成の制御弁１２０によれば、アクティブカートリッジを比例電磁弁でサーボ制御しているので、高応答を実現できる。また、センサ信号を用いソフトウエアにより流量と圧力を制御しているので、高精度を実現できる。また、ポペットタイプで内部リークが少なく、また制御中に流量、圧力がモニタできるので、高信頼性を実現できる。さらに、メータイン・メータアウト制御が同一カートリッジでできるので、可逆流れが可能であると共に、フリーフローチェック弁が不要なため、コンパクトでコストダウンが図れる。
【００２０】
尚、このような構成の制御弁１２０に限られるものではなく、例えばパイロット圧力に応動して切り換え作動する方向制御弁と、この方向制御弁の左右のパイロット室に供給するパイロット作動油を制御する３方向流量制御弁と、左右のパイロット室をオリフィスを介してタンクに連通する回路と、指令信号と方向制御弁の位置信号とに基づいて３方向流量制御弁の作動を制御するコントローラを備えた比例電磁方向制御弁も使用することができる。
【００２１】
次に、本発明の１実施例に係る車両連結器用緩衝器１００の具体的動作例について説明する。
図４は、この車両連結器用緩衝器１００の緩衝器変位−緩衝器力（δ−Ｆ）特性の一例を示す図である。
初期状態、即ち緩衝器変位δが０近傍においては、センサ１５０により検出される緩衝器力Ｆが、例えば故障編成の車体構体端部の強度４９０ｋＮ（５０ｔｆ）に満たないので、制御弁１２０は全閉状態になっている。従って、油圧シリンダ１１０のシリンダ１１１内の作動油の圧縮性によるばね特性を示している。
【００２２】
例えばシリンダ１１１の内径を１４０ｍｍ、ピストン１１２のストロークを３６０ｍｍ、作動油の体積弾性係数を１．３７×１０９  Ｎ／ｍ２  とすれば、緩衝器変位δが０近傍のばね剛性は５８．６ＭＮ／ｍとなり、一般のゴム緩衝器に比べて非常に固い。車両間に通常発生する前後衝動の緩衝には過大であるが、これは相対するゴム緩衝器で吸収させるようにする。
【００２３】
次に、緩衝器変位δがある程度の値になり、センサ１５０により検出される緩衝器力Ｆが４９０ｋＮ（５０ｔｆ）を超えようとすると、制御弁１２０は、車両連結器用緩衝器１００の反力として生じる車端荷重を強度内に抑えながら荷重のなす仕事を最大にするため、シリンダ１１１内の作動油を抜いてロッド１１４及び戻しばね１４０の抵抗力を調整し、緩衝器力Ｆをピストン１１２の速度に依らず４９０ｋＮ（５０ｔｆ）に保持する。さらに、上述したように、ピストン１１２のストロークを通常の緩衝器より長い３６０ｍｍとして、緩衝容量を拡大させている。
【００２４】
そして、緩衝器変位δが３００ｍｍに達したときは、戻しばね１４０の力が４９０ｋＮ（５０ｔｆ）に達し、ロッド１１４の抵抗力は０になる。緩衝器変位δが３００ｍｍを超えたときは、制御弁１２０は全開状態になる。従って、緩衝器力Ｆが緩衝器変位δとともに増加するこの領域では、戻しばね１４０及び緩衝材１１３のみが作用する。
この車両連結器用緩衝器１００によれば、油圧シリンダ１１０及び戻しばね１４０の抵抗力を制御弁１２０の制御により調整し、油圧シリンダ１１０の速度に依らず、ほぼフラットな緩衝器変位−緩衝器力（δ−Ｆ）特性を得て、過渡的な自連力のピーク値を任意の一定値以下に抑制することができる。
【００２５】
尚、上述した本発明の１実施例に係る車両連結器用緩衝器１００は、新幹線電車５１の先頭車両の緊急車両連結器５５に用いられる油緩衝器として説明したが、これに限定されるものではなく、鉄道車両を連結する連結器にも用いることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、緩衝容量の拡大により自連力を車端強度程度に抑えることができるので、特に故障編成を救援編成で救援する際の安全性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例に係る車両連結器用緩衝器の周辺部を含む全体構成を示す概略図である。
【図２】図１に示す車両連結器用緩衝器を構成する油圧シリンダ及び戻しばねの詳細構造を示す断面側面図である。
【図３】図１に示す車両連結器用緩衝器を構成する制御弁の詳細構造を示すブロック図である。
【図４】図１に示す車両連結器用緩衝器の緩衝器変位−緩衝器力（δ−Ｆ）特性の一例を示す図である。
【図５】車両連結器に備えられた従来の緩衝器の一例を示す一部断面平面図である。
【図６】図５の緩衝器の一部断面側面図である。
【図７】車両連結器に備えられた従来の緩衝器の別の一例を示す模式的断面側面図である。
【符号の説明】
５１    新幹線電車                                    ５２    ピン
５３    ピン                                                ５４    ピン継手
５５    緊急車両連結器                            ５６    ばね吊り装置
５７    ワイヤ                                            ５８    連結器掛け金具
１００    車両連結器用緩衝器                １１０    油圧シリンダ
１１１    シリンダ                                    １１２    ピストン
１１３    緩衝材                                        １１４    ロッド
１１１ａ    入りポート                            １１１ｂ    抜きポート
１２０    制御弁                                        １２１    バルブ
１２２    ブリード弁                                １２３    開度検出手段
１２４ａ    入口圧検出手段                    １２４ｂ    出口圧検出手段
１２５    流量演算手段                            １２６    開度演算手段
１２７    開度演算手段                            １２８    方向判定手段
１２９    選択手段                                    １３０    バルブ駆動手段
１３１    ブリード弁駆動手段                １４０    戻しばね
１５０    センサ                                        １６０    油タンク
【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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