(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体屋根上で上下動可能に支持された舟体を備えたパンタグラフの揚力を調整するパンタグラフ揚力調整方法であって、
パンタグラフ揚力特性は、下記式：
パンタグラフ揚力特性＝ａυ２−ｂυ４…(1)
（ただし、ａ及びｂはパラメータ、υは舟体に対する直交流の速度である。）
で表現され、
前記式(1)によって算出されたパンタグラフ揚力特性に基づいてパンタグラフの揚力を調整することを特徴とするパンタグラフ揚力調整方法。
【請求項２】
前記パンタグラフは、前記舟体を支持する第１の支持体及び第２の支持体を備え、前記舟体と前記第１の支持体とを揺動可能に連結する第１の連結軸と、前記第１の支持体と前記第２の支持体とを揺動可能に連結する第２の連結軸と、を有し、
前記パラメータｂは、下記式：
【数１】
0004684870.tif 000008
（ただし、ｋは前記第１の連結軸及び前記第２の連結軸の少なくとも一方のねじり剛性によって定まる定数、ρは空気の密度、ＣＤは舟体に対する抗力係数、Ｓは舟体の進行方向における投影面積である。）
で表現され、
前記式(2)によって算出されたパラメータｂに基づいてパンタグラグの揚力を調整することを特徴とする請求項１記載のパンタグラフ揚力調整方法。
【請求項３】
前記式(2)が成立するように、前記第１の連結軸及び前記第２の連結軸の少なくとも一方のねじり剛性を変更して、パンタグラフの揚力を調整することを特徴とする請求項２記載のパンタグラフ揚力調整方法。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載のパンタグラフ揚力調整方法を用いて揚力を調整したことを特徴とするパンタグラフ。
【請求項５】
車体屋根上で上下動可能に支持された舟体と、前記舟体を支持する第１の支持体及び第２の支持体と、前記舟体と前記第１の支持体とを揺動可能に連結する第１の連結軸と、前記第１の支持体と前記第２の支持体とを揺動可能に連結する第２の連結軸と、を備えたパンタグラフの製造方法であって、
パンタグラフ揚力特性は、下記式：
【数２】
0004684870.tif 000009
（ただし、ａ及びｂはパラメータ、υは舟体に対する直交流の速度、ρは空気の密度、ＣＤは舟体の抗力係数、Ｓは舟体の進行方向における投影面積、ｋは第１の連結軸及び第２の連結軸の少なくとも一方のねじり剛性によって定まる定数である。）
で表現され、
前記式(1)によって算出されたパンタグラフ揚力特性に基づいてパンタグラフの揚力を調整する揚力調整工程を備えることを特徴とするパンタグラフの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車体屋根上に設けられたパンタグラフ揚力調整方法、パンタグラフ、及びパンタグラフの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、新幹線等で使用される集電装置としては、シングルアーム型のパンタグラフが知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなパンタグラフでは、上下動可能なアームによって支持され架線に接触する舟体を備えている。この舟体は、その長手方向が車輌の進行方向と直交するように配置されている。
【特許文献１】特開２０００−６９６０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記パンタグラフでは、架線に対する接触力を調節するために、舟体の前面を所定の角度で傾斜させることで、舟体の揚力を調節し、パンタグラフの押上力特性を調整していた。押上力特性は、車体の走行速度によって異なり、ここでは、静止状態の押上力特性と走行状態の押上力特性との差をパンタグラフの揚力特性と呼ぶことにする。図３は、従来のパンタグラフ揚力調整方法を説明するための図である。図３に示すように、舟体の前面１は、鉛直方向に対して、所定の角度（以下、テーパ角と呼ぶ）θで傾斜している。走行状態における舟体に作用する揚力ＦＬは、舟体に作用する抗力をＦＤとすると、ＦＬ＝ＦＤｓｉｎθｃｏｓθ…(3)と表現することができる。
【０００４】
そして、パンタグラグの揚力特性は、パンタグラフの各部の揚力及び抗力の組合せによって構成されると考えられている。揚力ＦＬおよび抗力ＦＤは、一般的に次式により表現される（ただし、ρ：空気の密度、ＣＬ：揚力係数、ＣＤ：抗力係数、ＳＬ，ＳＤ：進行方向における各部の投影面積、υ：対象となる物体の速度）。
【数３】
0004684870.tif 000002
【０００５】
そこで、パンタグラフ揚力特性は、次式により表現することができる（ただし、αｋ、βｋはパラメータ、ＦＬＫは各部の揚力、ＦＤＫは各部の抗力、ＣＬＫは各部の揚力係数、ＣＤＫは各部の抗力係数、ＳＬＫ、ＳＤＫは進行方向における各部の投影面積）。
【数４】
0004684870.tif 000003
【０００６】
このように、従来、パンタグラフ揚力特性は、速度の２乗に比例するものと考えられ、上記式(4)〜(7)を用いて、パンタグラフの揚力の調整が行われていた。しかしながら、従来のパンタグラフ調整方法では、揚力特性の改善が不十分であり、精度の向上が求められている。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、パンタグラフの揚力特性の向上を図ることが可能なパンタグラフ揚力調整方法、パンタグラフ、及びパンタグラフの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、パンタグラフの揚力特性を算出する際に、パンタグラフに対する直交流の速度の４乗に比例する下向きの力を考慮することで、パンタグラフの揚力特性を精度良く算出できることを見出した。
【０００９】
本発明によるパンタグラフ揚力調整方法は、車体屋根上で上下動可能に支持された舟体を備えたパンタグラフの揚力を調整するパンタグラフ揚力調整方法であって、パンタグラフ揚力特性は、式：パンタグラフ揚力特性＝ａυ２−ｂυ４…(1)（ただし、ａ及びｂはパラメータ、υは舟体に対する直交流の速度である。）で表現され、式(1)によって算出されたパンタグラフ揚力特性に基づいてパンタグラフの揚力を調整することを特徴としている。
【００１０】
このようなパンタグラフ揚力調整方法によれば、パンタグラフに対する直交流の速度の４乗に比例する下向きの力を加算しているため、精度良くパンタグラフ揚力特性を求めることができる。また、精度良くパンタグラフの揚力特性を求めることが可能であるため、繰返し風洞実験を行って揚力を調整する必要が無くなる。
【００１１】
また、パンタグラフは、舟体を支持する第１の支持体及び第２の支持体を備え、舟体と第１の支持体とを揺動可能に連結する第１の連結軸と、第１の支持体と第２の支持体とを揺動可能に連結する第２の連結軸と、を有し、パラメータｂは、下記式：
【数５】
0004684870.tif 000004
（ただし、ｋは第１の連結軸及び第２の連結軸の少なくとも一方のねじり剛性によって定まる定数である。）で表現され、式(2)によって算出されたパラメータｂに基づいてパンタグラグの揚力を調整することが好ましい。
【００１２】
また、上記式(2)が成立するように、第１の連結軸及び第２の連結軸の少なくとも一方のねじり剛性を変更して、パンタグラフの揚力を調整することが好ましい。
【００１３】
また、本発明によるパンタグラフによれば、上記パンタグラフ揚力調整方法を用いて揚力を調整したことを特徴としている。
【００１４】
また、本発明によるパンタグラフによれば、車体屋根上で上下動可能に支持された舟体と、舟体を支持する第１の支持体及び第２の支持体と、舟体と第１の支持体とを揺動可能に連結する第１の連結軸と、この第１の支持体と前記第２の支持体とを揺動可能に連結する第２の連結軸と、を備えたパンタグラフの製造方法であって、パンタグラフ揚力特性は、下記式：
【数６】
0004684870.tif 000005
（ただし、ａ及びｂはパラメータ、υは舟体に対する直交流の速度、ρは空気の密度、ＣＤは舟体の抗力係数、Ｓは舟体の進行方向における投影面積、ｋは第１の連結軸及び第２の連結軸の少なくとも一方のねじり剛性によって定まる定数である。）で表現され、式(1)によって算出されたパンタグラフ揚力特性に基づいてパンタグラフの揚力を調整する揚力調整工程を備えることを特徴としている。
【００１５】
このようなパンタグラフの製造方法によれば、パンタグラフに対する直交流の速度の４乗に比例する下向きの力を加算しているため、精度良くパンタグラフ揚力特性を求めることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のパンタグラフ揚力調整方法、パンタグラフ、及びパンタグラフの製造方法によれば、高精度に揚力特性を改善することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明によるパンタグラフ、パンタグラフの揚力調整方法、及びパンタグラフの製造方法の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１は、本発明の実施形態に係るパンタグラフを側方から示す概略構成図であり、本実施形態のパンタグラフは、例えば新幹線の車体屋根上に設置され、架線と接触して電力を供給するものである。なお、図１において、図示左側を進行方向として説明する。
【００１８】
図１に示すように、パンタグラフ１０は、シングルアーム型のパンタグラフであり、架線と接触して集電する舟体１２と、この舟体１２を下方から支持する舟支え１３と、この舟支え１３を介して舟体１２を支持すると共に揺動可能な上枠（第１の支持体）１４及び下枠（第２の支持体）１５と、を備えている。
【００１９】
舟体１２は、上下動可能とされ、その上面１２ａが架線に接触する接触面を構成している。舟体１２の進行方向Ｇに向かう面１２ｂは、その下端側が上端側より後方に位置するように、テーパ角θ１で傾斜する傾斜面とされている。舟支え１３は、上下方向に延在し、その下部側は、上枠１４及びこの上枠１４と共に並行リンクを構成するバランスロッド１６によって支持されている。
【００２０】
上枠１４は、その下端側が上端側より進行方向Ｇの前方に位置するように傾斜して延在している。バランスロッド１６は、上枠１４の下方で、上枠１４と平行して配置されている。舟支え１３の下端部とバランスロッド１６の上端部とは、紙面垂直方向に延在する第１軸（第１の連結軸）１７を介して連結されている。第１軸１７は、その両端部がバランスロッド１６の上端部に設けられた一対の軸受け（不図示）によって支持されている。そして、第１軸７の軸方向の略中央に舟支え１３の下端部が固定されている。
【００２１】
下枠１５は、その下端側が上端側より進行方向Ｇの後方に位置するように傾斜して延在している。下枠１５の上端部は、上枠１４及びバランスロッド１６の下端部に連結されている。下枠１５の上端部とバランスロッド１６の下端部とは、紙面垂直方向に延在する第２軸（第２の連結軸）１８を介して連結されている。第２軸１８は、その両端がバランスロッド１６の下端部に設けられた一対の軸受け（不図示）によって支持されている。第２軸１８の軸方向の略中央に下枠１５の上端部が固定されている。そして、下枠１５の下端部は、車体屋根に連結されている。
【００２２】
また、下枠１５の下方には、この下枠１５に平行して延在する釣合棒１９が配置されている。この釣合棒１９の上端部は、上枠１４の下端部及び下枠１５の上端部に連結され、釣合棒１９の下端部は、車体屋根に連結されている。
【００２３】
次に、パンタグラフ１０の舟体１２に作用する揚力について説明する。従来の考え方では、パンタグラフ１０のように、テーパ角θ１で傾斜する傾斜面を有する舟体１２に作用する揚力ＦＬ１は、舟体１２に作用する抗力をＦＤとして、ＦＬ１＝ＦＤｓｉｎθ１ｃｏｓθ１…(８)で表現されていた。しかしながら、発明者らの研究により、特に、走行中のパンタグラフは、抗力ＦＤによって、第１軸１７、第２軸１８がねじれ、舟体１２が進行方向の後方へ傾くことを見出した。
【００２４】
そして、抗力ＦＤによる舟体１２の傾きをΔθとすると、Δθ＝ｋＦＤ…(9)が成立する（ただし、ｋは第１軸１７、第２軸１８のねじり剛性によって定まる定数である）。そこで、走行中における舟体１２の傾斜面の鉛直方向に対する角度をθ２とすると、θ２＝θ１−Δθ…(10)と表現することができる。このとき、舟体１２に作用する揚力ＦＬとして、ＦＬ＝ＦＤｓｉｎθ２ｃｏｓθ２…(11)が成立する。
【００２５】
ここで、ＦＬ１とＦＬとの差分は、ＦＬ１−ＦＬ＝ＦＤｓｉｎθ１ｃｏｓθ１−ＦＤｓｉｎθ２ｃｏｓθ２＝ＦＤ（ｓｉｎ２θ１−ｓｉｎ２θ２）／２…(12)と表現することができ、θ１及びθ２を、ともに十分に小さい角度とすると、ＦＬ１−ＦＬ≒ＦＤ（θ１−θ２）＝ＦＤΔθ…(13)が成立する。上記式Δθ＝ｋＦＤ…(9)を代入すると、ＦＬ１−ＦＬ≒ＦＤ（θ１−θ２）＝ｋＦＤ２＝ｂυ４…(14)と表現することができる。ただし、ｂ＝ｋρ２ＣＤ２Ｓ２／４…(3)であり、ρは空気の密度、ＣＤは舟体１２の抗力係数、Ｓは進行方向における舟体１２の投影面積である。従って、速度υの４乗（抗力の２乗）に比例する下向きの力を考慮する必要があり、パンタグラフ揚力特性＝ａυ２−ｂυ４…(1)と表現することができる。なお、パラメータａは、下記式によって、算出することができる（ただし、αｋ、βｋはパラメータ、ＣＬＫは各部の揚力係数、ＣＤＫは各部の抗力係数、ＳＬＫ、ＳＤＫは進行方向における各部の投影面積）。
【数７】
0004684870.tif 000006
【００２６】
次に、パンタグラフ揚力特性＝ａυ２−ｂυ４…(1)によって算出されたパンタグラフ揚力特性を用いて、パンタグラフの揚力ＦＬを調整する方法、及び揚力調整工程について説明する。まず、風洞試験を行い、図２に示すように、縦軸を揚力ＦＬ、横軸を速度υとして、ＦＬ＝ａυ２−ｂυ４…(1)のグラフを作成し、パラメータａ及びｂを算出する。
【００２７】
次に、設計速度において揚力ＦＬが目標値となるようなパラメータｂを決定する。そして、ｂ＝ｋρ２ＣＤ２Ｓ２／４…(3)が成立するように、必要に応じて第１軸１７及び第２軸１８の少なくとも一方を調整する。例えば、第１軸１７、第２軸１８の材質を硬いものに変更したり、中空から中実に変更したり、軸径を大きくして、ねじり剛性を強化することで、定数ｋを大きくして、パラメータｂを大きくする。また、第１軸１７、第２軸１８の支持点間の距離を変えるようにして、定数ｋ及びパラメータｂを調整してもよい。このように本実施形態においては、ＦＬ＝ａυ２−ｂυ４…(1)によって算出された揚力特性に基いて、第１軸１７、第２軸１８を調整することで、高精度に揚力を改善することができる。なお、ｋの算出方法としては、実験によって求める方法が挙げられる。具体的には、実際に舟体１２に抗力ＦＤに相当する力Ｆを印加して、そのときの舟体１２の傾き（変位角）Δθを測定し、ｋ＝Δθ／Ｆ…(9)に力Ｆ、変位角Δθを代入してｋを求めると良い。
【００２８】
また、本実施形態のパンタグラフ及びパンタグラフの調整方法によれば、パンタグラフの揚力の最大値（ａ２／４ｂ）を簡単に求めることができる。例えば、電車が高速でトンネル内に突入した場合、パンタグラフ１０の周囲の圧力変化により、パンタグラフ１０に対する見かけの速度が、電車の速度より速くなると考えられている。そのため、トンネル内では、トンネル外よりも架線を押し上げる力が大きくなり、架線を損傷する虞があった。本実施形態では、パンタグラフ１０の揚力ＦＬの最大値を考慮した設計を行うことで、パンタグラフの過剰な押上力による架線の損傷を防止することができる。
【００２９】
また、本実施形態のパンタグラフ及びパンタグラフの調整方法によれば、上記式ｂ＝ｋρ２ＣＤ２Ｓ２／４…(15)に基いて、舟体１２の抗力係数ＣＤを、下記式により、算出することができる。
【数８】
0004684870.tif 000007
【００３０】
以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態において、第１軸１７、第２軸１８を変更することで、揚力を調整しているが、例えば、その他の部品の強度、ねじり剛性を調整することなどにより、パンタグラフの揚力を調整してもよい。要は、ＦＬ＝ａυ２−ｂυ４…(1)によって算出された揚力特性に基いて、揚力を調整すればよい。
【００３１】
また、上記パンタグラフは、第１軸１７、第２軸１８を備える構成としているが、その他の軸を備えるパンタグラフとしてもよい。
【００３２】
また、ねじり剛性によって定まる定数ｋの算出方法は、上記した実験による算出方法に限定されず、その他の方法であっても良い。例えば、並行リンクに作用する力のつりあいを考慮して条件式を設定し、第１軸１７、第２軸１８のねじりモーメント、断面二次極モーメントを用い定数ｋを算出してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態に係るパンタグラフを側方から示す概略構成図である。
【図２】図１に示すパンタグラフの揚力特性を示すグラフである。
【図３】従来のパンタグラフ揚力調整方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０…パンタグラフ、１２…舟体、１４…上枠（第１の支持体）、１５…下枠（第２の支持体）、１７…第１軸（第１の連結軸）、１８…第２軸（第２の連結軸）。
【図１】
0004684870.tif 000010
【図２】
0004684870.tif 000011
【図３】
0004684870.tif 000012