(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体の左右方向中央で車体上下軸回りに回動自在に台車枠に固定された枕梁と、
この枕梁に載置され、車体を支持する左右一対の空気ばねと、
前記枕梁に軸着され軸着点より上方に位置する自由端を持ち、車体前後軸回りに回動自在な左右一対の回転アームと、
前記回転アームに固定され、前記枕梁に当該回転アームを介して回動可能に支持される弁本体と、台車中央側に先端を有する切換レバーと、を有し、当該切換レバーが各回転アームの軸回りに回動することにより空気ばね内の給排気の切換を行う調整弁と、
前記切換レバーの先端と車体の所定位置とに夫々一端が軸着される第１のロッドと、
前記回転アームの自由端部と車体とに夫々軸着された第２のロッドと、
を備え、
前記車体と前記調整弁の上下方向の距離が変化した場合に、左右の切換レバーが逆向きに回動して車体を一定高さに戻すように空気ばねの空気量を調整するよう構成されていることを特徴とする鉄道車両用台車。
【請求項２】
請求項１記載の鉄道車両用台車において、
前記空気ばねは、
車体前後軸縦断面視において扁平な中央部及び当該中央部の外周に外に向かって斜めに垂れ下がる側部を有し、膨張、縮小する本体部と、
該本体部上方で外に向かって垂れ下がり前記本体部の変形を規制する上面変形規制部材と、
前記本体部下方で外に向かって前記上面変形規制部材の傾斜より大きい傾斜角で垂れ下がり空気ばねの変形を規制する下面変形規制部材と、
を備えることを特徴とする鉄道車両用台車。
【請求項３】
請求項２記載の鉄道車両用台車において、
前記下面変形規制部材の下部に緩衝部材が配置されていることを特徴とする鉄道車両用台車。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の鉄道車両用台車において、
一端が枕梁に、他端が車体に軸着されて伸縮自在なアクチュエータを更に備えることを特徴とする鉄道車両用台車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両用台車に関し、詳細には、空気ばねを用いて車体傾斜を行う鉄道車両用台車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄道用車両の傾斜方式としては、自然振子方式と強制傾斜方式とが知られている。自然傾斜方式は、車体をコロやベアリングで支えて、車体がその重心に超過遠心力を受けると、重心よりも高い位置にある振子回転中心廻りに車体が振れるようにしたものである。一方、強制振子方式は、振子動作させずに、車両速度、曲率半径、カント量に適合した傾斜を車体に強制的に与えるものである。
空気ばねを用いた車体傾斜は、例えば、特開平１１―３４８６８号公報に示すように、空気ばねの上下ストロークを大きくして、左右空気ばねの上下差によって車体を傾斜させるものであり、車体は振子動作せず傾くので、車体の受ける超過遠心力によって直接車体を傾斜させるのは難しく、一般的に強制傾斜方式となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
車体を傾斜させるのに空気ばねを用いるという考えは、空気ばねのみを考えれば非常にシンプルで簡単に見える。しかしながら、車体傾斜の目的を曲線走行時の超過遠心力のキャンセルであることに対応させるには、線路の曲率半径や車両速度に応じて車体傾斜量を変えなければならず、強制傾斜方式で制御するには、システムが複雑になり、信頼性が大きな問題となっていた。
また更に、空気ばねを用いた車体傾斜の場合では、車体と台車間の曲線通過時の偏倚を空気ばねの横ずれで吸収するボルスタレス式台車を用いることが多く、車体傾斜と横ずれを共存させた場合の空気ばね高さのコントロールが非常に難しく、傾斜制御がより複雑になるという問題点があった。
以上より、傾斜制御を簡便にするためには、超過遠心力によって直接作用する自然振子方式とすることが望ましいが、空気ばねによる車体傾斜ではそのような方法は考えられていなかった。
【０００４】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであって、空気ばねを用いた車体傾斜方式であって、自然振子方式のように超過遠心力によって直接車体傾斜制御を行うことにより、より簡易な車体傾斜制御を行うことが出来る鉄道車両用台車を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、鉄道車両１０００において、車体Ｓの左右方向中央で車体上下軸回りに回動自在に台車枠（例えば、側梁１）に固定された枕梁３と、この枕梁に載置され軸着点より上方に位置する自由端を持ち、車体を支持する左右一対の空気ばね４と、前記枕梁に軸着され車体前後軸回りに回動自在な左右一対の回転アーム１４と、前記回転アームに固定され、前記枕梁に当該回転アームを介して回動可能に支持される弁本体１３ａと、台車中央側に先端を有する切換レバー１３ｂと、を有し、当該切換レバーが各回転アームの軸回りに回動することにより空気ばね内の給排気の切換を行う調整弁１３と、前記切換レバーの先端と車体の所定位置とに夫々一端が軸着される第１のロッド（例えば、高さ調整ロッド１５）と、前記回転アームの自由端部と車体とに夫々軸着された第２のロッド（例えば、連結棒１６、車体連結ロッド１７）と、を備え、前記車体と前記調整弁の上下方向の距離が変化した場合に、左右の切換レバーが逆向きに回動して車体を一定高さに戻すように空気ばねの空気量を調整するよう構成されていることを特徴としている。
【０００８】
請求項１記載の発明によれば、車体と調整弁との間の上下方向の距離が変化した場合に切換レバーが回動して空気ばねの空気量を調整することにより車体高さを一定に保つことが出来るとともに、車体の左右動に基づいて、車体に軸着された第２のロッドにより左右の回転アームが回転すると、切換レバーは同一方向回動する。従って、左右の空気ばねの一方に空気が供給され、他方の空気が抜かれることとなって、車体を傾斜させることが出来る。よって、空気ばねを用いてもシンプルな構成で、信頼性の高い車体高さ調整制御と車体傾斜制御を同時に行うことが出来る。
即ち、例えば、車体が軽くなって持ち上がると、車体と調整弁間の距離が長くなって左右の切換レバーが逆方向に持ち上げられ空気ばねの空気が抜かれ、車体が重くなると左右の切換レバーが逆方向に下がり空気ばねに空気が供給され、車体高さを一定に保つことが出来る。この状態で、右から左に超過遠心力が車体に作用すると、車体が横方向（右→左）に移動し、回動アームが左に回動する。この回動アームに連動して切換レバーが同一方向に回動するので、右の空気ばねの空気が抜かれ、一方、左側の空気ばねに空気が供給される。従って、車体右側は沈み、車体左側は浮くこととなって車体が右側に傾斜する。このように、空気ばねを用いて車体高さ制御と車体傾斜制御をシンプルな構成で同時に行うことが出来る。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の鉄道車両用台車において、前記空気ばねは、車体前後軸縦断面視において扁平な中央部４１及び当該中央部の外周に外に向かって斜めに垂れ下がる側部４２を有し、膨張、縮小する本体部と、該本体部上方で外に向かって垂れ下がり前記本体部の変形を規制する上面変形規制部材（例えば、上面変形規制板４３）と、前記本体部下方で外に向かって上面変形規制部材の傾斜より大きい傾斜角で垂れ下がり空気ばねの変形を規制する下面変形規制部材（例えば、下面変形規制板４４）と、を備えることを特徴としている。
【００１０】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、特に、上面変形規制部材と下面変形規制部材が傾斜しているので、空気ばねの横変形を適度に妨げることが出来ることとなって空気ばね横移動時に適度な横剛性が得られる。
また、上面変形規制部材の傾斜角度が下面変形規制部材の傾斜角度よりも緩くなっているので、車体傾斜時の上面変形規制部材と下面変形規制部材との相対角度変化に対応することが出来ることとなってスムーズに車体を傾斜させることが出来る。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の鉄道車両用台車において、前記下面変形規制部材の下部に緩衝部材（例えば、緩衝ゴム４５）が配置されていることを特徴としている。
請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、特に、下面変形規制部材の下部に配置された緩衝部材によって、空気ばね上下面接面時に、こじりや横力を緩衝することが出来る。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の鉄道車両用台車において、一端が枕梁に、他端が車体に軸着されて伸縮自在なアクチュエータ２０を更に備えることを特徴としている。
請求項４記載の発明によれば、請求項１〜３の何れかに記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、特に、伸縮自在なアクチュエータにより、車体の横移動をアシストすることが出来ることとなって、アクティブな車体傾斜制御を行うことが出来る。
即ち、車体が超過遠心力を受けたとき、車体の横移動をアシストすることによって即座に車体が横移動して応答性のよい車体傾斜制御を実現出来る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図７を用いて本発明の一実施例である鉄道車両用台車について説明する。
【００１４】
［第１の実施の形態］
図１〜図６に示す鉄道車両１０００は、車体Ｓと、この車体Ｓを支持する鉄道車両用台車（以下、台車という。）１００により構成される。
【００１５】
台車１００は、側方から見て、主に、中央が下方に凹んだ２本の側梁１、１と、この左右の側梁１、１を固定する横梁２、２とからなる台車枠１０と、左右の側梁１、１に架設された枕梁３と、側梁１、１の上方に位置する枕梁３の上面部に取り付けられた左右一対の空気ばね４、４と、台車枠１１の前後に配置された車軸５と、車軸５の軸端を支持する軸箱６、６などにより構成されており、車体Ｓは空気ばね４、４によって弾性的に支持されている。
【００１６】
枕梁３には、その中央下部に心皿３１が設けられており、この心皿３１は、横梁２に設けられた穴２ａに回動自在に挿入される。また、枕梁３が取り付けられる位置の側梁１、１には、車体重量を受ける側受け部１１が設けられ、この側受け部１１には、複数の軸支されたコロ１１ａ…が敷き詰められている。
従って、車体Ｓと台車１００の間の回転偏倚が生じた場合、心皿３１を軸として枕梁３がコロ１１ａ…の上を水平に回動するようになっており、これにより車体Ｓと台車１００の間の回転偏倚を逃がすことが出来るようになっている。
また、枕梁３は、車体Ｓとの位置関係をずれ無く保ち、また、車体Ｓの牽引力を台車１００に伝えるためボルスタアンカ１２及びボルスタアンカ受け１２ａで車体Ｓと連結されている。
【００１７】
枕梁３の内部には、空気ばね４、４と連通する補助空気室３ａが設けられている。
また、枕梁３には、空気ばね４の空気量を調整して空気ばね高さを調整する自動高さ調整弁１３（以下、調整弁という）が左右一対の空気ばね４、４に各々対応して取り付けられ、各空気ばね４への空気は出入りはこの調整弁１３を介して行われる。
【００１８】
空気ばね４は、空気の配給若しくは排出により膨張若しくは縮小する本体部４０と、この本体部４０の変形を規制する変形規制板４３、４４とを具備し、本体部４０は、平面視円形に形成され、車体前後軸縦断面視において、円弧状で外側ほど離間する扁平な中央部４１と、外側に斜めに垂れ下がる側部４２と、を備えている。この空気ばね４は、本体部４０の中央部４１および側部４２がこのような構造とされていることにより、上下方向のストロークおよび左右（横）方向のストロークを大きくとることができるようになっている。
また、本体部４０の上方および下方には、本体部４０の変形を規制する上下一対の傘状の変形規制板４３、４４が、所定の傾斜角を有するように設けられている。ここで、車体傾斜時の上下面間相対角度の変化を考慮して、上面側の変形規制板４３は、下面側の変形規制板４４に比べて傾斜角が緩やかになっている。そして、空気ばね４が横移動した場合に、この変形規制板４３、４４により適度な横剛性が生ずるようになっている。
更に、上面側変形規制板４３と下面側変形規制板４４とがスムーズに接面するように、夫々の表面は車両の前後方向を軸とした円筒曲面とされている。
【００１９】
また、下面側変形規制板４４の下部には、空気ばね４の上下面接面時にも無理な力を緩衝出来るように、ゴム層と金属層が積層されて構成された緩衝ゴム４５が設けられている。
調整弁１３は、弁本体１３ａと、切換レバー１３ｂとを備え、弁本体１３ａが枕梁３に回転アーム１４を介して回動可能に支持され、切換レバー１３ｂも回転アーム１４の軸回りに回動可能とされている。そして、切換レバー１３ｂの先端は、台車１００中央側に位置し、回転アーム１４の自由端（先端）は回動支持点の直上に位置するように構成されている。切換レバー１３ｂの先端には、垂直に高さ調整ロッド１５が連結されている。この高さ調整ロッド１５の他端は車体台枠下面に回転可能に軸支されている。
【００２０】
この状態で、車体Ｓが軽くなって空気ばね４により持ち上がると、高さ調整ロッド１５が車体Ｓと連動して上昇する。すると、枕梁３に支持された左右の調整弁１３の切換レバー１３ｂ先端が上向きに持ち上げられ、図１中の「車体下がる」方向に回動され、空気ばね４の空気を排出する。このとき、左右の切換レバー１３ｂはお互い逆向きに回動するようになっている。一方、車体Ｓが重くなって下がると、高さ調整ロッド１５が車体Ｓと連動して下降する。すると、枕梁３に支持された調整弁１３の切換レバー１３ｂ先端が下向きに下げられ、図１中の「車体上がる」方向に回動され、空気ばね４内に空気を供給する。即ち、回転アーム１４が垂直に位置している限りにおいては、切換レバー１３ｂは、弁本体１３ａに対し常に水平になるように空気ばね４の空気圧が調整されることとなって、枕梁３と車体Ｓ間の距離を一定に保つように調整される。
【００２１】
なお、本発明における調整弁１３は、空気ばね４の給排気を迅速に行う必要があるので、なるべく空気供給速度が大きくなるように大容量のものを用いることが望ましい。
また、所定値とは、定常状態の車体中心からの移動距離に応じて任意に設定され、ある程度の不感帯（遊び）を設けることにより、極低ストロークの動きや車体振動などの高周波の動きでは空気の供給、排出は行わないようにしてもよい。
また、弁本体１３ａは、回転アーム１４に固定されているので、回転アーム１４の回転に連動して回転する。
左右の回転アーム１４の先端同士は連結棒１６にてピンジョイントで連結され、当該連結棒１６の中央やや左よりの部分１６ａと所定の車体下部との間が、車体連結ロッド１７によりピン結合されている。
【００２２】
次に、上記構成の鉄道車両１０００における車体傾斜動作について図５を用いて説明する。
図５において、鉄道車両１０００が右カーブに在って、右から左に超過遠心力を受けて、車体Ｓが右傾斜する場合について説明する。なお、左カーブでは、反対の動作となる。
【００２３】
まず、車体Ｓに超過遠心力が作用すると、車体Ｓは左へ移動を始め、車体中心位置がＯからＯ’に移動する。このとき、空気ばね４には、上下の変形規制板４３、４４によって適度の横剛性が付与されているので、超過遠心力の大きさに応じて左に変位する。車体Ｓが左に変位すると、車体連結ロッド１７が左に押され、連結棒１６を左に押す。すると、連結棒１６は左右の回転アーム１４先端を同時に左に変位させ、調整弁１３の弁本体１３ａが左廻りに回転させられる。これにより、夫々の切換レバー１３ｂは調整弁１３に対して相対的に右廻りに回動する。このとき、左右の切換レバー１３ｂは前後中心軸に関して対称配置となっているので、右の切換レバー１３ｂは、調整弁１３に対して上向きに変位し、左の切換レバー１３ｂは調整弁１３に対して下向きに変位したことと等価となる。
【００２４】
ここで、調整弁１３は、上記車体高さ調整時と同様に、常に弁本体１３ａに対し、切換レバー１３ｂが平行になるように動作するから、従って、右の調整弁１３は空気ばね４の空気を抜いて切換レバー１３ｂを下げようと動作し、左の調整弁１３は、空気ばね４に空気を供給して切換レバー１３ｂを上げようと動作する。これによって、車体Ｓは右に傾斜する。
即ち、車体Ｓの横移動により車体中心Ｏが移動して、車体中心Ｏ’と前記調整弁１３間の水平距離が所定値から小さくなると切換レバー１３ｂが「車体が上がる」方向に回動して空気ばね４に空気を供給し、所定値よりも大きくなると切換レバー１３ｂが「車体が下がる」方向に回動して空気ばね４から空気を排出する側に調整弁１３が切り換わる。
【００２５】
このとき、車体Ｓの横移動量と車体傾斜角（空気ばねの上下移動量）の関係は、空気ばね４の形状・寸法ならびに当該鉄道車両１０００の各リンク部材のディメンジョンを任意に設定することにより、所望する振子特性とすることが出来る。即ち、少しの横移動量で大きな車体傾斜角を得られるようにしたり、逆に比較的大きな横移動量でも小さな車体傾斜角しか得られないようにする等の設定が可能となり、それによって、車体Ｓの仮想振子回転中心高さ及び振れ易さを変えられるということである。
【００２６】
具体的には、例えば、図５では、切換レバー１３ｂの長さと回転アーム１４の長さの比が１：２としているが、この場合、例えば、横に３０ｍｍ移動したとき、右の空気ばね４がほぼ３０ｍｍ下がり、左の空気ばね４がほぼ３０ｍｍ上がり、左右の空気ばね４の差は、ほぼ６０ｍｍとなる。即ち横３０ｍｍの移動で上下差が６０ｍｍとなる。
ここで、仮に、切換レバー１３ｂの長さと回転アーム１４の長さの比を１：１とするならば、横に３０ｍｍ移動したとき右の空気ばね４がほぼ６０ｍｍ下がり、左の空気ばね４がほぼ６０ｍｍ上がり、左右の空気ばね４、４の差は、ほぼ１２０ｍｍとなる。即ち横３０ｍｍの移動で上下差が１２０ｍｍとなる。
【００２７】
なお、上記計算は、高さ調整ロッド取付スパンと空気ばね取付スパンの比を１：２に想定した場合であり、この比が変わると上記計算値は変化する。
また、各リンク部材のディメンジョン選定の中には、例えば、図６に示すように、回転アーム１４上端間隔の長さ（Ｘ１）と調整弁１３回転中心間隔の長さ（Ｘ２）を変え、調整弁１３を傾斜させる回転アーム１４をハの字にするようにしてもよい。このようにすると、例えば、右の空気ばね４の沈下量の値と左の空気ばね４の上昇量の値に差をつけることが出来る。この場合、車体重心の横移動位置の調整も可能になる。また、車体回転要素と車体傾斜要素とのレベル調整も可能になる。
また、回転アームは、ハの字ではなく、逆ハの字にするようにしてもよい。
【００２８】
［第２の実施の形態］
次に、第２の実施の形態にかかる鉄道車両２０００を図７を用いて説明する。
第２の実施の形態にかかる鉄道車両２０００は車体下部と枕梁３との間にアクチュエータ２０をピンジョイントで連結して、例えば、鉄道車両１００がカーブに入るのを予測して、カーブに入る前に在る程度強制的に車体Ｓの横移動をアシストすることを特徴としており、それ以外の構成については、第１の実施の形態にかかる鉄道車両１０００と同じである。従って、第１の実施の形態にかかる鉄道車両１０００と同一の構成については同符号を用いて説明する。
【００２９】
このアクチュエータ２０は、例えば、シリンダ２１とシリンダロッド２２を備え、シリンダ２１内の油圧或いは空気圧などによりシリンダロッド２２が伸縮するようになっている。そして、シリンダ２１の一部は車体下部に、シリンダロッド２２の端部が枕梁３にそれぞれピン結合されている。
ここで、アクチュエータ２０の動作力制御方式には、アクチュエータ２０の動作力を車体Ｓに作用する遠心力よりも小さい力とする制御方式と、遠心力よりも大きい力とする制御方式の二種類がある。
前者の場合、万が一、制御が間違って逆方向に作用しても、遠心力によって動作力がキャンセルされるため、制御の安全性が高いが、後者の場合、遠心力によって動作力がキャンセルされないため、制御の安全性が低い。一方、制御の即応性に関しては、前者に比べて後者の方が優れる。
従って、両制御方式のメリット、デメリットを考慮して、制御方式を選択すればよい。
【００３０】
なお、本発明は、上記実施の形態で説明したものに限るものでなく、種々の設計変更が可能である。
例えば、本鉄道車両用台車は、車体傾斜制御を行う鉄道車両全てに適用することが出来る。
また、リンク部材の配置も本実施例に限られず、例えば、切換レバーを調整弁間の外側に突出させて配置し、回転アームをその先端が下方に位置するようにしてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
上記発明によれば、空気ばねを用いた鉄道車両用台車において、自然振子方式の制御を行うことが出来ることとなって、シンプルで、且つ信頼性の高い車体傾斜制御を行うことが出来る。
また、空気ばねの高さの制御を時事刻々の制御プログラムによってコントロールする必要がなく、リンク部材のディメンジョンを設定しておけば、自然に最適な振子動作が得られる。この場合、単なる傾斜角度だけでなく、振子回転中心の高さや、重心の左右移動量などの最適化も空気ばね形状や上下の変形規制部材により可能である。
特に、空気ばねを、専ら左右変位と上下変位に限定して用い、台車偏倚によるい横ずれは排除したため、振子制御しやすい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の鉄道車両用台車の正面図である。
【図２】図１の鉄道車両用台車の側面図である。
【図３】図１の鉄道車両用台車の枕梁付近の平面図である。
【図４】図１の鉄道車両用台車の側梁付近を拡大した図である。
【図５】図１の鉄道車両用台車の車体傾斜時の正面図である。
【図６】図１の鉄道車両用台車の回転アームの変形例を示す正面図である。
【図７】第２の実施の形態の鉄道車両用台車の正面図である。
【符号の説明】
１  側梁
２  横梁
３  枕梁
４  空気ばね
１０  台車枠
１３  自動高さ調整弁（調整弁）
１３ａ  弁本体
１３ｂ  切換レバー
１４  回転アーム
１５  高さ調整ロッド（ロッド、第１のロッド）
１６  連結棒
１７  車体連結ロッド
４０  本体部
４１  中央部
４２  側部
１００  鉄道車両用台車
１０００  鉄道車両
２０００  鉄道車両
Ｓ  車体
【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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