(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道車両の台車に設置される空気ばねの負担荷重を制御する装置であって、車体と前後の台車間の左右変位検知手段と、前後の台車の左右変位が同位相の場合には、車体の重心が近づいた側の空気ばねの負担荷重を、前記左右変位検知手段で検知した左右変位量に応じて増加させ、反対に、重心が遠くなった側の空気ばねの負担荷重を、同じく左右変位量に応じて減少させ、また、前後の台車の左右変位が逆位相の場合には、空気ばねの負担荷重は変化させないようにする空気ばねの負担荷重変更手段を備えたことを特徴とする鉄道車両用空気ばねの負担荷重制御機構。
【請求項２】
空気ばねの負担荷重変更手段は、空気ばねの内容積を変更する機構又は空気ばねの受圧面積を変更する機構、或いは、これらの両者を備えた機構であることを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用空気ばねの負担荷重制御機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両の台車に設置される空気ばねの負担荷重を制御する装置に係り、振動の逓減をより効果的に実施して車両の乗り心地を向上させることができる鉄道車両用空気ばねの負担荷重制御機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
空気ばねは、ばね係数が小さく柔らかいので、乗り心地が良く、高周波振動を遮断し易い。また、レベリングバルブの高さ調整機構により、車両の高さを大きく変化させないで、柔らかいばね係数を得ることができる。こういった長所により、空気ばねは鉄道車両に多く採用されている。しかしながら、ばね係数が小さく柔らかいので、場合によっては、車体にローリング振動を発生させる要因となる。
【０００３】
このローリングを抑えるために、空気ばねの外筒の形状を非円形にして、左右変位に応じて左右方向の接触面積の変化を大きくとれる形状とし、前後方向の空気ばね係数と、左右方向の空気ばね係数に異方性を持たせたものがある。
例えば特開平８−２１４７５号、特開平８−２８４９９８号、特開平９−１１８９８号で提案されているものは、何れもこの種のタイプの空気ばねであって、左右方向の空気ばね係数を左右変位に応じて硬くすることで、左右のストッパ当たりを防止して左右方向の乗り心地の向上を目指している。
【０００４】
また、空気ばね外筒の開き角度を調整し、空気ばねの上下伸びに応じて受圧面積に変化をつけることで、上下方向の振動に対してばね係数を大きくしているものもある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、軌道上を走行する台車と車体間の相対変位量は、軌道を構成する曲線の曲率半径や走行速度によって変化するが、上記した方法では、左右方向や上下方向に異ならせた空気ばね係数は、何れも固定であったので、乗り心地とローリングの抑制を、効果的に両立させているとはいえなかった。
【０００６】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、軌道を構成する曲線の曲率半径や走行速度によって変化する台車と車体間の相対変位量に応じて、空気ばねが負担する荷重を最適に設定することができる鉄道車両用空気ばねの負担荷重制御機構を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明の鉄道車両用空気ばねの負担荷重制御機構は、車体と前後の台車間の左右変位検知手段と、前後の台車の左右変位が同位相の場合にのみ、車体の重心が近づいた側の空気ばねの負担荷重を、前記左右変位検知手段で検知した左右変位量に応じて増加させ、反対に、重心が遠くなった側の空気ばねの負担荷重を、同じく左右変位量に応じて減少させる空気ばねの負担荷重変更手段を備えさせることとしている。そして、このようにすることで、乗り心地とローリングの抑制を、効果的に両立させることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
鉄道車両における車体のローリング、左右振動、ヨーイングの振動は、基本的には、直線や曲線で構成された滑らかな軌道上を走行する台車と車体間の相対変位の振動成分として考えることができる。そして、この相対変位の変化が十分に滑らかであれば、概して、車体の振動も少なく滑らかで、乗り心地が良いと考えることができる。
【０００９】
ところで、一つの車体は前と後ろの二つの台車で支持され、さらに一つの台車には左右に各１個ずつ、計２個の空気ばねが設けられている。このような構成を踏まえた上で、車体のローリング発生要因について説明する。
【００１０】
車体のローリング運動を、図８に基づいて説明する。
車体のローリングは、基本的には、前後の二つの台車２，３に設けられた空気ばね４ａ〜４ｄの左右変位が、左右の同方向に変位したときに発生する。すなわち、二つの台車２，３の中心を結ぶライン上から車体１の重心５が左右にずれて、図８（ｂ）における紙面右側の前後の２個の空気ばね４ａ，４ｃが支持する荷重の和による重心まわりのモーメントと、同じく左側の前後の２個の空気ばね４ｂ，４ｄが支持する荷重の和による重心まわりのモーメントが等しくなくなったときに、荷重が増加した側は空気ばね４ａ，４ｃが圧縮され、荷重が減少した側は空気ばね４ｂ，４ｄが伸張することによって車体１のローリング運動は発生する。なお、図８中の６は振動時における車体１の中心線、７は静止中立時における車体１の中心線を示す。
【００１１】
このような車体のローリング運動の発生は、台車に対する車体の左右方向への変位が速すぎて、各空気ばねが負担すべき荷重（＝内圧×受圧面積）にまでレベリングバルブ（ＬＶ）が迅速に応答して、空気ばねに吸気或いは排気できないことも影響している。通常、レベリングバルブ（ＬＶ）には動作の安定性を計るために、応答に時間遅れが発生するような機構があり、この傾向を強めている。
また、例えレベリングバルブ（ＬＶ）が速く応答しても、空気の流れが追いつかないため、適切な内圧までの加圧、減圧の速度が遅くなって、負担すべき車体荷重と平衡するのに時間を要することも関係している。
【００１２】
上記した理由によって車体がローリングすると、荷重が増加する方の空気ばねは圧縮されて内容積が減少することにより内圧が増加し、かつ、ダイヤフラムの偏平化の変形により、外筒との接触面積が増加して受圧面積が増加し、負担すべき増加荷重と平衡する。
【００１３】
逆に、荷重が減少する方の空気ばねは伸張し、内容積が増加することによって内圧が減少し、かつ、ダイヤフラムの縦長化の変形により、外筒との接触面積が減少し、受圧面積が減少して負担すべき減少荷重と平衡する。
このローリング現象は、曲線路において、カントの傾きと平衡しない高速で走行したときなどの超過遠心力が働くと、さらに現れやすい。
【００１４】
一方、前後の台車における変位の方向が逆に振動するとき、すなわち、ヨーイング変位をする場合の現象を、図９を用いて説明する。
ヨーイング変位をする時は、前後の台車２，３の中心を結んだ線上に車体１の重心５が位置し、負担荷重は変化するものの、対角に位置する空気ばね４ａと４ｄ、４ｂと４ｃの負担荷重が増加或いは減少、例えば空気ばね４ａと４ｄは増加し、空気ばね４ｂと４ｃは減少して、ねじれ関係になる。この場合、車体１側は弾性的な微少変形は可能であるものの、ねじれの剛体の運動変位はできないので、車体１の剛体振動成分とはならない。従って、車体１がヨーイング振動する場合には、車体１は床面の平面内で運動し、ローリング成分は伴わない。
【００１５】
本発明の鉄道車両用空気ばねの負担荷重制御機構は、以上説明した知見に基づいてなされたものであり、車体と前後の台車間の左右変位検知手段と、前後の台車の左右変位が同位相の場合には、車体の重心が近づいた側の空気ばねの負担荷重を、前記左右変位検知手段で検知した左右変位量に応じて増加させ、反対に、重心が遠くなった側の空気ばねの負担荷重を、同じく左右変位量に応じて減少させ、また、前後の台車の左右変位が逆位相の場合には、空気ばねの負担荷重は変化させないようにする空気ばねの負担荷重変更手段を備えたもので、空気ばねの負担荷重変更手段としては、空気ばねの内容積を変更する機構又は受圧面積を変更する機構、或いは、これらの両者を備えた機構を採用することが好ましい。
【００１６】
本発明の鉄道車両用空気ばねの負担荷重制御機構は、上記したように車体と前後の台車間の左右変位が同位相の場合のみ、左右変位量に応じて空気ばねの負担荷重を変化させる構成としたので、乗り心地とローリングの抑制を、効果的に両立させることができる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の鉄道車両用空気ばねの負担荷重制御機構を図１〜図７に示す実施例に基づいて説明する。
図１は本発明の鉄道車両用空気ばねの負担荷重制御機構を構成する左右変位検知手段のうち電気系で行う一例を示した概略構成図、図２は本発明の鉄道車両用空気ばねの負担荷重制御機構を構成する左右変位検知手段のうち油圧系で行う一例を示した概略構成図、図３は本発明の鉄道車両用空気ばねの負担荷重制御機構を構成する左右変位検知手段のうち機械系で行う一例を示した概略構成図、図４は本発明の鉄道車両用空気ばねの負担荷重制御機構を構成する空気ばねの負担荷重変更手段のうち空気ばねの受圧面積を変更する機構の一例を示した概略構成図、図５は本発明の鉄道車両用空気ばねの負担荷重制御機構を構成する空気ばねの負担荷重変更手段のうち空気ばねの内容積を変更する機構の一例を示した概略構成図、図６は一般振動時における同位相成分と逆位相成分を分離する場合の説明図、図７は本発明の空気ばねの負担荷重制御機構を用いた鉄道車両における空気ばねの負担荷重を変更する際のフローチャートである。
【００１８】
図１〜図３は本発明の鉄道車両用空気ばねの負担荷重制御機構を構成する左右変位検知手段の概略構成を示した図であり、このうち図１は電気系で行う一例を示したものである。  図１において、１１は台車２，３と車体間に取付けたセンサーであり、このセンサー１１で車体１と前後の台車２，３間の相対的な左右変位を検出して電気信号に変換した後、次のようにして同位相成分と逆位相成分を分離する。
【００１９】
すなわち、前台車２の相対左右変位量をＵｆ、後台車３の相対左右変位量をＵｒとした場合、図６に示すように、下記の関係で、同位相成分の左右変位量Ｕｉと、逆位相成分の左右変位量Ｕｙに分離することができる。
Ｕｉ＝（Ｕｆ＋Ｕｒ）／２
Ｕｙ＝（Ｕｆ−Ｕｒ）／２
【００２０】
分離した左右変位量Ｕｉ，Ｕｙは制御器１２に入力され、ここで同位相成分に関しては、線形比例、非線形に拘らず、その左右変位量Ｕｉの大きさに応じて電気的に変換されて、例えば電動アクチュエータや油圧アクチュエータを有する空気ばね１４ａ〜１４ｄの、後述する負担荷重を変化させる機構に出力する。一方、逆位相成分に関しては、空気ばね１４ａ〜１４ｄの負担荷重を変化させないか、入力を不感帯化する。
【００２１】
また、図２は油圧系で行う左右変位検知手段の概略構成の一例を示した図であり、この場合、車体１と前後の台車２，３間の相対的な左右変位は、車体１の裏面側の前後方向に各１個設置した油圧シリンダ１３によって検出する。すなわち、車体１が左右方向に変位すると、この左右変位に連動して油圧シリンダ１３の隔壁１３ａが移動するので、この隔壁１３ａの移動に伴って隔壁１３ａで仕切られた左右の油圧室１３ｂ，１３ｃの容積が変化し、左右の油圧室１３ｂ，１３ｃ内の圧油が移動する。
【００２２】
従って，各油圧シリンダ１３の右側の油圧室１３ｂと右側の空気ばね１４ａ，１４ｃを配管１５ａで接続し、各油圧シリンダ１３の左側の油圧室１３ｃと左側の空気ばね１４ｂ，１４ｄを配管１５ｂで接続すれば、圧油の移動量を検出することで、車体１の左右変位量を検出することができる。この図２に示す油圧系で車体１の左右変位量を検出するものでは、純粋同位相振動の場合には、圧油の移動により流路の体積が変化して圧力が発生し、この圧力が空気ばねの負担荷重を変更する駆動力となる。反対に、純粋逆位相振動の場合には、圧油が移動しても流路の体積が変化しないので圧力が発生せず、空気ばねの負担荷重を変更する駆動力は発生しない。
【００２３】
また、図３は機械系で行う左右変位検知手段の概略構成の一例を示した図であり、この場合、車体１の前後方向に設置した固定滑車１６と、引張ばね１７により常時車体１側に付勢されている動滑車１８を介して、ロープ１９を車体１の前後方向に張設したものである。このようにすれば、同位相振動の場合には、ロープ１９に張力が発生して、引張ばね１７によって車体１側に付勢した動滑車１８の移動量が車体１の左右変位量Ｕｉと等しくなる。反対に逆位相振動の場合には、ロープ１９は移動するものの，ロープ１９に張力が発生しないので，動滑車１８は移動しない。
【００２４】
上記した図１〜図３に示したような左右変位検知手段によって、車体１と前後の台車２，３間の左右変位量を検知した後は、この検知した左右変位の位相及び量に基づいて空気ばねの負担荷重変更手段を作動させ、空気ばねの負担荷重を最適に制御する。
【００２５】
負担荷重変更手段としては、例えば図４に示したような、空気ばね２１の受圧面積を変化させるものや、或いは、図５に示したような、空気ばね２１の内容積を変化させるものを採用した場合には，応答が速くなってより効果的な制御を行うことができる。
【００２６】
このうち、図４（ａ）に示したものは、空気ばね２１の外筒２１ａの外周部２１ａａを内周部２１ａｂに対して例えばヒンジ２１ｂを用いて枢着し、先の図１に示した左右変位検知手段からの出力信号によって作動する、例えば電動モータや油圧シリンダ等の駆動装置２２によって前記外周部２１ａａの角度が可変なように構成することで、空気ばね２１の受圧面積を変化させるものである。
【００２７】
また、図４（ｂ）に示したものは、空気ばね２１の外筒２１ａの外周部２１ａａに流体の収納袋２１ｃを内装し、この収納袋２１ｃに送りこむ流体量を変化させることで、空気ばね２１の受圧面積を変化させるものである。この図４（ｂ）に示した構成の負担荷重変更手段と、先の図２に示した左右変位検知手段を組み合わせれば、より簡便な機構の負担荷重制御機構となる。
【００２８】
空気ばね２１の受圧面積を変化させるこれらの負担荷重変更手段では、空気ばね２１の負担荷重Ｆが、Ｆ＝Ｐ×（Ａ＋Δａ）＝Ｋ１×Δｚ（但し、Ｐは空気ばねの内圧、Ａは受圧面積、Δａは受圧面積の変化量、Ｋ１はばね係数、Δｚは空気ばねの上下変位である。）で表されることから、先の左右変位検知手段で検知した左右変位量のうちの同位相成分の変位量Ｕｉに基づいて、受圧面積を変化させる。
【００２９】
また、図５に示したものは、空気ばね２１の内部にゴム幕２１ｄでシールした隔壁２１ｅを設置し、この隔膜２１ｅを、例えば先の図２に示した左右変位検知手段の油圧によって、空気ばね２１のシャーパック２１ｆに内装した駆動装置２３を上下移動させ、空気ばね２１の内容積を変化させるものである。
【００３０】
空気ばね２１の内容積を変化させるこの負担荷重変更手段では、空気ばね２１の内圧Ｐと、空気ばね２１の内容積Ｖの積は一定であることから、Ｐ×Ｖ＝（Ｐ＋Δｐ）×（Ｖ＋Δｖ）（但し、Δｐは内圧の変化量、Δｖは空気ばね２１の内容積の変化量である。）となって、空気ばね２１の負担荷重Ｆは、Ｆ＝（Ｐ＋Δｐ）×Ａ＝Ｋ２×Δｚで表すことができる（但し、Ｋ２はばね係数である。）。従って、先の左右変位検知手段で検知した左右変位のうちの同位相成分の変位量Ｕｉに基づいて、空気ばね２１の内容積を変化させる。
【００３１】
本発明の鉄道車両用空気ばねの負担荷重制御機構は上記したような構成であり、この負担荷重制御手段を用いて空気ばねの負担荷重を制御する場合を、図７のフローチャートに基づいて説明する。
【００３２】
上記した左右変位検知手段を用いて、前台車２と車体１の中立位置からの左右変位量Ｕｆと、後台車３と車体１の中立位置からの左右変位量Ｕｒを検出する。これら両左右量変位Ｕｆ，Ｕｒから同位相成分の変位量Ｕｉのみを分離して演算する。
【００３３】
そして、例えば図２を用いて説明すると、同位相成分の変位量Ｕｉが０より小さければ、空気ばね１４ａ，１４ｃの負担荷重を減少し、一方、空気ばね１４ｂ，１４ｄの負担荷重を増加する。反対に、同位相成分の変位量Ｕｉが０より大きければ、空気ばね１４ａ，１４ｃの負担荷重を増加し、一方、空気ばね１４ｂ，１４ｄの負担荷重を減少する。また、同位相成分の変位量Ｕｉが０の場合には、空気ばね１４ａ〜１４ｄの負担荷重は変化させない。
【００３４】
空気ばね１４ａ〜１４ｄの負担荷重を変化させる場合には、同位相成分の変位量Ｕｉに応じた出力信号を、負担荷重変更手段に出力する。この場合、左右変位検知手段や負担荷重変更手段を、図２〜図５に示すような流体系や機械系によって構成すれば、空気ばね１４ａ〜１４ｄの負担荷重を変化させる際の応答時間はレベリングバルブ（ＬＶ）による応答時間より速くなり、ローリングを抑制できることになる。
【００３５】
なお、左右変位検知手段と負担荷重変更手段の組み合わせは、先に説明したものに限らないことは勿論であり、また、負担荷重変更手段も、先に説明した構造のものを何れか一つ採用したものの他、これらを組み合わせたものでも良い。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の鉄道車両用空気ばねの負担荷重制御機構によれば、従来の空気ばねで生じていた車体のローリング振動を効果的にかつ迅速に抑制することができるので、例えばローリングが顕著にで易い高速で曲線路を走行する場合には、飛躍的に乗り心地が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の鉄道車両用空気ばねの負担荷重制御機構を構成する左右変位検知手段のうち電気系で行う一例を示した概略構成図である。
【図２】本発明の鉄道車両用空気ばねの負担荷重制御機構を構成する左右変位検知手段のうち油圧系で行う一例を示した概略構成図である。
【図３】本発明の鉄道車両用空気ばねの負担荷重制御機構を構成する左右変位検知手段のうち機械系で行う一例を示した概略構成図である。
【図４】（ａ）（ｂ）は本発明の鉄道車両用空気ばねの負担荷重制御機構を構成する空気ばねの負担荷重変更手段のうち空気ばねの受圧面積を変更する機構の一例を示した概略構成図である。
【図５】本発明の鉄道車両用空気ばねの負担荷重制御機構を構成する空気ばねの負担荷重変更手段のうち空気ばねの内容積を変更する機構の一例を示した概略構成図である。
【図６】一般振動時における同位相成分と逆位相成分を分離する場合の説明図である。
【図７】本発明の空気ばねの負担荷重制御機構を用いた鉄道車両における空気ばねの負担荷重を変更する際のフローチャートである。
【図８】車体と前後台車の左右変位が同位相のときに、車体にローリング振動が発生することを示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）を側面方向から見た図である。
【図９】車体と前後台車の左右変位が逆位相のときに、車体にローリング振動が発生しないことを示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）を側面方向から見た図である。
【符号の説明】
１      車体
２      前方の台車
３      後方の台車
５      重心
１１    センサー
１２    制御器
１３    油圧シリンダ
１４    空気ばね
１５ａ  配管
１５ｂ  配管
１６    固定滑車
１７    引張ばね
１８    動滑車
１９    ロープ
２１    空気ばね
２１ａ  外筒
２１ｂ  ヒンジ
２１ｃ  収納袋
２１ｄ  ゴム幕
２１ｅ  隔壁
２２    駆動装置
２３    駆動装置
【図１】
0004051792.tif 000002
【図２】
0004051792.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0004051792.tif 000007
【図７】
0004051792.tif 000008
【図８】
0004051792.tif 000009
【図９】
0004051792.tif 000010