(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼型舟体と、
前記舟体を支持する支持装置と、
上端に前記支持装置が車両の進行方向に垂直でかつ水平な軸線まわりに角変位可能に設けられ、下端が前記軸線に平行な軸線まわりに角変位可能に設けられる一対の中空ポールと、
前記中空ポールを、前記下端の軸線まわりに角変位させて上昇方向に付勢する昇降装置と、
前記昇降装置が収納される台枠と、
前記中空ポール中を貫通するように配置され、上端が前記支持装置の下端にピン結合され、下端が前記台枠にピン結合され、中空ポールおよび支持装置とともに、非平行リンク機構を構成し、前記舟体の仰角を、前記舟体の高さが予め定める標準作用高さよりも高くなると増加し、前記舟体の高さが予め定める標準作用高さよりも低くなると減少するように変化させる補助リンクとを含むことを特徴とするパンタグラフの揚力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両用パンタグラフ、特に低騒音化のために翼型舟体を使用するパンタグラフの揚力制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、たとえば特開平５−１３０７０６号公報などに開示されているように、鉄道車両のパンタグラフの集電用の舟体の断面形状は、騒音軽減のために翼型形状を使用することが提案されている。新幹線に代表される高速車両用のパンタグラフでは、車両速度が速くなるに従って、集電装置による空気流の乱れに基づく騒音の増大が解決を要する課題となっている。また、高速で走行する車両が受ける空気の抵抗力を減少させるためにも、パンタグラフの空気抵抗を減少させる必要もある。
【０００３】
舟体の断面形状を、典型的な流線型である翼型にすれば、空気抵抗は減少し、低騒音化を図ることができる。しかしながら、舟体の断面形状が翼型であり、鉄道車両が高速で走行すると、舟体が揚力を発生しやすくなり、舟体の架線への押付け力が増大し、架線やすり板、舟体が摩耗によって損傷しやすくなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特開平５−１３０７０６号公報の先行技術では、舟体の揚力を検知し、揚力が予め設定された値となるように舟体の仰角を調整して、舟体の架線への押付け力を調節している。このため舟体の揚力を検出する手段が必要となり、先行技術の公開公報の実施例中では、舟体に揚力検知のための機構を内蔵するようにしている。しかしながら、舟体の大きさには制限があり、空気抵抗減少のために厚みも大きくすることは困難であり、揚力検知機構を内部に組込むことは非常に困難である。
【０００５】
本発明の目的は、簡単な構成で翼型舟体の架線への押付け力を調整することができるパンタグラフの揚力制御装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、翼型舟体と、
前記舟体を支持する支持装置と、
上端に前記支持装置が車両の進行方向に垂直でかつ水平な軸線まわりに角変位可能に設けられ、下端が前記軸線に平行な軸線まわりに角変位可能に設けられる一対の中空ポールと、
前記中空ポールを、前記下端の軸線まわりに角変位させて上昇方向に付勢する昇降装置と、
前記昇降装置が収納される台枠と、
前記中空ポール中を貫通するように配置され、上端が前記支持装置の下端にピン結合され、下端が前記台枠にピン結合され、中空ポールおよび支持装置とともに、非平行リンク機構を構成し、前記舟体の仰角を、前記舟体の高さが予め定める標準作用高さよりも高くなると増加し、前記舟体の高さが予め定める標準作用高さよりも低くなると減少するように変化させる補助リンクとを含むことを特徴とするパンタグラフの揚力制御装置である。
本発明に従えば、翼型断面形状の舟体の仰角を、作用高さが高くなるときには増加させて、舟体から発生する揚力を増加させる。作用高さが低くなるときには、舟体の仰角を減少させて、舟体が発生する揚力を減らす。舟体の作用高さが高い位置では、舟体を支えるポールの下端を基準とするモーメントへの揚力の寄与は小さくなり、舟体抗力等の空気抵抗の寄与が大きくなる。舟体の揚力は押付け力を増加する方向に作用し、抗力は押付け力を減少する方向に作用する。舟体の仰角の調整によって高い作用高さでの舟体の揚力によるモーメントの減少分を補うことができるので、簡単な構成で容易に安定した押付け力を得ることができる。舟体の仰角は、舟体を下から支える一対のポールを中空に構成し、その内部に収納される補助リンクを用いて調整する。補助リンクが中空のポール内に収納されているので、補助リンクを設けても空気抵抗の増加を防ぐことができる。これによって、騒音の増大を招くことなく、舟体の仰角調整を容易に行うことができる。
【０００７】
本発明に従えば、舟体の支持装置、ポール、補助リンクは、非平行リンク機構を構成して、舟体の作用高さに応じてその仰角を調整することができる。リンク機構によって舟体の仰角を制御するので、揚力検出を行わずに、作用高さに応じた仰角調整を容易に行うことができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態による揚力制御装置を備えるパンタグラフを進行方向左側面から見た状態を示す。図２は、図１のパンタグラフの舟体の翼型プロフィール形状を示す。図３は、図１のパンタグラフの進行方向正面側から見た構成を示す。舟体１は、上面にすり板を備え、支持装置２を介して一対のポール３Ｒ，３Ｌ（以下、総称するときには参照符「３」で示す。）によって、「π」の形状に構成されて支持されるπ型パンタグラフである。
【０００９】
図１に示すように、ポール３は、先端側には支軸３ａを、舟体１の支持装置２が進行方向に垂直で、かつ支軸３ａの軸線まわりに角変位可能となるように設け、ポール３の基端側には、支軸３ｂが設けられる。支軸３ｂは、支軸３ａと平行、すなわち進行方向に直角で、かつ水平方向に延びる。舟体１の上面部すり板は、架線２０に接触しており、架線高さが低いと、ポール３の水平面となす角度θ１が減少し、架線高さが高いと、角度θ１は増加する。すなわち、架線の高さに応じて角度θ１は変化する。またポール３は、昇降装置４中の上昇装置によって常に上昇方向に付勢されているため、舟体１の上面のすり板は架線に押付けられる。
【００１０】
ポール３は中空に構成され、その内部には補助リンク５が挿通される。補助リンク５の先端側は、関節点５ａによって支持装置２の下部にピン結合される。補助リンク５の基端側は、関節点５ｂによって、昇降装置４を収納する台枠６にピン結合される。ポール３の支軸３ａ，３ｂ間、支軸３ｂと関節点５ｂとの間の台枠６の部分、関節点５ｂ，５ａ間の補助リンク５、および関節点５ａと支軸３ａとの間の支持装置２の部分は、四辺形リンクを構成する。台枠６は、カバー７で覆われている。
【００１１】
図３に示すように、舟体１の両側方にはホーン８Ｒ，８Ｌ（以下、総称するときには参照符「８」で示す。）が設けられ、他の架線への乗り移り時などの誘導案内を容易にしている。通常の状態では、舟体１の中央付近で架線と接触し、車両の進行に必要な電力を受入れる。この舟体１の集電面のレール面９からの高さＨは、作用高さと称され、上側にΔＨ１、下側にΔＨ２の範囲が作用高さ可動範囲となる。
【００１２】
図２に示すように、舟体１の断面形状は、上面のすり板部を含めて低騒音化のために翼型プロフィール形状を採用している。この翼型プロフィールでは、前縁１１と後縁１２との間の翼弦長ｘ０のうち、中心付近でｘ１の長さの範囲について上縁１３側が凸形に形成され、ｘ２の範囲は直線である。さらに、中心部のｘ２の長さの範囲から、前縁１１側では長さｘ３の範囲、後縁１２側では長さｘ４の範囲は、下縁１４側も直線で上縁１３側と平行である。前縁１１は、下縁１４の延長線から高さｙ１だけ上方の点を中心とする半径ｒ１の円周上に位置する。後縁１２は、下縁１４から終端１５がＡだけ下方に下がるような半径ｒ２の円周上に存在する。
【００１３】
このような終端１５の尻下がり量Ａを有する翼型プロフィールは、標準作用高さにおいて舟体上面をほぼ水平にすることができる形状が得られるとともに、高速走行中に発生する騒音低減にも好ましい。しかしながら、高速走行に伴って揚力も発生し、図１の支軸３ｂまわりのモーメントに対する寄与が作用高さＨによって変化する。支軸３ｂまわりのモーメントの総和が架線を押付ける舟体１の押上げ力を決定する。本実施形態では、作用高さＨの変化に伴う舟体１の揚力によるモーメントの寄与の変化を補正するため、舟体１の仰角として、作用高さＨの変化に伴って、α１，α２が得られるように前述の四辺形リンクを設定している。
【００１４】
図４は、ポール３の支軸３ｂまわりの力のモーメントの釣り合い状態を示す。支軸３ｂには、昇降装置４から反時計まわりのモーメントＭ１が与えられる。ポール３の支軸３ｂから舟体１の集電点までの長さをＬ２（厳密にはＬ２はポール３の支軸間距離であるが、支持装置２を含めたオフセット分はモーメントとして支軸３ａまわりに発生し、ポール３と補助リンク５の軸方向力となるので、Ｌ２と考えてよい）とすると、集電点には舟体の押上げ力に対する反力である架線からの押圧力Ｐが鉛直下方に作用する。舟体１には、進行方向の後方側に向かう抗力Ｄと、進行方向に垂直に鉛直上方に向かう揚力Ｌが発生する。したがって、ポール３の基端側の支軸３ｂまわりのモーメントの釣り合いについて、次の第１式が成立する。
【００１５】
Ｍ１＋（Ｌ−Ｐ）×Ｌ２×cosθ１−Ｄ×Ｌ２×sinθ１ ＝ ０…（１）
図５は、本実施形態において作用高さＨに対する押上げ力変化を示す。第１式に示すように、押上げ力、すなわち押圧力Ｐの反力は、作用高さＨに対応する角度θ１に応じて変化する。作用高さの可動範囲内で、押上げ力変化は規定範囲内に収まる必要がある。
【００１６】
図６は作用高さＨの可動範囲内における舟体仰角αの変化量を示し、図７は舟体仰角αの変化による舟体揚力Ｌおよび抗力Ｄの変化を示す。舟体仰角αは、作用高さが高くなるとき増加して＋側とし、作用高さが低くなるとき減少して−側となるように変化させる。仰角αが＋側になると揚力Ｌは増大し、−側になると揚力Ｌは減少する。
【００１７】
図８は、或る実験値の例を示す作用高さＨをパラメータとして、舟体１の仰角αに対する押上げ力変化を示している。仰角０〔ｄｅｇ〕において、Ｈ＝５２００〔ｍｍ〕とＨ＝４８００〔ｍｍ〕とで、押上げ力変化の差は約１．９〔ｋｇｆ〕発生する。Ｈ＝５０００〔ｍｍ〕の特性を基準として、Ｈ＝５２００〔ｍｍ〕で仰角０．７〔ｄｅｇ〕、Ｈ＝４８００〔ｍｍ〕で仰角−１〔ｄｅｇ〕をつけることによって、押上げ力変化を理屈上０にすることができる。
【００１８】
図９は作用高さＨに応じて仰角αを調整するための四辺形リンクの構成を示し、図１０はその四辺形リンクを展開した状態を示す。関節点５ａ，５ｂ間の補助リンク５の長さＬ１および水平面との角度θ２に対して、支軸３ｂと関節点５ｂ間の距離をｈ、支軸３ｂ，３ａ間のポール３の長さをＬ２、関節点５ａと支軸３ａとの間の支持装置２の長さをＬ３とする。ポール３の水平面に対する傾斜角をθ１、支持装置２の鉛直面に対する傾斜角度をθ３とし、補助リンク５の鉛直面からの傾きをθ０、関節点５ａから支軸３ｂまでを結ぶ直線の長さをＬａ、この直線が鉛直面との間でなす角をθａ、ポール３との間でなす角をθｂとする。関節点５ｂに対する関節点５ａの高さをｈ１、支軸３ｂに対する支軸３ａの高さをｈ２、関節点５ａに対する支軸３ａの高さをｈ３とする。図１０を幾何学的に考察することによって、次の第２式〜第８式が得られる。
【００１９】
ｈ１ ＝ Ｌ１×sinθ２                                   …（２）
ｈ２ ＝ Ｌ２×sinθ１                                   …（３）
ｈ３ ＝ ｈ＋ｈ２−ｈ１                                  …（４）
θ１ ＝ θａ＋θｂ−π／２                              …（５）
θ０ ＝ π／２−θ２                                    …（６）
0004246273.tif 000002
第２余弦定理より、次の第９式〜第１２式が得られる。
【００２０】
【数１】
0004246273.tif 000003
【００２１】
【数２】
0004246273.tif 000004
【００２２】
次の表１は、パラメータＬ１，Ｌ２，Ｌ３およびｈとして、１２００，１２００，１１０，１２０の値をｍｍ単位で指定し、角度θ２を変化させたときの計算例を示す。
【００２３】
【表１】
0004246273.tif 000005
【００２４】
図１１は、表１の角度θ２とθ３との関係を示す。舟体の仰角αは、角度θ３に連動して変化するので、角度θ２を増加させて作用高さＨを高くすると仰角αも増加可能であることが判る。
【００２５】
本実施形態による舟体１を備えるパンタグラフは、作用高さＨの可動範囲で四辺形リンク機構によって舟体１の仰角を調整し、舟体１の架線に対する集電面の押上げ力を変化が小さくなるように調整可能である。このパンタグラフを備える鉄道車両を往復走行可能とするときには、方向の異なるもう一基のパンタグラフを設け、進行方向が逆方向となるパンタグラフは、ポール３を降ろして休止状態とすればよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、舟体の断面形状を翼型とし、空気抵抗の減少と騒音発生の減少とを図りながら、その仰角を作用高さに応じて増減して、舟体の架線への押付け力を容易に調整し、確実な集電を行いながら過剰な押付け力による舟体の損傷を防ぐことができる。
【００２７】
また本発明によれば、非平行リンク機構によって舟体の仰角の作用高さに応じた調整を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の構成を示す左側面図である。
【図２】図１の舟体の翼型プロフィール図である。
【図３】図１のパンタグラフの正面図である。
【図４】図１のポールの基端側の支軸まわりのモーメントの釣り合いを示す図である。
【図５】図１の実施形態で舟体の仰角を一定とした場合の作用高さＨに対する舟体の押上げ力変化を示すグラフである。
【図６】図１の実施形態で作用高さＨに対する舟体仰角αの変化量を示すグラフである。
【図７】図１の実施形態で舟体仰角αの変化に対する舟体の揚力Ｌおよび抗力Ｄの変化を示すグラフである。
【図８】図１の実施形態で作用高さＨをパラメータとし、舟体仰角αの変化に対する押上げ力変化を示す試験データのグラフである。
【図９】図１の実施形態の四辺形リンクの簡略化した構成を示す説明図である。
【図１０】図９の四辺形リンクの展開図である。
【図１１】図９の四辺形リンクにおける角度θ１とθ３との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  舟体
２  支持装置
３，３Ｒ，３Ｌ  ポール
３ａ，３ｂ  支軸
４  昇降装置
５  補助リンク
５ａ，５ｂ  関節点
６  台枠
８，８Ｒ，８Ｌ  ホーン
９  レール面
２０  架線
【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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【図１０】
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【図１１】
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