JP2010137622A - 鉄道車両の車体姿勢制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気的な制御を行うことなく、車体の姿勢を的確に制御することができる鉄道車両の車体姿勢制御装置を提供する。
【解決手段】 台車枠４と車体６間の左右に空気ばね７Ａ，７Ｂを配置し、車両の圧縮空気源からの空気の出し入れにより前記空気ばね７Ａ，７Ｂを制御する鉄道車両の車体姿勢制御装置において、車体底面８と前記台車枠４間に取り付けられ、前記車体６に回転支持されるＬＶ９と、このＬＶ９に剛に接続される重りと、前記ＬＶ９の回転中心に回転可能に支持されるレバー１１と、このレバー１１の先端と前記台車枠４間を連結する連結棒１４とを備え、遠心力によって前記ＬＶ９と前記レバー１１の間に角度が生じると、この角度によって前記空気ばね７Ａ，７Ｂを制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鉄道車両の車体姿勢制御装置に係り、特に、曲線を高速走行する鉄道車両の車体姿勢制御装置（車体傾斜制御装置）に関するものである。

鉄道車両が曲線を高速で走行すると、乗客に（超過）遠心力が働き不快な乗り心地となる。

これを緩和するため、曲線走行時に車体を内軌側に傾けることで乗客にかかる（超過）遠心力を減らす技術が採用されている。例えばＪＲ各社等で在来線特急列車として運用されている（制御付き）振子車両がある。

これは台車上にコロやベアリング等で回転支持された回転梁を設け、この回転梁の上に空気ばねを介して車体を載せた構造の車両である。この方式は、車両が曲線にさしかかると、台車枠と回転梁の間に構成されたアクチュエータにより回転梁を所定の角度だけ回転させて、車体を傾けるものである。

この他に、最近の新幹線車両や一部の在来線特急車両（下記非特許文献１参照）で実用化されている「空気ばね車体傾斜」という技術がある。この空気ばね車体傾斜は、曲線にさしかかると、外軌側の空気ばねに空気を強制的に送り込むことで空気ばねを伸ばし、車体を内側に傾けるものである（下記特許文献１参照）。

従来の空気ばね車体傾斜は、曲線線形情報を車上で保持しており、車両が常に現在走行地点を把握しながら車体傾斜のタイミングを計っている。

車体傾斜が必要な地点にくると、車体に設けられた弁を開き、所定の空気ばねの高さになるまで供給空気量の制御を行っている。

また、空気ばねを利用した車体傾斜装置の開発が進められており、車体にジャイロや車体水平方向加速度センサ、車高ＬＶを搭載した車体傾斜装置が提案され、実用化されている（下記非特許文献１参照）。
特公昭４７−４１１６５号公報 玉置 俊治，「空気ばねを利用した車体傾斜装置の開発と効果（その２）」，Ｒ＆ｍ ２００６．６，ｐｐ．５０〜５３

しかしながら、従来の車体傾斜技術では、曲線線形情報や地点情報が必要であったり、また、それらを持たない場合、加速度センサ等を用いて曲線を走行していることを車両が認識する必要があった。さらに、弁等の開閉によって、空気ばねへの供給空気量を制御する必要があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、曲線線形情報や複雑なセンサを搭載することなく、電気的な制御を行わずに車体の姿勢を的確に制御することができる鉄道車両の車体姿勢制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕台車枠と車体間の左右に空気ばねを配置し、車両の圧縮空気源からの空気の出し入れにより前記空気ばねの高さを制御する鉄道車両の車体姿勢制御装置において、車体底面と前記台車枠間に取り付けられ、前記車体に回転支持されるＬＶと、このＬＶに剛に接続される重りと、前記ＬＶの回転中心に回転可能に支持されるレバーと、このレバーの先端と前記台車枠間を連結する連結棒とを備え、遠心力によって前記ＬＶと前記レバーの間に角度が生じると、この角度によって前記空気ばねの高さを制御することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の鉄道車両の車体姿勢制御装置であって、曲線を高速走行する鉄道車両の車体傾斜制御装置として用いることを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載の鉄道車両の車体姿勢制御装置であって、乗客の乗降や、走行中の車体高さの変動により、前記空気ばねの高さが変動する場合に、鉄道車両の車体の高さの制御装置として用いることを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。

（１）電気的な制御を行うことなく、車体の姿勢を的確に制御することができる。

（２）曲線を高速走行する鉄道車両の車体傾斜制御装置として用いることができる。

（３）空気ばねの高さが変動する場合に鉄道車両の車体の高さの制御装置として用いることができる。

本発明の台車枠と車体枠間の左右に空気ばねを配置し、車両の圧縮空気源からの空気の出し入れにより前記空気ばねの高さを制御する鉄道車両の車体姿勢制御装置において、車体底面と前記台車枠間に取り付けられ、前記車体に回転支持されるＬＶと、このＬＶに剛に接続される重りと、前記ＬＶの回転中心に回転可能に支持されるレバーと、このレバーの先端と前記台車枠間を連結する連結棒とを備え、遠心力によって前記ＬＶと前記レバーの間に角度が生じると、この角度によって前記空気ばねの高さを制御する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示す鉄道車両の車体姿勢制御装置を搭載した車両が直線走行中の状態を示す図、図２は曲線を高速走行する状態（空気ばねへの空気供給、排出前の状態）を示す図、図３はその車両が曲線を高速走行する状態（空気ばねへの空気供給、排出完了後の状態）を示す図である。

これらの図において、１は走行レベル、２は輪軸、３は輪軸２に固定された車輪、４は台車枠、５は輪軸２と台車枠４との間に設けられたバネ体，６は車体であり、台車枠４と車体６との間には外軌側空気ばね７Ａ，内軌側空気ばね７Ｂがそれぞれ配置されている。８は車体底面、９は車体６に回転支持されるＬＶ（自動高さ調整機構）（外軌側のＬＶ９Ａ、内軌側のＬＶ９Ｂ）、１０はＬＶ本体に剛に接続される重り（外軌側の重り１０Ａ、内軌側の重り１０Ｂ）、１１はレバー（外軌側のレバー１１Ａ、内軌側のレバー１１Ｂ）、１２はＬＶ９の回転中心位置に配置され、ＬＶ９に対して回動自在に配置されるレバー基部の支持軸、１４はレバー１１の先端と台車枠４間を連結する連結棒であり、端部は回転支持され、伸縮はしない。

通常、車両のＬＶは、車体６に対して剛に結合されている。ＬＶ９からはレバー１１が横方向に伸び、その先端部と台車枠４の間が連結棒１４によって接続されている。レバー１１の両端部は、連結棒１４およびＬＶ９に回転支持されている。

本発明では、上記したように、空気ばねの自動高さ調整機構を有するＬＶ９を利用するが、そのＬＶ９を車体６に対して回転支持する。ＬＶ９から下方向に腕を伸ばし、ＬＶ９の重り１０を結合する。

鉄道車両が曲線を高速で走行しているときには、図２に示すように、ＬＶ９の重り１０に超過遠心力が生じ、外軌側のＬＶ９Ａおよび内軌側のＬＶ９Ｂが車体６に対して回転する。

すると、図２に示すように、ＬＶ９Ａとレバー１１Ａの間に角度が生じて、外軌側の空気ばね７Ａには空気が供給され、図３に示すように、外軌側の空気ばね７Ａが膨らむ。同時に、ＬＶ９Ｂとレバー１１Ｂの間に角度が生じて、内軌側の空気ばね７Ｂからは空気が排出され、図３に示すように内軌側の空気ばね７Ｂが縮む。これにより、車体６が内軌側に傾く。

ここで、空気ばね７Ａ，７Ｂを制御する空気の流れを、図４及び図５を用いて説明する。

図４は本発明の曲線に入るときの鉄道車両の車体姿勢制御装置の空気ばねを制御する空気の流れを示す図（その１）、図５は本発明の曲線を出るときの鉄道車両の車体姿勢制御装置の空気ばねを制御する空気の流れを示す図（その２）である。

まず、外軌側の空気ばね７Ａを制御する空気の流れを説明する。

車両が曲線に入り、ＬＶ９の重り１０が超過遠心力を受けると、図４に示すように、（１）外軌側のＬＶ９Ａとレバー１１Ａの間に角度が生じる（この状態では、レバー１１Ａに対してＬＶ９Ａが反時計回りに動く）。（２）ＬＶ９Ａ内部の弁が開き、圧縮空気源１５から空気ばね７Ａへ通じる空気配管１６Ａ，１７Ａによる空気通路が構成される。（３）圧縮空気源１５から空気ばね７Ａに空気配管１６Ａ，１７Ａを介して空気が供給され、空気ばね７Ａが膨らむ（伸びる）。（４）空気ばね７Ａが伸びるにつれてＬＶ９Ａとレバー１１Ａの角度が小さくなり、空気の供給は停止される。

一方、車両が曲線を抜けて、ＬＶ９の重り１０から超過遠心力がなくなると、図５に示すように、（１）ＬＶ９Ａとレバー１１Ａの間に角度が生じる（この状態では、レバー１１Ａに対して、ＬＶ９Ａが時計回りに動く）。（２）ＬＶ９Ａ内部の弁が開き、空気ばね７Ａから空気配管１７Ａを介して大気に通じる空気通路が構成される。（３）空気ばね７Ａから空気が排出されて、空気ばね７Ａは縮む。（４）空気ばね７Ａが縮むにつれてＬＶ９Ａとレバー１１Ａの角度が小さくなり、空気の排出は停止する。

次に、内軌側の空気ばね７Ｂを制御する空気の流れを説明する。

車両が曲線に入り、ＬＶ９の重り１０が超過遠心力を受けると、図４に示すように、（１）内軌側のＬＶ９Ｂとレバー１１Ｂの間に角度が生じる（この状態では、レバー１１Ｂに対してＬＶ９Ｂが反時計回りに動く）。（２）ＬＶ９Ｂ内部の弁が開き、空気ばね７Ｂから空気配管１７Ｂを介して大気に通じる空気通路が構成される。（３）空気ばね７Ｂから空気が排出されて、空気ばね７Ｂは縮む。（４）空気ばね７Ｂが縮むにつれてＬＶ９Ｂとレバー１１Ｂの角度が小さくなり、空気の排出は停止する。

一方、車両が曲線を抜けて、ＬＶ９の重り１０から超過遠心力がなくなると、図５に示すように、（１）ＬＶ９Ｂとレバー１１Ｂの間に角度が生じる（この状態では、レバー１１Ｂに対して、ＬＶ９Ｂが時計回りに動く）。（２）ＬＶ９Ｂ内部の弁が開き、圧縮空気源１５から空気ばね７Ｂへ通じる空気配管１６Ｂ, １７Ｂによる空気通路が構成される。（３）圧縮空気源１５から空気ばね７Ｂに空気が供給され、空気ばね７Ｂが膨らむ（伸びる）。（４）空気ばね７Ｂが伸びるにつれてＬＶ９Ｂとレバー１１Ｂの角度が小さくなり、空気の供給は停止される。

図６は本発明の変形例を示す倍速機構を有する鉄道車両の車体姿勢制御装置を搭載した車両が曲線を高速走行する状態（空気ばねへの空気供給前の状態）を示す図、図７はその倍速機構の構成例の正面図、図８はその倍速機構の構成例の側面図である。

図６に示すように、遠心力によって生じる重りの角度を倍速機構により増幅してＬＶ９をより大きく傾けるように構成した。θを遠心力によって生じる重りの角度、Ｎを倍速機構の倍速比とすると、ＬＶ９の傾きはＮ×θ度となり、ＬＶ９とレバー１１の角度をより大きくすることができる。したがって、空気ばね７Ａへの供給空気量、および空気ばね７Ｂからの排出空気量を増やし、車体６の傾斜角をより大きくすることができる。

倍速機構２１は、図７に示すように、ＬＶ２０に連結される歯車（歯数２０）２２と、中間歯車（歯数４０）２３と、最終歯車（歯数１００）２４とからなり、この最終歯車２４の軸２５の先端に重り吊り下げ用腕２６が配置される。２７，２８は垂直状支持板、２９は水平状ベースである。

図９は本発明の他の実施例を示す鉄道車両の車体姿勢制御装置を搭載した車両の重量が増して空気ばねの高さが低くなった状態を示す図である。

例えば、駅等で乗客が大勢乗車すると、車体６が空気ばね７Ａ，７Ｂを圧縮して車体６の高さが低くなる。このときには、図４に示すように、ＬＶ９とレバー１１の間に角度が付き、この角度によって車両の圧縮空気源（図示なし）から空気が送り込まれ、空気ばね７Ａ，７Ｂが膨らむ。空気ばね７Ａ，７Ｂが膨らみ、図１に示すように、レバー１１とＬＶ９との間の角度が０になると、空気の供給を停止する。このように車体６の高さを一定に保つように動作し、車体の姿勢制御を行うことができる。

このように構成したので、本発明は、電気的な制御を行うことなしに車体の姿勢を制御することができる。また、その際の曲線線形情報等のデータベースを必要としないので、曲線を走行していることを認識するためのセンサも必要としない。

さらに、機械的なシステムとしたので、車両の電源フェール等を心配する必要がなく、また、低コストである。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の鉄道車両の車体姿勢制御装置は、電気的な制御を行うことなく、鉄道車両の車体の姿勢制御を行うことができる装置として利用可能である。

本発明の実施例を示す鉄道車両の車体姿勢制御装置を搭載した車両が直線走行中の状態を示す図である。 本発明の実施例を示す曲線を高速走行する鉄道車両の車体姿勢制御装置を搭載した車両が曲線を高速走行する状態（空気ばねへの空気供給、排出前の状態）を示す図である。 本発明の実施例を示す曲線を高速走行する鉄道車両の車体姿勢制御装置を搭載した車両が曲線を高速走行する状態（空気ばねへの空気供給、排出完了後の状態）を示す図である。 本発明の曲線に入るときの鉄道車両の車体姿勢制御装置の空気ばねを制御する空気の流れを示す図（その１）である。 本発明の曲線を出るときの鉄道車両の車体姿勢制御装置の空気ばねを制御する空気の流れを示す図（その２）である。 本発明の変形例を示す倍速機構を有する鉄道車両の車体姿勢制御装置を搭載した車両が曲線を高速走行する状態（空気ばねへの空気供給前の状態）を示す図である。 本発明の変形例を示す倍速機構を有する鉄道車両の車体姿勢制御装置の倍速機構の構成例の正面図である。 本発明の変形例を示す倍速機構を有する鉄道車両の車体姿勢制御装置の倍速機構の構成例の側面図である。 本発明の他の実施例を示す鉄道車両の車体姿勢制御装置を搭載した車両の重量が増して空気ばねの高さが低くなる状態を示す図である。

符号の説明

１ 走行レベル
２ 輪軸
３ 車輪
４ 台車枠
５ バネ体
６ 車体
７Ａ，７Ｂ 空気ばね（外軌側空気ばね７Ａ，内軌側空気ばね７Ｂ）
８ 車体底面
９ 回転支持されるＬＶ（自動高さ調整機構）
９Ａ 外軌側のＬＶ
９Ｂ 内軌側のＬＶ
１０ 重り
１０Ａ 外軌側の重り
１０Ｂ 内軌側の重り
１１ レバー
１１Ａ 外軌側のレバー
１１Ｂ 内軌側のレバー
１２ 支持軸
１４ 連結棒
１５ 圧縮空気源
１６，１７ 空気配管
θ 遠心力によって生じる重りの角度
Ｎ 倍速機構の倍速比
２０ ＬＶ
２１ 倍速機構
２２ 歯車
２３ 中間歯車
２４ 最終歯車
２５ 軸
２６ 重り吊り下げ用腕
２７，２８ 垂直状支持板
２９ 水平状ベース

Claims (3)

1. 台車枠と車体間の左右に空気ばねを配置し、車両の圧縮空気源からの空気の出し入れにより前記空気ばねの高さを制御する鉄道車両の車体姿勢制御装置において、
   （ａ）車体底面と前記台車枠間に取り付けられ、前記車体に回転支持されるＬＶと、
   （ｂ）該ＬＶに剛に接続される重りと、
   （ｃ）前記ＬＶの回転中心に回転可能に支持されるレバーと、
   （ｄ）該レバーの先端と前記台車枠間を連結する連結棒とを備え、
   （ｅ）遠心力によって前記ＬＶと前記レバーの間に角度が生じると、該角度によって前記空気ばねの高さを制御することを特徴とする鉄道車両の車体姿勢制御装置。
2. 請求項１記載の鉄道車両の車体姿勢制御装置であって、曲線を高速走行する鉄道車両の車体傾斜制御装置として用いることを特徴とする鉄道車両の車体姿勢制御装置。
3. 請求項１記載の鉄道車両の車体姿勢制御装置であって、乗客の乗降や、走行中の車体高さの変動により、前記空気ばねの高さが変動する場合に、鉄道車両の車体の高さの制御装置として用いることを特徴とする鉄道車両の車体姿勢制御装置。

Images