JP2011162156A - 車両用空気ばね装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の台車と車体との間に二次ばねとして設置される空気ばねの減衰性能が、路線の全区間における区間条件、或いは全速度条件において車両の走行地点や走行速度に応じて的確に調整されるようにして車両の乗り心地を向上させることを課題としている。
【解決手段】台車と車体との間に配置する空気ばね１０の内室１１と外部の補助空気室１２との間の空気通路に駆動源６を含む可変オリフィス４を設け、車両の走行地点又は走行速度に応じて設定した最適なオリフィス径を制御装置８に予め入力し、この制御装置からの指令で設定地点又は設定走行速度のときに設定されたオリフィス径となるように前記可変オリフィスを制御するようにした。
【選択図】図２

Description

この発明は、新幹線車両などの鉄道車両用として好適な車両用空気ばね装置に関する。

鉄道車両用のサスペンションとして採用される空気ばねは、二次ばねとして車両の台車と車体との間に設置される。この空気ばねは、内室の内容積や内室の空気圧などの調整によってばね剛性を調整することができる。空気ばねは、通常は柔らかいばねとなすために外部（本体部の下側）に補助空気室を作り、その補助空気室を空気ばねの内室にオリフィス（絞り）を介して連通させている。

空気ばねの内室と補助空気室との間に介在するオリフィスには、オリフィス径が固定された固定オリフィスとオリフィス径を調整できる可変オリフィスがある。ここで云うオリフィス径とは、空気通路の絞りの度合いであり、その径が小さければ通路断面積は狭い。

固定オリフィスを設けた空気ばねは、振動減衰性能が一定しており、走行区間や走行速度などによって振動減衰性能が有効に発揮される場合とそうでない場合が生じる。特定区間の環境条件（線路状況やトンネルなどの有無）や走行速度に合わせてオリフィス径の最適値を決定した場合、場所や走行速度が異なる区間では乗り心地が悪くなる。つまり、走行区間や走行速度などに応じた最適オリフィス径が存在する。車体重量や車両が何号車であるかなどの車両条件によっても最適オリフィス径は変化する。

可変オリフィスは、上記のような固定オリフィスの欠点を解消する目的で開発されたものであって、例えば、ＪＲの３００系新幹線などで用いられたパッシブ型の可変オリフィスが知られている。これは、空気ばねに負荷される振動をオリフィス前後の内圧差ΔＰに置き換え、振動（＝ΔＰ）が大きくなると、空気ばね内部に設けられた弁が開き、これによるオリフィス径の拡大によって高周波域での振動吸収性能が向上する。

下記特許文献１〜３に開示された空気ばね装置や車両制振装置も提案されている。これらのうち、特許文献１が開示している空気ばね装置は、車体の振動をセンサで検出し、検出した振動の速度に比例した振動減衰力が得られるように可変オリフィスの径を制御する。

また、特許文献２が開示している車両制振装置は、車両の台車枠と台車の軸箱との間に設ける第１の減衰部と台車枠と車体との間に設ける空気ばねを採用した第２の減衰部を車体の振動検出信号に基いて制御する。

さらに、特許文献３が開示している車両制振装置は、車体傾斜装置で車体を傾斜させるときに発生する振動を空気ばねの減衰性能（剛性）を変化させて制御する。

特開平６−２３９２３０号公報 特開２００６−２８１９６３号公報 特開２００６−２８１９７６号公報

空気ばねに負荷される振動をオリフィス前後の内圧差ΔＰに置き換えてオリフィス径を制御するサスペンションは、現車で得られるオリフィス前後の内圧差ΔＰの値が非常に小さく、その内圧差で弁を作動させるため応答性が悪くて弁が作動しないことが多く、車両の乗り心地向上にはつながっていない。

また、特許文献１〜３などが開示している空気ばね装置や車両制振装置は、車体の振動を検出し、その振動の速度に基いて可変オリフィスの径を制御する。従って、弁が振動に反応しない不具合は回避されるが、振動が発生した後にその振動を検出してフィードバック制御を行う装置であるため、高速で走行する車両に採用すると応答遅れを生じ、効果的な振動減衰を期待できない。

この発明は、路線の全区間における区間条件、或いは全速度条件において車両の乗り心地を向上させるために、空気ばねの減衰性能の調整が、車両の走行地点や走行速度に応じて応答遅れなどを起こさずに的確になされるようにすることを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、台車と車体との間に配置する空気ばねとその空気ばねの制御装置を組み合わせた車両用空気ばね装置を提供する。その装置は、空気ばねの内室と外部の補助空気室との間の空気通路に駆動源を含む可変オリフィスを備えており、前記制御装置が、車両の走行地点、走行速度又はその走行地点と走行速度に応じて予め設定されたオリフィス径となるように前記可変オリフィスを制御する。

この空気ばね装置は、フエールセーフ対策として、空気ばねの内室と補助空気室との間の空気通路に、オリフィス径の一定した固定オリフィスを可変オリフィスと並列配置にして設けると好ましい。

また、この空気ばね装置に設ける可変オリフィスは、オリフィス径を連続的に変化させるものと段階的に変化させるものが考えられ、どちらを採用しても発明の目的が達成される。
オリフィス径を連続的に変化させる可変オリフィスは、駆動力を制御して弁体の位置を連続的に変化させ、その位置変化で通路面積を連続的に変化させるものが好ましい形態として考えられる。

オリフィス径を段階的に変化させる可変オリフィスは、弁体の位置を段階的に変化させて弁座との間の空気通路の面積を段階的に変化させる形式のもののほかに、並列配置の複数の分岐通路と各分岐通路を個別に開閉する開閉弁とで可変オリフィスを構成し、前記開閉弁の閉弁数を増減させてオリフィス径を段階的に変化させるものが考えられる。

また、可変オリフィスを空気ばねの積層ゴムの内部に設置するのも好ましい。積層ゴムは下面板を支持したものでも構わない。その可変オリフィスは、空気ばねの外部に設けることもできるが、積層ゴムの内部に設置するものは装置のコンパクト化が図れる。
また、車両条件によっては、オリフィス径の調整を、例えば、条件の異なる号車毎に行えるようにしておくことが好ましくなる場合がある。

この発明は、上記空気ばね装置用の空気ばねも併せて提供する。その空気ばねは、内室と外部の補助空気室との間の空気通路に、オリフィス径が車両の走行地点、走行速度又はその走行地点と走行速度に応じて制御される駆動源を含んだ可変オリフィスを備えたものである。

この発明の空気ばね装置は、車両の走行地点又は走行速度に応じたオリフィス径を予め設定しておき、その設定条件と合致するように可変オリフィスのオリフィス径を制御装置からの指令によって制御する。従って、現車の走行地点又は走行速度に的確に対応した空気ばねの減衰調整がなされ、応答の鈍さや応答遅れに起因した振動減衰性能の低下が無くなって路線の全区間、或いは全速度条件において車両の乗り心地が向上する。

なお、車両の走行地点毎の最適オリフィス径や走行速度毎の最適オリフィス径は、現車試験などで収集した車体の上下振動データをベースにして決定する。こうして求めた各地点、各速度に応じた最適オリフィス径を空気ばねの制御装置に入力し、車両が実際に走行するときの走行地点や走行速度情報を入手して予め設定されたオリフィス径になるように可変オリフィスを制御する。
車体重量や車両が何号車であるかなどの車両条件によって最適オリフィス径が変化する場合には、オリフィス径の調整を条件の異なる号車毎に行えるようにすることでその条件変化に対応することができる。

例えば、Ｎ７００系新幹線では、車体の傾き制御のために車両の走行地点及び速度情報がタイムリーに収集されており、そのＮ７００系新幹線にこの発明の装置を適用すれば、傾き制御のために収集された情報を利用して的確にオリフィス径を変更することができる。

なお、この発明は、現車試験で車体の上下振動データを収集し、各地点、各速度毎の最適オリフィス径を設定して制御装置に予め入力することで、Ｎ７００系新幹線以外の車両にも適用することができる。

この発明の空気ばね装置の全体構成の概要を示す図 第１の形態の空気ばね装置の要部を示す断面図 図２の空気ばねの内部に設けたインサイドボスと可変オリフィスの平面図 （ａ）図３の可変オリフィスの通路遮断状態を示す断面図、（ｂ）図３の可変オリフィスの通路開放状態を示す断面図 第２の形態の空気ばね装置の要部を示す断面図 （ａ）第２の形態の空気ばね装置の最小オリフィス径状態を示す線図、（ｂ）可変オリフィスを１個開いた状態の線図、（ｃ）可変オリフィスを２個開いた状態の線図 可変オリフィスを外部の分岐通路に設けた空気ばね装置の概要を示す図

以下、この発明の空気ばね装置の実施の形態を、添付図面に基いて説明する。図１に示した空気ばね装置１は、車両の台車２と車体３との間に設置する空気ばね１０と、可変オリフィス４と、固定オリフィス７と、可変オリフィス４を制御する制御装置８を組み合わせて構成されている。１１は、空気ばね１０の内室、１２は補助空気室であり、この内室１１と外部に設けられた補助空気室１２との間の空気通路に可変オリフィス４と固定オリフィス７が並列配置にして組み込まれている。

空気ばね装置１の複数考えられる実施の形態の中の第１の形態の要部を図２に示す。この第１の形態の装置に採用した空気ばね１０は、挟みプレート１３ａとゴム層１３ｂを交互に重ねて一体化した積層ゴム１３上に下面板１４を固定し、さらに、この下面板１４と外筒１５との間にダイヤフラム１６を配置して内室１１を作り出した周知の構造のものを採用している。

この空気ばね１０は、空気孔を有する連結軸１７を有しており、積層ゴム１３の最下層の挟みプレート１３ａに一体化されたその連結軸１７に、積層ゴム１３の内部に収納される中空のインサイドボス１８を連結し、このインサイドボス１８の中心の孔の途中に固定オリフィス７を形成している。

また、インサイドボス１８の中心の孔の途中に分岐孔１８ａを設け、インサイドボス１８の外周の面取り部に可変オリフィス４の筐体４ａを固定して分岐孔１８ａに通路面積が制御される筐体内の空気通路（通路の面積可変部の最小通路部分が有効オリフィス径）を接続している。

図２の空気ばね１０に用いた可変オリフィス４は、ロータリ式である。そのロータリ式の可変オリフィス４は、図３、図４に示すように、内部に軸直角な貫通孔５ａを有する円柱状の弁体５と、その弁体５を駆動する駆動源６（図２参照。図のそれはロータリソレノイド）を備えている。弁体５は、出入り口Ｐ１、Ｐ２を有する筐体４ａに組み込まれており、この弁体５の所定角度範囲での回転によって、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、出入り口Ｐ１、Ｐ２の連通状態が切り換わる。

この可変オリフィス４は、通路を単純に開放、遮断する開閉弁的なものでもよいが、弁体５の回転量が駆動力（制御可能な駆動電流など）の大きさに比例して変化するものを採用すれば、弁体５の回転量を制御して出入り口Ｐ１、Ｐ２間に形成される通路の面積（オリフィス径）を連続的に変化させることができる。図示のロータリ式の可変オリフィスは、小型で振動耐性にも優れ、さらに、オリフィス径の調整も円滑に行えて好ましいが、可変オリフィス４は、スプールの弁体を変位させてオリフィス径を変化させるもの、複数の通路を開閉弁で単純に開閉して通路の接続数を増減するもの、ゴムチューブを変形させてオリフィス径を変化させるもの、穴あきプレートを回転やスライドなどで変位させて穴の接続数を増減させるもの、シャッター機構を利用して穴径を変化させるもの、ゴムの環状袋体を膨張、収縮させて通路面積を変化させるものなど、ロータリ式のほかにも種々の形態が考えられる。要は、制御によって通路面積を変化させられるものであればよい。

固定オリフィス７は、推奨される好ましい要素である。この固定オリフィス７があると、万一可変オリフィス４が故障した場合にも最低限の振動減衰機能が確保されて車両の乗り心地の極端な悪化が抑えられ、車両の安全性も保たれる。

図１の制御装置８には、車両の走行地点毎の最適オリフィス径や走行速度毎の最適オリフィス径が制御情報として予め入力されている。その最適オリフィス径は、現車試験などで収集した車体の上下振動データをベースにして決定する。

車両の地点情報と速度情報が図１に示したセンサ９等から制御装置８に逐次入力され、この制御装置８から、可変オリフィス４の駆動源６に制御指令が出される。制御装置８は、予め入力された走行地点や走行速度に応じたオリフィス径を記憶しており、その記憶したオリフィス径となるように駆動源６に指令を出して可変オリフィス４を制御する。従って、この発明の空気ばね装置を備えれば、現車の走行地点や走行速度に的確に対応した空気ばねの調整がなされる。

この発明の空気ばね装置によるオリフィス径の調整は、事前に記憶したデータに基づく制御であるので、制御指令が出てからオリフィス径の調整が完了するまでの時間差を予め見込んだ制御を行うことができ、車両がある地点に到達したときにその地点での最適オリフィス径をタイムラグ無しで実現することができ、空気ばねによる振動減衰性能を十分に引き出すことができる。

図５に、この発明の空気ばね装置の第２の形態の要部を示す。この第２の形態の空気ばね装置１は、空気ばね１０の積層ゴム１３（図示の積層ゴムは、下面板１４を支持しているが、この構造は必須ではない）の内部に可変オリフィス４と固定オリフィス７を設けたものであって、基本構成は第１の形態の装置と変わるところがない。第１の形態との相違点は、可変オリフィス４を、駆動形式の異なるものに置き換えたところにある。

この第２の形態の空気ばね装置１に設けた可変オリフィス４（これは一種の開閉弁）は、空気圧作動のスプールを弁体５として採用しており、スプリング１９で閉弁方向に付勢したその弁体５を、導管２０に通して供給される空気圧で作動させる。弁体５は一端に空気圧を受けるとスプリング１９を圧縮して開弁位置に移動し、これにより、弁体５に形成された通路（図のそれは貫通孔５ａ）を介して筐体４ａに設けられた空気の出入り口Ｐ１、Ｐ２が連通する。そのために、空気ばね１０の内室１１と補助空気室１２との間が、固定オリフィス７と可変オリフィス４の２者を経由して連通し、オリフィス径が実質的に大きくなったのと等価な状態が作り出される。

なお、第２の形態で採用した可変オリフィス４の弁体５は、電磁力で作動させることもできる。駆動電流に比例した電磁力を発生させてその電磁力に応じた位置に弁体５を動かす構造にすれば、可変オリフィス４のオリフィス径を連続的に変化させることが可能である。オリフィス径を連続的に変化させることができるものは、段階的に変化させるものに比べて空気ばね１０のばね剛性を緻密に調整することができる。

可変オリフィス４として、通路の連通、遮断の状態を単純に切り換えてオリフィス径を変化させるタイプのものを採用する空気ばね装置は、可変オリフィス４を複数設置すると好ましい。可変オリフィスを並列配置にして複数設けると、図６に示すように、通路を開放するオリフィスの数を任意に変化させることで、オリフィス径の調整を可変オリフィス数の少ないものに比べて緻密化することができる。

なお、可変オリフィス４は、図７に示すように、空気ばね１０の外部に設けてもよい。
図７の第３の形態の空気ばね装置１は、並列配置の分岐通路２１を複数設けて各分岐通路２１にそれぞれの分岐通路を個別に開放、遮断する開閉弁２２を配置しており、開閉弁２２の閉弁数を増減させてオリフィス径を段階的に変化させることができる。図６、図７の構造は、可変オリフィス４を２個設けて１個の固定オリフィス７と組み合わせており、可変オリフィス４を２個とも閉じると、固定オリフィス７のみを通って空気が移動する。可変オリフィス４の閉じ数を１個、０個と変化させることでオリフィス径を順次拡大することができる。

なお、空気ばねの減衰性能について緻密な制御が要求される場合には、オリフィス径を連続的に変化させることが推奨されるが、段階的切り換えを行うものは可変オリフィスの構造や制御の簡素化が図れる。実車による走行試験を行った結果、新幹線に関してはオリフィス径を３段階程度に切り換え可能にしておけば、ほぼ満足できる振動減衰機能が得られることを確認しており、段階的切り換えでも発明の目的は達成される。

１ 空気ばね装置
２ 台車
３ 車体
４ 可変オリフィス
４ａ 筐体
Ｐ１、Ｐ２ 出入り口
５ 弁体
５ａ 貫通孔
６ 駆動源
７ 固定オリフィス
８ 制御装置
９ センサ
１０ 空気ばね
１１ 内室
１２ 補助空気室
１３ 積層ゴム
１３ａ 挟みプレート
１３ｂ ゴム層
１４ 下面板
１５ 外筒
１６ ダイヤフラム
１７ 連結軸
１８ インサイドボス
１８ａ 分岐孔
１９ スプリング
２０ 導管
２１ 分岐通路
２２ 開閉弁

Claims (8)

1. 台車と車体との間に配置する空気ばね（１０）とその空気ばねの制御装置（８）を組み合わせた車両の空気ばね装置であって、
   前記空気ばね（１０）の内室（１１）と外部の補助空気室（１２）との間の空気通路に駆動源（６）を含む可変オリフィス（４）を備え、
   前記制御装置（８）が、車両の走行地点、走行速度又はその走行地点と走行速度に応じて予め設定されたオリフィス径となるように前記可変オリフィス（４）を制御する車両用空気ばね装置。
2. 前記空気ばね（１０）の内室（１１）と前記補助空気室（１２）との間の空気通路に、オリフィス径の一定した固定オリフィス（７）を前記可変オリフィス（４）と並列配置にして設けた請求項１に記載の車両用空気ばね装置。
3. 前記可変オリフィス（４）として、オリフィス径を連続的に変化させるものを用いた請求項１又は２に記載の車両用空気ばね装置。
4. 前記可変オリフィス（４）として、オリフィス径を段階的に変化させるものを用いた請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両用空気ばね装置。
5. 前記可変オリフィス（４）を、並列配置の複数の分岐通路（２１）と各分岐通路（２１）を個別に開閉する開閉弁（２２）とで構成し、前記開閉弁（２２）の閉弁数を増減させてオリフィス径を段階的に変化させるようにした請求項１〜４のいずれか１項に記載の車両用空気ばね装置。
6. 前記可変オリフィス（４）を、空気ばね（１０）の積層ゴム（１３）の内部に設置した請求項１〜５のいずれか１項に記載の車両用空気ばね装置。
7. 前記可変オリフィス（４）を、空気ばね（１０）の下面板（１４）を支持する積層ゴム（１３）の内部に設置した請求項１〜５のいずれか１項に記載の車両用空気ばね装置。
8. 台車と車体との間に配置する空気ばねであって、内室（１１）と外部の補助空気室（１２）との間の空気通路に、オリフィス径が車両の走行地点、走行速度又はその走行地点と走行速度に応じて制御される駆動源（６）を含んだ可変オリフィス（４）を備えた空気ばね。

Images