JP2013139238A - 鉄道車両 - Google Patents

Abstract

【課題】空気ばねの空気消費量を低減しつつ、車体の傾斜制御における応答時間を短縮することが可能な鉄道車両の車体傾斜制御システムを提供する。
【解決手段】各空気ばね２１の内部の空気室同士を連通させる空気流路３１と、空気流路３１を開閉可能な第一制御弁３２と、作動油と共に圧縮性流体が封入されて各油圧シリンダー５４の油室に連通されるクッション部４６と、各油圧シリンダー４５の油室同士を連通させる油流路５０と、該油流路５０の途中に設けられ、ピストン５４により第一油室５５と第二油室５６とに隔てられた制御シリンダー５３とを備え、油流路５０は、車幅方向一側に設けられた油圧シリンダー４５の油室と制御シリンダー５３の第一油室５５とを連通させる第一油流路５１と、車幅方向他側に設けられた油圧シリンダー４５の油室と制御シリンダー５３の第二油室５６とを連通させる第二油流路５２と、を備える。
【選択図】図２

Description

この発明は、鉄道車両に関するものである。

従来、台車と車体との間に空気ばねを備えた鉄道車両にあっては、カーブ区間を安全に走行できる走行速度を高くしたり、カーブ区間における乗客の乗り心地を良くしたりするために、左右一対の空気ばねのうち一方の空気ばねを減圧するとともに他方を加圧することで、車体を遠心方向の内側に傾斜させる車体傾斜装置を備えたものが知られている。この車体傾斜装置は、振り子はりを用いない簡単な機構で車体を傾斜させることができ、軌道からの微小な振動をも減衰させることができる点で有利であるものの、作動流体として空気を利用しているため、空気ばねを伸縮させる際の空気消費量が大きくなってしまっていた。そこで、特許文献１には、車体傾斜時における空気ばねの空気消費量を低減するために、左右一対の空気ばねの間に空気シリンダーを接続し、空気シリンダーのピストンを変位させることで、左右一対の空気ばねの内部空間の空気を移動させて車体を傾斜させる技術が開示されている。

特許第２６５０５６２号公報

しかしながら、上述した車体傾斜装置を備える鉄道車両は、空気消費量が低減されているものの、圧縮性流体である空気を作動流体として利用しているため、応答時間が比較的長くなってしまうという課題がある。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、空気ばねの空気消費量を低減しつつ、車体の傾斜制御における応答時間を短縮することが可能な鉄道車両の車体傾斜制御システムを提供するものである。

上記の課題を解決するために、以下の構成を採用する。
本発明に係る鉄道車両は、空気ばねと油圧シリンダーとを車幅方向両側にそれぞれ備える台車と、該台車に空気ばね、および、油圧シリンダーを介して支持される車体と、車幅方向両側に設けられた前記空気ばねの内部の空気室同士を連通させる空気流路と、該空気流路の途中に設けられ、該空気流路を開閉可能な開閉弁と、作動油と共に圧縮性流体が封入され前記各油圧シリンダーの油室に連通されるクッション部と、前記各油圧シリンダーの油室同士を連通させる油流路と、該油流路の途中に設けられ、ピストンにより第一油室と第二油室とが隔てられる制御シリンダーとを備え、前記油流路は、前記車幅方向一側に設けられた前記油圧シリンダーの油室と前記制御シリンダーの前記第一油室とを連通させる第一油流路と、前記車幅方向他側に設けられた前記油圧シリンダーの油室と前記制御シリンダーの前記第二油室とを連通させる第二油流路と、を備えることを特徴としている。

このように構成することで、車幅方向両側の空気ばねの空気室同士を連通させて、制御シリンダーの第一油室が拡大し、第二油室が縮小する方向にピストンを変位させると、台車の車幅方向の一側に設けられた油圧シリンダーが縮み方向に変位して、台車の車幅方向の一側に設けられた空気ばねに圧縮方向の力を加えることができると共に、台車の車幅方向の他側に設けられた油圧シリンダーが伸び方向に変位して、台車の車幅方向の他側に設けられた空気ばねに伸長方向の力を加えることができるので、台車の車幅方向一側の空気ばねから空気を排出し、当該空気を車幅方向他側の空気ばねに供給して車体を台車の車幅方向の一側に傾斜させることができる。上記とは反対に、制御シリンダーの第一油室が縮小、第二油室が拡大する方向にピストンを変位させると、台車の車幅方向の他側に設けられた油圧シリンダーが縮み方向に変位して、台車の車幅方向の他側に設けられた空気ばねに圧縮方向の力を加えることができると共に、台車の車幅方向の一側に設けられた油圧シリンダーが伸び方向に変位して、台車の車幅方向の一側に設けられた空気ばねに伸長方向の力を加えることができるので、台車の車幅方向他側の空気ばねから空気を排出し、当該空気を一側の空気ばねに供給して車体を台車の車幅方向の他側に傾斜させることができる。また、油圧シリンダーに連通されたクッション部に封入された圧縮性流体により衝撃を吸収させることができる。

さらに、本発明に係る鉄道車両は、上記鉄道車両において、前記開閉弁は、前記制御シリンダーのピストンをストロークさせる際に開放され、それ以外のときは閉塞状態とされる。
このように構成することで、制御シリンダーのピストンをストロークさせていないときに、各空気ばね間の空気の移動を防止することができるため、空気ばねを安定的に動作させることができる。

さらに、本発明に係る鉄道車両は、上記鉄道車両において、前記クッション部と油圧シリンダーとを連通させる流路に絞りを設けてもよい。
このように構成することで、作動油が絞りを通過する際に抵抗を発生させることができるため、油圧シリンダーに伸縮方向の衝撃が加わりこの衝撃をクッション部により吸収する際に、クッション部の振動をスムーズに減衰させることができる。

本発明に係る鉄道車両によれば、制御シリンダーのピストンを作動させることで、台車の車幅方向両側に設けられた油圧シリンダーに対して、第一油流路と第二油流路とを介して非圧縮性流体である作動油を供給したり排出させたりして、車体を傾斜させることができるため、空気ばねに対して圧縮性流体である空気を給排気することだけで車体を傾斜させる場合と比較して、車体の傾斜制御における応答時間を短縮化することができる。また、空気通路によって台車の車幅方向両側に設けられた各空気ばねの空気が相互に移動可能であるため、空気消費量を低減することが可能になる。

本発明の実施形態における鉄道車両の概略構成図である。 上記鉄道車両が紙面左側に傾斜した状態を示す図である。

以下、この発明の実施形態における鉄道車両について図面を参照して説明する。
図１は、この実施形態の鉄道車両である鉄道車両１０を示している。この鉄道車両１０の台車１１は、レールＲの幅方向に延びる車軸１２に略円盤状の２枚の車輪１３が圧入された一対の輪軸１４（図１中、一方のみを示す）が互いの車軸１２を前後平行に配置して備える。
車軸１２の左右端部は、図示しない軸受けにより回動自在に支持され、これら軸受けを備える支持部（図示せず）に、軸バネ１５を介して台車枠１６が支持されている。

台車枠１６は、台車１１の車幅方向の左右両側部の上面２０に、左右一対のダイヤフラム式の空気ばね２１が支持され、この空気ばね２１を介して車体２２が台車１１に弾性的に支持されている。
台車枠１６は、空気ばね２１よりも車幅方向外側に、車体２２から離間する方向の段差部１６ａを有しており、この段差部１６ａと車体２２の左右両端部との間に、それぞれハイドロニューマチックサスペンション３０が取り付けられている。

上記左右一対の空気ばね２１は、互いの空気室（図示せず）が空気流路３１により連通されており、この空気流路３１の途中には、空気流路３１を開閉する第一制御弁３２が取り付けられている。さらに、左右一対の空気ばね２１には、それぞれ給排気通路３３を介して高さ調整弁３４が接続されており、給排気通路３３の途中には第二制御弁３５が取り付けられている。また、左右一対の高さ調整弁３４には、それぞれ元空気溜め３６と連通される給排気通路３７が接続されている。なお、元空気溜め３６には、コンプレッサ等により圧縮空気が予め貯留されている。

高さ調整弁３４は、例えば、乗客の乗降等により車体側重量が増減した場合に、空気ばね２１の空気圧を調整して、レールＲから車体２２を所定高さに保持するための開閉弁であり、車体２２の高さを増加させる場合には、元空気溜め３６の圧縮空気を空気ばね２１の空気室に供給し、車体２２の高さを減少させる場合には、空気ばね２１の空気室から排気を行うようになっている。

高さ調整弁３４は、揺動可能なレバー部３８を水平方向外側に延出して備えており、レバー部３８の端部と段差部１６ａとの間に、車体２２の高さ方向に伸びる高さ調整棒３９が介在されている。高さ調整棒３９は、その上端部および下端部がロッドエンドベアリング等を介してレバー部３８の端部および段差部１６ａに連結され、車体２２と台車１１との間隔、すなわち、レバー部３８の端部と段差部１６ａとの間隔が変化した場合には、当該変化がレバー部３８の揺動角度として高さ調整弁３４に入力されるようになっている。

ここで、高さ調整弁３４による車体２２の高さの調整は、高さ調整棒３９の長さに基づき行われ、レバー部３８が水平位置となるように空気ばね２１の空気圧が調整され、例えば、レバー部３８が水平位置よりも上側に揺動している場合には、元空気溜め３６からの圧縮空気の供給により空気ばね２１が加圧され、レバー部３８が水平位置よりも下側に揺動している場合には、空気室からの排気により空気ばね２１が減圧される。

第二制御弁３５は、給排気通路３３を開閉する弁であり、この第二制御弁３５を閉弁することで、上述した高さ調整弁３４による車体２２の高さ調整を無効化することが可能となっている。
また、左右一対の空気ばね２１には、空気流路３１と同様に、互いの空気室を連通可能な連通管４１が接続されており、この連通管４１には、各空気室の差圧が所定の差圧以上となった場合に開弁する差圧弁４２が取り付けられている。この差圧弁４２は、通常、開弁されることはなく、例えば、空気ばね２１がパンクしたときなど、各空気ばね２１間の差圧が顕著になった場合に開弁される。差圧弁４２が開弁されることで、左右一対の空気ばね２１の各空気室の空気圧が均一化され、すなわち、空気ばね支持荷重の不均一化が回避され、走行安全性が維持される。

ハイドロニューマチックサスペンション３０は、主に油圧シリンダー４５と、クッション部４６とを備えて構成される。
油圧シリンダー４５は、非圧縮性の作動油で満たされる油室（図示せず）を備え、この油室内の油量を調整することでピストン（図示せず）が変位して、その基本長が可変となっている。
クッション部４６は、油圧シリンダー４５の油室よりも十分に細径な流路４７を介して上記油圧シリンダー４５の油室と連通され、上記作動油と窒素などの圧縮性気体とで満たされ、いわゆるガススプリングとして機能する。そして、上記流路４７が油圧シリンダー４５の油室よりも十分に細径に形成されることで、油圧シリンダー４５とクッション部４６との間を行き来する作動油の抵抗を増加させる絞りとして機能する。なお、窒素などの圧縮性気体は、作動油に直接触れないように、ゴムダイヤフラム（図示せず）など伸縮可能な容器に封入されて隔離されている。

左右一対の油圧シリンダー４５の油室は、それぞれ第一油流路５１と第二油流路５２とからなる油流路５０を介して接続されており、油流路５０の途中には、制御シリンダー５３が設けられている。制御シリンダー５３は、ピストン５４により第一油室５５と第二油室５６とが隔てられており、第一油室５５は、第一油流路５１を介して、台車１１の左右車幅方向一側（図１中、左側）に設けられた油圧シリンダー４５の油室に連通され、第二油室５６は、第二油流路５２を介して、台車１１の左右車幅方向他側（図１中、右側）に設けられた油圧シリンダー４５の油室に連通されている。

制御シリンダー５３のピストン５４には、ピストン５４を基準に対称形状を成す操作ロッド５７とダミーロッド５８とが、ピストン５４のストローク方向両側に向かって突出形成されている。ピストン５４は、電動モータ６０が回転駆動されることで、ストロークされるようになっており、回転方向に応じた方向にストロークされる。ここで、上記ダミーロッド５８は、ピストン５４の単位変位量当たりの第一油室５５と第二油室５６との容積変化率を均一化するために設けられており、上記操作ロッド５７には、電動モータ６０の回転を、操作ロッド５７を押し引きする直線の動きに変換するラックアンドピニオン機構（図示せず）などの機構が設けられている。

電動モータ６０、第一制御弁３２、および、第二制御弁３５とは、それぞれ車体２２の傾斜制御を行う制御器６１の制御指令に従って駆動される。制御器６１は、予め記憶された走行区間の曲線データおよび鉄道車両１０が受信するＡＴＳ信号の情報などに基づく自車位置情報の検知結果を用いて最適な車体傾斜角度に対応した電動モータ６０の回転量目標値、および回転方向をテーブル検索又はマップ検索により求める。そして、車体の傾斜制御を開始させるときには、第一制御弁３２に開弁信号を送信するとともに第二制御弁３５に閉弁信号を送信し、さらに、テーブル検索又はマップ検索により求めた回転量目標値、回転方向で電動モータ６０の駆動制御を行う。

この実施形態における車両は、上記構成を備えており、次に、この鉄道車両１０の車体傾斜時の動作について図２を参照しながら説明する。なお、左側への傾斜動作と右側への傾斜動作とは、傾斜方向が異なるだけであるため、この動作の説明では、図２に示す鉄道車両１０が紙面左側に傾斜する場合についてのみ説明する。

まず、鉄道車両１０がカーブ区間に差し掛かる直前に、制御器６１により電動モータ６０の回動が開始されて、制御シリンダー５３のピストン５４が外軌側へ変位する。すると、外軌側の第二油室５６が圧縮を開始するとともに内軌側の第一油室５５が膨張を開始する。これにより、外軌側の油圧シリンダー４５の内圧が増加し、当該油圧シリンダー４５が伸び方向に変位し始めると共に、内軌側の油圧シリンダー４５の内圧が減少し、当該油圧シリンダー４５が縮み方向に変位し始める。

さらに、上記電動モータ６０の回動開始と同時に、高さ調整弁３４による空気ばね２１の給排気を禁止するために、制御器６１により第二制御弁３５が閉弁され、さらに、車体２２の内軌側への傾斜が開始されると、空気ばね２１が上記油圧シリンダー４５の伸縮を妨げないように、第一制御弁３２が開弁されて、内軌側の空気ばね２１、および、外軌側の空気ばね２１の各空気室間の空気の流動が許容される。具体的には、内軌側の空気ばね２１は排気され、この内軌側の排気分が外軌側の空気ばね２１に供給される。これにより、内軌側の空気ばね２１と外軌側の空気ばね２１との内圧のバランスがとられることとなる。この際、車両走行時の動揺成分は、油圧シリンダー４５に連通されるクッション部４６が吸収し、減衰させる。電動モータ６０の回転量が回転量目標値に達して車体２２の傾斜角度が所定の傾斜角度（図２中、矢印で示す傾斜角度）になると、制御器６１により第一制御弁３２が閉弁されて、車体２２の傾斜制御が完了する。なお、図２中、車体２２の傾斜前後の左右中心線をそれぞれ一点差線で示している。

一方、カーブ区間から直線区間に移行する際には、電動モータ６０を上述した回転方向とは逆方向に同じ回転量だけ回転させて、制御シリンダー５３のピストンを中立位置に復位させる。これにより、内軌側の油圧シリンダー４５の基本長と外軌側の油圧シリンダー４５の基本長とが同じに長さになる。

この際、空気ばね２１が油圧シリンダー４５の伸縮を妨げないように、第一制御弁３２が開弁され、内軌側の空気ばね２１の空気室と外軌側の空気ばね２１の空気室とが連通されて各空気ばね２１の内圧のバランスがとられる。そして、車体２２が水平位置まで復位した後、第一制御弁３２が閉弁されるとともに、第二制御弁が開弁されて、傾斜状態からの車体２２の復位制御が完了する。

したがって、上述した実施形態の鉄道車両１０によれば、制御シリンダー５３のピストン５４をストロークさせることで、台車１１の車幅方向両側に設けられた油圧シリンダー４５に対して、第一油流路５１と第二油流路５２とを介して非圧縮性流体である作動油を供給したり排出させたりして、車体２２を傾斜させることができるため、空気ばね２１に対して圧縮性流体である空気を給排気することで車体２２を傾斜させる場合と比較して、車体２２の傾斜制御における応答時間を短縮化することができる。
また、空気通路によって台車１１の車幅方向両側に設けられた各空気ばね２１の空気が相互に移動可能であるため、空気消費量を低減することが可能になる。

さらに、第一制御弁３２が、制御シリンダー５３をストロークさせる際にだけ開放され、それ以外のときには閉塞されているので、制御シリンダー５３のピストン５４をストロークさせていないときには、各空気ばね２１間の空気の移動を防止して、空気ばね２１を安定的に動作させることができる。
そして、クッション部４６と油圧シリンダー４５との間の流路４７に絞りを設けていることで、作動油が絞りを通過する際に抵抗を発生させることができるため、油圧シリンダー４５に伸縮方向の衝撃が加わりこの衝撃をクッション部４６により吸収する際に、クッション部４６の振動をスムーズに減衰させることができる。

なお、この発明は上述した実施形態の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。
例えば、上述した実施形態では、電動モータ６０により制御シリンダー５３のピストン５４を変位させる場合について説明したが、電動モータ６０以外の電磁アクチュエータなどを用いてピストン５４を変位させる構成にしてもよい。
また、制御シリンダー５３に、操作ロッド５７とダミーロッド５８とを設けて、第一油室５５と第二油室５６との容積変化率を均一化する場合について説明したが、この構成に限られず、例えば、第一油室５５側と第二油室５６側とでピストン形状を変化させて、制御シリンダー５３の容積変化率を均一化するようにしても良い。

２１ 空気ばね
１１ 台車
２２ 車体
３１ 空気流路
３２ 第一制御弁（開閉弁）
４５ 油圧シリンダー
４６ クッション部
４７ 流路
５０ 油流路
５１ 第一油流路
５２ 第二油流路
５３ 制御シリンダー
５４ ピストン
５５ 第一油室
５６ 第二油室

Claims (3)

1. 空気ばねと油圧シリンダーとを車幅方向両側にそれぞれ備える台車と、
   該台車に空気ばね、および、油圧シリンダーを介して支持される車体と、
   車幅方向両側に設けられた前記空気ばねの内部の空気室同士を連通させる空気流路と、
   該空気流路の途中に設けられ、該空気流路を開閉可能な開閉弁と、
   作動油と共に圧縮性流体が封入され前記各油圧シリンダーの油室に連通されるクッション部と、
   前記各油圧シリンダーの油室同士を連通させる油流路と、
   該油流路の途中に設けられ、ピストンにより第一油室と第二油室とが隔てられる制御シリンダーとを備え、
   前記油流路は、前記車幅方向一側に設けられた前記油圧シリンダーの油室と前記制御シリンダーの前記第一油室とを連通させる第一油流路と、前記車幅方向他側に設けられた前記油圧シリンダーの油室と前記制御シリンダーの前記第二油室とを連通させる第二油流路と、を備えることを特徴とする鉄道車両。
2. 前記開閉弁は、前記制御シリンダーのピストンをストロークさせる際に開放され、それ以外のときに閉塞状態とされる請求項１に記載の鉄道車両。
3. 前記クッション部と油圧シリンダーとを連通させる流路に絞りを設けた請求項１又は２に記載の鉄道車両。

Images