JP2014177202A - 鉄道車両用空力ブレーキ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化と収容空間の低減を両立した空力ブレーキ装置を実現する。
【解決手段】ロック解除で僅かに浮き上がり走行風の空気抵抗で第１揺動軸４１で揺動・起立する第１空力ブレーキ板４を備える。ロック機構８０は、モータ駆動軸１０２を解除方向（反時計回り）に回すことで解除される。このとき、クラッチ１２０は、モータ側噛合突起１２２が断切角度範囲へ移動し「切れる」。助勢トルクはそのまま作用し、第１空力ブレーキ板４は走行風の空気抵抗のみで自然と起立姿勢に至るので、ブレーキ作動用の大型アクチュエータは不要となる。起立過程で、揺動軸側噛合突起１２６が断切角度範囲を詰めてモータ側噛合突起１２２に接近する。モータ駆動軸１０２を復帰方向（時計回り）に逆回動させると、モータ側噛合突起１２２が揺動軸側噛合突起１２６を押して「クラッチ入り」、第１空力ブレーキ板４を格納姿勢に復帰させることができる。
【選択図】図１２

Description

本発明は、鉄道車両用の空力ブレーキ装置に関する。

高速移動する車両のブレーキとして空気抵抗を増加させて減速させる空力ブレーキ装置が研究されている。例えば、高速鉄道への搭載が想定された空力ブレーキ装置では、空力ブレーキ板を車両の屋根から起立させるヒンジ方式の空力ブレーキ装置（例えば、特許文献１参照）や、走行風と直交する方向へ空力ブレーキ板を直線的に突出させるポップアップ方式の空力ブレーキ装置（例えば、特許文献２参照）、回転機構を用いて走行風と直交する方向へ空力ブレーキ板を突出させるロータリ方式の空力ブレーキ装置（例えば、特許文献３参照）が知られるところである。

特開平７−２７７１５８号公報 特開２００３−２１９４号公報 特開２００５−４１３２５号公報

ポップアップ方式やロータリ方式は、空力ブレーキ板の駆動機構に作用する風圧の影響がヒンジ方式よりも低減されるので比較的出力が小さいアクチュエータで構成できるメリットがある。しかし、空力ブレーキ板が上下方向へ移動するため収容したときの装置の高さ寸法がヒンジ方式よりも数倍程度大きくなり、その結果空力ブレーキ装置を客室部には設置できず例えば機器室などを別途設ける必要がある。また、空力ブレーキ板を案内し且つ制動中に風圧に耐えて保持するために強固なスライド支持機構を設けなければならない。すなわち、空力ブレーキ板を収容するための収容空間と空力ブレーキ板の支持機構が客室空間を圧迫する課題があった。

一方、ヒンジ方式は、装置を薄型化できるため航空機などではメリットが高いが、駆動時に風圧の影響を直接受けるため、大出力のアクチュエータが必要であった。また、鉄道では、電源損失時等の緊急時に確実に作動し、且つ、不要時には空力ブレーキ板を未作動状態に確実に保持し、加えて、作動状態から未作動状態への復元を容易にする、といった機構が求められる。
本発明は、こうした課題に鑑みてなされたものである。

以上の課題を解決するための第１の発明は、揺動軸で回転することで格納姿勢と起立姿勢とに変位可能な空力ブレーキ板（例えば、図６の第１空力ブレーキ板４、第２空力ブレーキ板６）と、
ロック保持力（例えば、図７のロック保持力Ｆｈ）が与えられている間、前記空力ブレーキ板を前記格納姿勢に保持するロック機構（例えば、図７のロック機構８０、ロック解除バネ９１）と、
前記格納姿勢にある前記空力ブレーキ板を前記起立姿勢に変位させる方向に付勢力を付与する付勢手段（例えば、図７の起立付勢部７６、トーションバネ７７）と、
モータ駆動軸（例えば、図７のモータ駆動軸１０２）と、
前記モータ駆動軸の制動力（例えば、図７のギアヘッド１００ｂのセルフロックによる制動力）又は回転力を前記ロック保持力に変換して前記ロック機構へ伝達する伝達手段（例えば、図７及び図１２の揺動腕１０４、ロック操作ロッド９５、係合ロッド９３）と、
前記モータ駆動軸と前記揺動軸とを接続するクラッチであって、噛み合い方向が逆になったときに所定の断切角度範囲を介して接続するクラッチ（例えば、図７及び図１０のクラッチ１２０）と、を備え、前記クラッチにより前記モータ駆動軸と前記揺動軸とが接続され、前記モータ駆動軸の回転力によって前記空力ブレーキ板が前記格納姿勢とされて後、前記モータ駆動軸が逆回転力可能となって前記ロック機構のロックが解除され、前記空力ブレーキ板が前記格納姿勢から前記起立姿勢に至るまでを前記所定の断切角度範囲として少なくとも含むように構成された鉄道車両用空力ブレーキ装置である。

第１の発明によれば、ブレーキ未作動状態において格納姿勢にあった空力ブレーキ板は、ロック機構によるロックが解除されると、付勢手段の付勢力が有効に作用して、起立姿勢に向けて初期の変位をする。つまり、走行中は無駄な空気抵抗を生まないように寝ていた空力ブレーキ板が、初期の変位で少し浮き上がる。これにより、空力ブレーキ板は走行風を受けて制動力を発揮し始める。
一方、クラッチは、ロック機構の変位に伴って空力ブレーキ板の開き方向の断切角度範囲の間は噛み合いが復元しない状態となる。つまり、揺動軸の回動はモータ駆動軸へは伝達されない「クラッチが切れた」状態となる。

空力ブレーキ板が初期の変位で浮き上がることで走行風をはらめば、揺動軸には空力ブレーキ板の起立姿勢への変位を促進する助勢トルクが作用する。もし、クラッチが切れていなければ、助勢トルクはモータ駆動軸の回動のために消費され、空力ブレーキ板は初期の変位の状態で止まってしまう。従来技術であれば、起立を確実にさせるためにモータ駆動軸を起立方向へ回転させることで対処したことであろう。しかし、本発明では、クラッチが切れることで助勢トルクがモータ駆動軸側へ伝達されて消費されることがない。そのため、助勢トルクはそのまま空力ブレーキ板の起立を促進する。つまり、制御や動力の必要なアクチュエータなど無くとも空力ブレーキ板を自然と起立させることができる。

このように、本発明によれば、空力ブレーキ板を完全に起立させるための大型アクチュエータを必要とせず、小型化と収容空間の低減を両立した空力ブレーキ装置を実現することができる。また、緊急時における電源損失状態によってロック保持力が自然と低減・消失する構成であれば、自動的にロックが解除され、ブレーキが作動することになるので、電源損失を想定した非常用ブレーキとしても利用できる。

第２の発明は、前記付勢手段が、走行風による助勢トルクが、自重により前記空力ブレーキ板が前記格納姿勢に復元しようとする復元トルクを上回る姿勢まで、前記空力ブレーキ板を部分起立させるよう付勢する、第１の発明の鉄道車両用空力ブレーキ装置である。

第２の発明によれば、第１の発明と同様の効果が得られるとともに、ロック解除後の初期の変位を不可逆とすることで、ブレーキの作動不良が起きないようできる。もし、付勢手段を、バネ等で実現すれば、ここでもアクチュエータを不要とすることができる。

第３の形態は、前記ロック機構が、前記空力ブレーキ板に設けられた被係合部と係合する係合爪であって、
所定軸（例えば、図９のフック回転軸８３）で回転することでロック姿勢とロック解除姿勢とに変位可能であり、前記ロック姿勢において頭頂面（例えば、図９の頭頂面８２ｓ）が前記空力ブレーキ板の変位に伴う前記被係合部（例えば、図９のロックピン８１）の移動軌跡に対して傾斜して交差する角度を有し、当該交差時に揺動することで一時的にロック解除姿勢の方向に回転する係合爪（例えば、図９のフック８２）と、
前記係合爪を前記ロック解除姿勢に変位させる方向に付勢力を付与する解除バネ（例えば、図７のロック解除バネ９１）と、を有し、
前記伝達手段は、前記解除バネの付勢力に抗して前記係合爪を前記ロック姿勢に変位及び保持する力として前記ロック保持力を伝達するよう構成された、第１又は第２の発明の鉄道車両用空力ブレーキ装置である。

第３の発明によれば、第１又は第２の発明と同様の効果が得られる。そして、第３の発明では、ロック機構の構成を、係合爪で被係合部を引っ掛けて止める構成とする。この係合爪は、その頭頂面（空力ブレーキ板を格納姿勢に戻そうとする時に被係合部と最初に当接する面）が、空力ブレーキ板の変位に伴う被係合部の移動軌跡に対して傾斜して交差する角度を有し、更に、空力ブレーキ板を格納姿勢に戻そうとする時に被係合部から受ける力でロック解除姿勢に一時的に変位可能である。よって、起立姿勢にある空力ブレーキ板を格納姿勢に変位させるだけで、係合爪の方が適当に逃げて、空力ブレーキ板が格納姿勢に至ることができ、また格納姿勢に至ることで自動的にロックが係ることになる。ロック機構を駆動するためのアクチュエータを備える必要は無く、更なる小型化・軽量化に寄与する。

係合爪を付勢する構成に関してより好適には、第４の発明として、前記ロック機構が、前記係合爪を前記ロック姿勢に変位させる方向に、前記解除バネより小さい付勢力を付与するロック姿勢助勢バネ（例えば、図９のトーションバネ８５）を更に有する、第３の発明の鉄道車両用空力ブレーキ装置を構成することができる。

第５の発明は、第１及び第２の前記揺動軸で回転する第１及び第２の前記空力ブレーキ板を、走行風に対して一方が助勢方向、他方が抗勢方向となるように車両幅方向に並べて配置するとともに、双方の空力ブレーキ板が連動して回転するように前記第１及び第２の揺動軸を連係する連係手段（例えば、図２及び図７の第１バランスギア４２、第２バランスギア６２）を更に備え、
前記ロック機構、前記付勢手段、前記伝達手段及び前記クラッチを、前記第１の空力ブレーキ板及び前記第２の空力ブレーキ板の一方又はそれぞれに対応して設けた、
第１〜第４の何れかの発明の鉄道車両用空力ブレーキ装置である。

第５の発明によれば、第１〜第４の発明の何れかと同様の効果が得られる構成でありながら、複数の空力ブレーキ板を備えることができる。また、ブレーキ作動当初は、第１の空力ブレーキ板では助勢方向に起こされ、同時に、第２の空力ブレーキ板では抗勢方向に起こされることになる。前者では走行風をはらむ格好となるので、はらんだ風による空気抵抗はブレーキ板の起立を助ける助勢トルクを生むことになる。後者では走行風を受け流す格好となるのでブレーキ板の起立を抑制する抗勢トルクとして作用するが、その大きさは第１の空力ブレーキ板の助勢トルクよりも小さくなる。そして、第１及び第２の空力ブレーキ板の揺動軸は、双方が連動して起立回転するように連係されている。従って、第１及び第２の空気ブレーキ板を少し起こした部分起立状態とするだけで、第１の空力ブレーキ板に生じる助勢トルクから第２の空力ブレーキ板の抗勢トルクを差し引いても、助勢トルクが優勢となり、両空気ブレーキ板は自然と全起立状態に向かって揺動を続けることとなる。この関係は、車両の進行方向が逆転したとしても変わらない。なお、走行速度が高い場合に第１の空力ブレーキ板に生じる過大な助勢トルクは第２の空力ブレーキ板の抗勢トルクにより減じられ、走行速度が高い場合であっても空力ブレーキ板が衝撃的に立ち上がることはない。

よって、ポップアップ方式やロータリ方式のようなスライド支持機構も不要で、且つ従来のヒンジ式の空力ブレーキ装置のように大出力のアクチュエータや緩衝装置を必要としない、駆動機構の小さな空力ブレーキ装置を実現できる。駆動機構が小さい分、収容空間が小さくなり、鉄道車両に搭載しても従来の空力ブレーキ装置よりも客室を圧迫しないで済む。

空力ブレーキ装置と、ブレーキ未作動状態の当該装置を搭載した鉄道車両の例を示す斜視外観図。 空力ブレーキ装置の作動原理を説明するための概略図。 空力ブレーキ板の起立角度と、助勢抗力Ｄ１、抗勢抗力Ｄ２、合成抗力Ｄ３、の計測例を示すグラフ。 空力ブレーキ板の起立角度と、助勢トルクから抗勢トルクを差し引いた起立トルクの計測例を示すグラフ。 未作動状態の空力ブレーキ装置の斜視外観図。 主外装板を不図示とした作動状態の空力ブレーキ装置の作動状態に相当する斜視外観図。 第１空力ブレーキ板、第２空力ブレーキ板、主外装板を不図示とした、内部構造の俯瞰図。 第１空力ブレーキ板が格納姿勢にある場合のロック機構の正面図（図７のＣ−Ｃ面）。 ロック機構に係る構造をわかり易く抜き出したロック状態の縦断面図（図７のＢ−Ｂ断面）。 クラッチまわりの拡大断面図（図７のＤ部分）。 クラッチの動作を説明するための部分拡大断面図（図１０のＥ−Ｅ断面）。 空力ブレーキ板が全閉のブレーキ未作動状態を示す断面図。 ロック機構が解除された直後の状態を示す断面図。 空力ブレーキ板が起立姿勢へ変位する初期段階の状態を示す断面図。 空力ブレーキ板が全開のブレーキ作動状態を示す断面図。 ロック機構が復帰した状態を示す断面図。 空力ブレーキ板を格納状態に復帰させる過程に於いてロックシャフトがフックに当った状態を示す断面図。

図１は、本発明を適用した空力ブレーキ装置と、ブレーキ未作動状態の当該装置を搭載した鉄道車両の例を示す斜視外観図である。
本実施形態の空力ブレーキ装置２は、第１空力ブレーキ板４と第２空力ブレーキ板６とを連動させて起立させ、走行風（図中の白矢印）に当てて空気抵抗を増大させて制動力を得るブレーキ装置である。本実施形態の鉄道車両１は、車両の屋根部に上面視矩形の収容空間を車両長手方向に複数備えており、各収容空間には左右一対に（車両幅方向に）並べた空力ブレーキ装置２Ｒ，２Ｌが収容・固定されている。

左右の空力ブレーキ装置２Ｒ，２Ｌは互いに左右対称構造を有しており、第１空力ブレーキ板４或いは第２空力ブレーキ板６が隣り合うように車両幅方向に並べて配置される。図１の例で言うと、左右の空力ブレーキ装置２Ｒ，２Ｌは、それぞれの第２空力ブレーキ板６が隣り合う（中央寄りになる）ように並べて配置されている。第１空力ブレーキ板４及び第２空力ブレーキ板６以外の上面は主外装板５により覆われており、空力ブレーキ装置２Ｒ，２Ｌが未作動の状態では、全体として空力ブレーキ装置２Ｒ，２Ｌの上面は鉄道車両１の車体上面とフラットになり、通常走行中は車両の空力特性に影響を与えないように考慮されている。

以降では、右方の空力ブレーキ装置２Ｒを代表として取り上げて構造と動作について詳細に説明する。左方の空力ブレーキ装置２Ｌは、構造を右方の空力ブレーキ装置２Ｒの左右対称とすれば同様に実現できるので説明は省略する。

［作動原理の説明］
図２は、空力ブレーキ装置２Ｒの作動原理を説明するための概略図であって、（１）上面図、（２）ブレーキ作動過程における空力ブレーキ板の変位例を示すＶ−Ｖ断面図である。尚、理解を容易にするために一部構成要素は図示省略している。

図２（１）に示すように、空力ブレーキ装置２Ｒは、上面視矩形を成しており、短辺方向が鉄道車両１の進行方向に向けて鉄道車両１に装備されている。よって、鉄道車両１の進行方向を基準とすれば、図２では図の左が「前」、右が「後」となる。

第１空力ブレーキ板４は、左右方向（図の上下方向）に長辺を有する上面視略矩形型の板であって、ブレーキ作動時は後端側に設けられた第１揺動軸４１で回転し、前端が持ち上がって起立する。第２空力ブレーキ板６は、同様に左右方向に長辺を有する上面視略矩形型の板であり、ブレーキ作動時は後端側（空力ブレーキ装置２Ｒ全体としてみれば前端側）に設けられた第２揺動軸６１で回転し、前端側（空力ブレーキ装置２Ｒ全体としてみれば後端側）が持ち上がって起立する。

第１空力ブレーキ板４の第１揺動軸４１と第２空力ブレーキ板６の第２揺動軸６１は、一端が互いに近接するように平行に枢支されている。そして、第１揺動軸４１の近接側端部には第１バランスギア４２が設けられ、第２揺動軸６１の近接側端部には第２バランスギア６２が設けられている。第１バランスギア４２及び第２バランスギア６２は互いに噛み合っていて、双方の空力ブレーキ板が連動して回転するように第１揺動軸４１及び第１揺動軸４１を連係する。

ブレーキ未作動の状態では、図２（２）の（i）に示すように、第１空力ブレーキ板４と第２空力ブレーキ板６は「格納姿勢」にある。
ブレーキが作動を開始すると、図２（２）の（ii）に示すように、第１空力ブレーキ板４と第２空力ブレーキ板６が、自重によって元の格納姿勢に戻ろうとする「復元トルク」に打ち勝つように付勢され僅かに浮き上がる。すると、第１空力ブレーキ板４は走行風を「はらむ」ため、第１空力ブレーキ板４には起立姿勢への変位を促進する方向へ助勢抗力Ｄ１が生じ「助勢トルク」となって第１揺動軸４１及び第１バランスギア４２を（図で言うと）時計回りに回そうとする。第２空力ブレーキ板６も走行風を受けるが、第２揺動軸６１が風上にある関係から走行風を「受け流す」ことになる。よって、第２空力ブレーキ板６には起立姿勢への変位に抵抗しようとする方向に抗勢抗力Ｄ２が生じ、第２揺動軸６１及び第２バランスギア６２は反時計回りに回ろうとする「抗勢トルク」として作用する。

図３は、空力ブレーキ板の起立角度と、第１空力ブレーキ板４に生じる助勢抗力Ｄ１、第２空力ブレーキ板６に生じる抗勢抗力Ｄ２、それらの合成抗力Ｄ３、の三つの計測例を示すグラフである。そして、図４は、空力ブレーキ板の起立角度と、第１揺動軸４１及び第１バランスギア４２に生じる助勢トルクから、第２揺動軸６１及び第２バランスギア４２に生じる抗勢トルクを差し引いた起立トルクの計測例を示すグラフである。

図３に示すように、第１空力ブレーキ板４は走行風を「はらむ」ため、第１空力ブレーキ板４に生じる助勢抗力Ｄ１は空力ブレーキ板の起立が進むに従い増加するが、第２空力ブレーキ板６は走行風を「受け流す」ので抗勢抗力Ｄ２は常に助勢抗力Ｄ１より小さくなる。第１バランスギア４２と第２バランスギア６２は互いに反対方向に回転しようとするが、結果的には図４のグラフに示すように、第１バランスギア４２に生じる助勢トルクが、常に第２バランスギア６２の抗勢トルク上回ることとなる。よって、図２（２）の（iii）に示すように、第１揺動軸４１及び第１バランスギア４２が、第２バランスギア６２を介して第２揺動軸６１を（図で言うと）反時計回りに回動させ、第２空力ブレーキ板６の起立を促進させる。そして、終には図２（２）の（iv）に示すように、第１空力ブレーキ板４および第２空力ブレーキ板６は「起立姿勢」へ変位するに至る。

このように、第１バランスギア４２及び第２バランスギア６２は、双方の空力ブレーキ板が連動して回転するように第１揺動軸４１及び第２揺動軸６１を連係する連係手段として機能し、第１空力ブレーキ板４と第２空力ブレーキ板６が、僅かに浮き上がりさえすれば、大型のアクチュエータで駆動させなくとも、空力ブレーキ板が起立してブレーキを作動させることができるのである。そして、空力ブレーキ装置２Ｒは、第１空力ブレーキ板４及び第２空力ブレーキ板６を、走行風に対して一方が助勢方向、他方が抗勢方向となるように車両幅方向に並べた構成を有するので、鉄道車両１の進行方向が反転したとしても、進行方向如何に係わらず同様に作用する。

［構造の詳細な説明］
では、より詳細な構造について説明する。
図５は、未作動状態の空力ブレーキ装置２Ｒの斜視外観図である。
図６は、主外装板５を不図示とした作動状態の空力ブレーキ装置２Ｒの斜視外観図であって、図６（１）が図５の作動状態に相当する。
図７は、第１空力ブレーキ板４、第２空力ブレーキ板６、主外装板５を不図示とした、内部構造の俯瞰図である。

図６及び図７に示すように、第１揺動軸４１及び第２揺動軸６１は、それぞれ軸受部７２により装置基底板７０の上面に、軸を左右に向けて軸回転自在に固定されている。そして、これらの揺動軸には、それぞれ空力ブレーキ板を固定するための固定腕部４０，６０と、起立姿勢への変位初期段階において格納姿勢にある空力ブレーキ板を起立姿勢に変位させる方向に付勢力を付与する起立付勢部７６とを備える。

起立付勢部７６は、例えばトーションバネ７７で実現できる。トーションバネ７７は、「ひげバネ」とも呼ばれ、コイル軸に第１揺動軸４１或いは第２揺動軸６１を挿通させ、一方の腕を空力ブレーキ板の裏面に当て、他方の腕を装置基底板７０の上面に当てて腕固定具７８でもって固定される。第１空力ブレーキ板４と第２空力ブレーキ板６が格納姿勢にあると、トーションバネ７７のコイル軸まわりにトルクを受ける。トーションバネ７７の付勢力は、特に第１空力ブレーキ板４について、走行風により生じる助勢トルクが自重により元の格納姿勢に復元しようとする復元トルクを上回る姿勢まで部分起立させることができるように設定されている。

空力ブレーキ装置２Ｒは、第１空力ブレーキ板４の下に、起立付勢部７６の付勢力や、車両外部の圧力変動（例えば、鉄道車両１がトンネルに出入りする際に作用する圧力変動など）に打ち勝って第１空力ブレーキ板４の格納状態を維持するためのロック機構８０を備える。

図８は、ブレーキ未作動状態すなわち第１空力ブレーキ板４が格納姿勢にある場合のロック機構８０の正面図（図７のＣ−Ｃ面）である。図９は、ロック機構８０に係る構造をわかり易く抜き出した縦断面図（図７のＢ−Ｂ断面）であって、ロック状態を示している。

図７〜図９に示すように、ロック機構８０は、第１空力ブレーキ板４の下面側、第１揺動軸４１よりも前端寄りの位置に、第１揺動軸４１と平行に吊り下げられたロックピン８１（被係合部）と、これを鈎状部の内側（喉側）で引っ掛けて係合し係止するためのフック８２（鈎）と、を有する。

フック８２は、第１揺動軸４１と平行に装置基底板７０に設置されたフック回転軸８３に遊嵌し、（装置基底板７０を水平とすれば垂直面で）ロックが作動している状態の「ロック姿勢」からロックが解除された「ロック解除姿勢」へ揺動・変位できる。図８及び図９では、フック８２は「ロック姿勢」にある。鈎が上にあり、その先端部を第１揺動軸４１とは反対側すなわち第１空力ブレーキ板４の揺動端側（前端側）へ向けている。
また、フック８２は、フック８２の頭頂面８２ｓ（鈎爪部分の上面）は、鈎先端の方向へ傾斜した斜面を構成している。望ましくは、頭頂面８２ｓはフック回転軸８３を中心とした円弧の一部を成している。換言すると、ロック姿勢において頭頂面８２ｓが第１空力ブレーキ板４の変位に伴うロックピン８１の移動軌跡に対して傾斜して交差する角度を有している。

フック回転軸８３には、フック８２の揺動位置とは別の位置にストッパー片８４が一体に設けられている。このストッパー片８４とフック８２との間には、フック回転軸８３をコイル軸に挿通するようにトーションバネ８５が設置されている。そして、トーションバネ８５の２本の腕は、それぞれストッパー片８４とフック８２に掛けられている。すなわち、フック８２は、ロック方向（図９における反時計回り方向）に回転するようにフック回転軸８３の軸回りに付勢されている。一方、トーションバネ８５の付勢力に抗してロック解除方向（図９における時計回り方向）に回転・揺動することができる。詳細は後述するが、フック８２の頭頂面８２ｓの形状と、フック８２がロック解除方向（フックが抜ける方向）へ揺動可能な構成とから、第１空力ブレーキ板４を格納姿勢に復帰させる際、自動的にロックがかかるように機能する。

また、図７に示すように、ストッパー片８４は、突起部８４ａを有して上面視Ｌ字状の形状をなし、フック回転軸８３と一体に回転するように構成されている。詳細は後述するが、空力ブレーキ作動時のフック回転軸８３の回転に際して、ストッパー片８４の突起部８４ａがフック８２に当接して、フック８２をロック解除姿勢の方向へ揺動・変位させる（図１３参照）。

また、図６〜図７に示すように、ロック機構８０は、フック回転軸８３をロック解除方向へ回動させるロック解除バネ９１を備える。ロック解除バネ９１の一端（図７で言うところの左端）は、装置基底板７０に係合され、他端はフック回転軸８３の軸中心からオフセットして固定された係合ロッド９３に係合されている。図７の構成では、ロック解除バネ９１はフック回転軸８３の下を通ってフック回転軸８３より右にある係合ロッド９３に掛けられているので、係合ロッド９３は常に図の左方へ引っ張られていることになる。

また、係合ロッド９３には、ロック操作ロッド９５の一端が連係されている。
ロック操作ロッド９５の他端は、電動モータ１００のモータ駆動軸１０２に固定された揺動腕１０４の揺動端に枢支されている。電動モータ１００は、コントローラ１０６に接続され、その駆動が電気電子制御される。

電動モータ１００は、モータ本体１００ａと、ギアヘッド１００ｂと、電磁クラッチ１００ｃとを内蔵する。ギアヘッド１００ｂは、モータ本体１００ａの回転を減速して低回転・高トルクの回転に変換する。ギアヘッド１００ｂは、例えば高減速比のウォームギアを用いて実現され、セルフロック機能を有する。従って、静止状態で且つ電磁クラッチ１００ｃが接続状態であったとしてもモータ駆動軸１０２側からの入力では電動モータ１００は回動されない。電磁クラッチ１００ｃは、通電により接続又は解除される電磁式クラッチである。空力ブレーキ装置２を停電時に作動する非常用ブレーキとして利用する場合には、通電時接続し通電遮断により開放されるタイプとする。

従って、ブレーキ未作動の状態、すなわち電動モータ１００が停止している間、ロック解除バネ９１の付勢力がロック操作ロッド９５に作用していても、揺動腕１０４がギアヘッド１００ｂのセルフロック機能により揺動しない。ロック操作ロッド９５は、ロック作動状態においては常に、図７に示すように、フック回転軸８３をロック方向へ回動させる方向（図７の例では右方へ）引かれた状態で保持されている。ロック解除バネ９１の付勢力に抗して保持する力を「ロック保持力Ｆｈ」と呼ぶ。尚、ロック保持力Ｆｈは、セルフロック機能による制動力に代えて、電動モータ１００の発生する回転力（駆動トルク）により賄われるとしても良い。また、電磁クラッチ１００ｃを、通電時に開放するタイプとして利用する形態も考えられるのは勿論である。

ロック操作ロッド９５は、揺動腕１０４、係合ロッド９３とともに、モータ駆動軸１０２の制動力又は回転力をロック保持力Ｆｈに変換してロック機構８０へ伝達する伝達手段を構成している。ロック保持力Ｆｈが、係合ロッド９３を引くロック解除バネ９１の付勢力を下回れば、フック回転軸はロック解除方向に回動され、ロック機構８０のロックが解除することになる。

次に、第１空力ブレーキ板４及び第２空力ブレーキ板６の支持および格納姿勢への復帰に使用される駆動機構について説明する。
図７に示すように、電動モータ１００のモータ駆動軸１０２の回転は、クラッチ１２０を介して、第１バランスギア４２や第２バランスギア６２（すなわち第１揺動軸４１や第２揺動軸６１）に接続される。

図１０は、クラッチ１２０付近の拡大断面図（図７のＤ部分）である。図１１は、クラッチ１２０の動作を説明するための部分拡大断面図（図１０のＥ−Ｅ断面）である。
クラッチ１２０は、ａ）モータ駆動軸１０２の先端から回転軸方向に突設された二つのモータ側噛合突起１２２と、ｂ）モータ駆動軸１０２と対向位置において、モータ駆動軸１０２と同軸上で回転するクラッチ軸１２４の対向面に突設された二つの揺動軸側噛合突起１２６と、ｃ）クラッチ軸１２４と一体に設けられて、第２バランスギア６２と噛み合う減速ギア１２８と、を備える。

モータ側噛合突起１２２は、モータ駆動軸１０２とクラッチ軸１２４との対向端面において、モータ駆動軸１０２の回転軸を中心とした所定半径の円周上に、回転軸を基準に点対称位置に一対設けられている。揺動軸側噛合突起１２６は、モータ側噛合突起１２２と同様に、クラッチ軸１２４のモータ駆動軸１０２との対向端面において、回転軸を中心とした所定半径の円周上に、当該回転軸を基準に点対称位置に一対設けられている。つまり、二つのモータ側噛合突起１２２と、二つの揺動軸側噛合突起１２６は、互いに対向して突設されている。

モータ側噛合突起１２２と揺動軸側噛合突起１２６の突寸の合計は、モータ駆動軸１０２とクラッチ軸１２４の対向面間の距離よりも大きく設定されている。
また、モータ側噛合突起１２２及び揺動軸側噛合突起１２６の円周方向の厚さは、４つの突起全てを合算しても円周の長さには至らないように、且つモータ駆動軸１０２のトルクを十分伝達できる強度を得られるように設計されている。

そして、二つのモータ側噛合突起１２２と、二つの揺動軸側噛合突起１２６は、交互に対向して組み付けられている。前述のように、モータ側噛合突起１２２及び揺動軸側噛合突起１２６の円周方向の厚さは、４つの突起全てを合算しても円周の長さには至らないので、図１１に示すように、あるモータ側噛合突起１２２と、隣接する揺動軸側噛合突起１２６との間には少なくとも「断切角度範囲θ」の隙間ができることになる。

図１１（１）に示すように、モータ駆動軸１０２が正回転（図における反時計回り）してモータ側噛合突起１２２と揺動軸側噛合突起１２６の円周方向の側面が互いに当接すると、機械的に一方から他方へ（図１１（１）の例ではモータ駆動軸１０２からクラッチ軸１２４へ）回転力（正回転する力）が伝達されることになる。つまり、クラッチ１２０は「クラッチが繋がった」状態となる。

この状態から一方側（モータ駆動軸１０２）が逆回転すると、図１１（２）に示すように、断切角度範囲θがあることでモータ側噛合突起１２２と揺動軸側噛合突起１２６の当接が解除され、断切角度範囲θの間は回転の伝達が断切される。つまり、クラッチ１２０は「クラッチが切れた」状態となる。

もし、断切角度範囲θだけ逆回転が進むと、図１１（３）に示すように、再びモータ側噛合突起１２２と揺動軸側噛合突起１２６の円周方向の側面が互いに当接するに至り回転の伝達が再開することになる。このように、本実施形態のクラッチ１２０は、噛み合い方向が逆になったときに断切角度範囲を介して接続するように機能する。なお、一方側をモータ駆動軸１０２、他方側をクラッチ軸１２４として図示及び説明したが、逆の場合も同様である。

［動作の説明］
次に、図１２〜図１７を参照して、空力ブレーキ装置２Ｒの動作説明として、停電時に鉄道車両１を速やかに減速・停止させるための非常用ブレーキとして使用する場合を例にあげて説明する。尚、各図の（１）は図７のＡ−Ａ断面図、（２）は図７のＢ−Ｂ断面図にあたる。

先ず、ブレーキが作動する過程の動作について説明する。
ブレーキ未作動の状態においては、図１２に示すように、揺動腕１０４はロック操作ロッド９５をいっぱいに引いた姿勢にあって、コントローラ１０６が電動モータ１００が内蔵する電磁クラッチ１００ｃを通電させて接続状態にしている（図７参照）。従って、モータ駆動軸１０２には、ギアヘッド１００ｂのセルフロック機能による制動力が作用するのでロック保持力Ｆｈが発生し、ロック操作ロッド９５をいっぱいに引いたロック状態で維持される。

この状態ではロック解除バネ９１の付勢力は無効化され、フック８２は鈎部分を上にした「ロック姿勢」が維持される。フック８２はトーションバネ８５により、常にロックピン８１を引っ掛ける方向（図示の例では反時計回り）へ回るように付勢されている。よって、当該空力ブレーキ装置２Ｒを搭載した鉄道車両１がトンネルに出入りするなどして、第１空力ブレーキ板４や第２空力ブレーキ板６の外側に高い圧力変動が生じる場合でも、第１空力ブレーキ板４や第２空力ブレーキ板６を格納姿勢で確実に保持し続けることができる。

次に、図１３に示すように、空力ブレーキを作動させるため、或いは、電車線からの電力供給が停止する等の緊急時の場合には、電動モータ１００に内蔵される電磁クラッチ１００ｃへの電力供給が絶たれてクラッチの接続が開放される。これによりギアヘッド１００ｂのセルフロックが無効となり、ロック保持力Ｆｈが消失または低減し、ロック解除バネ９１の付勢力が有効となる。フック回転軸８３は、その付勢力により解除方向（図示の例では時計回り）に回転する。すると、フック回転軸８３と一体のストッパー片８４が第１揺動軸４１に向かって倒れる。図示の例では時計回りに倒れる格好となる。ストッパー片８４が時計回りに倒れると、突起部８４ａがフック８２の下部に当接してフック８２も倒れるので、図示のごとく「ロック解除姿勢」に変位し、ロックピン８１とフック８２の係合が解除されロック機構８０のロックは解除される。

ロックが解除される過程におけるクラッチ１２０の動きに着目すると、ロック状態（図１２参照）では、モータ側噛合突起１２２の反時計回り側の側面と、揺動軸側噛合突起１２６の時計回り側の側面とが当接した状態である。
電動モータ１００への電力供給が絶たれると、ロック解除バネ９１の付勢力によってフック回転軸８３が解除方向へ回るのに伴って、ロック操作ロッド９５は図の左方向へ引っ張られる。電磁クラッチ１００ｃによる接続が開放されたことで、モータ駆動軸１０２は実質的に自由回転可能となっている。よって、ロック操作ロッド９５が左方向へ引っ張られるのに伴ってモータ駆動軸１０２は（図示の例では）時計回りに連れ回ることになる。そして、この連れ回りにより、モータ側噛合突起１２２は時計回り方向へ回転し、揺動軸側噛合突起１２６から離れる。

ロック操作ロッド９５が左方向へ引っ張られるのに伴うモータ駆動軸１０２の連れ回り角度は、断切角度範囲θ（図１１参照）と一致、又はそれより僅かに小さくなるように設定されている。従って、モータ側噛合突起１２２が揺動軸側噛合突起１２６から離れてから断切角度範囲θだけ変位するまでは、なんら回転抵抗を受けることはなく、スムーズにロック機構８０が解除される。当然、揺動軸側噛合突起１２６は変位しない。

第１空力ブレーキ板４及び第２空力ブレーキ板６には、起立付勢部７６（図６，７参照）による付勢力が作用しているので、図１４に示すように、ロックが解除されると第１空力ブレーキ板４が第１揺動軸４１で回動し、自重で元に戻ろうとする復元トルクに打ち勝って走行風を受風できる程度に浮き上がる。このブレーキ作動時初期の浮き上がりにより受けた走行風がきっかけとなり、第１空力ブレーキ板４には助勢トルクＴ１が発生し、第２空力ブレーキ板６には抗勢トルクＴ２が発生する。助勢トルクＴ１は抗勢トルクＴ２より常に上回るため第１バランスギア４２が第２バランスギア６２を起立方向へ回動し、両空力ブレーキ板は起立姿勢へ変位し続ける（図２参照）。

この過程におけるクラッチ１２０の動きに着目すると、第１空力ブレーキ板４及び第２空力ブレーキ板６が浮き上がるのに伴って、第１バランスギア４２と第２バランスギア６２は回転する。図１４の例では、前者は反時計回り、後者は時計回りに回る。第２バランスギア６２には減速ギア１２８が噛み合っている（図７参照）。従って、減速ギア１２８がクラッチ軸１２４を中心に連れ回る。

クラッチ軸１２４の回転により揺動軸側噛合突起１２６も位置を変える。図１４の例では、（クラッチ軸１２４と同軸のモータ駆動軸１０２を中心に）時計回り方向へ移動する。しかし、ロック解除の過程において、モータ側噛合突起１２２が既に、時計回り方向に離間しているので、クラッチ１２０はクラッチが切れた状態と同じである。つまり、この回転がモータ側へ伝達されることはない。

第１空力ブレーキ板４の第１揺動軸４１及び第１バランスギア４２に作用する助勢トルクから、第２空力ブレーキ板６の第２揺動軸６１及び第２バランスギア６２に作用する抗勢トルクを差し引いた起立トルク（図４参照）が、モータ駆動軸１０２等の回動に消費されることはなく、ブレーキ作動用に大型のアクチュエータを装備しなくとも、自然と第１空力ブレーキ板４及び第２空力ブレーキ板６は収容姿勢から起立姿勢への変位し続ける。やがて、図１５に示すように、第１空力ブレーキ板４や第２空力ブレーキ板６が全開となった完全な起立姿勢に達し、非常用のブレーキは最大限に制動力を発生する。

次に、第１空力ブレーキ板４および第２空力ブレーキ板６を起立状態から格納状態に復元させる動作について説明する。
空力ブレーキ装置２Ｒをブレーキに作動状態に戻すには、コントローラ１０６は、電動モータ１００に内蔵された電磁クラッチ１００ｃを通電した後、モータ本体１００ａをモータ駆動軸１０２を所定の復帰方向（図１５の例では、反時計回り）へ回動させる制御をすればよい（図７参照）。

前述のように、本実施形態では、減速ギア１２８の減速比が適当に決められることにより、第１空力ブレーキ板４及び第２空力ブレーキ板６が格納姿勢から起立姿勢に至る過程で、揺動軸側噛合突起１２６がクラッチ軸１２４を中心に回転する角度は、断切角度範囲θと一致、又はそれより僅かに小さくなるように設定されている。従って、図１５に示すように、第１空力ブレーキ板４及び第２空力ブレーキ板６が完全に起立した姿勢にあるとき、モータ側噛合突起１２２の反時計側の側面には、揺動軸側噛合突起１２６が当接している、或いは極めて接近した状態にある（図１５におけるクラッチ１２０回りの各噛合突起の配置に着目）。

この状態からモータ駆動軸１０２を、空力ブレーキ板を格納させる復帰方向（反時計方向）へ回動させると、この回動はモータ側噛合突起１２２が揺動軸側噛合突起１２６に当接して押すことで伝達される。結果、図１６に示すように、クラッチ軸１２４及び減速ギア１２８は復帰方向（反時計方向）に回動され、第１バランスギア４２（すなわち第１揺動軸４１）及び第２バランスギア６２（すなわち第２揺動軸６１）は、第１空力ブレーキ板４及び第２空力ブレーキ板６を起立状態から格納状態に復帰させる方向へ回動させる。

一方、ロック操作ロッド９５は揺動腕１０４を介してモータ駆動軸１０２に一端が枢支されているので、モータ駆動軸１０２を復帰方向へ回すと、図１６の右方向に引っ張られる。ロック操作ロッド９５が右方向へ引っ張られるのに伴い、フック回転軸８３が反時計回り方向へ回動される。フック回転軸８３と一体のストッパー片８４は、反時計回りに回って起き上がり、これに伴いトーションバネ８５の付勢力によりフック８２も反時計回りに回って立ち上がり、図１７に示すように、元の「ロック姿勢」に復帰する。

更に格納姿勢への復帰が進行すると、第１空力ブレーキ板４が「ロック姿勢」のフック８２に対して覆い被さる格好で降りてくる。やがて第１空力ブレーキ板４のロックピン８１が、既にロック姿勢に復元しているフック８２の頭頂面８２ｓに当接する。

フック８２の頭頂面８２ｓ（鈎爪部分の外側）は、ロック姿勢において第１空力ブレーキ板４の変位に伴うロックピン８１の移動軌跡に対して傾斜して交差する角度を有している。ロックピン８１がフック８２の頭頂面８２ｓに当接するに至ると、ロックピン８１がフック８２を押す力Ｆ１（図１７中、太実線の矢印）のうち、頭頂面８２ｓの接線に直交する成分Ｆ２（図中、白抜き矢印）がフック８２に作用し、トーションバネ８５によるトルクに抗してフック８２を第１揺動軸４１の側（時計回り方向、退避方向）へ押す。フック８２は、ストッパー片８４に対して開くように揺動して「逃げる」。この「フックの逃げ」が起きることで、第１空力ブレーキ板４は更に格納姿勢への復元過程を継続することが可能となる。そして、ロックピン８１がフック８２の先端を越えた瞬間に、トーションバネ８５のトルクによりフック８２が先端方向へストッパー片８４に対して閉じるように揺動し、鈎の内側にロックピン８１を捕らえて係合するロック状態に至る。つまり、第１空力ブレーキ板４を格納姿勢に復帰する際は、機構的に自動的にロック作動状態となる。

以上、本実施形態の空力ブレーキ装置２Ｒは、ロック機構８０をロック状態に維持するロック保持力Ｆｈを担うためのアクチュエータと、起立した空力ブレーキ板を格納姿勢に復帰させるためのアクチュエータとを設ければ空力ブレーキとして機能する。何れのアクチュエータも小型でよく、大型のアクチュエータなど用意しなくとも良いので、空力ブレーキ装置２Ｒは極めて薄く、小型且つ軽量に作ることができる。しかも、クラッチ１２０を用いることで、アクチュエータを電動モータ１００の一つで兼用する構成が可能となり、一層の小型化と軽量化を実現している。

尚、本実施形態の空力ブレーキ装置２Ｒは、非常用のみならず通常走行時にも利用できるのは勿論である。具体的には、コントローラ１０６が、外部装置から空力ブレーキ作動信号を受信すると、電磁クラッチ１００ｃへの通電をカットしてブレーキを作動させる。そして、外部装置からブレーキ解除信号を受信すると、電磁クラッチ１００ｃへの通電を再開し、電動モータ１００を復帰方向へ回動させて、起立した空力ブレーキ板を格納姿勢に復帰させるように制御すれば良い。

以上、本発明を適用した実施形態について説明したが、これに限定されるものではなく適宜構成要素の追加・省略・変更を施すことができる。
例えば、上記実施形態では、ロック機構８０と、ロックの解除／作動機構（例えば、揺動腕１０４、ロック操作ロッド９５）と、クラッチ１２０とを、第１空力ブレーキ板４の側に設ける構成としているが、第２空力ブレーキ板４の側に設ける構成としてもよいし、第１空力ブレーキ板４及び第２空力ブレーキ板６のそれぞれに対応するように設ける構成も可能である。また、起立付勢部７６も、上記実施形態では第１空力ブレーキ板４と第２空力ブレーキ板６それぞれに設けたが、何れか一方にのみ設ける構成とすることもできる。

１…鉄道車両、
２Ｒ、２Ｌ…空力ブレーキ装置、
４…第１空力ブレーキ板、
５…主外装板、
６…第２空力ブレーキ板、
４０…固定腕部、
４１…第１揺動軸、
４２…第１バランスギア、
６０…固定腕部、
６１…第２揺動軸、
６２…第２バランスギア、
７０…装置基底板、
７２…軸受部、
７６…起立付勢部、
７７…トーションバネ、
７８…腕固定具、
８０…ロック機構、
８１…ロックピン（被係合部）、
８２…フック（係合爪）、
８２ｓ…頭頂面、
８３…フック回転軸、
８４…ストッパー片、
８５…トーションバネ、
９１…ロック解除バネ、
９３…係合ロッド、
９５…ロック操作ロッド、
１００…電動モータ、
１０２…モータ駆動軸、
１０４…揺動腕、
１０６…コントローラ、
１２０…クラッチ、
１２２…モータ側噛合突起、
１２４…クラッチ軸、
１２６…揺動軸側噛合突起、
１２８…減速ギア、
Ｄ１…助勢抗力
Ｄ２…抗勢抗力
Ｔ１…助勢トルク
Ｔ２…抗勢トルク

Claims (5)

1. 揺動軸で回転することで格納姿勢と起立姿勢とに変位可能な空力ブレーキ板と、
   ロック保持力が与えられている間、前記空力ブレーキ板を前記格納姿勢に保持するロック機構と、
   前記格納姿勢にある前記空力ブレーキ板を前記起立姿勢に変位させる方向に付勢力を付与する付勢手段と、
   モータ駆動軸と、
   前記モータ駆動軸の制動力又は回転力を前記ロック保持力に変換して前記ロック機構へ伝達する伝達手段と、
   前記モータ駆動軸と前記揺動軸とを接続するクラッチであって、噛み合い方向が逆になったときに所定の断切角度範囲を介して接続するクラッチと、
   を備え、前記クラッチにより前記モータ駆動軸と前記揺動軸とが接続され、前記モータ駆動軸の回転力によって前記空力ブレーキ板が前記格納姿勢とされて後、前記モータ駆動軸が逆回転可能となって前記ロック機構のロックが解除され、前記空力ブレーキ板が前記格納姿勢から前記起立姿勢に至るまでを前記所定の断切角度範囲として少なくとも含むように構成された鉄道車両用空力ブレーキ装置。
2. 前記付勢手段は、走行風による助勢トルクが、自重により前記空力ブレーキ板が前記格納姿勢に復元しようとする復元トルクを上回る姿勢まで、前記空力ブレーキ板を部分起立させるよう付勢する、
   請求項１に記載の鉄道車両用空力ブレーキ装置。
3. 前記ロック機構は、
   前記空力ブレーキ板に設けられた被係合部と係合する係合爪であって、所定軸で回転することでロック姿勢とロック解除姿勢とに変位可能であり、前記ロック姿勢において頭頂面が前記空力ブレーキ板の変位に伴う前記被係合部の移動軌跡に対して傾斜して交差する角度を有し、当該交差時に揺動することで一時的にロック解除姿勢の方向に回転する係合爪と、
   前記係合爪を前記ロック解除姿勢に変位させる方向に付勢力を付与する解除バネと、
   を有し、
   前記伝達手段は、前記解除バネの付勢力に抗して前記係合爪を前記ロック姿勢に変位及び保持する力として前記ロック保持力を伝達するよう構成された、
   請求項１又は２に記載の鉄道車両用空力ブレーキ装置。
4. 前記ロック機構は、前記係合爪を前記ロック姿勢に変位させる方向に、前記解除バネより小さい付勢力を付与するロック姿勢助勢バネを更に有する、
   請求項３に記載の鉄道車両用空力ブレーキ装置。
5. 第１及び第２の前記揺動軸で回転する第１及び第２の前記空力ブレーキ板を、走行風に対して一方が助勢方向、他方が抗勢方向となるように車両幅方向に並べて配置するとともに、双方の空力ブレーキ板が連動して回転するように前記第１及び第２の揺動軸を連係する連係手段を更に備え、
   前記ロック機構、前記付勢手段、前記伝達手段及び前記クラッチを、前記第１の空力ブレーキ板及び前記第２の空力ブレーキ板の一方又はそれぞれに対応して設けた、
   請求項１〜４の何れか一項に記載の鉄道車両用空力ブレーキ装置。

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