JP2023035418A - 鉄道車両の空気ばね装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィードバック制御を用いることなく簡単な構造で、空気ばねの固有振動数を有する低周波の領域と軸ばねの固有振動数を有する高周波の領域とでそれぞれ安定して振動減衰できる鉄道車両の空気ばね装置を提供する。【解決手段】台車２と車体３との間に設置した空気ばね４と、空気ばね本体４Ｈの空気室４Ｓと固定絞り５１を介して連通された補助空気室６と、を備えた鉄道車両の空気ばね装置１０である。補助空気室には、空気ばねと固定絞りを介して連通された第１補助空気室６１と、第１補助空気室と固定絞りより絞り径が小さく形成された第２固定絞り５２を介して連通された第２補助空気室６２とを備え、第１、２補助空気室の間には、絞り径が固定絞りより小さく第２固定絞りより大きく形成された第３固定絞り５３と所定の圧力差で連通させるリリーフ弁５４とを有するバイパス回路５Ｂが、第２固定絞り５２を有する固定絞り回路５Ａと並列状に接続された。【選択図】 図１

Description

本発明は、鉄道車両の空気ばね装置に関し、詳しくは、空気ばねの固有振動数を有する低周波の領域と軸ばねの固有振動数を有する高周波の領域の両方の領域で振動減衰可能とした鉄道車両の空気ばね装置に関する。

一般に、鉄道車両は、台車を構成する車輪と台車枠とを軸ばねを介して連結し、台車枠と車体とを空気ばねを介して連結することによって、車輪がレールから受ける振動を減衰させて、車体に搭乗した乗客に対する乗り心地の向上を図っている。また、空気ばねは、ゴムベローズと積層ゴム部からなる空気ばね本体の空気室と、台車に設置された補助空気室と、両空気室の間に形成された絞り（オリフィス）とによって構成され、この絞りを通過する空気の圧力損失によって振動の減衰を得る構造となっている。

一方、空気ばねは、ゴムベローズ等から成り、その柔軟性から高周波の振動絶縁性には優れているが、多くの場合、低周波（１～２Ｈｚ付近）に共振点となる固有振動数を有するので、その低周波の領域で大きな振動減衰を得るように絞りの絞り径が一意的に選定されている。ところが、絞り径が一意的に選定された絞り（固定絞り）の場合、振動の周波数が高く振幅が大きくなると、絞りを通過する空気の流量（絞り流量）が増加して、絞り前後の圧力差が急激に増大する。そのため、軸ばねの固有振動数を有する高周波（１０Ｈｚ付近）の領域では、絞りの減衰力が大幅に低下して、その領域の振動減衰性能が十分得られないという問題があった。

このような問題に対応すべく、例えば、特許文献１には、鉄道車両の二次ばねとして使用される空気ばねで、空気ばね本体と補助空気室との間を絞りにより連通した装置において、絞りの大きさが連続的に変化する可変絞り機構で構成し、車体の振動をセンサ等で検知し、その振動速度に比例した減衰力が得られるように絞り制御機構を設けた鉄道車両用空気ばね装置が開示されている。

具体的には、図７に示すように、車体１０１の床面上に上下振動加速度計１０２を、車体１０１と台車枠１０３との間に高さセンサ１０４をそれぞれ設け、それらの検知信号を制御器１０５に入力し、スカイフックダンパの理論により車体１０１の上下振動速度に比例した減衰力を発生させるために、空気ばね１０６に設けた可変絞り機構１０７に制御信号を入力するように構成した鉄道車両用空気ばね装置１００が開示されている。

また、図８に示すように、可変絞り機構１０７は、ステップモータやサーボモータ等の制御用モータ１０９により絞りを可変にした円板弁１１０等から構成されている。円板弁１１０は、例えば、空気ばね本体１０６ａと補助空気室１０６ｂの間を仕切る隔壁１１１に複数の小円孔１１２を円周配置して設け、これに対し上記小円孔１１２と同じ円周配置により複数の透孔１１３を設けた回転円板１１４を重ね制御用モータ１０９で回転させ、小円孔１１２と透孔１１３の重なりによって形成される絞りの大きさを制御する。

特開平６－２３９２３０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された鉄道車両用空気ばね装置１００では、車体１０１の床面上に上下振動加速度計１０２を、車体１０１と台車枠１０３との間に高さセンサ１０４をそれぞれ設け、それらの検知信号を制御器１０５に入力し、スカイフックダンパの理論により車体１０１の上下振動速度に比例した減衰力を発生させるために、空気ばね１０６に設けた可変絞り機構１０７に制御信号を入力するように構成したので、車体１０１の上下振動速度の情報を可変絞り機構１０７にフィードバック制御する構成である。そのため、車体１０１の上下振動速度が速くなると、可変絞り機構１０７における絞り径の追従遅れが生じやすく、軸ばねの固有振動数を有する高周波（１０Ｈｚ付近）の領域で、振動減衰性能が十分得られないという問題を解決できない可能性があった。

また、上記可変絞り機構１０７は、ステップモータやサーボモータ等の制御用モータ１０９により絞りを可変にした円板弁１１０等から構成され、また、円板弁１１０は、例えば、空気ばね本体１０６ａと補助空気室１０６ｂの間を仕切る隔壁１１１に複数の小円孔１１２を円周配置して設け、これに対し上記小円孔１１２と同じ円周配置により複数の透孔１１３を設けた回転円板１１４を重ね制御用モータ１０９で回転させ、小円孔１１２と透孔１１３の重なりによって形成される絞りの大きさを制御する構造であるので、空気ばね本体１０６ａと補助空気室１０６ｂとの狭い隙間に可変絞り機構１０７が形成され、複雑な構造とならざるを得ない。そのため、可変絞り機構１０７が故障した場合の交換作業や、可変絞り機構１０７に対する定期的な点検作業が、煩雑となるという問題があった。

本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、フィードバック制御を用いることなく簡単な構造で、空気ばねの固有振動数を有する低周波の領域と軸ばねの固有振動数を有する高周波の領域とでそれぞれ安定して振動減衰できる鉄道車両の空気ばね装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る鉄道車両の空気ばね装置は、以下の構成を備えている。
（１）鉄道車両の台車と車体との間に設置した空気ばねと、空気ばね本体の空気室と固定絞りを介して連通され前記台車に形成された補助空気室と、を備えた鉄道車両の空気ばね装置であって、
前記補助空気室には、前記空気ばね本体の空気室と前記固定絞りを介して連通された第１補助空気室と、当該第１補助空気室と前記固定絞りより絞り径が小さく形成された第２固定絞りを介して連通された第２補助空気室とを備え、
前記第１補助空気室と前記第２補助空気室との間には、絞り径が前記固定絞りより小さく前記第２固定絞りより大きく形成された第３固定絞りと所定の圧力差が生じたとき連通させるリリーフ弁とを有するバイパス回路が、前記第２固定絞りを有する固定絞り回路と並列状に接続されていることを特徴とする。

本発明においては、補助空気室には、空気ばね本体の空気室と固定絞りを介して連通された第１補助空気室と、当該第１補助空気室と固定絞りより絞り径が小さく形成された第２固定絞りを介して連通された第２補助空気室とを備え、第１補助空気室と第２補助空気室との間には、絞り径が固定絞りより小さく第２固定絞りより大きく形成された第３固定絞りと所定の圧力差が生じたとき連通させるリリーフ弁とを有するバイパス回路が、第２固定絞りを有する固定絞り回路と並列状に接続されているので、空気ばねの固有振動数を有する低周波と、軸ばねの固有振動数を有する高周波の両方の領域の振動に対して、固定絞り回路とバイパス回路とが互いに役割分担して振動減衰性能を安定的に確保することができる。

すなわち、空気ばねの固有振動数を有する低周波の振動は、空気ばね本体の空気室と第１補助空気室とを連通させた固定絞りを通過後に、固定絞りより絞り径が小さく形成された第２固定絞りを通過する空気の圧力損失によって大きく減衰させることができる。また、軸ばねの固有振動数を有する高周波の振動は、振幅が小さい段階では、第２固定絞りを通過する空気の流量（絞り流量）が少なく、第１補助空気室内の圧力と第２補助空気室内の圧力との圧力差が所定値を越えないので、第２固定絞りによって減衰させ、振幅が大きくなり上記圧力差が所定値を超えた場合には、リリーフ弁が開放されて第３固定絞りを通過する空気の圧力損失によって減衰させることができる。

また、固定絞りと第２固定絞りと第３固定絞りとが、いずれも絞り径が所定の大きさに設定された簡単な絞り構造であって、フィードバック制御を使用していないので、車体の上下振動速度が速くなっても、可変絞り機構のように絞り径の追従遅れが生じなく、軸ばねの固有振動数を有する高周波の領域で、空気ばねの振動減衰性能を安定して確保することができる。

よって、本発明によれば、フィードバック制御を用いることなく簡単な構造で、空気ばねの固有振動数を有する低周波の領域と軸ばねの固有振動数を有する高周波の領域とでそれぞれ安定して振動減衰できる鉄道車両の空気ばね装置を提供することができる。

（２）（１）に記載された鉄道車両の空気ばね装置において、
前記第１補助空気室と前記第２補助空気室とが、前記台車の台車枠内に形成され、前記バイパス回路が、前記台車の台車枠外に形成されていることを特徴とする。

本発明においては、第１補助空気室と第２補助空気室とが、台車の台車枠内に形成されているので、台車枠を構成するフレーム部材の内部空間を仕切り板で分割することによって、第１補助空気室と第２補助空気室とを簡単に形成することができる。また、バイパス回路が、台車の台車枠外に形成されているので、台車枠の外部に第３固定絞りとリリーフ弁とを配管接続してバイパス回路を簡単な構造で形成することができる。そのため、台車枠の外部からバイパス回路を構成するリリーフ弁等を簡単に点検でき、また、修理・交換等を行うことができる。したがって、空気ばねの振動減衰性能をより一層安定して確保することができる。

（３）（１）又は（２）に記載された鉄道車両の空気ばね装置において、
前記第２補助空気室の容積は、前記第１補助空気室の容積より大きく形成されていることを特徴とする。

本発明においては、第２補助空気室の容積は、第１補助空気室の容積より大きく形成されているので、車体の振動に伴って空気ばね本体の空気室から固定絞りを通過する空気が、第１補助空気室に滞留せずに、第２固定絞り又は第３固定絞りを通過して第２補助空気室へ素早く移動することができる。そのため、空気ばね本体の空気室と第２補助空気室とを第２固定絞り又は第３固定絞りを介して略直接的に連通させることができ、第２固定絞り又は第３固定絞りの減衰力の応答性を高めることができる。その結果、空気ばねの振動減衰性能をより一層向上させることができる。

（４）（１）乃至（３）のいずれか１つに記載された鉄道車両の空気ばね装置において、
前記補助空気室には、車両右側に配置された空気ばねと連通する右用の第１補助空気室及び右用の第２補助空気室と、車両左側に配置された空気ばねと連通する左用の第１補助空気室及び左用の第２補助空気室とを備え、
前記右用の第２補助空気室と前記左用の第２補助空気室との間には、所定の圧力差が生じたとき連通させる第２のリリーフ弁を有する第２バイパス回路が接続されていることを特徴とする。ここで、「車両右側」は、車両の進行方向を向いたときに右手側となり、「車両左側」は、車両の進行方向を向いたときに左手側となる意味である。

本発明においては、補助空気室には、車両右側に配置された空気ばねと連通する右用の第１補助空気室及び右用の第２補助空気室と、車両左側に配置された空気ばねと連通する左用の第１補助空気室及び左用の第２補助空気室とを備え、右用の第２補助空気室と左用の第２補助空気室との間には、所定の圧力差が生じたとき連通させる第２のリリーフ弁を有する第２バイパス回路が接続されているので、車体が左右に傾斜（ローリング）すること等によって、右用の第２補助空気室内の圧力又は左用の第２補助空気室内の圧力が過剰に上昇し、所定の圧力差が生じた場合、第２のリリーフ弁が開放して両者の圧力の均等化を図り、第２固定絞り又は第３固定絞りの減衰力の低下を抑制すると共に、第２固定絞り又は第３固定絞りの減衰力の均一化を図ることができる。

（５）（１）乃至（４）のいずれか１つに記載された鉄道車両の空気ばね装置において、
前記第１補助空気室と前記第２補助空気室との間には、絞り径が異なる第３固定絞りと異なる圧力差で連通させるリリーフ弁とを有する複数のバイパス回路が並列状に接続されていることを特徴とする。

本発明においては、第１補助空気室と第２補助空気室との間には、絞り径が異なる第３固定絞りと異なる圧力差で連通させるリリーフ弁とを有する複数のバイパス回路が並列状に接続されているので、複数の固有振動数を有する高周波の振動に対して、複数のバイパス回路が別々に作動して、それぞれの振動減衰性能を発揮することができる。そのため、例えば、橋梁やトンネル等の路線状況の異なる走行区間で生じる特有の振動に対しても、安定した振動減衰性能を確保することができる。

本発明によれば、フィードバック制御を用いることなく簡単な構造で、空気ばねの固有振動数を有する低周波の領域と軸ばねの固有振動数を有する高周波の領域とでそれぞれ安定して振動減衰できる鉄道車両の空気ばね装置を提供することができる。

本実施形態の一態様を表す鉄道車両の空気ばね装置の概略断面図である。 図１に示す鉄道車両の空気ばね装置における空気回路の概略構成図である。 図２に示す空気回路の動作説明図であって、（Ａ）は第１補助空気室内の圧力と第２補助空気室内の圧力とが所定の圧力差より小さいときの動作説明図を示し、（Ｂ）は第１補助空気室内の圧力と第２補助空気室内の圧力とが所定の圧力差より大きいときの動作説明図を示す。 図１に示す鉄道車両の空気ばね装置における振動の周波数と応答倍率との関係を表す振動減衰特性図である。 図１に示す鉄道車両の空気ばね装置における第１変形例の空気回路の概略構成図である。 図１に示す鉄道車両の空気ばね装置における第２変形例の空気回路の概略構成図である。 特許文献１に開示された鉄道車両用空気ばね装置の概略断面図である。 図７に示す鉄道車両用空気ばね装置の可変絞り機構の概略構成図である。

次に、本実施形態の一態様を表す鉄道車両の空気ばね装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。具体的には、本実施形態に係る鉄道車両の空気ばね装置の構成と動作方法について詳細に説明した上で、第１、２変形例の構成と動作方法について説明する。

＜本鉄道車両の空気ばね装置の構成と動作方法＞
まず、本鉄道車両の空気ばね装置の構成と動作方法について、図１～図４を用いて説明する。図１に、本実施形態の一態様を表す鉄道車両の空気ばね装置の概略断面図を示す。図２に、図１に示す鉄道車両の空気ばね装置における空気回路の概略構成図を示す。図３に、図２に示す空気回路の動作説明図であって、（Ａ）は第１補助空気室内の圧力と第２補助空気室内の圧力とが所定の圧力差より小さいときの動作説明図を示し、（Ｂ）は第１補助空気室内の圧力と第２補助空気室内の圧力とが所定の圧力差より大きいときの動作説明図を示す。図４に、図１に示す鉄道車両の空気ばね装置における振動の周波数と応答倍率との関係を表す振動減衰特性図を示す。

図１～図３に示すように、本実施形態の一態様を表す鉄道車両の空気ばね装置１０は、鉄道車両１の台車２と車体３との間に設置した空気ばね４と、空気ばね本体４Ｈの空気室４Ｓと固定絞り５１を介して連通され台車２に形成された補助空気室６と、を備えた鉄道車両の空気ばね装置１０である。ここで、台車２は、軌道ＦＬに敷設されたレールＲＬ上を走行する輪軸８と、空気ばね４が装着された台車枠２１とを備え、輪軸８は、軸ばね７を介して台車枠２１と連結されている。また、空気ばね４は、車両右側と車両左側にそれぞれ配置されている。ここで、「車両右側」は、車両の進行方向を向いたときに右手側となり、「車両左側」は、車両の進行方向を向いたときに左手側となる意味である。

また、補助空気室６には、空気ばね本体４Ｈの空気室４Ｓと固定絞り５１を介して連通された第１補助空気室６１と、当該第１補助空気室６１と固定絞り５１より絞り径が小さく形成された第２固定絞り５２を介して連通された第２補助空気室６２とを備えている。ここでは、固定絞り５１は、空気ばね本体４Ｈの空気室４Ｓと第１補助空気室６１とを仕切る隔壁に設置されている。また、第２固定絞り５２は、第１補助空気室６１と第２補助空気室６２とを仕切る隔壁に設置されているが、第１補助空気室６１と第２補助空気室６２とを接続する外部配管内に設置されても良い。

なお、固定絞り５１の絞り径は、空気ばね本体４Ｈの空気室４Ｓと第１補助空気室６１との間で空気が略自由に移動できる大きさに形成されていれば良く、通過する空気の圧力損失が殆んど生じない程度の大きさで良い。また、第２固定絞り５２の絞り径は、空気ばね４の固有振動数を有する低周波（１～２Ｈｚ付近）の領域で、第２固定絞り５２を通過する空気の圧力損失によって大きく減衰させ得る大きさに設定されている。例えば、第２固定絞り５２の絞り径は、固定絞り５１の絞り径の１／２～１／３倍程度の大きさに形成されていることが好ましい。

また、第１補助空気室６１と第２補助空気室６２との間には、絞り径が固定絞り５１より小さく第２固定絞り５２より大きく形成された第３固定絞り５３と、所定の圧力差△Ｐが生じたとき連通させるリリーフ弁５４と、を有するバイパス回路５Ｂが、第２固定絞り５２を有する固定絞り回路５Ａと並列状に接続されている。なお、第３固定絞り５３の絞り径は、軸ばね７の固有振動数を有する高周波（１０Ｈｚ付近）の領域で、第３固定絞り５３を通過する空気の圧力損失によって大きく減衰させ得る大きさに設定されている。

そして、リリーフ弁５４は、第１補助空気室６１内の圧力Ｐ１ｂが第２補助空気室６２内の圧力Ｐ２ｂより所定の圧力差△Ｐ（例えば、８０～１２０ｋＰａ程度）より大きくなったとき開放するリリーフ弁５４ａと、第２補助空気室６２内の圧力Ｐ２ｂが第１補助空気室６１内の圧力Ｐ１ｂより所定の圧力差△Ｐ（例えば、８０～１２０ｋＰａ程度）だけ大きくなったとき開放するリリーフ弁５４ｂとを備え、両リリーフ弁５４ａ、５４ｂが並列状に配置されている。

本鉄道車両の空気ばね装置１０は、以上のような構成を有するので、空気ばね４の固有振動数を有する低周波（１～２Ｈｚ付近）と、軸ばね７の固有振動数を有する高周波（１０Ｈｚ付近）の両方の領域の振動Ｑ１、Ｑ２に対して、固定絞り回路５Ａとバイパス回路５Ｂとが互いに役割分担して振動減衰性能を安定的に確保することができる。

すなわち、図３（Ａ）に示すように、空気ばね４の固有振動数を有する低周波（１～２Ｈｚ付近）の振動Ｑ１は、空気ばね本体４Ｈの空気室４Ｓと第１補助空気室６１とを連通させた固定絞り５１を殆ど減衰することなく通過後に、固定絞り５１より絞り径が小さく形成された第２固定絞り５２を通過する。そして、第２固定絞り５２を通過する空気の圧力損失によって、空気ばね４の固有振動数を有する低周波（１～２Ｈｚ付近）の振動Ｑ１を大きく減衰させることができる。

また、軸ばね７の固有振動数を有する高周波（１０Ｈｚ付近）の振動Ｑ２は、振幅ｆ１が小さい段階では、第２固定絞り５２を通過する空気の流量（絞り流量）が少なく、第１補助空気室６１内の圧力Ｐ１ａと第２補助空気室６２内の圧力Ｐ２ａとの圧力差（｜Ｐ１ａ－Ｐ２ａ｜）が所定値△Ｐを越えないので、第２固定絞り５２によって減衰させることができる。

しかし、図３（Ｂ）に示すように、軸ばね７の固有振動数を有する高周波（１０Ｈｚ付近）の振動Ｑ２の振幅ｆ２が大きくなり、第２固定絞り５２を通過する空気の流量（絞り流量）が増加して上記圧力差（｜Ｐ１ｂ－Ｐ２ｂ｜）が所定値△Ｐを超えた場合には、バイパス回路５Ｂのリリーフ弁５４（５４ａ、５４ｂ）が開放されて第３固定絞り５３を通過する空気の圧力損失によって減衰させることができる。

また、固定絞り５１と第２固定絞り５２と第３固定絞り５３とが、いずれも絞り径が所定の大きさに設定された簡単な絞り構造であって、フィードバック制御を使用していないので、車体３の上下振動速度が速くなっても、可変絞り機構のように絞り径の追従遅れが生じなく、軸ばね７の固有振動数を有する高周波（１０Ｈｚ付近）の領域で、空気ばね４の振動減衰性能を安定して確保することができる。

よって、本鉄道車両の空気ばね装置１０によれば、フィードバック制御を用いることなく簡単な構造で、空気ばね４の固有振動数を有する低周波の領域と軸ばね７の固有振動数を有する高周波の領域とでそれぞれ安定して振動減衰できる鉄道車両１の空気ばね装置１０を提供することができる。

また、本鉄道車両の空気ばね装置１０においては、第１補助空気室６１と第２補助空気室６２とが、台車２の台車枠２１内に形成され、バイパス回路５Ｂが、台車２の台車枠２１外に形成されていることが好ましい。

第１補助空気室６１と第２補助空気室６２とが、台車２の台車枠２１内に形成されたことによって、台車枠２１を構成するフレーム部材の内部空間を仕切り板で分割して、第１補助空気室６１と第２補助空気室６２とを簡単に形成することができる。また、バイパス回路５Ｂが、台車２の台車枠２１外に形成されたことによって、台車枠２１の外部に第３固定絞り５３とリリーフ弁５４（５４ａ、５４ｂ）とを配管接続して、バイパス回路５Ｂを簡単な構造で形成することができる。そのため、台車枠２１の外部からバイパス回路５Ｂを構成するリリーフ弁５４等を簡単に点検でき、また、修理・交換等を行うことができる。

また、本鉄道車両の空気ばね装置１０においては、第２補助空気室６２の容積は、第１補助空気室６１の容積より大きく形成されていることが好ましい。例えば、第２補助空気室６２の容積は、第１補助空気室６１の容積の３～１０倍程度の大きさに形成されていることが、より一層好ましい。なお、補助空気室６全体の容積は、空気ばね本体４Ｈの空気室４Ｓの容積の１．５～３倍程度の大きさに形成することが好ましい。

この場合、車体３の振動Ｑ１、Ｑ２に伴って空気ばね本体４Ｈの空気室４Ｓから固定絞り５１を通過する空気が、第１補助空気室６１に滞留せずに、第２固定絞り５２又は第３固定絞り５３を通過して第２補助空気室６２へ素早く移動することができる。そのため、空気ばね本体４Ｈの空気室４Ｓと第２補助空気室６２とを第２固定絞り５２又は第３固定絞り５３を介して略直接的に連通させることができ、第２固定絞り５２又は第３固定絞り５３の減衰力の応答性を高めることができる。その結果、空気ばね４の振動減衰性能をより一層向上させることができる。

次に、本鉄道車両の空気ばね装置１０における振動の周波数と応答倍率との関係を表す振動減衰特性を、図４を用いて説明する。図４では、縦軸に応答倍率を示し、横軸に振動の周波数を示す。応答倍率は、軸ばね７のばね下変位に対する空気ばね４のばね上変位の比率を意味し、具体的には、輪軸８の上下動変位に対する車体３の上下動変位の比率を意味する。したがって、応答倍率が小さいほど、空気ばね装置における軸ばね共振周波数を含めた振動減衰性能が良くなる。ここでは、本鉄道車両の空気ばね装置１０の振動減衰特性のシミュレーション結果と、その比較例として、空気ばねが固定絞りを介して補助空気室と連通された従来技術の空気ばね装置において、固定絞りの絞り径が、（大）、（中）、（小）の場合の振動減衰特性のシミュレーション結果を示す。

図４に示すように、従来技術の空気ばね装置において、固定絞りの絞り径が（大）の場合、空気ばね４の固有振動数を有する低周波（１～２Ｈｚ付近）の領域で、応答倍率が大きく増加するが、軸ばね７の固有振動数を有する高周波（１０Ｈｚ付近）の領域では、応答倍率は僅かに上昇する程度である。また、従来技術の空気ばね装置において、固定絞りの絞り径が（中）と（小）の場合、空気ばね４の固有振動数を有する低周波（１～２Ｈｚ付近）の領域で、固定絞りの絞り径が（大）の場合に比較して、応答倍率が大幅に低下するが、軸ばね７の固有振動数を有する高周波（１０Ｈｚ付近）の領域では、固定絞りの絞り径が（大）の場合に比較して、応答倍率は大きく上昇する。

すなわち、従来技術の空気ばね装置では、固定絞りの絞り径が大きいほど、軸ばね７の固有振動数を有する高周波（１０Ｈｚ付近）の領域での振動減衰性能は高いが、空気ばね４の固有振動数を有する低周波（１～２Ｈｚ付近）の領域での振動減衰性能が低下し、また、固定絞りの絞り径が小さいほど、空気ばね４の固有振動数を有する低周波（１～２Ｈｚ付近）の領域での振動減衰性能が高いが、軸ばね７の固有振動数を有する高周波（１０Ｈｚ付近）の領域での振動減衰性能は低下することになる。したがって、従来技術の空気ばね装置では、空気ばね４の固有振動数を有する低周波の領域と軸ばね７の固有振動数を有する高周波の領域との両方の領域でそれぞれ安定して振動減衰できないことが分かる。

これに対して、本発明（本鉄道車両の空気ばね装置１０）の場合、空気ばね４の固有振動数を有する低周波（１～２Ｈｚ付近）の領域で、従来技術の空気ばね装置における固定絞りの絞り径が（中）、（小）の場合と略同程度に、応答倍率が低下し、軸ばね７の固有振動数を有する高周波（１０Ｈｚ付近）の領域で、従来技術の空気ばね装置における固定絞りの絞り径が（大）の場合と略同程度に、応答倍率が低下している。

以上の結果から、本鉄道車両の空気ばね装置１０によれば、空気ばね４の固有振動数を有する低周波（１～２Ｈｚ付近）の領域と軸ばね７の固有振動数を有する高周波（１０Ｈｚ付近）の領域とで、それぞれ安定して振動減衰できることが分かった。

＜本鉄道車両の空気ばね装置の変形例＞
次に、第１変形例に係る鉄道車両の空気ばね装置１０Ｂと、第２変形例に係る鉄道車両の空気ばね装置１０Ｃについて、図５、図６を用いて説明する。図５に、図１に示す鉄道車両の空気ばね装置における第１変形例の空気回路の概略構成図を示す。図６に、図１に示す鉄道車両の空気ばね装置における第２変形例の空気回路の概略構成図を示す。

（第１変形例）
図５に示すように、本第１変形例に係る鉄道車両の空気ばね装置１０Ｂは、補助空気室６には、車両右側に配置された空気ばね４Ｒと連通する右用の第１補助空気室６１Ｒ及び右用の第２補助空気室６２Ｒと、車両左側に配置された空気ばね４Ｌと連通する左用の第１補助空気室６１Ｌ及び左用の第２補助空気室６２Ｌとを備え、右用の第２補助空気室６２Ｒと左用の第２補助空気室６２Ｌとの間には、所定の圧力差が生じたとき連通させる第２のリリーフ弁５５（５５ａ、５５ｂ）を有する第２バイパス回路５Ｃが接続されている。

なお、車両右側の空気ばね４Ｒは右用の固定絞り５１Ｒを介して右用の第１補助空気室６１Ｒと連通され、右用の第１補助空気室６１Ｒは、右用の固定絞り５１Ｒより絞り径が小さく形成された右用の第２固定絞り５２Ｒを介して右用の第２補助空気室６２Ｒと連通されている。また、右用の第１補助空気室６１Ｒと右用の第２補助空気室６２Ｒとの間には、絞り径が右用の固定絞り５１Ｒより小さく右用の第２固定絞り５２Ｒより大きく形成された右用の第３固定絞り５３Ｒと所定の圧力差△Ｐが生じたとき連通させるリリーフ弁５４Ｒ（５４Ｒａ、５４Ｒｂ）とを有する右用のバイパス回路５ＲＢが、右用の第２固定絞り５２Ｒを有する右用の固定絞り回路５ＲＡと並列状に接続されている。

また、車両左側の空気ばね４Ｌは左用の固定絞り５１Ｌを介して左用の第１補助空気室６１Ｌと連通され、左用の第１補助空気室６１Ｌは、左用の固定絞り５１Ｌより絞り径が小さく形成された左用の第２固定絞り５２Ｌを介して左用の第２補助空気室６２Ｌと連通されている。また、左用の第１補助空気室６１Ｌと左用の第２補助空気室６２Ｌとの間には、絞り径が左用の固定絞り５１Ｌより小さく左用の第２固定絞り５２Ｌより大きく形成された左用の第３固定絞り５３Ｌと所定の圧力差△Ｐが生じたとき連通させるリリーフ弁５４Ｌ（５４Ｌａ、５４Ｌｂ）とを有する左用のバイパス回路５ＬＢが、左用の第２固定絞り５２Ｌを有する左用の固定絞り回路５ＬＡと並列状に接続されている。これらの構成は、前述した本鉄道車両の空気ばね装置１０と同様であり、詳細な説明は割愛する。

本第１変形例に係る鉄道車両の空気ばね装置１０Ｂによれば、右用の第２補助空気室６２Ｒと左用の第２補助空気室６２Ｌとの間に、所定の圧力差が生じたとき連通させる第２のリリーフ弁５５（５５ａ、５５ｂ）を有する第２バイパス回路５Ｃが接続されているので、車体３が左右に傾斜（ローリング）すること等によって、右用の第２補助空気室６２Ｒ内の圧力又は左用の第２補助空気室６２Ｌ内の圧力が過剰に上昇し、所定の圧力差△Ｐが生じた場合、第２のリリーフ弁５５（５５ａ、５５ｂ）が開放して両者の圧力の均等化を図り、第２固定絞り５２（５２Ｒ、５２Ｌ）又は第３固定絞り５３（５３Ｒ、５３Ｌ）の減衰力の低下を抑制すると共に、第２固定絞り５２（５２Ｒ、５２Ｌ）又は第３固定絞り５３（５３Ｒ、５３Ｌ）の減衰力の均一化を図ることができる。

（第２変形例）
図６に示すように、本第２変形例に係る鉄道車両の空気ばね装置１０Ｃは、第１補助空気室６１と第２補助空気室６２との間には、絞り径が異なる第３固定絞り５３１、５３２と異なる圧力差で連通させるリリーフ弁５４１、５４２とを有する複数のバイパス回路５Ｂ１、５Ｂ２が並列状に接続されている。

なお、補助空気室６には、空気ばね４の空気室４Ｓと固定絞り５１を介して連通された第１補助空気室６１と、当該第１補助空気室６１と固定絞り５１より絞り径が小さく形成された第２固定絞り５２を介して連通された第２補助空気室６２とを備えた点は、前述した鉄道車両の空気ばね装置１０と同様であるので、詳細な説明は割愛する。

また、リリーフ弁５４１、５４２は、第１補助空気室６１内の圧力が第２補助空気室６２内の圧力より所定の圧力差より大きくなったとき開放するリリーフ弁５４１ａ、５４２ａと、第２補助空気室６２内の圧力が第１補助空気室６１内の圧力より所定の圧力差だけ大きくなったとき開放するリリーフ弁５４１ｂ、５４２ｂとを備えている。

そして、一方のバイパス回路５Ｂ１において、各リリーフ弁５４１ａ、５４１ｂが並列状に配置され、他方のバイパス回路５Ｂ２において、各リリーフ弁５４２ａ、５４２ｂが並列状に配置されている。また、一方のバイパス回路５Ｂ１におけるリリーフ弁５４１ａ、５４１ｂが開放する圧力差と、他方のバイパス回路５Ｂ２におけるリリーフ弁５４２ａ、５４２ｂが開放する圧力差は、異なる値に設定されている。ここでは、バイパス回路５Ｂ１、５Ｂ２は、２つの例が示されているが、バイパス回路５Ｂ１、５Ｂ２は、必ずしも２つに限らず、３つ以上でも良い。

本第２変形例に係る鉄道車両の空気ばね装置１０Ｃによれば、、第１補助空気室６１と第２補助空気室６２との間には、絞り径が異なる第３固定絞り５３１、５３２と異なる圧力差で連通させるリリーフ弁５４１、５４２とを有する複数のバイパス回路５Ｂ１、５Ｂ２が並列状に接続されているので、複数の固有振動数を有する高周波の振動に対して、複数のバイパス回路５Ｂ１、５Ｂ２が別々に作動して、それぞれの振動減衰性能を発揮することができる。そのため、例えば、橋梁やトンネル等の路線状況の異なる走行区間で生じる特有の振動に対しても、安定した振動減衰性能を確保することができる。

＜作用効果＞
以上、詳細に説明した本実施形態に係る鉄道車両の空気ばね装置１０、１０Ｂ、１０Ｃによれば、補助空気室６、６Ｒ、６Ｌには、空気ばね本体４Ｈの空気室４Ｓと固定絞り５１、５１Ｒ、５１Ｌを介して連通された第１補助空気室６１、６１Ｒ、６１Ｌと、当該第１補助空気室６１、６１Ｒ、６１Ｌと固定絞り５１、５１Ｒ、５１Ｌより絞り径が小さく形成された第２固定絞り５２、５２Ｒ、５２Ｌを介して連通された第２補助空気室６２、６２Ｒ、６２Ｌとを備え、第１補助空気室６１、６１Ｒ、６１Ｌと第２補助空気室６２、６２Ｒ、６２Ｌとの間には、絞り径が固定絞り５１、５１Ｒ、５１Ｌより小さく第２固定絞り５２、５２Ｒ、５２Ｌより大きく形成された第３固定絞り５３、５３Ｒ、５３Ｌ、５３１、５３２と所定の圧力差△Ｐが生じたとき連通させるリリーフ弁５４、５４Ｒ、５４Ｌ、５４１、５４２とを有するバイパス回路５Ｂ、５Ｂ１、５Ｂ２が、第２固定絞り５２、５２Ｒ、５２Ｌを有する固定絞り回路５Ａ、５ＲＡ、５ＬＡと並列状に接続されているので、空気ばね４、４Ｒ、４Ｌの固有振動数を有する低周波（１～２Ｈｚ付近）と、軸ばね７の固有振動数を有する高周波（１０Ｈｚ付近）の両方の領域の振動に対して、固定絞り回路５Ａ、５ＲＡ、５ＬＡとバイパス回路５Ｂ、５Ｂ１、５Ｂ２とが互いに役割分担して振動減衰性能を安定的に確保することができる。

すなわち、空気ばね４、４Ｒ、４Ｌの固有振動数を有する低周波（１～２Ｈｚ付近）の振動Ｑ１は、空気ばね本体４Ｈの空気室４Ｓと第１補助空気室６１、６１Ｒ、６１Ｌとを連通させた固定絞り５１、５１Ｒ、５１Ｌを通過後に、固定絞り５１、５１Ｒ、５１Ｌより絞り径が小さく形成された第２固定絞り５２、５２Ｒ、５２Ｌを通過する空気の圧力損失によって大きく減衰させることができる。また、軸ばね７の固有振動数を有する高周波（１０Ｈｚ付近）の振動Ｑ２は、振幅ｆ１が小さい段階では、第２固定絞り５２、５２Ｒ、５２Ｌを通過する空気の流量（絞り流量）が少なく、第１補助空気室６１、６１Ｒ、６１Ｌ内の圧力Ｐ１ａと第２補助空気室６２、６２Ｒ、６２Ｌ内の圧力Ｐ２ａとの圧力差（｜Ｐ１ａ－Ｐ２ａ｜）が所定値△Ｐを越えないので、第２固定絞り５２、５２Ｒ、５２Ｌによって減衰させ、振幅ｆ２が大きくなり上記圧力差（｜Ｐ１ａ－Ｐ２ａ｜）が所定値△Ｐを超えた場合には、リリーフ弁５４（５４ａ、５４ｂ）、５４Ｒ、５４Ｌ、５４１、５４２が開放されて第３固定絞り５３、５３Ｒ、５３Ｌ、５３１、５３２を通過する空気の圧力損失によって減衰させることができる。

また、固定絞り５１と第２固定絞り５２、５２Ｒ、５２Ｌと第３固定絞り５３、５３Ｒ、５３Ｌ、５３１、５３２とが、いずれも絞り径が所定の大きさに設定された簡単な絞り構造であって、フィードバック制御を使用していないので、車体３の上下振動速度が速くなっても、可変絞り機構のように絞り径の追従遅れが生じなく、軸ばね７の固有振動数を有する高周波（１０Ｈｚ付近）の領域で、空気ばね４の振動減衰性能を安定して確保することができる。

よって、本実施形態によれば、フィードバック制御を用いることなく簡単な構造で、空気ばね４、４Ｒ、４Ｌの固有振動数を有する低周波の領域と軸ばね７の固有振動数を有する高周波の領域とでそれぞれ安定して振動減衰できる鉄道車両の空気ばね装置１０、１０Ｂ、１０Ｃを提供することができる。

また、本実施形態によれば、第１補助空気室６１、６１Ｒ、６１Ｌと第２補助空気室６２、６２Ｒ、６２Ｌとが、台車２の台車枠２１内に形成されているので、台車枠２１を構成するフレーム部材の内部空間を仕切り板で分割することによって、第１補助空気室６１、６１Ｒ、６１Ｌと第２補助空気室６２、６２Ｒ、６２Ｌとを簡単に形成することができる。また、バイパス回路５Ｂ、５Ｂ１、５Ｂ２が、台車２の台車枠２１外に形成されているので、台車枠２１の外部に第３固定絞り５３、５３Ｒ、５３Ｌ、５３１、５３２とリリーフ弁５４（５４ａ、５４ｂ）、５４Ｒ、５４Ｌ、５４１、５４２とを配管接続してバイパス回路５Ｂ、５Ｂ１、５Ｂ２を簡単な構造で形成することができる。そのため、台車枠２１の外部からバイパス回路５Ｂ、５Ｂ１、５Ｂ２を構成するリリーフ弁５４（５４ａ、５４ｂ）、５４Ｒ、５４Ｌ、５４１、５４２等を簡単に点検でき、また、修理・交換等を行うことができる。したがって、空気ばね４、４Ｒ、４Ｌの振動減衰性能をより一層安定して確保することができる。

また、本実施形態によれば、第２補助空気室６２、６２Ｒ、６２Ｌの容積は、第１補助空気室６１、６１Ｒ、６１Ｌの容積より大きく形成されているので、車体３の振動に伴って空気ばね本体４Ｈの空気室４Ｓから固定絞り５１、５１Ｒ、５１Ｌを通過する空気が、第１補助空気室６１、６１Ｒ、６１Ｌに滞留せずに、第２固定絞り５２、５２Ｒ、５２Ｌ又は第３固定絞り５３、５３Ｒ、５３Ｌ、５３１、５３２を通過して第２補助空気室６２、６２Ｒ、６２Ｌへ素早く移動することができる。そのため、空気ばね本体４Ｈの空気室４Ｓと第２補助空気室６２、６２Ｒ、６２Ｌとを第２固定絞り５２、５２Ｒ、５２Ｌ又は第３固定絞り５３、５３Ｒ、５３Ｌ、５３１、５３２を介して略直接的に連通させることができ、第２固定絞り５２、５２Ｒ、５２Ｌ又は第３固定絞り５３、５３Ｒ、５３Ｌ、５３１、５３２の減衰力の応答性を高めることができる。その結果、空気ばね４、４Ｒ、４Ｌの振動減衰性能をより一層向上させることができる。

また、本実施形態によれば、補助空気室６には、車両右側に配置された空気ばね４Ｒと連通する右用の第１補助空気室６１Ｒ及び右用の第２補助空気室６２Ｒと、車両左側に配置された空気ばね４Ｌと連通する左用の第１補助空気室６１Ｌ及び左用の第２補助空気室６２Ｌとを備え、右用の第２補助空気室６２Ｒと左用の第２補助空気室６２Ｌとの間には、所定の圧力差が生じたとき連通させる第２のリリーフ弁５５（５５ａ、５５ｂ）を有する第２バイパス回路５Ｃが接続されているので、車体３が左右に傾斜（ローリング）すること等によって、右用の第２補助空気室６２Ｒ内の圧力又は左用の第２補助空気室６２Ｌ内の圧力が過剰に上昇し、所定の圧力差△Ｐが生じた場合、第２のリリーフ弁５５（５５ａ、５５ｂ）が開放して両者の圧力の均等化を図り、第２固定絞り５２（５２Ｒ、５２Ｌ）又は第３固定絞り５３（５３Ｒ、５３Ｌ）の減衰力の低下を抑制すると共に、第２固定絞り５２（５２Ｒ、５２Ｌ）又は第３固定絞り５３（５３Ｒ、５３Ｌ）の減衰力の均一化を図ることができる。

また、本実施形態によれば、第１補助空気室６１、６１Ｒ、６１Ｌと第２補助空気室６２、６２Ｒ、６２Ｌとの間には、絞り径が異なる第３固定絞り５３１、５３２と異なる圧力差で連通させるリリーフ弁５４１、５４２とを有する複数のバイパス回路５Ｂ１、５Ｂ２が並列状に接続されているので、複数の固有振動数を有する高周波の振動に対して、複数のバイパス回路５Ｂ１、５Ｂ２が別々に作動して、それぞれの振動減衰性能を発揮することができる。そのため、例えば、橋梁やトンネル等の路線状況の異なる走行区間で生じる特有の振動に対しても、安定した振動減衰性能を確保することができる。

本発明は、空気ばねの固有振動数を有する低周波の領域と軸ばねの固有振動数を有する高周波の領域の両方の領域で振動減衰可能とした鉄道車両の空気ばね装置として利用できる。

１ 鉄道車両
２ 台車
３ 車体
４、４Ｒ、４Ｌ 空気ばね
４Ｈ 空気ばね本体
４Ｓ 空気室
５Ａ 固定絞り回路
５Ｂ、５Ｂ１、５Ｂ２ バイパス回路
５ＲＢ、５ＬＢ バイパス回路
５Ｃ 第２バイパス回路
６ 補助空気室
１０、１０Ｂ、１０Ｃ 鉄道車両の空気ばね装置
２１ 台車枠
５１、５１Ｒ、５１Ｌ 固定絞り
５２、５２Ｒ、５２Ｌ 第２固定絞り
５３、５３Ｒ、５３Ｌ 第３固定絞り
５４、５５ リリーフ弁
６１、６１Ｒ、６１Ｌ 第１補助空気室
６２、６２Ｒ、６２Ｌ 第２補助空気室
５３１、５３２ 第３固定絞り
５４１、５４２ リリーフ弁

Claims (5)

1. 鉄道車両の台車と車体との間に設置した空気ばねと、空気ばね本体の空気室と固定絞りを介して連通され前記台車に形成された補助空気室と、を備えた鉄道車両の空気ばね装置であって、
   前記補助空気室には、前記空気ばね本体の空気室と前記固定絞りを介して連通された第１補助空気室と、当該第１補助空気室と前記固定絞りより絞り径が小さく形成された第２固定絞りを介して連通された第２補助空気室とを備え、
   前記第１補助空気室と前記第２補助空気室との間には、絞り径が前記固定絞りより小さく前記第２固定絞りより大きく形成された第３固定絞りと所定の圧力差が生じたとき連通させるリリーフ弁とを有するバイパス回路が、前記第２固定絞りを有する固定絞り回路と並列状に接続されていることを特徴とする鉄道車両の空気ばね装置。
2. 請求項１に記載された鉄道車両の空気ばね装置において、
   前記第１補助空気室と前記第２補助空気室とが、前記台車の台車枠内に形成され、前記バイパス回路が、前記台車の台車枠外に形成されていることを特徴とする鉄道車両の空気ばね装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載された鉄道車両の空気ばね装置において、
   前記第２補助空気室の容積は、前記第１補助空気室の容積より大きく形成されていることを特徴とする鉄道車両の空気ばね装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載された鉄道車両の空気ばね装置において、
   前記補助空気室には、車両右側に配置された空気ばねと連通する右用の第１補助空気室及び右用の第２補助空気室と、車両左側に配置された空気ばねと連通する左用の第１補助空気室及び左用の第２補助空気室とを備え、
   前記右用の第２補助空気室と前記左用の第２補助空気室との間には、所定の圧力差が生じたとき連通させる第２のリリーフ弁を有する第２バイパス回路が接続されていることを特徴とする鉄道車両の空気ばね装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載された鉄道車両の空気ばね装置において、
   前記第１補助空気室と前記第２補助空気室との間には、絞り径が異なる第３固定絞りと異なる圧力差で連通させるリリーフ弁とを有する複数のバイパス回路が並列状に接続されていることを特徴とする鉄道車両の空気ばね装置。

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