JP3705940B2 - 舟体形状の決定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両などの屋根に設置されるパンタグラフにおいて、架線に接触して電力を取込むための舟体の形状を決定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力を動力とする電動機によって駆動される車両として、たとえば電気鉄道車両がある。電気鉄道車両は、軌道の上方に所定の高さ位置に支持された架線に、車両の屋根に設置される集電装置であるパンタグラフが備える舟体を所定の押上げ力で接触させ、車両を駆動するための電力を取込む方式を採用している。
【０００３】
このような電気鉄道車両は、パンタグラフの舟体に設けられた摺板を架線に摺動させながら電力を取込み、走行している。舟体は、車両の進行方向および上下方向に対して垂直な車両の幅方向に延びて細長く形成されている。この舟体には、空気流によって揚力および抗力が発生し、押上げ力変化が起こる。したがって舟体に働く全押上げ力が大きくなると、摺板と架線との摩擦力が大きくなるとともに、舟体が架線を持上げる結果となって、架線を破損したりする。また舟体の形状によっては、舟体に空気流による負の押上げ力、すなわち架線から舟体を離反させる力が働く。このような場合、舟体と架線とが非接触状態になるなどして、舟体は適切に電力を取込むことができなくなるという問題を生じる。
【０００４】
これらの問題を解決する目的で、空気流による揚力特性を改善するための舟体が、たとえば特開平６−１８９４０８号公報に開示されている。この舟体は、長手方向に垂直な断面形状が楕円形である舟体本体と、舟体本体の上面側に設けられ、前記断面形状が略台形状の摺板と、舟体本体の下面側に設けられ、前記断面形状が略台形状の舟体フレームとから構成されている。この舟体は、舟体の進行方向と平行な方向に舟体に空気流が作用する条件の下に、摺板および舟体フレームの前記断面形状が決定され、空気流による押上げ力が所定範囲内となるように、適切な揚力特性を得ている。したがって舟体は、走行中にも適切な押上げ力で架線に接触され、電力を取込むことができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、特開平６−１８９４０８号公報に開示される舟体は、進行方向と平行な方向の空気流に対しては適切な押上げ力を得ることができる。しかしながら、車両がたとえば山岳地帯などの空気流が複雑な流れを有する場所を走行するとき、舟体には進行方向に対して迎角を持つ空気流が作用する。また車両がトンネルに進入し、もしくはトンネルから退出する場合、または車両の屋根に設けられた機器類が影響する場合など、車両のパンタグラフ付近の空気流が複雑な流れとなる場合においても、パンタグラフの舟体には迎角を持つ空気流が作用する。このように空気流が迎角を有する場合には、迎角の影響を受けて所定範囲外の空気流による押上げ力が働くので、舟体と架線とが適切に接触する全押上げ力を得られないという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、舟体に対して空気流が所定範囲の迎角で作用する場合において、舟体に作用する空気流による押上げ力が所定範囲内にあるように舟体の形状を決定する方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、進行方向に対して垂直な方向に延び、長手方向に対して垂直な断面形状が縦寸法をｈとしかつ横寸法をｄとする長方形であり、進行方向および長手方向に対して平行な表面の面積をＡとする舟体であって、
この舟体に、進行方向に対して迎角をα、速度をＶとする密度ρの空気の空気流が作用したときの押上げ力Ｆ_Yを既知量として予め求め、
舟体の押上げ力係数Ｃ_Yを、次式
【０００８】
【数２】

【０００９】
によって算出して、迎角αにおける縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈに対する押上げ力係数Ｃ_Yの関係を求め、
この関係から迎角αの選択範囲において、押上げ力Ｆ_Yの任意の上限値Ｆ_Ymaxおよび下限値Ｆ_Yminから算出される押上げ力係数Ｃ_Yの上限値Ｃ_Ymaxおよび下限値Ｃ_Yminに対応する前記縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎの範囲を求め、この範囲に基づいて縦寸法ｈの適値ｈ１および横寸法ｄの適値ｄ１を決定することを特徴とする舟体形状の決定方法である。
【００１０】
本発明に従えば、迎角αの選択範囲と、押上げ力Ｆ_Yの上限値Ｆ_Ymaxおよび下限値Ｆ_Yminから算出される押上げ力係数Ｃ_Yの上限値Ｃ_Ymaxおよび下限値Ｃ_Yminに対応して、舟体の長方形断面の縦寸法ｈおよび横寸法ｄの適値ｈ１，ｄ１を決定する。したがって迎角αの選択範囲内の空気流による押上げ力Ｆ_Yが、任意の上限値Ｆ_Ymaxと下限値Ｆ_Yminとの範囲内の値をとる舟体の長方形断面形状を決定することができる。このように決定された長方形断面形状を有する舟体を車両のパンタグラフに用いることによって、パンタグラフ付近の空気流が複雑な流れになる場合においても、舟体は適切な押上げ力で架線に接触し、パンタグラフは舟体を介して所要の通りに電力を取込むことができる。
【００１１】
また迎角αにおける押上げ力係数Ｃ_Yに対する縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈの関係を予め風洞試験などから求めることによって、舟体の進行方向および長手方向に平行な表面の面積Ａと、この舟体に作用する空気の密度ρと、空気流の速度Ｖとが既知であれば、これらの値から迎角αが任意の選択範囲で変動する空気流が作用したとき、押上げ力Ｆ_Yが任意の上限値Ｆ_Ymaxと下限値Ｆ_Yminとの範囲内にある舟体の長方形断面形状を求めることができる。したがって試作した舟体の空気流による押上げ力を風洞試験などによって計測することを繰返し行い、舟体の断面形状を決定する方法と比較して、短期間に容易に適切な舟体の断面形状を決定することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態の舟体形状の決定方法によって形状が決定される舟体２を示す斜視図であり、図２は、図１の舟体２を切断面線ＩＩ−ＩＩから見た断面図である。電気鉄道車両などの電動機によって駆動される車両の屋根には、集電装置であるパンタグラフが設置される。パンタグラフは、上枠および下枠を有する上下に伸縮自在な枠組みを備え、上枠に舟体支持手段を介して支持される舟体２を備えている。舟体２は、枠組の伸縮動作によって上下に変位され、少なくとも車両が走行するときには、車両が走行する軌道上方の所定の高さ位置に支持された架線に、押付けられて接触される。車両は、このようにパンタグラフの舟体２を架線に接触させ、架線から電力を取込むことによって、電動機によって駆動されて走行する。このとき舟体２は、好適に電力を取込むために、所定の押付け力Ｆ_Pで架線に押付けられる。この押付け力Ｆ_Pは、たとえば５．５ｋｇｆに設定される。
【００１３】
舟体２は、舟体本体４と、舟体本体４の上部に設けられ架線に接触する摺板６とを含んで構成される。舟体本体４は、たとえば耐食性アルミニウム合金から成り、車両の進行方向である舟体２の進行方向８に対して垂直に延びて細長く形成されている。摺板６は、たとえば銅系または鉄系の焼結合金板から成り、舟体本体４の長手方向に延びる長尺の板状に形成されている。この実施形態においては、舟体本体４の上部に２枚の摺板６が舟体２の進行方向に隣接してそれぞれ設けられ、部分的に取替え可能なように短冊のタイル張り状に構成、舟体本体４に固定またはわずかの上下変形が可能なように弾性体によって架線に付勢されている。摺板６の端面には、架線が滑らかに摺板６上に乗移れるように傾斜がつけられている。また舟体２の長手方向の両端部２ａには、ホーン１０がそれぞれ設けられている。各ホーン１０は、舟体本体４から舟体２の長手方向、すなわち舟体２の進行方向８に対して垂直に延び、先端部１０ａが下方に向けて湾曲している。このような各ホーン１０によって、舟体２の長手方向両端部２ａより外側に位置する架線を，滑らかに舟体２へ導くことができる。
【００１４】
図３は、舟体２に空気流が作用することによって舟体２に働く力を舟体２の長手方向に対して垂直な面において示す図である。舟体２に、舟体２の長手方向に垂直な面内において、進行方向８に対して迎角αを成す方向１２の空気流が速度Ｖで作用するとき、舟体２には、空気流が作用する方向１２に対して垂直、かつ舟体２の長手方向に垂直な揚力Ｆ_Lと、空気流が作用する方向に対して平行、かつ舟体２の長手方向に垂直な抗力Ｆ_Dとが働く。言い換えるならば、舟体２には揚力Ｆ_Lと抗力Ｆ_Dとの合力ΣＦが働く。この合力ΣＦは、舟体２の進行方向８に対して平行、かつ舟体２の長手方向に垂直な抵抗力Ｆ_Xと、舟体２の進行方向８に対して垂直かつ舟体２の長手方向に垂直な押上げ力Ｆ_Yとに分解することができる。言い換えれば、舟体２には、空気流によって抵抗力Ｆ_Xおよび押上げ力Ｆ_Yとが働いている。空気流による押上げ力Ｆ_Yが舟体２に働くとき、舟体２に働く全押上げ力Ｐは、枠組などによって予め舟体２に加えられる所定の押付け力Ｆ_Pと、空気流による押上げ力Ｆ_Yとの和Ｐ＝Ｆ_P＋Ｆ_Yとなる。
【００１５】
迎角αは、任意の基準位置Ｏに関して、この基準位置Ｏから進行方向８に移動した位置、すなわち図３において左側の位置をＭとし、基準位置Ｏから空気流の流れ方向１２と逆方向に移動した位置、すなわち図３において左斜め下方側の位置をＮとしたときの角ＭＯＮの成す角度である。この迎角αは、各位置Ｍ，Ｏを含む直線よりも位置Ｎが下方にあるような、舟体２に対して下方から、すなわち摺板６と反対側から空気流が作用するときを、正の迎角とし、逆に各位置Ｍ，Ｏを含む直線よりも位置Ｎが上方にあるような、舟体２に対して上方から、すなわち摺板６側から空気流が作用するときを負の迎角とする。舟体２における押上げ力Ｆ_Yは、上方向すなわち舟体２を架線に押付ける方向の力を正の押上げ力とし、下方向すなわち舟体２を架線から離反させる方向の力であるときを負の押上げ力とする。また舟体２に設けられたホーン１０は、舟体２に比較して充分に細く、円柱と見なすことができるので、ホーン１０に作用する空気流による力は無視することができる。
【００１６】
上述した舟体２は、図１および図２から容易に理解されるように、車両に設けられたとき、車両の前後軸方向に対称となる形状を有している。したがって車両が前後方向一方および他方のどちらの方向に走行する場合においても、舟体２における空気流による押上げＦ_Yは上述したようにして説明することができる。
【００１７】
舟体２において、進行方向８に対して垂直な長手方向の長さをｗとし、長手方向に対して垂直な長方形状の断面形状の進行方向８に垂直な縦寸法をｈ、進行方向８に平行な横寸法をｄとし、このときの舟体２の進行方向８および長手方向に平行な表面の面積をＡ＝ｄ×ｗとする。このような舟体２に、進行方向８に対して、迎角αを有する密度ρの空気の空気流が速度Ｖで作用したときに、この空気流によって舟体２に働く押上げ力Ｆ_Yを風洞試験などによって既知量として予め求める。この押上げ力Ｆ_Yから舟体２の押上げ力係数Ｃ_Yを、次式（１）
【００１８】
【数３】

【００１９】
によって算出する。
ただし、押上げ力Ｆ_Yの単位は〔ｋｇｆ〕とし、
空気の密度ρの単位は〔ｋｇｆ・ｓ²／ｍ⁴〕とし、
空気流の速度Ｖの単位は〔ｍ／ｓ〕とし、
面積Ａの単位は〔ｍ²〕とする。
【００２０】
この押上げ力係数Ｃ_Yは、押上げ力Ｆ_Yと、空気の密度ρおよび空気流の速度Ｖと、舟体２の進行方向８および長手方向に平行であり、空気流が作用する舟体２の表面の面積Ａとで表される無次元数である。押上げ力Ｆ_Yの値は、空気の密度ρ、空気流の速度Ｖの２乗および面積Ａの値の変化に比例して変化する。たとえば、空気の密度ρが２倍になったとき、押上げ力Ｆ_Yの値は２倍となり、空気流の速度Ｖが２倍になったとき押上げ力Ｆ_Yの値は４倍となり、面積Ａが２倍になったとき押上げ力Ｆ_Yの値は２倍となる。したがって、舟体２の長手方向に対して垂直な長方形断面の縦寸法ｈと横寸法ｄとの比をｎ＝ｄ／ｈとするとき、この寸法比ｎと、舟体２に作用する空気流が有する迎角αが一定であれば、密度ρ、速度Ｖおよび面積Ａの値に関係なく押上げ力係数Ｃ_Yは常に一定の値となる。
【００２１】
図４は、縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈが２である舟体２において、空気流の迎角αと押上げ力係数Ｃ_Yとの関係を示すグラフであり、横軸は迎角αを示し縦軸は押上げ力係数Ｃ_Yを示す。寸法比ｎ＝２で一定である舟体２を用い風洞試験などによって、舟体２に作用する空気流の迎角αを変化させたときの空気流による押上げ力Ｆ_Yを計測し、この押上げ力Ｆ_Yから上記式（１）によって押上げ力係数Ｃ_Yを算出することによって、迎角αと押上げ力Ｃ_Yとの関係が求められる。押上げ力係数Ｃ_Yが負の値であるとき、空気流による押上げ力Ｆ_Yは負の値であり、すなわち舟体２には押下げようとする力が働いている。図４に示すように、寸法比ｎ＝２である場合、舟体２に作用する空気流の迎角αが、ほぼ±６°の範囲にあるとき、押上げ力係数Ｃ_Yは迎角αの増加に対して減少する。
【００２２】
図５は、縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈが４である舟体２において、図４と同様に、空気流の迎角αに対する押上げ力係数Ｃ_Yの関係を示すグラフであり、横軸は迎角αを示し縦軸は押上げ力係数Ｃ_Yを示す。寸法比ｎ＝４で一定である舟体２において、空気流の迎角αを変化させたとき、計測される押上げ力Ｆ_Yの値から押上げ力係数Ｃ_Yを算出することによって迎角αと押上げ力Ｃ_Yとの関係が求められる。図５に示すように、寸法比ｎ＝４である場合、迎角αがほぼ±６°の範囲にあるとき、押上げ力係数Ｃ_Yは迎角αの増加に対して増加する。
【００２３】
このように、舟体２に作用する空気流の迎角αと押上げ力係数Ｃ_Yとの関係は、舟体２の長手方向に垂直な長方形断面形状の縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈについてそれぞれ求めることができる。
【００２４】
図６は、空気流の迎角αが３°、−３°、６°または−６°であるときの縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈに対する押上げ力係数Ｃ_Yの関係を示すグラフであり、横軸は縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎを示し、縦軸は押上げ力係数Ｃ_Yを示す。実線２４は、舟体２に作用する空気流の迎角αが３°であるときの寸法比ｎと押上げ力係数Ｃ_Yとの関係を示し、実線２６は、舟体２に作用する空気流の迎角αが−３°であるときの寸法比ｎと押上げ係数Ｃ_Yとの関係を示す。破線２８は、迎角αが６°であるときの寸法比ｎと押上げ力係数Ｃ_Yとの関係を示し、破線３０は、迎角αが−６°であるときの寸法比ｎと押上げ力係数Ｃ_Yとの関係を示している。
【００２５】
図６のグラフに示されるそれぞれの寸法比ｎと押上げ係数Ｃ_Yとの関係は、図４および図５において示されるように、寸法比ｎが一定であるときの舟体２に作用する空気流の迎角αに対する押上げ力係数Ｃ_Yの関係を基に求めることができる。図６のグラフは、縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎが１、２、３、４または５であるときの迎角αに対する押上げ力係数Ｃ_Yの関係を基に作成されているが、寸法比ｎの値を細かく分けることによって、迎角αに対する押上げ力係数Ｃ_Yの関係を詳細に求めることができる。また図６のグラフにおいて、ｎとＣ_Yの関係は１≦ｎ≦５範囲で示されている。
【００２６】
風洞試験などにおいて計測される空気流による舟体２の押上げ力Ｆ_Yは、舟体２の表面粗さなどによって少しの誤差を含んでいるが、ある迎角αにおける縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎに対する押上げ力係数Ｃ_Yの関係は、ほぼ図６に示すように表され、押上げ力係数Ｃ_Yの値は寸法比ｎ＝２．５付近で正負が入換わる特性を持っている。
【００２７】
図７は、本発明に従って、舟体２の断面形状を決定する手順の一例を示すフローチャートである。上述のように風洞試験によって、寸法比ｎと、迎角αと、押上げ力係数Ｃ_Yとの関係を求めた後、ステップＳ１において、舟体２に空気流が迎角αの任意の選択範囲で作用するときの押上げ力Ｆ_Yの上限値Ｆ_Ymaxおよび下限値Ｆ_Yminを設定する。押上げ力Ｆ_Yの上限値Ｆ_Ymaxおよび下限値Ｆ_Yminは、押付け力Ｆ_Pとの和である舟体２に働く全押上げ力Ｐが許容範囲内にあるように、たとえば２ｋｇｆ≦Ｐ≦１５．５ｋｇｆを満たすように設定される。次にステップＳ２において、この押上げ力Ｆ_Yの上限値Ｆ_Ymaxおよび下限値Ｆ_Yminと、空気の密度ρと、空気流の速度Ｖと、舟体２の進行方向８および長手方向に平行な表面の面積Ａとを上述した式（１）に代入することによって、上限値Ｆ_Ymaxおよび下限値Ｆ_Yminに対応する押上げ力係数Ｃ_Yの上限値Ｃ_Ymaxおよび下限値Ｃ_Yminを算出する。
【００２８】
ステップＳ３では、図６に示すように予め求めておいた迎角αの選択範囲における縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈに対する押上げ力係数Ｃ_Yの関係から、ステップＳ２において算出された押上げ力係数Ｃ_Yの上限値Ｃ_Ymaxおよび下限値Ｃ_Yminに対応する縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈの範囲を求める。最後にステップＳ４において、求められた縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎの範囲に基づいて、上述した面積Ａを求める上で既知である横寸法ｄの適値ｄ１から、縦寸法ｈ＝ｄ／ｎの適値ｈ１を算出する。このように縦寸法ｈおよび横方向ｄの適値ｈ１，ｄ１を決定し、舟体２の長方形断面形状を決定することができる。
【００２９】
このように迎角αの選択範囲と、押上げ力Ｆ_Yの上限値Ｆ_Ymaxおよび下限値Ｆ_Yminから算出される押上げ力係数Ｃ_Yの上限値Ｃ_Ymaxおよび下限値Ｃ_Yminに対応して、舟体２の長方形断面の縦寸法ｈおよび横寸法ｄの適値ｈ１，ｄ１が求められる。したがって、舟体２に任意の選択範囲内で変動する迎角αを有する空気流が作用するとき、空気流による押上げ力Ｆ_Yが任意の上限値Ｆ_Ymaxと下限値Ｆ_Yminとの範囲内になる舟体の長方形断面形状を決定することができるので、舟体２の全押上げ力Ｐを適切な値にすることができる。このような舟体２を車両に取付けることによって、車両のパンタグラフ付近の空気流が複雑な流れを有する場合においても、舟体２は適切に架線に接触し、車両は所要の通りに電力を取込むことができる。
【００３０】
また舟体２に作用する空気流の空気の密度ρと、空気流の速度Ｖと、舟体２の進行方向８および長手方向に平行な表面の面積Ａとが既知であれば、これらの値から、任意の選択範囲内で変動する迎角αを有する空気流が作用したときの押上げ力Ｆ_Yが任意の上限値Ｆ_Ymaxと下限値Ｆ_Yminとの範囲内になる舟体２の長方形断面形状を求めることができる。したがって、舟体を試作し、風洞試験などを繰返し行うことで舟体の断面形状を決定する方法と比較して、短期間に、かつ容易に適切な舟体の断面形状を決定することができる。
【００３１】
さらに具体的に述べると、舟体２に作用する空気流の迎角αについて検討する場合、迎角αは、経験的に±３°程度の範囲で変動することが知られており、この範囲で検討すればよい。また舟体２の標準押上げ力などと呼ばれる架線に対する押付け力Ｆ_Pは５．５ｋｇｆに設定される。このように押付け力Ｆ_pが設定された舟体２において、空気流による押上げ力Ｆ_Yが１０ｋｇｆ以上になるとき、摺板６と架線との摩擦力が大きくなるとともに、舟体２が架線を持上げる結果となって、架線を破損したりする。また空気流による押上げ力Ｆ_Yが負となり、架線から舟体２を離反させる力が働く場合において、舟体２の全押上げ力Ｐが２ｋｇｆ以下になるとき、舟体２と架線とが非接触状態になるなどして、舟体２は適切に電力を取込むことができなくなるという問題を生じる。すなわち、舟体２の架線に対する全押上げ力Ｐ＝Ｆ_P＋Ｆ_Yが２ｋｇｆ≦Ｐ≦１５．５ｋｇｆの範囲内であれば、舟体２は正常に電力を取込むことができる。したがって空気流による舟体２の押上げ力Ｆ_Yの上限値Ｆ_Ymaxは１０ｋｇｆに設定し、下限値Ｆ_Yminは−３．５ｋｇｆに設定すればよい。
【００３２】
図７を参照して、ステップＳ１では、作用する空気流の迎角αの選択範囲を±３°とし、空気流による押上げ力Ｆ_Yの上限値Ｆ_Ymaxを１０ｋｇｆとし、下限値Ｆ_Yminを−３ｋｇｆとして設定する。
【００３３】
次にステップＳ２において、押上げ力Ｆ_Yの上限値Ｆ_Ymaxまたは下限値Ｆ_Yminに対応する押上げ力係数Ｃ_Yの上限値Ｃ_Ymaxおよび下限値Ｃ_Yminを式（１）から算出する。このとき、空気の密度ρを０．１２５ｋｇｆ・ｓ²／ｍ⁴とし、舟体２に作用する空気流の速度Ｖを１００ｍ／ｓ（＝３６０ｋｍ／ｈ）とする。舟体２は、舟体本体４の上部に２枚の摺板６が隣接して設けられることによって構成されている。摺板６には、長手方向に垂直な幅が２５ｍｍである標準摺板が用いられているので、舟体２の進行方向の幅、すなわち舟体２の長手方向に垂直な長方形断面の横寸法ｄは０．０５ｍとなる。舟体２の長手方向の長さｗは０．８ｍとして設定されるので、舟体２の進行方向および長手方向に平行な表面の面積Ａ＝ｄ×ｗが算出される。
【００３４】
これらの値を式（１）に代入し、押上げ力Ｆ_Yの範囲の上限値Ｆ_Ymaxが１０ｋｇｆであるときの押上げ力係数Ｃ_Yの上限値Ｃ_Ymaxを算出すると、
【００３５】
【数４】

【００３６】
となり、同様に数値を代入して、押上げ力Ｆ_Yの下限値Ｆ_Yminが−１０ｋｇｆであるときの押上げ係数Ｃ_Yの下限値Ｃ_Yminを算出すると、
Ｃ ＝ −０．４
Ymin
となる。
【００３７】
同様に押上げ力Ｆ_Yの上限値Ｆ_Ymaxが５．５ｋｇｆであるときの押上げ力係数Ｃ_Yの上限値Ｃ_Ymaxを算出すると、Ｃ_Ymax＝０．２２となり、押上げ力Ｆ_Yの下限値Ｆ_Yminが−５．５ｋｇｆであるときの押上げ力係数Ｃ_Yの下限値Ｃ_Yminを算出するとＣ_Y＝−０．２２となる。また押上げ力Ｆ_Yの上限値Ｆ_Ymaxが３ｋｇｆであるときの押上げ力係数Ｃ_Yの上限値Ｃ_Ymaxを算出すると、Ｃ_Ymax＝０．１２となり、押上げ力Ｆ_Yの下限値Ｆ_Yminが−３ｋｇｆであるときの押上げ力係数Ｃ_Yの下限値Ｃ_Yminを算出するとＣ_Y＝−０．１２となる。
【００３８】
ステップＳ３では、図６に示す迎角αが３°、−３°、６°または−６°であるときの縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈに対する押上げ力係数Ｃ_Yの関係から、押上げ力係数Ｃ_YがステップＳ２において算出された押上げ力係数Ｃ_Yの上限値Ｃ_Ymaxと下限値Ｃ_Yminとに対応する縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎの範囲を求める。図８は、図６に示す関係から上述した縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎの範囲を求める方法を説明するための図であり、ここでは迎角αの選択範囲が±３°であるので、図６における迎角αが３°および−３°であるときの各実線２４，２６で示す関係を対象とする。また図６のグラフにおいて寸法比ｎと押上げ力係数Ｃ_Yの関係は１≦ｎ≦５の範囲で示されているので、求める寸法比ｎの範囲は１≦ｎ≦５の範囲内に規定される。
【００３９】
図８によれば、押上げ力Ｆ_Yの上限値Ｆ_Ymaxが１０ｋｇｆであり、押上げ力係数Ｃ_Yの上限値Ｃ_Ymaxが０．４となるとき、迎角αが３°および−３°であるときの２つの関係において、押上げ力係数Ｃ_Yが０．４以下となる縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎの範囲は１≦ｎ≦５である。同様に図８によれば、押上げ力Ｆ_Yの下限値Ｆ_Yminが−３ｋｇｆであり、押上げ力係数の下限値Ｃ_Yminが−０．１２となるとき、押上げ力係数Ｃ_Yが−０．１２以上となる寸法比ｎの範囲は２．１５≦ｎ≦２．６５である。
【００４０】
したがって押上げ力Ｆ_Yの上限値Ｆ_Ymaxが１０ｋｇｆ、下限値Ｆ_Yminが−３ｋｇｆであり、押上げ力係数Ｃ_Yの上限値Ｃ_Ymaxが０．４、下限値Ｃ_Yminが−０．１２となるとき、押上げ力係数Ｃ_Yが０．４以下となり、かつ−０．１２以上となる縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎの範囲は２．１５≦ｎ≦２．６５となる。
【００４１】
最後にステップＳ４において、求められたｎの範囲２．１５≦ｎ≦２．６５に基づいて、舟体２の長方形断面の縦寸法ｈおよび横寸法ｄの適値ｈ１，ｄ１を算出する。舟体２において横寸法ｄは上述したように既知であり、横寸法ｄの適値ｄ１＝ｄは０．０５ｍとなる。したがって縦寸法ｈ＝ｄ／ｎの適値ｈ１は０．０２３３ｍ≧ｈ１≧０．０１８９ｍの範囲となり、この範囲内から縦寸法ｈの適値ｈ１が選ばれ、縦寸法ｈおよび横寸法ｄの適値ｈ１，ｄ１が決定され、舟体２の長方形断面形状が決定される。
【００４２】
このように縦寸法ｈおよび横寸法ｄの適値ｈ１，ｄ１を用いて舟体２の長方形断面を設定することによって、舟体２に作用する空気流の迎角αが±３°の範囲で変動する場合において、舟体２に働く押上げ力Ｆ_Yの範囲を上限値Ｆ_Ymax＝１０ｋｇｆと下限値Ｆ_Ymin＝−３ｋｇｆとの間にすることができる。
【００４３】
上述の説明では、空気流の迎角αが±３°の範囲で変動する場合において舟体２に働く押上げ力Ｆ_Yの上限値Ｆ_Ymaxを１０ｋｇｆ、下限値Ｆ_Yminを−３ｋｇｆとして設定し、舟体２の断面形状を決定したが、上限値Ｆ_Ymaxおよび下限値Ｆ_Yminを他の値に設定し、対応する舟体２の断面形状を決定することができる。たとえば、押上げ力Ｆ_Yの上限値Ｆ_Ymaxを３ｋｇｆとし、下限値Ｆ_Yminを−５．５ｋｇｆとしたとき、これらの値から算出される押上げ力係数Ｃ_Yの上限値Ｃ_Ymaxは０．１２となり、下限値Ｃ_Yminは−０．２２となる。したがって対応する縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎの範囲は、図８において上述したように求められるように２．１≦ｎ≦２．９となり、この範囲に基づいて舟体２の断面形状が決定される。
【００４４】
また上述の説明では、押上げ力Ｆ_Yの上限値Ｆ_Ymaxおよび下限値Ｆ_Yminを設定したが、上限値Ｆ_Ymaxまたは下限値Ｆ_Yminのどちらか一方のみを設定することもできる。たとえば、押上げ力Ｆ_Yの上限値Ｆ_Ymaxを５．５ｋｇｆとしたとき、この値から算出される押上げ力係数Ｃ_Yの上限値Ｃ_Ymaxは０．２２となる。したがって対応する縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎの範囲は、図８において上述したように求められるように、１≦ｎ≦３．４となり、この範囲に基づいて舟体２の断面形状が決定される。
【００４５】
さらに上述の説明では、舟体２に作用する空気流の迎角αが±３°の範囲で変動する場合における舟体２の断面形状の決定方法について説明したが、空気流の迎角αが変動する範囲を他の範囲、たとえば±６°の範囲に設定することもできる。このとき、図６に破線２８，３０で示す迎角αが６°または−６°であるときの縦寸法ｈおよび横寸法ｄとの比ｎに対する押上げ力係数Ｃ_Yの関係から舟体２の断面形状を決定することができる。また迎角αの選択範囲は、上限値と下限値とが同値である任意の一定の迎角α１として設定することができる。このとき、迎角αがα１であるときの縦寸法ｈおよび横寸法ｄとの比ｎに対する押上げ力係数Ｃ_Yの関係を予め求めておくことによって、この関係から舟体２の断面形状を決定することができる。
【００４６】
図９は、空気流の迎角αに対する押上げ力係数Ｃ_Yの関係から、車両が特定区間を走行するとき舟体２に作用する空気流の迎角αの範囲を求める方法を示すフローチャートである。上述のような風洞試験によって寸法比ｎと、迎角αと、押上げ力係数Ｃ_Yとの関係を求めた後に、ステップＳ１１において、舟体２を有するパンタグラフが設けられた車両が、中腰走行試験などと呼ばれる舟体２を架線に接触することなく特定区間を走行する試験を行う。このとき舟体２において、空気流による押上げ力Ｆ_Yと、空気流の速度Ｖとを連続的に計測する。次にステップＳ１２で、特定区間において、連続的に計測された押上げ力Ｆ_Yおよび速度Ｖと、空気の密度ρと、舟体２における面積Ａとを式（１）にそれぞれ代入することによって、特定区間における押上げ力係数Ｃ_Yの範囲を算出する。最後にステップＳ１３においては、図３および図４に示すような予め求められた既知の迎角αに対する押上げ力係数Ｃ_Yの関係から、ステップＳ１２において求められた押上げ力係数Ｃ_Yの範囲に対応する迎角αの範囲を求める。たとえば、試験に使用された舟体２の縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎがたとえば２に設定されている場合、図３に示す寸法比ｎ＝２であるときの空気流の迎角αに対する押上げ力係数Ｃ_Yの関係から、求められた押上げ力係数Ｃ_Yの範囲に対応する迎角αの範囲を求める。
【００４７】
上述した方法によって、車両が任意に定められる特定区間を走行するとき、舟体２に作用する空気流の迎角αの範囲を正確に求めることができる。このようにして求められた迎角αの範囲に基づいて迎角αの選択範囲を設定することによって、特定区間を走行する車両において、さらに適切な舟体２の断面形状を決定することができる。
【００４８】
図１０は上述した本発明に従う舟体形状の決定方法によって形状が決定される他の舟体１０２の一部を示す平面図であり、図１１は図１０の舟体１０２を切断面線ＸＩ−ＸＩ線から見た断面図である。図１０および図１１に示す舟体１０２の基本的構成は、図１および図２における舟体２と類似しているので対応する部分には同一の参照符号を付してその説明を省略する。舟体１０２の進行方向８に平行な幅方向両側部には、空気流が舟体１０２に作用したときの空力騒音を低減させるための縁体１０４がそれぞれ設けられている。各縁体１０４は舟体１０２の長手方向に延びており、舟体１０２の進行方向８の前後に突出している。各縁体１０４は、長手方向に垂直な断面形状が台形状の基部１０３と、この基部１０３から進行方向８に平行な方向に突出する突部１０５とを有する。突部１０５は、四角錐状の形状を有し、舟体１０２の長手方向に複数形成され、各突部１０５間に凹所１０６が形成されている。このような縁体１０４を設けることによって、空気流が舟体２に作用して長手方向に一様な渦の発生を防ぎ、空力騒音を低減させることができる。
【００４９】
各縁体１０４の上端１０８は、摺板６の摩耗限界面１０９より下方に位置し、かつ下端１１０は、舟体本体４の下面より上方の位置となるように設けられる。したがって、このような空気流による空力騒音を下げるための縁体１０４が設けられた舟体１０２においても、縁体１０４の上方および下方に、本体４および摺板６による長方形断面の部分の各角部１１１がそれぞれ露出することによって、縁体１０４を設けない場合とほぼ同様の前述のような特性を示すので、この舟体本体４および摺板６からなる部分の形状を、上述した方法によって、空気流による押上げ力Ｆ_Yが適切な値となる舟体１０２の長方形断面形状に決定することができる。
【００５０】
上述した実施形態においては、摺板が一体的に固定される舟体の断面形状が長方形状として舟体の形状を決定しているが、摺板はばねなどによって三次元系の変位を許容した状態で支持される構成とし、この支持状態を配慮した上で舟体の形状を決定するようにしてもよい。
【００５１】
【発明の効果】
請求項１の本発明によれば、迎角αの選択範囲と、押上げ力Ｆ_Yの上限値Ｆ_Ymaxおよび下限値Ｆ_Yminから算出される押上げ力係数Ｃ_Yの上限値Ｃ_Ymaxおよび下限値Ｃ_Yminに対応して、舟体の長方形断面の縦寸法ｈおよび横寸法ｄの適値ｈ１，ｄ１を決定する。したがって迎角αの選択範囲内の空気流による押上げ力Ｆ_Yが、任意の上限値Ｆ_Ymaxと下限値Ｆ_Yminとの範囲内の値をとる舟体の長方形断面形状を決定することができる。このように決定された長方形断面形状を有する舟体を車両のパンタグラフに用いることによって、パンタグラフ付近の空気流が複雑な流れになる場合においても、舟体は適切な押上げ力で架線に接触し、パンタグラフは舟体を介して所要の通りに電力を取込むことができる。
【００５２】
また迎角αにおける押上げ力係数Ｃ_Yに対する縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈの関係を予め風洞試験などから求めることによって、舟体の進行方向および長手方向に平行な表面の面積Ａと、この舟体に作用する空気の密度ρと、空気流の速度Ｖとが既知であれば、これらの値から迎角αが任意の選択範囲で変動する空気流が作用したとき、押上げ力Ｆ_Yが任意の上限値Ｆ_Ymaxと下限値Ｆ_Yminとの範囲内にある舟体の長方形断面形状を求めることができる。したがって試作した舟体の空気流による押上げ力を風洞試験などによって計測することを繰返し行い、舟体の断面形状を決定する方法と比較して、短期間に容易に適切な舟体の断面形状を決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の舟体形状の決定方法によって形状が決定される舟体２を示す斜視図である。
【図２】図１の舟体２を切断面線ＩＩ−ＩＩから見た断面図である。
【図３】舟体２に空気流が作用することによって舟体２に働く力を舟体２の長手方向に対して垂直な面において示す図である。
【図４】縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈが２である舟体２において、空気流の迎角αに対する押上げ力係数Ｃ_Yの関係を示すグラフである。
【図５】縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈが４である舟体２において、空気流の迎角αに対する押上げ力係数Ｃ_Yの関係を示すグラフである。
【図６】空気流の迎角αが３°、−３°、６°または−６°であるときの縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎに対する押上げ力係数Ｃ_Yの関係を示すグラフである。
【図７】本発明に従って、舟体２の断面形状を決定する手順の一例を示すフローチャートである。
【図８】図６に示す関係から縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎの範囲を求める方法を説明するための図である。
【図９】空気流の迎角αに対する押上げ力係数Ｃ_Yの関係から、特定区間を走行する車両の舟体２に作用する空気流の迎角αの範囲を求める方法を示すフローチャートである。
【図１０】本発明に従う舟体形状の決定方法によって形状が決定される他の舟体１０２の一部を示す平面図である。
【図１１】図１０の舟体１０２を切断面線ＸＩ−ＸＩ線から見た断面図である。
【符号の説明】
２，１０２ 舟体
４ 舟体本体
６ 摺板
８ 進行方向
１０ ホーン
１２ 空気流の方向
１０４ 縁体
１０５ 突部
１０６ 凹所
Ｆ_Y 押上げ力
ｄ 横寸法
ｈ 縦寸法
ｗ 長さ寸法

Claims (1)

1. 進行方向に対して垂直な方向に延び、長手方向に対して垂直な断面形状が縦寸法をｈとしかつ横寸法をｄとする長方形であり、進行方向および長手方向に対して平行な表面の面積をＡとする舟体であって、
   この舟体に、進行方向に対して迎角をα、速度をＶとする密度ρの空気の空気流が作用したときの押上げ力Ｆ_Yを既知量として予め求め、
   舟体の押上げ力係数Ｃ_Yを、次式
   

   

   によって算出して、迎角αにおける縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈに対する押上げ力係数Ｃ_Yの関係を求め、
   この関係から迎角αの選択範囲において、押上げ力Ｆ_Yの任意の上限値Ｆ_Ymaxおよび下限値Ｆ_Yminから算出される押上げ力係数Ｃ_Yの上限値Ｃ_Ymaxおよび下限値Ｃ_Yminに対応する前記縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎの範囲を求め、この範囲に基づいて縦寸法ｈの適値ｈ１および横寸法ｄの適値ｄ１を決定することを特徴とする舟体形状の決定方法。

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