JP3775930B2 - 集電舟体 - Google Patents
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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集電舟体に関する。
【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集電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、パンタグラフの集電舟体が備える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。集電舟体は、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。この集電舟体には、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。集電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、集電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。また集電舟体の形状によっては、集電舟体に空気流による負の押上げ力、すなわち架線から集電舟体を離反させる力が働く。このような場合、集電舟体と架線とが非接触状態になるなどして、集電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】
また車両には走行速度を高くする高速化が望まれているけれども、車両が高速度で走行する場合、車両に設けられたパンタグラフの集電舟体に空気流が作用することによって、集電舟体の風切り音、エオルス音などの空力騒音が大きくなる。このような空力騒音の音圧レベルは、集電舟体に作用する空気流の速度の６乗に比例する。車両の高速化を図るためには、車両がより高速度で走行する場合においても、騒音の環境基準を満足する限界の速度に制限される。このため高速化を図る以前の最高速度での空力騒音の音圧レベルと、高速化を図った後の最高速度での空力騒音の音圧レベルとを同程度とすることができるように、走行速度に対して発生する空力騒音の音圧レベルを低減する必要がある。
【０００５】
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し、空力騒音を低減することができる集電舟体が、たとえば特開平６−１８９４０８号公報に開示されている。この集電舟体は、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集電舟体フレームとから構成されている。この集電舟体は、集電舟体の進行方向と平行な方向に集電舟体に空気流が作用する条件の下に、摺板および集電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。したがって集電舟体は、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。また集電舟体の舟体本体の断面形状は楕円形であるので、舟体本体に作用する空気流の乱れが小さくなる。これによって、車両が高速走行するときの集電舟体の風切り音なとを小さくすることができ、空力騒音を低減することができる。
【０００６】
【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集電舟体は、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、パンタグラフの集電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、パンタグラフの集電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、集電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。
【０００７】
本発明の目的は、集電舟体に対して仰角を持つ空気流が作用する場合において、空気流による押上げ力の影響を小さくすることができる集電舟体を提供することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、空力騒音を低減することができる集電舟体を提供することである。
【０００９】
【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で水平方向へ延びる舟体本体であって、
長手方向に垂直な断面の形状が、進行方向に垂直な高さ方向の縦寸法をｈとしかつ進行方向に平行な幅方向の横寸法をｄとする長方形状であり、
幅方向の両側面が、長手方向に垂直な断面における長方形の各角部で露出し、
縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈが２．２以上でかつ２．７以下の範囲内の値に設定される舟体本体を備えることを特徴とする集電舟体である。
【００１０】
本発明に従えば、舟体本体の長手方向に垂直な断面形状は長方形であり、前記断面形状の縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈは２．２以上でかつ２．７以下の範囲内の値に設定されている。このような寸法比ｎが２．２以上でかつ２．７以下の範囲内である舟体本体を備える集電舟体は、迎角を有する空気流が集電舟体に作用する場合において、集電舟体に作用する空気流による押上げ力の絶対値が小さくなり、押上げ力の影響を小さくすることができる。逆に寸法比ｎが２．２未満または２．７を超える場合、集電舟体における空気流による押上げ力ＦYの影響が大きくなる。したがって、寸法比ｎが２．２以上でかつ２．７以下の範囲内である集電舟体を車両のパンタグラフに用いることによって、車両のパンタグラフ付近の空気流が複雑な流れとなる場合においても、集電舟体は適切な力で架線に接触し、パンタグラフは集電舟体を介して所要の通りに電力を取込むことができる。
さらに舟体本体は、進行方向であり、かつ幅方向の両側面が、各角部において露出している。つまり舟体本体の各角部がそれぞれ露出し、各角部に幅方向の両側面から成る平坦面が形成される。これによって舟体本体の前記断面形状が、前記範囲内の寸法比ｎを有する長方形状であることによる効果、具体的には、集電舟体における揚力特性の変化による押上げ力の変化を阻止するという効果を、確実に達成することができる。
【００１１】
また本発明は、舟体本体の幅方向両側部には、舟体本体の長手方向に延びる縁体がそれぞれ設けられ、各縁体は、舟体本体の高さ方向両端部間の中間部から先細状に突出することを特徴とする。
【００１２】
本発明に従えば、集電舟体の舟体本体の幅方向両側部には、進行方向に先細状に突出する縁体がそれぞれ設けられている。このような縁体が設けられた集電舟体に空気流が作用するとき、空気流が一方の縁体によって上下にかきわけられて、滑らかに案内されるとともに、他方の縁体によって円滑に合流され、集電舟体まわりの空気流の乱れが少なくなる。これによって空気流の乱れに伴う空力騒音の発生を低減することができる。このような縁体が設けられた集電舟体を車両のパンタグラフに用いることによって、車両が走行する際に集電舟体における空力騒音の発生が低減される。
【００１３】
また各縁体は舟体本体の高さ方向両端部間の中間部にそれぞれ設けられているので、長手方向に垂直な断面形状が長方形である舟体本体の各角部分がそれぞれ露出し、すなわち縁体の上下には、舟体本体の進行方向に垂直な幅方向の両側面から成る平坦面が形成される。これによって舟体本体に縁体を設けた場合においても、舟体本体の前記断面形状が所定の長方形状であることによる集電舟体における揚力特性が変化し、集電舟体に働く押上げ力が変化することが阻止される。したがって集電舟体において、集電舟体に働く空気流による押上げ力を少なくするとともに、空力騒音を低減することができる。
【００１４】
また本発明は、縁体は、略三角柱状であり、その軸線に平行な一側部で、舟体本体の幅方向両側部に固定されることを特徴とする。
【００１５】
本発明に従えば、縁体は略三角柱状であるので、このような縁体が集電舟体の幅方向両側部にそれぞれ設けられることによって、集電舟体は略流線形となる。このような集電舟体に空気流が作用するとき、集電舟体周りの空気流の乱れが小さくなり、この空気流の乱れに伴う空力騒音の発生を低減することができる。
【００１６】
また本発明は、縁体の先端部の外表面は、前記幅方向に凸となる丸みを有していることを特徴とする。
【００１７】
本発明に従えば、縁体の先端部の外表面は、丸みを有しているので、集電舟体の揚力傾斜が低くでき、低騒音化を図ることができる。
【００１８】
また本発明は、縁体は、先端部よりの部分に、縁体の長手方向に複数の凹所が形成されることを特徴とする。
【００１９】
本発明に従えば、集電舟体に設けられた縁体には複数の凹所が形成されている。空気流が集電舟体に作用するとき、集電舟体に沿って流れる空気にカルマン渦が生じる。集電舟体の断面形状が長手方向に一様であると、カルマン渦の発生も一様となり、特定の周波数の成分が強調されてエオルス音という空力騒音が発生しやすい。したがって縁体に複数の凹所が形成されることによって、集電舟体の長手方向に一様なカルマン渦が発生することが抑制され、空力騒音を低減することができる。
【００２０】
また本発明は、舟体本体の上部に設けられ、架線に接触される摺板を有し、
各縁体の先端部を含む仮想平面は、舟体本体の下面と摺板の上面との中央位置よりも下方に位置することを特徴とする。
【００２１】
本発明に従えば、各縁体の先端部を含む仮想平面は、舟体本体の下面と摺板の上面との中央位置よりも下方に位置する。このような集電舟体に空気流が作用したとき、集電舟体の上面側の空気流の速度は、下面側の空気流の速度より大きくなり、上面側の圧力が下面側より小さくなるので、空気流がどのような仰角を有していても集電舟体には上向きの揚力が生じる。言い換えると、空気流が作用したとき、集電舟体は、空気流の仰角に関係なく、空気流の押上げ力に応じた正の押上げ力を得ることができる。したがって、集電舟体における前記仮想平面の位置を適切に設定することによって、架線に対する集電舟体の全押上げ力を任意の範囲内に設定することができる。
【００２２】
また本発明は、舟体本体の上部に設けられ、架線に接触される摺板を有し、
各縁体の先端部を含む仮想平面は、舟体本体の下面と摺板の上面との中央位置よりも上方に位置することを特徴とする。
【００２３】
本発明に従えば、各縁体の先端部を含む仮想平面は、舟体本体の下面と摺板の上面との中央位置よりも上方に位置する。このような集電舟体に空気流が作用するとき、集電舟体の下面側の空気流の速度は上面側の空気流の速度より大きくなり、下面側の圧力が上面側より小さくなるので、空気流がどのような仰角を有していても集電舟体には下向きの揚力が生じる。言い換えると、空気流が作用するとき、集電舟体は、空気流の仰角に関係なく、空気流の速度に応じた負の押上げ力を得ることができる。したがって、集電舟体における前記仮想平面の位置を適切に設定することによって、架線に対する集電舟体の全押上げ力を任意の範囲内に設定することができる。
【００２４】
さらに本発明は、舟体本体の上部に設けられ、架線に接触される摺板を有し、摺板の進行方向と平行な幅方向寸法は、舟体本体の横寸法ｄより小さく設定され、幅方向両側の表面は、幅方向に対して垂直に形成され、または舟体本体から離反するにつれて幅方向内方に向かうように、幅方向に対して４５°以上９０°未満の角度をなして傾斜して形成されることを特徴とする。
【００２５】
本発明に従えば、摺板の進行方向と平行な幅方向寸法は、舟体本体の横寸法ｄより小さく設定され、幅方向両側の表面は、幅方向に対して垂直に形成され、または舟体本体から離反するにつれて幅方向内方に向かうように、幅方向に対して４５°以上９０°未満の角度をなして傾斜して形成される。このように摺板は形成されているので、摺板を集電舟体に設けることによって集電舟体の揚力特性が変化することが少ない。したがって舟体本体を所定の長方形断面形状とすることによって、集電舟体に働く押上げ力の絶対値を小さくする効果に影響を及ぼすことが少なく、摺板を舟体本体に設けることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の一形態である集電舟体２を示す斜視図であり、図２は集電舟体２を示す平面図であり、図３は図２における切断面線ＩＩＩ−ＩＩＩ線から見た集電舟体２の断面図である。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集電舟体２を備えている。集電舟体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集電舟体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。このとき集電舟体２は、好適に電力を取込むために、所定の押付け力ＦPで架線に押付けられる。この押付け力ＦPは、たとえば５．５ｋｇｆに設定される。
【００２７】
集電舟体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とを有する。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集電舟体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、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。このような摺板６は、舟体本体４の上部に固定されて設けられ、架線と摺動することによって車両に電力が取込まれる。摺板６が舟体本体４に対して弾性体によって支持され、架線に対して付勢されることもある。また集電舟体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から集電舟体２の長手方向、すなわち集電舟体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、集電舟体２の長手方向両端部２ａより外側に位置する架線を，滑らかに集電舟体２へ導くことができる。
【００２８】
図４は、集電舟体２における舟体本体４に、空気流が作用することによって舟体本体４に働く力を、舟体本体４の長手方向に対して垂直な面において示す図である。舟体本体４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、舟体本体４には、空気流が作用する方向１２に対して垂直、かつ舟体本体４の長手方向に垂直な揚力ＦLと、空気流が作用する方向に対して平行、かつ舟体本体４の長手方向に垂直な抗力ＦDとが働く。言い換えるならば、舟体本体４には揚力ＦLと抗力ＦDとの合力ΣＦが働く。この合力ΣＦは、舟体本体４の進行方向８に対して平行、かつ舟体本体４の長手方向に垂直な抵抗力ＦXと、舟体本体４の進行方向８に対して垂直かつ舟体本体４の長手方向に垂直な押上げ力ＦYとに分解することができる。言い換えれば、舟体本体４には、空気流によって抵抗力ＦXおよび押上げ力ＦYとが働いている。空気流による押上げ力ＦYが舟体本体４に作用するとき、舟体本体４を有する集電舟体２に働く全押上げ力Ｐは、枠組などによって予め集電舟体２に加えられる所定の押付け力ＦPと、空気流による押上げ力ＦYとの和Ｐ＝ＦP＋ＦYとなる。
【００２９】
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４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４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、集電舟体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、集電舟体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。集電舟体２における押上げ力ＦYは、上方向すなわち集電舟体２を架線に押付ける方向の力を正の押上げ力とし、下方向すなわち集電舟体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。また集電舟体２に設けられたホーン１０は、集電舟体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。
【００３０】
上述した集電舟体２は、図１〜図３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、集電舟体２における空気流による押上げＦYは上述したようにして説明することができる。
【００３１】
集電舟体２の舟体本体４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、このときの舟体本体４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。このような舟体本体４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本体４に働く押上げ力ＦY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ＦYから舟体本体４の押上げ力係数ＣYを、次式（１）
【００３２】
【数１】
【００３３】
によって算出する。
ただし、押上げ力ＦY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。
【００３４】
この押上げ力係数ＣYは、押上げ力ＦYと、空気の密度ρおよび空気流の速度Ｖと、舟体本体４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本体４の表面の面積Ａとで表される無次元数である。押上げ力ＦY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ＦY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ＦYの値は４倍となり、面積Ａが２倍になったとき押上げ力ＦYの値は２倍となる。したがって、集電舟体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、この比ｎと、集電舟体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ＣYは常に一定の値となる。
【００３５】
図５は、縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈが２である舟体本体４において、空気流の迎角αと押上げ力係数ＣY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ＣYを示す。寸法比ｎ＝２で一定である舟体本体４を用い風洞試験などによって、舟体本体４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ＦYを計測し、この押上げ力ＦYから上記式（１）によって押上げ力係数ＣYを算出することによって、迎角αと押上げ力ＣYとの関係が求められる。押上げ力係数ＣYが負の値であるとき、空気流による押上げ力ＦYは負の値であり、すなわち舟体本体４には押下げようとする力が働く。図５に示すように、寸法比ｎ＝２である場合、舟体本体４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ＣYは迎角αの増加に対して減少する。
【００３６】
図６は、縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈが４である舟体本体４において、図５と同様に、空気流の迎角αに対する押上げ力係数ＣY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ＣYを示す。寸法比ｎ＝４で一定である舟体本体４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ＦYの値から押上げ力係数ＣYを算出することによって迎角αと押上げ力ＣYとの関係が求められる。図６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ＣYは迎角αの増加に対して増加する。
【００３７】
このように、舟体本体４に作用する空気流の迎角αと押上げ力係数ＣYとの関係は、舟体本体４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。
【００３８】
図７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ＣY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ＣYを示す。実線２０は、舟体本体４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ＣYとの関係を示し、実線２２は、舟体本体４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ＣYとの関係を示す。破線２４は、迎角αが６°であるときの寸法比ｎと押上げ力係数ＣYとの関係を示し、破線２６は、迎角αが−６°であるときの寸法比ｎと押上げ力係数ＣYとの関係を示している。
【００３９】
図７のグラフに示されるそれぞれの寸法比ｎと押上げ係数ＣYとの関係は、図５および図６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本体４に作用する空気流の迎角αに対する押上げ力係数ＣYの関係を基に求めることができる。図７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ＣY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ＣYの関係を詳細に求めることができる。また図７のグラフにおいて、ｎとＣYの関係は１≦ｎ≦５範囲で示されている。
【００４０】
風洞試験などにおいて計測される空気流による舟体本体４の押上げ力ＦYは、集電舟体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ＣYの関係は、ほぼ図７に示すように表され、押上げ力係数ＣY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。
【００４１】
図７のグラフに示されるように、舟体本体４の長方形断面形状の縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎが２．５付近であるとき、押上げ力係数ＣYの値は０に近い値となる。式（１）から理解されるように、押上げ力係数ＣYの絶対値が小さくなるにつれて、舟体本体４に作用する空気流による押上げ力ＦYの絶対値が小さくなる。したがって舟体本体４の縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎを２．５付近に設定することによって、舟体本体４に作用する空気流が迎角を有する場合においても、舟体本体４に働く空気流による押上げ力ＦYの影響を小さくすることができる。
【００４２】
パンタグラフの設置する場所の空気流に特定の迎角を持つような癖がある場合には、その癖を織込んで考えることもできるが、本実施の形態では理解を容易にするために、パンタグラフが設置される場所の空気流が迎角を持つなどの癖がないと仮定して説明する。
【００４３】
また、双方向性のパンタグラフでは双方向ともで充分なる集電性能を出す必要がある。さらに空気流が迎角を持つ場合についても、正および負の迎角によって特性が大きく異なっては、使用上問題がある。これらをふまえて集電舟体２は上述したような構成を有する。
【００４４】
図７から明らかなように、寸法比ｎが２．５付近、本実施の形態において具体的には、２．２以上でかつ２．７以下の範囲内の値に設定された舟体本体４を有する集電舟体２においては、迎角を有する空気流による押上げ力係数ＣYの絶対値が小さくなるので、押上げ力ＦYの影響を小さくすることができる。逆に舟体本体の寸法比ｎが２．２未満または２．７を超える場合、押上げ力係数ＣYの値が大きくなり、集電舟体２における空気流による押上げ力ＦYの影響が大きくなる。したがって、寸法比ｎが２．２以上でかつ２．７以下の範囲内である舟体本体４を有する集電舟体２を車両のパンタグラフに用いることによって、車両のパンタグラフ付近の空気流が複雑な流れとなり、集電舟体２に迎角を有する空気流が作用する場合においても、集電舟体２は適切な力で架線に接触し、パンタグラフは集電舟体２を介して所要の通りに電力を取込むことができる。
【００４５】
再び図１〜図３を参照して、集電舟体２において舟体本体４の幅方向両側部における進行方向８に垂直な各面には、舟体本体４の長手方向に延び、舟体本体４から先細状に突出する縁体１４がそれぞれ設けられている。各縁体１４は略三角柱状であり、その軸線方向に平行な一側部で、舟体本体４の進行方向８に垂直な各面に固定される。縁体１４において、舟体本体４から離反する側に形成される先端部２８の外表面は鋭角で形成されている。このような縁体１４は、長手方向に垂直な断面形状が台形状の基部１５と、この基部１５から進行方向８に平行な方向に突出する突部１７とを有する。突部１７は四角錐状の形状を有し、集電舟体２の長手方向に連続的に形成されている。したがって縁体１４には、突端部２８よりの部分に縁体の長手方向に沿って複数の凹所１８が形成される。
【００４６】
縁体１４が舟体本体４に設けられることによって、集電舟体２全体の形状は略流線形状となる。したがって集電舟体２に空気流が作用したとき、空気流は縁体１４の先端部２８で分離され、上下にかきわけられる。空気流は一方の縁体１４によって滑らかに案内され集電舟体２の表面に沿って流れ、他方の縁体１４によって円滑に合流される。これによって集電舟体２まわりの空気流の乱れが小さくなり、この空気流の乱れに伴う空力騒音の発生を低減することができる。このような縁体１４が設けられた集電舟体２を車両のパンタグラフに用いることによって、車両が走行する際に集電舟体２における空力騒音の発生が低減される。またこのように車両の走行時の空力騒音が抑制されることによって、車両が高速化を図る以前の最高速度での空力騒音の音圧レベルと、高速化を図った後での最高速度での空力騒音の音圧レベルとを同程度とすることができる。これによって、車両の高速化を図った後においても、騒音の環境基準を満足することができる。空力騒音の音圧レベルの範囲内で車両をさらに高速で走行させることができる。
【００４７】
また空気流が集電舟体２に作用するとき、集電舟体２に沿って流れる空気にカルマン渦が生じる。集電舟体２の断面形状が長手方向に一様であるとカルマン渦の発生も一様となり、特定の周波数の成分が強調されてエオルス音という空力騒音が発生しやすくなる。したがって縁体１４に複数の凹所１８が形成されることによって、集電舟体２の長手方向に一様にカルマン渦が発生することが抑制され、空力騒音であるエオルス音が低減される。
【００４８】
この実施の形態においては、縁体１４を三角柱状としているが、集電舟体２全体の形状を略流線形状とするものであれば、縁体１４を任意の形状とすることができる。また縁体１４の基部１５から突出する突部１７の形状を四角錐状としているが、これに代えて、任意の形状で突部１７を形成することもでき、たとえば先端部が縁体１４の長手方向に延びる稜線に向かって先細となるくさび状とすることができる。さらに舟体本体４の進行方向８に垂直な各面にそれぞれ設けられた各縁体１４における突部１７を、一方の縁体１４の突部１７に対して他方の縁体１４の突部１７を長手方向にずらして形成することもできる。
【００４９】
集電舟体２において、各縁体１４は、舟体本体４の高さ方向両端部間の中間部に設けられている。このように縁体１４が舟体本体４に設けられた状態では、縁体１４の舟体本体４に取付けられる側の一側部の上端は、舟体本体４の上面より僅かに下方となり、縁体１４の舟体本体４に取付けられる側の一側部の下端は、舟体本体４の下面より僅かに上方となる。
【００５０】
このような集電舟体２においては、縁体１４の上方および下方に舟体本体４の長方形断面における各角部１９がそれぞれ露出し、すなわち縁体１４の上下には舟体本体４の進行方向８に垂直な幅方向の両側面から成る平坦面２１が形成される。これによって空力騒音を低減するために舟体本体４の縁体１４が設けられた場合においても、集電舟体２は縁体１４を設けない場合とほぼ同様の揚力特性を示す。これによって集電舟体２は、空気流による押上げ力ＦYの絶対値が小さくなる特性を維持することができる。したがって集電舟体２において、空気流による押上げ力ＦYの影響を小さくするとともに空力騒音を低減することができる。
【００５１】
舟体本体４の上面に設けられた摺板６は、進行方向８と平行な幅方向寸法が舟体本体４の横寸法ｄより小さく設定されている。また摺板６の幅方向両側の表面は、幅方向に対して垂直に形成され、または舟体本体４から離反するにつれて幅方向内方に向かうように、幅方向に対して４５°以上９０°未満の角度をなして傾斜して形成される。摺板を舟体本体４の上面に設けた場合、集電舟体２において上面の空気流の流れ方向の長さが下面の長さより大きくなる。これによって空気流が作用したときに集電舟体２の上面における空気流の流速が大きくなり、集電舟体２に上向きの揚力が発生する。摺板６は上述したように形成されているので、集電舟体２に空気流が作用したとき、摺板６の角で再度剥離して、摺板６の表面において空気流が滑らかに流れないので、集電舟体２の上面において空気流の流速が大きくなることがない。これによって集電舟体２に上向きの揚力が発生することが阻止される。したがって、舟体本体４を所定の長方形断面形状とすることによって得られる集電舟体２に作用する押上げ力ＦYの絶対値を小さくする効果に影響を及ぼすことなく、摺板６を舟体本体４に設けることができる。
【００５２】
図３において、集電舟体２の舟体本体４の進行方向８に垂直な各面にそれぞれ設けられた各縁体１４の先端部２８を含む仮想平面３０の上下方向の位置が実線で示され、集電舟体２の上下幅の中央位置３２が進行方向８に平行な幅Ｂにわたって一点鎖線で示されている。このような集電舟体２において、各縁体１４の先端部２８を含む仮想平面３０は、前記中央位置３２となる舟体本体４の下面と摺板６の上面との中央位置３２となるように位置しており、舟体本体４の下面と仮想平面３０および中央位置３２との距離ｈ１と、摺板６の上面と仮想平面３０および中央位置３２との距離ｈ２とがｈ１＝ｈ２となる。したがって集電舟体２に迎角αが０であり、進行方向８に平行な空気流が作用する場合、集電舟体２の上側および下側における空気流の速度が同じになるので、集電舟体２に揚力が働かない。すなわち集電舟体２には空気流による押上げ力ＦYが働かないので、空気流による押上げ力ＦYは常に０となる。
【００５３】
図８は、集電舟体２に空気流が作用したときの空気流の迎角αと、空気流の速度Ｖと、集電舟体２に働く全押上げ力Ｐとの関係を示すグラフである。図８において、ｘ軸は空気流の迎角αを示し、ｙ軸は空気流の速度Ｖを示し、ｚ軸は集電舟体２に働く全押上げ力Ｐを示す。図８は、集電舟体２に働く全押上げ力Ｐを空気流の仰角αが±３゜の範囲で、かつ空気流の速度Ｖが０ｍ／ｓ≦Ｖ≦１００ｍ／ｓの範囲において示す。また集電舟体２が図８に示すような特性を示すとき、空気流の空気の密度ρは０．１２５ｋｇｆ・ｓ2／ｍ4であり、集電舟体２の舟体本体４において進行方向８および長手方向に平行な表面に面積Ａは０．０８ｍ2である。
【００５４】
全押上げ力Ｐは、パンタグラフによって集電舟体２が予め架線に押付けられる力であり、標準押上げ力などと呼ばれる押付け力ＦPと、空気流による集電舟体２の押上げ力ＦYとの和であり、Ｐ＝ＦP＋ＦYで表される。また空気流の速度Ｖは、近似的に集電舟体２を有するパンタグラフを備えた車両の走行速度とすることができる。
【００５５】
集電舟体２は、上述するように、迎角αを有する空気流が作用した場合において、空気流による押上げ力ＦYの絶対値が小さくなるような形状を有しているが、僅かに発生する押上げ力ＦYは仰角αの影響を受ける。この実施の形態における集電舟体２は、空気流によって僅かに発生する押上げ力ＦYが、迎角αの増加に対して増加する特性を有するように、舟体本体４の長方形断面形状の縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎが、たとえばｎ＝２．７に設定されている。したがって空気流の速度Ｖが０でないとき、図８に実線３５で表される面によって示すように迎角αが増加するにつれて集電舟体２の全押上げ力Ｐは増加し、迎角αが減少するにつれて全押上げ力Ｐは減少する。
【００５６】
集電舟体２に空気流が作用していないとき、すなわち空気流の速度Ｖが０であるとき空気流による押上げ力ＦYは０であり、集電舟体２に働く全押上げ力Ｐは押付け力ＦPとなる。押付け力ＦPは、通常５．５ｋｇｆに設定される。また集電舟体２が正常に電力を取込むことができる全押上げ力Ｐの許容範囲は、２ｋｇｆ≦Ｐ≦１５．５ｋｇｆとされる。したがって空気流による押上げ力ＦPの上限値ＦYmaxは１０ｋｇｆとなり、下限値ＦYminは−３．５ｋｇｆとなる。
【００５７】
また集電舟体２において、縁体１４の先端部２８を含む仮想平面３０は、舟体本体４の下面と摺板６の上面との中央位置３２になるように位置している。これによって、集電舟体２に迎角αが０である進行方向８に平行な空気流が作用するとき、集電舟体２には揚力が働かないので、空気流の速度Ｖが大きくなっても空気流による押上げ力ＦYの値は常に０となる。
【００５８】
空気流の迎角αが正の値であるとき、空気流の速度Ｖの増加につれて押上げ力ＦYが大きくなり、集電舟体２の全押上げ力Ｐが増加する。このような集電舟体２の空気流に対する特性は、図８において実線３５で表される面のうち、仰角αの値が正であるときの斜線で表される部分の面Ｓ１によって示される。たとえば面Ｓ１における点Ｑ１で示すように、迎角αが３°である空気流が集電舟体２に作用したとき、空気流の速度ＶがＶ１＝１００ｍ／ｓであれば、このときの空気流による押上げ力ＦY１は５．５ｋｇｆとなり、全押上げ力Ｐ１＝ＦP＋ＦY１は１１ｋｇｆとなる。このとき、全押上げ力Ｐ１は許容範囲内であり、集電舟体２は正常に架線から電力を取込むことができる。
【００５９】
空気流の迎角αが負の値であるとき、空気流の速度Ｖの増加につれて押上げ力ＦYが小さくなり、集電舟体２の全押上げ力Ｐは減少する。このような集電舟体２の空気流に対する特性は、図８において仰角αの値が負であるときの斜線で表される部分の面Ｓ２によって示される。たとえば面Ｓ２における点Ｑ２で示すように、迎角αは−３°である空気流が集電舟体２に作用したとき、空気流の速度ＶがＶ１＝１００ｍ／ｓであれば、空気流による押上げ力ＦY２は−５．５ｋｇｆとなり、全押上げ力Ｐ２＝ＦP＋ＦY２は０となる。このとき集電舟体２における全押上げＰ２は、許容範囲より小さくなり、集電舟体２は車両の振動、架線の位置のずれなどの影響によって、集電するための架線との接触力が不足し、実質上架線と非接触状態になる。
【００６０】
このような特性に基づいて、集電舟体２は、架線に対する全押上げ力Ｐが許容範囲内となるような状況において使用される。たとえば集電舟体２に作用する空気流が±３゜の範囲で変動する場合、空気流の速度Ｖ、すなわち集電舟体２が設けられた車両の速度は８０ｍ／ｓ以下に制限される。また集電舟体２における全押上げ力Ｐが許容範囲外となる場合においても、予め集電舟体２に加えられる押付け力ＦPを適切な値に設定することによって、集電舟体２を適切な力で架線と接触させることができる。
【００６１】
またこの実施の形態においては、集電舟体２は空気流による押上げ力ＦYが迎角αの増加に対して増加する特性を有するように舟体本体４の縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎがたとえばｎ＝２．７に設定されているが、他の実施の形態として集電舟体２は押上げ力ＦYが迎角αの増加に対して減少する特性を有するように舟体本体の縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎが設定されていてもよい。この場合、寸法比ｎは、たとえばｎ＝２．２に設定され、空気流の迎角αが増加するにつれて集電舟体の全押上げ力Ｐが減少し、迎角αが減少するにつれて全押上げ力Ｐが増加する。このような集電舟体の空気流に対する特性は、図８において破線３６で表される面Ｓ５によって示される。このような特性を考慮した上で集電舟体が使用される。
【００６２】
図９は、本発明の実施のさらに他の形態である集電舟体５２を示す断面図である。この実施の形態は上述した実施の形態に類似しており、対応する部分には同一の参照符を付し、異なる構成についてだけ説明し、同様の構成については説明を省略する。集電舟体５２における舟体本体４の進行方向８に垂直な各面には、空力騒音を低減するための縁体５４がそれぞれ設けられている。各縁体５４は、長手方向に垂直な断面形状が台形状の基部１５と、基部１５から進行方向８に平行な方向に突出する四角錐状の突部１７とを有する。したがって各縁体１４には、縁体１４の長手方向に沿って複数の凹所１８が形成されている。図９において、各縁体５４の先端部２８を含む仮想平面５６の上下方向の位置が実線で示され、集電舟体５２の上下幅の中央位置５８が進行方向８に平行な幅Ｂにわたって一点鎖線で示されている。集電舟体５２においては、舟体本体４の下面と中央位置５８との距離ｈ３と、摺板６の上面と中央位置５８との距離ｈ４とがｈ３＝ｈ４となる。各縁体５４の先端部２８を含む仮想平面５６は、前記中央位置５８となる舟体本体４の下面と摺板６の上面との中央位置より下方に位置しており、仮想平面５６と中央位置５８との距離はΔＧに設定されている。このような集電舟体５２においては、空気流が作用したとき、集電舟体５２の上面側の空気流の速度は、下面側の空気流の速度より大きくなり、上面側の圧力が下面側より小さくなる。したがって集電舟体５２には上向きの揚力が生じるので、仰角αの値に関係なく、空気流の速度Ｖに応じた正の押上げ力Ｆvが働く。したがって集電舟体５２における距離ΔＧの値を任意に設定することによって、集電舟体２に作用する空気流の仰角αの値に関係なく、集電舟体２に働く空気流による押上げ力Ｆvを設定することができる。集電舟体５２において、舟体本体４の縦寸法ｈと距離ΔＧとの比ｍ＝ΔＧ／ｈは、たとえばｍ＝１／３に設定されている。
【００６３】
このような形状を有する集電舟体５２を翼体とみなすとき、各縁体５４の先端部２８同士を結ぶ線を翼弦線とし、集電舟体５２の上下幅の中央位置５８を示す線を中心線とすることかできる。このとき翼弦線と中心線との距離であるキャンバはΔＧとなるので、集電舟体５２はキャンバがΔＧである翼体とみなすことができる。このようなキャンバΔＧを有する集電舟体５２に進行方向８に対して平行な空気流が作用する場合、集電舟体５２は迎角βを有する空気流が作用したときと同様の押上げ力ＦVが得られる。
【００６４】
通常の翼体においては、翼弦線の長さをＢとするとき、上記迎角βの値はβ＝δ／Ｂ×１００［°］によって求められる。しかしながら集電舟体５２は、特異な特性を有しているので、先端部２８同士を結ぶ線の長さを翼弦線の長さＢとして上述の式によって迎角βの値を求めることができない。したがって集電舟体５２においては、ΔＧの値を変化させて風洞試験、または車両に設置した状態で走行試験を行うことによって適切なΔＧの値を設定する。これによって集電舟体５２は、進行方向８に平行な空気流が作用した場合において、迎角βを有する空気流が作用したときと同様の押上げ力をＦVを得ることができる。ΔＧの値を変化させて得た集電舟体５２の特徴は、双方向共に同じ様相を示すことにある。すなわち、集電舟体５２が進行方向８および進行方向８と逆方向に進行する場合のどちらの場合においても、空気流に対して同じ特性を示す。
【００６５】
図１０は、図９の集電舟体５２に空気流が作用したときの空気流の迎角αと、空気流の速度Ｖと、集電舟体５２に働く全押上げ力Ｐとの関係を示すグラフである。図１０において、ｘ軸は空気流の迎角αを示し、ｙ軸は空気流の速度Ｖを示し、Ｚ軸は集電舟体５２に働く全押上げ力Ｐを示す。図１０は、集電舟体２の全押上げ力Ｐを空気流の仰角αが±３゜の範囲で、かつ空気流の速度Ｖが０ｍ／ｓ≦Ｖ≦１００ｍ／ｓの範囲において示す。また集電舟体５２が図１０に示すような特性を示すとき、空気流の密度ρは０．１２５ｋｇｆ・ｓ2／ｍ4であり、集電舟体５２の舟体本体４において進行方向８および長手方向に平行な表面の面積Ａは０．０８ｍ2である。
【００６６】
集電舟体５２は、空気流によって僅かに発生する押上げ力ＦYが仰角αに影響し、迎角αの増加に対して押上げ力ＦYが増加する特性を有するように、舟体本体４の長方形断面形状の縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎが、たとえばｎ＝２．７に設定されている。したがって空気流の速度Ｖが０でないとき、図１０に実線６０で表される面によって示すように、迎角αが増加するにつれて集電舟体５２の全押上げ力Ｐは増加し、迎角αが減少するにつれて全押上げ力Ｐは減少する。
【００６７】
また上述した実施形態と同様に、集電舟体５２の押付け力ＦPは５．５ｋｇｆであり、全押上げ力Ｐの許容範囲は２ｋｇｆ≦Ｐ≦１５．５ｋｇｆとされる。したがって空気流による押上げ力ＦYの上限値ＦYmaxは１０ｋｇｆとなり、下限値ＦYminは−３．５ｋｇｆとなる。空気流の速度Ｖは、近似的に集電舟体５２を有する車両の速度とすることができる。空気流の速度Ｖが０であるとき、集電舟体５２における空気流による押上げ力ＦYは０であり、全押上げ力Ｐは押付け力ＦPとなる。
【００６８】
集電舟体５２において、空気流が作用するとき上向きの揚力が働くので、正の押上げ力Ｆvが働く。これによって集電舟体５２に迎角が０である進行方向８に平行な空気流が作用するとき、空気流の速度Ｖが大きくなるとともに空気流による押上げ力Ｆvは大きくなり、たとえば点Ｑ３で示すように空気流の速度ＶがＶ２＝１００ｍ／ｓであるときの押上げ力ＦVは３ｋｇｆとなる。また集電舟体５２はキャンバΔＧを有するので、押上げ力ＦVは、集電舟体５２に迎角βを有する速度Ｖ２の空気流が作用したときと同様の押上げ力となる。したがって、点Ｑ４で示すように、空気流の速度がＶ２であるとき、集電舟体５２において押上げ力ＦYが０となる場合の迎角α１はほぼ−β°となる。この押上げ力ＦVの値はキャンバΔＧの値によって任意に設定することができる。
【００６９】
空気流の迎角αが正の値であるとき、空気流の速度Ｖの増加につれて押上げ力ＦYが大きくなり、集電舟体５２の全押上げ力Ｐが増加する。このような集電舟体５２の特性は、実線６０で表される面のうち、仰角αが正の値であるときの斜線で表される部分の面Ｓ３によって示される。たとえば面Ｓ３における点Ｑ５で示すように、迎角αが３°である空気流が集電舟体５２に作用したとき、空気流の速度がＶ２＝１００ｍ／ｓであれば、空気流による押上げ力ＦY３は５．５ｋｇｆとなり、全押上げ力Ｐ３＝ＦP＋ＦY３＋Ｆvは１４ｋｇｆとなる。このとき全押上げ力Ｐ３は許容範囲内であり、集電舟体５２は正常に架線から電力を取込むことができる。
【００７０】
空気流の迎角αが負の値であるとき、空気流の速度Ｖの増加につれて押上げ力ＦYが小さくなり、集電舟体５２の全押上げ力Ｐは減少する。このような集電舟体５２の特性は、仰角αの値が負であるときの斜線で表される部分の面Ｓ４によって示される。たとえば面Ｓ４における点Ｑ６で示すように、迎角αが−３°である空気流が集電舟体５２に作用したとき、空気流の速度ＶがＶ２＝１００ｍ／ｓであれば、空気流による押上げ力ＦY４は−５．５ｋｇｆとなり、全押上げ力Ｐ４＝ＦP＋ＦY４＋Ｆvは３ｋｇｆとなる。このとき、全押上げ力Ｐ４は許容範囲内であり、集電舟体５２は正常に架線から電力を取込むことができる。
【００７１】
このように集電舟体５２は、先端部２８を含む仮想平面５６が、舟体本体４の下面と摺板６の上面との中央位置５８より下方にΔＧの距離に位置しているので、集電舟体５２に空気流が作用するとき、集電舟体５２には上向きの揚力が働き正の押上げ力をＦvを得ることができる。これによって図１０に示すように、空気流の仰角αが±３°の範囲であり、かつ空気流の速度Ｖが０ｍ／ｓ≦Ｖ≦１００ｍ／ｓの範囲であるとき、集電舟体２に働く全押上げ力Ｐを許容範囲内にすることができる。したがって、集電舟体５２におけるキャンバΔＧの値を適切に設定することにいよって、集電舟体２に働く全押上げ力Ｐを任意の範囲内にすることができる。
【００７２】
この実施の形態においては、先端部２８を含む仮想平面５６は、舟体本体４の下面と摺板６の上面との中央位置５８より下方になるように位置しているが、仮想平面５６を中央位置５８より上方になるように位置させることもでき、このときキャンバΔＧの値は負となる。この場合、空気流が作用したとき、集電舟体５２の下面側の空気流の速度は、上面側の空気流の速度より大きくなり、下面側の圧力が上面側より小さくなる。したがって集電舟体５２には架線から離反する方向に下向きの揚力が働き、仰角αの値に関係なく、空気流の速度Ｖに応じた負の押上げ力Ｆvが得られる。したがってこのような特性を利用して、全押上げ力Ｐを任意の範囲内に設定することができる。
【００７３】
またこの実施の形態においては、集電舟体５２は空気流による押上げ力ＦYが迎角αの増加に対して増加する特性を有するように舟体本体４の寸法比ｎが設定されているが、実施のさらに他の形態として、集電舟体は押上げ力ＦYが迎角αの増加に対して減少する特性を有するように舟体本体４の寸法比ｎが設定されていてもよい。この場合、迎角αが増加するにつれて集電舟体５２の全押上げ力Ｐが減少し、迎角αが減少するにつれて全押上げ力Ｐが増加する。このような集電舟体の空気流に対する特性は、図８において破線３６で表された面Ｓ５に類似して示される。したがってこのような特性を考慮して、集電舟体のキャンバΔＧの値を設定することによって、集電舟体に働く空気流による押上げ力ＦYを調整し、全押上げ力Ｐを任意の範囲内に設定することができる。
【００７４】
図１１は本発明の実施のさらに他の形態である集電舟体１０２の一部を示す断面図であり、進行方向８に平行な幅方向における一側部のみを示す。この実施の形態は上述した実施の形態に類似しており、対応する部分には同一の参照符を付し、異なる構成についてだけ説明し、同様の構成については説明を省略する。
【００７５】
集電舟体１０２において、舟体本体４の進行方向８に対して垂直な各面には各縁体１４がそれぞれ設けられている。進行方向８に臨む側、すなわち図１１において左側に設けられた一方の各縁体１４の先端部１０４の外表面は、進行方向８に平行であり、進行方向８に臨む側となる舟体本体４の幅方向一方に凸となる丸みを有しており、すなわち先端部１０４はＲ付けされている。このような先端部１０４のＲは、たとえば５〜６ｍｍ程度に選ばれる。図１１においては一方の縁体１４のみが示されているが、進行方向８と逆方向に臨む側、すなわち図１１において右側に設けられた他方の縁体１４においても同様に、先端部１０４の外表面は、進行方向８と逆方向に臨む側となる前記幅方向他方に凸となる丸みを有している。このような縁体１４を有する集電舟体１０２は、揚力傾斜が低くでき、低騒音化を図ることができる。揚力傾斜が低くできるということは、すなわち集電舟体１０２に作用する空気流による押上げ力Ｆyを小さくすることができる。
【００７６】
図１２は、本発明に従う集電舟体において、集電舟体に作用する空気流の速度Ｖを６０ｍ／ｓとして風洞試験を行ったときに得られた迎角αと押上げ力ＦYとの関係の一例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ＦYを示す。図１２に示すように、迎角αを有する空気流が作用したときの集電舟体の押上げ力ＦYは、迎角αの値が−１°において最も低い−１．２５ｋｇｆの値をとり、迎角αが−１°から増加し、または減少するにつれて押上げ力ＦYは増加する。また図１２に示す仰角が±３°以内の範囲においては、押上げ力ＦYは上限値ＦYmax＝１０ｋｇｆと下限値ＦYmin＝−３．５ｋｇｆとの間となるので、全押上げ力Ｐは２ｋｇｆ≦Ｐ≦１５．５ｋｇｆである許容範囲内となる。したがってこのような押上げ力特性を有する集電舟体は、適当な力で押上げられて架線と接触することによって、正常に電力を取込むことができる。
【００７７】
図１２に示すような特性を有する集電舟体は、たとえば集電舟体に作用する空気流の空気の密度ρが０．１２５ｋｇｆ・ｓ2／ｍ4、舟体本体の進行方向および長手方向に平行な面積Ａが０．０８ｍ2であるとき、舟体本体の長方形断面形状の縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎがｎ＝２．５、キャンバΔＧと縦寸法ｈとの比ｍがｍ＝１／３に設定されることによって得ることができる。
【００７８】
上述した種々の実施の形態において、集電舟体は進行方向８に対して前後に対称な形状を有している。したがってこれらの集電舟体を備えるパンタグラフは、双方向性パンタグラフとして機能することができる。電気鉄道車両である車両に集電装置としてこのようなパンタグラフを設けることによって、車両が上り線または下り線のどちらを走行する場合においても、集電舟体は適切な押上げ力で架線と接触し、パンタグラフは正常に電力を取込むことができる。
【００７９】
また上述した種々の実施形態においては、摺板が舟体本体の上面に固定されて設けられているが、これに代えて、摺板がばねなどによって三次元系の変位が許容された状態で支持される構成としてもよい。この場合、上述の支持状態を配慮した上で集電舟体の形状が設定される。
【００８０】
【発明の効果】
請求項１の本発明によれば、舟体本体の長手方向に垂直な断面形状は長方形であり、前記断面形状の縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈは２．２以上でかつ２．７以下の範囲内の値に設定されている。このような寸法比ｎが２．２以上でかつ２．７以下の範囲内である舟体本体を備える集電舟体は、迎角を有する空気流が集電舟体に作用する場合において、集電舟体に作用する空気流による押上げ力の絶対値が小さくなり、押上げ力の影響を小さくすることができる。逆に寸法比ｎが２．２未満または２．７を超える場合、集電舟体における空気流による押上げ力ＦYの影響が大きくなる。したがって、寸法比ｎが２．２以上でかつ２．７以下の範囲内である集電舟体を車両のパンタグラフに用いることによって、車両のパンタグラフ付近の空気流が複雑な流れとなる場合においても、集電舟体は適切な力で架線に接触し、パンタグラフは集電舟体を介して所要の通りに電力を取込むことができる。
さらに舟体本体は、進行方向であり、かつ幅方向の両側面が、各角部において露出している。つまり舟体本体の各角部がそれぞれ露出し、各角部に幅方向の両側面から成る平坦面が形成される。これによって舟体本体の前記断面形状が、前記範囲内の寸法比ｎを有する長方形状であることによる効果、具体的には、集電舟体における揚力特性の変化による押上げ力の変化を阻止するという効果を、確実に達成することができる。
【００８１】
また請求項２の本発明によれば、集電舟体の舟体本体の幅方向両側部には、進行方向に先細状に突出する縁体がそれぞれ設けられている。このような縁体が設けられた集電舟体に空気流が作用するとき、空気流が一方の縁体によって上下にかきわけられて、滑らかに案内されるとともに、他方の縁体によって円滑に合流され、集電舟体まわりの空気流の乱れが少なくなる。これによって空気流の乱れに伴う空力騒音の発生を低減することができる。このような縁体が設けられた集電舟体を車両のパンタグラフに用いることによって、車両が走行する際に集電舟体における空力騒音の発生が低減される。
【００８２】
また各縁体は舟体本体の高さ方向両端部間の中間部にそれぞれ設けられているので、長手方向に垂直な断面形状が長方形である舟体本体の各角部分がそれぞれ露出し、すなわち縁体の上下には、舟体本体の進行方向に垂直な幅方向の両側面から成る平坦面が形成される。これによって舟体本体に縁体を設けた場合においても、舟体本体の前記断面形状が所定の長方形状であることによる集電舟体における揚力特性が変化し、集電舟体に働く押上げ力が変化することが阻止される。したがって集電舟体において、集電舟体に働く空気流による押上げ力を少なくするとともに、空力騒音を低減することができる。
【００８３】
また請求項３の本発明によれば、縁体は略三角柱状であるので、このような縁体が集電舟体の幅方向両側部にそれぞれ設けられることによって、集電舟体は略流線形となる。このような集電舟体に空気流が作用するとき、集電舟体周りの空気流の乱れが小さくなり、この空気流の乱れに伴う空力騒音の発生を低減することができる。
【００８４】
また請求項４の本発明によれば、縁体の先端部の外表面は、丸みを有しているので、集電舟体の揚力傾斜が低くでき、低騒音化を図ることができる。
【００８５】
また請求項５の本発明によれば、集電舟体に設けられた縁体には複数の凹所が形成されている。空気流が集電舟体に作用するとき、集電舟体に沿って流れる空気にカルマン渦が生じる。集電舟体の断面形状が長手方向に一様であると、カルマン渦の発生も一様となり、特定の周波数の成分が強調されてエオルス音という空力騒音が発生しやすい。したがって縁体に複数の凹所が形成されることによって、集電舟体の長手方向に一様なカルマン渦が発生することが抑制され、空力騒音を低減することができる。
【００８６】
また請求項６の本発明によれば、各縁体の先端部を含む仮想平面は、舟体本体の下面と摺板の上面との中央位置よりも下方に位置する。このような集電舟体に空気流が作用したとき、集電舟体の上面側の空気流の速度は、下面側の空気流の速度より大きくなり、上面側の圧力が下面側より小さくなるので、空気流がどのような仰角を有していても集電舟体には上向きの揚力が生じる。言い換えると、空気流が作用したとき、集電舟体は、空気流の仰角に関係なく、空気流の押上げ力に応じた正の押上げ力を得ることができる。したがって、集電舟体における前記仮想平面の位置を適切に設定することによって、架線に対する集電舟体の全押上げ力を任意の範囲内に設定することができる。
【００８７】
また請求項７の本発明によれば、各縁体の先端部を含む仮想平面は、舟体本体の下面と摺板の上面との中央位置よりも上方に位置する。このような集電舟体に空気流が作用するとき、集電舟体の下面側の空気流の速度は上面側の空気流の速度より大きくなり、下面側の圧力が上面側より小さくなるので、空気流がどのような仰角を有していても集電舟体には下向きの揚力が生じる。言い換えると、空気流が作用するとき、集電舟体は、空気流の仰角に関係なく、空気流の速度に応じた負の押上げ力を得ることができる。したがって、集電舟体における前記仮想平面の位置を適切に設定することによって、架線に対する集電舟体の全押上げ力を任意の範囲内に設定することができる。
【００８８】
さらに請求項８の本発明によれば、摺板の進行方向と平行な幅方向寸法は、舟体本体の横寸法ｄより小さく設定され、幅方向両側の表面は、幅方向に対して垂直に形成され、または舟体本体から離反するにつれて幅方向内方に向かうように、幅方向に対して４５°以上９０°未満の角度をなして傾斜して形成される。このように摺板は形成されているので、摺板を集電舟体に設けることによって集電舟体の揚力特性が変化することが少ない。したがって舟体本体を所定の長方形断面形状とすることによって、集電舟体に働く押上げ力の絶対値を小さくする効果に影響を及ぼすことが少なく、摺板を舟体本体に設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う実施の一形態である集電舟体２を示す斜視図である。
【図２】集電舟体２を示す平面図である。
【図３】図２における切断面線ＩＩＩ−ＩＩＩ線から見た集電舟体２の断面図である。
【図４】集電舟体２に空気流が作用することによって集電舟体２に働く力を、集電舟体２の長手方向に対して垂直な断面において示す図である。
【図５】縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈが２である舟体本体４において、空気流の迎角αと押上げ力係数ＣYとの関係を示すグラフである。
【図６】縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈが４である舟体本体４において、空気流の迎角αと押上げ力係数ＣYとの関係を示すグラフである。
【図７】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ＣYの関係を示すグラフである。
【図８】集電舟体２に空気流が作用したときの空気流の迎角αと、空気流の速度Ｖと、集電舟体２に働く全押上げ力Ｐとの関係を示すグラフである。
【図９】本発明に従う実施のさらに他の形態である集電舟体５２を示す断面図である。
【図１０】集電舟体５２に空気流が作用したときの空気流の迎角αと、空気流の速度Ｖと、集電舟体５２に働く全押上げ力Ｐとの関係を示すグラフである。
【図１１】本発明に従う実施のさらに他の形態である集電舟体１０２の一部を示す断面図である。
【図１２】本発明に従う集電舟体において迎角αと押上げ力ＦYとの関係の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
２，５２，１０２ 集電舟体
４ 舟体本体
６ 摺板
８ 進行方向
１０ ホーン
１２ 空気流の方向
１４ 縁体
１８ 凹所
ＦY 押上げ力
ｄ 横寸法
ｈ 縦寸法
ｗ 長さ寸法
【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集電舟体に関する。
【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集電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、パンタグラフの集電舟体が備える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。集電舟体は、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。この集電舟体には、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。集電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、集電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。また集電舟体の形状によっては、集電舟体に空気流による負の押上げ力、すなわち架線から集電舟体を離反させる力が働く。このような場合、集電舟体と架線とが非接触状態になるなどして、集電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】
また車両には走行速度を高くする高速化が望まれているけれども、車両が高速度で走行する場合、車両に設けられたパンタグラフの集電舟体に空気流が作用することによって、集電舟体の風切り音、エオルス音などの空力騒音が大きくなる。このような空力騒音の音圧レベルは、集電舟体に作用する空気流の速度の６乗に比例する。車両の高速化を図るためには、車両がより高速度で走行する場合においても、騒音の環境基準を満足する限界の速度に制限される。このため高速化を図る以前の最高速度での空力騒音の音圧レベルと、高速化を図った後の最高速度での空力騒音の音圧レベルとを同程度とすることができるように、走行速度に対して発生する空力騒音の音圧レベルを低減する必要がある。
【０００５】
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し、空力騒音を低減することができる集電舟体が、たとえば特開平６−１８９４０８号公報に開示されている。この集電舟体は、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集電舟体フレームとから構成されている。この集電舟体は、集電舟体の進行方向と平行な方向に集電舟体に空気流が作用する条件の下に、摺板および集電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。したがって集電舟体は、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。また集電舟体の舟体本体の断面形状は楕円形であるので、舟体本体に作用する空気流の乱れが小さくなる。これによって、車両が高速走行するときの集電舟体の風切り音なとを小さくすることができ、空力騒音を低減することができる。
【０００６】
【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集電舟体は、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、パンタグラフの集電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、パンタグラフの集電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、集電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。
【０００７】
本発明の目的は、集電舟体に対して仰角を持つ空気流が作用する場合において、空気流による押上げ力の影響を小さくすることができる集電舟体を提供することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、空力騒音を低減することができる集電舟体を提供することである。
【０００９】
【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で水平方向へ延びる舟体本体であって、
長手方向に垂直な断面の形状が、進行方向に垂直な高さ方向の縦寸法をｈとしかつ進行方向に平行な幅方向の横寸法をｄとする長方形状であり、
幅方向の両側面が、長手方向に垂直な断面における長方形の各角部で露出し、
縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈが２．２以上でかつ２．７以下の範囲内の値に設定される舟体本体を備えることを特徴とする集電舟体である。
【００１０】
本発明に従えば、舟体本体の長手方向に垂直な断面形状は長方形であり、前記断面形状の縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈは２．２以上でかつ２．７以下の範囲内の値に設定されている。このような寸法比ｎが２．２以上でかつ２．７以下の範囲内である舟体本体を備える集電舟体は、迎角を有する空気流が集電舟体に作用する場合において、集電舟体に作用する空気流による押上げ力の絶対値が小さくなり、押上げ力の影響を小さくすることができる。逆に寸法比ｎが２．２未満または２．７を超える場合、集電舟体における空気流による押上げ力ＦYの影響が大きくなる。したがって、寸法比ｎが２．２以上でかつ２．７以下の範囲内である集電舟体を車両のパンタグラフに用いることによって、車両のパンタグラフ付近の空気流が複雑な流れとなる場合においても、集電舟体は適切な力で架線に接触し、パンタグラフは集電舟体を介して所要の通りに電力を取込むことができる。
さらに舟体本体は、進行方向であり、かつ幅方向の両側面が、各角部において露出している。つまり舟体本体の各角部がそれぞれ露出し、各角部に幅方向の両側面から成る平坦面が形成される。これによって舟体本体の前記断面形状が、前記範囲内の寸法比ｎを有する長方形状であることによる効果、具体的には、集電舟体における揚力特性の変化による押上げ力の変化を阻止するという効果を、確実に達成することができる。
【００１１】
また本発明は、舟体本体の幅方向両側部には、舟体本体の長手方向に延びる縁体がそれぞれ設けられ、各縁体は、舟体本体の高さ方向両端部間の中間部から先細状に突出することを特徴とする。
【００１２】
本発明に従えば、集電舟体の舟体本体の幅方向両側部には、進行方向に先細状に突出する縁体がそれぞれ設けられている。このような縁体が設けられた集電舟体に空気流が作用するとき、空気流が一方の縁体によって上下にかきわけられて、滑らかに案内されるとともに、他方の縁体によって円滑に合流され、集電舟体まわりの空気流の乱れが少なくなる。これによって空気流の乱れに伴う空力騒音の発生を低減することができる。このような縁体が設けられた集電舟体を車両のパンタグラフに用いることによって、車両が走行する際に集電舟体における空力騒音の発生が低減される。
【００１３】
また各縁体は舟体本体の高さ方向両端部間の中間部にそれぞれ設けられているので、長手方向に垂直な断面形状が長方形である舟体本体の各角部分がそれぞれ露出し、すなわち縁体の上下には、舟体本体の進行方向に垂直な幅方向の両側面から成る平坦面が形成される。これによって舟体本体に縁体を設けた場合においても、舟体本体の前記断面形状が所定の長方形状であることによる集電舟体における揚力特性が変化し、集電舟体に働く押上げ力が変化することが阻止される。したがって集電舟体において、集電舟体に働く空気流による押上げ力を少なくするとともに、空力騒音を低減することができる。
【００１４】
また本発明は、縁体は、略三角柱状であり、その軸線に平行な一側部で、舟体本体の幅方向両側部に固定されることを特徴とする。
【００１５】
本発明に従えば、縁体は略三角柱状であるので、このような縁体が集電舟体の幅方向両側部にそれぞれ設けられることによって、集電舟体は略流線形となる。このような集電舟体に空気流が作用するとき、集電舟体周りの空気流の乱れが小さくなり、この空気流の乱れに伴う空力騒音の発生を低減することができる。
【００１６】
また本発明は、縁体の先端部の外表面は、前記幅方向に凸となる丸みを有していることを特徴とする。
【００１７】
本発明に従えば、縁体の先端部の外表面は、丸みを有しているので、集電舟体の揚力傾斜が低くでき、低騒音化を図ることができる。
【００１８】
また本発明は、縁体は、先端部よりの部分に、縁体の長手方向に複数の凹所が形成されることを特徴とする。
【００１９】
本発明に従えば、集電舟体に設けられた縁体には複数の凹所が形成されている。空気流が集電舟体に作用するとき、集電舟体に沿って流れる空気にカルマン渦が生じる。集電舟体の断面形状が長手方向に一様であると、カルマン渦の発生も一様となり、特定の周波数の成分が強調されてエオルス音という空力騒音が発生しやすい。したがって縁体に複数の凹所が形成されることによって、集電舟体の長手方向に一様なカルマン渦が発生することが抑制され、空力騒音を低減することができる。
【００２０】
また本発明は、舟体本体の上部に設けられ、架線に接触される摺板を有し、
各縁体の先端部を含む仮想平面は、舟体本体の下面と摺板の上面との中央位置よりも下方に位置することを特徴とする。
【００２１】
本発明に従えば、各縁体の先端部を含む仮想平面は、舟体本体の下面と摺板の上面との中央位置よりも下方に位置する。このような集電舟体に空気流が作用したとき、集電舟体の上面側の空気流の速度は、下面側の空気流の速度より大きくなり、上面側の圧力が下面側より小さくなるので、空気流がどのような仰角を有していても集電舟体には上向きの揚力が生じる。言い換えると、空気流が作用したとき、集電舟体は、空気流の仰角に関係なく、空気流の押上げ力に応じた正の押上げ力を得ることができる。したがって、集電舟体における前記仮想平面の位置を適切に設定することによって、架線に対する集電舟体の全押上げ力を任意の範囲内に設定することができる。
【００２２】
また本発明は、舟体本体の上部に設けられ、架線に接触される摺板を有し、
各縁体の先端部を含む仮想平面は、舟体本体の下面と摺板の上面との中央位置よりも上方に位置することを特徴とする。
【００２３】
本発明に従えば、各縁体の先端部を含む仮想平面は、舟体本体の下面と摺板の上面との中央位置よりも上方に位置する。このような集電舟体に空気流が作用するとき、集電舟体の下面側の空気流の速度は上面側の空気流の速度より大きくなり、下面側の圧力が上面側より小さくなるので、空気流がどのような仰角を有していても集電舟体には下向きの揚力が生じる。言い換えると、空気流が作用するとき、集電舟体は、空気流の仰角に関係なく、空気流の速度に応じた負の押上げ力を得ることができる。したがって、集電舟体における前記仮想平面の位置を適切に設定することによって、架線に対する集電舟体の全押上げ力を任意の範囲内に設定することができる。
【００２４】
さらに本発明は、舟体本体の上部に設けられ、架線に接触される摺板を有し、摺板の進行方向と平行な幅方向寸法は、舟体本体の横寸法ｄより小さく設定され、幅方向両側の表面は、幅方向に対して垂直に形成され、または舟体本体から離反するにつれて幅方向内方に向かうように、幅方向に対して４５°以上９０°未満の角度をなして傾斜して形成されることを特徴とする。
【００２５】
本発明に従えば、摺板の進行方向と平行な幅方向寸法は、舟体本体の横寸法ｄより小さく設定され、幅方向両側の表面は、幅方向に対して垂直に形成され、または舟体本体から離反するにつれて幅方向内方に向かうように、幅方向に対して４５°以上９０°未満の角度をなして傾斜して形成される。このように摺板は形成されているので、摺板を集電舟体に設けることによって集電舟体の揚力特性が変化することが少ない。したがって舟体本体を所定の長方形断面形状とすることによって、集電舟体に働く押上げ力の絶対値を小さくする効果に影響を及ぼすことが少なく、摺板を舟体本体に設けることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の一形態である集電舟体２を示す斜視図であり、図２は集電舟体２を示す平面図であり、図３は図２における切断面線ＩＩＩ−ＩＩＩ線から見た集電舟体２の断面図である。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集電舟体２を備えている。集電舟体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集電舟体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。このとき集電舟体２は、好適に電力を取込むために、所定の押付け力ＦPで架線に押付けられる。この押付け力ＦPは、たとえば５．５ｋｇｆに設定される。
【００２７】
集電舟体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とを有する。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集電舟体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、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。このような摺板６は、舟体本体４の上部に固定されて設けられ、架線と摺動することによって車両に電力が取込まれる。摺板６が舟体本体４に対して弾性体によって支持され、架線に対して付勢されることもある。また集電舟体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から集電舟体２の長手方向、すなわち集電舟体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、集電舟体２の長手方向両端部２ａより外側に位置する架線を，滑らかに集電舟体２へ導くことができる。
【００２８】
図４は、集電舟体２における舟体本体４に、空気流が作用することによって舟体本体４に働く力を、舟体本体４の長手方向に対して垂直な面において示す図である。舟体本体４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、舟体本体４には、空気流が作用する方向１２に対して垂直、かつ舟体本体４の長手方向に垂直な揚力ＦLと、空気流が作用する方向に対して平行、かつ舟体本体４の長手方向に垂直な抗力ＦDとが働く。言い換えるならば、舟体本体４には揚力ＦLと抗力ＦDとの合力ΣＦが働く。この合力ΣＦは、舟体本体４の進行方向８に対して平行、かつ舟体本体４の長手方向に垂直な抵抗力ＦXと、舟体本体４の進行方向８に対して垂直かつ舟体本体４の長手方向に垂直な押上げ力ＦYとに分解することができる。言い換えれば、舟体本体４には、空気流によって抵抗力ＦXおよび押上げ力ＦYとが働いている。空気流による押上げ力ＦYが舟体本体４に作用するとき、舟体本体４を有する集電舟体２に働く全押上げ力Ｐは、枠組などによって予め集電舟体２に加えられる所定の押付け力ＦPと、空気流による押上げ力ＦYとの和Ｐ＝ＦP＋ＦYとなる。
【００２９】
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４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４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、集電舟体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、集電舟体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。集電舟体２における押上げ力ＦYは、上方向すなわち集電舟体２を架線に押付ける方向の力を正の押上げ力とし、下方向すなわち集電舟体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。また集電舟体２に設けられたホーン１０は、集電舟体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。
【００３０】
上述した集電舟体２は、図１〜図３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、集電舟体２における空気流による押上げＦYは上述したようにして説明することができる。
【００３１】
集電舟体２の舟体本体４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、このときの舟体本体４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。このような舟体本体４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本体４に働く押上げ力ＦY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ＦYから舟体本体４の押上げ力係数ＣYを、次式（１）
【００３２】
【数１】
によって算出する。
ただし、押上げ力ＦY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。
【００３４】
この押上げ力係数ＣYは、押上げ力ＦYと、空気の密度ρおよび空気流の速度Ｖと、舟体本体４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本体４の表面の面積Ａとで表される無次元数である。押上げ力ＦY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ＦY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ＦYの値は４倍となり、面積Ａが２倍になったとき押上げ力ＦYの値は２倍となる。したがって、集電舟体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、この比ｎと、集電舟体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ＣYは常に一定の値となる。
【００３５】
図５は、縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈが２である舟体本体４において、空気流の迎角αと押上げ力係数ＣY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ＣYを示す。寸法比ｎ＝２で一定である舟体本体４を用い風洞試験などによって、舟体本体４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ＦYを計測し、この押上げ力ＦYから上記式（１）によって押上げ力係数ＣYを算出することによって、迎角αと押上げ力ＣYとの関係が求められる。押上げ力係数ＣYが負の値であるとき、空気流による押上げ力ＦYは負の値であり、すなわち舟体本体４には押下げようとする力が働く。図５に示すように、寸法比ｎ＝２である場合、舟体本体４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ＣYは迎角αの増加に対して減少する。
【００３６】
図６は、縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈが４である舟体本体４において、図５と同様に、空気流の迎角αに対する押上げ力係数ＣY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ＣYを示す。寸法比ｎ＝４で一定である舟体本体４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ＦYの値から押上げ力係数ＣYを算出することによって迎角αと押上げ力ＣYとの関係が求められる。図６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ＣYは迎角αの増加に対して増加する。
【００３７】
このように、舟体本体４に作用する空気流の迎角αと押上げ力係数ＣYとの関係は、舟体本体４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。
【００３８】
図７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ＣY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ＣYを示す。実線２０は、舟体本体４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ＣYとの関係を示し、実線２２は、舟体本体４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ＣYとの関係を示す。破線２４は、迎角αが６°であるときの寸法比ｎと押上げ力係数ＣYとの関係を示し、破線２６は、迎角αが−６°であるときの寸法比ｎと押上げ力係数ＣYとの関係を示している。
【００３９】
図７のグラフに示されるそれぞれの寸法比ｎと押上げ係数ＣYとの関係は、図５および図６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本体４に作用する空気流の迎角αに対する押上げ力係数ＣYの関係を基に求めることができる。図７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ＣY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ＣYの関係を詳細に求めることができる。また図７のグラフにおいて、ｎとＣYの関係は１≦ｎ≦５範囲で示されている。
【００４０】
風洞試験などにおいて計測される空気流による舟体本体４の押上げ力ＦYは、集電舟体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ＣYの関係は、ほぼ図７に示すように表され、押上げ力係数ＣY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。
【００４１】
図７のグラフに示されるように、舟体本体４の長方形断面形状の縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎが２．５付近であるとき、押上げ力係数ＣYの値は０に近い値となる。式（１）から理解されるように、押上げ力係数ＣYの絶対値が小さくなるにつれて、舟体本体４に作用する空気流による押上げ力ＦYの絶対値が小さくなる。したがって舟体本体４の縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎを２．５付近に設定することによって、舟体本体４に作用する空気流が迎角を有する場合においても、舟体本体４に働く空気流による押上げ力ＦYの影響を小さくすることができる。
【００４２】
パンタグラフの設置する場所の空気流に特定の迎角を持つような癖がある場合には、その癖を織込んで考えることもできるが、本実施の形態では理解を容易にするために、パンタグラフが設置される場所の空気流が迎角を持つなどの癖がないと仮定して説明する。
【００４３】
また、双方向性のパンタグラフでは双方向ともで充分なる集電性能を出す必要がある。さらに空気流が迎角を持つ場合についても、正および負の迎角によって特性が大きく異なっては、使用上問題がある。これらをふまえて集電舟体２は上述したような構成を有する。
【００４４】
図７から明らかなように、寸法比ｎが２．５付近、本実施の形態において具体的には、２．２以上でかつ２．７以下の範囲内の値に設定された舟体本体４を有する集電舟体２においては、迎角を有する空気流による押上げ力係数ＣYの絶対値が小さくなるので、押上げ力ＦYの影響を小さくすることができる。逆に舟体本体の寸法比ｎが２．２未満または２．７を超える場合、押上げ力係数ＣYの値が大きくなり、集電舟体２における空気流による押上げ力ＦYの影響が大きくなる。したがって、寸法比ｎが２．２以上でかつ２．７以下の範囲内である舟体本体４を有する集電舟体２を車両のパンタグラフに用いることによって、車両のパンタグラフ付近の空気流が複雑な流れとなり、集電舟体２に迎角を有する空気流が作用する場合においても、集電舟体２は適切な力で架線に接触し、パンタグラフは集電舟体２を介して所要の通りに電力を取込むことができる。
【００４５】
再び図１〜図３を参照して、集電舟体２において舟体本体４の幅方向両側部における進行方向８に垂直な各面には、舟体本体４の長手方向に延び、舟体本体４から先細状に突出する縁体１４がそれぞれ設けられている。各縁体１４は略三角柱状であり、その軸線方向に平行な一側部で、舟体本体４の進行方向８に垂直な各面に固定される。縁体１４において、舟体本体４から離反する側に形成される先端部２８の外表面は鋭角で形成されている。このような縁体１４は、長手方向に垂直な断面形状が台形状の基部１５と、この基部１５から進行方向８に平行な方向に突出する突部１７とを有する。突部１７は四角錐状の形状を有し、集電舟体２の長手方向に連続的に形成されている。したがって縁体１４には、突端部２８よりの部分に縁体の長手方向に沿って複数の凹所１８が形成される。
【００４６】
縁体１４が舟体本体４に設けられることによって、集電舟体２全体の形状は略流線形状となる。したがって集電舟体２に空気流が作用したとき、空気流は縁体１４の先端部２８で分離され、上下にかきわけられる。空気流は一方の縁体１４によって滑らかに案内され集電舟体２の表面に沿って流れ、他方の縁体１４によって円滑に合流される。これによって集電舟体２まわりの空気流の乱れが小さくなり、この空気流の乱れに伴う空力騒音の発生を低減することができる。このような縁体１４が設けられた集電舟体２を車両のパンタグラフに用いることによって、車両が走行する際に集電舟体２における空力騒音の発生が低減される。またこのように車両の走行時の空力騒音が抑制されることによって、車両が高速化を図る以前の最高速度での空力騒音の音圧レベルと、高速化を図った後での最高速度での空力騒音の音圧レベルとを同程度とすることができる。これによって、車両の高速化を図った後においても、騒音の環境基準を満足することができる。空力騒音の音圧レベルの範囲内で車両をさらに高速で走行させることができる。
【００４７】
また空気流が集電舟体２に作用するとき、集電舟体２に沿って流れる空気にカルマン渦が生じる。集電舟体２の断面形状が長手方向に一様であるとカルマン渦の発生も一様となり、特定の周波数の成分が強調されてエオルス音という空力騒音が発生しやすくなる。したがって縁体１４に複数の凹所１８が形成されることによって、集電舟体２の長手方向に一様にカルマン渦が発生することが抑制され、空力騒音であるエオルス音が低減される。
【００４８】
この実施の形態においては、縁体１４を三角柱状としているが、集電舟体２全体の形状を略流線形状とするものであれば、縁体１４を任意の形状とすることができる。また縁体１４の基部１５から突出する突部１７の形状を四角錐状としているが、これに代えて、任意の形状で突部１７を形成することもでき、たとえば先端部が縁体１４の長手方向に延びる稜線に向かって先細となるくさび状とすることができる。さらに舟体本体４の進行方向８に垂直な各面にそれぞれ設けられた各縁体１４における突部１７を、一方の縁体１４の突部１７に対して他方の縁体１４の突部１７を長手方向にずらして形成することもできる。
【００４９】
集電舟体２において、各縁体１４は、舟体本体４の高さ方向両端部間の中間部に設けられている。このように縁体１４が舟体本体４に設けられた状態では、縁体１４の舟体本体４に取付けられる側の一側部の上端は、舟体本体４の上面より僅かに下方となり、縁体１４の舟体本体４に取付けられる側の一側部の下端は、舟体本体４の下面より僅かに上方となる。
【００５０】
このような集電舟体２においては、縁体１４の上方および下方に舟体本体４の長方形断面における各角部１９がそれぞれ露出し、すなわち縁体１４の上下には舟体本体４の進行方向８に垂直な幅方向の両側面から成る平坦面２１が形成される。これによって空力騒音を低減するために舟体本体４の縁体１４が設けられた場合においても、集電舟体２は縁体１４を設けない場合とほぼ同様の揚力特性を示す。これによって集電舟体２は、空気流による押上げ力ＦYの絶対値が小さくなる特性を維持することができる。したがって集電舟体２において、空気流による押上げ力ＦYの影響を小さくするとともに空力騒音を低減することができる。
【００５１】
舟体本体４の上面に設けられた摺板６は、進行方向８と平行な幅方向寸法が舟体本体４の横寸法ｄより小さく設定されている。また摺板６の幅方向両側の表面は、幅方向に対して垂直に形成され、または舟体本体４から離反するにつれて幅方向内方に向かうように、幅方向に対して４５°以上９０°未満の角度をなして傾斜して形成される。摺板を舟体本体４の上面に設けた場合、集電舟体２において上面の空気流の流れ方向の長さが下面の長さより大きくなる。これによって空気流が作用したときに集電舟体２の上面における空気流の流速が大きくなり、集電舟体２に上向きの揚力が発生する。摺板６は上述したように形成されているので、集電舟体２に空気流が作用したとき、摺板６の角で再度剥離して、摺板６の表面において空気流が滑らかに流れないので、集電舟体２の上面において空気流の流速が大きくなることがない。これによって集電舟体２に上向きの揚力が発生することが阻止される。したがって、舟体本体４を所定の長方形断面形状とすることによって得られる集電舟体２に作用する押上げ力ＦYの絶対値を小さくする効果に影響を及ぼすことなく、摺板６を舟体本体４に設けることができる。
【００５２】
図３において、集電舟体２の舟体本体４の進行方向８に垂直な各面にそれぞれ設けられた各縁体１４の先端部２８を含む仮想平面３０の上下方向の位置が実線で示され、集電舟体２の上下幅の中央位置３２が進行方向８に平行な幅Ｂにわたって一点鎖線で示されている。このような集電舟体２において、各縁体１４の先端部２８を含む仮想平面３０は、前記中央位置３２となる舟体本体４の下面と摺板６の上面との中央位置３２となるように位置しており、舟体本体４の下面と仮想平面３０および中央位置３２との距離ｈ１と、摺板６の上面と仮想平面３０および中央位置３２との距離ｈ２とがｈ１＝ｈ２となる。したがって集電舟体２に迎角αが０であり、進行方向８に平行な空気流が作用する場合、集電舟体２の上側および下側における空気流の速度が同じになるので、集電舟体２に揚力が働かない。すなわち集電舟体２には空気流による押上げ力ＦYが働かないので、空気流による押上げ力ＦYは常に０となる。
【００５３】
図８は、集電舟体２に空気流が作用したときの空気流の迎角αと、空気流の速度Ｖと、集電舟体２に働く全押上げ力Ｐとの関係を示すグラフである。図８において、ｘ軸は空気流の迎角αを示し、ｙ軸は空気流の速度Ｖを示し、ｚ軸は集電舟体２に働く全押上げ力Ｐを示す。図８は、集電舟体２に働く全押上げ力Ｐを空気流の仰角αが±３゜の範囲で、かつ空気流の速度Ｖが０ｍ／ｓ≦Ｖ≦１００ｍ／ｓの範囲において示す。また集電舟体２が図８に示すような特性を示すとき、空気流の空気の密度ρは０．１２５ｋｇｆ・ｓ2／ｍ4であり、集電舟体２の舟体本体４において進行方向８および長手方向に平行な表面に面積Ａは０．０８ｍ2である。
【００５４】
全押上げ力Ｐは、パンタグラフによって集電舟体２が予め架線に押付けられる力であり、標準押上げ力などと呼ばれる押付け力ＦPと、空気流による集電舟体２の押上げ力ＦYとの和であり、Ｐ＝ＦP＋ＦYで表される。また空気流の速度Ｖは、近似的に集電舟体２を有するパンタグラフを備えた車両の走行速度とすることができる。
【００５５】
集電舟体２は、上述するように、迎角αを有する空気流が作用した場合において、空気流による押上げ力ＦYの絶対値が小さくなるような形状を有しているが、僅かに発生する押上げ力ＦYは仰角αの影響を受ける。この実施の形態における集電舟体２は、空気流によって僅かに発生する押上げ力ＦYが、迎角αの増加に対して増加する特性を有するように、舟体本体４の長方形断面形状の縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎが、たとえばｎ＝２．７に設定されている。したがって空気流の速度Ｖが０でないとき、図８に実線３５で表される面によって示すように迎角αが増加するにつれて集電舟体２の全押上げ力Ｐは増加し、迎角αが減少するにつれて全押上げ力Ｐは減少する。
【００５６】
集電舟体２に空気流が作用していないとき、すなわち空気流の速度Ｖが０であるとき空気流による押上げ力ＦYは０であり、集電舟体２に働く全押上げ力Ｐは押付け力ＦPとなる。押付け力ＦPは、通常５．５ｋｇｆに設定される。また集電舟体２が正常に電力を取込むことができる全押上げ力Ｐの許容範囲は、２ｋｇｆ≦Ｐ≦１５．５ｋｇｆとされる。したがって空気流による押上げ力ＦPの上限値ＦYmaxは１０ｋｇｆとなり、下限値ＦYminは−３．５ｋｇｆとなる。
【００５７】
また集電舟体２において、縁体１４の先端部２８を含む仮想平面３０は、舟体本体４の下面と摺板６の上面との中央位置３２になるように位置している。これによって、集電舟体２に迎角αが０である進行方向８に平行な空気流が作用するとき、集電舟体２には揚力が働かないので、空気流の速度Ｖが大きくなっても空気流による押上げ力ＦYの値は常に０となる。
【００５８】
空気流の迎角αが正の値であるとき、空気流の速度Ｖの増加につれて押上げ力ＦYが大きくなり、集電舟体２の全押上げ力Ｐが増加する。このような集電舟体２の空気流に対する特性は、図８において実線３５で表される面のうち、仰角αの値が正であるときの斜線で表される部分の面Ｓ１によって示される。たとえば面Ｓ１における点Ｑ１で示すように、迎角αが３°である空気流が集電舟体２に作用したとき、空気流の速度ＶがＶ１＝１００ｍ／ｓであれば、このときの空気流による押上げ力ＦY１は５．５ｋｇｆとなり、全押上げ力Ｐ１＝ＦP＋ＦY１は１１ｋｇｆとなる。このとき、全押上げ力Ｐ１は許容範囲内であり、集電舟体２は正常に架線から電力を取込むことができる。
【００５９】
空気流の迎角αが負の値であるとき、空気流の速度Ｖの増加につれて押上げ力ＦYが小さくなり、集電舟体２の全押上げ力Ｐは減少する。このような集電舟体２の空気流に対する特性は、図８において仰角αの値が負であるときの斜線で表される部分の面Ｓ２によって示される。たとえば面Ｓ２における点Ｑ２で示すように、迎角αは−３°である空気流が集電舟体２に作用したとき、空気流の速度ＶがＶ１＝１００ｍ／ｓであれば、空気流による押上げ力ＦY２は−５．５ｋｇｆとなり、全押上げ力Ｐ２＝ＦP＋ＦY２は０となる。このとき集電舟体２における全押上げＰ２は、許容範囲より小さくなり、集電舟体２は車両の振動、架線の位置のずれなどの影響によって、集電するための架線との接触力が不足し、実質上架線と非接触状態になる。
【００６０】
このような特性に基づいて、集電舟体２は、架線に対する全押上げ力Ｐが許容範囲内となるような状況において使用される。たとえば集電舟体２に作用する空気流が±３゜の範囲で変動する場合、空気流の速度Ｖ、すなわち集電舟体２が設けられた車両の速度は８０ｍ／ｓ以下に制限される。また集電舟体２における全押上げ力Ｐが許容範囲外となる場合においても、予め集電舟体２に加えられる押付け力ＦPを適切な値に設定することによって、集電舟体２を適切な力で架線と接触させることができる。
【００６１】
またこの実施の形態においては、集電舟体２は空気流による押上げ力ＦYが迎角αの増加に対して増加する特性を有するように舟体本体４の縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎがたとえばｎ＝２．７に設定されているが、他の実施の形態として集電舟体２は押上げ力ＦYが迎角αの増加に対して減少する特性を有するように舟体本体の縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎが設定されていてもよい。この場合、寸法比ｎは、たとえばｎ＝２．２に設定され、空気流の迎角αが増加するにつれて集電舟体の全押上げ力Ｐが減少し、迎角αが減少するにつれて全押上げ力Ｐが増加する。このような集電舟体の空気流に対する特性は、図８において破線３６で表される面Ｓ５によって示される。このような特性を考慮した上で集電舟体が使用される。
【００６２】
図９は、本発明の実施のさらに他の形態である集電舟体５２を示す断面図である。この実施の形態は上述した実施の形態に類似しており、対応する部分には同一の参照符を付し、異なる構成についてだけ説明し、同様の構成については説明を省略する。集電舟体５２における舟体本体４の進行方向８に垂直な各面には、空力騒音を低減するための縁体５４がそれぞれ設けられている。各縁体５４は、長手方向に垂直な断面形状が台形状の基部１５と、基部１５から進行方向８に平行な方向に突出する四角錐状の突部１７とを有する。したがって各縁体１４には、縁体１４の長手方向に沿って複数の凹所１８が形成されている。図９において、各縁体５４の先端部２８を含む仮想平面５６の上下方向の位置が実線で示され、集電舟体５２の上下幅の中央位置５８が進行方向８に平行な幅Ｂにわたって一点鎖線で示されている。集電舟体５２においては、舟体本体４の下面と中央位置５８との距離ｈ３と、摺板６の上面と中央位置５８との距離ｈ４とがｈ３＝ｈ４となる。各縁体５４の先端部２８を含む仮想平面５６は、前記中央位置５８となる舟体本体４の下面と摺板６の上面との中央位置より下方に位置しており、仮想平面５６と中央位置５８との距離はΔＧに設定されている。このような集電舟体５２においては、空気流が作用したとき、集電舟体５２の上面側の空気流の速度は、下面側の空気流の速度より大きくなり、上面側の圧力が下面側より小さくなる。したがって集電舟体５２には上向きの揚力が生じるので、仰角αの値に関係なく、空気流の速度Ｖに応じた正の押上げ力Ｆvが働く。したがって集電舟体５２における距離ΔＧの値を任意に設定することによって、集電舟体２に作用する空気流の仰角αの値に関係なく、集電舟体２に働く空気流による押上げ力Ｆvを設定することができる。集電舟体５２において、舟体本体４の縦寸法ｈと距離ΔＧとの比ｍ＝ΔＧ／ｈは、たとえばｍ＝１／３に設定されている。
【００６３】
このような形状を有する集電舟体５２を翼体とみなすとき、各縁体５４の先端部２８同士を結ぶ線を翼弦線とし、集電舟体５２の上下幅の中央位置５８を示す線を中心線とすることかできる。このとき翼弦線と中心線との距離であるキャンバはΔＧとなるので、集電舟体５２はキャンバがΔＧである翼体とみなすことができる。このようなキャンバΔＧを有する集電舟体５２に進行方向８に対して平行な空気流が作用する場合、集電舟体５２は迎角βを有する空気流が作用したときと同様の押上げ力ＦVが得られる。
【００６４】
通常の翼体においては、翼弦線の長さをＢとするとき、上記迎角βの値はβ＝δ／Ｂ×１００［°］によって求められる。しかしながら集電舟体５２は、特異な特性を有しているので、先端部２８同士を結ぶ線の長さを翼弦線の長さＢとして上述の式によって迎角βの値を求めることができない。したがって集電舟体５２においては、ΔＧの値を変化させて風洞試験、または車両に設置した状態で走行試験を行うことによって適切なΔＧの値を設定する。これによって集電舟体５２は、進行方向８に平行な空気流が作用した場合において、迎角βを有する空気流が作用したときと同様の押上げ力をＦVを得ることができる。ΔＧの値を変化させて得た集電舟体５２の特徴は、双方向共に同じ様相を示すことにある。すなわち、集電舟体５２が進行方向８および進行方向８と逆方向に進行する場合のどちらの場合においても、空気流に対して同じ特性を示す。
【００６５】
図１０は、図９の集電舟体５２に空気流が作用したときの空気流の迎角αと、空気流の速度Ｖと、集電舟体５２に働く全押上げ力Ｐとの関係を示すグラフである。図１０において、ｘ軸は空気流の迎角αを示し、ｙ軸は空気流の速度Ｖを示し、Ｚ軸は集電舟体５２に働く全押上げ力Ｐを示す。図１０は、集電舟体２の全押上げ力Ｐを空気流の仰角αが±３゜の範囲で、かつ空気流の速度Ｖが０ｍ／ｓ≦Ｖ≦１００ｍ／ｓの範囲において示す。また集電舟体５２が図１０に示すような特性を示すとき、空気流の密度ρは０．１２５ｋｇｆ・ｓ2／ｍ4であり、集電舟体５２の舟体本体４において進行方向８および長手方向に平行な表面の面積Ａは０．０８ｍ2である。
【００６６】
集電舟体５２は、空気流によって僅かに発生する押上げ力ＦYが仰角αに影響し、迎角αの増加に対して押上げ力ＦYが増加する特性を有するように、舟体本体４の長方形断面形状の縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎが、たとえばｎ＝２．７に設定されている。したがって空気流の速度Ｖが０でないとき、図１０に実線６０で表される面によって示すように、迎角αが増加するにつれて集電舟体５２の全押上げ力Ｐは増加し、迎角αが減少するにつれて全押上げ力Ｐは減少する。
【００６７】
また上述した実施形態と同様に、集電舟体５２の押付け力ＦPは５．５ｋｇｆであり、全押上げ力Ｐの許容範囲は２ｋｇｆ≦Ｐ≦１５．５ｋｇｆとされる。したがって空気流による押上げ力ＦYの上限値ＦYmaxは１０ｋｇｆとなり、下限値ＦYminは−３．５ｋｇｆとなる。空気流の速度Ｖは、近似的に集電舟体５２を有する車両の速度とすることができる。空気流の速度Ｖが０であるとき、集電舟体５２における空気流による押上げ力ＦYは０であり、全押上げ力Ｐは押付け力ＦPとなる。
【００６８】
集電舟体５２において、空気流が作用するとき上向きの揚力が働くので、正の押上げ力Ｆvが働く。これによって集電舟体５２に迎角が０である進行方向８に平行な空気流が作用するとき、空気流の速度Ｖが大きくなるとともに空気流による押上げ力Ｆvは大きくなり、たとえば点Ｑ３で示すように空気流の速度ＶがＶ２＝１００ｍ／ｓであるときの押上げ力ＦVは３ｋｇｆとなる。また集電舟体５２はキャンバΔＧを有するので、押上げ力ＦVは、集電舟体５２に迎角βを有する速度Ｖ２の空気流が作用したときと同様の押上げ力となる。したがって、点Ｑ４で示すように、空気流の速度がＶ２であるとき、集電舟体５２において押上げ力ＦYが０となる場合の迎角α１はほぼ−β°となる。この押上げ力ＦVの値はキャンバΔＧの値によって任意に設定することができる。
【００６９】
空気流の迎角αが正の値であるとき、空気流の速度Ｖの増加につれて押上げ力ＦYが大きくなり、集電舟体５２の全押上げ力Ｐが増加する。このような集電舟体５２の特性は、実線６０で表される面のうち、仰角αが正の値であるときの斜線で表される部分の面Ｓ３によって示される。たとえば面Ｓ３における点Ｑ５で示すように、迎角αが３°である空気流が集電舟体５２に作用したとき、空気流の速度がＶ２＝１００ｍ／ｓであれば、空気流による押上げ力ＦY３は５．５ｋｇｆとなり、全押上げ力Ｐ３＝ＦP＋ＦY３＋Ｆvは１４ｋｇｆとなる。このとき全押上げ力Ｐ３は許容範囲内であり、集電舟体５２は正常に架線から電力を取込むことができる。
【００７０】
空気流の迎角αが負の値であるとき、空気流の速度Ｖの増加につれて押上げ力ＦYが小さくなり、集電舟体５２の全押上げ力Ｐは減少する。このような集電舟体５２の特性は、仰角αの値が負であるときの斜線で表される部分の面Ｓ４によって示される。たとえば面Ｓ４における点Ｑ６で示すように、迎角αが−３°である空気流が集電舟体５２に作用したとき、空気流の速度ＶがＶ２＝１００ｍ／ｓであれば、空気流による押上げ力ＦY４は−５．５ｋｇｆとなり、全押上げ力Ｐ４＝ＦP＋ＦY４＋Ｆvは３ｋｇｆとなる。このとき、全押上げ力Ｐ４は許容範囲内であり、集電舟体５２は正常に架線から電力を取込むことができる。
【００７１】
このように集電舟体５２は、先端部２８を含む仮想平面５６が、舟体本体４の下面と摺板６の上面との中央位置５８より下方にΔＧの距離に位置しているので、集電舟体５２に空気流が作用するとき、集電舟体５２には上向きの揚力が働き正の押上げ力をＦvを得ることができる。これによって図１０に示すように、空気流の仰角αが±３°の範囲であり、かつ空気流の速度Ｖが０ｍ／ｓ≦Ｖ≦１００ｍ／ｓの範囲であるとき、集電舟体２に働く全押上げ力Ｐを許容範囲内にすることができる。したがって、集電舟体５２におけるキャンバΔＧの値を適切に設定することにいよって、集電舟体２に働く全押上げ力Ｐを任意の範囲内にすることができる。
【００７２】
この実施の形態においては、先端部２８を含む仮想平面５６は、舟体本体４の下面と摺板６の上面との中央位置５８より下方になるように位置しているが、仮想平面５６を中央位置５８より上方になるように位置させることもでき、このときキャンバΔＧの値は負となる。この場合、空気流が作用したとき、集電舟体５２の下面側の空気流の速度は、上面側の空気流の速度より大きくなり、下面側の圧力が上面側より小さくなる。したがって集電舟体５２には架線から離反する方向に下向きの揚力が働き、仰角αの値に関係なく、空気流の速度Ｖに応じた負の押上げ力Ｆvが得られる。したがってこのような特性を利用して、全押上げ力Ｐを任意の範囲内に設定することができる。
【００７３】
またこの実施の形態においては、集電舟体５２は空気流による押上げ力ＦYが迎角αの増加に対して増加する特性を有するように舟体本体４の寸法比ｎが設定されているが、実施のさらに他の形態として、集電舟体は押上げ力ＦYが迎角αの増加に対して減少する特性を有するように舟体本体４の寸法比ｎが設定されていてもよい。この場合、迎角αが増加するにつれて集電舟体５２の全押上げ力Ｐが減少し、迎角αが減少するにつれて全押上げ力Ｐが増加する。このような集電舟体の空気流に対する特性は、図８において破線３６で表された面Ｓ５に類似して示される。したがってこのような特性を考慮して、集電舟体のキャンバΔＧの値を設定することによって、集電舟体に働く空気流による押上げ力ＦYを調整し、全押上げ力Ｐを任意の範囲内に設定することができる。
【００７４】
図１１は本発明の実施のさらに他の形態である集電舟体１０２の一部を示す断面図であり、進行方向８に平行な幅方向における一側部のみを示す。この実施の形態は上述した実施の形態に類似しており、対応する部分には同一の参照符を付し、異なる構成についてだけ説明し、同様の構成については説明を省略する。
【００７５】
集電舟体１０２において、舟体本体４の進行方向８に対して垂直な各面には各縁体１４がそれぞれ設けられている。進行方向８に臨む側、すなわち図１１において左側に設けられた一方の各縁体１４の先端部１０４の外表面は、進行方向８に平行であり、進行方向８に臨む側となる舟体本体４の幅方向一方に凸となる丸みを有しており、すなわち先端部１０４はＲ付けされている。このような先端部１０４のＲは、たとえば５〜６ｍｍ程度に選ばれる。図１１においては一方の縁体１４のみが示されているが、進行方向８と逆方向に臨む側、すなわち図１１において右側に設けられた他方の縁体１４においても同様に、先端部１０４の外表面は、進行方向８と逆方向に臨む側となる前記幅方向他方に凸となる丸みを有している。このような縁体１４を有する集電舟体１０２は、揚力傾斜が低くでき、低騒音化を図ることができる。揚力傾斜が低くできるということは、すなわち集電舟体１０２に作用する空気流による押上げ力Ｆyを小さくすることができる。
【００７６】
図１２は、本発明に従う集電舟体において、集電舟体に作用する空気流の速度Ｖを６０ｍ／ｓとして風洞試験を行ったときに得られた迎角αと押上げ力ＦYとの関係の一例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ＦYを示す。図１２に示すように、迎角αを有する空気流が作用したときの集電舟体の押上げ力ＦYは、迎角αの値が−１°において最も低い−１．２５ｋｇｆの値をとり、迎角αが−１°から増加し、または減少するにつれて押上げ力ＦYは増加する。また図１２に示す仰角が±３°以内の範囲においては、押上げ力ＦYは上限値ＦYmax＝１０ｋｇｆと下限値ＦYmin＝−３．５ｋｇｆとの間となるので、全押上げ力Ｐは２ｋｇｆ≦Ｐ≦１５．５ｋｇｆである許容範囲内となる。したがってこのような押上げ力特性を有する集電舟体は、適当な力で押上げられて架線と接触することによって、正常に電力を取込むことができる。
【００７７】
図１２に示すような特性を有する集電舟体は、たとえば集電舟体に作用する空気流の空気の密度ρが０．１２５ｋｇｆ・ｓ2／ｍ4、舟体本体の進行方向および長手方向に平行な面積Ａが０．０８ｍ2であるとき、舟体本体の長方形断面形状の縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎがｎ＝２．５、キャンバΔＧと縦寸法ｈとの比ｍがｍ＝１／３に設定されることによって得ることができる。
【００７８】
上述した種々の実施の形態において、集電舟体は進行方向８に対して前後に対称な形状を有している。したがってこれらの集電舟体を備えるパンタグラフは、双方向性パンタグラフとして機能することができる。電気鉄道車両である車両に集電装置としてこのようなパンタグラフを設けることによって、車両が上り線または下り線のどちらを走行する場合においても、集電舟体は適切な押上げ力で架線と接触し、パンタグラフは正常に電力を取込むことができる。
【００７９】
また上述した種々の実施形態においては、摺板が舟体本体の上面に固定されて設けられているが、これに代えて、摺板がばねなどによって三次元系の変位が許容された状態で支持される構成としてもよい。この場合、上述の支持状態を配慮した上で集電舟体の形状が設定される。
【００８０】
【発明の効果】
請求項１の本発明によれば、舟体本体の長手方向に垂直な断面形状は長方形であり、前記断面形状の縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈは２．２以上でかつ２．７以下の範囲内の値に設定されている。このような寸法比ｎが２．２以上でかつ２．７以下の範囲内である舟体本体を備える集電舟体は、迎角を有する空気流が集電舟体に作用する場合において、集電舟体に作用する空気流による押上げ力の絶対値が小さくなり、押上げ力の影響を小さくすることができる。逆に寸法比ｎが２．２未満または２．７を超える場合、集電舟体における空気流による押上げ力ＦYの影響が大きくなる。したがって、寸法比ｎが２．２以上でかつ２．７以下の範囲内である集電舟体を車両のパンタグラフに用いることによって、車両のパンタグラフ付近の空気流が複雑な流れとなる場合においても、集電舟体は適切な力で架線に接触し、パンタグラフは集電舟体を介して所要の通りに電力を取込むことができる。
さらに舟体本体は、進行方向であり、かつ幅方向の両側面が、各角部において露出している。つまり舟体本体の各角部がそれぞれ露出し、各角部に幅方向の両側面から成る平坦面が形成される。これによって舟体本体の前記断面形状が、前記範囲内の寸法比ｎを有する長方形状であることによる効果、具体的には、集電舟体における揚力特性の変化による押上げ力の変化を阻止するという効果を、確実に達成することができる。
【００８１】
また請求項２の本発明によれば、集電舟体の舟体本体の幅方向両側部には、進行方向に先細状に突出する縁体がそれぞれ設けられている。このような縁体が設けられた集電舟体に空気流が作用するとき、空気流が一方の縁体によって上下にかきわけられて、滑らかに案内されるとともに、他方の縁体によって円滑に合流され、集電舟体まわりの空気流の乱れが少なくなる。これによって空気流の乱れに伴う空力騒音の発生を低減することができる。このような縁体が設けられた集電舟体を車両のパンタグラフに用いることによって、車両が走行する際に集電舟体における空力騒音の発生が低減される。
【００８２】
また各縁体は舟体本体の高さ方向両端部間の中間部にそれぞれ設けられているので、長手方向に垂直な断面形状が長方形である舟体本体の各角部分がそれぞれ露出し、すなわち縁体の上下には、舟体本体の進行方向に垂直な幅方向の両側面から成る平坦面が形成される。これによって舟体本体に縁体を設けた場合においても、舟体本体の前記断面形状が所定の長方形状であることによる集電舟体における揚力特性が変化し、集電舟体に働く押上げ力が変化することが阻止される。したがって集電舟体において、集電舟体に働く空気流による押上げ力を少なくするとともに、空力騒音を低減することができる。
【００８３】
また請求項３の本発明によれば、縁体は略三角柱状であるので、このような縁体が集電舟体の幅方向両側部にそれぞれ設けられることによって、集電舟体は略流線形となる。このような集電舟体に空気流が作用するとき、集電舟体周りの空気流の乱れが小さくなり、この空気流の乱れに伴う空力騒音の発生を低減することができる。
【００８４】
また請求項４の本発明によれば、縁体の先端部の外表面は、丸みを有しているので、集電舟体の揚力傾斜が低くでき、低騒音化を図ることができる。
【００８５】
また請求項５の本発明によれば、集電舟体に設けられた縁体には複数の凹所が形成されている。空気流が集電舟体に作用するとき、集電舟体に沿って流れる空気にカルマン渦が生じる。集電舟体の断面形状が長手方向に一様であると、カルマン渦の発生も一様となり、特定の周波数の成分が強調されてエオルス音という空力騒音が発生しやすい。したがって縁体に複数の凹所が形成されることによって、集電舟体の長手方向に一様なカルマン渦が発生することが抑制され、空力騒音を低減することができる。
【００８６】
また請求項６の本発明によれば、各縁体の先端部を含む仮想平面は、舟体本体の下面と摺板の上面との中央位置よりも下方に位置する。このような集電舟体に空気流が作用したとき、集電舟体の上面側の空気流の速度は、下面側の空気流の速度より大きくなり、上面側の圧力が下面側より小さくなるので、空気流がどのような仰角を有していても集電舟体には上向きの揚力が生じる。言い換えると、空気流が作用したとき、集電舟体は、空気流の仰角に関係なく、空気流の押上げ力に応じた正の押上げ力を得ることができる。したがって、集電舟体における前記仮想平面の位置を適切に設定することによって、架線に対する集電舟体の全押上げ力を任意の範囲内に設定することができる。
【００８７】
また請求項７の本発明によれば、各縁体の先端部を含む仮想平面は、舟体本体の下面と摺板の上面との中央位置よりも上方に位置する。このような集電舟体に空気流が作用するとき、集電舟体の下面側の空気流の速度は上面側の空気流の速度より大きくなり、下面側の圧力が上面側より小さくなるので、空気流がどのような仰角を有していても集電舟体には下向きの揚力が生じる。言い換えると、空気流が作用するとき、集電舟体は、空気流の仰角に関係なく、空気流の速度に応じた負の押上げ力を得ることができる。したがって、集電舟体における前記仮想平面の位置を適切に設定することによって、架線に対する集電舟体の全押上げ力を任意の範囲内に設定することができる。
【００８８】
さらに請求項８の本発明によれば、摺板の進行方向と平行な幅方向寸法は、舟体本体の横寸法ｄより小さく設定され、幅方向両側の表面は、幅方向に対して垂直に形成され、または舟体本体から離反するにつれて幅方向内方に向かうように、幅方向に対して４５°以上９０°未満の角度をなして傾斜して形成される。このように摺板は形成されているので、摺板を集電舟体に設けることによって集電舟体の揚力特性が変化することが少ない。したがって舟体本体を所定の長方形断面形状とすることによって、集電舟体に働く押上げ力の絶対値を小さくする効果に影響を及ぼすことが少なく、摺板を舟体本体に設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う実施の一形態である集電舟体２を示す斜視図である。
【図２】集電舟体２を示す平面図である。
【図３】図２における切断面線ＩＩＩ−ＩＩＩ線から見た集電舟体２の断面図である。
【図４】集電舟体２に空気流が作用することによって集電舟体２に働く力を、集電舟体２の長手方向に対して垂直な断面において示す図である。
【図５】縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈが２である舟体本体４において、空気流の迎角αと押上げ力係数ＣYとの関係を示すグラフである。
【図６】縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈが４である舟体本体４において、空気流の迎角αと押上げ力係数ＣYとの関係を示すグラフである。
【図７】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ＣYの関係を示すグラフである。
【図８】集電舟体２に空気流が作用したときの空気流の迎角αと、空気流の速度Ｖと、集電舟体２に働く全押上げ力Ｐとの関係を示すグラフである。
【図９】本発明に従う実施のさらに他の形態である集電舟体５２を示す断面図である。
【図１０】集電舟体５２に空気流が作用したときの空気流の迎角αと、空気流の速度Ｖと、集電舟体５２に働く全押上げ力Ｐとの関係を示すグラフである。
【図１１】本発明に従う実施のさらに他の形態である集電舟体１０２の一部を示す断面図である。
【図１２】本発明に従う集電舟体において迎角αと押上げ力ＦYとの関係の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
２，５２，１０２ 集電舟体
４ 舟体本体
６ 摺板
８ 進行方向
１０ ホーン
１２ 空気流の方向
１４ 縁体
１８ 凹所
ＦY 押上げ力
ｄ 横寸法
ｈ 縦寸法
ｗ 長さ寸法
Claims (8)
- 進行方向に対して垂直で水平方向へ延びる舟体本体であって、
長手方向に垂直な断面の形状が、進行方向に垂直な高さ方向の縦寸法をｈとしかつ進行方向に平行な幅方向の横寸法をｄとする長方形状であり、
幅方向の両側面が、長手方向に垂直な断面における長方形の各角部で露出し、
縦寸法ｈと横寸法ｄとの比ｎ＝ｄ／ｈが２．２以上でかつ２．７以下の範囲内の値に設定される舟体本体を備えることを特徴とする集電舟体。 - 舟体本体の幅方向両側部には、舟体本体の長手方向に延びる縁体がそれぞれ設けられ、各縁体は、舟体本体の高さ方向両端部間の中間部から先細状に突出することを特徴とする請求項１記載の集電舟体。
- 縁体は、略三角柱状であり、その軸線に平行な一側部で、舟体本体の幅方向両側部に固定されることを特徴とする請求項２記載の集電舟体。
- 縁体の先端部の外表面は、前記幅方向に凸となる丸みを有していることを特徴とする請求項２または３記載の集電舟体。
- 縁体は、先端部よりの部分に、縁体の長手方向に複数の凹所が形成されることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の集電舟体。
- 舟体本体の上部に設けられ、架線に接触される摺板を有し、
各縁体の先端部を含む仮想平面は、舟体本体の下面と摺板の上面との中央位置よりも下方に位置することを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の集電舟体。 - 舟体本体の上部に設けられ、架線に接触される摺板を有し、
各縁体の先端部を含む仮想平面は、舟体本体の下面と摺板の上面との中央位置よりも上方に位置することを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の集電舟体。 - 舟体本体の上部に設けられ、架線に接触される摺板を有し、
摺板の進行方向と平行な幅方向寸法は、舟体本体の横寸法ｄより小さく設定され、幅方向両側の表面は、幅方向に対して垂直に形成され、または舟体本体から離反するにつれて幅方向内方に向かうように、幅方向に対して４５°以上９０°未満の角度をなして傾斜して形成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の集電舟体。
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