JP4300122B2 - 鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両に関し、詳しくは、曲線軌道における高速走行を実現させる鉄道車両に関する。

鉄道車両の曲線軌道走行時においては、車体を曲線軌道の外側（曲率中心と反対側）に移動させようとする力（遠心力）が作用するため、車体に左右方向の加速度が発生する。このような左右方向の加速度は、鉄道車両の曲線走行速度の増分の自乗に比例して増大するため、曲線走行速度の上昇に伴って乗客の体感遠心力が増大し、乗り心地が低下してしまうという問題がある。

かかる問題を解決するために、鉄道車両を構成する台車に対して車体を振子のように内側に傾斜させることにより、車体に発生する左右方向の加速度を打ち消す技術（以下、「自然振子機構」という）が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、近年においては、車体の床面に平行な加速度を検出し、検出された加速度が零になるような車体の傾斜角を算出し、算出された傾斜角を実現させるように空気ばね等を用いて車体を強制的に傾斜させる技術（以下、「強制傾斜機構」という）も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特許第３１９４９８１号公報（第２頁、第８図） 特許第２９４８８０６号公報（第３頁、第２図）

ところで、特許文献１に記載の自然振子機構を採用して車体を大きく傾斜させるためには、車体の重心位置を下げる必要がある。しかし、車体の重心位置を下げることにより車体が大きく傾斜するような構造を採用すると、乗客の体感遠心力は低減するものの乗客の頭部が大きく左右に振られることとなり、却って乗り心地が低下する場合がある。

また、特許文献１に記載の自然振子機構を採用すると、鉄道車両の曲線走行速度を上昇させながら乗客の体感遠心力を低減させることが可能となる。しかし、この自然振子機構を採用しても、車体全体に作用する遠心力を低減させることはできないため、鉄道車両の曲線走行速度が上昇するほど内軌側の輪重抜けが大きくなる。このため、高速走行時における脱輪の可能性が高く、安全性に問題があった。

また、特許文献１に記載の自然振子機構を採用して車体を大きく傾斜させた場合には、曲線軌道走行時に車体下部の左右部分が外方に過剰に突出して、軌道外部に設けられた設備に接触するおそれがある。このような事態を未然に防ぐ目的で車体下部の左右部分を削ると、車内空間が狭小化してしまうという問題がある。

また、特許文献２に記載の強制傾斜機構を採用すると、理論的には、鉄道車両の曲線走行速度の上昇と、乗客の体感遠心力の低減による乗り心地の向上と、の双方を実現させることが可能となる。しかし、既存の空気ばねによる車体の傾斜角は約３°が限度であるため、現実的には、車体の床面に平行な加速度が零になるような傾斜角を実現させることは困難であった。

本発明の課題は、鉄道車両において、自然振子機構及び空気ばねの利点を生かしながら各々の問題点を相互に補完することにより、曲線軌道における高速走行を実現させるとともに、曲線軌道走行時の乗り心地を向上させることである。

以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
台車と、この台車の上方に配置された車体と、を有する鉄道車両において、
曲線軌道走行時に前記車体の重心に作用する遠心力を利用して、所定の振子回転中心を中心とした前記車体の左右における自然振子運動を実現させる自然振子機構と、
前記車体を左右に強制的に傾斜させる空気ばね式の強制傾斜手段を備え、
前記強制傾斜手段及び前記自然振子機構による複合的な車体傾斜機能により、曲線軌道走行時に前記車体に発生する左右方向の加速度を打ち消して曲線走行速度を増大させる鉄道車両であって、
前記自然振子機構による前記車体の左右の傾斜角は、傾斜角センサにより特定有限値に達したことが検出されると、その検出信号を受けてエアシリンダ装置を駆動することにより自然振子運動を停止させる制御を行う制御装置を有する自然傾斜角制限手段を備え、
当該自然傾斜角制限手段により、前記自然振子運動を停止させる制御が行われた後に、前記制御装置は電磁弁を駆動して空気ばねに圧縮空気を供給することにより車体を強制的に傾斜させることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、自然振子機構により、曲線軌道走行時に車体の重心に作用する遠心力を利用して、所定の振子回転中心を中心とした車体の自然振子運動を実現させることができる。また、空気ばね式の強制傾斜手段により、車体を左右に強制的に傾斜させることができる。

従って、自然振子機構により、比較的大きく（例えば約５°〜約８°）車体を傾斜させることができるので、空気ばね式の強制傾斜手段による比較的小さい傾斜角（約１°〜約３°）を補うことができる。一方、空気ばね式の強制傾斜手段により車体を傾斜させることができるので、自然振子機構のみを用いて大きい傾斜角を得る場合の問題点（すなわち、車体の重心位置が下がることにより乗客の頭部が大きく左右に振られること及び内軌側の輪重抜け）を解決することができる。

このような自然振子機構及び強制傾斜手段による複合的・相互補完的な車体傾斜機能により、曲線軌道走行時に車体に発生する左右方向の加速度をきわめて効果的に打ち消すことができ、曲線走行速度の増大に伴う乗客の体感遠心力の増大を抑制することができ、乗り心地を格段に向上させることができる。換言すれば、従来と同様の乗り心地を堅持しながら、曲線走行速度を増大させることができる。

さらに、請求項１に記載の発明によれば、自然振子機構による車体の左右の傾斜角を特定有限値以下に制限する自然傾斜角制限手段を備えるので、車体全体に作用する遠心力を抑制して脱輪を阻止することができる。従って、高速走行時における安全性を向上させることができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、自然傾斜角制限手段により、曲線軌道走行時における車体の左右の傾斜角が制限されるので、曲線軌道走行時に車体下部の左右部分が外方へ過剰に突出することがない。従って、車体下部の左右部分を削る必要がないので、広い車内空間を確保することができる。

本発明によれば、自然振子機構による車体傾斜機能と、空気ばね式の強制傾斜手段による車体傾斜機能と、の相乗効果により、曲線軌道における高速走行を実現させるとともに、曲線軌道走行時の乗り心地を格段に向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。

まず、図１を用いて、本実施の形態に係る鉄道車両１の構成について説明する。本実施の形態に係る鉄道車両１は、曲線軌道上を高速走行するように構成されたものである。

本実施の形態に係る鉄道車両１は、図１（ａ）に示すように、台車２、この台車２の下部にばね３を介して設けられた車軸４、この車軸４に取り付けられ曲線軌道を構成するレールＲ上を走行する左右一対の車輪５、台車２の上面に設けられた左右一対のブラケット６、各ブラケット６に支軸を介して回転自在に設けられたローラ７、ローラ７の上方に配置された振子梁８、振子梁８の上面に設けられた左右一対の空気ばね９、これら空気ばね９の上方に設けられた車体１０、台車２と振子梁８とを連結するエアシリンダ装置１１、空気ばね９に対する圧縮空気の供給・排出のタイミング調整やエアシリンダ装置１１の制御を行う図示されていない制御装置、等を備えて構成されている。

振子梁８は、図１に示すように、下方に凸の円弧部８ａを有しており、この円弧部８ａがローラ７に接触して左右方向へ移動するように構成されている。このため、振子梁８と、この振子梁８の上方に設けられた空気ばね９及び車体１０は、鉄道車両１が曲線軌道を走行する際に、車体１０の重心Ｇに作用する遠心力により、図１（ｂ）に示すように振子回転中心Ｃを中心とした左右方向への自然振子運動を行う。すなわち、ローラ７及び振子梁８は、本発明における自然振子機構を構成する。

空気ばね９は、図示されていない電磁弁を介して空気タンクに接続されている。前記した制御装置により電磁弁が開閉駆動されることにより、空気ばね９への圧縮空気の供給と、空気ばね９からの圧縮空気の排出と、が行われる。この結果、図１（ｃ）に示すように空気ばね９の上下方向の寸法が変更されることにより、車体１０が左右に強制的に傾斜することとなる。すなわち、空気ばね９及び電磁弁は、本発明における強制傾斜手段である。なお、本実施の形態に係る空気ばね９は、車体１０を左側又は右側に最大約３°傾斜させることができるように構成されている。

エアシリンダ装置１１は、制御装置により駆動制御されることにより、自然振子機構を構成する振子梁８の左右方向の移動範囲を制限するものである。振子梁８の自然振子運動により車体１０が左側又は右側に傾斜するが、制御装置がこのエアシリンダ装置１１を駆動することにより振子梁８の左右方向の移動範囲が制限されるため、車体１０の傾斜角が特定有限値に制限されることとなる。すなわち、エアシリンダ装置１１及び制御装置は、本発明における自然傾斜角制限手段である。本実施の形態においては、自然振子機構による車体１０の傾斜角の上限（特定有限値）を約８°に設定している。

制御装置は、各種制御プログラムや制御データを記憶したメモリやＣＰＵ（Central Processing Unit）等から構成されている。図示されていない傾斜角センサにより、自然振子機構による車体１０の傾斜角が約８°に達したことが検出されると、制御装置は、その検出信号を受けてエアシリンダ装置１１を駆動して自然振子運動を停止させる。その後、制御装置は、電磁弁を駆動して空気ばね９に圧縮空気を供給することにより、車体１０を強制的に傾斜させる。

次に、図１〜図３を用いて、本実施の形態に係る鉄道車両１の曲線軌道走行中における複合車体傾斜動作について説明する。

まず、曲線軌道を有する所定の軌道上に鉄道車両１を配置し、この軌道上を所定の速度で走行させる。鉄道車両１が曲線軌道（図１（ａ）参照）上に入ると、曲線軌道外方（図１における右方向）への遠心力が車体１０の重心Ｇに作用する。すると、この遠心力により、鉄道車両１の振子梁８はローラ７上を右方向へ移動するため、振子梁８の上方に設けられた空気ばね９及び車体１０は、振子梁８と一体となって右方向へ移動した結果、車体１０が内側に傾斜する（図１（ｂ）参照）。

車体１０の傾斜角が約８°に達したことが傾斜角センサにより検出されると、鉄道車両１の制御装置は、エアシリンダ装置１１を駆動して自然振子運動を停止させる。そして、電磁弁を駆動して空気ばね９に圧縮空気を供給することにより、車体１０を強制的にさらに約１°〜約３°傾斜させる（図１（ｃ）参照）。すなわち、自然振子機構（ローラ７及び振子梁８）と強制傾斜手段（空気ばね９及び電磁弁）とによる複合的な車体傾斜動作により、車体１０の傾斜角は約９°〜約１１°となる。

なお、自然振子機構のみを用いて車体１０を約９°〜約１１°傾斜させる場合には、重心Ｇは、図２に示すように位置Ｇ₀から振子回転中心Ｃを中心に約９°〜約１１°回動して位置Ｇ₁へと移動する。この際、振子回転中心Ｃと重心Ｇとを結ぶ直線は、図２に示すように位置Ｌ₀から位置Ｌ₁へと移動する。

これに対して、本実施の形態に係る鉄道車両１のように、自然振子機構を用いて車体１０を約８°傾斜させた後に空気ばね９を用いて車体１０を約１°〜約３°傾斜させる場合には、重心Ｇは、図２に示すように位置Ｇ₀から位置Ｇ₂へと移動する。また、振子回転中心Ｃと重心Ｇとを含む直線は、図２に示すように位置Ｌ₀から位置Ｌ₂へと移動する。

従って、本実施の形態に係る鉄道車両１のような複合的な車体傾斜方式を採用すると、自然振子機構のみを用いて車体１０を約９°〜約１１°傾斜させる場合と比較して重心Ｇの移動が少なくなる。かかる事実は、乗客が体感する揺れが少なくなることを意味する。

以上説明した実施の形態に係る鉄道車両１においては、自然振子機構（ローラ７及び振子梁８）により、曲線軌道走行時に車体１０の重心Ｇに作用する遠心力を利用して、所定の振子回転中心Ｃを中心とした車体１０の自然振子運動を実現させることができる。また、空気ばね９を用いた強制傾斜手段により、車体１０を左右に強制的に傾斜させることができる。

従って、自然振子機構により、比較的大きく車体１０を傾斜させることができるので、空気ばね９を用いた強制傾斜手段による比較的小さい傾斜角（約１°〜約３°）を補うことができる。一方、空気ばね９を用いた強制傾斜手段により車体１０を傾斜させることができるので、自然振子機構のみを用いて大きい傾斜角を得る場合の問題点（すなわち、車体１０の重心Ｇの位置が下がることにより乗客の頭部が大きく左右に振られること及び内軌側の輪重抜け）を解決することができる。

このような自然振子機構及び強制傾斜手段による複合的・相互補完的な車体傾斜機能により、曲線軌道走行時に車体１０に発生する左右方向の加速度をきわめて効果的に打ち消すことができ、曲線走行速度の増大に伴う乗客の体感遠心力の増大を抑制することができ、乗り心地を格段に向上させることができる。換言すれば、従来と同様の乗り心地を堅持しながら、曲線走行速度を増大させることができる。

また、以上説明した実施の形態に係る鉄道車両１においては、自然振子機構（ローラ７及び振子梁８）による車体１０の左右の傾斜角を特定有限値（約８°）以下に制限する自然傾斜角制限手段（エアシリンダ装置１１及び制御装置）を備えるので、車体１０全体に作用する遠心力を抑制して脱輪を阻止することができる。従って、高速走行時における安全性を向上させることができる。

また、自然振子機構のみを搭載した従来の鉄道車両１００（図３参照）において、車体１１０を大きく（例えば約９〜約１１°）傾斜させると、曲線軌道走行時に、車体１１０の下部の左右部分１１１や振子梁の端部１２１が外方に過剰に突出して、軌道外部に設けられた設備に接触するおそれがある。そして、このような事態を未然に防ぐ目的で車体１１０下部の左右部分１１１を削ると、車内空間が狭小化してしまう。

これに対して、以上説明した実施の形態に係る鉄道車両１においては、自然傾斜角制限手段（エアシリンダ装置１１及び制御装置）により、曲線軌道走行時における車体１０の左右の傾斜角が制限されるので、曲線軌道走行時に車体１０の下部の左右部分が外方へ過剰に突出することがない（図３参照）。従って、車体１０の下部の左右部分１１を削る必要がないので、広い車内空間を確保することができる。

なお、以上の実施の形態においては、ローラ７及び振子梁８から構成される自然振子機構を採用したが、自然振子機構の構成はこれに限定されるものではない。すなわち、曲線軌道走行時に車体１０の重心Ｇに作用する遠心力より、車体１０を左右方向に傾斜させるような構成であれば、いかなる構成を採用してもよい。

また、以上の実施の形態においては、エアシリンダ装置１１及び制御装置から構成される自然傾斜角制御手段を採用したが、自然傾斜角制御手段の構成はこれに限定されるものではない。すなわち、自然振子機構による車体１０の傾斜角を特定有限値に制限するような構成であれば、いかなる構成を採用してもよい。

また、以上の実施の形態においては、自然傾斜角制御手段により、自然振子機構による車体１０の傾斜角の上限（特定有限値）を「約８°」に設定した例を示したが、この特定有限値は、鉄道車両１の種類や規模、鉄道車両１から曲線軌道の外側に設置される設備までの距離、振子梁８の構成、空気ばね９の特性、等に応じて適宜変更することができる。

また、以上の実施の形態においては、傾斜角センサを設けて自然振子機構による車体１０の傾斜角を検出し、この傾斜角が特定有限値（約８°）に達した場合に自然振子運動を停止させるとともに空気ばね９に圧縮空気を供給して強制傾斜手段による車体傾斜を行う制御方式を適用しているが、自然振子機構及び強制傾斜手段の制御方式はこれに限られるものではない。例えば、曲線軌道に係る情報を制御装置のメモリに予め記憶させておき、走行中にその情報を読み出して、自然振子運動の停止時期や強制傾斜手段の駆動時期を決定することもできる。

（ａ）は曲線軌道上で車体を傾斜させていない状態の鉄道車両を示す正面図、（ｂ）は（ａ）の状態から自然振子機構により車体を約８°傾斜させた状態の鉄道車両を示す正面図、（ｃ）は（ｂ）の状態から強制傾斜手段により車体をさらに約１°〜約３°傾斜させた状態の鉄道車両を示す正面図である。 自然振子機構のみによる車体傾斜を行った場合の重心位置と、自然振子機構及び強制傾斜手段による複合的な車体傾斜を行った場合の重心位置と、を比較するための説明図である。 自然振子機構のみによる車体傾斜を行った状態の鉄道車両の姿勢と、自然振子機構及び強制傾斜手段による複合的な車体傾斜を行った状態の鉄道車両の姿勢と、を比較するための説明図である。

符号の説明

１ 鉄道車両
２ 台車
７ ローラ（自然振子機構）
８ 振子梁（自然振子機構）
９ 空気ばね（強制傾斜手段）
１０ 車体
１１ エアシリンダ装置（自然傾斜角制限手段）
Ｃ 振子回転中心
Ｇ 重心

Claims (1)

1. 台車と、この台車の上方に配置された車体と、を有する鉄道車両において、
   曲線軌道走行時に前記車体の重心に作用する遠心力を利用して、所定の振子回転中心を中心とした前記車体の左右における自然振子運動を実現させる自然振子機構と、
   前記車体を左右に強制的に傾斜させる空気ばね式の強制傾斜手段とを備え、
   前記強制傾斜手段及び前記自然振子機構による複合的な車体傾斜機能により、曲線軌道走行時に前記車体に発生する左右方向の加速度を打ち消して曲線走行速度を増大させる鉄道車両であって、
   前記自然振子機構による前記車体の左右の傾斜角は、傾斜角センサにより特定有限値に達したことが検出されると、その検出信号を受けてエアシリンダ装置を駆動することにより自然振子運動を停止させる制御を行う制御装置を有する自然傾斜角制限手段を備え、
   当該自然傾斜角制限手段により、前記自然振子運動を停止させる制御が行われた後に、前記制御装置は電磁弁を駆動して空気ばねに圧縮空気を供給することにより車体を強制的に傾斜させることを特徴とする鉄道車両。

Images