JP4392511B2 - 鉄道車両用空気ばね高さ調整機構及び空気ばね高さ調整機構の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両用空気ばねの高さ調整機構及びこの高さ調整機構を制御する方法に関するものである。

鉄道車両では、図１０に示すように、車体１と台車２間に介在させた空気ばね３毎に高さ調整弁４が設置されている。この高さ調整弁４は、例えば車体１に設置され、その作動軸４ａに一端を取り付けたレバー５の他端を、一端を台車２に揺動が自在なように取り付けた連結棒６の他端に枢支した構成である。
特公昭５７−５３２２６号公報

このような高さ調整弁４では、レバー５が水平位置にあるときは空気ばね３の内圧が均衡しているものと判断して空気ばね３に対して給排気は行われない。一方、例えばレバー５が図１０において右下がりに傾斜して空気ばね３部における車体１と台車２の間隔が狭くなると、空気ダメ７から配管８を介して空気ばね３に給気されて内圧が高められ、前記車体１と台車２の間隔を元に戻す。

このように、鉄道車両では、高さ調整弁４の機能により、負荷の変動に応じて空気ダメ７から空気ばね３への空気の供給や、空気ばね３内の空気の外部への排出を行うことで、車両の高さが一定となるように、車高の調整を行っている。

ところで、高速走行を可能とするために、曲線部にはカントがつけられているが、その関係で、曲線出入口部の緩和曲線部では、カントが徐々に変化している。従って、この緩和曲線部においては、車体は前後の台車によって捩じられ、車体の進行方向左右では車体と台車の間隔が異なることになる。

このような緩和曲線部では、前記高さ調整弁が作動し、車体と台車の間隔が大きくなった方の空気ばねからは空気が排出される一方、前記間隔が小さくなった方の空気ばねには空気が供給される。

空気が排出された場合、従来の高さ調整弁を設置した車両では、当該空気ばね部の車輪が軌道に及ぼす輪重が減少して、輪重にアンバランスが生じて走行安全性が低下する場合がある。

図１１は、入口と出口の緩和曲線長が６０ｍ、円曲線長が１８０ｍ、カントが６０ｍｍ、走行速度が１５ｋｍ／ｈの場合の、第１台車の輪重変動率を示したものである。
図１１中の太い実線は、車両進行方向前方に位置する第１軸の外軌側、太い破線は、第１軸の内軌側、細い実線は、車両進行方向後方に位置する第２軸の外軌側、細い破線は、第２軸の内軌側を示すが、この図１１の例では、出口緩和曲線の走行時、第１台車における進行方向前方の第１軸の外軌側（図１１に矢印ａで示す）の車輪に輪重抜けが発生している。

本発明が解決しようとする問題点は、従来の高さ調整弁を設置した車両では、カント逓減区間である緩和曲線部において輪重にアンバランスが生じ、走行安全性が低下する場合があるという点である。

現在採用されている高さ調整弁は、作動軸の回転角度に応じて空気ばねへの給排気流量が増減されるものの、車体と台車間のストッパ隙間に対応する通常走行変位範囲を超えた場合は、図１２（ａ）（ｂ）に示すように、高さ調整弁によって排気特性は相違するものの、大流量の給排気が必要な場合でも、作動軸の回転角度に応じて空気ばねへの給排気流量を増減することができず、輪重変動の低減に限度がある。

そこで、本発明に係る鉄道車両用空気ばね高さ調整機構は、
カント逓減区間である緩和曲線部において、通常走行変位範囲を超えた大流量の給排気が必要な時に、必要とする大流量を発生させるために、たとえば図９（ａ）（ｂ）に示したような２段の特性を得るべく、
（１）空気ばねへの給排気を作動軸の回転角度に応じて行わせる機構を有する高さ調整弁を複数設け、このうちの少なくとも１個は、一方が車体又は台車に回動自在に支持される連結棒と、この連結棒の他方に回動自在に支持されるレバーを介して、前記台車又は前記車体に取り付けられると共に、
これら複数の高さ調整弁の作動軸の前記車体又は前記台車に対する相対角度位置を、鉄道車両に予め記憶されているか又は地上子を通過する時に入手する線路情報に応じて、アクチュエータによって個別に変化が可能なように構成し、
通常走行変位範囲を超えた場合は前記アクチュエータにより通常の給排気よりも大流量の給排気を行うべく、車体と台車間の変位に対する空気ばねの給排気流量の特性が２段の特性を得るようにしたこと、
（２）（１）の複数の高さ調整弁のうち、１個は、前記連結棒と前記レバーを介してのみ、前記作動軸の回動が行われ、
残りの高さ調整弁は、前記作動軸の前記車体又は前記台車に対する相対角度位置を、前記線路情報に応じて、アクチュエータのみによって個別に変化が可能なように構成したこと、
（３）（１）の複数の高さ調整弁のうち、１個を除く残りの高さ調整弁は、前記作動軸の前記車体又は前記台車に対する相対角度位置を、前記線路情報に応じて、アクチュエータのみによって個別に変化が可能なように構成したこと、
を最も主要な特徴としている。

前記構成の本発明に係る鉄道車両用空気ばね高さ調整機構では、カント逓減区間である緩和曲線部を走行する時のように、大流量の給排気が必要な場合に、アクチュエータによって高さ調整弁の作動軸を能動的に回動させて大流量を発生させることができ、走行安全性の向上が図れる。

前記の本発明に係る鉄道車両用空気ばね高さ調整機構では、線路情報に応じて変化させる高さ調整弁の個別の変化を、個々のアクチュエータによって行うものでも良いが、適数個を一つのアクチュエータによって行っても良い。この場合、一つのアクチュエータによって共に回動する高さ調整弁の作動軸の回転角度は、アクチュエータのロッドの出退動を前記作動軸の回転に変換するレバーの長さの変更によって容易に調整できる。

また、前記の本発明に係る鉄道車両用空気ばね高さ調整機構において、アクチュエータを回転アクチュエータとした場合には、前記レバーなどが不要になる。
また、前記アクチュエータを車体に設置した場合には、振動に対するアクチュエータの信頼性が向上する。

この本発明に係る鉄道車両用空気ばね高さ調整機構は、
前記高さ調整弁の前記作動軸の回転角を検知した後、この検知した回転角を、前記作動軸を回動させるアクチュエータを制御する制御盤にフィードバックし、
運転条件と前記フィードバックした回転角から、高さ調整弁の作動軸の回転角が最適角度になるように制御することが望ましい。

本発明では、緩和曲線部の走行時に、必要な大流量の給排気を発生させることができるので、この本発明に係る空気ばね高さ調整機構を備えた鉄道車両にあっては、緩和曲線部における輪重の減少を効果的に抑制でき、緩和曲線部における走行速度を向上させることができるという利点がある。

そして、曲線路における走行を適正走行速度により近づけることが可能になって、曲線路をより安全に走行できるようになる。

以下、台車に取り付けられた空気ばねによって車体を支持する鉄道車両に設置される本発明に係る鉄道車両用空気ばね高さ調整機構の実施態様を、図１〜図８を参照しつつ詳細に説明する。なお、前記鉄道車両は、予め記憶しておくか又は地上子を通過する時に入手する線路情報を保持する線路情報保持手段を装備している。

図１は本発明に係る空気ばね高さ調整機構の第１の例を示す図面である。
１１はたとえば前記鉄道車両の車体１に取り付けられて前記空気ばねの高さを調整する高さ調整弁であり、例えば主高さ調整弁１１ａと副高さ調整弁１１ｂの２個で対をなしている。これらの高さ調整弁１１ａ，１１ｂは、その作動軸１１ａａ，１１ｂａに一方を固定されたレバー５ａ，５ｂが、前記車体１と前記台車２の相対的な傾斜に応じて、前記作動軸１１ａａ，１１ｂａを中心として回動することにより作動される。

連結棒６は一方を例えば前記台車２に、また、他方を前記レバー５ａ及び接続棒１２を介して前記レバー５ｂに夫々回動可能に支持され、この連結棒６が前記車体１と台車枠２ａとの相対的な高さをレバー５ａ，５ｂに伝えている。なお、図１中の１３は前記作動軸１１ａａ，１１ｂａを回転自在に支持する軸受を示す。

本発明に係る空気ばね高さ調整機構の第１の例は、前記の主高さ調整弁１１ａと副高さ調整弁１１ｂの作動軸１１ａａ，１１ｂａを、それぞれレバー１４ａ，１４ｂを介してたとえば車体１に設置したアクチュエータ１５によって回動可能に構成したものである。

このように構成した場合には、例えば出口緩和曲線の走行時、車体１と台車２間の変位に対応して、両高さ調整弁１１ａ，１１ｂが受動的に動作するのと共に、輪重抜けが発生する第１台車における進行方向前方の第１軸の外軌側の空気ばねに供給する空気量を増大させるように、主高さ調整弁１１ａと副高さ調整弁１１ｂの作動軸１１ａａ，１１ｂａの回転角度を、個別にアクチュエータ１５によって操作することで、図８に太い実線で示したように、前記第１軸の外軌側の空気ばね部の輪重減少を抑制でき、緩和曲線部での走行速度の向上を図ることができるようになる。なお、図８の細い実線は従来の受動的に動作する高さ調整弁のみを採用した場合の結果である。

すなわち、本発明に係る空気ばね高さ調整機構の第１の例では、空気ばねごとに主高さ調整弁１１ａと副高さ調整弁１１ｂを設け、これら高さ調整弁１１ａ，１１ｂを個別にアクチュエータ１５で操作可能に構成することにより、２段特性の変化点を可変に調整でき、緩和曲線部における走行安全性を飛躍的に向上できるようになる。

図２は図１に示した本発明に係る空気ばね高さ調整機構の第１の例において、主高さ調整弁１１ａの作動軸１１ａａは、連結棒６とレバー５ａを介してのみ回動する一方、副高さ調整弁１１ｂの作動軸１１ｂａは、前記線路情報に応じて、アクチュエータ１５によってのみ回動が可能なように構成したものである。

このように、副高さ調整弁１１ｂの作動軸１１ｂａが車体１と台車２間の高さ変化には全く反応せず、アクチュエータ１５の動作のみに反応するようにした場合は、制御フェール時にアクチュエータ１５をばね等で中立点に復位するような構造をとれば、従来の空気ばね高さ調整機構に容易に戻ることができるので、制御性能の向上と共に、信頼性の高い空気ばねの高さ調整機構が実現できる。

また、図３は図１に示した本発明に係る空気ばね高さ調整機構の第１の例において、副高さ調整弁１１ｂの作動軸１１ｂａは、前記線路情報に応じて、アクチュエータ１５によってのみ回動が可能なように構成したものである。この図３に示した例は、主高さ調整弁１１ａの作動軸１１ａａを回動するレバー１４ａと、副高さ調整弁１１ｂの作動軸１１ｂａを回動するレバー１４ｂを、接続棒１６で連結することにより、両高さ調整弁１１ａ，１１ｂの作動軸１１ａａ，１１ｂａを、一つのアクチュエータ１５によって回動させるものを示している。

また、図４は図１に示した本発明に係る空気ばね高さ調整機構の第１の例において、主高さ調整弁１１ａの作動軸１１ａａを回動するレバー１４ａと、副高さ調整弁１１ｂの作動軸１１ｂａを回動するレバー１４ｂを、接続棒１６で連結することにより、両高さ調整弁１１ａ，１１ｂの作動軸１１ａａ，１１ｂａを、一つのアクチュエータ１５によって回動させるものを示している。

これらの図３や図４に示した例では、両高さ調整弁１１ａ，１１ｂの作動軸１１ａａ，１１ｂａを回動するレバー１４ａ，１４ｂの長さＬａ，Ｌｂを異ならせるだけで２段特性の設定変更が行えるので、特性の変更を容易に行うことができる。加えて、図４に示した例では、アクチュエータ１５を動作させることで、車体１と台車２間の目標高さが変更できるので、車体姿勢制御が容易に行えるようになる。

以上の本発明に係る空気ばね高さ調整機構では、副高さ調整弁１１ｂを１個設置したものについて説明しているが、副高さ調整弁１１ｂは１個に限らないことは言うまでもない。たとえば図５のように、図２に示した第２の例における副高さ調整弁１１ｂを３個設置したものでも良い。この図５の例では、３個の副高さ調整弁１１ｂの作動軸１１ｂａを回動するレバー１４ｂを、接続棒１６で連結することにより、３個の副高さ調整弁１１ｂの作動軸１１ｂａを、一つのアクチュエータ１５によって回動させるものを示している。このように副高さ調整弁１１ｂを複数個設置した場合には、特性の変更がより容易に行えるようになる。また、レバー５ｂ，１４ｂの長さを個別に変えてリンク比を変更することで、それぞれの副高さ調整弁の特性変更が容易に行える。

また、図６は図１に示した本発明に係る空気ばね高さ調整機構の第１の例において、アクチュエータを回転アクチュエータ１７としたものである。この図６に示したように、回転アクチュエータ１７を採用した場合には、レバー１４ａ，１４ｂや接続棒１６が不要になって構成の簡素化が図れるようになる。また、回転アクチュエータに、それぞれ異なる増減速機構を内蔵することで、高さ調整弁の動作特性変更が容易になる。

また、以上説明した本発明に係る空気ばね高さ調整機構のアクチュエータ１５，１７を、図７に示したように、台車２に対して走行時の振動が少ない車体１に設置した場合には、アクチュエータ１５，１７やその駆動機構がすべてばね上に装架することが可能になって、振動に対して信頼性の高い制御機構が実現できる。

なお、高さ調整弁１１ａ，１１ｂのレバー５ａ，５ｂの回動は、高さ調整弁１１ａ，１１ｂのレバー５ａ，５ｂの回転角をセンサーにより検知し、この検知した前記回転角をフィードバック制御して、運転条件（線路条件）と前記フィードバックしたレバー５ａ，５ｂの回転角から、高さ調整弁１１ａ，１１ｂのレバー５ａ，５ｂの回転角が最適の角度になるように制御することで、より確実に当該空気ばね部の車輪の輪重減少を抑制できるようになる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術的思想の範疇において適宜変更可能なことは言うまでもない。

以上の本発明は、緩和曲線の走行時のみならず、空気ばねへの空気の給排を行う場合であればどのような走行時にも適用できる。

本発明に係る空気ばね高さ調整機構の第１の例を説明する図である。 本発明に係る空気ばね高さ調整機構の第２の例を説明する図である。 本発明に係る空気ばね高さ調整機構の第３の例を説明する図である。 本発明に係る空気ばね高さ調整機構の第４の例を説明する図である。 本発明に係る空気ばね高さ調整機構の第５の例を説明する図である。 本発明に係る空気ばね高さ調整機構の第６の例を説明する図である。 本発明に係る空気ばね高さ調整機構の第７の例を説明する図である。 本発明に係る空気ばね高さ調整機構の効果を説明する図で、出口緩和曲線走行時の第１台車における第１軸の外軌側車輪の輪重変動率を示した図である。 （ａ）（ｂ）は本発明に係る空気ばね高さ調整機構に適した高さ調整弁の特性を説明する図である。 従来の高さ調整機構を説明する図である。 出口緩和曲線走行時の、従来の高さ調整機構を備えた第１台車における第１軸と第２軸車輪の輪重変動率を示した図である。 （ａ）（ｂ）は現在採用されている高さ調整弁の、レバー回転角と空気ばねの給排気流量の関係を示した図である。

符号の説明

１ 車体
２ 台車
３ 空気ばね
５ａ，５ｂ レバー
６ 連結棒
１１ 高さ調整弁
１１ａ 主高さ調整弁
１１ｂ 副高さ調整弁
１１ａａ，１１ｂａ 作動軸
１２，１６ 接続棒
１４ａ，１４ｂ レバー
１５，１７ アクチュエータ

Claims (7)

1. 台車に取り付けられた空気ばねにより車体を支持する鉄道車両の、前記空気ばね高さを調整する機構であって、
   空気ばねへの給排気を作動軸の回転角度に応じて行わせる機構を有する高さ調整弁を複数設け、このうちの少なくとも１個は、一方が車体又は台車に回動自在に支持される連結棒と、この連結棒の他方に回動自在に支持されるレバーを介して、前記台車又は前記車体に取り付けられると共に、
   これら複数の高さ調整弁の作動軸の前記車体又は前記台車に対する相対角度位置を、鉄道車両に予め記憶されているか又は地上子を通過する時に入手する線路情報に応じて、アクチュエータによって個別に変化が可能なように構成し、
   通常走行変位範囲を超えた場合は前記アクチュエータにより通常の給排気よりも大流量の給排気を行うべく、車体と台車間の変位に対する空気ばねの給排気流量の特性が２段の特性を得るようにしたことを特徴とする鉄道車両用空気ばね高さ調整機構。
2. 前記複数の高さ調整弁のうち、１個は、前記連結棒と前記レバーを介してのみ、前記作動軸の回動が行われ、
   残りの高さ調整弁は、前記作動軸の前記車体又は前記台車に対する相対角度位置を、前記線路情報に応じて、アクチュエータのみによって個別に変化が可能なように構成したことを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用空気ばね高さ調整機構。
3. 前記複数の高さ調整弁のうち、１個を除く残りの高さ調整弁は、前記作動軸の前記車体又は前記台車に対する相対角度位置を、前記線路情報に応じて、アクチュエータのみによって個別に変化が可能なように構成したことを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用空気ばね高さ調整機構。
4. 前記線路情報に応じて変化させる高さ調整弁の個別の変化を、適数個を一つのアクチュエータによって行うことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の鉄道車両用空気ばね高さ調整機構。
5. 前記アクチュエータが回転アクチュエータであることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の鉄道車両用空気ばね高さ調整機構。
6. 前記アクチュエータが車体に設置されていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の鉄道車両用空気ばね高さ調整機構。
7. 請求項１〜６の何れかに記載の鉄道車両用空気ばね高さ調整機構を制御する方法であって、
   前記高さ調整弁の前記作動軸の回転角を検知した後、この検知した回転角を、前記作動軸を回動させるアクチュエータを制御する制御盤にフィードバックし、
   運転条件と前記フィードバックした回転角から、高さ調整弁の作動軸の回転角が最適角度になるように制御することを特徴とする鉄道車両用空気ばね高さ調整機構の制御方法。
   

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