JP4839154B2

JP4839154B2 - 車体支持装置

Info

Publication number: JP4839154B2
Application number: JP2006229579A
Authority: JP
Inventors: 勝美佐々木; 敏文原; 尚志根来; 修後藤
Original assignee: PNEUMATIC SERVO CONTROLS Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: PNEUMATIC SERVO CONTROLS Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date: 2006-08-25
Filing date: 2006-08-25
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2026-08-25
Also published as: JP2008049907A

Description

本発明は、車体支持装置に係り、特に、車両の台車と車体との間に設けられる流体圧シリンダを含む車体支持装置に関する。

都市交通あるいは高速大量輸送手段としての軌道車両において、快適な乗心地の確保のために空気ばね又はコイルばねによって車体を台車上に支持する構造が広く用いられる。この場合、空気ばね又はコイルばねに対し常時車体重量が加わるので、車体の縦方向変位に対する支持力を最適化することができる。これに対し、車体の横方向の変位に対しては空気ばね又はコイルばねの横方向剛性が不足し、例えば車両が高速で曲線路を通過する際の車両の横方向変位を、空気ばね又はコイルばねのみで支えることが困難である。

そこで、台車と車体との間にストッパゴムを設け、車体の一定以上の横方向変位を抑制することが行われる。また、台車と車体との間に空気シリンダを設け、横方向変位に応じて車体を中心位置に引き戻すことが行われる。

例えば、特許文献１には、車両の台車と車体との間に車体の横変位に対して横方向剛性を生じさせる車体支持装置として、空気シリンダと、空気シリンダの左右シリンダ室に一定の空気圧を供給する案内弁と、横方向変位を案内弁にフィードバックするための機械的フィードバック系とを有する構成が開示されている。ここで、機械的フィードバック系は、空気シリンダのピストンに接続されたアームによって横方向に押されるスライド筒と、スライド筒内を移動可能な押し駒と、スライド筒内で押し駒を左方向に付勢するスプリングとを含む。そして、押し駒は案内弁のスプールを押すことができるように接触しており、押し駒の左方向の移動と、スライド筒の右方向の移動を規制するストッパのため、案内弁のスプールの移動範囲はアームの移動範囲よりも少なく規制される。これによって案内弁を小型にできることが述べられている。

なお、振り子車両において車体を支持する振り子梁を強制的に傾斜させるための空気圧シリンダの例であるが、特許文献２には、空気圧の導入によって伸縮する空気圧シリンダにおいて、その伸縮を検出する変位センサを内蔵する構成が開示されている。ここでは、磁歪線が内蔵されるセンサロッドを空気圧シリンダの端板から内部に軸方向に延ばして設け、ピストンに固定された永久磁石によって磁歪線を進む信号が跳ね返されることを利用して、端板からのピストンの位置を検出することが述べられている。なお、このピストンの位置に応じて精密に空気圧シリンダに供給する空気圧を制御するため、コイルと永久磁石を用いる駆動機構を有する空気圧サーボ弁が用いられる。

特許第３７４９９２８号公報特開平１０−１２９４７８号公報

上記のように、横方向変位に応じて車体を中心位置に引き戻すために台車と車体との間に設けられる流体圧シリンダは、センタリングシリンダと呼ばれる。そしてセンタリングシリンダは横方向変位に応じて作動させるために、横方向変位のフィードバックが行われる。特許文献１においては、フィードバック系としては電気系を伴わない簡明な機械的フィードバック系が用いられるが、空気シリンダと案内弁と機械的フィードバック系の要素が組み合わされて全体が構成されるため、複雑な構成となっている。特許文献２は、センサが空気圧シリンダに内蔵されているが、電気的フィードバック系を用いて精密に空気圧を制御して振り子を傾斜させるものであり、車体を単に引き戻すセンタリングシリンダの例ではない。

本発明の目的は、機械的フィードバックを用いるセンタリングシリンダにおいて、各要素をコンパクトにまとめることが可能となる車体支持装置を提供することである。

本発明に係る車体支持装置は、車両の車体側又は台車側のいずれか一方側に接続されたシリンダ筐体と、車両の車体側又は台車側の他方側に接続されたピストン部とを有する流体圧シリンダであって、シリンダ筐体とピストン部のピストンヘッドとで仕切られる２つの気体室をヘッド側気体室及びロッド側気体室とし、ヘッド側気体室及びロッド側気体室にそれぞれ制御気体圧が供給される流体圧シリンダと、流体圧シリンダのピストン部をスリーブとし、一方端がシリンダ筐体に固定され、他方端にランド部を有してスリーブの中を移動可能なスプールを有するスリーブ・スプール機構であって、スリーブ内壁とランド部とで仕切られる２つの気体室をロッド側の第１気体室とヘッド側の第２気体室とし、ロッド側の第１気体室はヘッド側気体室と連通し、ヘッド側の第２気体室はロッド側気体室と連通するスリーブ・スプール機構と、を備え、スリーブに設けられ大気に開放される制御切換溝とスプールに設けられたランド部との協働により、車両の横方向移動方向がロッド側気体室からヘッド側気体室の方向であるとき、ロッド側気体室を大気開放し、シリンダ筐体に対しピストン部をロッド側気体室側に移動させ、車両の横方向移動方向がヘッド側気体室からロッド側気体室の方向であるとき、ヘッド側気体室を大気開放し、シリンダ筐体に対しピストン部をヘッド側気体室側に移動させることを特徴とする。

また、本発明に係る車体支持装置において、スプールは、ヘッド側気体室に向けて開口する一方端と、第１気体室に向けて開口する他方端とを有する気体流路を内部に有し、第２気体室にはロッド側気体室に向けて開口する接続口が設けられることが好ましい。

また、本発明に係る車体支持装置において、スリーブ・スプール機構は、スリーブとスプールとの相対位置関係が中立位置にあるときは、ロッド側気体室もヘッド側気体室も共に大気開放せず、スプールがスリーブに対し中立位置より所定の制御切換距離を移動したときにロッド側気体室又はヘッド側気体室を大気開放するように、制御切換溝とランド部との間の位置関係が設定されることが好ましい。

また、本発明に係る車体支持装置において、制御切換溝と異なる位置関係でスリーブに設けられる連通切換溝を備え、連通切換溝とスプールに設けられたランド部との協働により、スリーブとスプールとの相対位置関係が中立位置にあるとき、ロッド側気体室とヘッド側気体室とを連通させ、スプールがスリーブに対し中立位置より所定の連通切換距離を移動したとき、ロッド側気体室とヘッド側気体室との間の連通を止めるように、連通切換溝とランド部との間の位置関係が設定されることが好ましい。

また、本発明に係る車体支持装置において、連通切換溝は、制御切換溝と異なる周方向位置でスリーブに設けられることが好ましい。また、連通切換溝は、大気に開放されることが好ましい。

上記構成により、車両の車体側と台車側の間に設けられた流体圧シリンダのピストン部をスリーブとし、シリンダ筐体に固定されスリーブの中を相対的に移動可能なスプールを有するスリーブ・スプール機構を備える。このように車両の横方向移動によって相対的に移動するスプールとスリーブから構成されるスリーブ・スプール機構を流体圧シリンダの内部に内蔵する構造としたので、各要素をコンパクトにまとめられる。また、流体圧シリンダのヘッド側気体室及びロッド側気体室にそれぞれ制御気体圧を供給し、車両の横方向移動方向がロッド側気体室からヘッド側気体室の方向であるとき、ロッド側気体室を大気開放し、シリンダ筐体に対しピストン部をロッド側気体室側に移動させ、車両の横方向移動方向がヘッド側気体室からロッド側気体室の方向であるとき、ヘッド側気体室を大気開放し、シリンダ筐体に対しピストン部をヘッド側気体室側に移動させる。このように、機械的フィードバックを用いて、横方向移動する車両を中心位置に引き戻すことができる。

また、スプールは、ヘッド側気体室に向けて開口する一方端と、第１気体室に向けて開口する他方端とを有する気体流路を内部に有し、第２気体室にはロッド側気体室に向けて開口する接続口が設けられる。これによって、ロッド側の第１気体室はヘッド側気体室と連通し、ヘッド側の第２気体室はロッド側気体室と連通するものとできる。

また、車両が中立位置にあり、スリーブとスプールとの相対位置関係が中立位置にあるときは、ロッド側気体室もヘッド側気体室も共に大気開放せず、スプールがスリーブに対し中立位置より所定の制御切換距離を移動したときにロッド側気体室又はヘッド側気体室を大気開放することとするので、車両が中立位置から所定の制御切換距離の範囲を超えて横方向移動したときに、流体圧シリンダの引き戻し推力が本格的に作動する。これによって、中立位置付近における流体圧シリンダの細かな左右引き戻しを防止できる。

また、車両が中立位置にあり、スリーブとスプールとの相対位置関係が中立位置にあるとき、ロッド側気体室とヘッド側気体室とを連通させ、スプールがスリーブに対し中立位置より所定の連通切換距離を移動したとき、ロッド側気体室とヘッド側気体室との間の連通を止めるので、中立位置から所定の連通切換距離の範囲では車両を引き戻す推力を発生しない。したがって、中立位置でありながら、ロッド側気体室とヘッド側気体室との間の釣り合いの不平衡によって発生するオフセット推力の発生を抑制することができる。

また、スリーブに設けられる連通切換溝は、制御切換弁のためにスリーブに設けられる制御切換溝と異なる周方向位置に設けられるので、同じスリーブを用いて連通切換と制御切換とを行うことができる。

以下に図面を用いて、本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。なお、以下において、車体支持装置に用いられる流体を気体として説明する。ここで気体としては空気、窒素、不活性ガス等を用いることができる。もちろん、場合によっては、気体以外の流体、例えば油、水等を用いるものとしてもよい。したがって、以下では、車体支持装置を構成する流体圧シリンダを気体圧サーボシリンダとして説明するが、もちろん、気体以外の流体を用いる場合にも本発明が適用できる。

また、車体支持装置が適用される軌道車両としては、１次ばねとしてのコイルばねが台車部と車軸との間に設けられ、２次ばねとしての空気ばねが台車部と車体部との間に設けられる構造のものとして説明するが、これ以外のばね構造、例えば、板ばね等のばねを用いてもよく、またこれ以外のばねの取り付け位置であってもよい。また、車両として、車体部を支持する振り子はりと傾斜手段を通じて振り子はりを傾斜可能にレール上で支持する台車部とを備える振り子車両であってもよい。

また、車体支持装置が設けられる車両上の位置としては、台車部と車体部との間の空間とし、特に気体圧シリンダのシリンダ筐体が台車部に、ピストンロッドが車体部に接続される構成として説明するが、これ以外の配置構成であってもよい。たとえば、気体圧シリンダのシリンダ筐体が車体部に、ピストンロッドが台車部に接続される構成であってもよい。すなわち、車両の車体側又は台車側のいずれか一方側にシリンダ筐体が接続され、車両の車体側又は台車側の他方側にピストン部、特にピストンロッドが接続される配置構成であればよい。なお、上記のように、台車部とは、車両の１次ばねより上方の台車枠等の台車構造の部分を指し、車体部とは、車両の２次ばねより上方の車体又はボルスタの構造部分を指している。

図１は、本発明に係る車体支持装置４０が適用される車両１０の構成図である。車両１０は、車体部１２と、台車部１４と、車体部１２と台車部１４との間に設けられた２次ばねとしての空気ばね１６と、車体部１２に取り付けられた中心ピン１８とを備える。また、車両１０は、車輪２０を支持する車軸と、車軸と台車部１４との間に設けられた１次ばねとしてのコイルばね２２を備える。車輪２０はレール２４の上を走行可能である。そして、車体部１２と一体の中心ピン１８と台車部１４との間に、車体部１２の横方向変位を引き戻すためのセンタリングシリンダとしての車体支持装置４０と、車体部１２の横方向変位等を吸収する機能を有するダンパ２６とを備える。また、車体部１２の横方向変位によって車体部１２と台車部１４とが過度に衝突することを抑制するストッパゴム２８が中心ピン１８と台車部１４との間に設けられる。なお、横方向変位の方向をＸ方向として矢印で示した。図２以下でも必要に応じこのＸ方向を矢印で示してある。

図２は、センタリングシリンダとしての車体支持装置４０の断面図で、（ａ）が平面断面図、（ｂ）が正面断面図である。軸方向回りの角度で互いに９０度異なるこの２つの断面図において異なる点は、後述する切換溝８２，８０と、排気開口５６，５７である。これらの切換溝８２，８０はお互いに重複することなく、また、これらの排気開口５６，５７もお互いに重複することがないように形成される。車体支持装置４０は、車体が横方向変位するときに、気体圧を用いて車体を中立位置に引き戻す機能を有する装置である。車体支持装置４０は、外観上１つの気体圧シリンダであるが、気体圧シリンダの内部に、車両が横方向移動する方向に応じて気体圧シリンダの伸縮方向を切り換える制御切換弁を内蔵している。具体的には、気体圧シリンダのピストン部をスリーブとし、そのスリーブの中に気体圧シリンダのシリンダ筐体に固定されるスプールが設けられる。そして、車両の横方向移動によって生じるスリーブとスプールとの間の相対的移動によって、機械的なフィードバックを行い、気体圧シリンダの２つの気体室の状態を切り換える機能を車体支持装置４０自体が有している。

図２（ａ），（ｂ）に示されるように、車体支持装置４０は、車両の台車部１４に接続されるシリンダ筐体４２と、車両の車体と一体の中心ピン１８に接続されるピストンロッド４６と、ピストンロッド４６の一方端に設けられるピストンヘッド４４とを有するピストン・シリンダ機構であって、ピストンヘッド４４の前後に形成される２つの気体室４８，５０の間の差圧によってシリンダ筐体４２に対してピストンヘッド４４及びピストンロッド４６を相対的に移動させることができる気体圧シリンダの１種である。ここでピストンヘッド４４とピストンロッド４６とは、ピストン部を構成する。

そして、ピストン部をスリーブとして、そのスリーブの中に、一方端がシリンダ筐体４２に固定され、他方端にランド部６２を有するスプール６０が設けられる。ピストン部のスリーブと、スプール６０とは、車両の横方向移動に応じて気体圧シリンダの２つの気体室４８，５０の気体圧の状態を切り換える機能を有する切換弁の機能を有する。その意味で、車体支持装置４０は、切換弁内蔵の気体圧シリンダである。

シリンダ筐体４２は、概略円筒状の形状をなし、内面はピストンヘッド４４が摺動可能な仕上げ面を有し、その一端には、ピストンヘッド４４に固定されたピストンロッド４６が出し入れされる開口部を有する。ピストンヘッド４４は、概略円板状の形状をなし、その外周はシリンダ筐体４２の内面と気密な状態で摺動可能な仕上げ面を有する。上記のようにピストンヘッド４４とピストンロッド４６とは、いわゆるピストン部を構成する。そして、上記のように、シリンダ筐体４２は台車部１４に取り付けられ、ピストンロッド４６は車体部１２と一体の中心ピン１８に取り付けられる。

したがって、シリンダ筐体４２とピストンヘッド４４との協働により、ピストンヘッド４４の前後に２つの気体室４８，５０が形成される。ここで２つの気体室４８，５０を区別して、ピストンヘッド４４の前面側に位置する気体室をヘッド側気体室４８と呼び、ピストンヘッド４４の背面側、すなわちピストンロッド４６とシリンダ筐体４２とで形成される気体室をロッド側気体室５０と呼ぶことにする。シリンダ筐体４２の一方端には、ヘッド側気体室４８に供給気体圧Ｐ_Ｓを供給するためのヘッド側給気口５２が設けられ、他方端にはロッド側気体室５０に供給気体圧Ｐ_Ｓを供給するためのロッド側給気口５４が設けられる。図２に示すように、シリンダ筐体４２の一方端とは台車部１４に接続される側であり、他方端とはピストンロッド４６が突き出る開口をふさぐ蓋の側、すなわち中心ピン１８にピストンロッド４６が接続される側である。ヘッド側給気口５２及びロッド側給気口５４には、それぞれ適当な絞り部が設けられることが好ましい。絞り部としては、適当なオリフィス機構を用いることができる。

車体支持装置４０に内蔵されるスリーブ・スプール機構による切換弁の様子の詳細について、図３を用いて説明する。図３は、図２（ａ）の一部を拡大した拡大平面断面図であり、スリーブ・スプール機構の部分を特に斜線を付して示してある。スリーブ・スプール機構のスプール６０は、内部に気体流路６６を有する細長い部材で、その一方端はシリンダ筐体４２の一方端に取り付け固定される。そして、他方端は、他の部分に比べ外径が大きいランド部６２となっている。スプール６０のランド部６２以外の部分は、いわゆるステム部に相当する。スプール６０の軸方向の全長は、車体支持装置４０がストッパゴム２８によって規制される伸縮範囲の中において、ピストンロッド４６の中に形成されるスリーブとの間で相対的に移動可能とされる長さ以内に設定される。気体流路６６は、スプール６０がシリンダ筐体４２に取り付けられる部分を一方端として、そこからスプール６０の内部をランド部６２の方向に延び、ランド部６２の先端の開口を他方端とする。気体流路６６の一方端には、ヘッド側気体室４８に向けて開口する接続口６４が設けられる。したがって、気体流路６６は、ヘッド側気体室４８の気体圧をＰ_Ｈとして、気体圧Ｐ_Ｈをランド部６２の先端の開口を通して、スリーブ・スプール機構において後述する第１気体室７０に導く機能を有する。

スリーブ・スプール機構のスリーブは、ピストン部の一部が用いられる。すなわち、ピストン部の軸中心にそって、スプール６０を案内する内部穴が設けられ、この内部穴の内壁を、スリーブがスプール６０を支持する支持内壁として、スリーブがピストン部の内部に形成される。具体的には、ピストン部のピストンヘッド４４の中心軸の位置にスプール６０のステム部を移動可能に支持する案内穴が設けられ、この案内穴は、ピストンロッド４６の中心軸に沿って他方端、すなわち図２で説明した中心ピン１８への接続側に向かって延び、途中でスプール６０のランド部６２を支持するために穴径が拡大される。

ピストン部の内部に設けられランド部６２を支持するための内壁と、ランド部６２とによって、２つの気体室７０，７２が形成される。ここで２つの気体室７０，７２を区別して、ランド部６２の前面側に位置する気体室を第１気体室７０と呼び、ランド部６２の背面側に形成される気体室を第２気体室７２と呼ぶことにする。図３に示されるように、第１気体室７０よりも第２気体室７２のほうがピストンヘッド４４側に形成されている。

上記のように、第１気体室７０には、スプール６０の気体流路６６によってヘッド側気体室４８の気体圧Ｐ_Ｈが導かれる。第２気体室７２にはロッド側気体室５０に向けて開口する接続口７４が設けられる。したがって、第２気体室７２には、接続口７４を介し、ロッド側気体室５０の気体圧をＰ_Ｒとして、気体圧Ｐ_Ｒが導かれる。

このように、スリーブ・スプール機構において、スプール６０のランド部６２の前後の２つの気体室７０，７２には、それぞれヘッド側気体室４８の気体圧Ｐ_Ｈとロッド側気体室５０の気体圧Ｐ_Ｒが導かれる。ここで、気体圧Ｐ_Ｈを有する気体室と気体圧Ｐ_Ｒを有する気体室の配置順序に注目すると、ピストン・シリンダ機構とスリーブ・スプール機構とで逆になっている。すなわちピストン・シリンダ機構においては、気体圧Ｐ_Ｈを有する気体室４８がシリンダ筐体４２の一方端側、すなわち図２で説明した台車部１４に接続される側であるのに対し、スリーブ・スプール機構においては、気体圧Ｐ_Ｈを有する気体室７０がシリンダ筐体４２の他方端側、すなわち図２で説明した車体部１２と一体の中心ピン１８に接続される側である。

ピストン部の内部に設けられるスリーブの内壁に、スプール６０のランド部６２の外周と協働して気体の流れを切り換える機能を有する切換溝８０，８２が設けられる。図３においては切換溝８２が示され、図３の平面図に直交する方向から見た図２（ｂ）の正面図に切換溝８０が示されている。

この２つの切換溝８０，８２は、それぞれ異なる機能を有する。切換溝８０は、ヘッド側気体室４８又はロッド側気体室５０の気体圧を、供給気体圧Ｐ_Ｓとするか、大気圧とするかを切り換え、これにより車体支持装置４０の伸縮を制御する機能を有する。一方、切換溝８２は、ヘッド側気体室４８とロッド側気体室５０との間を連通するかしないかを切り換え、これによって、中立位置におけるヘッド側気体室４８とロッド側気体室５０との間の気体圧差をなくす機能を有する。したがって、これらの機能の差に着目し、前者の切換溝を制御切換溝８０、後者の切換溝を連通切換溝８２と呼ぶことにする。上記のように、制御切換溝８０と連通切換溝８２とは、スリーブ内壁において、相互に異なる周方向位置にそれぞれ設けられる。

図２に戻って、制御切換溝８０と連通切換溝８２とについて、ランド部６２の軸方向に沿った長さと比較すると、制御切換溝８０の溝長さは、ランド部６２の軸方向に沿った長さより短く、連通切換溝８２の溝長さは、ランド部６２の軸方向に沿った長さより長い。制御切換溝８０と連通切換溝８２の配置は、車両の横方向変位がなく、車体部１２が台車部１４に対し中立位置にあるときのピストン・シリンダ機構の中立位置において、ランド部６２の中央部に、これらの溝の溝長さの中央部が来るように設定される。図２、図３は、そのような車両の中立状態における各要素の配置状態を示している。

例えば、図２（ａ）の拡大図である図３に示されるように、連通切換溝８２の軸方向に沿った配置は、ランド部６２がちょうど溝長さの中央に来るように設定されている。連通切換溝８２の溝長さはランド部６２の軸方向長さより長いので、この状態では、ランド部６２によって連通切換溝８２はふさがれず、したがって、ランド部６２の両側の気体室７０，７２は連通切換溝８２によって連通されることになる。

図３に示されるように、連通切換溝８２は、排気開口５６を介して大気に開放される。もっとも、第１気体室７０と第２気体室７２の気体圧を釣り合わせる機能からいえば、連通切換溝８２は、第１気体室７０と第２気体室７２とを流体的に連通すればよいので、大気に開放しなくてもよい。例えば、連通切換溝８２と排気開口５６との間に適当な排気絞りを設けることができる。あるいは、排気開口５６の外側に適当な排気絞りを設けてもよい。これによって、中立状態において、第１気体室７０と第２気体室７２とを大気圧より高めの気圧でもって連通することができる。排気絞りとしては適当なオリフィス機構等を用いることができる。

また、図２（ｂ）に示されるように、中立状態において、制御切換溝８０の軸方向に沿った配置は、ランド部６２がちょうど溝長さの中央に来るように設定されている。制御切換溝８０の溝長さはランド部６２の軸方向長さより短いので、この状態では、ランド部６２によって制御切換溝８０はふさがれ、したがって、ランド部６２の両側の気体室７０，７２は、それぞれ独立の気体圧Ｐ_Ｈ、Ｐ_Ｒを維持する。

制御切換溝８０は、図２（ｂ）に示されるように、排気開口５７を介して大気に開放される。必要があれば、制御切換溝８０と排気開口５７との間に適当な絞り部を設けてもよい。絞り部としては適当なオリフィス機構等を用いることができる。制御切換溝８０の溝長さはランド部６２の軸方向長さより短いので、中立状態においては上記のようにランド部６２が制御切換溝８０をふさぐが、車両が横方向変位を受けて中立状態から外れると、ランド部６２が制御切換溝８０の一部をふさがなくなることが生じる。ランド部６２の軸方向長さと制御切換溝８０の溝長さの差を２δとすると、シリンダ筐体４２に対するピストンロッド４６の変位が、±δを超えると、ランド部６２が制御切換溝８０の一部をふさがなくなる。

δは、このように、（ランド部６２の軸方向長さ−制御切換溝８０の溝長さ）の半分の距離で、これは、制御切換溝８０においていずれの気体室を大気に開放するか否かを切り換える限界の距離であるので、これを制御切換距離と呼ぶことができる。また、制御切換溝８０における切換と連通切換溝８２における切換とを連動するには、（連通切換溝８２の溝長さ−ランド部６２の軸方向長さ）の半分の距離をδとすればよい。ここでは、δが連通切換溝８２において両側の気体室の間を、大気開放を通して連通するか否かの限界の距離であるので、これを連通切換距離と呼ぶことができる。もちろん、制御切換溝８０における切換と連通切換溝８２における切換とを連動しないものとすることもでき、その場合には、制御切換距離と連通切換距離とが互いに異なるものとして設定される。

図２（ｂ）に示した＋Ｘ方向、−Ｘ方向を用い、シリンダ筐体４２を基準にして、ピストンロッド４６が＋Ｘ方向にδ以上変位したとすると、ピストンロッド４６に設けられる制御切換溝８０が、ランド部６２に対し＋Ｘ方向に移動する。その移動量がδ以上であると、制御切換溝８０は、第１気体室７０と連通し、排気開口５７を介して大気に開放する。上記のように、第１気体室７０は、スプール６０の気体流路６６を介してヘッド側気体室４８と連通しているので、これによって、ヘッド側気体室４８の気体圧Ｐ_Hが大気圧に開放される。なお、このとき、制御切換溝８０は第２気体室７２と連通していないので、第２気体室７２と接続口７４を介して連通しているロッド側気体室５０には、ロッド側給気口５４から供給される気体圧（Ｐ_S）がそのまま維持されている。したがって、ピストンヘッド４４の左右で（気体圧Ｐ_S−大気圧）の差圧が生じ、ピストンヘッド４４は、−Ｘ方向の推力を受け、ピストンヘッド４４及びピストンロッド４６は−Ｘ方向に移動し、＋Ｘ方向に横方向変位した車両を−Ｘ方向に引き戻すことができる。ピストンロッド４６が−Ｘ方向にδ以上変位した場合も同様に、＋Ｘ方向に引き戻し推力を発生させることができる。

このように、制御切換溝８０はランド部６２と協働して、ランド部６２の両側の気体室７０，７２を大気に開放するかどうかを切り換える機能を有する。この機能は、気体の流れの状態を切り換える切換弁の機能と同様であるので、制御切換溝８０とランド部６２との協働の機能を制御切換弁の機能と呼ぶことができる。同様に、連通切換溝８２はランド部６２と協働して、ランド部６２の両側の気体室７０，７２を連通するかどうかを切り換える機能を有する。この機能は、気体の流れの状態を切り換える切換弁の機能と同様であるので、連通切換溝８２とランド部６２との協働の機能を連通切換弁の機能と呼ぶことができる。

車両の様々な状態における上記構成の作用を図４から図１３を用いて詳細に説明する。図４から図６は、車両が中立状態にある場合、図７から図９は車両が＋Ｘ方向に変位した場合、図１０から図１２は車両が−Ｘ方向に変位した場合について、それぞれスリーブ・スプール機構の状態を示す図、ピストン・シリンダ機構における気体圧の状態を示す図、車体支持装置の作動点を示す図である。図１３は、制御切換弁と連通切換弁の開口面積と変位量との関係を説明する図である。なお、以下では、連通切弁８２についての排気開口５６には排気絞り５８が接続され、大気圧より高い気体圧の連通気体圧で連通が行われるものとして説明する。

最初に車両が中立状態にある場合を説明する。図４は、図３で説明したスリーブ・スプール機構を模式的に示した図である。図４（ａ）は、連通切換溝８２とランド部６２の協働、すなわち上記の連通切換弁の機能の様子を示す図で、Ｃ_Ｈとして示した部分がヘッド側気体室の気体圧Ｐ_Ｈを有する第１気体室７０を連通するかどうかの切換弁の機能の部分で、Ｃ_Ｒとして示した部分がロッド側気体室の気体圧Ｐ_Ｒを有する第２気体室７２を連通するかどうかの切換弁の機能の部分である。同様に、図４（ｂ）は、制御切換溝８０とランド部６２の協働、すなわち上記の制御切換弁の機能の様子を示す図で、Ｓ_Ｈとして示した部分がヘッド側気体室の気体圧Ｐ_Ｈを有する第１気体室７０を大気開放するかどうかの切換弁の機能の部分で、Ｓ_Ｒとして示した部分がロッド側気体室の気体圧Ｐ_Ｒを有する第２気体室７２を大気開放するかどうかの切換弁の機能の部分である。

車両が中立状態にあるときには、図３に関連して説明したように、制御切換溝８０も連通切換溝８２も、その溝長さの中心の位置がランド部６２の軸方向の中心位置となるように設定される。この配置関係の設定は、車体支持装置４０を台車部１４及び中心ピン１８に接続する際に行うことができる。したがって、車両が中立状態においては、連通切換弁におけるＣ_ＨとＣ_Ｒとは排気絞り５８によって大気圧より高い連通気体圧で連通し、制御切換弁におけるＳ_ＨとＳ_Ｒとは大気に開放されない状態となる。

図５は、ピストン・シリンダ機構を模式的に示し、そのヘッド側気体室４８とロッド側気体室５０における気体圧が、図４の結果を用いてどのようになるかを説明する図である。供給気体圧Ｐ_Ｓを有する気体は、ヘッド側給気口５２を介してヘッド側気体室４８に、ロッド側給気口５４を介してロッド側気体室５０にそれぞれ供給される。そして、図４で説明したように、ヘッド側気体室４８は制御切換弁のＳ_Ｈによって大気圧に開放するかどうかが切り換えられ、ロッド側気体室５０は制御切換弁のＳ_Ｒによって大気圧に開放するかどうかが切り換えられる。また、ヘッド側気体室４８は連通切換弁のＣ_Ｈによって連通するかどうかが切り換えられ、ロッド側気体室５０は連通切換弁のＣ_Ｒによって連通するかどうかが切り換えられる。図４の結果に従い、図５においては、制御切換弁のＳ_ＨもＳ_Ｒも大気に開放せず、連通切換弁のＣ_ＨとＣ_Ｒとは、排気絞り５８によって大気圧より高い連通気体圧で連通する状態として示される。

図６は、車両の横方向変位とピストン・シリンダ機構によって発生する推力Ｆとの関係を示す図上において、図５の結果の状態がどこにあるかを示す図で、いわば車体支持装置の作動点を示す図である。図６は横軸に車両の横方向変位を示すものとしてシリンダ筐体４２を基準としたピストンロッド４６のＸ方向変位をとり、縦軸にピストンヘッド４４が発生する推力Ｆをとったものである。推力Ｆは、ピストンヘッド４４の両側の気体室４８，５０の気体圧の差である差圧に基づいて求めることができ、推力Ｆの符号は、Ｘ方向変位の符号と同じ、すなわち＋Ｘ方向を＋Ｆとしてある。中立状態においてＸ方向変位はゼロである。そのときの推力は、ロッド側気体室４８とヘッド側気体室５０とが連通して同じ連通気体圧となっているが、ピストンヘッド４４の受圧面積は、ピストン側気体室５０側の方がロッド側気体室４８の方よりもピストンロッド４６の断面積の分だけ広い。したがって、中立状態において推力は、＋ΔＦだけオフセットする。排気絞り５８の特性は、この推力ΔＦの大きさが車体の横方向移動に影響のない程度となるようにして定めることができる。

図７から図９に示されるのは、車両が＋Ｘ方向にδを超えた変位量で変位するときの状態である。δは、制御切換溝８０に関連して説明したように、（ランド部６２の軸方向長さ−制御切換溝８０の溝長さ）の半分の距離であり、また、（連通切換溝８２の溝長さ−ランド部６２の軸方向長さ）の半分の距離でもある。図７は図４に、図８は図５に、図９は図６にそれぞれ対応するので、重複する説明は省略する。

図７（ａ）においては、ピストンロッド４６が＋Ｘ方向に変位するので、連通切換弁のＣ_Ｈが排気絞り５８を介して大気に開放されるがＣ_Ｒは大気に開放されず、結局第１気体室７０と第２気体室７２とは連通しないことが示されている。図７（ｂ）においては、ピストンロッド４６が＋Ｘ方向に変位することで、制御切換弁のＳ_Ｈが大気に開放されるがＳ_Ｒは大気に開放されないことが示されている。図８では、図７の結果に従い、制御切換弁のＳ_Ｒは大気開放しないが、Ｓ_Ｈが大気開放され、連通切換弁のＣ_ＨとＣ_Ｒとは連通しない状態として示される。

図８における制御切換弁のＳ_Ｈ，Ｓ_Ｒ、連通切換弁のＣ_Ｈ，Ｃ_Ｒの結果からは、ヘッド側気体室４８が大気開放されて大気圧となるが、ロッド側気体室５０は、供給気体圧Ｐ_Ｓに保持されるので、その差圧により、ピストンヘッド４４は−Ｘ方向に推力を発生する。すなわち、図９において、車体支持装置の作動点は、横方向変位Ｘが＋δを超え、推力Ｆは、供給気体圧Ｐ_Ｓと大気圧との差圧に相当する大きさの−Ｆの状態として示される。すなわち、＋δを超える＋Ｘ方向の横方向変位の場合は、これを引き戻す推力を生じさせることができる。

図１０から図１２に示されるのは、車両が−Ｘ方向にδを超えた変位量で変位するときの状態である。図１０は図４及び図７に、図１１は図５及び図８に、図１２は図６及び図９にそれぞれ対応するので、重複する説明は省略する。

図１０（ａ）においては、ピストンロッド４６が−Ｘ方向に変位するので、連通切換弁のＣ_Ｒが排気絞り５８を介して大気に開放されるがＣ_Ｈは大気に開放されず、結局第１気体室７０と第２気体室７２とは連通しないことが示されている。図１０（ｂ）においては、ピストンロッド４６が−Ｘ方向に変位することで、制御切換弁のＳ_Ｒが大気に開放されるがＳ_Ｈは大気に開放されないことが示されている。図１１では、図１０の結果に従い、制御切換弁のＳ_Ｈは大気開放しないが、Ｓ_Ｒが大気開放され、連通切換弁のＣ_ＨとＣ_Ｒとは連通しない状態として示される。

図１１における制御切換弁のＳ_Ｈ，Ｓ_Ｒ、連通切換弁のＣ_Ｈ，Ｃ_Ｒの結果からは、ロッド側気体室５０が大気開放されて大気圧となるが、ヘッド側気体室４８は、供給気体圧Ｐ_Ｓに保持されるので、その差圧により、ピストンヘッド４４は＋Ｘ方向に推力を発生する。すなわち、図１２において、車体支持装置の作動点は、横方向変位Ｘが−δを超え、推力Ｆは、供給気体圧Ｐ_Ｓと大気圧との差圧に相当する大きさの＋Ｆの状態として示される。すなわち、−δを超える−Ｘ方向の横方向変位の場合は、これを引き戻す推力を生じさせることができる。

図１３は、制御切換弁のＳ_Ｈ，Ｓ_Ｒ、連通切換弁のＣ_Ｈ，Ｃ_Ｒの開口面積、すなわちランド部６２によってふさがれていない部分の広さが、横方向変位によってどのように変化するかを説明する図である。図１３に示されるように、制御切換弁のＳ_Ｒは、−δを超えて−Ｘ方向に横方向変位が生じると次第にその開口面積が広くなり、制御切換弁のＳ_Ｈは、＋δを超えて＋Ｘ方向に横方向変位が生じると次第にその開口面積が広くなる。また、連通切換弁のＣ_Ｒは、＋Ｘ方向に横方向変位が生じると次第にその開口面積が小さくなり、＋δを超えると完全に閉じてしまう。連通切換弁のＣ_Ｈは、−Ｘ方向に横方向変位が生じると次第にその開口面積が小さくなり、−δを超えると完全に閉じてしまう。

以上説明したように、車体支持装置４０において、車両の横方向変位が制御切換距離の範囲である±δ以内の場合には引き戻す推力をほとんど発生させず、制御切換距離±δを超える横方向変位の場合に、その横方向変位を引き戻す推力を発生する作用を有する。

本発明に係る実施の形態における車体支持装置が適用される車両の構成図である。本発明に係る実施の形態において、車体支持装置の正面断面図、平面断面図である。図２（ａ）の一部を拡大した拡大平面断面図である。本発明に係る実施の形態において、車両が中立状態にある場合について、スリーブ・スプール機構の状態を示す図である。本発明に係る実施の形態において、車両が中立状態にある場合について、ピストン・シリンダ機構における気体圧の状態を示す図である。本発明に係る実施の形態において、車両が中立状態にある場合について、車体支持装置の作動点を示す図である。本発明に係る実施の形態において、車両が＋Ｘ方向に変位した場合について、スリーブ・スプール機構の状態を示す図である。本発明に係る実施の形態において、車両が＋Ｘ方向に変位した場合について、ピストン・シリンダ機構における気体圧の状態を示す図である。本発明に係る実施の形態において、車両が＋Ｘ方向に変位した場合について、車体支持装置の作動点を示す図である。本発明に係る実施の形態において、車両が−Ｘ方向に変位した場合について、スリーブ・スプール機構の状態を示す図である。本発明に係る実施の形態において、車両が−Ｘ方向に変位した場合について、ピストン・シリンダ機構における気体圧の状態を示す図である。本発明に係る実施の形態において、車両が−Ｘ方向に変位した場合について、車体支持装置の作動点を示す図である。本発明に係る実施の形態において、制御切換弁と連通切換弁の開口面積と変位量との関係を説明する図である。

符号の説明

１０車両、１２車体部、１４台車部、１６空気ばね、１８中心ピン、２０車輪、２２コイルばね、２４レール、２６ダンパ、２８ストッパゴム、４０車体支持装置、４２シリンダ筐体、４４ピストンヘッド、４６ピストンロッド、４８，５０，７０，７２気体室、５２ヘッド側給気口、５４ロッド側給気口、５６，５７排気開口、５８排気絞り、６０スプール、６２ランド部、６４，７４接続口、６６気体流路、８０，８２切換溝。

Claims

車両の車体側又は台車側のいずれか一方側に接続されたシリンダ筐体と、車両の車体側又は台車側の他方側に接続されたピストン部とを有する流体圧シリンダであって、シリンダ筐体とピストン部のピストンヘッドとで仕切られる２つの気体室をヘッド側気体室及びロッド側気体室とし、ヘッド側気体室及びロッド側気体室にそれぞれ制御気体圧が供給される流体圧シリンダと、
流体圧シリンダのピストン部をスリーブとし、一方端がシリンダ筐体に固定され、他方端にランド部を有してスリーブの中を移動可能なスプールを有するスリーブ・スプール機構であって、スリーブ内壁とランド部とで仕切られる２つの気体室をロッド側の第１気体室とヘッド側の第２気体室とし、ロッド側の第１気体室はヘッド側気体室と連通し、ヘッド側の第２気体室はロッド側気体室と連通するスリーブ・スプール機構と、
を備え、
スリーブに設けられ大気に開放される制御切換溝とスプールに設けられたランド部との協働により、
車両の横方向移動方向がロッド側気体室からヘッド側気体室の方向であるとき、ロッド側気体室を大気開放し、シリンダ筐体に対しピストン部をロッド側気体室側に移動させ、
車両の横方向移動方向がヘッド側気体室からロッド側気体室の方向であるとき、ヘッド側気体室を大気開放し、シリンダ筐体に対しピストン部をヘッド側気体室側に移動させることを特徴とする車体支持装置。
請求項１に記載の車体支持装置において、
スプールは、ヘッド側気体室に向けて開口する一方端と、第１気体室に向けて開口する他方端とを有する気体流路を内部に有し、
第２気体室にはロッド側気体室に向けて開口する接続口が設けられることを特徴とする車体支持装置。
請求項１に記載の車体支持装置において、
スリーブ・スプール機構は、スリーブとスプールとの相対位置関係が中立位置にあるときは、ロッド側気体室もヘッド側気体室も共に大気開放せず、スプールがスリーブに対し中立位置より所定の制御切換距離を移動したときにロッド側気体室又はヘッド側気体室を大気開放するように、制御切換溝とランド部との間の位置関係が設定されることを特徴とする車体支持装置。
請求項１、請求項２、請求項３のいずれか１に記載の車体支持装置において、
制御切換溝と異なる位置関係でスリーブに設けられる連通切換溝を備え、
連通切換溝とスプールに設けられたランド部との協働により、
スリーブとスプールとの相対位置関係が中立位置にあるとき、ロッド側気体室とヘッド側気体室とを連通させ、スプールがスリーブに対し中立位置より所定の連通切換距離を移動したとき、ロッド側気体室とヘッド側気体室との間の連通を止めるように、連通切換溝とランド部との間の位置関係が設定されることを特徴とする車体支持装置。
請求項４記載の車体支持装置において、
連通切換溝は、制御切換溝と異なる周方向位置でスリーブに設けられることを特徴とする車体支持装置。
請求項４記載の車体支持装置において、
連通切換溝は、大気に開放されることを特徴とする車体支持装置。