JP5501669B2 - レベリングバルブ - Google Patents

Description

この発明は、鉄道車両の空気ばねへの圧縮空気の供給と、空気ばねからの空気の放出とを行うレベリングバルブに関する。

鉄道車両の空気ばねに圧縮空気を供給し、あるいは空気ばねから空気を放出することで、空気ばねによる鉄道車両の支持位置を一定に保つレベリングバルブが、特許文献１と２に開示されている。

これらのレベリングバルブは、車体の荷重が増加して車体が台車に対して沈み込むと、コンプレッサから空気ばねに圧縮空気を供給して車体の支持位置を上昇させる。車体の荷重が減少して車体が台車から浮き上がると、空気ばねの空気を大気中にドレーンすることで、車体の支持位置を下降させる。

鉄道車両は台車に対する車体の支持位置に応じて回動するレバーを備えている。レベリングバルブは空気ばねに至る空気ばね通路を、レバーの回動位置に応じて、コンプレッサとドレーンに選択的に接続する。

特許文献１によれば、レベリングバルブは先端を開口した中空のスプールと、スプール先端に形成した大径部と、スプールを収装するスプール孔と、スプールに軸方向から相対してスプール孔を閉鎖する弁体とを備える。

スプールはレバーに連結され、レバーの回動位置に応じてスプール孔内を軸方向に変位する。弁体はスプリングに付勢されてスプール孔の開口部に着座する。弁体の周囲にはコンプレッサからの圧縮空気が導かれる。スプールの中空部はドレーンに連通する。ドレーンは大気に解放されている。大径部を挟んで弁体と反対側のスプールの外周に臨んで空気ばね通路のポートがスプール孔に開口する。

レバーがニュートラル位置にある場合には、弁体は弁座に着座し、スプールは先端を弁体に当接している。この状態では空気ばね通路はコンプレッサからもドレーンからも遮断される。レバーがニュートラル位置にある時の車体の支持位置を車体のニュートラル位置と称する。

ニュートラル位置の車体が台車に対して沈み込むと、回動するレバーが弁体をリフトさせる方向にスプールを駆動する。弁体がリフトすると弁体の周囲にコンプレッサから導かれた圧縮空気が、スプール孔とスプールの大径部とがなす環状隙間を介して空気ばね通路に流入する。

車体が台車に対してさらに沈み込むと、スプールは弁体をより大きくリフトさせるとともに、大径部がスプール孔の外側へ突出することで、大径部とスプール孔との間に形成されていた環状隙間が消滅する。その結果、空気ばね通路に流入する圧縮空気の流通断面積が急激に増大し、大量の圧縮空気が空気ばね通路に供給される。
一方、ニュートラル位置から車体が台車に対して浮き上がると、レバーは弁体から後退する方向にスプールを駆動する。その結果、弁体はスプール孔を閉鎖状態に保持するが、スプールの先端と弁体とが離間するので、スプールの中空部とスプールの外周に臨む空気ばね通路とが、スプール孔と大径部との環状隙間を介して接続される。その結果、空気ばねの空気が空気ばね通路から環状隙間とスプールの中空部を介して大気中に放出される。

車体が台車に対してさらに浮き上がると、スプールは空気ばね通路の開口部付近まで大きく後退し、結果として空気ばねの空気は、スプール孔と大径部との環状隙間を介さずに、空気ばね通路から直接スプールの中空部へ流出する。これにより、空気ばね通路からスプールの中空部に至る流路の流通断面積が急激に拡大し、大量の空気が空気ばね通路を介して大気中に放出される。

このようにして、台車に対する車体の支持位置がニュートラル位置の近くにある場合には、空気ばねへの圧縮空気の供給と、レベリングバルブは空気ばねからの空気の放出のいずれについても、環状隙間の流通抵抗のもとで微少流量の空気を流通させ、空気ばねによる車体の支持位置をニュートラル位置へと修正する。一方、台車に対する車体の支持位置がニュートラル位置から大きくはずれた場合には、空気ばねへの空気の供給と空気ばねからの空気の放出のいずれについても、レベリングバルブは環状隙間に規制されない大きな流通断面積のもとで空気を移動させる。大量の空気の移動により空気ばねによる車体の支持位置は速やかにニュートラル位置付近へと修正される。

特開２００４−５２８８９号公報 特開２００１−３１５５１６号公報

レベリングバルブの以上の流量特性は図４に示される。すなわち、スプールを駆動するレバーがニュートラル位置付近で回動する場合には、空気ばねへの圧縮空気の供給、空気ばねからの空気の放出のいずれについても、環状隙間の流通抵抗のためにレベリングバルブの空気流量は小さい。レバーが一定角度を超えて回動すると、環状隙間が消滅し、レベリングバルブは大流量の空気を流通させる。

図４から分かるように、レベリングバルブは空気ばねへの圧縮空気の供給時と、空気ばねからの空気の放出時とで同じ特性を発揮する。すなわち、流量特性の曲線は図４の縦軸を中心に左右対称形をなしている。しかしながら、空気ばねの設計の自由度を確保し、あるいはニュートラル位置付近における空気の給排に関してハンチングが生じないようにするには、空気ばねへの圧縮空気の供給時と、空気ばねからの空気の放出時とで異なる流量特性の設定が必要になる場合がある。

この発明はレベリングバルブの流量特性に関する上記の必要を満たすべく、空気ばねへの圧縮空気の供給時と、空気ばねからの空気の放出時とで異なる流量特性を備えたレベリングバルブを簡易な構成で実現することを目的とする。｀

この発明によるレベリングバルブは、スプール孔と、負荷の昇降に応じてスプール孔内を軸方向に変位する中空のスプールと、スプールの外周に形成した、スプールの他の部位より大径の大径部と、スプールに相対してスプール孔の開口部を閉鎖する弁体と、弁体をスプール孔の閉鎖方向に付勢するスプリングと、空気圧供給源及びドレーンの一方をスプールの中空部に接続する第１の通路と、負荷を支持する空気ばねに連通し、スプールの外周に臨む空気ばね通路と、空気圧供給源及びドレーンのもう一方を、弁体のスプール孔の開口部からのリフトに応じて、スプール孔と大径部とがなす環状隙間に接続する第２の通路とを備えたレベリングバルブにおいて、スプール孔を大径部より大径に形成する一方、大径部との間に前記環状隙間を形成する、スプール孔の他の部位より径の小さな縮径部をスプール孔に形成し、大径部と縮径部の軸方向長さを互いに異なる値に設定している。

大径部と縮径部の軸方向長さを互いに異なる値に設定することで、スプールが弁体との当接位置から弁体をリフトさせる方向へ変位する場合と、スプールが弁体との当接位置から、弁体から遠ざかる方向へ変位する場合とで、縮径部と大径部の間に環状隙間が形成されなくなるまでのスプールの移動距離に違いが生じる。したがって、空気ばねに空気圧を供給する動作と、空気ばねの空気を放出する動作とに関して、異なる流量特性を設定することが可能になる。その結果、流量特性に関する設計の自由度が増し、空気ばね剛性との最適なマッチングを実現できる。さらに、空気の供給と放出に関して異なる流量特性を備えたレベリングバルブは、高い応答性を維持しつつニュートラル位置付近でのハンチングを起こしにくい特性をもつことができる。

この発明の一実施例を示すレベリングバルブの縦断面図である。 レベリングバルブの大径部と縮径部の寸法設定に関する一例を説明するレベリングバルブ要部の拡大側面図と、その流量特性を示すダイアグラムである。 レベリングバルブの大径部と縮径部の寸法設定に関する別の一例を説明するレベリングバルブ要部の拡大側面図と、その流量特性を示すダイアグラムである。 従来技術によるレベリングバルブの流量特性を示すダイアグラムである。

図面を参照して、この発明の一実施形態によるレベリングバルブ１について説明する。

図１を参照すると、この発明の一実施形態によるレベリングバルブ１は、鉄道車両の台車と、台車に空気ばねを介して支持された車体との間に介装され、車体の台車に対する支持高さを一定に保持する役割をもつ。

レベリングバルブ１は車体に装着され、レバー２とリンクとを介して台車に連結される。レバー２の先端はレベリングバルブ１のスプール３に連結される。車体の荷重変化により空気ばねによる車体の支持高さが変化すると、この変化がリンクを介してレバー２を揺動させ、レバー２の先端に連結したスプール３を軸方向に駆動する。レベリングバルブ１はスプール３の変位に応じて、空気ばねに接続された空気ばね通路４に、空気圧供給源としてのコンプレッサに接続された第１の通路５と、ドレーンに接続された第２の通路６を選択的に接続する。なお、ドレーンは大気に解放される。

レベリングバルブ１は車体に固定されるバルブハウジング７を備える。バルブハウジング７にはスプール３を収装するスプール孔８が形成される。スプール孔８の両端はそれぞれバルブハウジング７内のスペース９、１０に開口する。一方のスペース９にはスプール３とレバー２の連結部が収装される。スペース９には第２の通路６が接続される。

スペース１０には弁体１１が収装される。弁体１１はスペース１０内に配置されたスプリング１２により、スプール３と反対側からスプール孔８の開口部に向けて付勢され、開口部に形成された弁座に着座することで開口部をスペース１０に対して閉鎖する。スペース１０には第１の通路５が接続される。

空気ばね通路４はスプール３の外周に臨んでスプール孔８の内側に開口する。スプール３には中空部３Ａが形成される。中空部３Ａはスプール３の弁体１１に向いた端面に開口する。中空部３Ａはまた、スプール３の反対側の端部にラジアル方向に形成したドレーンポート３Ｂを介してスペース９に常時連通する。

スプール３の弁体１１に向いた端部には大径部３Ｃが形成される。これに対して、スプール孔８には縮径部８Ａが形成される。縮径部８Ａから空気ばね通路４の開口部に至る区間においてスプール孔８はスプール３に対して十分な大径に形成される。スプール孔８のこの部分を拡径部８Ｂと称する。拡径部８Ｂよりスペース９側においては、スプール孔８はスプール３に摺接する径に形成される。この摺接部にはリングシール１３が配置される。

拡径部８Ｂとスプール３との間のスペースは空気の流通に格別の抵抗を与えない程度に十分な断面積を備える。一方、縮径部８Ａと大径部３Ｃとがなす環状隙間はこれより大幅に狭く、空気の通過に対して明らかな抵抗を発生させる。

図２と図３を参照すると、ここでは縮径部８Ａの軸方向長さをａ、大径部３Ｃの軸方向長さをｂとする。このレベリングバルブ１においてはａ≠ｂの関係を満足するように、縮径部８Ａの軸方向長さａと大径部３Ｃの軸方向長さｂを設定する。

再び図１を参照すると、このレベリングバルブ１においてはレバー２の中心線とスプール３の中心軸とが直角をなす位置が、スプール３のニュートラル位置に設定される。スプール３はニュートラル位置において先端を閉鎖位置の弁体１１に当接する。ただし、ニュートラル位置ではスプール３は弁体１１にいかなるリフト力をも及ぼさない。この状態が得られるように、スプール３の位置とレバー２の揺動角との関係をあらかじめ調整する。

ニュートラル位置のレベリングバルブ１においては、弁体１１がスプール孔８の開口部を閉鎖し、スプール３の先端が弁体１１に当接している。したがって、環状隙間を介したスペース１０と空気ばね通路４との連通は遮断されている。環状隙間を介したスプール３の中空部３Ａと空気ばね通路４との連通も遮断されている。そのため、空気ばね通路４は実質的に閉鎖され、空気ばねへの空気の給排は行われない。この状態で、空気ばねは車体をあらかじめ設定された支持位置に保持する。この支持位置が車体のニュートラル位置に相当する。

ところで、例えば車両の乗客の乗降により、車体が空気ばねに及ぼす負荷が変動すると、空気ばねが負荷の増減に応じて伸縮し、空気ばねによる車体の支持位置に変化が生じる。レベリングバルブ１はこうした負荷変動に対して車体をニュートラル位置に保つべく空気ばねの圧力を自動調整する。

次にレベリングバルブ１の作用を説明する。

車体の支持位置がニュートラル位置から僅かに上昇した場合には、レバー２を介してスプール３は図の左側へ駆動される。スプール３のこの変位により、スプール３の先端が弁体１１から離間し、スプール３の先端と弁体１１の間に生じる隙間を介してスプール３の内側と外側とが連通する。より詳しくは、縮径部８Ａと大径部３Ｃの間の環状隙間を介してスプール３の中空部３Ａと空気ばね通路４とが連通する。その結果、空気ばねの空気が空気ばね通路４、縮径部８Ａと大径部３Ｃの間の環状隙間、スプール３と弁体１１の隙間、スプール３の中空部３Ａ、及びドレーンポート３Ｂを介して大気に放出される。この時、縮径部８Ａと大径部３Ｃの環状隙間が通過する空気に対して流通抵抗を発生させる。したがって、車体はゆっくりと降下してニュートラル位置に至る。

これに対して、車体の支持位置が大幅に上昇した場合には、スプール３は図の左側へ大きく変位する。その結果、スプール３の大径部３Ｃは縮径部８Ａから図の左側へと抜け出し、環状隙間は存在しなくなる。この状態で空気ばねから大気中に向けて流出する空気は、環状隙間の流通抵抗を受けずに流出するので、大量の空気が空気ばねから放出され、車体は速やかに降下する。

このように、車体の上昇位置がニュートラル位置に近い場合には、レベリングバルブ１は環状隙間の抵抗のもとで少量ずつ空気ばねから空気を放出して、車体の支持位置をゆっくりと降下させる。車体の上昇位置がニュートラル位置から大きく隔たっている場合には、レベリングバルブ１は環状隙間の抵抗なしに、空気ばねから空気を放出し、車体の支持位置を速やか降下させる。

なお、この場合も車体の支持位置がニュートラル位置に近づくと、レバー２に駆動されるスプール３は弁体１１に接近する方向へと変位し、大径部３Ｃが縮径部８Ａに侵入して、大径部３Ｃと縮径部８Ａの間に環状隙間を形成する。以後、車体の支持位置は環状隙間の流通抵抗により、ゆっくりと降下し、最終的にニュートラル位置に戻る。

車体の支持位置がニュートラル位置に戻ると同時にスプール３は先端を弁体１１に当接する。以後、空気ばね通路４とドレーンの接続は遮断され、空気ばねからの空気の放出も遮断される。車体は荷重条件に新たな変動が生じるまで、ニュートラル位置に保持される。

一方、車体の支持位置がニュートラル位置から僅かに下降した場合には、レバー２はスプール３を図の右方向へと駆動する。スプール３のこの変位により弁体１１がスプール孔８の開口部からリフトし、スペース１０と空気ばね通路４とが大径部３Ｃと縮径部８Ａによる環状隙間を介して連通する。スプール３の先端が弁体１１に当接しているため、空気ばね通路４とドレーンとの連通は遮断される。

この状態では，コンプレッサからの圧縮空気が、大径部３Ｃと縮径部８Ａによる環状隙間を介して空気ばね通路４に流入し、空気ばねは圧縮空気の供給により膨張する。この時、縮径部８Ａと大径部３Ｃの環状隙間が通過する空気に対して流通抵抗を発生させる。したがって、車体はゆっくりと上昇してニュートラル位置に至る。

車体の支持位置がニュートラル位置から大幅に下降した場合には、スプール３は図の右側へ大きく変位する。スプール３の大径部３Ｃは弁体１１を押圧しつつスプール孔８の外側へ突出し、環状隙間は存在しなくなる。この状態でスペース１０から空気ばねへと流入する圧縮空気はスプール孔８とスプール３の間のスペースを通って空気ばね通路４に抵抗なく流入する。したがって、大量の圧縮空気が空気ばねに供給され、空気ばねは速やかに車体の支持位置を上昇させる。

このように車体の下降位置がニュートラル位置に近い場合には、レベリングバルブ１は環状隙間の抵抗のもとで少量ずつスペース１０から空気ばね通路４を介して空気ばねに圧縮空気を供給し、車体をゆっくりと上昇させる。車体の下降位置がニュートラル位置から大きく隔たっている場合には、レベリングバルブ１は環状隙間の抵抗なしに、空気ばねに大量の圧縮空気を供給し、車体の支持位置を速やかに上昇させる。

なお、この場合も車体の支持位置がニュートラル位置に近づくと、レバー２に駆動されるスプール３は図の左側へと変位し、大径部３Ｃが再び縮径部８Ａに侵入して、大径部３Ｃと縮径部８Ａの間に環状隙間を形成する。以後、車体の支持位置は環状隙間の流通抵抗により、ゆっくりと上昇し、最終的にニュートラル位置に戻る。

このレベリングバルブ１においては、前述のように、スプール孔８の縮径部８Ａの軸方向長さａとスプール３の大径部３Ｃの軸方向長さｂは異なる値に設定されている。この設定が及ぼす作用を次に説明する。

図２（ａ）は大径部３Ｃの軸方向長さｂが縮径部８Ａの軸方向長さａを上回る場合を示す。この場合には、スプール３が図の左方向に変位する場合には、スプール３の変位距離がａに達すると環状隙間が消滅するのに対して、スプール３が図の右方向に変位する場合は、スプール３の変位距離がｂに達するまで環状隙間は消滅しない。

その結果、レベリングバルブ１の流量特性は図２（ｂ）に示すように、空気ばねへの空気供給時と空気ばねからの空気放出時とで異なる流量特性を示す。すなわち、スプール３が図２（ａ）の左方向へ作動する空気放出時においては、スプール３の変位距離がａに達すると流通抵抗が急減して，流量が急増するのに対して、スプール３が図２（ａ）の右方向へ作動する空気供給時においては、同様の減少はスプール３の変位距離がｂに達するまで生じない。つまり、車体のニュートラル位置からの上昇に対しては、比較的早期に大量の空気が空気ばねから大気中に放出され、早期に車体の本格的な下降操作が実行されるのに対して、車体のニュートラル位置からの下降に対しては、車体が大幅に下降するまで、スペース１０から空気ばねに供給される圧縮空気の流量が小さく抑えられる。言い換えれば、一定範囲を超えた車体の昇降に関して、上昇した車体の下降操作は、下降した車体の上昇操作より迅速に行われることになる。

一方、図３（ａ）は縮径部８Ａの軸方向長さａが大径部３Ｃの軸方向長さｂを上回る場合を示す。この場合も、スプール３が図の左方向に変位する場合には、スプール３の変位距離がａに達すると環状隙間が消滅し、スプールが図の右方向に変位する場合は、スプール３の変位距離がｂに達すると環状隙間が消滅する。しかしながら、図２（ａ）のケースと逆にａ＞ｂの関係があるので、レベリングバルブ１の流量特性は図３（ｂ）に示すように、空気ばねへの空気供給時と空気ばねからの空気放出時とで異なる流量特性を示す。すなわち、車体のニュートラル位置からの下降に対しては比較的早期に空気ばねに大量の空気が供給され、速やかに車体の上昇操作が実行されるのに対して、車体のニュートラル位置からの上昇に対しては、車体が大幅に上昇するまで、空気ばねから大気中に放出される空気の流量が小さく抑えられる。言い換えれば、一定範囲を超えた車体の昇降に関して、下降した車体の上昇操作は、上昇した車体の下降操作より迅速に行われることになる。

以上のように、このレベリングバルブ１においては、ａ＞ｂの場合も、ｂ＞ａの場合も、環状隙間による微小流領域の範囲が、空気の供給側と空気の放出側とで互いに異なる。このレベリングバルブ１においては、ａとｂの値の設定により流量特性の違いを任意に実現なため、車体を支持する空気ばねに求められる剛性に応じて、実際の空気ばねの特性を最適にマッチングさせることが可能になる。なお、ａ＞ｂの設定とｂ＞ａの設定のいずれかを選択するかは、空気ばねによる車体の支持条件を考慮して決定すれば良い。

また、車両の好ましい安定度や好ましい乗り心地を実現するための空気ばねの特性の設定に関して、このレベリングバルブ１を用いることで設定の自由度を増加させることができる。

さらに、図２（ｂ）や図３（ｂ）に示すように、このレベリングバルブ１は非対称形の流量特性を備えるため、レベリングバルブ１は高い応答性を維持しつつ、ニュートラル位置付近でハンチングを起こしにくいという好ましい特性をもつ。

以上、この発明を特定の実施形態を通じて説明してきたが、この発明は上記の実施形態に限定されるものではない。当業者にとっては、特許請求の範囲内で上記の実施形態にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。

例えば、上記の実施形態では、第１の通路５を空気圧供給源としてのコンプレッサに接続し、第２の通路６をドレーンに接続している。しかしながら、第１の通路５をドレーンに接続し、第２の通路を空気圧供給源としてのコンプレッサに接続することも可能である。

この発明によるレベリングバルブは、鉄道車両の車体の空気ばねを用いた支持位置の自動調整に適している。

１ レベリングバルブ
２ レバー
３ スプール
３Ａ 中空部
３Ｃ 大径部
４ 空気ばね通路
５ 第１の通路
６ 第２の通路
８ スプール孔
８Ａ 縮径部
１１ 弁体
１２ スプリング

Claims (5)

1. スプール孔と、
   負荷の昇降に応じて前記スプール孔内を軸方向に変位する中空のスプールと、
   前記スプールの外周に形成した、スプールの他の部位より大径の大径部と、
   前記スプールに相対して前記スプール孔の開口部を閉鎖する弁体と、
   前記弁体を前記スプール孔の閉鎖方向に付勢するスプリングと、
   空気圧供給源及びドレーンの一方を前記スプールの中空部に接続する第１の通路と、
   負荷を支持する空気ばねに連通し、前記スプールの外周に臨む空気ばね通路と、
   前記空気圧供給源及び前記ドレーンのもう一方を、前記弁体の前記スプール孔の前記大径部からのリフトに応じて、前記スプール孔と前記大径部とがなす環状隙間に接続する第２の通路とを備えたレベリングバルブにおいて、
   前記スプール孔を前記大径部より大径に形成する一方、前記大径部との間に前記環状隙間を形成する、前記スプール孔の他の部位より径の小さな縮径部を前記スプール孔に形成し、
   前記大径部と前記縮径部の軸方向長さを互いに異なる値に設定したことを特徴とするレベリングバルブ。
2. 前記大径部を前記縮径部より軸方向に長く設定したことを特徴とする請求項１に記載のレベリングバルブ。
3. 前記縮径部を前記大径部より軸方向に長く設定したことを特徴とする請求項１に記載のレベリングバルブ。
4. 前記第１の通路は前記ドレーンを前記スプールの中空部に接続し、前記空気ばね通路は前記空気圧供給源を前記弁体の前記スプール孔の前記大径部からのリフトに応じて環状隙間に接続することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のレベリングバルブ。
5. 前記第１の通路は前記空気圧供給源を前記スプールの中空部に接続し、前記空気ばね通路は前記ドレーンを前記弁体の前記スプール孔の前記大径部からのリフトに応じて環状隙間に接続することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のレベリングバルブ。

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