JP5513175B2 - 鉄道車両の車体傾斜装置 - Google Patents

Description

本発明は、台車と車体との間に進行方向に対して左右１対の空気バネを配置し、これら空気バネの高さを空気バネ内への加圧エアの給排気により制御して車体を傾斜可能とする鉄道車両の車体傾斜装置に関し、特に空気バネ内から排気される圧縮空気を空気バネの給気側へ還流する鉄道車両の車体傾斜装置に関する。

従来より、鉄道車両の旋回走行時における乗客の乗り心地を改善するため、曲線区間において旋回外側のレール高さを旋回内側のレール高さよりも高くするようにレールに高低差（カント）が設けられている。これにより、旋回走行時の車両は、旋回内側に傾斜した姿勢となり、車両に加わる遠心力の車体床面に平行な成分を低減することができると共に車両に加わる車体床面に垂直な成分を増大して走行安定性を増して、乗客の乗り心地を改善している。

カントを大きくした場合、速度が低い車両や停止車両が横転し易くなるため、カントの上限は法規によって定められている。それ故、高速車両が曲線区間を走行するとき、乗客にかかる遠心力を十分に抑制することができない。そこで、旋回走行時に台車に対して車体の姿勢を傾斜可能な車体傾斜装置が提案されている。鉄道車両の車体傾斜方式としては、曲線区間を走行するときに車体に発生する遠心力を利用した振り子式車体傾斜方式、油圧等によるアクチュエータにより車体を強制的に傾斜させる強制車体傾斜方式等があり、強制車体傾斜方式には台車と車体間の枕バネとして用いられる空気バネを利用した空気バネ式車体傾斜方式が存在している。

一般に、車体傾斜装置の空気バネは、車両のブレーキや車両ドア等の駆動動力源として設けられた鉄道車両に搭載されたコンプレッサによって供給される圧縮空気（以下、「加圧エア」と言う。）を貯留可能なＭＲ（Main Reservoir）タンク（以下、「メインタンク」と言う。）に接続され、旋回走行時は、旋回外側の空気バネとメインタンクとを連通して加圧エアを導入し、旋回走行終了時は、旋回外側の空気バネとメインタンクとの間を遮断すると共に旋回外側の空気バネ内の圧縮空気を大気中へ放出している（以下、空気バネ内から排気される圧縮空気を「排気加圧エア」と言う。）。それ故、旋回走行を頻繁に行う曲線区間の場合、左右の空気バネに対する給排気が頻繁に行われ、その結果、メインタンク内の加圧エアの圧力が減少し、車体傾斜装置の作動応答性が低下する。また、メインタンク内の加圧エアの圧力が減少した場合、ブレーキや車両ドア等の作動に支障を生じるため、車体傾斜装置の作動制限が必要になる虞もある。そこで、空気バネによる加圧エアの消費量やコンプレッサの消費電力量を削減する車体傾斜装置も種々提案されている。

特許文献１には、台車の進行方向に対して左右両側に配置され車体を支持する左右１対の空気バネと、左右１対の空気バネを接続するパイプと、このパイプの間に可逆可変速回転可能な空気ポンプを備え、進行する車両がカント不足になる曲線区間を走行するとき、空気ポンプにより旋回内側の空気バネ内の加圧エアを旋回外側の空気バネ内へ送り込み、旋回外側の空気バネ高さを高くする車体傾斜装置が開示されている。

特許文献２は、曲線検出器と、コンプレッサにより加圧された外気を貯留可能な空気溜と、空気溜と接続した左右１対の空気バネと、夫々の空気バネにオリフィスを介して連通した第１補助空気室と、切換弁を介して第１補助空気室に連通した第２補助空気室等を備え、旋回走行時、旋回外側の切換弁を閉じて補助空気室を第１補助空気室のみに縮小した上で旋回外側の空気バネに加圧エアを給気し、旋回終了時、切換弁を開き補助空気室を拡大して旋回外側の空気バネ内から加圧エアを大気中へ排出する車体傾斜装置が開示されている。

特許文献３は、車体と台車との間に配設された１対の空気バネと、空気バネに給気可能な制御用空気圧回路と、空気バネの伸縮量を計測する伸縮量計測器と、曲線区間判定手段と、超過遠心加速度算出手段と、カント量過不足算出手段と、制御量算出手段等を備え、車両が曲線区間に到達したと判定されたとき、超過遠心加速度に基づきカント量の過不足を算出し、そのカント量の過不足を解消するように空気バネ内の加圧エアを給排制御して空気バネの伸縮量を調整している。

特開昭６４−４７６７２号公報 特開平５−２３８３８７号公報 特開平７−８１５５８号公報

特許文献１の車体傾斜装置は、一方の空気バネから他方の空気バネへ加圧エアを給気する専用の可逆可変速回転可能な空気ポンプが必要となるため、設備が大掛かりとなり製作コストの面で問題がある。また、一方の空気バネ（台車に対する車体の旋回外側の高さ）を上昇する場合、一方の空気バネに他方の空気バネの排気加圧エアを供給する必要があり、車体傾斜装置の制御が複雑になる虞がある。

特許文献２の車体傾斜装置は、左右１対の空気バネがメインタンク（空気溜）から供給された加圧エアによって夫々独立して作動可能且つ空気バネの補助空気室が縮小・拡大可能に構成されている。しかし、旋回走行時、旋回内側の空気バネ内から大気中へ放出する排気加圧エア量と、コンプレッサにより外気を圧縮した加圧エアを貯留するメインタンクから旋回外側の空気バネ内へ供給される加圧エア量との合計に相当する加圧エアが消費される。
それ故、大気圧の外気をコンプレッサにより大量に圧縮してメインタンク内へ補充するため、コンプレッサの負荷が大きく、コンプレッサの消費電力量が増加し、コンプレッサが大型化するうえ、メインタンクへ加圧エアを充填する頻度も多くなるため、大型のメインタンクが必要となる。空気バネ内から排気加圧エアを大気中へ放出する際には、排気騒音が発生し、コンプレッサの負荷増加により騒音や振動が増加する。

特許文献３の車体傾斜装置は、車体重量を殆ど増加することなく、カント量の過不足を解消するように空気バネ内の加圧エアを給排制御して超過遠心加速度を抑制している。しかし、曲線区間走行の度に、曲線区間の入口において旋回外側の空気バネ全高を上昇させるために供給された加圧エアが、曲線区間の出口において同じ旋回外側の空気バネ全高を上昇した状態から元の通常の高さまで下降させるために大気へ排気（消費）されるため、排気騒音と外気を圧縮するコンプレッサの電力量の増加等の面で特許文献２の車体傾斜装置と同様の課題が残る。

本発明の目的は、コンプレッサの消費電力量を低減する車体傾斜装置、メインタンク内の加圧エアの消費を抑制可能な車体傾斜装置、空気バネによる車体傾斜装置の作動応答性の低下を防止可能な車体傾斜装置、エア排気時の排気加圧エアによる排気騒音を低減可能な車体傾斜装置等を提供することである。

請求項１の鉄道車両の車体傾斜装置は、台車に対して車体を支持する進行方向に対して左右に対をなす少なくとも１対の空気バネと、該１対の空気バネに供給する加圧エアを貯留するメインタンクと、このメインタンクに加圧エアを供給するコンプレッサとを有し、前記１対の空気バネの少なくとも一方に前記加圧エアを供給して鉄道車両の車体を傾斜させる鉄道車両の車体傾斜装置において、左右の空気バネに接続され、且つ該空気バネから排気された排気加圧エアを通過させる排気通路と、前記空気バネから排気される排気加圧エアの流量を調整可能に構成される排気弁手段と、前記排気通路に接続され且つ前記各空気バネから排気された排気加圧エアを貯留する排気エアタンクと、前記排気エアタンクから前記コンプレッサの吸入口へ排気加圧エアを還流させる還流通路とを設けたことを特徴としている。

この車体傾斜装置においては、空気バネから排気された排気加圧エアを貯留する排気エアタンクと排気エアタンクからコンプレッサの吸入口へ排気加圧エアを還流させる還流通路とを備えたため、空気バネ内の加圧エアを大気中に放出することなく、空気バネから排気された排気加圧エアをコンプレッサを介してメインタンクに還流することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記メインタンクから延びるエア供給通路を介して左右の空気バネに接続された１対の給気通路と、これら給気通路に夫々介装された１対のエア供給用調整弁とを備えたことを特徴としている。
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記排気エアタンクから延びるタンク排気通路と、前記タンク排気通路に介装されたエア放出用排気弁と、前記排気エアタンクに外気を吸入可能な逆止弁付きの外気吸入路とを備えたことを特徴としている。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記１対の空気バネ内の加圧エアの圧力を検出する１対の第１圧力検出手段と、前記排気エアタンク内の排気加圧エアの圧力を検出する第２圧力検出手段と、前記１対の第１圧力検出手段の検出信号と第２圧力検出手段の検出信号とを受ける制御手段であって、前記１対のエア供給用調整弁と１対の排気弁手段とエア放出用排気弁とを制御する制御手段とを備えたことを特徴としている。

請求項５の発明は、請求項１〜４の何れか１つの発明において、前記排気弁手段は、通路面積を連続的に変更可能に構成されたことを特徴としている。
請求項６の発明は、請求項１〜４の何れか１つの発明において、前記排気弁手段は、並列接続された複数の開閉弁を有し、通路面積を不連続的に変更可能に構成されたことを特徴としている。

請求項７の発明は、台車に対して車体を支持する進行方向に対して左右に対をなす少なくとも１対の空気バネと、これら空気バネに供給する加圧エアを貯留するメインタンクと、このメインタンクに加圧エアを供給するコンプレッサとを有する鉄道車両の車体傾斜装置において、左右の空気バネに接続され、且つ該空気バネから排気された排気加圧エアを通過させる排気通路と、前記排気通路に介装された排気弁手段と、前記排気通路に接続され且つ前記各空気バネから排気された排気加圧エアを貯留する排気エアタンクと、前記排気エアタンクから前記コンプレッサの吸入口へ排気加圧エアを還流させる還流通路とを設け、前記還流通路には、前記コンプレッサへ外気を吸入させる位置と排気加圧エアを吸入させる位置とに切換え可能な三方切換弁を設けたことを特徴としている。
請求項８の発明は、請求項４の発明において、前記制御手段は、台車に対する車体の傾斜角の指令信号に基づき、旋回走行における旋回外側の空気バネの全高が旋回内側の空気バネの全高よりも高くなるように１対のエア供給用調整弁と１対の排気弁手段とエア放出用排気弁とを制御することを特徴としている。

請求項１の発明によれば、旋回走行時には、旋回外側の空気バネに加圧エアを供給して台車に対する車体の傾斜角を調整しながら、旋回走行終了時に、排気加圧エアを大気中へ放出せずに、空気バネから排気エアタンクに排気し、その排気加圧エアを還流通路を介してメインタンクに還流するため、大気圧の外気を圧縮して加圧エアをメインタンクに供給する場合と比べてコンプレッサの負荷を低減しその消費電力を大幅に低減でき、コンプレッサの小型化を図ることができる。
しかも、コンプレッサからメインタンクへ加圧エアを充填する充填能力が増すため、メインタンク内の加圧エアの圧力低下を防止でき、メインタンクの小型化を図ることもできる。コンプレッサの負荷が低減するため、コンプレッサの作動に起因する騒音や振動等を抑えることもできるうえ、空気バネ内の加圧エアを大気中へ放出しないため、エア排気時の排気加圧エアによる排気騒音を低減することができる。

請求項２の発明によれば、１対のエア供給用調整弁を介してメインタンクから１対の空気バネに夫々加圧エアを供給でき、簡単な構成で夫々の空気バネを独立して制御できる。
請求項３の発明によれば、排気エアタンク内のエア圧を大気圧以上の所定の圧力範囲に保つことができ、圧力差を利用して排気加圧エアを空気バネから排気エアタンクへ排出し、排気エアタンクからコンプレッサの吸入口へ供給することができる。

請求項４の発明によれば、第１，第２圧力検出手段で検出したエア圧に基づいて、排気エアタンク内の圧力を空気バネ内の圧力より低く圧力制御できるため、空気バネから排気エアタンクへの排気加圧エアの排出を圧力差を利用して確実に制御することができ、空気バネを含む車体傾斜装置の作動応答性の低下を防止できる。

請求項５の発明によれば、排気弁手段は排気加圧エアが流れる通路面積を連続的に変更可能であるため、空気バネから排気エアタンクへ排気加圧エアを排気する際の排出速度を連続的に制御することができる。
請求項６の発明によれば、並列接続された複数の開閉弁を有し、排気加圧エアが流れる通路面積を不連続的に変更可能なため、簡単な構成で空気バネから排気エアタンクへ排気加圧エアを排気する際の排出速度を調節することができる。

請求項７の発明によれば、三方切換弁がコンプレッサへ外気を吸入させる位置と排気加圧エアを吸入させる位置とに切換え可能であるため、コンプレッサへ外気を吸入したり、排気加圧エアを吸入したりすることができる。
請求項８の発明によれば、車両の旋回走行状態のときメインタンクから旋回外側の空気バネへ加圧エアを供給して車体を傾斜させることで乗客の乗り心地の悪化を防止できる。

本発明の実施例１に係る鉄道車両の正面から見た概略縦断面図である。 鉄道車両の信号の流れを示す概略平面図である。 車体傾斜装置の制御ブロック図である。 旋回走行時の図１相当図である。 実施例２に係る排気弁を含む要部拡大図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。
尚、以下の実施例において、鉄道車両の進行方向に対して前後方向を前後方向とし、鉄道車両の進行方向に対して左右方向を左右方向として説明する。

以下、本発明の実施例１について図１〜図４に基づいて説明する。
ボルスタレス式鉄道車両１は、乗客が搭乗する車体２と、軌道３を走行する車輪４を有する台車５と、車体２と台車５との間に介設され台車５に対して車体２を支持すると共に進行方向に対して左右に対をなす空気バネ６，７等を備えている。鉄道車両１には、１つの車体２に対して前後１対の台車５を設け、１つの台車５に対して左右１対の空気バネ６，７を夫々設けている。

車体傾斜装置は、前後夫々に設けられた左右１対の空気バネ６，７に給気する加圧エアを貯留するメインタンク８と、メインタンク８に加圧エアを供給するコンプレッサ９と、左右１対の空気バネ６，７を有し車体２を左右に傾斜動作可能な前後１対の空気バネ機構１０と、車体２を傾斜動作させるための制御量を演算し且つこの制御量に基づき空気バネ機構１０を制御可能な制御部１１（制御手段）等を有している。尚、前側の空気バネ機構１０と後側の空気バネ機構１０は、同様の構成であるため、以下、前側の空気バネ機構１０について説明し、後側の空気バネ機構１０の説明を省略する。

メインタンク８には、メインタンク８内の加圧エアのエア圧Ｐ１を検出する圧力センサ３４が設けられ、前側の空気バネ機構１０の空気バネ６，７と後側の空気バネ機構１０の空気バネ６，７に加圧エアを供給する１対のエア供給通路１２の一端部と、コンプレッサ９の吐出口とが接続されている。メインタンク８に貯留された加圧エアは、空気バネ６，７の他に、車両１の制動装置（図示略）やドア駆動装置（図示略）へ駆動源として供給される。それ故、メインタンク８内の加圧エアのエア圧Ｐ１は、所定圧力以上を維持するように制御される。

メインタンク８に加圧エアを供給するコンプレッサ９は、メインタンク８に貯留された加圧エアが所定圧力Ｐ１（例えば０．８〜０．９ＭＰａ）になるように駆動される。コンプレッサ９の吸入口９ａには、後述する排気エアタンク１５から排気加圧エアを還流するための還流通路３０が三方切換弁３３を介して接続されている。

空気バネ機構１０は、左右１対の空気バネ６，７と、これら空気バネ６，７について夫々の加圧エアのエア圧Ｐ２Ｌ，Ｐ２Ｒを検出する１対の圧力センサ１３，１４（第１圧力検出手段）と、排気エアタンク１５と、排気エアタンク１５内の排気加圧エアのエア圧Ｐ３を検出する圧力センサ１６（第２圧力検出手段）等を備えている。

図１に示すように、左右１対の空気バネ６，７は、バネ座と上面板との間に伸縮可能なダイヤフラム式ゴムベローズを有する公知のダイヤフラム式空気バネである。空気バネ６，７には、加圧エア（例えば、０．３〜０．４ＭＰａ）が充填されている。空気バネ６，７の加圧エアの圧力は、乗客の総重量に応じて車高が一定となるように調整される。
空気バネ６，７は、台車５に組込まれた左右１対の補助空気室１７，１８の上側に夫々直列２段構成になるよう一体的に配置され、１対の空気バネ６，７の内部と補助空気室１７，１８の内部とはオリフィス１７ａ，１８ａにより夫々連通される。それ故、空気バネ６，７に所定の荷重がかかったとき、空気バネ６，７内に貯留された加圧エアによるクッション機能に加え、空気バネ６，７内の加圧エアがオリフィス１７ａ，１８ａを介して補助空気室１７，１８の内部へ流量を絞られた状態で供給されるため、オリフィス部で加圧エアの流動に対して抵抗となるので、高いダンパ効果を得ることができる。

左右１対の空気バネ６，７には、メインタンク８から延びるエア供給通路１２の他端部から分岐され加圧エアを供給可能な１対の給気通路１９，２０が夫々接続されている。給気通路１９，２０の途中部には、夫々、エア供給用調整弁２１，２２が設けられている。エア供給用調整弁２１，２２は、制御部１１からの指令信号により夫々独立して開度調整され、給気通路１９，２０を流れる加圧エアの流量を調整する。

以上により、エア供給用調整弁２１を開弁作動したとき、加圧エアがメインタンク８からエア供給通路１２と給気通路１９を介して左側の空気バネ６内へ給気され、空気バネ６の全高（車体左側）を高くし、エア供給用調整弁２２を開作動したとき、加圧エアがメインタンク８からエア供給通路１２と給気通路２０を介して右側の空気バネ７内へ給気されて空気バネ７の全高（車体右側）を高くする。

左右１対の空気バネ６，７には、内部の加圧エアを排出可能な１対の排気通路２３，２４が夫々接続されている。排気通路２３，２４の途中部には、排気弁（排気弁手段）２５，２６が夫々設けられている。排気通路２３，２４の夫々の下流端は、排気エアタンク１５に接続された排気集合通路２７に夫々接続されている。排気弁２５，２６は、制御部１１からの指令信号により夫々独立して排気加圧エアが流れる通路面積を連続的に変更可能であり、排気通路２３，２４を流れる排気加圧エアの流量を調整可能である。

以上により、排気弁２５を開作動したとき、排気加圧エアが空気バネ６から排気通路２３と排気集合通路２７を介して排気エアタンク１５内へ排出され、排気弁２６を開作動したとき、排気加圧エアが空気バネ７から排気通路２４と排気集合通路２７を介して排気エアタンク１５内へ排出される。これにより、空気バネ６，７の全高を夫々独立に低く調整可能である。

排気エアタンク１５は、所定容量（例えば１００Ｌ）の排気加圧エア（例えば、圧力が０．１〜０．２ＭＰａ）を貯留可能な貯留槽として構成され、排気エアタンク１５には前記の排気集合通路２７と、タンク排気通路２８と、外気吸入路２９と、還流通路３０とが接続されている。タンク排気通路２８は、下流端が大気中へ開口し、その途中部に流量調整可能なエア放出用排気弁３１を有する。それ故、エア放出用排気弁３１を開作動したとき、排気エアタンク１５から排気加圧エアをタンク排気通路２８を介して大気中へ放出し、排気エアタンク１５内のエア圧Ｐ３が低下する。尚、エア放出用排気弁３１は電圧無印加時に開作動するノーマルオープン型の弁であるため、エア放出用排気弁３１が断線等電気的に故障した場合、排気エアタンク１５内の排気加圧エアを大気中へ放出するため排気エアタンク１５内の過剰な圧力上昇を防止できる。

外気吸入路２９は、上流端が大気中へ開口し、その途中部に外気を吸入可能な逆止弁３２を備えている。逆止弁３２は、排気エアタンク１５内から大気中への排気加圧エアの放出を禁止し、大気中から排気エアタンク１５への外気吸入を許容する。それ故、排気エアタンク１５内の圧力Ｐ３が大気圧Ｐ０より低下したとき、排気エアタンク１５内へ外気を吸入することにより排気エアタンク１５内の圧力Ｐ３が大気圧Ｐ０以上になるよう圧力調整している。

還流通路３０は、一端部が排気エアタンク１５に接続され、他端部がコンプレッサ９の吸入口９ａに三方切換弁３３を介して接続されている。前側の還流通路３０の他端部と後側の還流通路３０の他端部とを合流し、その合流通路３０ａに三方切換弁３３が設けられている。三方切換弁３３は、制御部１１からの指令信号によりコンプレッサ９が外気を吸入する第１位置と排気加圧エアを吸入する第２位置とに切換え可能に構成される。尚、三方切換弁３３は、通常は排気加圧エアを吸入する第２位置に設定されている。

制御部１１は、ＣＰＵとＲＯＭとＲＡＭとを含むコンピュータ等を有し、車体傾斜制御機能と、排気エアタンク内エア圧制御機能とを備えている。制御部１１には、自車位置検出装置（図示略）により検出された外部情報（自車位置、走行速度、進行方向等）が入力される。更に、制御部１１には、圧力センサ１３，１４，１６，３４から圧力検出信号が入力され、エア供給用調整弁２１，２２と排気弁２５，２６とエア放出用排気弁３１と三方切換弁３３とを制御する。

次に、上記の車体傾斜制御機能について説明する。
制御部１１は、台車５に対する車体２の傾斜角の指令信号に基づき、旋回走行時における旋回外側の空気バネの全高が旋回内側の空気バネの全高よりも高くなるようにエア供給用調整弁２１，２２の一方を制御している。

制御部１１は、自車位置検出装置で検出された外部情報を線路曲線データベース（図示略）に対照させて車両存在位置における軌道３の曲率、カント量Ｃを求め、その曲率、カント量Ｃに基づき必要な車体傾斜指令角を演算する。この車体傾斜指令角に基づき、旋回外側となる何れか一方の空気バネ６，７の全高を設定し、前記一方の空気バネ６，７に対する加圧エアの給気量を演算する。
制御部１１は、加圧エアの給気量に対応して対応する何れか一方のエア供給用調整弁２１，２２の開弁量を演算し、その指令信号を出力する。

自車位置検出装置は、例えばロータリエンコーダにより得られた車輪回転数に車輪径を乗じて得た値を走行距離として積算し、軌道３の近傍に設置されたＡＴＳ（自動列車停止装置）やＡＴＣ（自動列車制御装置）の地上子位置からの積算走行距離によって自車位置を算出する。

以上により、図４に示すように、例えば左旋回走行のとき、エア供給用調整弁２１と排気弁２５，２６を閉弁状態に保持し、エア供給用調整弁２２を開作動し、旋回走行における旋回外側の空気バネ７の全高を旋回曲率とカント量Ｃと走行速度に応じて高くする。これにより、車体２を台車５に対して最終的に１〜２°傾斜させて、車両１に加わる遠心力の車体床面に平行な成分を低減させ、車両１に加わる車体床面に垂直な成分を増大させる。

制御部１１は、入口緩和曲線区間での旋回走行開始時には、車体傾斜指令角に基づき、空気バネ７の全高を設定し、その設定値と、現在の実際の空気バネ７の全高との偏差を演算する。偏差の大きさに応じて、エア供給用調整弁２２の開弁量を調整し、空気バネ７に対する加圧エアの単位時間当たりの給気量である流量を調整する。偏差が大きいときは流量を大きく調整し、偏差が小さいときは流量を小さく調整することで、空気バネ７の全高の設定値に、空気バネ７の実際の全高を追従させるように制御を行う。制御を正しく実施するためには、エア供給用調整弁２２の開弁度と、流量の関係を把握しておくことが必要であるが、この関係は、エア供給用調整弁２２の上流側と下流側のエア圧、即ちメインタンク８内のエア圧Ｐ１と、空気バネ７内のエア圧Ｐ２Ｒで決まるが、この２つのエア圧の変動は通常小さいため、この関係は略一定と考えて、エア供給用調整弁２２の開弁度と、流量の関係を一度計測しておく等で、把握することができる。

次に、旋回走行終了時には、旋回走行開始の場合と逆に、全高を増大させた空気バネを通常時の全高に戻すように排気制御が実行される。この場合、空気バネ７の現時点における実際の全高と、通常時の全高との偏差を演算する。偏差の大きさに応じて、排気弁２６の開弁量を調整し、空気バネ７から排気する加圧エアの単位時間当たりの流量を調整する。偏差が大きいときは流量を大きく調整し、偏差が小さいときは流量を小さく調整することで、空気バネ７の実際の全高を、通常時の全高に戻すよう制御を行う。制御を精度よく実行するには、排気弁２６の開弁度と流量の関係を把握しておくことが必要であり、この関係は、排気弁２６の上流側と下流側のエア圧、即ち空気バネ７内のエア圧Ｐ２Ｒと排気エアタンク１５内のエア圧Ｐ３で決めることができる。Ｐ２Ｒにおける変動は小さいが、Ｐ３は、空気バネ７から圧力エアが排気されるに従い圧力が上昇するため、変動が大きくなる。そのため、排気弁２６の開弁度をＰ２ＲとＰ３とに応じて調整し、必要な流量が空気バネ７から排気エアタンク１５に流れるようにする。例えば左旋回走行を終了するとき、制御部１１は、以下の式に基づき算出される排気弁２６の有効断面積Ｓ（≒通路面積）になるように排気弁２６を調整し、排気加圧エアの排気流量を、目標流量Ｑに略一定に維持する。

チョーク流れ（音速流れ）（Ｐ３≦０．５×Ｐ２Ｒ）の場合、
Ｓ＝Ｋ１×１／（Ｐ２Ｒ） …（１）
尚、Ｑ：目標流量[ｎｌ／ｍｉｎ]、Ｓ：Ｑを流すために必要な排気弁２６の有効断面積[ｍｍ^２]、Ｐ２Ｒ：空気バネ７内のエア圧力[ＭＰａ]（絶対圧）、Ｐ３：排気エアタンク１５内のエア圧力[ＭＰａ]（絶対圧）、ｔ：空気温度[℃]とし、
Ｋ＝√（２９３／（２７３＋t））≒１
Ｋ１＝Ｑ×（１／１２０）×（１／Ｋ）≒ Ｑ×（１／１２０）
Ｋ２＝Ｑ×（１／２４０）×（１／Ｋ）≒ Ｑ×（１／２４０）
と近似している。

式（１）において、Ｋ１は目標流量Ｑを決めれば決定される値で、Ｐ２Ｒは圧力センサ１４から得られる値であるため、排気弁２６の有効断面積を式（１）で決まるＳになるように調整することで、排気弁２６を通過する流量を目標流量Ｑにコントロールできる。尚、排気弁２６を通過する流量は、空気バネ７から排気される流量であり、空気バネ７の全高が下降する速度とほぼ比例関係にあり、予め空気バネの特性を計測し比例関係を把握しておけば、空気バネ７の全高の下降速度の目標値から、目標流量Ｑを決定することができる。

亜音速流れ（Ｐ３＞０．５×Ｐ２Ｒ）の場合、
Ｓ＝Ｋ２×１／（（√（Ｐ３））×（√（Ｐ２Ｒ−Ｐ３））） …（２）
式（２）において、Ｋ２は目標流量Ｑを決めれば決定される値で、Ｐ２Ｒは圧力センサ１４から得られる値、Ｐ３は圧力センサ１６から得られる値であるため、排気弁２６の有効断面積を式（２）で決まるＳになるように調整することで、排気弁２６を通過する流量を目標流量Ｑにコントロールできる。なお、排気弁２６を通過する流量は、空気バネ７から排気される流量であり、空気バネ７の全高が下降する速度とほぼ比例関係にあり、予め空気バネの特性を計測し比例関係を把握しておけば、空気バネ７の全高の下降速度の目標値から、目標流量Ｑを決定することができる。

以上により、空気バネ７内から排気エアタンク１５内へ排気加圧エアを導入するため、排気エアタンク１５内のエア圧Ｐ３が次第に上昇しても、空気バネ７内のエア圧Ｐ２Ｒと排気エアタンク１５内のエア圧Ｐ３とに基づいて式（１）、あるいは式（２）により算出される値に排気弁２６の有効断面積Ｓ（≒通路面積）を調整することにより、空気バネ７から排気される排気加圧エアの排気流量を、目標流量Ｑに略合うように調整することができる。尚、左旋回走行の場合の例を説明したが、右旋回走行のときは、前記操作と左右逆の制御を行う。

排気エアタンク内エア圧制御機能について説明する。
制御部１１は、圧力センサ１３，１４，１６の検出信号を受けて、排気エアタンク１５内のエア圧Ｐ３が外気圧より大きく且つ所定圧力Ｐ４（但し、Ｐ０＜Ｐ４＜Ｐ２Ｌ、且つＰ０＜Ｐ４＜Ｐ２Ｒ）以下となるようにエア放出用排気弁３１を制御している。制御部１１は、Ｐ４＜Ｐ３のとき、エア放出用排気弁３１を開作動して、排気エアタンク１５内から排気加圧エアを大気中へ放出する。これにより、排気エアタンク１５内のエア圧Ｐ３を空気バネ６，７内のエア圧Ｐ２Ｌ及びＰ２Ｒより低く、例えば０．１〜０．２ＭＰａの圧力範囲に制御することができ、排気弁２５，２６の開作動時、空気バネ６，７内から排気エアタンク１５内へ確実に排気加圧エアを排出することができる。

制御部１１、エア供給用調整弁２１，２２、排気弁２５，２６、エア放出用排気弁３１の何れかが故障した場合には、エア放出用排気弁３１を大気開放に切換えると共に、三方切換弁３３を排気加圧エアを吸入可能な第２位置から外気を吸入可能な第１位置へ強制的に切換える指令信号を出力する。それ故、フェイル発生時、例えば排気エアタンク１５内のエア圧Ｐ３が極端な低圧力値になることはなく、三方切換弁３３がコンプレッサ９内へ外気を供給する第１位置に制御されるため、メインタンク８内の加圧エアを確保でき、空気バネ６，７による空気バネ制御に異常が発生した場合であっても、車両１の空気系システムへの悪影響を防止することができる。

次に、本車体傾斜装置の作用・効果について説明する。
この車体傾斜装置では、台車５に対して車体２を支持する進行方向に対して左右に対をなす少なくとも１対の空気バネ６，７と、これら空気バネ６，７に供給する加圧エアを貯留するメインタンク８と、このメインタンク８に加圧エアを供給するコンプレッサ９とを有する鉄道車両１の車体傾斜装置において、左右の空気バネ６，７から夫々延びる１対の排気通路２３，２４と、１対の排気通路２３，２４に夫々介装された１対の排気弁２５，２６と、１対の排気通路２３，２４に接続され且つ空気バネ６，７から排気された排気加圧エアを貯留する排気エアタンク１５と、排気エアタンク１５からコンプレッサ９の吸入口９ａへ排気加圧エアを還流させる還流通路３０とを設けている。

この車体傾斜装置によれば、旋回走行終了時、空気バネ６，７から排気された排気加圧エアを還流通路３０を介してメインタンク８に還流するため、排気加圧エアを大気中へ放出することなく、メインタンク８へ供給するため、エネルギーが残っている排気加圧エアを有効利用できる。つまり、所定の圧力（例えば０．１〜０．２ＭＰａ）を有する排気加圧エアをコンプレッサ９の吸入口に還流するため、新規に大気圧の外気を圧縮して加圧エアをメインタンク８に供給する場合と比べてコンプレッサ９の負荷を低減し消費電力を大幅に低減でき、コンプレッサの小型化を図ることができる。

しかも、コンプレッサ９からメインタンク８へ加圧エアを充填する充填能力が増すため、メインタンク８内の加圧エア内の圧力低下を防止でき、メインタンクの小型化を図ることもできる。曲線頻度の高い曲線区間が長く続く場合であっても、メインタンク８内の加圧エアを動力源とするブレーキ等の制動装置やドア駆動装置の作動を保証しつつ、空気バネ６，７を有する空気バネ機構１０の作動応答性の低下を防止できる。また、コンプレッサ９の負荷が低減するため、コンプレッサ９の作動に起因する騒音や振動等を抑え、これに伴う乗り心地の悪化を防止できる。また、空気バネ６，７内の加圧エアを大気中へ放出しないため、加圧エアを大気中へ放出することによる排気騒音を低減することができる。

メインタンク８から延びるエア給気通路１２を介して左右の空気バネ６，７に接続された１対の給気通路１９，２０と、これら給気通路１９，２０に夫々介装された１対のエア供給用調整弁２１，２２とを備えているため、１対のエア供給用調整弁２１，２２の開弁動作によりメインタンク８から空気バネ６，７に加圧エアを供給でき、簡単な構成で夫々の空気バネ６，７を独立して制御できる。

排気エアタンク１５から延びるタンク排気通路２８と、タンク排気通路２８に介装されたエア放出用排気弁３１と、排気エアタンク１５に外気を吸入可能な逆止弁３２付きの外気吸入路２９とを備えているため、排気エアタンク１５内のエア圧Ｐ３を大気圧以上の所定の圧力範囲に保つことができ、圧力差を利用して排気加圧エアを空気バネ６，７から排気エアタンク１５へ排出し、排気エアタンク１５からコンプレッサ９の吸入口９ａへ供給することができる。

メインタンク８内の加圧エアのエア圧Ｐ１を検出する圧力センサ３４と、左右１対の空気バネ６，７内の加圧エアのエア圧Ｐ２Ｌ，Ｐ２Ｒを夫々検出する１対の圧力センサ１３，１４と、排気エアタンク１５内の排気加圧エアのエア圧Ｐ３を検出する圧力センサ１６と、圧力センサ１３，１４，１６，３４の検出信号を受ける制御部１１であって、１対のエア供給用調整弁２１，２２と１対の排気弁２５，２６とエア放出用排気弁３１とを制御する制御部１１とを備えているため、圧力センサ１３，１４，１６の検出圧力に基づいて、排気エアタンク１５内のエア圧Ｐ３を空気バネ６，７内のエア圧Ｐ２Ｌ，Ｐ２Ｒより低く圧力制御できるため、空気バネ６，７から排気エアタンク１５への排気加圧エアの排出を圧力差を利用して確実に制御することができ、空気バネ６，７を有する空気バネ機構１０の作動応答性の低下を防止できる。

排気弁２５，２６は、排気通路２３，２４の通路面積を連続的に変更可能に構成されているため、空気バネ６，７内のエア圧Ｐ２Ｌ，Ｐ２Ｒや排気エアタンク１５内のエア圧Ｐ３に拘わらずに空気バネ６，７内から排気エアタンク１５への排気加圧エアの排出速度を略一定に制御することができる。

還流通路３０には、コンプレッサ９へ外気を吸入させる第１位置と排気加圧エアを吸入させる第２位置とに切換え可能な三方切換弁３３を設けているため、メインタンク８内に必要に応じて外気を加圧した加圧エアを補充でき、フェイル時であっても、メインタンク８内の加圧エアの圧力を確保でき、空気バネ６，７内へ加圧エアを供給することができる。

制御部１１は、台車５に対する車体２の傾斜角の指令信号に基づき、旋回走行における旋回外側の空気バネの全高が旋回内側の空気バネの全高よりも高くなるように１対のエア供給用調整弁２１，２２を制御するため、車両１の旋回走行状態に応じてメインタンク８から空気バネ６，７内へ加圧エアを供給することができ、乗客の乗り心地の悪化を防止できる。

次に、実施例２の車体傾斜装置について図５に基づいて説明する。
この車両１の空気バネ機構１０Ａは、通路面積を連続的に変更可能な排気弁２５，２６の代わりに通路面積を不連続的に変更可能な排気弁２５Ａ，２６Ａを採用している。実施例１と同様の主要な構成要素には同じ参照符号を付けて図示し、それらについての説明は省略し、異なる構成要素についてのみ説明する。また、排気弁２５Ａと排気弁２６Ａは、同様の構成のため、排気弁２５Ａの構成のみ説明する。

排気通路２３は、途中部分において３つの径路、第１〜第３排気通路２３ａ〜２３ｃに分岐し、その後集合するよう構成されている。各第１〜第３排気通路２３ａ〜２３ｃには、空気バネ６から排気エアタンク１５への排気加圧エアを遮断可能な第１位置と空気バネ６からの排気加圧エアを排気集合通路２７を介して排気エアタンク１５に排出可能な第２位置とに電気的に切換え可能な第１〜第３電磁弁２５ａ〜２５ｃを並列状に設置している。各第１〜第３電磁弁２５ａ〜２５ｃは、オフ状態で第１位置となるようバネによって付勢している。

制御部１１は、演算した排気量に基づき、空気バネ６から排出する排気加圧エア量が小さな第１エア量のとき、第１電磁弁２５ａのみを第２位置に制御し、排気加圧エア量が第１エア量よりも大きな第２エア量のとき、第１電磁弁２５ａと第２電磁弁２５ｂを第２位置に制御し、排気加圧エア量が第２エア量よりも大きな第３エア量のとき、第１〜第３電磁弁２５ａ〜２５ｃを第２位置に制御する。これにより、排出する排気加圧エア量に応じて通路面積を変更でき、簡単な構成で排気加圧エアの排出速度を調節することができる。また、実施例１と同様に、排気弁２５Ａ，２６Ａの通路面積を空気バネ６，７内の圧力Ｐ２Ｌ，Ｐ２Ｒと排気エアタンク１５内の圧力Ｐ３とに応じて制御することにより、排気加圧エアの排出速度を略一定に制御することも可能である。

次に、前記実施例を部分的に変更した変形例について説明する。
１〕前記実施例においては、ボルスタレス式鉄道車両の例を説明したが、少なくとも左右１対の空気バネを備えた車両であればよく、ボルスタレス式鉄道車両以外の型式の車両に適用可能である。また、車両前後の台車に各々１対の空気バネを備えた車両の例を説明したが、前後の台車に夫々２対の空気バネを設けた車両や１つの車両に１対の空気バネを設けた車両にも適用できる。

２〕前記実施例においては、排気エアタンクを車両前後の空気バネ機構に夫々設けた例を示したが、単一の排気エアタンクを設け、前後の車体傾斜機構が共用することも可能である。また、車両に対して単一のメインタンクを設けた例を示したが、前後の空気バネ機構に夫々専用のメインタンクを設けることもできる。

３〕前記実施例においては、入口緩和曲線区間において、エア供給用調整弁の開度を連続的に調整する例を示したが、複数の開閉弁を並列接続して、数段階の開度に調整することも可能である。

４〕前記実施例においては、自車位置検出装置と線路曲線データベースにより曲線区間の曲率等を求める例を示したが、加速度センサ又はジャイロセンサからの検出値と速度センサからの検出値から曲率等を演算してもよい。また、ＧＰＳにより自車位置や曲率等を検知することも可能である。

５〕前記実施例においては、空気バネを補助空気室の上側に直列２段構成になるよう配置し、両者を夫々オリフィスにより連通した例を示したが、空気バネと補助空気室との間を流量調整弁により接続し、ダンパ機能が必要なとき、連通面積を小さくし、それ以外のときには連通面積を大きくすることも可能である。
６〕その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態も包含するものである。

本発明は、台車と車体との間に進行方向に対して左右１対の空気バネを配置し、これら空気バネの高さを空気バネ内への加圧エアの給排気により制御して車体を傾斜可能とする鉄道車両の車体傾斜装置において、特に空気バネからの排気加圧エアを回収する排気エアタンクを設け、排気エアタンクからコンプレッサへ還流することにより、メインタンクとコンプレッサの小型化、コンプレッサの消費エネルギー及び排気騒音を低減できる。

１ 鉄道車両
２ 車体
５ 台車
６ （左側）空気バネ
７ （右側）空気バネ
８ メインタンク
９ コンプレッサ
９ａ （コンプレッサ）吸入口
１０，１０Ａ 空気バネ機構
１１ 制御部
１３，１４，１６，３４ 圧力センサ
１５ 排気エアタンク
１９，２０ 給気通路
２１，２２ エア給気用調整弁
２３ 排気通路
２３ａ 第１排気通路
２３ｂ 第２排気通路
２３ｃ 第３排気通路
２４ 排気通路
２５，２５Ａ 排気弁
２５ａ 第１電磁弁
２５ｂ 第２電磁弁
２５ｃ 第３電磁弁
２６，２６Ａ 排気弁
２８ タンク排気通路
２９ 外気吸入路
３０ 還流通路
３１ エア放出用排気弁
３３ 三方切換弁

Claims (8)

1. 台車に対して車体を支持する進行方向に対して左右に対をなす少なくとも１対の空気バネと、該１対の空気バネに供給する加圧エアを貯留するメインタンクと、このメインタンクに加圧エアを供給するコンプレッサとを有し、前記１対の空気バネの少なくとも一方に前記加圧エアを供給して鉄道車両の車体を傾斜させる鉄道車両の車体傾斜装置において、
   左右の空気バネに接続され、且つ該空気バネから排気された排気加圧エアを通過させる排気通路と、
   前記空気バネから排気される排気加圧エアの流量を調整可能に構成される排気弁手段と、
   前記排気通路に接続され且つ前記各空気バネから排気された排気加圧エアを貯留する排気エアタンクと、
   前記排気エアタンクから前記コンプレッサの吸入口へ排気加圧エアを還流させる還流通路とを設けたことを特徴とする鉄道車両の車体傾斜装置。
2. 前記メインタンクから延びるエア供給通路を介して左右の空気バネに接続された１対の給気通路と、
   これら給気通路に夫々介装された１対のエア供給用調整弁とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の車体傾斜装置。
3. 前記排気エアタンクから延びるタンク排気通路と、
   前記タンク排気通路に介装されたエア放出用排気弁と、
   前記排気エアタンクに外気を吸入可能な逆止弁付きの外気吸入路とを備えたことを特徴とする請求項２に記載の鉄道車両の車体傾斜装置。
4. 前記１対の空気バネ内の加圧エアの圧力を検出する１対の第１圧力検出手段と、
   前記排気エアタンク内の排気加圧エアの圧力を検出する第２圧力検出手段と、
   前記１対の第１圧力検出手段の検出信号と第２圧力検出手段の検出信号とを受ける制御手段であって、前記１対のエア供給用調整弁と１対の排気弁手段とエア放出用排気弁とを制御する制御手段とを備えたことを特徴とする請求項３に記載の鉄道車両の車体傾斜装置。
5. 前記排気弁手段は、通路面積を連続的に変更可能に構成されたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載の鉄道車両の車体傾斜装置。
6. 前記排気弁手段は、並列接続された複数の開閉弁を有し、通路面積を不連続的に変更可能に構成されたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載の鉄道車両の車体傾斜装置。
7. 台車に対して車体を支持する進行方向に対して左右に対をなす少なくとも１対の空気バネと、これら空気バネに供給する加圧エアを貯留するメインタンクと、このメインタンクに加圧エアを供給するコンプレッサとを有する鉄道車両の車体傾斜装置において、
   左右の空気バネに接続され、且つ該空気バネから排気された排気加圧エアを通過させる排気通路と、
   前記排気通路に介装された排気弁手段と、
   前記排気通路に接続され且つ前記各空気バネから排気された排気加圧エアを貯留する排気エアタンクと、
   前記排気エアタンクから前記コンプレッサの吸入口へ排気加圧エアを還流させる還流通路とを設け、
   前記還流通路には、前記コンプレッサへ外気を吸入させる位置と排気加圧エアを吸入させる位置とに切換え可能な三方切換弁を設けたことを特徴とする鉄道車両の車体傾斜装置。
8. 前記制御手段は、台車に対する車体の傾斜角の指令信号を受けて、旋回走行における旋回外側の空気バネの全高が旋回内側の空気バネの全高よりも高くなるように１対のエア供給用調整弁と１対の排気弁手段とエア放出用排気弁とを制御することを特徴とする請求項４に記載の鉄道車両の車体傾斜装置。