JP5767837B2 - 差圧弁及び空気バネ式懸架装置 - Google Patents

Description

本発明は、差圧弁及びその差圧弁を備える空気バネ式懸架装置に関する。特に空気バネ式懸架装置は、車両において用いられるものである。

特許文献１は、鉄道車両の空気バネ式懸架装置に設けられる従来の差圧弁を例示する。空気バネ式懸架装置は、鉄道車両の車軸を懸架する左右の第一空気バネと第二空気バネを有する。差圧弁は、第一と第二空気バネの圧力差（即ち差圧）に応じて両者を連通し、第一空気バネと第二空気バネのうち正常な空気バネの空気を空気漏れした空気バネへと導き、車体が大きく傾かないようにする。

この従来の差圧弁は、第一と第二空気バネの差圧が、差圧弁のスプリングの荷重によって決まる所定値よりも小さい場合、弁体がバルブシート（又は弁座）に着座して閉じている。

特開２００２−１２０７２３号公報

しかし、従来の差圧弁において、スプリングの軸が弁体の軸から外れる場合やスプリングが当接する面が弁体の軸に垂直な方向からずれる場合など寸法公差が生じる場合において、弁体がバルブシートに与える荷重が場所に依存して不均一になることがある。即ち、弁体からバルブシートに掛かる荷重が軸対称でなくなることがある。このような場合、差圧弁が開く時の差圧がばらつくという問題が生じる。

本発明は、上記の問題に鑑みて、差圧弁が開く時の差圧のばらつきを小さくすることを目的とする。

本発明のある態様に係る差圧弁は、軸対称な形状を有する弁体と、流体が通過できる円状断面のポートを有するバルブシートと、前記バルブシートに押し付ける方向に前記弁体を付勢するスプリングと、前記スプリングと前記弁体との間に介挿されるスプリング受け部と、を備え、前記弁体に加わるバルブシート側の流体圧とこれと反対側の流体圧との差圧が所定値より大きい場合に、前記弁体が前記バルブシートから離れ、前記弁体と前記スプリング受け部のうち一方が、前記弁体の軸上に位置するとともに他方に向かって突出して当接する突出部分を有し、前記スプリング受け部は点対称な形状を有する。

さらに、前記弁体と前記スプリング受け部のうち前記他方が、前記突出部分を収容する凹部を備えてもよい。

また、本発明の別の態様に係る差圧弁は、軸対称な形状を有する弁体と、流体が通過できる円状断面のポートを有するバルブシートと、前記バルブシートに押し付ける方向に前記弁体を付勢するスプリングと、前記スプリングと前記弁体との間に配置されるボールと、を備え、前記弁体に加わるバルブシート側の流体圧とこれと反対側の流体圧との差圧が所定値より大きい場合に、前記弁体が前記バルブシートから離れ、前記弁体は、前記弁体の軸上に位置する凹部を有し、前記ボールは、前記弁体の前記凹部に配置されるとともに、前記スプリングに接触し、前記スプリングは、前記ボールを直接的に付勢するとともに、前記ボールを介して前記弁体を付勢する。

本発明によると、スプリングの付勢力によってスプリング受け部から弁体に掛かる荷重ひいては弁体からバルブシートに掛かる荷重が、軸対称になり、又、軸周りの円周方向において均一になる。このため、差圧弁が開く時の差圧のばらつきが減少する。

実施形態に係る空気バネ式の懸架装置を示す概略図である。 実施形態に係る差圧弁ユニットの一部断面図である。 弁体とスプリング受け部の構成の第一例を示す断面図である。 弁体とスプリング受け部の構成の第二例を示す断面図である。 弁体とスプリング受け部の構成の第三例を示す断面図である。 弁体とスプリング受け部の構成の第四例を示す断面図である。 弁体とスプリング受け部の構成の第五例を示す断面図である。 弁体とスプリング受け部の構成の第六例を示す断面図である。 弁体とスプリング受け部の構成の第七例を示す断面図である。

図１のように、本実施形態において、差圧弁ユニット１０は４点支持方式の空気バネ式の懸架装置に設けられている。空気バネ式懸架装置は、車両の車軸を懸架する左右の第一と第二空気バネ１１、１２と、第一と第二空気バネ１１、１２の圧力差（差圧）に応じて両者を連通する差圧弁ユニット１０とを備える。車両は、例えば鉄道車両であるが、これに限定されない。高さ調整弁１３は、第一と第二空気バネ１１、１２に導かれる空気圧を調整し、車両の車高を調整する。

差圧弁ユニット１０は、第一と第二空気バネ１１、１２の一方が空気漏れした場合、第一、第二空気バネ１１、１２のうち正常な空気バネの空気を空気漏れした空気バネへと導き、車体が大きく傾かないようにする。

図２は、本実施形態に係る差圧弁ユニット１０の一部断面図である。差圧弁ユニット１０は一対の差圧弁１、２を備える。差圧弁１と差圧弁２は同じ構造を有している。差圧弁１（又は差圧弁２）は、連通路３と、スプリング４と、バルブシート５と、弁体６とを備える。

連通路３は、差圧弁１（又は差圧弁２）が開いた場合に左右に配置された第一と第二空気バネ１１、１２を連通できる。スプリング４は、スプリング受け部２０を介して、略円筒形状の弁体６を付勢してバルブシート５に押し付ける。バルブシート５は、略円筒形状であり、円環状の凸部５ａを弁体６側の端部に備え、また、空気（流体）を流通できるポート５ｂを内部に備える。ポート５ｂは、軸方向に垂直な円状の断面を有する空気通路である。

中空のキャップ（蓋）４１は、差圧弁１（又は差圧弁２）の中空の円筒形の後部４２に結合される。流体圧としての第一空気バネ１１の空気圧Ｐ１（又は第二空気バネ１２の空気圧Ｐ２）は、中空のキャップ４１と差圧弁１（又は差圧弁２）の中空の後部４２を介して、スプリング４が設置されるバネ室４３に導かれる。さらに、空気圧Ｐ１（又は空気圧Ｐ２）は、弁体６の孔６ａを介して連通路３に導かれる。

弁体６は、シリンダ部４０内で摺動し、第一と第二空気バネ１１、１２の連通を許可又は禁止する。弁体６は軸対称な形状を有し、弁体６の軸６０の方向は弁体６の摺動方向に略一致する。バルブシート５に対して弁体６が着座する場合、差圧弁１（又は差圧弁２）が閉じる。バルブシート５から弁体６が離れると、差圧弁１（又は差圧弁２）が開く。なお、弁体６のバルブシート５側の端部に配置されるシール部材５０は、バルブシート５の円環状の凸部５ａに押し付けられた場合に、バルブシート５のポート５ｂを密閉する。

シール部材５０は、弁体６の本体部分６ｃの軸６０の方向の端部に埋め込まれて嵌合している。シール部材５０は、樹脂（ゴム）からなる軸対称な略円板状の部材であり、シール部材５０の軸と弁体６の軸６０は略一致している。例えば、樹脂は、ＮＢＲ（ニトリルゴム）である。弁体６の本体部分６ｃは、銅などの金属からなり、シール部材５０は、弁体６の本体部分６ｃに焼き付けられている。

弁体６は、スプリング４が設置されるバネ室４３と連通路３を連通する孔６ａを有する。さらに、弁体６は、バルブシート５側に空気通路６ｂ（又は切欠き）も有する。空気通路６ｂは、バルブシート５から弁体６が離れた場合に、バルブシート５のポート５ｂを介して連通路３同士を連通する。

差圧弁１の弁体６は、弁体６を閉じ側に付勢する第一空気バネ１１の空気圧力Ｐ１を受ける閉じ側受圧面８と、弁体６を開き側に付勢する第二空気バネ１２の空気圧力Ｐ２を受ける開き側受圧面９とを有する。同様に、差圧弁２の弁体６は、弁体６を閉じ側に付勢する第二空気バネ１２の空気圧力Ｐ２を受ける閉じ側受圧面８と、弁体６を開き側に付勢する第一空気バネ１１の空気圧力Ｐ１を受ける開き側受圧面９とを有する。

差圧弁１の弁体６において第一空気バネ１１の空気圧力Ｐ１を受ける閉じ側有効受圧面積と、第二空気バネ１２の空気圧力Ｐ２を受ける開き側有効受圧面積とは等しく、バルブシート５内のポート５ｂの断面積Ａ３となる。同様に、差圧弁２の弁体６において第二空気バネ１２の空気圧力Ｐ２を受ける閉じ側有効受圧面積と、第一空気バネ１１の空気圧力Ｐ１を受ける開き側有効受圧面積とは等しく、バルブシート５内のポート５ｂの断面積Ａ３となる。なお、弁体６のバルブシート５側の空気通路６ｂ（又は切欠き）の存在によって、バルブシート５の円環状の凸部５ａより外側に位置した部位に作用する開き側と閉じ側の圧力は互いに相殺される。

差圧弁１において、弁体６を閉じ側（バルブシート５側）に付勢する力はスプリング４の付勢力Ｆと第一空気バネ１１の圧力Ｐ１による付勢力Ｐ１×Ａ３の和となる。一方、弁体６を開き側（スプリング４側）に付勢する力は第二空気バネ１２の圧力Ｐ２による付勢力Ｐ２×Ａ３となる。従って、Ｐ２×Ａ３＞Ｆ＋Ｐ１×Ａ３になると差圧弁１が開く。弁体６が開く第一と第二空気バネ１１、１２の差圧ΔＰ（＝Ｐ２−Ｐ１）は、Ｆ／Ａ３（定数）となる。このため、差圧ΔＰが所定値Ｆ／Ａ３を超える場合、差圧弁１が開き、弁体６の空気通路６ｂに空気が流れて、第二空気バネ１２の高い圧力Ｐ２は第一空気バネ１１へと導かれる。一方、差圧ΔＰが所定値Ｆ／Ａ３より小さい場合、弁体６がバルブシート５に着座して差圧弁１は閉じている。

差圧弁２において、弁体６を閉じ側に付勢する力はスプリング４の付勢力Ｆと第二空気バネ１２の圧力Ｐ２による付勢力Ｐ２×Ａ３の和となる。一方、弁体６を開き側に付勢する力は第一空気バネ１１の圧力Ｐ１による付勢力Ｐ１×Ａ３となる。従って、Ｐ１×Ａ３＞Ｆ＋Ｐ２×Ａ３になると差圧弁２が開く。弁体６が開く第一と第二空気バネ１１、１２の差圧ΔＰ（＝Ｐ１−Ｐ２）は、Ｆ／Ａ３（定数）となる。このため、差圧ΔＰが所定値Ｆ／Ａ３を超える場合、差圧弁２が開き、弁体６の空気通路６ｂに空気が流れて、第一空気バネ１１の高い圧力Ｐ１は第二空気バネ１２へと導かれる。一方、差圧ΔＰが所定値Ｆ／Ａ３より小さい場合、弁体６がバルブシート５に着座して差圧弁２は閉じている。

次に、図３を参照して、弁体６とスプリング受け部２０の構成の第一例について説明する。スプリング受け部２０は、本体部２０ｂから弁体６の軸６０に沿って弁体６に向かって延びる突出部分２０ａを有する。弁体６は、スプリング４が設置されるバネ室４３の底面となる端面６ｆを有する。突出部分２０ａは、弁体６の略軸上で端面６ｆに当接するため、スプリング受け部２０から弁体６に掛かる荷重ひいては弁体６からバルブシート５に掛かる荷重が、弁体６の軸６０に関して軸対称になり、又、軸６０の周りの円周方向において均一になる。従って、弁体６からの荷重が、バルブシート５の円環状の凸部５ａに対して場所に依存せず均一に加わるため、差圧弁１（又は差圧弁２）が開く時の差圧がばらつかなくなる。

また、突出部分２０ａは、弁体６側とバネ室４３側の両側に有してもよい。この場合、スプリング受け部２０の向きが関係なくなるので、差圧弁ユニット１０の組立性が向上する。

図４を参照して、弁体６とスプリング受け部２０の構成の第二例について説明する。弁体６は、円板状のスプリング受け部２０に向かって、弁体６の軸６０に沿って延びる突出部分６ｇを有する。突出部分６ｇは、弁体６の略軸上でスプリング受け部２０に当接するため、スプリング受け部２０から弁体６に掛かる荷重ひいては弁体６からバルブシート５に掛かる荷重が、弁体６の軸６０に関して軸対称になり、又、軸６０の周りの円周方向において均一になる。

図５を参照して、弁体６とスプリング受け部２０の構成の第三例について説明する。スプリング受け部２０は、弁体６の軸６０に沿って弁体６に向かって延びる円錐状部分２０ｃを突出部分として有する。円錐状部分２０ｃの先端は、弁体６の略軸上で端面６ｆに当接するため、スプリング受け部２０から弁体６に掛かる荷重ひいては弁体６からバルブシート５に掛かる荷重が、弁体６の軸６０に関して軸対称になり、又、軸６０の周りの円周方向において均一になる。

図６を参照して、弁体６とスプリング受け部２０の構成の第四例について説明する。弁体６は、円板状のスプリング受け部２０に向かって、弁体６の軸６０に沿って延びる円錐状部分６ｈを突出部分として有する。円錐状部分６ｈは、弁体６の略軸上でスプリング受け部２０に当接するため、スプリング受け部２０から弁体６に掛かる荷重ひいては弁体６からバルブシート５に掛かる荷重が、弁体６の軸６０に関して軸対称になり、又、軸６０の周りの円周方向において均一になる。

図７を参照して、弁体６とスプリング受け部２０の構成の第五例について説明する。スプリング受け部２０は、本体部２０ｂから弁体６の軸６０に沿って弁体６に向かって延びる突出部分２０ａを有する。弁体６は、バネ室４３の底面となる端面６ｆにおいて、弁体６の軸上に位置する凹部６ｉを有する。突出部分２０ａの先端は、凹部６ｉの底に当接する。突出部分２０ａが凹部６ｉに嵌ることにより、スプリング受け部２０は弁体６の軸６０に対して垂直方向に動かないように位置決めされる。突出部分２０ａは、弁体６の略軸上で弁体６に接するため、スプリング受け部２０から弁体６に掛かる荷重ひいては弁体６からバルブシート５に掛かる荷重が、弁体６の軸６０に関して軸対称になり、又、軸６０の周りの円周方向において均一になる。

図８を参照して、弁体６とスプリング受け部２０の構成の第六例について説明する。スプリング受け部２０は、本体部２０ｂから弁体６の軸６０に沿って、且つ弁体６とスプリング受け部２０の本体部２０ｂとの間に配置される球形のボール２０ｄを突出部分として有する。ボール２０ｄは、スプリング受け部２０の本体部２０ｂに形成された円錐状の凹部２０ｅに配置される。弁体６は、バネ室４３の底面となる端面６ｆにおいて、弁体６の軸上に位置する円錐状の凹部６ｊを有する。ボール２０ｄは、円錐状の凹部６ｊの側面に円環状の接触部を有して当接する。スプリング４は、スプリング受け部２０のボール２０ｄを介して弁体６を付勢する。スプリング受け部２０から弁体６に掛かる荷重が、軸６０の周りの円周方向において均一になる。このようにボール２０ｄが円錐状の凹部６ｊに嵌ることにより、スプリング受け部２０は弁体６の軸６０に対して垂直方向に動かないように位置決めされ、さらに、弁体６からバルブシート５に掛かる荷重が、弁体６の軸６０に関して軸対称になり、又、軸６０の周りの円周方向において均一になる。

図９を参照して、弁体６とスプリング受け部２０の構成の第七例について説明する。スプリング受け部２０は、弁体６の軸６０に沿って弁体６とスプリング４の間に配置されてスプリング受け部２０を兼ねた球形のボール２０ｆとして形成される。弁体６は、バネ室４３の底面となる端面６ｆにおいて、弁体６の軸上に位置する円錐状の凹部６ｊを有する。ボール２０ｆは、円錐状の凹部６ｊの側面に当接する。ボール２０ｆは、円錐状の凹部６ｊの側面に円環状の接触部を有して当接する。スプリング４は、ボール２０ｆを介して弁体６を付勢する。スプリング受け部２０から弁体６に掛かる荷重が、軸６０に関して円周方向において均一になる。このようにボール２０ｆが円錐状の凹部６ｊに嵌ることにより、スプリング受け部２０は弁体６の軸６０に対して垂直方向に動かないように位置決めされ、さらに、弁体６からバルブシート５に掛かる荷重が、弁体６の軸６０に関して軸対称になり、又、軸６０の周りの円周方向において均一になる。

次に、本実施形態の作用効果について述べる。本実施形態によると、差圧弁１、２において、スプリング受け部２０が、弁体６の軸６０に沿って弁体６に向かって突出して当接する突出部分２０ａ、又は、弁体６が、弁体６の軸６０に沿ってスプリング受け部２０に向かって突出して当接する突出部分６ｇを有する。なお、突出部分には、円錐状部分２０ｃ、６ｈやボール２０ｄ、２０ｆも含まれる。従って、寸法公差があっても、スプリング４の付勢力が、スプリング受け部２０、又はスプリング受け部２０を兼ねるボール２０ｆを介して弁体６に軸対称に軸周りの円周方向において均一に与えられる。さらに、弁体６からバルブシート５に掛かる荷重も弁体６の軸６０に関して軸対称で円周方向において均一になる。この結果、弁体６からの荷重が、バルブシート５の円形のポート５ｂの縁（円環状の凸部５ａ）に対して場所に依存せず均一に加わるため、差圧弁１（又は差圧弁２）が開く時の差圧がばらつかなくなる。

また、弁体６は、突出部分２０ａを収容する凹部６ｉと、又は、球形のボール２０ｄ、２０ｆを収容する円錐状の凹部６ｊを備える。これにより、突出部分２０ａが凹部６ｉに、ボール２０ｄ、２０ｆが円錐状の凹部６ｊに嵌ることにより、スプリング受け部２０又はスプリング受け部２０を兼ねたボール２０ｆは弁体６の軸６０に対して垂直方向に動かないように位置決めされる。この結果、より確実に、弁体６からバルブシート５に掛かる荷重が弁体６の軸６０に関して軸対称で軸６０の周りの円周方向において均一になる。

空気バネ式懸架装置は、差圧弁１、２に連通する第一空気バネ１１と第二空気バネ１２とを備える。第一空気バネ１１の空気圧Ｐ１と第二空気バネ１２の空気圧Ｐ２の一方は、差圧弁１、２の弁体６に加わるバルブシート５側の流体圧（空気圧）であり、他方は、差圧弁１、２の弁体６に加わるバルブシート５側とは反対側の流体圧（空気圧）である。バブルシート５を均一に押し付けることができ開く時の差圧のばらつきが小さな差圧弁１（又は差圧弁２）を使用することで、第一と第二空気バネ１１、１２の一方の流体（空気）が漏れた場合には、第一と第二空気バネ１１、１２のうち正常な空気バネの流体（空気）を空気漏れした空気バネへ導く。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。例えば、上記の実施形態において、空気圧は流体圧の一種として示されたもので、差圧弁に導入される流体圧を油圧等として差圧弁を利用することもできる。

１、２ 差圧弁
３ 連通路
４ スプリング
５ バルブシート
５ａ 凸部
５ｂ ポート
６ 弁体
６ａ 孔
６ｂ 空気通路
６ｃ 本体部分
６ｇ 突出部分
６ｈ 円錐状部分
６ｉ 凹部
６ｊ 凹部
１０ 差圧弁ユニット
１１ 第一空気バネ
１２ 第二空気バネ
２０ スプリング受け部
２０ａ 突出部分
２０ｂ 本体部
２０ｃ 円錐状部分
２０ｄ ボール
２０ｅ 凹部
２０ｆ ボール
５０ シール部材
６０ 弁体の軸

Claims (4)

1. 軸対称な形状を有する弁体と、
   流体が通過できる円状断面のポートを有するバルブシートと、
   前記バルブシートに押し付ける方向に前記弁体を付勢するスプリングと、
   前記スプリングと前記弁体との間に介挿されるスプリング受け部と、を備え、
   前記弁体に加わるバルブシート側の流体圧とこれと反対側の流体圧との差圧が所定値より大きい場合に、前記弁体が前記バルブシートから離れ、
   前記弁体と前記スプリング受け部のうち一方が、前記弁体の軸上に位置するとともに他方に向かって突出して当接する突出部分を有し、
   前記スプリング受け部は点対称な形状を有することを特徴とする差圧弁。
2. 前記弁体と前記スプリング受け部のうち前記他方が、前記突出部分を収容する凹部を備えることを特徴とする請求項１に記載の差圧弁。
3. 軸対称な形状を有する弁体と、
   流体が通過できる円状断面のポートを有するバルブシートと、
   前記バルブシートに押し付ける方向に前記弁体を付勢するスプリングと、
   前記スプリングと前記弁体との間に配置されるボールと、を備え、
   前記弁体に加わるバルブシート側の流体圧とこれと反対側の流体圧との差圧が所定値より大きい場合に、前記弁体が前記バルブシートから離れ、
   前記弁体は、前記弁体の軸上に位置する凹部を有し、
   前記ボールは、前記弁体の前記凹部に配置されるとともに、前記スプリングに接触し、
   前記スプリングは、前記ボールを直接的に付勢するとともに、前記ボールを介して前記弁体を付勢することを特徴とする差圧弁。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の前記差圧弁と、
   前記差圧弁に連通する第一空気バネと第二空気バネと、を備え、
   前記第一空気バネの空気圧と前記第二空気バネの空気圧の一方は、前記差圧弁の前記弁体に加わる前記バルブシート側の流体圧であり、他方は、前記差圧弁の前記弁体に加わる前記バルブシート側とは前記反対側の流体圧であることを特徴とする空気バネ式懸架装置。

Images