JP6681118B2 - 鉄道車両の空気ばねシステム - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の空気ばねシステムに関し、具体的には空気ばねと補助空気室とそれらを繋ぐ流路に設けられたオリフィスによって形成された空気ばねシステムを工夫することによって鉄道車両の上下振動低減を実現させる技術に関する。

鉄道車両用のサスペンションとして採用される空気ばねは、二次ばねとして車両の台車と車体との間に設置されている。この空気ばねの機能には、ばね要素と減衰要素があり、減衰要素は、空気ばねと補助空気室の間に設置されたオリフィスの働きによって実現されている。

特許文献１には、鉄道車両用台車に関する技術が開示されている。特許文献１の鉄道車両用台車のボルスタ（枕梁）は内部を上下方向に分割して形成され、それぞれを補助空気室として差圧弁を介して空気ばねに接続している。この様な構成とすることで補助空気室をボルスタ内部に形成し易くなる。こうした補助空気室と空気ばねの間に設置されたオリフィスにより空気ばねの減衰を確保している。しかしながら、走行区間や走行速度などに応じた最適オリフィス径が存在する。このため、オリフィス径を変更可能な構成にする事も考えられている。

特許文献２には、車両用空気ばね装置に関する技術が開示されている。台車と車体との間に配置する空気ばねの内室と外部の補助空気室との間に空気通路に駆動源を含む可変オリフィスを設けている。そして、車両の走行地点又は走行速度に応じて設定した最適なオリフィス径を制御装置に予め入力し、この制御装置からの指令で設定地点又は設定速度の時に設定されたオリフィス径となるように可変オリフィスを制御する。こうすることで、車両の乗り心地を向上させることができる。

特開２００７−１１２３０４号公報 特開２０１１−１６２１５６号公報

しかしながら、特許文献２に記載の可変オリフィスを用いた鉄道車両は、メンテナンス性について問題があると考えられる。可変オリフィスは構造が複雑であり、可動部を有しているので定期的なメンテナンスが必要となる。また、故障した場合には交換も必要である。しかしながら、可変オリフィスの配置される場所は、空気ばね本体と補助空気室との間に配置されている。この為、可変オリフィスのメンテナンスや交換の際には、空気ばねをボルスタなどから外す必要があり、その為には台車から車体を降ろさなくてはならない。台車から車体を降ろすには専用の機材を要し、時間もかかる。定期点検以外にそのような作業が生じる事は、メンテナンスコストを増大させる要因となる。

そこで、本発明はこの様な課題を解決する為に、可変オリフィスを用いずに空気ばねの特性変更が可能な鉄道車両の空気ばねシステムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の一態様による鉄道車両の空気ばねシステムは、以下のような特徴を有する。

（１）鉄道車両に備えられた空気ばねと、該空気ばねにオリフィスを介して連通する補助空気室と、を備える鉄道車両の空気ばねシステムにおいて、前記空気ばねの高さの制御を行う制御装置と、制御タイミングを記憶した記憶装置と、複数の前記補助空気室とを備え、前記空気ばねと前記補助空気室のうち少なくとも１つとは遮断弁を介して接続され、前記空気ばねと前記補助空気室との容積比が変化するように、前記制御装置によって前記遮断弁を制御すること、を特徴とする。

上記（１）に記載の態様により、前記鉄道車両の空気ばねシステムは、複数の補助空気室を備えて空気ばねと補助空気室の容積比が変化しないように制御装置によって制御する。その結果、鉄道車両の乗り心地を向上させることが出来る。空気ばねと補助空気室との容積比によって、空気ばねの応答倍率が決定され振動特性が決まることが知られているが、例えば車体傾斜時に一方の空気ばねが大きくなっていると、車体傾斜時以外の振動特性とは異なる状態となる。このため、特定の振動を減衰しきれないなどの事態が想定される。

しかしながら、補助空気室を複数備えて、必要に応じて空気ばねとの容積比を調整することで、最適な振動特性を得ることができる。この結果、鉄道車両の乗り心地に貢献することが出来る。そして、この際に可変オリフィスを用いず遮断弁を使用する為、比較的単純な構成によって鉄道車両の乗り心地改善を実現出来る。このため、空気ばねシステムのメンテナンス性の向上に寄与することが出来る。

（２）（１）に記載の鉄道車両の空気ばねシステムにおいて、前記補助空気室が、第１補助空気室と該第１補助空気室と容積の異なる第２補助空気室とを有し、前記第２補助空気室は遮断弁を介して前記第１補助空気室または前記空気ばねに接続され、鉄道車両の車体傾斜を行う際に、前記制御装置によって前記遮断弁を制御し、前記第１補助空気室と前記第２補助空気室を前記空気ばねと連通させ、前記空気ばねと前記補助空気室の容積比を車体傾斜前と同じとすること、が好ましい。

上記（２）に記載の態様により、第１補助空気室は第２補助空気室と連通することでその容積を拡大することが出来る。空気ばねは車体傾斜によって容積が変化するが、この容積変化に合わせて複数の補助空気室を備え、遮断弁を介して空気ばねに接続することで、補助空気室の容積拡大が可能となる。その結果、空気ばねの内容積の変化を見越して、補助空気室の内容積を変化させ、車体傾斜前と同じ容積比とすることで応答倍率を変化させることなく維持出来る。そして、鉄道車両の乗り心地改善に寄与することが出来る。

また、前記目的を達成するために、本発明の別の態様による鉄道車両の空気ばねシステムは、以下のような特徴を有する。

（３）鉄道車両に備えられた空気ばねと、該空気ばねにオリフィスを介して連通する補助空気室と、を備える鉄道車両の空気ばねシステムにおいて、前記空気ばねと前記空気ばねに接続される前記補助空気室の容積比の制御を行う制御装置と、制御タイミングを記憶した記憶装置と、複数の前記補助空気室とを備え、前記補助空気室が、第１補助空気室と第２補助空気室とを有し、前記空気ばねと前記第２補助空気室は遮断弁を介して接続され、前記記憶装置に記憶される制御タイミングで前記制御装置によって前記遮断弁を開閉すること、を特徴とする。

上記（３）に記載の態様により、鉄道車両の乗り心地改善のために、空気ばねと空気ばねに接続される補助空気室の容積比を変更することで、例えば車体傾斜時だけでなく、トンネル内や鉄道橋の上などの乗り心地が変化するような区間において、適切な空気容量を任意に選択することが可能である。この結果、比較的単純な構成で鉄道車両の乗り心地を改善する事が可能となる。

（４）（２）または（３）に記載の鉄道車両の空気ばねシステムにおいて、前記遮断弁の制御を、前記制御装置に備える前記記憶装置によって記憶された制御タイミングが、運行経路情報によって決定されていること、が好ましい。

上記（４）に記載の態様により、第１補助空気室と第２補助空気室との連通のタイミングを運行経路情報によって制御することが出来る。空気ばねの内容積は車体傾斜などによって変化するが、車体傾斜を行うのは通過速度の向上や乗り心地の改善を意図したもので、線路の曲線部にさしかかったときに曲率半径とカント量に応じて鉄道車両が傾斜される。従って運行経路情報に応じて空気ばねの内容積は変化する。このため、補助空気室の内容積もこれにあわせて変化させることが合理的である。また、路線によっては部分的に他の位置とは異なる応答倍率にした方が乗り心地を改善できるケースもあり、こうした場合にも適宜、補助空気室の内容積を変更してやることで、鉄道車両の乗り心地改善が期待できる。

本実施形態の、鉄道車両の模式断面図である。 本実施形態の、鉄道車両の車体傾斜を行った様子の模式断面図である。 本実施形態の、補助空気室と空気ばねの接続を表す模式図である。 本実施形態の、周波数と応答倍率の関係を示すグラフである。

まず、本発明の実施形態について図面を用いて説明を行う。図１に、本実施形態の鉄道車両の模式断面図を示す。図２に、鉄道車両の車体傾斜を行った様子の模式断面図を示す。鉄道車両１００は、台車１０の上に空気ばね２０を介して構体５０を備えている。構体５０を支える空気ばね２０は、便宜的に向かって左側を第１空気ばね２０Ａとし、向かって右側を第２空気ばね２０Ｂとする。ただし、空気ばね２０と記載する場合には、第１空気ばね２０Ａまたは第２空気ばね２０Ｂの両方、或いはその何れか１つを示すものとする。

なお、鉄道車両１００では、１つの構体５０に対して２つの台車１０が用いられるケースが多く、都合４つの空気ばね２０が備えられることになるが、左側２つは第１空気ばね２０Ａと同じ動きをし、右側２つは第２空気ばね２０Ｂと同じ動きをするものとして説明する。

台車１０は、側梁１１と横梁１２よりなる台車枠１３と、その下部に配置される車輪１５と台車枠１３を支えるバネ部材１４を備えている。車輪１５はレール３０の上を走るために備えられている。

図３に、補助空気室と空気ばねの接続を表す模式図を示す。空気ばね２０には、補助空気室４０が接続されている。補助空気室４０は、第１補助空気室４１と第２補助空気室４２の２つが用意される。なお、補助空気室４０と表記する場合には、第１補助空気室４１及び第２補助空気室４２の両方か、何れか１つを示すものとする。

この第１補助空気室４１は第１配管Ｌ１を介して空気ばね２０に接続され、その途中には第１オリフィス２６が備えられている。第２補助空気室４２は第２配管Ｌ２を介して第１配管Ｌ１に接続され、その途中には第２オリフィス２７と遮断弁２５が備えられている。遮断弁２５は、制御装置１５０に接続されて制御される。

なお、第１補助空気室４１及び第２補助空気室４２は、専用のタンクを用意しても良いが、特許文献１のように側梁１１または横梁１２の内部空間を利用しても良い。本実施形態では側梁１１の内部空間を補助空気室として利用することを想定している。

制御装置１５０には図示しない記憶手段が備えられており、記憶手段にはカーブや鉄道橋、トンネルなどの位置を示す運行経路情報が記憶されている。また、鉄道車両１００は空気ばね車体傾斜方式を採用しているので、空気ばね２０は、制御装置１５０によって制御され、第１空気ばね２０Ａと第２空気ばね２０Ｂの伸縮を変更することで、図２に示すような構体５０の傾斜を実現している。

ここで、図２に示すような状態に鉄道車両１００を車体傾斜させた状態について説明する。この状態では第１空気ばね２０Ａの容積が３０Ｌ程度に対して、伸長している第２空気ばね２０Ｂの容積が４５Ｌとなっている。つまり、空気ばね２０の内容積が左右で異なる状況になっている。この際には、第２空気ばね２０Ｂ側に接続される第２補助空気室４２に繋がる遮断弁２５を制御装置１５０によって開き、第２空気ばね２０Ｂと連通させる。車体傾斜を解除する際には、この遮断弁２５を閉じるように制御装置１５０によって制御する。

本実施形態の鉄道車両の空気ばねシステムは上記構成であるため、以下に説明するような作用及び効果を奏する。

本実施形態の鉄道車両１００の空気ばねシステムでは、可変オリフィスのような複雑な機構の装置を必要としない。これは、鉄道車両１００に備えられた空気ばね２０と、空気ばね２０にオリフィスを介して連通する補助空気室４０と、を備える鉄道車両１００の空気ばねシステムにおいて、空気ばね２０の高さの制御を行う制御装置１５０と、制御タイミングを記憶した記憶装置と、複数の補助空気室４０とを備え、空気ばね２０と補助空気室４０のうち第２補助空気室４２は遮断弁２５を介して接続され、空気ばね２０と補助空気室４０との容積比が変化するように、制御装置１５０によって遮断弁２５を制御するからである。

第１空気ばね２０Ａと第２空気ばね２０Ｂにはそれぞれ別の補助空気室４０が用意され、例えば第２空気ばね２０Ｂに対して第１補助空気室４１と第２補助空気室４２が接続されているとして、図２に示すような車体傾斜制御を行った際には、制御装置１５０によって遮断弁２５が開かれる。この結果、第２空気ばね２０Ｂと補助空気室４０（第１補助空気室４１と第２補助空気室４２の容積の和）との容積比が１．５となる。これは、第１空気ばね２０Ａと補助空気室４０との容積比と等しい。

つまり、遮断弁２５によって、車体傾斜時における補助空気室４０の内容積を増やす事ができ、空気ばね２０と補助空気室４０との容積比を、車体傾斜制御していない場合と概ね等しくなるように変化させることができる。図４に、周波数と応答倍率の関係をグラフに示す。この様に、容積比によって応答倍率と周波数は異なる関係を示すことが実験でも確かめられており、本実施形態の鉄道車両１００は、容積比１．５倍の時に応答倍率のピークが低くなる傾向にある。

つまり、このように空気ばね２０と補助空気室４０との容積比が車体傾斜前と車体傾斜中とで変動しないように遮断弁２５を制御することで、鉄道車両１００の乗り心地の向上に寄与することが出来る。このような制御は車体傾斜時だけでなく、空気ばね２０の固有振動付近の振動が大きい場合に容積比を変動するように遮断弁２５を制御して容積比を大きくしても良いし、空気ばね２０の固有振動より高い周波数の振動が大きい場合には容積比を小さくしても良い。その指標となるのが図４に示す周波数と応答倍率の関係であり、例えば鉄道車両１００がトンネル通過する際や鉄道橋などを渡る際には、振動特性が変化するため、これに対応させて遮断弁２５を制御することも好ましい。

以上、本発明に係る鉄道車両の空気ばねシステムの実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、空気ばね２０と補助空気室４０との容積比を１．５になる様に遮断弁２５の制御を行っているが、鉄道車両１００の振動応答倍率に応じてこれを変更することを妨げない。また、第１補助空気室４１と第２補助空気室４２の２つを例示しているが、例えば第３補助空気室など、３つ以上の補助空気室を追加して更に細かく制御することも出来る。

１０ 台車
２０ 空気ばね
３０ レール
４０ 補助空気室
５０ 構体
１００ 鉄道車両
１５０ 制御装置

Claims (3)

1. 鉄道車両に備えられた空気ばねと、該空気ばねにオリフィスを介して連通する補助空気室と、を備える鉄道車両の空気ばねシステムにおいて、
   前記空気ばねの高さの制御を行う制御装置と、制御タイミングを記憶した記憶装置と、
   複数の前記補助空気室とを備え、
   前記空気ばねと前記補助空気室のうち少なくとも１つとは遮断弁を介して接続され、
   前記空気ばねと前記補助空気室との容積比が変化するように、前記制御装置によって前記遮断弁を制御すること、
   前記補助空気室が、第１補助空気室と該第１補助空気室と容積の異なる第２補助空気室とを有し、
   前記第２補助空気室は遮断弁を介して前記第１補助空気室または前記空気ばねに接続され、
   鉄道車両の車体傾斜を行う際に、前記制御装置によって前記遮断弁を制御し、前記第１補助空気室と前記第２補助空気室を前記空気ばねと連通させ、前記空気ばねと前記補助空気室の容積比を車体傾斜前と同じとすること、
   を特徴とする鉄道車両の空気ばねシステム。
2. 請求項１に記載の鉄道車両の空気ばねシステムにおいて、
   前記記憶装置に記憶される制御タイミングで前記制御装置によって前記遮断弁を開閉すること、
   を特徴とする鉄道車両の空気ばねシステム。
3. 請求項１または請求項２に記載の鉄道車両の空気ばねシステムにおいて、
   前記遮断弁の制御を、前記制御装置に備える前記記憶装置によって記憶された制御タイミングが、運行経路情報によって決定されていること、
   を特徴とする鉄道車両の空気ばねシステム。

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