JP6342658B2

JP6342658B2 - 車体傾斜装置

Info

Publication number: JP6342658B2
Application number: JP2013270175A
Authority: JP
Inventors: 勝美佐々木; 智洋下条; 新村　浩; 浩新村; 直英神川; 岡田　信之; 信之岡田; 谷川　安彦; 安彦谷川; 崇宏笹内
Original assignee: Nippon Sharyo Ltd; Pneumatic Servo Controls Ltd
Current assignee: Nippon Sharyo Ltd; Pneumatic Servo Controls Ltd
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2018-06-13
Anticipated expiration: 2033-12-26
Also published as: JP2014141244A

Description

本発明は、車体傾斜装置に係り、特に、車両の台車と車体の間に設けられる空気バネを伸長または収縮して台車に対し車体を傾斜させる車体傾斜装置に関する。

鉄道を用いた交通機関では、乗客の乗り心地改善等のために、台車と車体との間に空気バネが設けられる。空気バネは、１両の車両の前後および左右にそれぞれ設けられ、これらの空気バネに加圧空気源からの加圧空気を供給しあるいは空気バネ中の空気を大気中に排出することで、車体は台車に対し上下方向に移動できる。前後・左右の空気バネを全て給気あるいは排気とすると、車体を上下並進移動させることができる。左右の空気バネの一方のみを給気、あるいはさらに他方も排気とすると、車体を左右方向（車幅方向）に傾斜させることができる。

例えば、台車に対し車体の高さが予め定めた高さより全体的に高くなったり低くなったりするのを調整するレベル調整制御を行うことができる。また、車両の曲線部走行の際にレールのカント不足のために発生する超過遠心力を緩和するために車体を曲線の内側に傾斜させる車体傾斜制御を行うことができる。

特許文献１には、車体傾斜制御の際に、精度の高い車高計測を行うことができる車体傾斜制御用の車高計測装置が述べられている。ここでは、レベル調整制御のために、自動高さ調整弁の開閉操作部と一体回転するシャフトの先端部に開閉操作レバーの一端が一体回転可能に連結され、この開閉操作レバーの先端に調整棒の一端が接続され、調整棒の他端が台車にブラケットを介して接続され、このシャフトに車高計測用エンコーダが設けられている。台車に対する車体の上下方向の高さを車高として、車高が変化して、例えば車高が下がったときは、調整棒を介して開閉操作レバーの先端側が突き上げられて自動高さ調整弁が切り換わり、加圧空気が空気バネに供給され、車体が上昇する。空気バネが伸長すると開閉操作レバーの先端側が調整棒を介して下向きに引っ張られ、空気バネへの加圧空気の供給が停止する。このようにして、台車に対し車体の床面は一定の高さに制御される。

ここで、車体傾斜制御を行うときは、車高計測エンコーダを用いながら、レベル調整用の空気連通系を遮断し、車体傾斜制御用空気圧回路系を起動させ、小口径給気弁を開いて空気バネに給気を開始し、その後大口径給気弁を開き、これによって車高を高くする。所定の高さになれば、大口径給気弁を閉じ、ついで小口径給気弁を閉じる。車高を低くするときには、排気弁を開いて空気バネからの排気が行われる。

特許第３１５３１６０号公報

曲線部分の多い線路にはレールにカントが設けられるが、車両が高速化するにつれて、設定されたカントでは不足となって、車体傾斜制御が行われる。車体傾斜制御には、特許文献１に示されるように、複雑な機構と電子的センサ等を備えた大掛かりな設備が必要である。高速輸送と乗り心地の両立のために、曲線部分の多い路線を走行する高速鉄道には、このような車体傾斜制御の搭載が増えてきている。

ところで、高速鉄道網が整備されるにつれ、曲線部分を少なくした線路が設定されることも多くなってきている。特に新設の高速鉄道路線は、曲線部分を設けても大きな曲率半径に設定する等、複雑な車体傾斜制御を用いる必要性を少なくしている。このような線路では、適当な所定量の車体傾斜をさせるかさせないかの制御で済む場合がある。そのような場合に、従来の複雑な車体傾斜制御装置を搭載するのは過剰品質であり、またコストが高くつく。

本発明の目的は、比較的簡単な構成で、適当な所定量の車体傾斜制御を可能にする車体傾斜装置を提供することである。他の目的は、電気的アクチュエータを用いずに、適当な所定量の車体傾斜制御を可能にする車体傾斜装置を提供することである。以下の手段は、上記目的の少なくとも１つに貢献する。

本発明に係る車体傾斜装置は、車両の車体と台車の間において車両の左側に配置される第１空気バネと右側に配置される第２空気バネのいずれか一方に他方よりも多くの気体を供給して第１空気バネと第２空気バネのいずれか一方を他方よりも余計に伸長させ、車両の左側の車高値である第１車高値と右側の車高値である第２車高値の少なくともいずれか一方を、予め定めた最大の車高値である所定車高値と標準車高値との間を二等分から四等分の間で段階的に設定された設定車高値に変更して車両を左右に傾斜させる車体傾斜装置であって、小径のステムと大径のランドとを有するスプールと、気体供給源に接続される給気ポートと、排気ポートと、第１空気バネに接続される負荷ポートとを有する固定スリーブと、外周側で固定スリーブに摺動自在に支持され、内周側でスプールを摺動自在に支持し、少なくともスプールのランドに対応する負荷口を有し、固定スリーブに対し予め定めた所定移動範囲で相対的に移動可能で、所定移動範囲において負荷口は固定スリーブの負荷ポートの範囲にある制御スリーブと、を含み、スプールのランドと制御スリーブの負荷口との間の相対位置関係で給気ポートから負荷ポートを経て第１空気バネに供給される気体流量が定まり、あるいは第１空気バネから負荷ポートを経て排気ポートから排出される気体流量が定まる第１空気バネ用の二層三方弁と、車両の左側を標準車高値よりも高く傾斜させる指令値のときに、第１空気バネ用の二層三方弁において、給気ポートから負荷ポートを経て第１空気バネに、所定車高値と標準車高値との間を二等分から四等分の間で段階的に設定された複数の設定車高値に対応する複数種類の気体圧の内で指令値の設定車高値に対応する気体圧の気体が供給されるように、固定スリーブに対しスプールを軸方向に移動駆動する気体圧制御型の第１空気バネ用の気体圧アクチュエータと、第１車高値の所定車高値と実際の車高値との差である第１車高偏差値に応じて、第１空気バネ用の二層三方弁のスプールに対し制御スリーブを軸方向に移動駆動する第１空気バネ用の機械式アクチュエータと、第１空気バネ用の二層三方弁と同じ構造で、第１空気バネに代えて第２空気バネに接続される第２空気バネ用の二層三方弁と、第１空気バネ用の気体圧アクチュエータと同じ構造で、第２空気バネ用の二層三方弁に接続され、車両の右側を標準車高値よりも高く傾斜させる指令値のときに、給気ポートから負荷ポートを経て第２空気バネに、所定車高値と標準車高値との間を二等分から四等分の間で段階的に設定された複数の設定車高値に対応する複数種類の気体圧の内で指令値の設定車高値に対応する気体圧の気体が供給されるように、固定スリーブに対しスプールを軸方向に移動駆動する第２空気バネ用の気体圧アクチュエータと、第１空気バネ用の機械式アクチュエータと同じ構造で、第２空気バネ用の二層三方弁に接続される第２空気バネ用の機械式アクチュエータと、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る車体傾斜装置において、スリーブが一層構造の三方弁であって、気体供給源と空気バネの間に二層三方弁と開閉弁を介して並列に配置される三方弁と、予め定めた切換条件の下で、空気バネの接続先を二層三方弁からスリーブが一層構造の三方弁へ切り換える切換部と、を備えることが好ましい。

また、本発明に係る車体傾斜装置において、切換部は、二層三方弁が異常のとき、あるいは二層三方弁が動作制御されていない状態にあるときに、空気バネの接続先を二層三方弁からスリーブが一層構造の三方弁へ切り換えることが好ましい。

上記構成により、車体傾斜装置は、スプール・スリーブ機構型制御弁として、固定スリーブとは別に、固定スリーブとスプールの双方に対し相対的に移動可能な制御スリーブを設けた二層三方弁を用いる。そして、車体を傾斜させるときは、気体圧アクチュエータを用いて、固定スリーブおよび制御スリーブに対しスプールを軸方向に移動駆動する。このようにすることで、設定車高値を、従来の自動高さ調整弁における標準車高値をオフセットさせた所定車高値とすることができる。

そして、車両の左側に配置される第１空気バネと右側に配置される第２空気バネのそれぞれに二層三方弁を接続する。車体を左右に傾斜させるには、傾斜指令に基づいて、この２つの二層三方弁のいずれか一方において、給気ポートから負荷ポートを経て第１空気バネに気体が供給されるように、固定スリーブに対しスプールを軸方向に移動駆動する。これによって、第１空気バネと第２空気バネの少なくともいずれか一方に他方よりも多くの気体を供給して第１空気バネと第２空気バネの少なくともいずれか一方を他方よりも余計に伸長させる。ここでは、車高値の精密な検出のためのエンコーダ等の電子制御機器も必要がなく、特別な切替弁も不要である。このように、比較的簡単な構成で、予め定めた最大の車高値である所定車高値と標準車高値との間で段階的な車体傾斜の制御が可能になる。

また、二層三方弁と、スリーブ駆動用の気体圧制御型の気体圧アクチュエータと、制御スリーブ駆動用の機械式アクチュエータを用いる。これによって、電気的アクチュエータを用いずに、全部メカ式の車体傾斜装置とすることができる。

また、車体傾斜装置において、開閉弁を介してスリーブが一層構造の三方弁を二層三方弁に並列に配置し、開閉弁の開閉制御によって、空気バネの接続先を二層三方弁からスリーブが一層構造の三方弁へ切り換える。二層三方弁はスリーブが二層構造であるので、リークが生じやすい。リークによって空気バネが縮小状態になってしまう恐れがあるときにスリーブが一層構造の三方弁に切り換えることで、空気バネが縮小状態になることを抑制できる。例えば、二層三方弁が異常となったとき、二層三方弁が動作制御されていない状態のときでも、空気バネが縮小状態になることを抑制できる。

本発明に係る実施の形態の車体傾斜装置が用いられる車両の様子を説明する図である。参考実施の形態の車体傾斜装置に用いられる制御弁の詳細構成図である。本発明に係る実施の形態における給気開閉弁と二層三方弁に関する詳細図である。本発明に係る実施の形態における回転・直進変換機構の詳細構成図である。本発明に係る実施の形態の車体傾斜装置のブロック図である。参考実施の形態において、傾斜制御のときの左右の空気バネの位置の車高値を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、傾斜制御を複数の段階的な車高値に対して行う車体傾斜装置に用いられる制御弁の詳細構成図である。図７の構成において、傾斜制御のときの左右の空気バネの位置の車高値を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、別の構成の制御弁を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、別の構成の車体傾斜装置のブロック図である。図１０の構成において、二層三方弁と一般的な構造を有する三方弁の並列配置を示す図である。図１０の構成について流量特性を示す図である。

以下に図面を用いて、本発明に係る実施の形態を詳細に説明する。以下では、従来技術の自動高さ調整弁に相当するものとして、スプール・スリーブ方式の制御弁を説明するが、これは一例であって、空気バネに連通する負荷ポートと、気体供給源に連通する給気ポートと、大気側に開放される排気ポートとの３つのポートを有する気体制御弁であれば、他の構造であってもよい。気体圧アクチュエータとして、復元バネ付のピストン・シリンダ機構を述べるが、これ以外の気体圧制御型のアクチュエータ、例えば、ダイヤフラム型アクチュエータ、ベローズ型アクチュエータ等であってもよい。

なお、以下では、空気バネに加圧空気が供給されるものとして説明するが、ここでの空気は、外気の他に、乾燥空気、あるいは窒素と酸素の成分比を適当に変更した気体、適当な不活性ガス等を添加した気体等であってもよい。

また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、車体傾斜装置３０が用いられる車両１０の構成を説明する図である。車両１０は、路面１２の上に敷設されるレール１４，１５の上を回転する車輪１６，１７を備える台車１８と、乗客等が利用する車体２０と、台車１８と車体２０の間に設けられる空気バネ２２，２３と、台車１８と車体２０との間に設けられるリンクレバー機構２４，２５を含む。１両の車両について、その前後左右に空気バネとそれに対応するリンクレバー機構がそれぞれ設けられるが、図１では、そのうちの左右の２つの空気バネ２２，２３とリンクレバー機構２４，２５についてのみ図示されている。ここでは、車体傾斜装置３０を構成する各要素について簡単に説明し、具体的な詳細構造については図２以下で詳述するものとする。

図１では、路面１２が傾斜し、左右のレール１４，１５の高さに差がつけられている。この差は、レールが曲線状に敷設されて車両１０がカーブしながら走行するときに、車体２０の中の乗客が遠心力を感じないように、車体２０を傾斜させるためのものである。曲線の内側のレール１４と曲線の外側のレール１５の高低差は、カント量と呼ばれる。このカント量は、その曲線部分を走行する車両の設定速度に適合して設定されるので、その設定速度以上で高速走行する車両１０の場合には、超過遠心力が生じることになる。

その超過遠心力を車体２０の中の乗客に感じさせないようにするには、レールに付けられているカント量に加えて、台車１８に対し車体２０を曲線の内側に向かって傾斜させればよい。このように台車１８に対し車体２０を傾斜させることが車体傾斜制御である。図１の例では、車体２０が台車１８に対し傾斜している様子が示されている。

リンクレバー機構２４，２５は、台車１８に対し回動可能に一方端が支持される台車側アームと、車体２０に対し回転可能に他方端が支持される車体側アームであるレバーと、台車側アームの他方端と車体側アームの一方端が相互に回動可能に接続される機構で、台車１８に対する車体２０の高さ位置が変わると、リンクレバー機構２４，２５のリンク形状が変化し、その形状変化は、台車１８に対する車体２０の高さによって一意に定まる。そこで、例えば、予め定められた車体２０の基準面に対する車体側アームの傾斜角度を、台車に対する車体の高さに対応する高さ対応値として用いることができる。その意味から、リンクレバー機構２４，２５は、高さ対応値を車高値として提供することができる車高検出器である。

車体傾斜装置３０は、各空気バネ２２，２３に対応して設けられる個別傾斜部１１２，１１３と、複数の個別傾斜部１１２，１１３を統合的に制御する制御部１１０とを含む。図１で紙面の向こう側を車両１０の進行方向とすると、個別傾斜部１１２は、車両１０の左側に設けられる左側傾斜部であり、個別傾斜部１１３は、車両１０の右側に設けられる右側傾斜部である。左側傾斜部である個別傾斜部１１２と右側傾斜部である個別傾斜部１１３は、車両の進行方向に沿った中心軸に対し左右対称である。左右を区別するときは、例えば、左側傾斜部である個別傾斜部１１２を構成する各要素に「第１」を付し、右側傾斜部である個別傾斜部１１３を構成する各要素に「第２」を付すことができる。そのように区別するときは、空気バネ２２を第１空気バネ、空気バネ２３を第２空気バネと呼ぶことができる。以下では、特に断らない限り、個別傾斜部１１２に代表させて、説明を続けるものとする。

個別傾斜部１１２は、制御弁４０を駆動して、空気バネ２２に対し十分な給排気を行うことができる装置である。設定車高値としては、標準車高値と、標準車高値よりも高い所定車高値とがある。

制御弁４０には、給気口接続部、排気口開放部、負荷口接続部が設けられる。図１の気体供給源３２は、制御弁４０の給気口接続部に接続され、供給圧Ｐ_Sの加圧空気を供給する気体源である。排気は、制御弁４０の排気口開放部を大気側に開放することで行われる。

制御弁４０は、スプール・スリーブ機構を有し、給気ポートと排気ポートと負荷ポートとを有する二層三方弁７８を含む。ここでは、スリーブが二層に分かれて、制御スリーブ９０と固定スリーブ９１とに分かれる。固定スリーブ９１は、スプール・スリーブ機構の筐体であって、一般的なスプール・スリーブ機構のスリーブに相当するものである。制御スリーブ９０は、外周側で固定スリーブ９１に摺動自在に支持され、内周側でスプール８０を摺動自在に支持する部材である。

スプール８０は、気体圧制御型の気体圧アクチュエータで移動駆動され、制御スリーブ９０は、機械式の回転・直進変換機構４４を介してリンクレバー機構２４によって移動駆動される。

制御弁路４２は、制御弁４０の負荷口接続部と空気バネ２２とを接続する負荷路である。この制御弁路４２を介して、空気バネ２２は、制御弁４０から加圧空気の供給を受けることができ、また、空気バネ２２から、制御弁４０を介して、大気に開放して排気することができる。

次に、制御弁４０の詳細構造について、図２から図４を用いて説明する。制御弁４０は、大別して、給気開閉弁６０と、二層三方弁７８と、機械式アクチュエータに相当する回転・直進変換機構４４と、気体圧アクチュエータ１２０を含む。図２は、制御弁４０全体の構造図で、図３は、給気開閉弁６０と二層三方弁７８の部分の詳細図、図４は、回転・直進変換機構４４の詳細図である。これらの図において、直交するＸＹＺ軸を示した。Ｘ方向が、スプール８０および制御スリーブ９０の移動方向である。

制御弁４０は、給気口接続部５２、排気口開放部５４、負荷口接続部４１の３つの気体流通口と、スプール駆動制御ポート１２８を有する。これらは、制御弁４０の筐体に取り付けられる。制御弁４０の筐体は、制御弁４０が複数の構成要素を組み合わせていることから、各構成要素の筐体を接続して組み立てたものであるが、ここでは、二層三方弁７８の筐体である固定スリーブ９１に代表させて、これを制御弁４０の筐体と呼ぶことにする。

給気口接続部５２は、給気開閉弁６０に気体供給源３２から供給圧Ｐ_Sの加圧空気を供給するための接続口である。排気口開放部５４は、二層三方弁７８の排気ポートに接続し、大気に開放する開放端である。ここでＥ_Xは排気を示す。負荷口接続部４１は、二層三方弁７８の負荷ポートと空気バネ２２とを接続するための接続口である。給気口接続部５２と負荷口接続部４１には適当なフィルタを設けてもよい。また、排気口開放部５４に適当な消音器を設けてもよい。

スプール駆動制御ポート１２８は、気体圧制御型の気体圧アクチュエータに所定の気体圧を有する気体を供給するための気体ポートである。

図３は、給気開閉弁６０と二層三方弁７８に関する詳細を示す断面図である。給気開閉弁６０は、二層三方弁７８における給気ポートに相当するもので、気体供給源３２に接続される。給気開閉弁６０は、二層三方弁７８の制御スリーブ９０の＋Ｘ方向の移動で閉じ、−Ｘ方向の移動で開く。または、二層三方弁７８のスプール８０の＋Ｘ方向の移動で開き、−Ｘ方向の移動で閉じる。図３は、二層三方弁７８が中立状態にあるときの様子が示されている。

給気開閉弁６０は、制御弁４０の筐体の一部を構成する開閉弁本体６１と、その内部空間６２に収納されるようにして配置される弁体機構６４を含む。開閉弁本体６１は、一方端側が給気口接続部５２に接続され、他方端側が二層三方弁７８の筐体の一部である固定スリーブ９１の開閉弁端に接続される筒状部材である。開閉弁本体６１の一方端側には、円環状の突出部６３が設けられる。

弁体機構６４は、両側に円板を有し、その円板の間に弱いバネ定数のコイルバネ７０が取り付けられるバネ付双方向弁体である。具体的には、弁体機構６４は、給気口接続部５２側の円板である給気側弁体６６と、二層三方弁７８側の円板である開閉弁弁体６８と、給気側弁体６６と開閉弁弁体６８とを接続する付勢手段であるコイルバネ７０を含む。コイルバネ７０は、給気側弁体６６と開閉弁弁体６８に対し、互いに引き離す方向に付勢力を与える。

給気側弁体６６は、開閉弁本体６１の内部の圧力が供給圧力よりも高くなった場合に、逆流を防止する逆止弁の機能を有し、開閉弁本体６１の一方端側に設けられる円環状の突出部６３に囲まれる開口部を塞げる大きさの外形を有する円板である。逆止弁としての気密を確保するために、給気側弁体６６にＯリングまたはゴム板等が設けられる。

開閉弁弁体６８は、中立状態では、制御スリーブ９０の開閉弁端側に設けられる円環状の突出部９８によって囲まれる開口部である開閉弁側開口部を塞げる大きさの外形を有する円板である。開閉弁弁体６８は、コイルバネ７０によって開閉弁本体６１の他方端側に向かうように付勢されるので、制御スリーブ９０の中立状態では、開閉弁弁体６８は、制御スリーブ９０の開閉弁端側の突出部９８に押し付けられる。押し付けによって気密を確保するために、開閉弁弁体６８にＯリングまたはゴム板等が設けられる。なお、図３では、開閉弁端側の近傍部６５が破線で囲んで示されている。

また、スプール８０と制御スリーブ９０が中立状態のときは、スプール８０の開閉弁端側に設けられる円環状の突出部８８もちょうど制御スリーブ９０の円環状の突出部９８とＸ方向の位置が同じとなるように設定されるので、中立状態では、開閉弁弁体６８は、スプール８０の開閉弁端側の突出部８８にも同時に押し付けられる。これによって、中立状態では、制御スリーブ９０の開閉弁端側の突出部９８で囲まれる開口部と、スプール８０の開閉弁端側の突出部８８で囲まれる開口部は、共にその開口部が塞がれる。開閉弁弁体６８の二層三方弁７８側の表面６９と、制御スリーブ９０の突出部９８の先端部と、スプール８０の突出部８８の先端部とは、相互に気密に密着できるようにされる。気密を確保するために、開閉弁弁体６８にＯリングまたはゴム板等が設けられる。

二層三方弁７８のスプール８０は、軸方向の一方端側である＋Ｘ方向端を開閉弁端側として、開閉弁端側に排気用開口部８２を有し、軸方向に沿って延びて他方端が排気口開放部５４に連通する中心穴８４が設けられる細軸のステム部と、ステム部よりも外径の大きい中央ランド部８６とを有する軸部材である。排気用開口部８２は、円環状の突出部８８に囲まれる開口部である。

制御スリーブ９０は、外周側で固定スリーブ９１に摺動自在に支持され、内周側でスプール８０を摺動自在に支持する部材である。制御スリーブ９０は、軸方向の一方端側である＋Ｘ方向端を開閉弁端側として、スプール８０の開閉弁端側の外径よりも大きい内径の開閉弁側開口部を開閉弁端側に有し、スプール８０を軸方向に摺動自在に支持する案内穴を内部に有する。開閉弁側開口部は、開閉弁端側の円環状の突出部９８によって囲まれた開口部である。図３には、スプール８０の開閉弁端側の外径と制御スリーブ９０の開閉弁側開口部の内径との隙間空間１００が示されている。

制御スリーブ９０は、軸方向に沿って３つの開口部を有するが、そのうちの１つが負荷口５０である。上記のように、給気開閉弁６０と二層三方弁７８の組合せでは、制御スリーブ９０において気体供給源３２から加圧空気が供給されるのは、給気開閉弁６０側からである。その意味で、給気口に相当するのは、開閉弁端側の近傍部６５の隙間空間１００である。また、制御スリーブ９０において空気バネ２２から空気が大気に排気されるのは、スプール８０の中心穴８４を介して行われる。その意味で、排気口に相当するのも、開閉弁端側の近傍部６５の隙間空間１００である。

したがって、図３における構成の制御スリーブ９０は、外周に軸方向に沿って３つの開口部を有するが、そのうちの１つが負荷口５０である。中立状態では、この負荷口５０と、スプール８０の中央ランド部８６の位置とが一致し、中央ランド部８６によって負荷口５０は閉じられた状態となっている。他の２つの開口部９２，９４は、連通路９６によって互いに連通する。この２つの開口部９２，９４は、スプール８０と制御スリーブ９０と給気開閉弁６０の協働によって、加圧空気を空気バネ２２に接続される負荷口５０に供給するか、負荷口５０から大気に排気するかを切り替えるために用いられる。

再び図２に戻り、制御スリーブ９０は、−Ｘ方向端で、回転・直進変換機構４４を介してリンクレバー機構２４に接続される。図４は、その部分の拡大斜視図である。ここでは、リンクレバー機構２４について、台車側アーム２６と車体側アームであるレバー２８と、これらを回転自在に相互に接続する回転接続部２７が示されている。

回転・直進変換機構４４は、車高値に応じて、台車側アーム２６と車体側アームであるレバー２８とで形成される形状の変化に伴うレバー２８の回転運動を、制御スリーブ９０の直進運動に変換する機能を有する。これによって、車高値に応じて、制御スリーブ９０が軸方向に移動駆動される。その意味で、リンクレバー機構２４と回転・直進変換機構４４が、制御スリーブ９０を移動駆動する機械式アクチュエータに相当する。

回転・直進変換機構４４は、制御弁４０の筐体に固定されるケース１６０に中心軸１６１が回転自在に保持される回転体１６２と、回転体１６２の中心軸１６１から偏心して配置される偏心ピン１６４と、制御スリーブ９０の−Ｘ方向端に接続される案内板１６６に設けられた案内溝１６８を含む。

ここで、回転体１６２の中心軸１６１に、レバー２８の一方端が取り付けられる。また、案内板１６６は、制御スリーブ９０と一体であるので、Ｘ方向にのみ移動可能である。そして、案内溝１６８は、Ｚ方向に沿って設けられた溝で、偏心ピン１６４を受け入れる溝幅を有する。

再び図２に戻り、スプール軸１１８は、スプール８０が二層三方弁７８の領域よりも−Ｘ方向に延びて突き出す部分である。スプール軸１１８に取り付けられる気体圧アクチュエータ１２０は、スプール８０を軸方向に移動駆動する気体圧制御型のピストン・シリンダ機構である。

気体圧アクチュエータ１２０は、シリンダ１２４と、シリンダ１２４の内壁を摺動するピストン１２６と、ピストン１２６を−Ｘ方向に付勢する復元バネ１２２を含む。シリンダ１２４の内部空間はピストン１２６によって２つの空間に仕切られるが、＋Ｘ側の空間に復元バネ１２２が設けられ、−Ｘ側の空間にスプール駆動制御ポート１２８から所定の気体圧を有する気体が供給される。

参考実施の形態においては、スプール駆動制御ポート１２８から供給される所定の気体圧は２種類である。１つは、復元バネ１２２の復元力に抗することができない低圧気体圧で、例えば大気圧である。低圧気体圧を有する気体が供給されるときは、復元バネ１２２の復元力によってピストン１２６は−Ｘ側に移動してシリンダ１２４の−Ｘ側に押付けられる。この位置が気体圧アクチュエータのホームポジションである。このとき、制御スリーブ９０に対してスプール８０は中立位置を取る。所定の気体圧のもう１つは、復元バネ１２２の−Ｘ方向の復元力に抗することができる高圧気体圧で、例えば大気圧よりも高い供給気体圧である。高圧気体圧を有する気体が供給されるときは、ピストン１２６をシリンダ１２４の＋Ｘ側に移動させ、復元バネ１２２を圧縮してストッパに当たり、そこで止まる。これにより制御スリーブ９０に対してスプール８０を中立位置から＋Ｘ側に移動させることができる。ここで、低圧気体圧を大気圧、高圧気体圧を大気圧よりも高い供給気体圧とすることができる。

このように、気体圧アクチュエータ１２０は、スプール駆動制御ポート１２８から供給される所定の気体圧を低圧と高圧の間で切り替えることで、スプール８０を中立位置に保持するか、中立位置から＋Ｘ側に移動させるかのいずれかとすることができる。

スプール８０の軸方向の移動量は、気体圧アクチュエータ１２０におけるピストン１２６の移動可能なストローク長で決めることができる。すなわち、シリンダ１２４の内壁面の軸方向に沿った長さと、ピストン１２６の軸方向に沿った厚さとストッパの高さとで設定することができる。このスプール８０の軸方向の移動量、つまり気体圧アクチュエータ１２０におけるピストン１２６の移動可能ストローク量で、後述する所定車高値ｈ_Hが定まる。

気体圧アクチュエータ１２０に供給される２種類の気体圧の生成には、高圧の供給気体圧の気体を供給する供給ポートと、大気圧に開放される排気ポートと、１つの出力ポートを有する三方弁を用いることができる。

図５は、上記構成の車体傾斜装置３０のブロック図である。ここでは、車体２０を左右傾斜するために、２つの空気バネ２２，２３のいずれか一方を他方よりも余計に伸長させる制御を説明するので、車体２０の左右を区別して、２つの空気バネをそれぞれ、第１空気バネ２２、第２空気バネ２３とし、台車と車体との間の高さである車高値をそれぞれ、第１車高値、第２車高値と呼ぶことにする。

ここで、空気バネ２２によって変化する台車１８と車体２０の間の高さである車高値から、リンクレバー機構２４、回転・直進変換機構４４、二層三方弁７８を介して再び空気バネ２２に戻るフィードバックループが、車高値を所定の値に維持する高さ維持制御のループである。このフィードバックループがリンクレバー機構を用いる従来のレベル調整制御のループに相当する。そこで、この高さ維持制御を、従来の用語を用いて、レベル調整制御と呼ぶことにする。

レベル調整制御では、実際の車高値ｈが予め定めた設定車高値ｈ_Sからずれて、車高偏差値Δｈが生じると、スプール８０に対し制御スリーブ９０の相対位置関係が変化し、空気バネ２２に対しＱ₁の大きさで加圧空気の供給または空気バネ２２からの大気への排気が行われ、Δｈをゼロにする方向に車体２０が上昇または下降する。

設定車高値ｈ_Sは、制御スリーブ９０に対するスプール８０の位置で設定できる。レベル調整制御における設定車高値ｈ_Sは車体傾斜装置３０の構造設定で予め定まる標準車高値ｈ₀である。傾斜制御における設定車高値ｈ_Sは、制御部１１０からの指令で設定される。車両１０が曲線部分を有さない直線的な線路を走行するとき、設定車高値ｈ_Sは標準車高値ｈ₀のままである。車両１０が曲線部分を走行し、超過遠心力が所定以上となるとき、制御部１１０から傾斜指令部２００に傾斜指令値が出力される。

スプール駆動制御ポート１２８から供給される所定の気体圧が２種類である参考実施の形態についての様子を模式的に図６に示す。図６に示す３つの図のうち、中央の図は、車両が通常の走行を行っているときの様子を説明する図で、左右の図は、車両が超過遠心力を受けたときの様子を示す図である。各図とも縦軸は車高値で、横軸は、空気バネ２２の位置と空気バネ２３の位置である。すなわち、各図とも、空気バネ２２の車高値と空気バネ２３の車高値を並べて示してある。

図６の中央の図に示されるように、車両が通常の走行をしているときは、空気バネ２２の位置の車高値も空気バネ２３の位置の車高値も共にｈ₀である。これを標準とすると、右側の図は、超過遠心力を相殺するために、車両の右側を高くするときの様子を示す図である。図６では、これを、Ｒ−ＵＰとして示した。このときは、空気バネ２３の位置に対しては、傾斜指令値として設定車高値ｈ_S＝ｈ_Hが出力されるが、空気バネ２２の位置に対しては傾斜指令値が出力されない。したがって、空気バネ２３の位置の車高値はｈ_Hであるが、空気バネ２２の位置の車高値はｈ₀のままである。

図６の左側の図は、超過遠心力を相殺するために、車両の左側を高くするときの様子を示す図である。図６では、これを、Ｌ−ＵＰとして示した。このときは、空気バネ２２の位置に対しては、設定車高値ｈ_S＝ｈ_Hが出力されるが、空気バネ２３の位置に対しては傾斜指令値が出力されない。したがって、空気バネ２２の位置の車高値はｈ_Hであるが、空気バネ２３の位置の車高値はｈ₀のままである。このように、傾斜制御においては、空気バネ２２または空気バネ２３のいずれか一方にのみ、設定車高値ｈ_S＝ｈ_Hが出力される。設定車高値ｈ_S＝ｈ_Hが２つの空気バネ２２，２３の双方に同時に出力されることはない。

車体２０の右側か左側のいずれかを傾斜させることよりも、もう少しきめ細かい車体傾斜を行いたい場合がある。図７はそのような場合に適用可能な構造を示す図である。図７は、図２の制御弁４０において、気体圧アクチュエータ１２０のピストン１２６の変位を検出する変位センサ１４０を設けたものである。この制御弁４０は空気バネ２２に対するもので、これと同様の制御弁４０が空気バネ２３について用いられる。

この構成の制御弁４０を用いるときは、制御部１１０は、傾斜指令部２００に対し、設定車高値として標準車高値ｈ₀から最大の車高値である所定車高値ｈ_Hの間の値を出力する。

図７において、変位センサ１４０は、ピストン１２６の先端に設けられる軟磁性体の位置プローブと、制御弁４０の筐体である固定スリーブ９１に設けられるトランス巻線を有する差動トランス型変位計である。ここで、ピストン１２６が軸方向に移動すると、位置プローブもこれと一体となって移動する。トランス巻線は、励磁コイルと検出コイルを有し、検出コイルは位置プローブの軸方向の位置の変化に応じた変位信号を出力する。変位センサ１４０としては、磁気式変位センサ、光学式変位センサ等を用いてもよい。変位センサポート１４２は、トランス巻線に励磁信号を供給し、検出信号を取り出す端子である。

傾斜指令部２００は、スプール駆動制御ポート１２８に接続される可変制御弁１４４を有する。図５における傾斜指令部２００は、出力が高圧気体圧の出力か低圧気体圧の出力かいずれかである三方弁等であるが、ここでの可変制御弁１４４は、予め定められた車高値に対してスプール８０の位置を連続的に制御できる。

可変制御弁１４４の制御回路１４６としては、制御部１１０からの設定車高値ｈ_Sに対応する気体圧を出力するように可変制御弁１４４を駆動する信号を出力する回路が用いられる。この制御回路１４６には、可変制御弁１４４を駆動する信号によって実際に移動したピストン１２６の変位を示す変位センサポート１４２の出力がフィードバックされる。これによって、ピストン１２６は、空気バネ２２の位置に対応する車高値が設定車高値ｈ_Sとなるように、気体圧アクチュエータ１２０としてスプール８０を駆動する。

同様に、空気バネ２３に対する制御弁４０についても、変位センサ１４０と変位センサポート１４２が設けられ、これに対応して傾斜指令部２００が空気バネ２２に対応するものとは独立に設けられる。したがって、空気バネ２２と空気バネ２３について、標準車高値ｈ₀と所定車高値ｈ_Hとの間の車高値を、互いに独立に設定することができる。

図８は、図６に対応する図で、図７の構成において、傾斜制御のときの左右の空気バネ２２，２３の位置の車高値を説明する図である。図８に示す３つの図のうち、中央の図は、図６の中央の図と同じで、車両が通常の走行を行っているときであり、左右の図は、車両が超過遠心力を受けたときの様子を示す図である。各図の縦軸、横軸の意味は図６と同じである。

図８の中央の図は、車両が通常の走行をしているときであり、空気バネ２２の位置の車高値も空気バネ２３の位置の車高値も共にｈ₀である。右側の図は、超過遠心力を相殺するために、車両の右側を高くするときの様子を示す図である。ここでは、標準車高値ｈ₀と所定車高値ｈ_Hとの間を４等分して、ｈ₁，ｈ₂，ｈ₃，ｈ₄としてある。

このように、可変制御弁１４４を用いることで、車高値を段階的に変えることができ、やや曲線部が多い路線においても、きめ細かい車体傾斜を行うことができる。

上記では、制御弁４０として、給気開閉弁６０と二層三方弁７８とを組み合わせた構成を説明した。ここで、二層三方弁７８の制御スリーブ９０は外周に軸方向に沿って３つの開口部を有し、そのうちの１つは負荷口であるが、他の２つは給気口でも排気口でもない構成である。この他に、スプールに３つのランド部を有し、制御スリーブの外周に軸方向に沿って給気口、負荷口、排気口が配置される一般的なスプール・スリーブ型の三方弁を用いることができる。

図９は、そのような制御弁１８０の一例として、その基本構成を説明する図である。ここで用いられる二層三方弁１８１は、固定スリーブ１８２、制御スリーブ１８４、スプール１８６を備える。スプール１８６は、気体圧アクチュエータ１２０によって軸方向に駆動でき、制御スリーブ１８４はリンクレバー機構２４と回転・直進変換機構４４によって軸方向に駆動できる。スプール１８６は、ステムに３つのランド部が軸方向に相互に離間して設けられる。制御スリーブ１８４は、この３つのランド部の配置に対応して、外周に軸方向に沿って、給気口１８８、負荷口１９０、排気口１９２が順次配置される。

中立状態において、負荷口１９０の位置は、スプール１８６の中央ランド部の位置と一致して、中央ランドは負荷口１９０を塞ぐ。給気口１８８と排気口１９２は、中央ランド部の前後のステムの位置に合わせて配置される。また、固定スリーブ１８２においては、制御スリーブ１８４の給気口１８８、負荷口１９０、排気口１９２に対応して、それぞれ、給気ポート、負荷ポート、排気ポートが設けられる。制御スリーブ１８４は、予め定めた移動範囲で、固定スリーブ１８２に対し軸方向に移動可能で、その移動範囲においては、給気口１８８は給気ポートの範囲内、負荷口１９０は負荷ポートの範囲内、排気口１９２は排気ポートの範囲内とされる。

図９の構成の三方弁１８１を用いる制御弁１８０によっても、図５で説明したブロック図の構成をとることができる。なお、図９の構成と図２、図３の構成との相違の大きなところは、給気開閉弁６０を用いずに、給気口１８８、負荷口１９０、排気口１９２を制御スリーブ１８４の外周に設けていることである。これによって、給気開閉弁６０と二層三方弁７８との密着性のために必要なＯリングやゴム板等が不要になり、信頼性がその分向上することが期待される。また、排気口がスプールの内部に軸方向に沿って設けられる図２、図３の構成に比較して、排気容量を増加させることが容易となる。

上記では、制御スリーブ９０の移動駆動を車高値によって形状が変化するリンクレバー機構２４によって行い、スプール８０の移動駆動を気体圧アクチュエータ１２０によって行うものとして説明した。設定車高値の変更は、スプール８０と制御スリーブ９０の中立位置の間の相対的位置のオフセットの設定で行うことができる。したがって、スプールの移動駆動を車高値によって形状が変化するリンクレバー機構によって行い、制御スリーブの移動駆動を気体圧制御型の制御スリーブアクチュエータによって行うものとしてもよい。

二層三方弁７８は、従来から用いられる一般的なスプール・スリーブ型の三方弁と比べて、スリーブが二層構造となる分、気体の内部リーク、外部リークが多いことが予想される。レベル調整制御または傾斜制御が実行されているときは、時々刻々車高値がフィードバックされるので、内部リークや外部リークがあってもその制御は正常に行われる。二層三方弁７８においてレベル調整および傾斜制御においてフィードバックが正常に行われない故障状態のとき、あるいは二層三方弁７８を搭載する車両１０が運行を終えて車庫入りした倉入り状態となって動作制御が行われなくなるときには、内部リークや外部リークによって空気バネ２２，２３から気体が漏れて縮小状態となることが生じ得る。

そのような状態を抑制するために、スリーブが一層構造である通常の三方弁を二層三方弁７８に並列に配置することが好ましい。図１０は、図５に対応し第１空気バネ２２に関する部分を示すブロック図である。勿論、第２空気バネ２３についても同様な適用が可能である。ここでは、通常の三方弁２２０を用い、そのスプールを回転・直進機構２２２で駆動させるようにリンクレバー機構２４に接続し、これを二層三方弁７８に並列に配置して車体傾斜装置とした構成が示されている。

図１０において、三方弁２２０は、従来技術で用いられる高さ調整弁に相当するものとしてよい。

開閉弁２２４，２２６，２２８は、図示されていない切換部の制御の下で開閉制御され、二層三方弁７８と三方弁２２０とが使い分けられる。すなわち、二層三方弁７８が搭載される車両１０において、レベル調整制御または傾斜制御が実行される通常の場合には、開閉弁２２４が閉じられ、開閉弁２２６，２２８が開かれる。二層三方弁７８が異常のとき、あるいは二層三方弁７８が搭載される車両１０が倉入り状態にあって動作制御が行われていないときは、開閉弁２２６，２２８が閉じられ、開閉弁２２４が開かれる。この構成によって、二層三方弁７８が異常のとき、あるいは二層三方弁７８が搭載される車両１０が倉入り状態にあるときでも、空気バネ２２が完全に縮小状態となってしまうことを抑制できる。

図１１は、二層三方弁７８と三方弁２２０の具体的な並列配置を示す図である。ここでは、二層三方弁７８と三方弁２２０のそれぞれに接続される２つのレバーを有するリンクレバー機構２４が示されている。２つのレバーは一体化されて、同じ動きをする。これに代えて、１つのレバーを有するリンクレバー機構２４として、その１つのレバーで二層三方弁７８のスプール８０と三方弁２２０のスプールを同時に駆動するものとしてもよい。開閉弁２２４，２２６は直列に接続され、その接続点が第１空気バネ２２に接続される。開閉弁２２８は、二層三方弁７８の供給ポートと気体供給源３２との間に設けられる。

図１１では、二層三方弁として、図９で説明した構造の制御弁１８０における二層三方弁１８１を示した。この制御弁１８０における二層三方弁１８１は、図２、図３の構造の給気開閉弁６０を有する二層三方弁７８に比較して、排気容量を大きく取ることができる。図１２は、制御弁１８０における二層三方弁１８１を二層三方弁として用いたときの流量特性を示す図である。縦軸は第１空気バネ２２に流れる流量Ｑ₁、横軸はリンクレバー機構２４のレバーの回転角度である。図１１に示されるように、レバーの回転角度の絶対値を同じとして比較すると、供給側の流量に比較して排気側の流量が大きくできる。もっとも、排気容量に特別な仕様がないときは、二層三方弁として給気開閉弁６０を有する二層三方弁７８を用いても構わない。

本発明に係る車体傾斜装置は、台車と車体の間に設けられる空気バネを伸長または収縮して台車に対し車体を傾斜させる車両に用いられる。

１０車両、１２路面、１４，１５レール、１６，１７車輪、１８台車、２０車体、２２（第１）空気バネ、２３（第２）空気バネ、２４，２５リンクレバー機構、２６台車側アーム、２７回転接続部、２８レバー、３０車体傾斜装置、３２気体供給源、４０，１８０制御弁、４１負荷口接続部、４２制御弁路、４４，２２２回転・直進変換機構、５０，１９０負荷口、５２給気口接続部、５４排気口開放部、６０給気開閉弁、６１開閉弁本体、６２内部空間、６３，８８，９８突出部、６４弁体機構、６５（開閉弁端側の）近傍部、６６給気側弁体、６８開閉弁弁体、６９表面、７０コイルバネ、７８，１８０二層三方弁、８０，１８６スプール、８２排気用開口部、８４中心穴、８６中央ランド部、９０，１８４制御スリーブ、９１，１８２固定スリーブ、９２，９４開口部、９６連通路、１００隙間空間、１１０制御部、１１２，１１３個別傾斜部、１１８スプール軸、１２０，１２１気体圧アクチュエータ、１２２復元バネ、１２４シリンダ、１２６ピストン、１２８スプール駆動制御ポート、１４０変位センサ、１４２変位センサポート、１４４可変制御弁、１４６（可変制御弁の）制御回路、１６０ケース、１６１中心軸、１６２回転体、１６４偏心ピン、１６６案内板、１６８案内溝、２２０三方弁、１８８給気口、１９２排気口、２００傾斜指令部、２２４，２２６，２２８開閉弁。

Claims

車両の車体と台車の間において車両の左側に配置される第１空気バネと右側に配置される第２空気バネのいずれか一方に他方よりも多くの気体を供給して第１空気バネと第２空気バネのいずれか一方を他方よりも余計に伸長させ、車両の左側の車高値である第１車高値と右側の車高値である第２車高値の少なくともいずれか一方を、予め定めた最大の車高値である所定車高値と標準車高値との間を二等分から四等分の間で段階的に設定された設定車高値に変更して車両を左右に傾斜させる車体傾斜装置であって、
小径のステムと大径のランドとを有するスプールと、
気体供給源に接続される給気ポートと、排気ポートと、第１空気バネに接続される負荷ポートとを有する固定スリーブと、
外周側で固定スリーブに摺動自在に支持され、内周側でスプールを摺動自在に支持し、少なくともスプールのランドに対応する負荷口を有し、固定スリーブに対し予め定めた所定移動範囲で相対的に移動可能で、所定移動範囲において負荷口は固定スリーブの負荷ポートの範囲にある制御スリーブと、
を含み、スプールのランドと制御スリーブの負荷口との間の相対位置関係で給気ポートから負荷ポートを経て第１空気バネに供給される気体流量が定まり、あるいは第１空気バネから負荷ポートを経て排気ポートから排出される気体流量が定まる第１空気バネ用の二層三方弁と、
車両の左側を標準車高値よりも高く傾斜させる指令値のときに、第１空気バネ用の二層三方弁において、給気ポートから負荷ポートを経て第１空気バネに、所定車高値と標準車高値との間を二等分から四等分の間で段階的に設定された複数の設定車高値に対応する複数種類の気体圧の内で指令値の設定車高値に対応する気体圧の気体が供給されるように、固定スリーブに対しスプールを軸方向に移動駆動する気体圧制御型の第１空気バネ用の気体圧アクチュエータと、
第１車高値の所定車高値と実際の車高値との差である第１車高偏差値に応じて、第１空気バネ用の二層三方弁のスプールに対し制御スリーブを軸方向に移動駆動する第１空気バネ用の機械式アクチュエータと、
第１空気バネ用の二層三方弁と同じ構造で、第１空気バネに代えて第２空気バネに接続される第２空気バネ用の二層三方弁と、
第１空気バネ用の気体圧アクチュエータと同じ構造で、第２空気バネ用の二層三方弁に接続され、車両の右側を標準車高値よりも高く傾斜させる指令値のときに、給気ポートから負荷ポートを経て第２空気バネに、所定車高値と標準車高値との間を二等分から四等分の間で段階的に設定された複数の設定車高値に対応する複数種類の気体圧の内で指令値の設定車高値に対応する気体圧の気体が供給されるように、固定スリーブに対しスプールを軸方向に移動駆動する第２空気バネ用の気体圧アクチュエータと、
第１空気バネ用の機械式アクチュエータと同じ構造で、第２空気バネ用の二層三方弁に接続される第２空気バネ用の機械式アクチュエータと、
を備えることを特徴とする車体傾斜装置。
請求項１に記載の車体傾斜装置において、
スリーブが一層構造の三方弁であって、気体供給源と空気バネの間に二層三方弁と開閉弁を介して並列に配置される三方弁と、
予め定めた切換条件の下で、空気バネの接続先を二層三方弁からスリーブが一層構造の三方弁へ切り換える切換部と、
を備えることを特徴とする車体傾斜装置。
請求項２に記載の車体傾斜装置において、
切換部は、
二層三方弁が異常のとき、あるいは二層三方弁が動作制御されていない状態にあるときに、空気バネの接続先を二層三方弁からスリーブが一層構造の三方弁へ切り換えることを特徴とする車体傾斜装置。