JP6629138B2 - 圧縮空気供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両に設けられる圧縮空気供給装置に関し、特に専用の動力源を必要とすることなく圧縮空気の供給が可能なものに関する。

鉄道車両においては、ブレーキ装置や、車体を支持するまくらばね等の空気ばねを作動させる作動流体として圧縮空気を用いている。
このような圧縮空気は、一般に電動モータによって駆動される空気圧縮機（コンプレッサ）が吐出したものを、蓄圧容器である元空気だめに貯留するようになっている。
鉄道車両に設けられる圧縮空気供給装置に関する従来技術として、例えば特許文献１には、モータによって駆動される空気圧縮機が吐出する圧縮空気を、オイルセパレータを経由して供給空気だめに導入し、供給空気だめからブレーキ装置へ供給することが記載されている。

特開２０１４−１５２７４４号公報

近年、高速鉄道用や優等列車用の旅客用の電車等においては、曲線通過時に空気ばねの伸縮を利用して車体を傾斜させる車体傾斜システムの採用が拡大しているが、搭載できる機器容量の制限から、車体傾斜に必要な圧縮空気量の確保が困難となる場合がある。
一方、動力を持たずかつ車体コストを低下させる必要がある貨車のように、運用やコストの面からモータ等の動力源を有する空気圧縮機の搭載が困難である車両も存在する。
このため、貨車では、従来はコイルばね等の金属ばねによって車体を支持することが一般的であったが、走行安定性等の観点から、積載荷重の変化に対して車高を維持する車高調整機能や、車体を支持するばね定数の低下（軟支持化）、低床化が求められており、空気ばね式車体支持システムの搭載が強く要望されている。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、専用の動力源を必要とすることなく圧縮空気の供給が可能な圧縮空気供給装置を提供することである。

上述した課題を解決するため、本発明の圧縮空気供給装置は、車輪が設けられた輪軸と、前記輪軸の回転によって駆動され空気を圧縮する空気圧縮機と、前記輪軸を軸箱支持装置を介して支持する台車枠とを備え、前記空気圧縮機は前記台車枠の横梁に設けられた取付座に取り付けられ、前記輪軸の回転を、左右の前記車輪の間に設けられた駆動歯車から前記空気圧縮機の入力軸に伝達する動力伝達機構を有することを特徴とする。
これによれば、電動モータ等の動力源を必要とせず、車両の走行時の輪軸の回転を利用して簡単な構成によって圧縮空気を得ることが可能である。
このため、電動モータ等を設置するスペースを確保することが困難な車両や、電力の確保が困難な車両であっても圧縮空気を得ることが可能であり、空気ばね式の車体支持装置等を利用することができる。
また、既存の電動式の空気圧縮機を有する車両であっても、本発明の圧縮空気供給装置を併用することによって、利用可能な圧縮空気量を増加させることができる。

また、空気圧縮機を台車枠に取付けることによって、ばね下重量を抑制し、乗り心地や走行安定性を向上することができる。また、比較的大型の空気圧縮機を搭載することができる。
この場合、空気圧縮機は、電車の動力台車用に設計された台車枠において、モータが搭載される箇所にモータに代えて搭載することが可能であり、モータから輪軸へ動力を伝達する機構と実質的に同様の機構を用いて輪軸から空気圧縮機へ動力伝達を行うことができる。
これによって、既存の動力台車（電動台車）用の部品を有効利用することが可能である。

本発明において、前記輪軸と前記空気圧縮機との間に動力を伝達可能な接続状態と動力を遮断する切断状態とを切替可能なクラッチを設けた構成とすることができる。
これによれば、圧縮空気の発生が不要な状況ではクラッチを切断状態とすることによって、空気圧縮機の稼働時間を短縮して部品の摩耗を抑制するとともに、走行抵抗の増加を防止することができる。

本発明において、前記空気圧縮機が圧縮した空気が貯留される空気だめを備え前記クラッチは前記空気だめの内圧が所定の上限値以上となった際に前記切断状態とされる構成とすることができる。
これによれば、空気圧縮機に無駄な動作を行わせないことによって、走行抵抗の低減を図ることができる。

本発明において、前記クラッチはブレーキ装置の制動動作と連動して前記切断状態から前記接続状態に切替えられる構成とすることができる。
これによれば、空気圧縮機の作動に要するトルクを制動力として利用することができる。
また、制動時に空気圧縮機を作動させることによって、力行時や惰行時における空気圧縮機の作動頻度を低減し、走行抵抗の低減を図ることができる。

以上のように、本発明によれば、専用の動力源を必要とすることなく圧縮空気の供給が可能な圧縮空気供給装置を提供することができる。

本発明を適用した圧縮空気供給装置の参考例を有する鉄道車両の構成を示す図である。 参考例の圧縮空気供給装置の構成を示す図である。 本発明を適用した圧縮空気供給装置の第１実施形態を有する台車を上方から見た平面図である。 本発明を適用した圧縮空気供給装置の第２実施形態の構成を示す図である。 第２実施形態の圧縮空気供給装置におけるクラッチの制御を示すフローチャートである。

以下、本発明を適用した圧縮空気供給装置の実施形態について説明する。
＜参考例＞
先ず、実施形態に先立って本発明の参考例の圧縮空気供給装置について説明する。
参考例の圧縮空気供給装置は、例えば、客車、貨車等の無動力の鉄道車両に設けられるものである。
図１は、参考例の圧縮空気供給装置を有する鉄道車両の構成を示す図である。
鉄道車両１は、車体１０、台車枠２０、輪軸３０、軸箱４０、まくらばね５０等を有して構成されている。

車体１０は、下面部を構成する台枠の側端部、前後端部から、側構、妻構をそれぞれ上方へ立設し、上部に屋根構を設けることによって、実質的に六面体状に構成されている。
車体１０の内部には、乗客、乗員、貨物等が収容される車室が設けられる。

台車枠２０は、車体１０の下部に設けられ、軸箱４０及び軸箱支持装置を介して前後一対の輪軸３０が設けられた２軸ボギー台車の本体部を構成する枠体状の構造部材である。
台車は、車体１０の前後方向に離間して例えば一対設けられる。
台車枠２０は、車体１０に対して、ボギー角付与可能に取り付けられている。

輪軸３０は、左右のレールＲ上を転動する一対の車輪３１が取り付けられた回転軸である。
軸箱４０は、輪軸３０の両端部に形成されたジャーナル部を回転可能に支持する。
軸箱４０は、軸受及びその潤滑装置等を有して構成されている。
軸箱４０は、軸ばね等の１次ばね系を含む軸箱支持装置によって、台車枠２０に対して上下方向及びヨーイング方向（ステア方向）に相対変位可能に支持されている。

まくらばね５０は、台車枠２０の上部と車体１０の下部との間に設けられ、車体１０を支持する２次ばね系を構成する空気ばねである。
まくらばね５０は、まくらぎ方向（車幅方向）に離間して、一対設けられている。

図２は、参考例の圧縮空気供給装置の構成を示す図である。
圧縮空気供給装置１００は、空気圧縮機１１０、カップリング１２０、空気だめ１３０、調圧弁１４０、逆止弁１５０、調圧弁１６０等を有して構成されている。

空気圧縮機１１０は、輪軸３０の回転が伝達されることによって駆動され、周囲の空気を吸入して圧縮し、所定の圧力の圧縮空気を吐出する。
空気圧縮機１１０として、例えば、斜板式、スクロール式、ベーン式等の各種コンプレッサを用いることができるが、例えばベーン式のように、回転方向が逆転しても利用可能なものを用いると列車の進行方向に関わらず圧縮空気を発生可能であるため好ましい。
図１に示すように、空気圧縮機１１０は、入力軸が輪軸３０と実質的に同心となるように、軸箱４０のまくらぎ方向（車幅方向）外側に取り付けられている。

カップリング１２０は、輪軸３０の端部と、空気圧縮機１１０の入力軸との間に設けられ、これらの間で動力伝達を可能とする継手である。

空気だめ１３０は、空気圧縮機１１０が吐出した圧縮空気が、配管Ｌ１を介して導入される蓄圧容器である。
調圧弁１４０、逆止弁１５０は、配管Ｌ１の途中に、空気圧縮機１１０側から順次配列されている。
調圧弁１４０は、空気だめ１３０の内圧が所定の上限値を超えないよう、空気圧縮機１１０が吐出する元圧を調圧（減圧）する。
逆止弁１５０は、空気圧縮機１１０等に故障が生じた場合に、空気だめ１３０側から圧縮空気が逆流し、漏気することを防止する。

空気だめ１３０内の圧縮空気は、配管Ｌ２を介して、まくらばね５０等の圧縮空気を消費する各要素へ供給される。
調圧弁１６０は、配管Ｌ２の途中に設けられ、空気だめ１３０内の圧力からまくらばね５０への供給に適した圧力まで調圧（減圧）する。

以上説明した参考例によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）輪軸３０の回転により空気圧縮機１１０を駆動することによって、電動モータ等の動力源を必要とせず、簡単な構成によって圧縮空気を得ることが可能である。
このため、電動モータ等を設置するスペースを確保することが困難な車両や、電力等の確保が不可能な車両であっても圧縮空気を得ることが可能であり、空気ばね式の車体支持装置等を利用することができる。
また、既存の電動式の空気圧縮機を有する車両であっても、本発明の圧縮空気供給装置を併用することによって、利用可能な圧縮空気量を増加させることができ、車体傾斜システム等に活用することができる。
（２）空気圧縮機１１０を輪軸３０の軸端部において、軸箱４０の外側に設けることによって、既存の台車に小規模な設計変更を行うことによって容易に本発明を適用することが可能である。

＜第１実施形態＞
次に、本発明を適用した圧縮空気供給装置の第１実施形態について説明する。
以下説明する各実施形態において、参考例及び従前の実施形態と実質的に共通する箇所については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。

図３は、第１実施形態の圧縮空気供給装置を有する台車を上方から見た平面図である。
図３に示すように、台車枠２０は、側梁２１、横梁２２を有する。
側梁２１は、車両前後方向に延びて配置された部材であって、枕木方向に離間しかつ左右の車輪３１を挟んで１対設けられている。
まくらばね５０の下部は、左右の側梁２１の前後方向における中央部の上部にそれぞれ取り付けられている。
横梁２２は、左右の側梁２１の間にわたしてまくらぎ方向に沿って延びた部材である。
横梁２２は、台車枠２０の前後方向における中央部に、前後方向に離間して例えば１対設けられている。

第１実施形態においては、空気圧縮機１１０を、入力軸が輪軸３０と実質的に並行となるように横梁２２に取り付けている。
空気圧縮機１１０は、まくらぎ方向における位置が、左右の車輪３１の間となるように配置されている。
輪軸３０における左右の車輪３１の内側であって一方の車輪３１に隣接する箇所には、駆動歯車３２が設けられている。
一方、空気圧縮機１１０の入力軸には、駆動歯車３２と噛合う被駆動歯車１１１が設けられている。

ここで、横梁２２における空気圧縮機１１０の取付部は、電車（動力車）用の台車枠におけるモータの取付座を用いることができる。
また、駆動歯車３２、被駆動歯車１１１は、モータから輪軸へ動力を伝達する動力伝達機構の部品を用いることができる。

以上説明した第１実施形態によれば、上述した参考例の効果と実質的に同様の効果に加えて、ばね下重量の増加を抑制することが可能であり、比較的大型の空気圧縮機１１０を搭載する場合であっても、乗り心地や走行性能への影響を抑制できる。
また、空気圧縮機１１０は、電車の動力車用の台車枠において、モータが搭載される箇所に、モータに代えて搭載することが可能であり、モータから輪軸へ動力を伝達する機構と実質的に同様の機構を用いて輪軸から空気圧縮機へ動力伝達を行うことができる。
これによって、既存の鉄道車両用の部品を有効利用することが可能である。

＜第２実施形態＞
次に、本発明を適用した圧縮空気供給装置の第２実施形態について説明する。
第２実施形態の圧縮空気供給装置は、クラッチの接続状態、切断状態を制御する制御装置を設けたことを特徴とする。
図４は、第２実施形態の圧縮空気供給装置の構成を示す図である。
第２実施形態においては、カップリング１２０に代えてクラッチ１７０を設け、さらに、クラッチ１７０を制御するクラッチ制御装置１８０を設けている。

クラッチ１７０は、輪軸３０から空気圧縮機１１０への動力伝達を可能とする接続状態と、動力伝達を遮断する切断状態とを切り換える機械要素である。
クラッチ１７０は、クラッチ制御装置１８０からの指令に応じて接続状態と切断状態とを切り換える図示しないアクチュエータを備えている。

クラッチ制御装置１８０は、空気だめ１３０の内圧、及び、列車のブレーキ作動状態に応じて、クラッチ１７０の接続状態、切断状態を切り替える。
クラッチ制御装置１８０は、例えば、ＣＰＵ等の情報処理装置、ＲＡＭやＲＯＭ等の記憶装置、入出力インターフェイス及びこれらを接続するバス等を有して構成されている。

クラッチ制御装置１８０には、空気だめ内圧センサ１８１、ブレーキ圧センサ１８２が接続されている。
空気だめ内圧センサ１８１は、空気だめ１３０の内圧を検出する圧力センサである。
ブレーキ圧センサ１８２は、列車の空圧式ブレーキのブレーキ圧を検出する圧力センサである。

図５は、第２実施形態の圧縮空気供給装置におけるクラッチの制御を示すフローチャートである。
以下、ステップ毎に順を追って説明する。
＜ステップＳ０１：空気だめ圧判断（１）＞
クラッチ制御装置１８０は、空気だめ１３０の内圧Ｐを予め設定された下限値と比較する。
内圧Ｐが下限値以上である場合はステップＳ０２に進み、その他の場合はステップＳ０５に進む。

＜ステップＳ０２：空気だめ圧判断（２）＞
クラッチ制御装置１８０は、空気だめ１３０の内圧Ｐを予め設定された上限値と比較する。
内圧Ｐが上限値以下である場合はステップＳ０３に進み、その他の場合はステップＳ０４に進む。

＜ステップＳ０３：制動判断＞
クラッチ制御装置１８０は、ブレーキ圧が発生しているか（ブレーキ装置が制動動作中か）否かを判別する。
ブレーキ圧が発生している場合はステップＳ０５に進み、ブレーキ圧が実質的に発生していない場合はステップＳ０４に進む。

＜ステップＳ０４：クラッチ切断＞
クラッチ制御装置１８０は、クラッチ１７０を切断状態とする。
その後、一連の処理を終了（リターン）する。

＜ステップＳ０５：クラッチ接続＞
クラッチ制御装置１８０は、クラッチ１７０を接続状態とする。
その後、一連の処理を終了（リターン）する。

以上説明した第２実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）圧縮空気の発生が不要な状況では、クラッチ１７０を切断状態とすることによって、空気圧縮機１１０の稼働時間を短縮して部品の摩耗を抑制するとともに、走行抵抗の増加を防止することができる。
（２）空気だめ１３０の内圧が所定値以上である場合には、クラッチ１７０を切断状態とすることにより、空気圧縮機１１０に無駄な動作を行わせないことによって、走行抵抗の低減を図ることができる。
（３）ブレーキ装置の制動動作と連動してクラッチ１７０を接続し、圧縮空気を発生させることによって、空気圧縮機１１０の作動に要するトルクを制動力として利用することができる。
また、制動時に空気圧縮機１１０を作動させることによって、力行時や惰行時における空気圧縮機１１０の作動頻度を低減し、走行抵抗の低減を図ることができる。

（他の実施形態）
なお、本発明は上述した各実施形態のみに限定されるものではなく、種々の応用や変形
が考えられる。
（１）鉄道車両及び圧縮空気供給装置の構成は、上述した各実施形態に限定されず、適宜変更することができる。
例えば、鉄道車両は、貨車、客車、電車、気動車、機関車等どのような車両であってもよい。
（２）本発明の圧縮空気供給装置は、単独での利用に限らず、既存の電動式空気圧縮機と併用することも可能である。
（３）空気圧縮機の種類、配置、個数や、輪軸から空気圧縮機に動力を伝達する手法も特に限定されない。
（４）クラッチを設ける場合に、切断状態と接続状態とを切り換える条件も、第２実施形態の構成に限定されず、適宜変更することができる。
（５）各実施形態では空気圧縮機が吐出した圧縮空気を空気だめに貯留しているが、空気だめを設けずに、空気圧縮機が吐出した圧縮空気を、直接空気ばねやブレーキ装置に供給してもよい。

１ 鉄道車両 １０ 車体
２０ 台車枠 ３０ 輪軸
３１ 車輪 ３２ 駆動歯車
Ｒ レール ４０ 軸箱
５０ まくらばね １００ 圧縮空気供給装置
１１０ 空気圧縮機 １１１ 被駆動歯車
１２０ カップリング １３０ 空気だめ
１４０ 調圧弁 １５０ 逆止弁
１６０ 調圧弁 １７０ クラッチ
１８０ クラッチ制御装置 １８１ 空気だめ内圧センサ
１８２ ブレーキ圧センサ Ｌ１，Ｌ２ 配管

Claims (4)

1. 車輪が設けられた輪軸と、
   前記輪軸の回転によって駆動され空気を圧縮する空気圧縮機と、
   前記輪軸を軸箱支持装置を介して支持する台車枠とを備え、
   前記空気圧縮機は前記台車枠の横梁に設けられた取付座に取り付けられ、
   前記輪軸の回転を、左右の前記車輪の間に設けられた駆動歯車から前記空気圧縮機の入力軸に伝達する動力伝達機構を有すること
   を特徴とする圧縮空気供給装置。
2. 前記輪軸と前記空気圧縮機との間に動力を伝達可能な接続状態と動力を遮断する切断状態とを切替可能なクラッチを設けたこと
   を特徴とする請求項１に記載の圧縮空気供給装置。
3. 前記空気圧縮機が圧縮した空気が貯留される空気だめを備え
   前記クラッチは前記空気だめの内圧が所定の上限値以上となった際に前記切断状態とされること
   を特徴とする請求項２に記載の圧縮空気供給装置。
4. 前記クラッチはブレーキ装置の制動動作と連動して前記切断状態から前記接続状態に切替えられること
   を特徴とする請求項２又は請求項３に記載の圧縮空気供給装置。
   

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