CN112810651A - 一种轨道车辆抗侧滚装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轨道车辆抗侧滚装置及其控制方法，其中轨道车辆抗侧滚装置包括两个抗侧滚作动器，两个抗侧滚作动器垂向对称布置在车体与构架之间，并且每一个抗侧滚作动器包括上部橡胶节点、下部橡胶节点、导向座、传力杆、防护罩、第一电磁铁和第二电磁铁，第一电磁铁和第二电磁铁的线圈分别通过电缆与控制主机连接；转角及加速度复合传感器通过信号线将检测信号传递给控制主机；控制主机根据检测信号控制抗侧滚作动器动作。在车辆出现大幅侧滚运动时，本发明的抗侧滚装置能够迅速介入，并提供与车辆横向加速度相匹配的抗侧滚能力；在车辆无侧滚运动时可以实现垂向完全柔性，避免构架的垂向振动通过抗侧滚装置传入车内，提高旅客乘坐舒适性。

Description

一种轨道车辆抗侧滚装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及轨道车辆技术领域，特别是涉及一种轨道车辆抗侧滚装置及其控制方法。

背景技术

为了提高车辆的乘坐舒适性，高速动车组、地铁车辆以及普通客车普遍采用空气弹簧作为二系悬挂方式。但是，由于空气弹簧的水平刚度和垂向刚度较小，其能提供的车体相对于转向架的侧滚能力也较弱，当车辆受到的横向力较小时，仅靠二系弹簧系统可以保证车辆的抗侧滚能力和舒适性，但当车辆高速通过曲线时，由于线路超高及离心力的影响，车体相对于转向架的侧滚角度将明显增大，不利于车辆的运行平稳性和舒适性，因此采用空气弹簧的轨道车辆需要设置抗侧滚装置。现有的抗侧滚装置多为连杆扭臂加扭杆组成的抗侧滚扭杆，其工作原理为当车体侧滚时，水平放置的两个扭臂对于扭杆分别有一个相互反向的力与力矩的作用，使弹性扭杆承受扭矩而产生扭转弹性变形，扭杆弹簧的反力矩总是与车体产生侧滚角位移的方向相反，从而约束车体的侧滚运动；当左右弹簧为同向垂向位移时，两个扭臂只使扭杆产生同向的转动，而不产生扭杆弹簧作用，故不影响车体沉浮及点头运动。

现有的抗侧滚扭杆装置主要存在三方面不足：首先，为满足安全性，现有的抗侧滚扭杆通常按车辆可能受到的极限侧滚工况设计，对于车辆会车、进出隧道等横向力较小工况，车体侧滚角度较小，车辆不需要太大的抗侧滚能力，此时按极限侧滚工况设计的抗侧滚扭杆提供的抗侧滚响应过于猛烈，乘客将感受明显冲击，舒适性降低。其次，车辆高速通过曲线时，为平衡车辆受到的离心力，线路曲线将设置超高，由车辆与离心力相反方向的重力分力抵消部分离心力，但由于不同线路超高、曲线半径、车辆速度不同，车辆最终受到的横向合力不同，过大的横向合力导致乘客承受了较大的横向加速度，舒适性降低。最后，现有关于轨道车辆构架振动及噪声传递特性的研究结果(《运行状态下动车组构架传声载荷识别及振动传递分析》)表明，构架振动会通过抗侧滚扭杆传入车内，并在车辆客室内部引起高频振动及噪声，这也会使得车辆乘坐舒适性体验变差。

鉴于此，如何在车辆出现微幅侧滚运动时，使抗侧滚装置提供平稳的抗侧滚力；在车辆出现大幅侧滚运动时，使抗侧滚装置提供与车辆横向加速度相匹配的抗侧滚能力；在不需要抗侧滚装置作用时，避免高频振动通过抗侧滚装置传递至车上，进而提高车辆乘坐舒适性，是本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

为解决现有技术中轨道车辆的抗侧滚装置存在的问题，本发明提供一种轨道车辆抗侧滚装置及其控制方法。通过实施本发明，当车辆出现微幅侧滚运动时，由车辆二系弹簧系统提供相对柔和的抗侧滚能力，避免采用传统抗侧滚装置的车辆侧滚瞬间承受较大横向冲击，导致乘坐舒适性变差；当车辆出现大幅侧滚运动时，抗侧滚装置能够迅速介入，并提供与车辆横向加速度相匹配的抗侧滚能力，保证乘坐舒适性；当车辆无侧滚运动时，抗侧滚装置可以实现垂向完全柔性，使得来自构架的垂向振动不会通过抗侧滚装置传入车内，进而降低车体客室内的振动及噪声水平，提高旅客乘坐舒适性。

为解决上述技术问题，本发明采取如下的技术方案：

一种轨道车辆抗侧滚装置，包括抗侧滚作动器、转角及加速度复合传感器、控制主机；

两个所述抗侧滚作动器垂向对称布置，每一个所述抗侧滚作动器包括上部橡胶节点、下部橡胶节点、导向座、传力杆、防护罩、第一电磁铁和第二电磁铁，所述上部橡胶节点分别与车体及所述传力杆的顶端固定连接，所述传力杆通过所述防护罩上的导向座后底端与所述第一电磁铁固定连接，与所述第一电磁铁相对设置的所述第二电磁铁固定在所述防护罩的底部，所述下部橡胶节点分别与所述防护罩的底部及构架固定连接，所述第一电磁铁和所述第二电磁铁的线圈分别通过电缆与所述控制主机连接；

用于检测车体当前的侧滚角度以及横向加速度的所述转角及加速度复合传感器设置在车体的横向中心，并且所述转角及加速度复合传感器通过信号线将检测信号传递给所述控制主机；

所述控制主机根据所述检测信号改变输出至各个电磁铁线圈的电流的方向及大小，控制各个电磁铁的电磁力方向以及大小，进而控制所述抗侧滚作动器动作。

同时，本发明还提出一种轨道车辆抗侧滚装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：所述控制主机获取所述转角及加速度复合传感器检测得到的车体当前侧滚角度γ_i以及车体当前横向加速度a_i，并将所述车体当前侧滚角度γ_i与预设值γ_预设值比较，若所述车体当前侧滚角度γ_i小于等于所述预设值γ_预设值，则执行步骤二；否则，执行步骤三；

步骤二：所述控制主机控制所述抗侧滚作动器不作用；

步骤三：所述控制主机根据所述车体当前横向加速度a_i的大小及方向对所述抗侧滚作动器的力值进行修正，直至车体当前侧滚角度γ_i满足0°≤γ_i≤γ_预设值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明解决了当车辆出现微幅侧滚运动时，采用传统抗侧滚装置的车辆侧滚瞬间承受较大横向冲击的问题，可以实现由车辆二系弹簧系统提供相对柔和的抗侧滚能力，提高乘坐舒适性；

(2)本发明解决了当车辆出现大幅侧滚运动时，采用传统抗侧滚装置的车辆侧滚角度与横向力不匹配的问题，可以实现提供与车辆横向加速度相匹配的侧滚能力，从而进一步提高车辆乘坐舒适性；

(3)本发明解决了当车辆无侧滚运动时，采用传统抗侧滚装置的车辆将来自构架的垂向振动传入车内的问题，可以实现抗侧滚装置垂向完全柔性，降低了车体客室内的振动及噪声水平，从而进一步提高车辆乘坐舒适性；

(4)相比于传统金属抗侧滚扭杆，本发明的轨道车辆抗侧滚装置结构简单，取消了传统结构中的金属扭臂、扭杆、轴承等部件，极大降低了车下结构重量，有利于提高车辆动力学性能并降低车辆能耗；

(5)相比于采用液压作动器提供抗侧滚力的扭杆装置，本发明避免了液压系统普遍存在的密封可靠性不足(易漏油)、需要频繁维护以及增设液压系统(液压油、管路、液压缸等)之后导致的重量增加的缺点；更重要的是，当车辆无侧滚运动时，由于液体的不可压缩性，采用液压作动器(垂向刚度大)不可避免的会将构架振动传递至车上；

(6)相比于采用气压作动器提供抗侧滚力的扭杆装置，本发明由电磁力驱动、响应迅速，避免了气压系统响应及反馈慢、对车辆侧滚运动调整不及时的问题；同时气压系统必须增设配套的空气管路、压缩机等部件，增加了结构的复杂性和重量；

(7)相比于传统抗侧滚装置控制方法，本发明提供的控制方法彻底脱离刚性抗侧滚装置范畴，完全基于柔性抗侧滚装置设计，并可提供与车辆横向加速度相匹配的抗侧滚能力，可显著提高车辆乘坐舒适性；同时本发明提供的控制方法无须获得线路数据、车辆运行速度或GPS数据就可以实现实时调整车辆抗侧滚能力，简化了控制系统，降低了方案实施成本。

附图说明

图1是本发明所述的轨道车辆抗侧滚装置的结构示意图；

图2是本发明中抗侧滚作动器的结构示意图；

图3是车体无侧滚或微幅侧滚运动时抗侧滚作动器动作示意图；

图4是车体侧滚运动时抗侧滚作动器动作示意图；

图5是本发明所述的轨道车辆抗侧滚装置的控制方法流程示意图；

图中：1、抗侧滚作动器；1-1、上部橡胶节点；1-2、下部橡胶节点；1-3、导向座；1-4、传力杆；1-5、防护罩；1-6、第一电磁铁；1-7、第二电磁铁；2、转角及加速度复合传感器；3、控制主机；4、车体；5、构架。

具体实施方式

下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

本发明所提出的轨道车辆抗侧滚装置应用于需要设置抗侧滚装置的轨道车辆。在其中一个实施例中，如图1所示，本发明提出一种轨道车辆抗侧滚装置，该装置包括抗侧滚作动器1、转角及加速度复合传感器2、控制主机3，两个抗侧滚作动器1垂向对称布置在车体4与构架5之间。

具体地，如图2所示，两个抗侧滚作动器1的结构完全相同，每一个抗侧滚作动器1包括上部橡胶节点1-1、下部橡胶节点1-2、导向座1-3、传力杆1-4、防护罩1-5、第一电磁铁1-6和第二电磁铁1-7，其中，上部橡胶节点1-1分别与车体4及传力杆1-4的顶端固定连接，防护罩1-5上设有供传力杆1-4通过的导向座1-3，传力杆1-4通过导向座1-3后其底端与第一电磁铁1-6固定连接，第一电磁铁1-6与第二电磁铁1-7相对设置，并且第二电磁铁1-7固定在防护罩1-5的底部，下部橡胶节点1-2分别与防护罩1-5的底部及构架5固定连接，第一电磁铁1-6和第二电磁铁1-7的线圈分别通过电缆与控制主机3连接。

转角及加速度复合传感器2设置在车体4的横向中心，用于检测车体4当前的侧滚角度以及横向加速度，并且转角及加速度复合传感器2通过信号线将检测信号传递给控制主机3。

控制主机3根据检测信号改变输出至各个电磁铁线圈的电流的方向及大小，控制各个电磁铁的电磁力方向以及大小，进而控制两个抗侧滚作动器1动作。

可选地，控制主机3设置在车辆电器柜中，便于管理和维护。

本发明还提出一种上述实施例的轨道车辆抗侧滚装置的控制方法，该控制方法具体包括以下步骤，如图5所示：

步骤一：控制主机3获取转角及加速度复合传感器2检测得到的车体当前侧滚角度γ_i以及车体当前横向加速度a_i，并将车体当前侧滚角度γ_i与预设值γ_预设值比较，若车体当前侧滚角度γ_i小于等于预设值γ_预设值，则执行步骤二；否则，执行步骤三；

步骤二：当车体当前侧滚角度γ_i小于等于预设值γ_预设值时，即0°≤γ_i≤γ_预设值，例如出现如图3所示的情况时，控制主机3控制抗侧滚作动器1不作用，两个抗侧滚作动器1的力值均为零，实现抗侧滚装置垂向完全柔性，此时车辆存在两种状态：

①状态1：车辆没有发生侧滚运动。车辆出现横向运动、垂向运动或二者叠加的运动，由于抗侧滚装置垂向完全柔性，因此可以避免构架振动传入车内。

②状态2：车辆出现微幅侧滚运动。此时由车辆二系弹簧系统提供相对柔和的抗侧滚能力，避免车辆侧滚瞬间承受较大横向冲击。

步骤三：当车体当前侧滚角度γ_i大于预设值γ_预设值时，控制主机3根据转角及加速度复合传感器2检测得到的车体当前横向加速度a_i的大小及方向对两个抗侧滚作动器1的力值进行修正，直至车体当前侧滚角度γ_i满足0°≤γ_i≤γ_预设值，以保证车辆乘坐舒适性。

进一步地，当车体当前侧滚角度γ_i大于预设值γ_预设值时，步骤三具体包括以下过程：

参照图4、图5，为便于描述有如下定义：

某一时刻i时，车辆侧滚角度为γ_i、横向加速度为a_i，当时刻i为当前时刻时，γ_i为车体当前侧滚角度，a_i为车体当前横向加速度，γ_i及a_i的方向可以偏向左侧也可以偏向右侧，定义当车体当前横向加速度a_i与车体当前侧滚角度γ_i的方向一致时a_i＞0，方向相反时a_i＜0；

轨道车辆抗侧滚装置包括两个抗侧滚作动器1，分别为第一抗侧滚作动器、第二抗侧滚作动器，某一时刻i时，第一抗侧滚作动器和第二抗侧滚作动器产生的电磁力(即当前力值)分别为

及

图4中a_i＞0.05°，γ_i＞2°，由图4可知，

及

总是大小相等，方向相反，定义当抗侧滚作动器提供支撑力时

提供拉力时

仍参照图5，当控制主机3判断车体当前侧滚角度γ_i大于预设值γ_预设值时，控制主机3保持第一抗侧滚作动器的当前力值

及第二抗侧滚作动器的当前力值

不变，即

之后检测角度及加速度复合传感器3测得的车体当前横向加速度a_i的大小及方向，并根据a_i的大小及方向，通过对当前力值

及

增加或减小一个固定值δ，实时修正第一抗侧滚作动器和第二抗侧滚作动器的力值，具体为：

①如果a_i＞a_阈值，其中a_阈值为车体当前横向加速度a_i对应的阈值，未平衡的横向加速度方向与车辆侧滚方向相同，表明车辆用于平衡离心力的重力分量偏大，应减小车辆的侧滚角度，侧滚方向的第一抗侧滚作动器将增大支撑力，另一侧的第二抗侧滚作动器将减小支撑力，控制主机3控制第一抗侧滚作动器和第二抗侧滚作动器，使

令i＝i+1，之后返回步骤一重新开始逻辑判断，直至车体当前侧滚角度γ_i满足0°≤γ_i≤γ_预设值；

②如果a_i＜-a_阈值，未平衡的横向加速度方向与车辆侧滚方向相反，表明车辆用于平衡离心力的重力分量偏小，应增大车辆的侧滚角度，第一抗侧滚作动器将减小支撑力，第二抗侧滚作动器将增大支撑力，控制主机3控制第一抗侧滚作动器和第二抗侧滚作动器，使

令i＝i+1，之后返回步骤一重新开始逻辑判断，直至车体当前侧滚角度γ_i满足0°≤γ_i≤γ_预设值；

③如果-a_阈值＜a_i＜a_阈值，车辆未平衡的横向加速度水平可以接受，此时控制主机3不调整第一抗侧滚作动器和第二抗侧滚作动器的输出状态，令i＝i+1，之后返回步骤一重新开始逻辑判断，直至车体当前侧滚角度γ_i满足0°≤γ_i≤γ_预设值。

相类似的，当车辆出现与图4示例方向相反一侧的侧滚时，只需向相反一侧调整抗侧滚作动器的力值即可，此处不再赘述。

可选地，本实施例中预设值γ_预设值的取值大小为0.6°；阈值a_阈值的取值大小为0.01g，其中g为重力加速度值。

本发明所提出的轨道车辆抗侧滚装置及其控制方法具有以下有益效果：

(1)本发明解决了当车辆出现微幅侧滚运动时，采用传统抗侧滚装置的车辆侧滚瞬间承受较大横向冲击的问题，可以实现由车辆二系弹簧系统提供相对柔和的抗侧滚能力，提高乘坐舒适性；

(2)本发明解决了当车辆出现大幅侧滚运动时，采用传统抗侧滚装置的车辆侧滚角度与横向力不匹配的问题，可以实现提供与车辆横向加速度相匹配的侧滚能力，从而进一步提高车辆乘坐舒适性；

(3)本发明解决了当车辆无侧滚运动时，采用传统抗侧滚装置的车辆将来自构架的垂向振动传入车内的问题，可以实现抗侧滚装置垂向完全柔性，降低了车体客室内的振动及噪声水平，从而进一步提高车辆乘坐舒适性；

(4)相比于传统金属抗侧滚扭杆，本发明的轨道车辆抗侧滚装置结构简单，取消了传统结构中的金属扭臂、扭杆、轴承等部件，极大降低了车下结构重量，有利于提高车辆动力学性能并降低车辆能耗；

(5)相比于采用液压作动器提供抗侧滚力的扭杆装置，本发明避免了液压系统普遍存在的密封可靠性不足(易漏油)、需要频繁维护以及增设液压系统(液压油、管路、液压缸等)之后导致的重量增加的缺点；更重要的是，当车辆无侧滚运动时，由于液体的不可压缩性，采用液压作动器(垂向刚度大)不可避免的会将构架振动传递至车上；

(6)相比于采用气压作动器提供抗侧滚力的扭杆装置，本发明由电磁力驱动、响应迅速，避免了气压系统响应及反馈慢、对车辆侧滚运动调整不及时的问题；同时气压系统必须增设配套的空气管路、压缩机等部件，增加了结构的复杂性和重量；

(7)相比于传统抗侧滚装置控制方法，本发明提供的控制方法彻底脱离刚性抗侧滚装置范畴，完全基于柔性抗侧滚装置设计，并可提供与车辆横向加速度相匹配的抗侧滚能力，可显著提高车辆乘坐舒适性；同时本发明提供的控制方法无须获得线路数据、车辆运行速度或GPS数据就可以实现实时调整车辆抗侧滚能力，简化了控制系统，降低了方案实施成本。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种轨道车辆抗侧滚装置，其特征在于，包括抗侧滚作动器(1)、转角及加速度复合传感器(2)、控制主机(3)；

两个所述抗侧滚作动器(1)垂向对称布置，每一个所述抗侧滚作动器(1)包括上部橡胶节点(1-1)、下部橡胶节点(1-2)、导向座(1-3)、传力杆(1-4)、防护罩(1-5)、第一电磁铁(1-6)和第二电磁铁(1-7)，所述上部橡胶节点(1-1)分别与车体(4)及所述传力杆(1-4)的顶端固定连接，所述传力杆(1-4)通过所述防护罩(1-5)上的导向座(1-3)后底端与所述第一电磁铁(1-6)固定连接，与所述第一电磁铁(1-6)相对设置的所述第二电磁铁(1-7)固定在所述防护罩(1-5)的底部，所述下部橡胶节点(1-2)分别与所述防护罩(1-5)的底部及构架(5)固定连接，所述第一电磁铁(1-6)和所述第二电磁铁(1-7)的线圈分别通过电缆与所述控制主机(3)连接；

用于检测车体(4)当前的侧滚角度以及横向加速度的所述转角及加速度复合传感器(2)设置在车体(4)的横向中心，并且所述转角及加速度复合传感器(2)通过信号线将检测信号传递给所述控制主机(3)；

所述控制主机(3)根据所述检测信号改变输出至各个电磁铁线圈的电流的方向及大小，控制各个电磁铁的电磁力方向以及大小，进而控制所述抗侧滚作动器(1)动作。

2.根据权利要求1所述的一种轨道车辆抗侧滚装置，其特征在于，

所述控制主机(3)设置在车辆电器柜中。

3.一种如权利要求1或2所述的轨道车辆抗侧滚装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：所述控制主机(3)获取所述转角及加速度复合传感器(2)检测得到的车体当前侧滚角度γ_i以及车体当前横向加速度a_i，并将所述车体当前侧滚角度γ_i与预设值γ_预设值比较，若所述车体当前侧滚角度γ_i小于等于所述预设值γ_预设值，则执行步骤二；否则，执行步骤三；

步骤二：所述控制主机(3)控制所述抗侧滚作动器(1)不作用；

步骤三：所述控制主机(3)根据所述车体当前横向加速度a_i的大小及方向对所述抗侧滚作动器(1)的力值进行修正，直至车体当前侧滚角度γ_i满足0°≤γ_i≤γ_预设值。

4.根据权利要求3所述的轨道车辆抗侧滚装置的控制方法，其特征在于，所述步骤三包括以下过程：

定义当车体当前横向加速度a_i与车体当前侧滚角度γ_i的方向一致时a_i＞0，方向相反时a_i＜0，所述控制主机(3)保持第一抗侧滚作动器的当前力值F_i ¹及第二抗侧滚作动器的当前力值F_i ²不变，通过对当前力值F_i ¹及F_i ²增加或减小一个固定值δ，实时修正第一抗侧滚作动器和第二抗侧滚作动器的力值，具体为：

①如果a_i＞a_阈值，其中a_阈值为车体当前横向加速度a_i对应的阈值，未平衡的横向加速度方向与车辆侧滚方向相同，表明车辆用于平衡离心力的重力分量偏大，应减小车辆的侧滚角度，侧滚方向的第一抗侧滚作动器将增大支撑力，另一侧的第二抗侧滚作动器将减小支撑力，所述控制主机(3)控制第一抗侧滚作动器和第二抗侧滚作动器，使F_i ¹＝F_i ¹+δ，F_i ²＝F_i ²-δ，之后返回步骤一重新开始逻辑判断；

②如果a_i＜-a_阈值，未平衡的横向加速度方向与车辆侧滚方向相反，表明车辆用于平衡离心力的重力分量偏小，应增大车辆的侧滚角度，第一抗侧滚作动器将减小支撑力，第二抗侧滚作动器将增大支撑力，所述控制主机(3)控制第一抗侧滚作动器和第二抗侧滚作动器，使F_i ¹＝F_i ¹-δ，F_i ²＝F_i ²+δ，之后返回步骤一重新开始逻辑判断；

③如果-a_阈值＜a_i＜a_阈值，车辆未平衡的横向加速度水平可以接受，此时控制主机(3)不调整第一抗侧滚作动器和第二抗侧滚作动器的输出状态，之后返回步骤一重新开始逻辑判断。

5.根据权利要求4所述的轨道车辆抗侧滚装置的控制方法，其特征在于，

所述预设值γ_预设值的取值大小为0.6°。

6.根据权利要求4所述的轨道车辆抗侧滚装置的控制方法，其特征在于，

所述阈值a_阈值的取值大小为0.01g，其中g为重力加速度值。

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