JP2006231968A - 鉄道車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 曲線部での乗り心地を良くした車体の傾斜制御を行わせる鉄道車両を提供すること。
【解決手段】 空気バネに対する圧縮エアの給排気を制御する高さ制御弁を備え、その高さ制御弁は、台車との間に連結された高さ調節棒が上下方向に変位することによって切り換えられるものであり、その高さ調節棒は、一体に設けられたアクチュエータの伸縮によって見かけ上、上下方向に変位して前記高さ制御弁を切り換えるものであって、アクチュエータが車高制御手段によって伸縮が切り換えられるようにした鉄道車両において、車高制御手段が、高さ制御弁を仮想的に切り換えたとして空気バネの車体傾斜角速度から走行先の予測傾斜角を算出し、車体最大傾斜角より小さい所定の傾斜角をしきい値として、その予測傾斜角が当該しきい値を示す位置における均衡傾斜角を当該しきい値と比較してアクチュエータの伸縮を切り換えるようにした。
【選択図】 図９

Description

本発明は、車体と台車との間に配置された空気バネの給排気を制御することにより、空気バネの高さを調整して車体を傾斜させ、曲線部の乗り心地を良くした鉄道車両に関する。

鉄道車両は、車体が台車に支えられて走行するように構成され、車体と台車との間には振動を吸収する空気バネが配置され、その空気バネ内の空気量調整により車体の高さ調節や傾斜調節が行えるように構成されている。
高さ調節は、高さ調節棒が車体の上下変位を制御弁に伝達し、その制御弁の切り換えによって空気バネ内の圧縮エアを給排気して高さを調節するように構成されている。これは、乗客の乗り降りや走行中の傾きによる荷重の変動が生じた場合に、その変動に伴って車体と台車との距離が変化するため、高さ制御弁を動作させて空気バネの高さ、すなわち車体の高さを調節するようにしたものである。

また、鉄道車両には、曲線走行時の乗り心地を向上させるため、カント不足を補うべく左右の空気バネの高さを強制的に変化させて車体を傾斜させるようにしている。例えば、下記特許文献１では、高さ調節棒の長さで開閉タイミングが決定される高さ制御弁によって空気バネの高さ調節によって車体の傾斜が行われる。
特開２００３−２３１４６５号公報（第３−４頁、図１ー図６）

こうした従来の鉄道車両では、高さ制御弁の切り換えによって一気に空気バネに圧縮エアを供給し、あるいは空気バネから圧縮エアが排気するように構成されていた。そして、曲線部に入る場合、あるいは曲線部を出る場合の車体傾斜のタイミングを一意に設定し、例えば緩和曲線部分の始まる位置で車体傾斜を開始したり、または緩和曲線部分の終わる位置で車体傾斜が完了するなどしていた。すなわち、高さ制御弁の切り換えによって空気バネの高さ調節を行う鉄道車両では、適切なタイミングで車体を傾斜動作させ、その傾斜を戻す傾斜無動作を行わせる制御が行われていなかった。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、曲線部での乗り心地を良くした車体の傾斜制御を行わせる鉄道車両を提供することを目的とする。

本発明は、車体と台車との間に設けられた空気バネに対する圧縮エアの給排気を制御する高さ制御弁を備え、その高さ制御弁は、台車との間に連結された高さ調節棒が上下方向に変位することによって切り換えられるものであり、その高さ調節棒は、一体に設けられたアクチュエータの伸縮によって見かけ上、上下方向に変位して前記高さ制御弁を切り換えるものであって、アクチュエータは、車高制御手段によって伸縮が切り換えられるようにした鉄道車両において、前記車高制御手段は、前記高さ制御弁を仮想的に切り換えたとして前記空気バネの車体傾斜角速度から走行先の予測傾斜角を算出し、車体最大傾斜角より小さい所定の傾斜角をしきい値として、その予測傾斜角が当該しきい値を示す位置における均衡傾斜角を当該しきい値と比較して前記アクチュエータの伸縮を切り換えるようにしたものであることを特徴とする。

また、本発明の鉄道車両は、前記車高制御手段が、車体が傾斜無動作状態の場合には、予測傾斜角が傾斜ONしきい値を示す位置を予測位置とし、その位置での均衡傾斜角が傾斜ONしきい値を超えている場合に傾斜動作を開始させるものであることが望ましい。
また、本発明の鉄道車両は、前記車高制御手段が、現走行地点より後であって前回、傾斜動作状態の車体を傾斜無動作させるために求めた、予測傾斜角が 傾斜OFFしきい値に到達した前回予測位置の均衡傾斜角が前記傾斜ONしきい値以上の場合、又はその前回予測位置の均衡傾斜角がその先の予測位置の均衡傾斜角より小さい場合に傾斜動作を開始させるものであることが望ましい。

また、本発明の鉄道車両は、前記車高制御手段が、車体が傾斜動作状態の場合には、予測傾斜角が 傾斜OFFしきい値を示す位置を予測位置とし、その位置での均衡傾斜角が 傾斜OFFしきい値を下回っている場合に傾斜無動作を開始させるものであることが望ましい。
また、本発明の鉄道車両は、前記車高制御手段が、現走行地点より後であって前回、傾斜無動作状態の車体を傾斜動作させるために求めた、予測傾斜角が 傾斜ONしきい値に到達した前回予測位置の均衡傾斜角が前記 傾斜OFFしきい値以下である場合、又はその前回予測位置の均衡傾斜角がその先の予測位置の均衡傾斜角より小さい場合に傾斜無動作を開始させるものであることが望ましい。
更に、本発明の鉄道車両は、前記 傾斜OFFしきい値が前記傾斜ONしきい値より小さいことが望ましい。

本発明によれば、傾斜角速度が高さ制御弁の弁開度のみによって、その傾斜動作状態と傾斜無動作状態との切り換えが行われる鉄道車両において、車体の予測傾斜角と均衡傾斜角とを比較して傾斜動作および傾斜無動作の開始のタイミングを制御する。すなわち、従来は、走行速度（均衡傾斜角）によらず車体傾斜の開始位置と終了位置とを設定し、走行速度が低いために傾斜が必要でない場合でも傾斜動作を行っていたが、本発明では均衡傾斜角に見合った適切な車体傾斜動作を実行することで、曲線部での乗り心地を良くした車体の傾斜を行わせることができる。

次に、本発明に係る鉄道車両の一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、空気バネ高さ制御装置の一実施形態を示した概略図であり、図２は、空気バネと高さ調節機構を示した概略図である。
鉄道車両は、図示するように、車体１が台車２の上に左右の空気バネ３Ｌ，３Ｒを挟んで載せられている。このように、車体をレール方向に見た場合、空気バネによる高さ制御部分は左右対称に構成されているため、以下、左右対称の構成については数字の後に「Ｌ」を付けた場合は左側に配置されたものを、同じく「Ｒ」を付けた場合は右側に配置されたものを示すこととする。

車体１は、空気バネ３Ｌ，３Ｒを介して台車２の上に設置され、台車側からの振動が空気バネによって吸収されるようになっている。その空気バネ３Ｌ，３Ｒには、高さ調節棒４Ｌ，４Ｒと高さ制御弁５Ｌ，５Ｒなどによる高さ調節機構が設けられている。これは、乗客の乗り降りや、走行中の車体の傾きによる荷重の変動によって空気バネ３Ｌ，３Ｒの高さが変化するため、車高を一定にするように空気バネ３Ｌ，３Ｒ内の圧縮エアを給排気するものである。

高さ調節機構を構成する高さ調節棒４Ｌ，４Ｒは、その上部同軸上に空気シリンダ６Ｌ，６Ｒが設けられている。この空気シリンダ６Ｌ，６Ｒは、バネ力にて初期状態に復帰可能なアクチュエータであり、そのピストンロッド７Ｌ，７Ｒが梃子９Ｌ，９Ｒに連結されている。ここで、図３は、高さ調節機構のピストンロッド７Ｌ，７Ｒから高さ制御弁５Ｌ，５Ｒへの連結部分を示した平面図である。高さ制御弁５Ｌ，５Ｒは、３ポート切換弁であり、各ポートの切り換えを操作する弁棒８Ｌ，８Ｒが突設されている。そして、弁棒８Ｌ，８Ｒには梃子９Ｌ，９Ｒが直交して連結され、その梃子９Ｌ，９Ｒの振れによって高さ制御弁５Ｌ，５Ｒのポート切り換えが行われるようになっている。

高さ調節棒４Ｌ，４Ｒは、図１及び図２に示すように、台車２と車体１側に設けられた高さ制御弁５Ｌ，５Ｒとの間に連結されているが、荷重の変動に伴って空気バネ３Ｌ，３Ｒが変形して車体１の位置が上下することにより、梃子９Ｌ，９Ｒが振れて高さ調節棒４Ｌ，４Ｒの先端位置、すなわち空気シリンダ６Ｌ，６Ｒのピストンロッド７Ｌ，７Ｒの先端位置が相対的に変位するようになっている。こうしたピストンロッド７Ｌ，７Ｒ先端の変位は、逆に梃子９Ｌ，９Ｒを介して弁棒８Ｌ，８Ｒの回転として伝達される。そして、高さ制御弁５Ｌ，５Ｒは、ポートが切り換えられ、空気タンク１２から空気バネ３Ｌ，３Ｒ側への圧縮エアの供給と、空気バネ３Ｌ，３Ｒから大気への圧縮エアの放出とが行われるようになっている。

次に、図４は、高さ制御弁５Ｌ，５Ｒを介して圧縮エアが流れる空気タンク１２と空気バネ３Ｌ，３Ｒとの間の配管構成を示した概念図である。空気タンク１２には空気配管路１３が接続され、そこには高さ制御弁５Ｌ，５Ｒが設けられている。そして、高さ制御弁５Ｌ，５Ｒと空気バネ３Ｌ，３Ｒとの間には、開閉弁１４が設けられた管路１５と、絞り１６が設けられた管路１７とが並列に接続されている。この開閉弁１４はノーマルクローズ型であり、電源が落ちて開閉弁１４が全閉状態になる。一方、高さ制御弁５Ｌ，５Ｒはその場合でも高さ調節棒４Ｌ，４Ｒの変位に伴って動作するため、その際、絞り１６によって流量を抑えて空気バネ３Ｌ，３Ｒに対する圧縮エアの給排気が流路１７を介して行えるようにしている。

図２に示すように、バネ復帰単動シリンダである空気シリンダ６Ｌ，６Ｒは、そのシリンダ室に電磁切換弁１８Ｌ，１８Ｒを介して空気タンク１２が接続されている。従って、空気シリンダ６Ｌ，６Ｒは、電磁切換弁１８Ｌ，１８Ｒの切り換えによってシリンダ室へ供給される圧縮エアでピストンロッド７Ｌ，７Ｒを伸張させ、一方でシリンダ室の圧縮エアを大気解放させることで戻しバネ６ａの付勢力によって縮小して初期状態に復帰させるように構成されている。そして、空気シリンダ６Ｌ，６Ｒの伸縮を制御する電磁切換弁１８Ｌ，１８Ｒは、車体１に搭載された制御装置２０からの指令によって切り換え制御が行われるようになっている。

制御装置２０は、車体１の昇降と車体１の傾斜を制御するものであり、図１に示すように車高制御部２１、異常診断部２２、軌道データ記憶部２３および地点情報検知部２４とを有している。更に、その車高制御部２１には、車体１に設けたプラットフォーム高さ検知センサ２５が接続され、地点情報検知部２４には、車速の検出及び走行軌道の曲線部の手前に設置されたデータデポなどの地上子からの地点情報信号を受信する車速・デポ信号センサ２６が接続されている。

こうした構成からなる鉄道車両の空気バネ高さ制御装置では、次のように作用して空気バネ３Ｌ，３Ｒの高さ制御が行われる。
先ず、乗客の乗り降りが行われた場合には、その荷重変動に伴って車体１が浮き沈みして台車２との距離に変化が生じる。すると、車体１と台車２とに連結された高さ調節棒４Ｌ，４Ｒが車体１に対して相対的に軸方向に変位し、その高さ調節棒４Ｌ，４Ｒと一体の空気シリンダ６Ｌ，６Ｒの先端位置が変動する。

このとき、ピストンロッド７Ｌ，７Ｒに連結された梃子９Ｌ，９Ｒが振れて、高さ制御弁５Ｌ，５Ｒの弁棒８Ｌ，８Ｒを回転させる。すなわち、車体１の浮き沈みによって梃子９Ｌ，９Ｒが振れ、弁棒８Ｌ，８Ｒが所定方向に回転して高さ制御弁５Ｌ，５Ｒのポートが切り換えられる。なお、このとき図４に示すように開閉弁１４は閉じており、空気バネ３Ｌ，３Ｒと高さ制御弁５Ｌ，５Ｒは絞り１６が設けられた流路１７によって連通している。よって、空気バネ３Ｌ，３Ｒに対する圧縮エアの給排気は少量であり、ゆっくりと空気バネ３Ｌ，３Ｒの高さが調節される。そして、梃子９Ｌ，９Ｒが水平状態に戻ると、各ポート間が遮断されて圧縮エアの給排気が止められる。

そこで、乗客が乗って重くなると、空気バネ３Ｌ，３Ｒが押し潰されて車体１が下がるため、高さ調節棒４Ｌ，４Ｒが相対的に上昇し、高さ制御弁５Ｌ，５Ｒが切り換えられて空気タンク１２から空気バネ３Ｌ，３Ｒへ圧縮エアが送り込まれる。そして、梃子９Ｌ，９Ｒが水平状態に戻ると、各ポートが遮断されて圧縮エアの給排気が止められ、車体１の高さが一定に保たれる。
一方、乗客が降りて軽くなると、空気バネ３Ｌ，３Ｒにかかる荷重が軽減されて車体１が上がるため、高さ調節棒４Ｌ，４Ｒが相対的に下降する。そして、高さ制御弁５Ｌ，５Ｒが切り換えられ、空気バネ３Ｌ，３Ｒ内の圧縮エアが高さ制御弁５Ｌ，５Ｒの排気ポートから放出される。そして、梃子９Ｌ，９Ｒが水平状態に戻ると、各ポートが遮断されて圧縮エアの給排気が止められ、車体１の高さが一定に保たれる。

次に、走行中には揺れなどによって車体１に左右の浮き沈みが生じる。そうした場合、左右の空気バネ３Ｌ，３Ｒが相対的に上下すると、梃子９Ｌ，９Ｒが振れて弁棒８Ｌ，８Ｒが回転し、それぞれの高さ制御弁５Ｌ，５Ｒのポート間の連通が切り換えられる。従って、例えば車体の傾きによって左側が低くなった場合には、空気タンク１２からの圧縮エアが空気バネ３Ｌへ送り込まれて上下方向に膨らみ、空気バネ３Ｒからは圧縮エアが大気に放出されて横に広がるように変形して車体の高さが一定になるように制御される。こうして空気バネ３Ｌ，３Ｒの高さを一定に保つ。

ところで、前述したように高さ調節棒４Ｌ，４Ｒが車体１の上下動に伴って相対的に上下に変位した場合には、前述したように空気バネ３Ｌ，３Ｒに対する圧縮エアの給排気によって車体１の高さ調節が行われる。しかし、本実施形態では、高さ調節棒４Ｌ，４Ｒにアクチュエータとして空気シリンダ６Ｌ，６Ｒを設け、その伸縮作動によって車体１が変動しない場合でも見かけ上、前述したように空気バネ３Ｌ，３Ｒに対する圧縮エアの給排気を行い車体の高さや傾きを調節することができる。

そこで、鉄道車両の曲線部走行時には、高速走行での曲線走行時の乗り心地を向上させるために、空気バネ３Ｌ，３Ｒの高さを積極的に変えて車体を傾斜させるようにしている。それには、車速・デポ信号センサ２６がデータデポなどの地上子からの地点情報信号を受信し、車高制御部２１において、検出した車速と軌道データ記憶部２３に記憶された軌道データとが比較される。そして、曲線走行部の曲率やカント量等の曲線部情報に基づき、後述する車高制御部２１に格納された車体傾斜制御プログラムに従って車体傾斜制御が実行される。

先ず、車体の傾斜動作について、例えば左にカーブする際に車体を図５に示すように傾ける場合を説明する。車高制御部２１から傾斜動作信号が送られると、電磁切換弁１８Ｒが切り換えられて空気タンク１２から空気シリンダ６Ｒに圧縮エアが供給され、図６（ａ）に示すようにピストンロッド７Ｒが伸長作動する。すると、この伸張作動に伴い梃子９Ｒが振れて弁棒８Ｒが回転し、高さ制御弁５Ｒが切り換えられる。そのため、空気タンク１２から圧縮エアが空気バネ３Ｒに供給され、図６（ｂ）に示すように空気バネ３Ｒが上方へ膨らみ、図５に示すように車体１がカーブの内側に向けて傾けられる。なお、このとき開閉弁１４は開いており、空気タンク１２に給排気される圧縮空気は管路１５を通って流れる。また、この傾斜動作により車体が水平状態から最大傾斜角まで傾くのに５秒程度を要する。

一方、走行軌道の曲線部の終了に伴って車体１は水平に戻される。それには、車高制御部２１からは傾斜無動作信号が送られ、電磁切換弁１８が切り換えられる。これにより空気シリンダ６Ｒから圧縮エアが大気に放出され、ピストンロッド７Ｒが収縮作動する。そのため、梃子９Ｒを介して弁棒８Ｌ，８Ｒが回転し、高さ制御弁５Ｒが切り換えられて排気ポートに連通し、空気バネ３Ｒ中の圧縮エアが大気に放出され、車体１の傾きが水平に戻される。
このように本実施形態の鉄道車両では、高さ調節棒４Ｌ，４Ｒが上下に変動して車体の傾斜が行われる他、空気シリンダ６Ｌ，６Ｒが伸縮することにより、その高さ調節棒４Ｌ，４Ｒが上下に変動したと同じように車体が傾斜する。

次に、軌道の曲線部を走行する場合に前述したように車体を傾斜させるタイミングについて説明する。車体の傾斜動作及びそれを戻す傾斜無動作のタイミングは、地点情報、車速、軌道データ、曲線走行部の曲率やカント量等の曲線形状情報に基づき、車高制御部２１に格納された車体傾斜制御プログラムに従って実行される。

ところで、鉄道車両が曲線走行部で車体を傾けるのは、カントだけでは床面左右定常加速度の低減が充分ではなく、いわゆる車体傾斜不足が生じるためである。車体の傾斜は、前述したように高さ制御弁５Ｌ，５Ｒの切り換えによって空気バネ３Ｌ，３Ｒの高さを変化させて行われるが、この場合、空気バネ３Ｌ，３Ｒに対して一定流量の圧縮エアが一気に給排気される。しかし、例えば緩和曲線部分のように遠心力が小さいところで一気に車体の傾斜動作を行ったのでは、逆に傾斜過剰になってしまう。従って、乗り心地を考慮した車体の傾斜動作および傾斜無動作のタイミングが重要である。

ここで図１０は、横軸にカント不足量(ｍｍ)をとり、縦軸に床面左右方向の定常加速度(Ｇ)をとったグラフである。鉄道車両が曲線部を通過する場合、車体を傾斜させないでカント不足量が一定の割合で増加したとすると、床面左右定常加速度は、白丸を繋げたグラフＡで示すようにカント不足量に比例して増加することになる。
一方、前述したように曲線部走行時にカント不足を補うため、空気バネ３Ｌ，３Ｒの高さを変えて車体を傾斜させる。例えば、カント不足量が３０ｍｍの位置で車体が最大傾斜したとすると、床面左右定常加速度(Ｇ)は、黒丸を繋げたグラフＢで示すようにその位置で一旦ゼロになり、傾斜しない場合のグラフＡより低い値をとりながら同じ割合で増加することになる。

図１０に示すグラフから分かるように、車体を積極的に傾斜させることでカント不足を解消できる３０ｍｍまでにおいては、車体傾斜が行われなければ、その間でカント不足量は増加して曲線の外側に加速度がかかり、車内の乗客は外側に遠心力を感じることになる。逆に、その手前で車体が最大傾斜角で傾斜してしまうと、傾斜角度を調節できないため傾斜過剰になって、車内の乗客は内側方向に力を受けることになる。ここの間でどのようなタイミングで車体傾斜を開始するか否かが乗り心地に大きく影響することとなる。
カント不足量が３０ｍｍ程度生じるのは主に曲線部への入口や出口などで起きるが、本実施形態では、車体傾斜制御プログラムに基づき次のような傾斜指令を算出して行い、所定のタイミングで車体傾斜を開始し、また車体傾斜を終了するようにした。

車体の傾斜角速度は、前述したように高さ制御弁５Ｌ，５Ｒの開度によって流れる圧縮エアの流量で決定され、車体の傾斜制御は、最大の傾斜動作と傾斜無動作切り換え指令、すなわち傾斜ON-OFF指令のみで行われる。そして、本実施形態の車体傾斜制御では、そのON-OFF指令のタイミングを、鉄道車両が走行する前方位置におい求めた車体の予測傾斜角と均衡傾斜角とを比較して決定するようにしている。なお、均衡傾斜角とは、車体床面左右定常加速度を０Ｇとするために必要な車体傾斜角をいう。

傾斜を開始する条件は、現在の走行位置（現在位置）で仮に傾斜を開始したとして車体が一定の傾斜角速度で傾きが変化し、その変化する車体の予測傾斜角が傾斜ONしきい値に到達する地点（予測位置）を算出する。ここで、傾斜ONしきい値とは任意に設定した値であり、本実施形態では車体最大傾斜角の半分に設定している。そして、その算出した予測位置での均衡傾斜角が傾斜ONしきい値を超えている場合に、前記現在位置で傾斜を開始させる。このタイミングで傾斜を開始するのは、第１に均衡傾斜角が傾斜ONしきい値を超えている場合には、車体傾斜が必要であると判断できるからである。第２に最大の傾斜動作と傾斜無動作の切換え指令のみであるため、車体傾斜角が所望の傾斜角に達するまでの時間を考慮して、早めに傾斜動作を開始することにより、傾斜動作遅れを防止するためである。

次に、傾斜を終了する条件は、現在位置で仮に傾斜を開始したとして一定の傾斜角速度で傾きが変化し、その変化する車体の予測傾斜角が 傾斜OFFしきい値に到達する地点（予測位置）を算出する。この 傾斜OFFしきい値も任意に設定した値であり、本実施形態では傾斜ONしきい値の半分の値に設定している。常に傾斜動作と傾斜無動作を確認しているため、傾斜ONしきい値と 傾斜OFFしきい値とを一致させると、車体傾斜動作によってカント不足が解消されたことで車体の傾斜動作と傾斜無動作とが短時間に繰り返えされるようになってしまうからである。
そして、本実施形態では、算出した予測位置での均衡傾斜角が 傾斜OFFしきい値を下回った場合に傾斜無動作を行う。このタイミングで傾斜を終了するのは、第１に均衡傾斜角が 傾斜OFFしきい値を下回っている場合には、車体傾斜が必要無いと判断できるからである。第２に最大の傾斜動作と傾斜無動作の切換え指令のみであるため、車体傾斜角が所望の傾斜角に達するまでの時間を考慮して、早めに傾斜動作を終了することにより、傾斜動作遅れを防止するためである。

本実施形態では、こうして走行先における車体の予測傾斜角を算出し、一定の条件を満たす場合にその予測に従って車体を傾斜動作させ、或いは水平状態に戻す傾斜無動作させるように制御するものである。従って、この予測値が狂っていると正確な制御を行うことができない。そこで、算出した予測傾斜角の値と、実際に行われる車体傾斜動作による傾斜角の値とが一致するか否かについて確認を行った。図７が、その予測傾斜角と実測傾斜角とを比較して示した図であり、横軸には時間を、縦軸には傾斜角をとって示したグラフである。この図において示した車体傾斜角の予測値である予測傾斜角(rad)は、次式（１）にて求めたものである。
∫（傾斜角速度（固定値）×演算サイクル）dt …（１）

実際、車体の傾斜動作は、予測傾斜角に従って高さ制御弁５Ｌ，５Ｒを切り換えて空気バネ３Ｌ，３Ｒに対する圧縮エアの給排気を行った。そして、ある走行区間において車体の傾斜を行った場合の傾斜角変化を実測した。一方、同区間で高さ制御弁５Ｌ，５Ｒの弁開度による空気バネ３Ｌ，３Ｒの傾斜角速度から前記（１）式に基づいて予測傾斜角を算出した。その結果、図７に示すように予測値と実測値とがほぼ重なり、予測傾斜角の算出から実際に行う車体傾斜動作において走行先での車体傾斜角を求めることが可能なことが確認できた。

次に、図８は、車体傾斜制御を実行するための車体傾斜状態遷移図である。そして、図９は、傾斜開始と終了に関するタイミングチャートを示した図である。ここで、図８に示す条件Ａ〜Ｇは次に示すものである。
（条件Ａ）前回予測位置（＝ 傾斜OFFしきい値到達地点）の均衡傾斜角が、傾斜ONしきい値以上の場合である。
（条件Ｂ）予測位置が前回予測位置を超えている場合である。
（条件Ｃ）予測位置での均衡傾斜角が傾斜ONしきい値を超えている場合である。

（条件Ｄ）前回予測位置（＝傾斜ONしきい値到達地点）の均衡傾斜角が、 傾斜OFFしきい値以下の場合である。
（条件Ｅ）予測位置が前回予測位置を超えている場合である。
（条件Ｆ）予測位置での均衡傾斜角が 傾斜OFFしきい値を下回っている場合である。
（条件Ｇ）予測位置の均衡傾斜角がゼロの場合である。

鉄道車両の車高制御部２１では、走行中は常に図８に示すように、傾斜無動作状態の場合には傾斜動作が確認され、逆に傾斜動作状態の場合には傾斜無動作が確認されている。そこで、傾斜無動作状態の場合には、現在位置S1で仮想的にON-OFF信号をONしたとして前記（１）式から予測傾斜角が算出される。そして、車体の予測傾斜角が傾斜ONしきい値θ１となる走行先の位置を予測位置P1として求める。一方で、軌道データなどから車体床面左右定常加速度を０Ｇとするために必要な均衡傾斜角が算出される。そして、この均衡傾斜角が先に求められた予測位置P1において傾斜ONしきい値θ１を超えているか否かが確認される。

傾斜無動作状態から傾斜動作への状態遷移は、この条件Ｃの他、条件Ａ又はＢが成立する場合に行われる。図９のタイミングチャートで示すように均衡傾斜角が傾斜ONしきい値θ１を超えている場合には条件Ｃを満たすため（ここでは条件Ａ又はＢについて満たしていることとする）、現在位置S1で走行時にON信号が入れられる。そして、ON信号が入れられると、それに伴って高さ制御弁５Ｌ（又は５Ｒ）が切り換えられ、空気バネ３Ｌ（又は３Ｒ）に圧縮エアが給気され車体の傾斜が開始される。

このタイミングで空気バネ３Ｌ（又は３Ｒ）が膨らみ、車体が一定の傾斜角速度で傾けられると、図９に示すように実際には均衡傾斜角がゼロの状態で車体傾斜が開始する。そのため、床面左右定常加速度が最初は僅かに曲線の内側に作用するためマイナスになり、そこから曲線外側への加速度が大きくなりゼロを超える。一点鎖線では車体傾斜を行わない場合を示している。
こうして床面左右定常加速度を一旦僅かにマイナスの状態にして徐々にプラス方向に作用するようにするため、車体傾斜不足状態から車体を傾斜させて急激に床面左右定常加速度を一旦ゼロにする場合に比べ、乗客が体感する加速度の絶対値を小さくして乗り心地を向上させている。

次に、車体が傾斜動作状態になった後は傾斜無動作への遷移条件の確認が行われる。それには走行位置（現在位置）で仮想的にON-OFF信号をOFF にし、車体が水平状態に戻されるときの車体傾斜角が予測して算出される。そして、その予測傾斜角が 傾斜OFFしきい値θ２となる位置が予測位置P2として求められる。一方で、軌道データなどから車体床面左右定常加速度を０Ｇとする均衡傾斜角が 傾斜OFFしきい値θ２を下回っているか否かなど、前記条件Ｄ〜Ｇが確認される。そして、Ｄ又はＥの条件が成立し、且つＦ又はＧの条件が成立した場合に状態遷移が行われ、傾斜動作状態の車体が傾斜無動作状態に戻される。

例えば、図９のタイミングチャートで示すように、現在位置S2で仮想的にON-OFF信号をOFF にし、 傾斜OFFしきい値θ２の傾斜角を下回る位置が予測位置P2として算出される。この場合、予測位置P2で均衡傾斜角が 傾斜OFFしきい値θ２を下回っているので条件Ｆを満たしている。更に、条件Ｄ，Ｅのいずれか一方を満たしているか否かの確認が行われる。これは、前述したように現在位置S1でON指令が出されて傾斜無動作状態に移ると、その後は傾斜動作の条件が確認されるが、その際、条件Ｆ，Ｇのみでは直ぐに傾斜動作条件（条件Ｃ）を満たしてしまい、状態遷移が不必要に繰り返されることになるからである。

そこで条件Ｄでは、上記したように、予測位置P1での均衡傾斜角θ11と 傾斜OFFしきい値θ２とを比較し、その均衡傾斜角θ11が 傾斜OFFしきい値θ２以下になった場合を傾斜無動作を行うための一つの条件としている。通常は、傾斜ONしきい値θ１が 傾斜OFFしきい値θ２より大きく、車体の傾斜動作が行われるような場合には予測位置P1での均衡傾斜角θ11は傾斜ONしきい値θ１を超えている。そのため、現在位置S1で開始した傾斜動作の直後に条件Ｄを満たすような可能性は低い。考えられる場合としては、傾斜ON-OFF指令をONにした後に走行速度が落ちて予測位置P1での均衡傾斜角θ11の値が小さくなるような場合である。

一方、条件Ｅでは、上記したように、傾斜ONしきい値θ１を超えるとした前回予測位置P1より、 傾斜OFFしきい値を下回るとした予測位置P2が、先の地点となった場合を傾斜無動作を行うための一つの条件としている。傾斜動作を開始した直後は、予測傾斜角が傾斜OFFしきい値 を下回っており、本条件が無い場合、すぐに傾斜無動作に遷移するためである。

こうして条件Ｄ，Ｅを確認することにより、条件ＦやＧだけの確認によって状態遷移を行うとすると、ON制御して車体の傾斜動作が行われ、その直後に算出した均衡傾斜角の値が 傾斜OFFしきい値θ２を下回ってしまい、ON制御と OFF制御との繰り返しが起こり得る。そのため、条件ＦやＧに加えて条件Ｄ，Ｅを確認することで、ON制御する予測地点P1での状況やその後の軌道状況を見ながら、不要なON制御と OFF制御との繰り返しを防止している。

また、タイミングチャートに示す場合の他、条件Ｆに代わって条件Ｇを満たす場合にも傾斜無動作が行われ車体が水平に戻される。すなわち、予測傾斜角がゼロとなる位置を算出し、それを予測位置として均衡傾斜角がゼロとなっている場合を傾斜無動作の条件としている。そして、この条件Ｇと条件Ｄ又はＥを満たしているならば傾斜無動作を開始させる。

前記条件を満たし、傾斜動作状態の車体に対して傾斜無動作が行われる場合、現在位置S2で OFF制御され、高さ制御弁５Ｌ（又は５Ｒ）が切り換えられる。そのため、膨らんでいた空気バネ３Ｌ（又は３Ｒ）から圧縮エアが排気され、その高さが低くなって車体が水平状態に戻される。当初は車体の傾斜よりも均衡傾斜角の方が大きいが、途中で直線状態になった後に所定距離だけ車体傾斜状態が残るので傾斜過剰が生じて左右加速度はマイナスとなって加速ゼロ状態に戻る。

次に、傾斜動作状態に遷移する上記の説明で省略していた条件Ａ，Ｂについて説明する。前述したように傾斜動作状態から傾斜無動作が行われた後は、逆に傾斜動作が必要か否かの確認が行われることとなる。傾斜動作を実行するには、前述したようにＣの条件が成立し、且つＡ又はＢの条件が成立する必要がある。よって、 OFF制御によって傾斜無動作が行われると、その後は条件Ａ〜Ｃが判断される。

条件Ａは、上記したように、予測位置P2での均衡傾斜角θ21と次の傾斜ONしきい値θ１とを比較して均衡傾斜角θ21が傾斜ONしきい値θ１以上の場合に傾斜動作を行う一つの条件としている。通常は、 傾斜OFFしきい値θ２が傾斜ONしきい値θ１より小さく、傾斜無動作が行われた場合、予測位置P2での均衡傾斜角θ21の値は 傾斜OFFしきい値θ２を下回っているため、傾斜動作直後に条件Ａを満たすことは起こりにくい。考えられる場合としては、傾斜ON-OFF指令を OFFにした後に走行速度が上がって予測位置での均衡傾斜角が大きくなったような場合である。

一方、条件Ｂでは、上記したように、 傾斜OFFしきい値θ１を下回るとした前回予測位置P2より、傾斜ONしきい値を超えるとした予測位置P1が、先の地点となった場合を傾斜動作を行うための一つの条件としている。傾斜無動作を開始した直後は、予測傾斜角が傾斜ONしきい値を超えており、本条件が無い場合、すぐに傾斜動作に遷移するためである。

こうした条件Ａ，Ｂは、 OFF制御する予測地点P2での状況とその後の走行や軌道状況が変わっていることの確認が行われる。これにより、条件Ｃだけの確認によって状態遷移を行うとすると、 OFF制御して車体の傾斜無動作が行われた直後に算出した均衡傾斜角の値が 傾斜OFFしきい値θ２を下回ってしまい、ON制御と OFF制御との繰り返しが起こり得るが、条件Ｃに加えて条件Ａ，Ｂを確認することで、不要なON,OFF制御の繰り返しを防止している。

よって、本実施形態の鉄道車両によれば、傾斜角速度が高さ制御弁５Ｌ，５Ｒの弁開度のみによって、その傾斜動作状態と傾斜無動作状態との切り換えが行われる場合に、車体の予測傾斜角と均衡傾斜角とを比較して傾斜動作および傾斜無動作の開始のタイミングを制御するようにしたので、曲線部での乗り心地を良くした車体の傾斜を行わせることができるようになった。

なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

空気バネ高さ制御装置の一実施形態を示した概略図である。 空気バネと高さ調節機構を示した概略図である。 高さ調節機構のピストンロッド７Ｌ，７Ｒから高さ制御弁５Ｌ，５Ｒへの連結部分を示した平面図である。 高さ制御弁５Ｌ，５Ｒを介して圧縮エアが流れる空気タンク１２と空気バネ３Ｌ，３Ｒとの間の配管構成を示した概念図である。 空気バネ高さ制御装置の一実施形態を示した概略図であり、車体を傾けた状態を示した図である。 空気バネ高さ制御装置の一実施形態について通常時から空気シリンダを伸張させた状態の概略図である。 車体の予測傾斜角と実測傾斜角とを比較して示した図である。 車体傾斜制御を実行するための車体傾斜状態遷移図である。 車体の傾斜開始と終了に関するタイミングチャートを示した図である。 横軸にカント不足量(ｍｍ)をとり、縦軸に床面左右方向の定常加速度(Ｇ)をとったグラフである。

符号の説明

１ 車体
２ 台車
３Ｌ，３Ｒ 空気バネ
４Ｌ，４Ｒ 高さ調節棒
５Ｌ，５Ｒ 高さ制御弁
６Ｌ，６Ｒ 空気シリンダ
７Ｌ，７Ｒ 空気シリンダのピストンロッド
８Ｌ．８Ｒ 弁棒
９Ｌ，９Ｒ 梃子
１２ 空気タンク
１８ 電磁切換弁
２０ 制御装置
２１ 車高制御部
２５ プラットフォーム高さ検知センサ
２６ 車速・デポ信号センサ

Claims (6)

1. 車体と台車との間に設けられた空気バネに対する圧縮エアの給排気を制御する高さ制御弁を備え、その高さ制御弁は、台車との間に連結された高さ調節棒が上下方向に変位することによって切り換えられるものであり、その高さ調節棒は、一体に設けられたアクチュエータの伸縮によって見かけ上、上下方向に変位して前記高さ制御弁を切り換えるものであって、アクチュエータは、車高制御手段によって伸縮が切り換えられるようにした鉄道車両において、
   前記車高制御手段は、前記高さ制御弁を仮想的に切り換えたとして前記空気バネの車体傾斜角速度から走行先の予測傾斜角を算出し、車体最大傾斜角より小さい所定の傾斜角をしきい値として、その予測傾斜角が当該しきい値を示す位置における均衡傾斜角を当該しきい値と比較して前記アクチュエータの伸縮を切り換えるようにしたものであることを特徴とする鉄道車両。
2. 請求項１に記載する鉄道車両において、
   前記車高制御手段は、車体が傾斜無動作状態の場合には、予測傾斜角が傾斜ONしきい値を示す位置を予測位置とし、その位置での均衡傾斜角が傾斜ONしきい値を超えている場合に傾斜動作を開始させるものであることを特徴とする鉄道車両。
3. 請求項２に記載する鉄道車両において、
   前記車高制御手段は、現走行地点より後であって前回、傾斜動作状態の車体を傾斜無動作させるために求めた、予測傾斜角が 傾斜OFFしきい値に到達した前回予測位置の均衡傾斜角が前記傾斜ONしきい値以上の場合、又はその前回予測位置の均衡傾斜角がその先の予測位置の均衡傾斜角より小さい場合に傾斜動作を開始させるものであることを特徴とする鉄道車両。
4. 請求項１に記載する鉄道車両において、
   前記車高制御手段は、車体が傾斜動作状態の場合には、予測傾斜角が 傾斜OFFしきい値を示す位置を予測位置とし、その位置での均衡傾斜角が 傾斜OFFしきい値を下回っている場合に傾斜無動作を開始させるものであることを特徴とする鉄道車両。
5. 請求項４に記載する鉄道車両において、
   前記車高制御手段は、現走行地点より後であって前回、傾斜無動作状態の車体を傾斜動作させるために求めた、予測傾斜角が 傾斜ONしきい値に到達した前回予測位置の均衡傾斜角が前記 傾斜OFFしきい値以下である場合、又はその前回予測位置の均衡傾斜角がその先の予測位置の均衡傾斜角より小さい場合に傾斜無動作を開始させるものであることを特徴とする鉄道車両。
6. 請求項２乃至請求項５のいずれかに記載する鉄道車両において、
   前記 傾斜OFFしきい値が前記傾斜ONしきい値より小さいことを特徴とする鉄道車両。

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