JP2006327391A - 鉄道車両の車体傾斜制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 曲線路走行時に車体を傾斜させることにより曲線路での走行速度を上げることができ、しかも空気バネ高さ計測用センサをはじめ、車体傾斜制御装置の構成機器を２重化し信頼性を向上する鉄道車両の車体傾斜制御装置を提供する。
【解決手段】 台車５上に左右一対の空気バネ３を介して車体を支持するとともに、空気バネ高さ検出手段２０により左右の空気バネ３の高さを検出して車体２を一定高さに調整する自動高さ調整弁６を備えた鉄道車両の車体傾斜制御装置において、自動高さ調整弁（ＬＶ）６を経由した加圧空気供給系と、車体傾斜制御専用の制御給排気弁とを、それぞれＬＶ遮断弁７を介して各空気バネ３に接続し、空気バネ高さ検出手段２０を、ステータ２２に内蔵されるロータ２１を備えた２以上のレゾルバから構成し、各レゾルバのロータ２１を自動高さ調整弁６の共通の弁軸６ｂ上に並べて配置した。
【選択図】 図１

Description

この発明は、鉄道車両が曲線路を通過する際に車体を内軌側に傾斜させることにより、高速での走行を可能にするとともに乗り心地を改善する鉄道車両の車体傾斜制御システムに関するものである。

本発明が対象とする車体傾斜制御システムは、車体を台車上に弾性支持する空気バネへ給排気手段により加圧空気を給排気し、車両が曲線路を走行する際に車体をスムーズに傾けるものである。従来、鉄道車両では台車上に車体を空気バネを介して支持しており、加圧空気の空気バネへの給排気は一般にレベリングバルブ(自動高さ調節弁）により行われ
ている。レベリングバルブは、周知のように、乗客の増減によって車体が昇降して高さが変化するのを検出し空気バネへ加圧空気を給排気することにより、台車上で車体を左右水平にかつ一定高さに保持するために備えられている。

例えば、新幹線用車両の場合、曲線路ではカントを設けて台車ごと内軌側へ傾斜させることにより比較的高速度での走行を可能にしている。いいかえれば、新幹線用車両では、とくに曲線路で車体を強制的に内軌側へ傾斜させるための車体傾斜制御システムは装備されておらず、空気バネはレべリングバルブのみによる給排気で、車高が一定になるように制御されている。

また、新幹線以外の車両、いわゆる在来線の車両では、例えば、レベリングバルブとは別に車体傾斜制御手段を設け、曲線路走行時にその車体傾斜制御手段からの指令信号に基づいて、左右の空気バネのうち内軌側の空気バネ内の空気を排出して中間高さから最小高さへ縮小させる一方、外軌側の空気バネへ空気を供給して中間高さから最大高さへ伸長させることにより、曲線路で車体を強制的に内軌側へ傾斜制御する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

その他の先行技術に、台車と車体間に空気バネを備えた鉄道車両において、車体傾斜専用の給排気手段を設け、高圧空気源からレベリングバルブを経由して空気バネに至る流路を遮断して専用の給排気手段より空気バネに加圧空気を供給することにより、曲線路で車体を強制的に傾斜制御するシステムがある（例えば、非特許文献１参照）。この車体傾斜制御システムでは、図４に示すように台車１０７は空気バネ１１０ａ・１１０ｂを左右にそれぞれ備えており、車体１０４が左右の空気バネ１１０ａ・１１０ｂ上に載置されている。左右の各空気バネ１１０ａ・１１０ｂは制御器１０５からの指令信号にて操作される給気弁１０２ａ・１０２ｂによって元空気だめ１０１から加圧空気が供給され、また同様に操作される排気弁１０３ａ・１０３ｂによって排気されることで、空気バネ高さが調整され車体１０４が内軌側へ傾斜させられる。つまり、図４に示される一例では、給気弁１０２ｂと排気弁１０３ａとが操作され、曲線路において外軌側の空気バネ１１０ｂに加圧空気が供給されるとともに、内軌側の空気バネ１１０ａから排気されることによって車体１０４が内軌側へ傾斜させられる。なお、図中の符号１０６ａ・１０６ｂは空気バネ高さセンサを、符号１０８は輪軸をそれぞれ示す。
特開平６−２２７３９２号公報（段落０００７、０００８および図２） 「鉄道車両と技術」Ｎｏ．８０ （有）レール＆テック出版 平成１４年１２月２０日発行（第１４〜１５頁）

しかしながら、上記した在来線の車両に用いられている車体傾斜制御方法および先行技術としての車体傾斜制御装置では、空気バネ高さの検出手段（センサ）およびその制御系のＣＰＵがそれぞれ１つづつしか用いられておらず、万一故障等が生じた場合の対応がなされておらず、信頼性に欠ける。また、従来の空気バネ高さ検出用センサは一般的に大型で、例えば２重化（冗長化）するには設置スペースおよび構造上から実施が困難である。

ところで、上記した新幹線車両の場合、曲線路で車体を強制的に傾斜制御する装置が装備されていないために、曲線路にさしかかる手前でいったん減速し、曲線路を通過後に増速していることから、より早く目的地に到着するためには直線路はもとより曲線路においても高速度で走行することが必須であり、しかも曲線路手前でブレーキをかけて減速することは乗り心地を悪くする上に省エネルギーの観点から見ても不利である。

この発明は上述の点に鑑みなされたもので、曲線路走行時に車体を傾斜させることにより曲線路での走行速度を上げることができ、しかも空気バネ高さ検出用センサをはじめ、車体傾斜制御システムの構成機器を全て２重化し、信頼性を向上できる鉄道車両の車体傾斜制御システムを提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために本発明に係る鉄道車両の車体傾斜制御システムは、a)台車上に左右一対の空気バネを介して車体を支持するとともに、空気バネ高さ検出手段により左右の前記空気バネの高さを検出して前記車体を一定高さに調整する自動高さ調整弁を備えた鉄道車両の車体傾斜制御システムにおいて、b)前記自動高さ調整弁を経由した加圧空気供給系と、車体傾斜制御専用の加圧空気給排気系とを、それぞれ切換弁を介して前記各空気バネに接続し、c)前記空気バネ高さ検出手段を、ステータに内蔵されるロータを備えた２以上のレゾルバから構成し、前記各レゾルバのロータを前記自動高さ調整弁の共通の弁軸上に並べて配置したことを特徴とするものである。

上記の構成を有する鉄道車両の車体傾斜制御システムによれば、空気バネ高さ検出手段としてのレゾルバを２以上設けて多重化したから、仮に一のレゾルバが故障しても他のレゾルバによって空気バネ高さを検出できるので、装置の信頼性が大幅に向上する。また、空気バネ高さ検出手段を自動高さ調整弁の弁軸の回転角度を直接検出するロータを備えたレゾルバで構成するので、コンパクトになり、容易に２つ以上設けることができる。そして、信頼性の向上した自動高さ調整弁による空気バネへの加圧空気供給により車体高さを一定に保つ制御とともに、切換弁により切り換えることで車体傾斜制御専用の加圧空気供給系による左右の空気バネのうち例えば外軌側空気バネへの加圧空気供給のみにより、曲線路において車体をカント量以上に内軌側へ傾斜させて走行させることが可能になる（もちろん、内軌側の空気バネの排気を併せて行ってもよい）ので、より高速で通過できることになり、同時に乗客に対する外軌側への遠心力の作用が緩和され、乗り心地も改善される。とくに、新幹線車両の場合、従来と違って曲線路走行時のスピードダウンが緩和されるか全く不要になることから、スピードアップだけでなく省エネルギー性にも優れた走行が実現される。

請求項２に記載のように、２つの前記レゾルバの各ロータを同一方向に向けるかあるいは対向させるかして前記弁軸上に配置することができる。

請求項２記載の鉄道車両の車体傾斜制御システムによれば、レゾルバがコンパクトで、しかも自動高さ調整弁の弁軸上に一連に配置されているので、２重化したにも拘わらず装置の大きさを従来とほとんど変わらないようにできる。

請求項３に記載のように、前記各レゾルバからの信号を他のレゾルバからの信号と相互に比較することにより、レゾルバの故障を判定する故障判定手段を設けることができる。

請求項３記載の鉄道車両の車体傾斜制御システムによれば、例えば、通常は一のレゾルバが制御（空気バネ高さの検出）を担当し、他のレゾルバは予備とするが、他のレゾルバも動作させることで相互に出力信号を比較し、相互に監視することによってレゾルバの故障の発生を即座に判定することができるから、制御を担当しているレゾルバが故障した場合には瞬時に他の正常なレゾルバに制御の担当を切り換えることができ、信頼性が極めて高くなる。

本発明に係る鉄道車両の車体傾斜制御システムは、空気バネ高さ検出手段としてのレゾルバを２以上設けて多重化したから、仮に一のレゾルバが故障しても他のレゾルバによって空気バネ高さを検出できるので装置の信頼性が大幅に向上し、また空気バネ高さ検出手段を自動高さ調整弁の弁軸の回転角度を直接検出するロータを備えたレゾルバで構成したのでコンパクトになり、容易に２つ以上設けることができ、さらに信頼性の向上した自動高さ調整弁による空気バネへの加圧空気供給により車体高さを一定に保つ制御だけでなく、遮断弁により切り換えることで車体傾斜制御専用の加圧空気供給系により左右の空気バネのうち外軌側空気バネへの加圧空気供給により、曲線路において車体をカント量以上に内軌側へ傾斜させて走行させることが可能になるのでより高速で通過でき、さらなる高速化が図れると同時に乗客に対する乗り心地も改善される−という優れた効果がある。

以下、本発明に係る鉄道車両の車体傾斜制御システムについて実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の鉄道車両における車体傾斜制御システムの実施例を模式的に示す車両の前部断面図で、本例の鉄道車両１は車体傾斜制御システム１ｓを備えている。

図１に示すように、車両１は車体２と、この車体２の前後部に台車５をそれぞれ備えている。前後の各台車５上には空気バネ３が左右に設置され、車体２が空気バネ３Ｌ・３Ｒ上に載置され弾性的に支持されている。台車５の台車枠５０と車体２の底部との間は、図示を省略した牽引装置で連結されている。各台車５は車軸５１の両側に車輪５２・５２を備え、各車輪５２が軌道５５上に走行可能に載置されている。

また、車両１には、乗客の乗り降りや走行中の荷重の変動などに対し車体４の高さを一定にするための、自動高さ調整用給排気系６と、曲線路を走行する際に台車５上で車体４を内軌側へ傾斜するための、車体傾斜制御用給排気系１０とがそれぞれ配備され、さらに両給排気系６・１０に共通の車体傾斜制御手段４と車体傾斜給排気手段８とが配備されている。

自動高さ調整用給排気系６は、左右一対の空気高さセンサ付きＬＶ（レベリングバルブ）６Ｌ・６Ｒを主要構成部材として備えている。ＬＶ６Ｌ・６Ｒは、台車枠５０の両側方における車体２の底部両側部に設置され、各ＬＶ６Ｌ・６Ｒのてこ６ａの一端と台車枠５０から側方へ水平に延設された支持具５３の先端とが、後述の上方へ延びる連結棒６ｃで接続されている。一方、車体傾斜制御給排気系１０は、左右一対の制御給排気弁１０Ｌ・１０Ｒを主要構成部材として備えている。

各制御給排気弁１０Ｌ・１０Ｒはそれぞれ対応する左又は右の空気バネ３に配管３１で
直接接続され、各ＬＶ６Ｌ・６Ｒはそれぞれ対応するＬＶ遮断弁（切換弁）７Ｌ・７Ｒおよび対応する配管３２を介して左又は右の空気バネ３に接続されている。各ＬＶ６Ｌ・６Ｒおよび各制御給排気弁１０Ｌ・１０Ｒは、いずれも元空気だめとしてのエアタンク１５に配管３３で接続されている。なお、車体傾斜給排気手段８はＬＶ遮断弁７Ｌ・７Ｒおよび制御給排気弁１０Ｌ・１０Ｒで構成され、ＬＶ遮断弁７Ｌ・７Ｒが閉鎖されると、制御給排気弁１０Ｌ・１０Ｒが車体傾斜制御手段４によって開閉制御される。また、ＬＶ遮断弁７Ｌ・７Ｒが開放されると、制御給排気弁１０Ｌ・１０Ｒは閉鎖されるようになっており、これらの開閉制御は車体傾斜制御手段４によって選択的に行われる。

車体傾斜制御手段４は、車両１が曲線路を走行する際にＬＶ遮断弁７Ｌ・７Ｒを閉鎖する。そして、曲線路のデータに基づいて制御給排気弁１０Ｌ・１０Ｒを開閉制御し、車体２を内軌側へ傾動する車体傾斜制御を行う。具体的には、左右の空気バネ３・３のうち外軌側の空気バネ３へだけエアタンク１５から加圧空気を供給したり、あるいは同時に内軌側の空気バネ３の空気を排出したりして左右の空気バネ３Ｌ・３Ｒの高さを調整（変更）することにより、車体２を内軌側へ強制的に傾動させ、曲線路走行時の、とくに車体２に作用する遠心力を低減し、乗客の乗り心地を改善すると同時に、走行速度を低下させないで曲線路を走行させることにより、スピードアップを図ることができる。

こうして車両１が曲線路を通過すると、ＬＶ遮断弁７Ｌ・７Ｒを開放すると同時に制御給排気弁１１Ｌ・１１Ｒを閉鎖する。ＬＶ遮断弁７Ｌ・７Ｒが開放され、かつ制御給排気弁１１Ｌ・１１Ｒが閉鎖された状態では、自動高さ調整用給排気系６としての左右のＬＶ６Ｌ・６Ｒが、てこ６ａの回転角と回転方向に応じて左右の空気バネ３Ｌ・３Ｒへエアタンク１５から加圧空気を供給したり、空気バネ３Ｌ・３Ｒの空気を排出したりして車体２を一定高さおよび水平に維持する、車体２の自動高さ調整が行われる。

自動高さ調整用給排気系６は、ＬＶ（高さ制御弁）６Ｒ・６ＬとこれらのＬＶ６Ｒ・６Ｌの弁軸６ｂに基端が一体回転可能に固定されたてこ６ａのほか、てこ６ａと台車枠５０の支持具５３を接続する連結棒６ｃとを備え、車体２の荷重が変化しても台車５と車体２間の距離（間隔）が一定になるように、言い換えれば空気バネ３・３の高さが常に一定になるようにＬＶ６Ｒ・６Ｌによりメカ的に給排気制御される。また、自動高さ調整用給排気系６は空気バネ高さ検出手段２０を具備するが、高さ検出手段２０には本例では、ビルトインタイプの一対のロータリエンコーダ２０Ｌ・２０Ｒが用いられており、図３に示すように、各ロータリエンコーダ２０Ｌ・２０Ｒはステータ２２とこれに内蔵されるロータ２１を備えた２個のレゾルバから構成されている。各エンコーダ（レゾルバ）２０のロータ２１は、図２に示すようにＬＶ６の弁軸６ｂ上に一連に並べて装着され、それぞれ弁軸６ｂと一体回転する。各エンコーダ２０はステータ２２を備え、これらのステータ２２はそれぞれロータ２１の周囲を覆うように円筒状ケーシング（図示せず）内に配設される。ロータ２１およびステータ２２は、図３に示すように、それぞれ回転角度検出部Ａと信号伝達部Ｂとからなり、対応して配置されるが、弁軸６ｂに対し一対のロータ２１を同一方向に向けて配置する並列配置（図３（ａ））と、対向させて配置する対向配置（図３（ｂ））との２種類がある。２個のロータ２１はそれぞれ弁軸６ｂの回転により一体回転し、ステータ２２に対する相対回転角によって空気バネ３の高さを検出する。これらのロータ２１による左右の空気バネ３Ｌ・３Ｒの高さ検出は、ＬＶ遮断弁７Ｌ・７Ｒを閉鎖した状態、つまり車体傾斜制御用給排気系１０の動作時にも同様に機能する。

また、図２に示すように、車体傾斜制御手段４についても１系と２系の２系統、言い換えれば２重に設けられ、各系の車体傾斜制御手段４・４にそれぞれ対応するエンコーダ２０が接続されている。また、各系の車体傾斜制御手段４についてもＣＰＵボード１３上に２つの独立したＣＰＵ１３ａ・１３ｂを備えており、２つのＣＰＵ１３ａ・１３ｂが同時に演算を開始し、演算結果が一致しないと、異常と判定される。つまり、２個のエンコー
ダ２０と２つのＣＰＵボード１３（各ボード１３上の２つのＣＰＵ１３ａ・１３ｂ）は同時に動作（検出・演算）しており、そのうちの一方（車体傾斜制御手段４の１系）が制御出力を担当し他方（車体傾斜制御手段４の２系）は予備となって、空気バネ高さ検出と車体傾斜制御を遂行する。したがって、２つのエンコーダ２０・２０により検出された空気バネ高さ信号はそれぞれ対応する車体傾斜制御手段４に送られ、両方の信号が比較され、一致しない時には一方が故障と判定されることになる。つまり、本例では、車体傾斜制御手段４が空気バネ高さ検出手段２０の故障判定手段として機能する。

このようにして、両系の車体傾斜制御手段４・４は演算および結果の照合を常時行っており、１系が異常と判定されると、図２のようにリレー回路（図示せず）によって１系から２系に切り換わる。さらに、両系の車体傾斜制御手段４・４がともに異常の時には車体傾斜制御を中止し、つまり制御給排気弁１０Ｌ・１０Ｒを閉鎖すると同時にＬＶ遮断弁７Ｌ・７Ｒを開放することによって、ＬＶ６Ｒ・６Ｌによるメカ的な自動高さ調整に切り換えられる。また、ＣＰＵボード１３やエンコーダ２０に異常がなくても、車体傾斜制御がフェールした時には、同様に車体傾斜制御が中止され、ＬＶ遮断弁７Ｌ・７Ｒが開放されることによってＬＶ６Ｒ・６Ｌによるメカ的な自動高さ調整に切り換えられる。

以上のようにして本実施例に係る鉄道車両の車体傾斜制御システムが構成されるが、この制御システムによる車体傾斜動作について説明する。

図１または図２において、車両１が曲線路の開始位置にくると、１系の車体傾斜制御手段４（ＣＰＵ１３ａ・１３ｂ）からの指令を受けてＬＶ遮断弁７Ｌ・７ＲによりＬＶ６Ｒ・６Ｌから空気バネ３・３への配管３１が遮断され、同時に制御給排気弁１０Ｌ・１０Ｒを介してエアタンク１５から外軌側の空気バネ３への加圧空気の供給が行われる。本例では、制御を容易にするため、内軌側の空気バネ３からの排気は行わないようにしている。しかし、実際には外軌側の空気バネ３へ加圧空気を供給して伸長させ空気バネ高さの高くすると同時に、内軌側の空気バネ３内の空気を排出して収縮させ空気バネ高さを下げることによって車体傾斜制御する方法を採ることもできる。ただし、こうした制御は曲線路において車両１を高速で走行させる場合であり、走行速度があらかじめ設定した速度より遅い場合には車体傾斜制御用給排気系１０では左右（内軌側と外軌側）の空気バネ３・３の高さを制御しない、いわゆるＬＶ６Ｒ・６Ｌによる通常の車体２の自動高さ調整が行われる。

とくに本実施例に係る車体傾斜制御システムは、その構成機器である高さ検出手段２０を２つ組み込んで２重化し、各高さ検出手段２０に対応して車体傾斜制御手段４も１系と２系の２系統を設け、さらの各車体傾斜制御手段４を構成するＣＰＵも２つ設けて同時に演算させ相互に監視させることで２重化し、ハード面の信頼性を大幅に向上している。したがって、本発明に係る車体傾斜制御システムは在来線に比べて高速走行する新幹線用車両に搭載するのに最適で、曲線路走行時の乗り心地を改善し、曲線路へ進入する際のブレーキ操作を不要にして高速化と省エネルギー化を図ることができる。もちろん、上記の構成機器は２重化に限らずさらに増やして多重化にできることは云うまでもない。

本発明に係る鉄道車両の車体傾斜制御システムの実施例を模式的に示す車両の前部断面図で、図１（ａ）は車体の自動高さ調整状態を表し、図１（ｂ）は車体傾斜制御状態を表す。 本発明に係る車体傾斜制御システムの一実施例を概念的に示す説明図である。 空気バネ高さ検出手段の２重化の実施例を概念的に示す断面図で、図３（ａ）は同一方向の並列配置を、図３（ｂ）は対向配置をそれぞれ表す。 車体傾斜制御システムの従来例を模式的に示す車両の前部断面図である。

符号の説明

１ 鉄道車両
１ｓ車体傾斜制御システム
２ 車体
３ 空気バネ
４ 車体傾斜制御手段
５ 台車
５０台車枠
６ 自動高さ調整用給排気系
６ａてこ
６ｂ弁軸
６ｃ連結棒
６Ｌ・６Ｒ ＬＶ（レベリングバルブ・自動高さ調整弁）
７Ｌ・７Ｒ ＬＶ遮断弁（切換弁）
８ 車体傾斜給排気手段
１０ 車体傾斜制御用給排気系
１０Ｌ・１０Ｒ 制御給排気弁
１５ エアタンク
１３ ＣＰＵボード
１３ａ・１３ｂ ＣＰＵ
２０ 空気バネ高さ検出手段（ロータリエンコーダ・レゾルバ）
２１ ロータ
２２ ステータ
３１〜３３ 配管

Claims (3)

1. 台車上に左右一対の空気バネを介して車体を支持するとともに、空気バネ高さ検出手段により左右の前記空気バネの高さを検出して前記車体を一定高さに調整する自動高さ調整弁を備えた鉄道車両の車体傾斜制御システムにおいて、
   前記自動高さ調整弁による加圧空気給排気系と、車体傾斜制御専用の加圧空気給排気系とをそれぞれ切換弁を介して左右の前記各空気バネに接続し、
   前記空気バネ高さ検出手段を、ステータに内蔵されるロータを備えた２以上のレゾルバから構成し、前記各レゾルバのロータを前記自動高さ調整弁の共通の弁軸上に並べて配置したことを特徴とする鉄道車両の車体傾斜制御システム。
2. ２つの前記レゾルバの各ロータを同一方向に向けるかあるいは対向させるかして前記弁軸上に配置したことを特徴とする請求項１記載の鉄道車両の車体傾斜制御システム。
3. 前記各レゾルバからの信号を他のレゾルバからの信号と相互に比較することにより、レゾルバの故障を判定する故障判定手段を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の鉄道車両の車体傾斜制御システム。

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