JP2007062698A - 鉄道車両の振動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐久性を向上する。
【解決手段】 一端は台車３に、他端は車体２に結合され、両端側が伸縮するアクチュエータ１１と、車体２と台車３の振動加速度を検出するセンサと、アクチュエータ１１を制御する制御手段を備え、アクチュエータ１１内には、電動モータと、回転を直線運動に変換してアクチュエータを伸縮させる回転・直線運動変換機構が設けられ、また、制御手段は、センサの出力に応じて、電動モータの回転を制御するように構成された鉄道車両の振動制御装置である。アクチュエータ１１の車体２、台車３側への結合は、推力軸周りの回転は不可で、前記推力軸に直角で互いに直角な２つの軸周りの方向は回転が自在な２自由度の回転を有する軸受１２を使用して行う。アクチュエータ１１の台車３側への結合はゴムを用いる。アクチュエータ１１の内部では、推力軸周りの回転を自在とする。
【効果】 振動制御装置の耐久性の向上が図れる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、鉄道車両の、特に走行中における車体の振動を抑制する装置に関するものである。

鉄道車両の車体は、空気ばねやコイルばねを介して台車上に設けられている。したがって、走行時に発生する振動が車両の固有振動と一致する場合には、車体の揺れが大きくなって乗客に不快感を与えることになる。

そこで、車体と台車間に取付けたアクチュエータの、車両の幅方向に伸縮する出力軸の伸縮量を、たとえば車体や台車に取付けた加速度センサからの信号に基づいて制御することで、走行時に発生する前記振動を抑制する装置が、特許文献１で提案されている。
特開平７−８１５６１号公報

この特許文献１で提案された振動制御装置に採用されるアクチュエータは、車体と台車に結合する一端側と他端側の出力軸の伸縮動作を、電動モータの回転運動を、回転・直線運動変換機構を介して行うようにしたものである。そして、この電動モータをアクチュエータ内に設けることで、コンパクト化を図っている。

しかしながら、特許文献１には、その段落００１６に、「連結部２５の連結孔２５ａは上記ベース８ａ上面より起立する支承部１９にピン１９ａを介して回動自在に連結されている。」と記載されているのみで、アクチュエータと車体や台車との結合方法の具体的構成についての説明はない。

一般的には、アクチュエータやダンパ類における結合は、台車と車体の絶縁を確保するために、図３に示すようなゴムブッシュ１を介して行われる。
ここで、前記アクチュエータの結合を、従来のアクチュエータやダンパ類と同じように、図３に示したゴムブッシュ１を用いて行うと、車体と台車間の相対移動により、ゴムブッシュ１において反力が生じる。

例えば、曲線路を通過する際に、台車３に対して車体２がヨーイングすると、ゴムブッシュ１が図３や図４の矢印イの方向にこじれて、アクチュエータ４に対して、図４の矢印ロで示す方向に反力が生じる。

また、車体２が上下に動く、あるいは車体２がローリングしたり車体傾斜制御がなされると、ゴムブッシュ１が図３や図５の矢印ハの方向にねじれて、アクチュエータ４に対して、図５の矢印ニで示す方向に反力が生じる。

これらの反力（モーメント）が横荷重として推力軸に作用して、アクチュエータ内部の各軸受部、回転・直線運動変換機構に加わると、アクチュエータの耐久性を劣化させて早期破損の恐れが増大する。なお、ねじりやこじりの方向は、ゴムブッシュの取付け方向によって変化するため、前記で説明した方向に限定されるものでないことは言うまでもない。

また、前記アクチュエータ内に設けられる回転・直線運動変換機構は、回転運動の１００％すべてが直線運動に変換されるわけではない。したがって、ある程度は直線運動に変換されずに、回転運動として残ってしまう。

そこで、前記特許文献１では、推力軸周りの回転を防止するためのキーとキー溝をアクチュエータの内部に設けている（段落００２５）。したがって、使用中は、出力軸の伸縮に応じて、前記キーがキー溝に繰り返し当たることになる。また、外部から出力軸を回転するような力が作用した場合も、前記キーに衝撃力が加わることになる。

このような力が作用したときにも、前記キーに衝撃力が加わらないようにするには、キー溝とキーの間の隙間を小さくする必要がある。しかしながら、隙間を小さくすると、無負荷時のアクチュエータの反力（バックドライブフォース）が大きくなり、低速時などの制御を行わずに走行する場合、あるいはフェール検知してパッシブ走行する場合などに、この反力が動ばね的な要素になり、乗り心地が悪化する。このように、アクチュエータ内部の機械的要素間の隙間は、小さくすべきバックドライブフォースとトレードオフの関係があり、最適値を探し出すのは困難である。

本発明が解決しようとする問題点は、従来の電動モータ付アクチュエータは、その回転直線運動変換機構の特徴から、推力軸方向以外の力に耐えながら、バックドライブフォースを小さくすることが困難であるという点である。

発明者らは、電動モータ付アクチュエータを用いた振動制御装置について種々検討を重ねた。その結果、電動モータ付アクチュエータの台車および車体への取付け方法を以下のようにすることにより、車両の乗り心地、振動制御装置の耐久性などが大きく変わることを見出した。

すなわち、推力軸周りの回転防止機構を有する電動モータ付アクチュエータを、従来のゴムブッシュを介して車体や台車に取付けた場合、図３で示したねじり・こじりの方向に反力が発生する。

したがって、この反力を無くす（実際は軸受部の摩擦トルク分だけ発生するため、限りなく零にする）ためには、台車や車体との結合部を、たとえば３自由度の回転をもつ球面軸受によって、回転自在に結合すればよい。

このような球面軸受を用いた結合の場合、アクチュエータの両端が推力軸周りに回転自在となる。そこで、その推力軸周りの回転を元に戻すばねなどがないため、出力軸を回転させるような力が作用した場合に、球面軸受の許容回転角の限界まで到達し固着したり、台車又は車体の部品とアクチュエータの隙間が減少して当該部品に干渉したりするなどの問題が生じる。

一方、アクチュエータ内部が回転自在な構造であれば、外部からの推力軸周りの回転を、アクチュエータの内部で吸収することができる。

そのため、ねじり方向とこじり方向のみ回転が自在な、２自由度の回転を有する軸受を使用し、推力軸周りの回転はアクチュエータで許容する。

次に、ゴムブッシュは、鉄道車両においては車体と台車間の絶縁を確保する上で必要である。
しかしながら、ゴムブッシュのゴムの通常使用温度範囲は、−３０度から＋６０度であり、高温なほどゴムの劣化がはやい。一方、本発明が対象としているアクチュエータは、電動モータを内蔵しているので、連続動作時には、モータ部の温度は高温になる。そこで、電動モータの近傍では、ゴムブッシュの使用を避けるべきである。

また、通常、流体圧アクチュエータ、油圧ダンパ、電動アクチュエータでは、重量の軽いロッド側を台車側に、重量の重いシリンダ側を車体側に接続する。したがって、本発明が対象としているアクチュエータでは、モータ側が重いので、モータを内蔵する側を車体側に接続し、モータを内蔵しない側を台車側に接続する。そして、その際、少なくともモータ熱の影響が少ない台車側の取付け部に使用する軸受にはゴムを採用する。

本発明の鉄道車両の振動制御装置は、前記の考え方に基づいてなされたもので、
一端は台車に、他端はばねやダンパ手段を介して台車上に弾力的に支持される車体にそれぞれ結合され、両端側の出力軸が伸縮するアクチュエータと、
車体、あるいは車体と台車の振動加速度を検出するセンサと、
前記アクチュエータを制御する制御手段を備え、
前記アクチュエータ内には、
回転駆動する電動モータと、
この電動モータの回転駆動をアクチュエータの一端または他端に結合された前記出力軸の直線運動に変換してアクチュエータを伸縮させる回転・直線運動変換機構が設けられ、
また、前記制御手段は、前記センサの出力に応じて、車体の振動を低減するように、前記電動モータの回転を制御するように構成された鉄道車両の振動制御装置において、
前記アクチュエータの車体、台車側への結合は、推力軸周りの回転は不可で、前記推力軸に直角で互いに直角な２つの軸周りの方向は回転が自在な２自由度の回転を有する軸受を使用して行うと共に、これら軸受のうち、少なくとも前記電動モータを内蔵しない側の軸受にはゴムを用いて台車との絶縁を図り、
かつ、前記アクチュエータの内部では、推力軸周りの回転を自在としたことを最も主要な特徴としている。

本発明の鉄道車両の振動制御装置においては、アクチュエータの車体側への結合に際し、電動モータからの熱による結合部の温度上昇が、ゴムの耐熱温度範囲内であれば、ゴムを用いた軸受を採用しても良いことは言うまでもない。

本発明は、アクチュエータと台車や車体との結合を、推力軸周りの回転は不可で、推力軸に直角で互いに直角な２つの軸周りの方向、例えば図３におけるねじり方向とこじり方向は回転が自在な２自由度の回転を有する軸受で行うので、ねじり方向とこじり方向の回転に起因する反力が発生しない。また、推力軸周りの回転をアクチュエータの内部で許容するので、使用中や外部から出力軸を回転するような力が作用した場合にも、アクチュエータ内部に衝撃力が加わることがない。したがって、回転・直線運動変換機構を伴う電動アクチュエータを鉄道車両に取付ける上で、耐久性を向上できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図１及び図２を用いて説明する。
図１は本発明の鉄道車両の振動制御装置を構成するアクチュエータを台車と車体に取付けた状態を車両の前方から見た図、図２はアクチュエータを台車や車体に取付ける際に使用する軸受を説明する図である。

図１において、１１は本発明の振動制御装置を構成するアクチュエータであり、その推力軸方向が車両の幅方向と一致するように、その一端を台車３に、他端を車体２に取付けている。そして、その内部には、回転・直線運動変換機構と、電動モータが内蔵されている。

このうち回転・直線運動変換機構は、たとえば車体と台車の振動加速度を検出するセンサからの信号を受けた電動モータによって入力軸を回転駆動され、その回転運動をアクチュエータの一端または他端に結合された出力軸の直線運動に変換してアクチュエータを伸縮させる。

本発明では、たとえば使用中にアクチュエータ内部に衝撃力が加わることを防止するために、アクチュエータ１１の内部には、特許文献１のアクチュエータのように、推力軸周りの回転を防止するためのキーやキー溝を設けず、推力軸周りの回転が自在なように成されている。

すなわち、本発明の鉄道車両の振動制御装置を構成するアクチュエータ１１は、推力軸周りの回転が自在なように、アクチュエータ１１の内部には推力軸周りの回転を防止するためのキーやキー溝を設けない点が、特許文献１で開示されたアクチュエータと異なるだけで、その他の内部構成は同じである。

１２は前記アクチュエータ１１の一端または他端に配置された出力軸に結合された連結部１１ａ，１１ｂを、車体２又は台車３に取付けるための軸受である。この軸受１２は、前記連結部１１ａ，１１ｂに設けた貫通孔に挿入される、円筒状のカラー部１２ａの軸芯部分の両側に、ボールスタッド１２ｂを張り出し状に取付けたものである。

そして、このボールスタッド１２ｂを介して、車体２又は台車３に突出状に取付けた支持部２ａ，３ａに、たとえばボルト１３により固定することで、軸受１２が、図１や図２（ａ）に矢印ホで示す、推力軸周りに回転しないようにしている。

また、本発明では、ボールスタッド１２ｂの前記ボルトによる取付け部１２ｂａと直交する、カラー部１２ａの外周部における相対位置４箇所に、図２（ｄ）に示すように、幅ｄの湾曲状の突起１２ａａを設けている。そして、これらの突起１２ａａをボールスタッド１２ｂにボルトで固定した突起受け１２ｃで受けることで、推力軸周りには回転しないまま、図１や図２（ａ）に矢印イで示す、こじり方向の回転が自在となるようにしている。

上記構成の軸受１２では、推力軸周りには回転しないまま、前記突起１２ａａを受ける突起受け１２ｃの幅ｃだけ、図１や図２（ａ）に矢印ハで示す、ねじり方向の回転が自在となる。

本発明では、このような軸受１２を用いてアクチュエータ１１の連結部１１ａ，１１ｂを車体２又は台車３に取付けるが、本発明で使用するアクチュエータ１１は電動モータを内蔵しているので、重量の重たいモータを内蔵する側を車体側に、重量の軽いモータを内蔵しない側を台車側に接続する。

そして、その際、電動モータからの発熱の影響が少ない台車側の連結部１１ａに使用する軸受１２は、そのカラー部１２ａをゴムで形成する。

本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範囲内で、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。例えば、車体側の連結部１１ｂにおける温度がゴムの耐熱温度内であれば、車体側の連結部１１ｂにも、そのカラー部１２ａをゴムで形成した軸受１２を使用しても良いなどである。

以上の本発明は、鉄道車両の振動制御装置の結合に限らず、固有振動数をもって振動する車両の振動制御装置の結合であっても適用できる。

本発明の鉄道車両の振動制御装置を構成するアクチュエータを台車と車体に取付けた状態を車両の前方から見た図である。 アクチュエータを台車や車体に取付ける際に使用する軸受を説明する図で、（ａ）は図１の紙面左右方向から見た図、（ｂ）は（ａ）図の平面図、（ｃ）は（ａ）図の側面図、（ｄ）は（ｂ）図のＡ部拡大図である。 台車や車体とアクチュエータとの結合に一般的に使用されているゴムブッシュの斜視図である。 アクチュエータを台車と車体に取付けた状態を車両の上方から幅方向に見た図である。 アクチュエータを台車と車体に取付けた状態を車両の前方から見た図である。

符号の説明

２ 車体
３ 台車
１１ アクチュエータ
１１ａ，１１ｂ 連結部
１２ 軸受
１２ａ 突起
１２ｃ 突起受け

Claims (1)

1. 一端は台車に、他端はばねやダンパ手段を介して台車上に弾力的に支持される車体にそれぞれ結合され、両端側の出力軸が伸縮するアクチュエータと、
   車体、あるいは車体と台車の振動加速度を検出するセンサと、
   前記アクチュエータを制御する制御手段を備え、
   前記アクチュエータ内には、
   回転駆動する電動モータと、
   この電動モータの回転駆動をアクチュエータの一端または他端に結合された前記出力軸の直線運動に変換してアクチュエータを伸縮させる回転・直線運動変換機構が設けられ、
   また、前記制御手段は、前記センサの出力に応じて、車体の振動を低減するように、前記電動モータの回転を制御するように構成された鉄道車両の振動制御装置において、
   前記アクチュエータの車体、台車側への結合は、推力軸周りの回転は不可で、前記推力軸に直角で互いに直角な２つの軸周りの方向は回転が自在な２自由度の回転を有する軸受を使用して行うと共に、これら軸受のうち、少なくとも前記電動モータを内蔵しない側の軸受にはゴムを用いて台車との絶縁を図り、
   かつ、前記アクチュエータの内部では、推力軸周りの回転を自在としたことを特徴とする鉄道車両の振動制御装置。
   

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