JP2007253893A - 車体傾斜装置、車体傾斜方法及び鉄道車両 - Google Patents

Abstract

【課題】車体の傾斜角を高精度に制御する。
【解決手段】台車２上の車体１０を傾斜させる車体傾斜装置３は、台車２上で車体１０を支持する振子梁３１と、台車２に対して振子梁３１を傾斜させる第１アクチュエータ４と、振子梁３１に対して車体１０を傾斜させる第２アクチュエータ５と、第１アクチュエータ４及び第２アクチュエータ５に対する目標傾斜角をそれぞれ算出し、各目標傾斜角に基づいて第１アクチュエータ４及び第２アクチュエータ５を制御する制御装置６とを備える。第２アクチュエータ５は、振子梁３１及び車体１０の間に介在する空気ばね５０と、空気ばね５０中の作動流体を移動させることによって振子梁３１に対して車体１０を傾斜させる流体ポンプ５１とを有する。制御装置６は、同一地点の線路に対して、第２アクチュエータ５の制御を第１アクチュエータ４の制御よりもｎ秒だけ先に行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、鉄道車両の車体を傾斜させる車体傾斜装置、車体傾斜方法及び鉄道車両に関する。

従来、振子式の鉄道車両は、図４（ａ）に示すように、傾斜可能な振子梁１００を介して車体１０１を台車１０２上に支持しており、線路の曲線部を走行する際には、車体１０１を振子梁１００に追従させて曲線部の内側に傾斜させるようになっている。

このような鉄道車両における車体１０１の傾斜方式として、走行速度や線路形状に応じて車体１０１の傾斜角を制御する制御付き振子方式がある。この制御付き振子方式の鉄道車両では、台車１０２に対して車体１０１を傾斜させるアクチュエータとして、振子梁１００及び台車１０２に連結された空気圧シリンダ等のシリンダ１０３が用いられている（例えば、特許文献１，２参照）。

ところで、上記の鉄道車両においては、振子梁１００の傾斜のみによって車体１０１を傾斜させているため、図４（ａ）に２点鎖線で示すように、車体１０１の重心Ｇが中心線Ｉに対して左右に変位し過ぎて車輪１０４が脱線を起こすおそれがある。また、車体１０１が左右に変位して線路脇の構造物と干渉しやすくなるため、車体１０１の寸法、いわゆる車両限界を小さくする必要が生じてしまう。

そのため、近年の鉄道車両では、図４（ｂ）に示すように、車体１０１を傾斜させるアクチュエータとして、シリンダ１０３の他に、振子梁１００及び車体１０１の間に介在して振動を緩和するための空気ばね１０５等が用いられている（例えば、特許文献３参照）。
特開平１０−１２９４７８号公報 特開昭６１−１０８０５３号公報 特開２００５−１９３７７３号公報

しかしながら、空気ばね１０５等の流体ばねには、制御に対する応答性が低いという欠点があるため、上記特許文献３の鉄道車両においてシリンダ１０３と空気ばね１０５とを同様のタイミングで制御して車体１０１を傾斜させると、空気ばね１０５の動作遅れに起因して車体１０１の傾斜制御が遅れる結果、傾斜制御の精度が低下してしまう。

本発明の課題は、従来と比較して車体の傾斜角を高精度に制御することができる車体傾斜装置、車体傾斜方法及び鉄道車両を提供することである。

請求項１記載の発明は、進行方向に走行する台車に対し、当該台車上の車体を、前記進行方向と交差する平面内で傾斜させる車体傾斜装置において、
前記台車及び前記車体の間に介在し、前記台車上で前記車体を支持する振子梁と、
前記平面内で前記台車に対して前記振子梁を傾斜させる第１アクチュエータと、
前記平面内で前記振子梁に対して前記車体を傾斜させる第２アクチュエータと、
未走行区間の線路の形状に関する未走行線路データに基づいて前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータに対する目標傾斜角をそれぞれ算出し、各目標傾斜角に基づいて前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータを制御する制御装置とを備え、
前記第２アクチュエータは、
前記振子梁及び前記車体の間に介在する流体ばねと、
前記流体ばね中の作動流体を移動させることによって、前記平面内で前記振子梁に対して前記車体を傾斜させる流体ポンプとを有し、
前記制御装置は、同一地点の線路に対して、前記第２アクチュエータの制御を前記第１アクチュエータの制御よりも所定の時間間隔だけ先に行うことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、制御装置は同一地点の線路に対して第２アクチュエータの制御を第１アクチュエータの制御よりも所定の時間間隔だけ先に行うので、応答性の低い流体ばねを第２アクチュエータが備える場合であっても、車体の傾斜制御の遅れを防止することができる。よって、従来と比較して車体の傾斜角を高精度に制御することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の車体傾斜装置において、
前記制御装置は、前記台車に対する前記車体の傾斜角を、前記第１アクチュエータに対する目標傾斜角にフィードバックすることを特徴とする。

請求項２記載の発明によれば、制御装置は台車に対する車体の傾斜角を第１アクチュエータに対する目標傾斜角にフィードバックするので、車体の傾斜角の目標値と実際の傾斜角とのずれを補正することができる。また、応答性の低い第２アクチュエータの目標傾斜角にフィードバックする場合と比較して、フィードバックの実効性を高めることができる。従って、車体の傾斜角をより高精度に制御することができる。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の車体傾斜装置において、
前記制御装置は、
ローパスフィルタを通過する周波数成分の傾斜角変化のみをフィードバックに用いることを特徴とする。
ここで、ローパスフィルタとは、所定周波数以下の周波数成分のみを通過させるフィルタである。

請求項３記載の発明によれば、制御装置はローパスフィルタを通過する周波数成分の傾斜角変化のみをフィードバックに用いるので、第１アクチュエータや第２アクチュエータの共振周波数成分がフィードバックされて発振が生じるのを防止することができる。よって、車体を安全に傾斜させることができる。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の車体傾斜装置において、
前記流体ばねは、空気ばねであることを特徴とする。
請求項４記載の発明によれば、請求項１または２記載の発明と同様の効果を得ることができる。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の車体傾斜装置において、
前記第１アクチュエータは、伸縮によって車体を傾斜させる液圧シリンダを有することを特徴とする。

ここで、液圧シリンダの圧力伝達媒体である液体は、空気圧シリンダの圧力伝達媒体である空気よりも圧縮性が小さいため、応答速度や周波数応答特性に優れた性質を有している。このような液体としては、一般に用いられる作動油の他、水とグリコールとの混合液などがある。

請求項５記載の発明によれば、第１アクチュエータは液圧シリンダを有するので、空気圧シリンダを備える場合と比較して、応答速度や周波数応答特性など、車体の傾斜角の制御性能が高まる。従って、車体の傾斜角をより高精度に制御することができる。

請求項６記載の発明は、車体傾斜方法において、
請求項１〜５の何れか一項に記載の車体傾斜装置によって車体の傾斜角度を制御することを特徴とする。
請求項６記載の発明によれば、請求項１〜５の何れか一項に記載の発明と同様の効果を得ることができる。

請求項７記載の発明は、鉄道車両において、
請求項１〜５の何れか一項に記載の車体傾斜装置を備えることを特徴とする。
請求項７記載の発明によれば、請求項１〜５の何れか一項に記載の発明と同様の効果を得ることができる。

請求項１〜７の何れか一項に記載の発明によれば、従来と比較して車体の傾斜角を高精度に制御することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る鉄道車両１の概略構成を示す模式図である。
この図に示すように、振子式の鉄道車両１は、線路上を進行方向Ｘ（図の表裏方向）に走行する台車２を備えている。

台車２は、２つの車輪２０，２０を連結した車軸２１を複数有している。車軸２１の上部には軸ばね２２，２２が配設されており、これら軸ばね２２，２２は、車軸２１の振動を緩和した状態で台車枠２３を支持している。台車枠２３の上部には車体１０が配設されており、本発明に係る車体傾斜装置３によって左右方向Ｙに傾斜可能な状態となっている。

この車体傾斜装置３は、台車枠２３の上部に配設された振子装置３０，３０と、振子装置３０，３０の上部に配設された振子梁３１とを備えている。
振子装置３０，３０は、振子梁３１を支持するものであり、当該振子梁３１を台車２に対して左右方向Ｙに傾斜させることができるようになっている。なお、本実施の形態においては、振子装置３０，３０として、進行方向Ｘと垂直な平面内で回転可能なローラが用いられている。
振子梁３１は、車体１０を支持する略半円柱状の部材であり、曲面部が下側となるように配設されて、当該曲面部において下方の振子装置３０，３０と当接している。

この振子梁３１と上述の台車枠２３とには、車体１０を傾斜させる第１アクチュエータ４が連結されている。第１アクチュエータ４は、伸縮することによって台車２に対して振子梁３１を左右方向Ｙに傾斜させる液圧シリンダ４０を有している。ここで、液圧シリンダ４０の圧力伝達媒体である液体は、空気圧シリンダの圧力伝達媒体である空気よりも圧縮性が小さいので、応答速度や周波数応答特性に優れた性質を有している。そのため、第１アクチュエータ４が空気圧シリンダを備える場合と比較して、車体傾斜装置３による車体１０の傾斜制御性能は高くなっている。なお、このような液圧シリンダ４０としては、例えば、特開２００４−２９１８９７号公報に開示のものを用いることができる。

また、振子梁３１と車体１０とには、車体１０を傾斜させる第２アクチュエータ５が連結されている。第２アクチュエータ５は、空気ばね５０，５０及び流体ポンプ５１を備えている。

空気ばね５０，５０は、鉄道車両１における左右方向Ｙの両端部において振子梁３１と車体１０との間に介在し、車体１０の振動を緩和している。なお、本実施の形態においては、空気ばね５０の共振周波数は０．７〜１Ｈｚ程度となっている。そのため、この帯域の周波数で振子梁３１と車体１０とが上下方向やロール方向に相対移動すると、空気ばね５０が発振するようになっている。

流体ポンプ５１は、空気ばね５０，５０の内部の作動流体、つまり空気を移動させて空気ばね５０，５０をそれぞれ膨張・収縮させることにより、振子梁３１に対して車体１０を左右方向Ｙに傾斜させるものである。

なお、この第２アクチュエータ５は、図２に示すように、所定帯域の周波数成分のみを通過させるローパスフィルタ６５を介して車体１０を傾斜させるようになっている。このローパスフィルタ６５は、第２アクチュエータ５による車体１０の傾斜角変化のうち、前記所定帯域とは異なる帯域の傾斜角変化を除去するようになっている。

以上の第１アクチュエータ４及び第２アクチュエータ５には、制御装置６が接続されている。この制御装置６は、目標傾斜角演算部６０と、第１コントローラ６１及び第２コントローラ６２とを備えている。

目標傾斜角演算部６０は、図３に示すように、未走行線路の形状に基づいて、台車２に対する振子梁３１の傾斜角の目標値（以下、第１目標傾斜角とする）と、振子梁３１に対する車体１０の傾斜角の目標値（以下、第２目標傾斜角とする）とを算出し、第１コントローラ６１，第２コントローラ６２に送信するものである。

より詳細には、目標傾斜角演算部６０は、所定時間経過後に鉄道車両１が走行するべき未走行区間の線路の形状に関する未走行線路データをデータベース６３から取得し、この未走行線路データや、鉄道車両１の走行速度などに基づいて第１目標傾斜角及び第２目標傾斜角を事前に、つまり、当該未走行区間を走行する前に決定するようになっている。また、この目標傾斜角演算部６０は、同一地点の未走行線路に対する第１目標傾斜角，第２目標傾斜角を第１コントローラ６１，第２コントローラ６２に送信するにあたり、第１コントローラ６１に第１目標傾斜角を送信するタイミングよりも、第２コントローラ６２に第２目標傾斜角を送信するタイミングをｎ秒（ｎは正の値）だけ前倒しするようになっている。

なお、このような目標傾斜角演算部６０における目標傾斜角の演算手法には、例えば、特開２００４−２９１８９８号公報や、特開２００４−２９１８９７号公報、特開昭６１−１０８０５３号公報などに開示の手法を用いることができる。また、「ｎ秒」の長さの算出には、例えば、鉄道車両１が走行する軌道の線形や、鉄道車両１の走行速度、車体１０の重量、空気ばね５０の内容積、空気ばね５０の有効断面積、空気ばね５０，５０の間隔、流体ポンプ５１の元圧、空気ばね５０と流体ポンプ５１との間などの配管の長さ、この配管に用いられる空気制御バルブ（図示せず）またはオリフィス（図示せず）の特性、第２コントローラ６２に対して設定されるパラメータの値などを用いることができ、「ｎ秒」の長さとしては、例えば２秒などを用いることができる。また、本実施の形態においては、同一地点の線路に対する第１目標傾斜角と第２目標傾斜角とが等しくなっているが、異なることとしても良い。また、データベース６３は制御装置６の内部に設けられることとしても良いし、外部に設けられることとしても良い。

第１コントローラ６１は、目標傾斜角演算部６０によって設定された第１目標傾斜角に基づいて第１アクチュエータ４を制御するものである。この第１コントローラ６１は、液圧シリンダ４０の伸縮量、つまり台車２に対する振子梁３１の傾斜角と、台車２に対する車体１０の実際の傾斜角とをそれぞれ前記第１目標傾斜角にフィードバックするようになっている。

第１コントローラ６１には、所定帯域の周波数成分のみを通過させるローパスフィルタ６４が接続されている。このローパスフィルタ６４は、台車２に対する車体１０の実際の傾斜角が第１コントローラ６１によって第１目標傾斜角にフィードバックされるときに、前記所定帯域とは異なる帯域の傾斜角変化を除去するようになっている。なお、本実施の形態においては、ローパスフィルタ６４は、０．２Ｈｚ以下の周波数成分の傾斜角変化のみを通過させるようになっている。

第２コントローラ６２は、目標傾斜角演算部６０によって設定された第２目標傾斜角に基づいて第２アクチュエータ５を制御するものである。この第２コントローラ６２は、左右の空気ばね５０，５０の高さの偏差、つまり振子梁３１に対する車体１０の傾斜角を前記第２目標傾斜角にフィードバックするようになっている。

続いて、鉄道車両１における車体傾斜方法、即ち、本発明に係る車体傾斜方法について説明する。
まず、目標傾斜角演算部６０は、現時点での鉄道車両１の地点を検出した後、未走行線路の形状及び鉄道車両１の走行速度に基づいて、第１目標傾斜角及び第２目標傾斜角を算出する。

次に、目標傾斜角演算部６０は、第１コントローラ６１に対する第１目標傾斜角の送信タイミングよりも、第２コントローラ６２に対する第２目標傾斜角の送信タイミングをｎ秒（ｎは正の値）だけ前倒しして、これら第１目標傾斜角および第２目標傾斜角を送信する。これにより、図３に示すように、同一地点の線路に対して、第２アクチュエータ５の制御が第１アクチュエータ４の制御よりもｎ秒だけ先に行われる。そのため、応答性の低い空気ばね５０によって第２アクチュエータ５が後述のように車体１０を傾斜させる場合であっても、車体１０の傾斜制御の遅れが防止される。

そして、第１目標傾斜角に基づいて第１コントローラ６１が第１アクチュエータ４を動作させることにより、台車２に対して振子梁３１を左右方向Ｙに傾斜させる。また、第２目標傾斜角に基づいて第２コントローラ６２が第２アクチュエータ５を動作させることにより、振子梁３１に対して車体１０を左右方向Ｙに傾斜させる。

このとき、第１コントローラ６１が台車２に対する振子梁３１の傾斜角と、台車２に対する車体１０の実際の傾斜角とをそれぞれ第１目標傾斜角にフィードバックするとともに、このフィードバックにおいて、ローパスフィルタ６４が台車２に対する車体１０の傾斜角変化のうち、０．２Ｈｚより大きい周波数成分を除去する。また、第２コントローラ６２が振子梁３１に対する車体１０の傾斜角を第２目標傾斜角にフィードバックする。

このように第１コントローラ６１，第２コントローラ６２が第１目標傾斜角，第２目標傾斜角にフィードバックを行うことにより、傾斜角の目標値と実際の傾斜角とのずれが補正される。また、応答性の低い第２アクチュエータ５の第２目標傾斜角にフィードバックを行う場合と比較して、フィードバックの実効性が高められる。また、ローパスフィルタ６４を通過する低周波数成分の傾斜角変化のみを第１目標傾斜角に対するフィードバックに用いることにより、空気ばね５０の共振周波数（本実施の形態においては０．７〜１Ｈｚ）成分が第１アクチュエータ４にフィードバックされるのが防止される。

以上のような鉄道車両１によれば、同一地点の線路に対して第２アクチュエータ５の制御を第１アクチュエータ４の制御よりもｎ秒だけ先に行うので、応答性の低い空気ばね５０によって第２アクチュエータ５が車体１０を傾斜させる場合であっても、車体１０の傾斜制御の遅れを防止することができる。

また、制御装置６は台車２に対する車体１０の傾斜角を第１目標傾斜角にフィードバックするので、車体１０の傾斜角の目標値と実際の傾斜角とのずれを補正することができる。また、応答性の低い第２アクチュエータ５の第２目標傾斜角にフィードバックを行う場合と比較して、フィードバックの実効性を高めることができる。
以上より、従来と比較して、車体１０の傾斜角を高精度に制御することができる。

また、ローパスフィルタ６４を通過する周波数成分の傾斜角変化のみをフィードバックに用いるので、空気ばね５０の共振周波数成分が第１アクチュエータ４にフィードバックされるのを防止することができる。従って、空気ばね５０で発振が生じるのを防止し、車体１０を安全に傾斜させることができる。

なお、上記実施の形態においては、第１アクチュエータ４は液圧シリンダ４０を備えることとして説明したが、空気圧シリンダを備えることとしても良い。
また、第２アクチュエータ５は空気ばね５０を備えることとして説明したが、流体ばねを備えることとしても良い。
また、鉄道車両１はローパスフィルタ６４，６５を備えることとして説明したが、何れか一方のみを備えることとしても良いし、何れも備えないこととしても良い。

本発明に係る鉄道車両の概略構成を示す模式図である。 本発明に係る車体傾斜装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明に係る車体傾斜装置の動作を説明するための図である。 従来の鉄道車両を示す模式図である。

符号の説明

１ 鉄道車両
２ 台車
３ 車体傾斜装置
４ 第１アクチュエータ
５ 第２アクチュエータ
６ 制御装置
１０ 車体
３１ 振子梁
４０ 液圧シリンダ
５０ 空気ばね（流体ばね）
５１ 流体ポンプ
６４ ローパスフィルタ
Ｘ 進行方向

Claims (7)

1. 進行方向に走行する台車に対し、当該台車上の車体を、前記進行方向と交差する平面内で傾斜させる車体傾斜装置において、
   前記台車及び前記車体の間に介在し、前記台車上で前記車体を支持する振子梁と、
   前記平面内で前記台車に対して前記振子梁を傾斜させる第１アクチュエータと、
   前記平面内で前記振子梁に対して前記車体を傾斜させる第２アクチュエータと、
   未走行区間の線路の形状に関する未走行線路データに基づいて前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータに対する目標傾斜角をそれぞれ算出し、各目標傾斜角に基づいて前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータを制御する制御装置とを備え、
   前記第２アクチュエータは、
   前記振子梁及び前記車体の間に介在する流体ばねと、
   前記流体ばね中の作動流体を移動させることによって、前記平面内で前記振子梁に対して前記車体を傾斜させる流体ポンプとを有し、
   前記制御装置は、同一地点の線路に対して、前記第２アクチュエータの制御を前記第１アクチュエータの制御よりも所定の時間間隔だけ先に行うことを特徴とする車体傾斜装置。
2. 請求項１記載の車体傾斜装置において、
   前記制御装置は、前記台車に対する前記車体の傾斜角を、前記第１アクチュエータに対する目標傾斜角にフィードバックすることを特徴とする車体傾斜装置。
3. 請求項２記載の車体傾斜装置において、
   前記制御装置は、
   ローパスフィルタを通過する周波数成分の傾斜角変化のみをフィードバックに用いることを特徴とする車体傾斜装置。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の車体傾斜装置において、
   前記流体ばねは、空気ばねであることを特徴とする車体傾斜装置。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の車体傾斜装置において、
   前記第１アクチュエータは、伸縮によって車体を傾斜させる液圧シリンダを有することを特徴とする車体傾斜装置。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の車体傾斜装置によって車体の傾斜角度を制御することを特徴とする車体傾斜方法。
7. 請求項１〜５の何れか一項に記載の車体傾斜装置を備えることを特徴とする鉄道車両。

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