JP2008254577A - 車体傾斜制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車体傾斜制御の応答性を高めつつ、空気の消費量を少なくする。
【解決手段】台車２上の幅方向左右側に設けられた空気ばね３ａ，３ｂ及びその給排気手段と、対をなす空気ばね３ａ，３ｂの互いの中心を結ぶ直線と平行に、車体１に対して回転自在に取り付けられたトーションバー１３ａと、一方端部が回転自在にトーションバー１３ａの端部に取り付けられ、他方端部が台車２と回転自在に取り付けられるロッド１３ｂを有するアンチローリング装置１３と、アンチローリング装置１３に設けられ、両ロッド１３ｂの他方端部の高さ位置を変化可能なアクチュエータ１４を有する。曲線走行時には、空気ばね３ａ，３ｂへの給排気による車体傾斜に加え、アクチュエータ１４の駆動により両ロッド１３ｂの他方端部の高さ位置を変化させる車体傾斜を合せて行う。
【効果】曲線通過時、車体傾斜制御の応答性がよくなり、空気の消費量も少なくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に曲線通過時の、空気ばねを利用した車体の傾斜制御方法、及びこの傾斜制御方法を実施する傾斜制御装置に関するものである。

鉄道車両では、曲線通過時、超過遠心力によって乗心地が悪くなる場合がある。特に曲線通過時の走行速度が高速の場合には、超過遠心力が増大してさらなる乗心地の悪化を招く。そこで、曲線通過時、車体を傾斜させることにより超過遠心力を抑制して乗心地の悪化を防ごうとした車体の傾斜制御が各種開発されている。

図１０は空気ばねを使用した車体傾斜制御装置の一例を示した図で、この車体傾斜制御装置は、車体１と台車２の間に配置された左右の空気ばね３ａ，３ｂと空気源４の間を２系列の配管９ａ，９ｂで接続している。

そして、このうちの一方の配管９ａ途中には、高さセンサ１０の検出値に基づいて空気ばね３ａ，３ｂへの空気の給排気を行う給気弁５と排気弁６を設置している。また、他方の配管９ｂ途中には、空気ばね３ａ，３ｂの高さを調整する高さ調整弁８をそれぞれ設置すると共に、この高さ調整弁８と空気ばね３ａ，３ｂの間に締め切り弁７を設置している。また、両空気ばね３ａ，３ｂは連通管１１で連通し、その途中には差圧弁１２を設置している。

この車体傾斜制御装置では、前記締め切り弁７は、傾斜走行時は締め切った状態となし、この締め切り状態で車両の進行方向前後に配置した台車２の左右の空気ばね３ａ，３ｂに空気を給排気して車体１の傾斜を行っていた。
特開平７−８１５５８号公報

また、アンチローリング装置のトーションバーと左右のロッドとの間にそれぞれ油圧アクチュエータを設け、これらの油圧アクチュエータを駆動して、左右のロッドの相対位置を上下に移動可能にすることで、車体傾斜を行うものが特許文献２で開示されている。
特開平６−５６０３４号公報

しかしながら、特許文献１で開示された空気ばねへの給排気による車体傾斜制御は、図１１（ｂ）に示すように、応答性が十分でないので、曲線が連続する軌道を高速で走行する時には、乗り心地が悪化する。また、空気消費が多量となるので、大型のコンプレッサーや大径の配管が必要になる。従って、車両への搭載が難しく、また車両重量の増加も招いていた。

また特許文献２で開示された車体傾斜制御は、油圧アクチュエータのみで車体傾斜を行なうので、大型のアクチュエータが必要になり、特許文献１で開示されたものと同様、車両への搭載が難しく、車両重量の増加を招く。

本発明が解決しようとする問題点は、従来の車体傾斜は、大型のコンプレッサーや大径の配管が必要になったり、大型のアクチュエータが必要になり、車両への搭載が難しく、車両重量の増加を招くと言う点である。

本発明は、特に曲線通過時の、空気ばねを利用した車体傾斜制御に際し、応答性を高めつつ、空気の消費量を少なくして、車両への搭載の容易化と車両重量の増加を抑制するために、以下の構成を採用している。

すなわち、本発明の車体傾斜制御方法は、
台車の幅方向左右に設けられた空気ばねの互いの中心を結ぶ直線と平行に、かつ、車体、台車、傾斜はりの何れかに回転自在に取り付けられたトーションバーと、一方端部が回転自在に前記トーションバーの端部に取り付けられ、他方端部が前記車体、台車、傾斜はりの何れかと相対する車体、台車、傾斜はりの何れかと回転自在に取り付けられるロッドを有するアンチローリング装置を備えた鉄道車両における車体の傾斜制御方法において、
前記アンチローリング装置に、前記両ロッドの他方端部の高さ位置を変化可能なアクチュエータを設け、
曲線走行時には、
前記空気ばねへの給排気による車体傾斜に加えて、前記アクチュエータの駆動により両ロッドの他方端部の高さ位置を変化させることによる車体傾斜を合せて行うことを最も主要な特徴としている。

上記の本発明方法は、
車体を支持するように台車上の幅方向左右側に対をなして設けられた空気ばね及びこれら空気ばねへの給排気手段と、
前記対をなす空気ばねの互いの中心を結ぶ直線と平行に、かつ、車体、台車、傾斜はりの何れかに回転自在に取り付けられたトーションバーと、一方端部が回転自在に前記トーションバーの端部に取り付けられ、他方端部が前記車体、台車、傾斜はりの何れかと相対する車体、台車、傾斜はりの何れかと回転自在に取り付けられるロッドを有するアンチローリング装置と、
前記アンチローリング装置に設けられ、前記両ロッドの他方端部の高さ位置を変化可能なアクチュエータを有することを主要な特徴とする本発明の車体傾斜制御装置を用いて実施できる。

上記の本発明の車体傾斜制御装置において、車体の中央に、さらに１個の空気ばねを配置した場合には、この空気ばねで車体の重量を支えるようになるため、アクチュエータが支える車体の重量が軽減する。

本発明は、空気ばねによる車体傾斜とアンチローリング装置部での車体傾斜を併用するので、曲線通過時の、車体傾斜制御の応答性を高めつつ、空気の消費量を少なくして、車両への搭載の容易化と車両重量の増加を抑制することができる。

以下、本発明を実施するための形態について図１〜図９を用いて説明する。
図１、５は本発明の第１、２の例を説明する図、図２は運動方程式等によって得られたモデルに対し、給排気とアクチュエータ出力の重み付けを変更した一般化プラントの説明図、図３は重み付けの意味を説明する図、図４は本発明の曲線通過時の応答性の一例を説明する図、図６〜図８は本発明の第３〜第５の例を説明する図、図９は本発明に適用するアンチローリング装置の他の例の概略説明図である。

図１において、１は車体、２は車体１の進行方向前後に配置された台車であり、これら台車２の幅方向左右側における車体１との間に空気ばね３ａ，３ｂが配置され、これら４つの空気ばね３ａ，３ｂへの給排気により車体１の高さ制御と傾斜制御を行っている。

１３は車体１のローリングを防止するためのアンチローリング装置であり、前記空気ばね３ａ，３ｂの互いの中心を結ぶ直線と平行に、台車２に回転自在に支持されたトーションバー１３ａが、その両端部に回転自在に取付けられたロッド１３ｂを介して車体１に接続されている。

本発明では、前記アンチローリング装置１３に、前記両ロッド１３ｂの台車２への取付け側の端部の高さ位置を変化させることが可能なアクチュエータ１４を取付けている。例えば図１に示す例では、アクチュエータ１４を、ロッド１３ｂの台車２への取付け側の端部に取付けている。

このような構成の図１に示した本発明の車体傾斜制御装置では、直線走行時の高さ制御と、曲線走行時の傾斜制御は、以下のように行う。

先ず、直線走行時は、図１（ａ）で示した水平状態を維持すべく、他方の配管９ｂを通り、高さ調整弁８を介して空気ばね３ａ，３ｂにのみ給排気を行って、車体１の高さを制御する。この直線走行時、アンチローリング装置１３に取付けたアクチュエータ１４は、トーションバー１３ａの両側のロッド１３ｂの長さが同じ長さとなるようにして、車体１のローリングを防止する。

一方、曲線走行開始時は、一方の配管９ａを通り、給気弁５・排気弁６を介して空気ばね３ａ，３ｂに給排気して車体１の傾斜を行うが、その際、アクチュエータ１４も駆動して前記両側のロッド１３ｂの長さを異ならせ、例えば車体１の傾斜を補助する（図１（ｂ））。これが本発明の傾斜制御方法である。

この本発明の傾斜制御に際し、具体的には、例えば以下のようにして行う。
(1) 空気ばね３ａ，３ｂへの給排気及びアクチュエータ１４への駆動出力と、車体１の傾斜角度の関係を運動方程式等によってモデリングする。

(2) 得られた車体運動モデルに対して、図２に示すように、給排気とアクチュエータ出力の重み付けを変更した一般化プラントを構成し、Ｈ∞制御系を計算する。
(3) 給排気はゆっくりとした傾斜制御を担当するように、低周波で小さく、高周波で大きい重みを使用する。具体的には、空気ばね３ａ，３ｂの上下固有周波数以上で大きくなる重みを使用し、共振に対する無駄な給排気を防ぐ。

(4) アクチュエータ１４は、傾斜角度の振動を抑制するように、低周波で大きく、高周波で小さい重みを使用する。具体的には、車体１のローリング固有振動数以上で小さくなる重みを使用し、車体１のローリング共振運動をアクチュエータ１４で抑制できるようにする。

なお、前記重み付けとは、以下のことを意味する。
Ｈ∞制御系設計では、設計の結果得られる周波数応答と、重み付けの積が全周波数で一定値（例えば１）以下となることが保証される。よって、図３に示す通り、周波数応答は重みが大きい周波数帯では小さく、重みが小さい周波数帯では大きくなる。

前記のような車体１の傾斜制御を行って曲線を走行し、曲線走行終了時には、給気弁５・排気弁６を介して空気ばね３ａ，３ｂを通常水平位置に戻すのと共に、アクチュエータ１４を駆動してトーションバー１３ａの両側のロッド１３ｂの長さが同じ長さとなるようにする。

なお、曲線走行時における傾斜制御に際し、外軌側の空気ばね３ｂのみに給気したり、内軌側の空気ばね３ａのみに排気することによる、左右片側のみの空気ばねへの給排気による傾斜を行ってもよい。同様に、外軌側のアクチュエータ１４のみを伸ばしたり、内軌側のアクチュエータ１４のみを縮めることによる、片側のアクチュエータ１４の動作による傾斜を行ってもよい。

このような本発明の場合、例えば空気ばね３ａ，３ｂによる車体傾斜に加え、アンチローリング装置１３部で車体傾斜を補助するので、曲線通過時には、図４（ｂ）に示すように、車体傾斜制御の応答性が良くなる。

また、アンチローリング装置１３部で車体傾斜を補助するので、車体傾斜に必要な空気の消費量が少なくなり、空気ばね３ａ，３ｂへの給排器手段をコンパクトに構成できて、車両への搭載が容易になり、車両重量の増加を抑制できる。

本発明は、図１に示した例に限らず、図５〜図８に示した例の場合も、同様の傾斜制御を行って、同様の作用効果を奏することができる。

図５〜図８は車体１と台車２の間に傾斜はり１５を配置したものである。
そして、この場合、アクチュエータ１４を取付けたアンチローリング装置１３は、図５、８のように傾斜はり１５と台車２の間に取付けても、図６、７のように車体１と傾斜はり１５の間に取り付けてもよい。

また、高さ調整弁８は空気ばね３ａ，３ｂの高さを測定できる位置に取付けるので、車体１と傾斜はり１５の間に空気ばね３ａ，３ｂを配置した場合は、車体１に取付けるが（図６、８）、傾斜はり１５と台車２の間に空気ばね３ａ，３ｂを配置した場合は、傾斜はり１５に設置する（図５、７）。

図１及び図５、６に示す例では、空気ばね３ａ，３ｂが車体１の重量を支えるようになっているため、並列に配置されたアクチュエータ１４は車体１の重量を支える必要がない。一方、空気ばね３ａ，３ｂに並列に設置しない図７や図８に示すアクチュエータ１４の設置方法では、車体１の重量を空気ばね１６で支えるようになっているため，アクチュエータ１４は車体１の重量を支える必要がない。このためコンパクトなアクチュエータ１４を採用できる。なお、この空気ばね１６には締め切り弁７は不要である。

なお、曲線走行時における本発明の傾斜制御は、曲線検知装置（図示省略）からの信号に基づき、給気弁５、排気弁６などの各弁やアクチュエータ１４にコントローラから制御信号を出力することにより行うことは言うまでもない。この曲線検知装置は、一般的に用いられている地上子からの信号と速度センサの信号とから検知するものや、加速度センサ又はジャイロセンサからの信号と速度センサの信号とから検知するもの等を使用する。

また、図１及び図５〜８の例では、空気ばね３ａ，３ｂ間をつなぐ連通管１１やその途中に設けられた差圧弁１２、高さセンサ１０を示していないが、これらの各機器も装備されていることは言うまでもない。

本発明は上記の各例に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範疇であれば自由に変更が可能である。

例えば上記の例では、空気ばね３ａ，３ｂによる車体傾斜を主とし、アクチュエータ１４の駆動による車体傾斜を補助としたものを示したが、空気ばね３ａ，３ｂによる車体傾斜を補助とし、アクチュエータ１４の駆動による車体傾斜を主としたものでも良い。また、空気ばね３ａ，３ｂによる車体傾斜と、アクチュエータ１４の駆動による車体傾斜を同じ割合で行っても良い。

また、アンチローリング装置１３に取付けるアクチュエータ１４は、ロッド１３ｂに取り付けるものに限らず、図９のようにトーションバー１３ａの途中に取付けても良い。この場合、アクチュエータ１４としては、モータやスタビライザーなどのトーションバー１３ａを捩ることが可能なものとなる。

さらに、空気ばね３ａ，３ｂ間の連通管１１の途中に差圧締め切り弁を設けたものでも良い。

本発明は、車体傾斜に際して制御の応答性が向上するのみならず、必要な空気の消費流量を減少できるので、空気源や空気の供給機構を小容量化でき、鉄道車両の小型化が必要な用途に適用できる。

本発明の第１の例を説明する図で、（ａ）は直線走行時、（ｂ）は曲線走行時を説明する図である。 運動方程式等によって得られたモデルに対して、給排気とアクチュエータ出力の重み付けを変更した一般化プラントを説明する図である。 重み付けの意味を説明する図である。 本発明の車体傾斜方法による場合の応答性の一例を説明する図で、（ａ）は曲線区間のカントを示した図、（ｂ）は車体傾斜の追従性能を示した図である。 本発明の第２の例を説明する図１と同様の図である。 本発明の第３の例を説明する図である。 本発明の第４の例を説明する図である。 本発明の第５の例を説明する図である。 本発明に適用するアンチローリング装置の他の例の概略説明図で、（ａ）は車体傾斜しない場合、（ｂ）は車体傾斜時を示す図である。 従来の車体傾斜制御装置の一例を示す構成図で、（ａ）は直線走行時、（ｂ）は曲線走行時を説明する図である。 従来の車体傾斜方法による場合の応答性の一例を説明する図４と同様の図である。

符号の説明

１ 車体
２ 台車
４ 空気源
５ 給気弁
６ 排気弁
８，２５ 高さ調整弁
９ａ，９ｂ 配管
１０ 高さセンサ
１１ 連通管
１２ 差圧弁
１３ アンチローリング装置
１３ａ トーションバー
１３ｂ ロッド
１４ アクチュエータ
１５ 傾斜はり
１６ 空気ばね

Claims (3)

1. 台車の幅方向左右に設けられた空気ばねの互いの中心を結ぶ直線と平行に、かつ、車体、台車、傾斜はりの何れかに回転自在に取り付けられたトーションバーと、一方端部が回転自在に前記トーションバーの端部に取り付けられ、他方端部が前記車体、台車、傾斜はりの何れかと相対する車体、台車、傾斜はりの何れかと回転自在に取り付けられるロッドを有するアンチローリング装置を備えた鉄道車両における車体の傾斜制御方法において、
   前記アンチローリング装置に、前記両ロッドの他方端部の高さ位置を変化可能なアクチュエータを設け、
   曲線走行時には、
   前記空気ばねへの給排気による車体傾斜に加えて、前記アクチュエータの駆動により両ロッドの他方端部の高さ位置を変化させることによる車体傾斜を合せて行うことを特徴とする車体傾斜制御方法。
2. 車体を支持するように台車上の幅方向左右側に対をなして設けられた空気ばね及びこれら空気ばねへの給排気手段と、
   前記対をなす空気ばねの互いの中心を結ぶ直線と平行に、かつ、車体、台車、傾斜はりの何れかに回転自在に取り付けられたトーションバーと、一方端部が回転自在に前記トーションバーの端部に取り付けられ、他方端部が前記車体、台車、傾斜はりの何れかと相対する車体、台車、傾斜はりの何れかと回転自在に取り付けられるロッドを有するアンチローリング装置と、
   前記アンチローリング装置に設けられ、前記両ロッドの他方端部の高さ位置を変化可能なアクチュエータを有することを特徴とする車体傾斜制御装置。
3. 車体の中央に、さらに１個の空気ばねを配置したことを特徴とする請求項２に記載の車体傾斜制御装置。

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