JP2008296755A - 車体の姿勢制御方法及び鉄道車両 - Google Patents

Abstract

【課題】空気ばねへの給排気による車体の姿勢制御に際し、少ない電磁弁数として装置の重量軽減及びコンパクト化を図る。
【解決手段】台車２の左右に設けられた空気ばね３ａ，３ｂへの給排気により、曲線通過時、車体１の姿勢制御を行う車体姿勢制御装置を備えた鉄道車両である。空気ばね３ａ，３ｂと空気源４の間を、途中に、高さセンサ６ａ，６ｂの検出値に基づいて空気ばね３ａ，３ｂへの給排気を行う給気弁７ａ，７ｂと排気弁８ａ，８ｂを設置した一方の配管５ａと、途中に、空気ばね３ａ，３ｂの高さを調整する高さ調整弁９ａ，９ｂのみを設置した他方の配管５ｂの２系列の配管で接続する。曲線通過時は、車体１を台車２に対して水平に保つように制御する。
【効果】切換電磁弁を設置しないので、電磁弁数の削減による重量軽減とコンパクト化が図れる。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に曲線通過時における電磁弁の作動回数を低減可能な車体の姿勢制御方法、及びこの車体の姿勢制御を、従来よりも少ない電磁弁で行うことができる鉄道車両に関するものである。

曲線通過時、鉄道車両の車体は超過遠心力によって外軌側に傾き、乗心地が悪くなる場合がある。特に曲線通過時の速度が速い場合は、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、車体を内軌側に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。

このような車体傾斜制御では、車体を支持する左右の空気ばねへの給排気により車体傾斜するもの、車体と台車間にころ軸受などの特別な機構を設けて車体傾斜するもの、アンチローリング装置を利用して車体傾斜するもの等、様々な方法が提案されている。

このうち、空気ばねに給排気して車体傾斜を行なうものとしては、例えば図２のような、車体１と台車２の間に配置した左右の空気ばね３ａ，３ｂと空気源４の間を２系列の配管５ａ，５ｂで接続した構成が採られている。

そして、このうちの一方の配管５ａの途中には、高さセンサ６ａ，６ｂの検出値に基づいて空気ばね３ａ，３ｂへの給排気を行う給気弁７ａ，７ｂと排気弁８ａ，８ｂを設置している。

また、他方の配管５ｂの途中には、空気ばね３ａ，３ｂの高さを調整する高さ調整弁９ａ，９ｂをそれぞれ設置すると共に、この高さ調整弁９ａ，９ｂと空気ばね３ａ，３ｂの間に切換電磁弁１０ａ，１０ｂを設置している。なお、両空気ばね３ａ，３ｂは連通管１１で連通され、この連通管１１の途中には差圧弁１２が設置されている。

このような姿勢制御装置では、図２（ｂ）に示す車体１の傾斜制御中は、空気ばね３ａ，３ｂの高さを零に保つ高さ調整弁９ａ，９ｂは、傾斜制御を妨げる働きをするため、これを無効にするための切換電磁弁１０ａ，１０ｂを動作させることが一般的である。

例えば特許文献１では、高さ調整弁９ａ，９ｂを無効にする切換電磁弁１０ａ，１０ｂを、ノーマルオープンタイプの電磁弁で構成する技術が開示されている。
特許第２８２２８３９号公報

しかしながら、特許文献１で開示された構成の場合、万が一、切換電磁弁が故障すると、高さ調整弁による空気ばねの高さ調整が行えなくなって、安全性が損なわれる可能性がある。従って、実際の構成では、これを多重化するなどして、故障する確率を減らしているので、電磁弁の数が増加して重量増加の原因となっていた。

本発明が解決しようとする問題点は、空気ばねへの給排気による従来の車体の姿勢制御において、故障する確率を減らして安全性を確保するには、電磁弁の数が増加して重量が増加すると言う点である。

本発明は、曲線通過時、空気ばねへの給排気による車体の姿勢制御に際し、少ない電磁弁数として装置の重量減及びコンパクト化を図りつつ、故障の発生率も少なくすることを可能にするために、以下の構成を採用している。

すなわち、本発明の車体の姿勢制御方法は、
台車の左右に設けられた空気ばねと空気源の間を、
途中に、高さセンサの検出値に基づいて前記空気ばねへの給排気を行う給気弁と排気弁を設置した一方の配管と、
途中に、前記空気ばねの高さを調整する高さ調整弁を設置すると共に、この高さ調整弁と前記空気ばねの間に切換電磁弁を設置した他方の配管の２系列の配管で接続し、
前記空気ばねへの給排気により、曲線通過時に、車体の姿勢制御を行う方法であって、
曲線の通過速度が、予め決定した乗り心地基準値となる速度以下の場合は、前記切換電磁弁を作動させず、高さ調整弁の動作により車体を台車に対して水平となるように制御することを主要な特徴としている。

本発明の車体の姿勢制御方法では、曲線の通過速度が、予め決定した乗り心地基準値となる速度以下の場合は、切換電磁弁を作動させないので、切換電磁弁の動作回数が減少し、故障する確率が低下する。

前記本発明の車体の姿勢制御方法において、
高さ調整弁の作動に加え、給気弁、又は給気弁及び排気弁も作動させて、車体を台車に対して水平となるように制御すれば、給気弁や排気弁の不感帯となる範囲の制御が行え、よりきめ細かな制御が可能になる。

また、台車の左右に設けられた空気ばねへの給排気により、曲線通過時、車体の姿勢制御を行う車体姿勢制御装置を備えた鉄道車両であって、
前記空気ばねと空気源の間を、
途中に、高さセンサの検出値に基づいて前記空気ばねへの給排気を行う給気弁と排気弁を設置した一方の配管と、
途中に、前記空気ばねの高さを調整する高さ調整弁のみを設置した他方の配管の２系列の配管で接続し、
曲線通過時は、車体を台車に対して水平に保つように制御するようにした本発明の鉄道車両の場合には、切換電磁弁を設置する必要がなくなるので、重量が軽減し、コンパクト化が図れる。

本発明では、曲線通過時に切換電磁弁を作動させない、或いは切換電磁弁を設置しないので、故障が発生する確率が低下し、或いは電磁弁数の削減による重量軽減とコンパクト化が図れる。

以下、本発明の新しい着想から課題解決に至るまでの過程と共に、本発明を実施するための形態について説明する。

鉄道車両が曲線を通過する際には、車体は遠心力により外軌側に傾く。この際、通常の傾斜制御では、先に説明したように、空気ばねへの給排気により、車体を内軌側に傾けることで遠心力を低減している。

しかしながら、走行速度によっては、車体を内軌側に傾けなくても、外軌側に傾く分を補正し、車体を台車に対して水平に保つだけでも十分な効果が得られる。このような制御を行う場合、高さ調整弁は機能していても良い。

本発明はこのような新しい着想に基づいてなされたものである。
例えば、ある新幹線の路線では曲線半径とカント量は下記表１のように規定されている。

仮に車体が常にレール面に水平であった場合、乗客に作用する遠心加速度α（m／s²）は下記(1)式で計算できる。
α＝（ｖ²／Ｒ）−（Ｃ／Ｇ）・ｇ…(1)
(1)式において、ｖは走行速度（m／s）、Ｒは曲線半径（m）、Ｃはカント（m）、Ｇは軌間（mm）、ｇは重力加速度（m／s²）である。

この(1)式から前記遠心加速度αが規定された乗り心地基準（例えば０．８m／s²）となる走行速度を計算すると、前記表１の右欄に示すように、現行の走行速度よりもかなり速い速度になる。つまり、実際には車体を台車に対して水平に保つだけでもかなりの速度向上が期待できることが分かる。

但し、実際には、遠心力で台車が外軌側に傾くため、この遠心力による台車の傾きを考慮した遠心加速度α’（m／s²）を計算しなければならないが、これは、簡易的に下記(2)式で計算できる。
α’＝｛１＋（ｍｇｈ／４ｂｋ）｝・α…(2)
(2)式において、ｍは車体重量（kg）、ｈは車体重心〜台車重心間の距離（m）、ｂは軸ばね（車軸と台車を結ぶばね要素）の枕木方向の取付け間距離（m）、ｋは軸ばねの上下剛性（N／m）である。

よって、始めに乗り心地基準として、曲線通過時に許容する遠心加速度α０を決定し、台車の傾きを考慮した遠心加速度α’が、前記決定した許容遠心加速度α０となるように、(2)式から遠心加速度αを決定する。

このようにして遠心加速度αが決定されると、車体を台車に対して水平にした場合に遠心加速度αを基準値以下とできる曲線通過速度は、前記(1)式から求めることができる。そして、この速度で曲線を通過するのであれば、車体は水平に保つだけでよいため、切換電磁弁は必要でなくなる。

図１は本発明の鉄道車両を説明する図であり、図１中、図２と同一符号は同一部品を示し、詳細な説明を省略する。

すなわち、図１に示す本発明の鉄道車両は、図２に示した従来の鉄道車両に搭載された車体の姿勢制御装置のうち、高さ調整弁９ａ，９ｂと空気ばね３ａ，３ｂの間に設置された切換電磁弁１０ａ，１０ｂをなくした構成である。

このような構成の図１に示した本発明の鉄道車両では、直線走行時と曲線通過時の姿勢制御は、以下のように行う。

先ず、直線走行時は、水平状態を維持すべく、他方の配管５ｂを通り、高さ調整弁９ａ，９ｂを介して空気ばね３ａ，３ｂに給排気を行って、車体１の高さを制御する。この直線走行時の姿勢制御は、従来と同じである。

一方、車両の曲線通過を認識した場合は、曲線の進入開始時に、車体１が台車２に対して水平状態を維持するように制御する。すなわち、曲線通過時、車体１は外軌側に傾くので、他方の配管５ｂから高さ調整弁９ａ，９ｂを介して空気ばね３ａ，３ｂに給排気することで、水平制御すれば良い。

また、前記高さ調整弁９ａ，９ｂを介した給排気に加えて、例えば一方の配管５ａを通り、外軌側の給気弁７ａ又は７ｂから外軌側の空気ばね３ａ又は３ｂへの給気を行っても良い。このような姿勢制御では、給気弁７ａ，７ｂの不感帯となる範囲を高さ調整弁９ａ，９ｂで制御できるので、よりきめの細かい姿勢制御が行えるようになる。

これが本発明の鉄道車両の場合の車体の姿勢制御である。
この本発明の鉄道車両では、切換電磁弁を設置する必要がなくなるので、その分、重量が軽減でき、またコンパクト化が図れる。

また、図２で説明した従来の姿勢制御装置を搭載した鉄道車両では、車両の曲線通過を認識した場合は、曲線の進入開始時に、車体１が台車２に対して水平状態を維持すべく以下のように制御すれば良い。

すなわち、曲線通過時には、従来の傾斜制御と異なり、切換電磁弁１０ａ，１０ｂを閉じないで、高さ制御弁９ａ，９ｂを介した空気ばね３ａ，３ｂへの給排気によって、車体１が台車２に対して水平となるように姿勢制御するのである。

これが本発明の車体の姿勢制御方法である。
この本発明の車体の姿勢制御方法では、曲線通過時に切換電磁弁１０ａ，１０ｂを作動させないので、切換電磁弁１０ａ，１０ｂの動作回数が減少し、故障が発生する確率が低下する。

この本発明の車体の姿勢制御方法においても、高さ調整弁９ａ，９ｂを介した給排気に加えて、例えば一方の配管５ａを通り、給気弁７ａ，７ｂ及び排気弁８ａ，８ｂを介して空気ばね３ａ，３ｂに給排気しても良い。

また、車両の曲線通過速度が、前記(1)(2)式から得られる、車体１を台車２に対して水平にした場合に遠心加速度αを基準値以下とできる曲線通過速度よりも速いか遅いかを判断し、遅い場合には本発明の姿勢制御を行い、速い場合は従来の傾斜制御を行うようにしても良い。

なお、本発明は、曲線検知装置（図示省略）からの信号に基づき、高さ調整弁９ａ，９ｂなどの各弁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。

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。

本発明の鉄道車両を説明する図で、（ａ）は直線走行時、（ｂ）は曲線通過時の説明図である。 従来の傾斜制御装置を搭載した鉄道車両を説明する図で、（ａ）は直線走行時、（ｂ）は曲線通過時の説明図である。

符号の説明

１ 車体
２ 台車
３ａ，３ｂ 空気ばね
４ 空気源
５ａ，５ｂ 配管
６ａ，６ｂ 高さセンサ
７ａ，７ｂ 給気弁
８ａ，８ｂ 排気弁
９ａ．９ｂ 高さ調整弁
１０ａ，１０ｂ 切換電磁弁

Claims (3)

1. 台車の左右に設けられた空気ばねと空気源の間を、
   途中に、高さセンサの検出値に基づいて前記空気ばねへの給排気を行う給気弁と排気弁を設置した一方の配管と、
   途中に、前記空気ばねの高さを調整する高さ調整弁を設置すると共に、この高さ調整弁と前記空気ばねの間に切換電磁弁を設置した他方の配管の２系列の配管で接続し、
   前記空気ばねへの給排気により、曲線通過時に、車体の姿勢制御を行う方法であって、
   曲線の通過速度が、予め決定した乗り心地基準値となる速度以下の場合は、前記切換電磁弁を作動させず、高さ調整弁の動作により車体を台車に対して水平となるように制御することを特徴とする車体の姿勢制御方法。
2. 請求項１に記載の車体の姿勢制御方法において、
   高さ調整弁の動作に加え、給気弁、又は給気弁及び排気弁も動作させて、車体を台車に対して水平となるように制御することを特徴とする車体の姿勢制御方法。
3. 台車の左右に設けられた空気ばねへの給排気により、曲線通過時、車体の姿勢制御を行う車体姿勢制御装置を備えた鉄道車両であって、
   前記空気ばねと空気源の間を、
   途中に、高さセンサの検出値に基づいて前記空気ばねへの給排気を行う給気弁と排気弁を設置した一方の配管と、
   途中に、前記空気ばねの高さを調整する高さ調整弁のみを設置した他方の配管の２系列の配管で接続し、
   曲線通過時は、車体を台車に対して水平に保つように制御するようにしたことを特徴とする鉄道車両。

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