JP2010137795A - 鉄道車両の制振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】制振用ダンパの制御の切り換えに伴って生じる衝撃を無くすことで、乗心地悪化を防止するようにした鉄道車両の制振装置を提供すること。
【解決手段】検知手段７，２９からの検知信号に基づいて、制御コントローラ６が車体２と台車３との間に設けられた制振用ダンパ５を制御するものであって、その制御コントローラ６は、制振用ダンパ５に対し、アンロード弁２５を開けるアンロード指令と、アンロード弁２５を閉じて圧力調整弁２３を制振用ダンパ５の減衰力が大きくなるように作動させる大減衰力オンロード指令と、アンロード弁を閉じて圧力調整弁２３を制振用ダンパ５の減衰力が小さくなるように作動させる小減衰力オンロード指令を選択制御する鉄道車両１の制振装置１０。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鉄道車両の車体に生じる振動をセミアクティブダンパで制振する制振装置に関し、特に、セミアクティブダンパの制御の切り換えに伴って生じる衝撃を回避して乗心地の悪化を防止した鉄道車両の制振装置に関する。

鉄道車両では、一般に台車と車体の間には空気バネが設けられ、台車からの振動を緩和して乗心地を良くしている。しかし、空気バネは横方向振動を減衰させることができないので、振動が持続したり、外乱に対して共振する問題がある。そこで、鉄道車両には、空気バネの横方向振動を減衰させるため、台車と車体との間に制振用ダンパを備えた制振装置が設けられている。制振用ダンパには種々のものが使用されているが、横方向振動の程度によって減衰力を変動可能にしたいわゆるセミアクティブダンパがあり、例えば特許第３５０５５８１号公報に開示されている。

セミアクティブ制御は、車体と台車との相対移動方向（ダンパ伸縮方向）及び車体の移動方向（移動速度の符号）を基に、セミアクティブダンパの減衰係数（オンロード／アンロード）を切り換えて車体を制振する制御方式である。そのセミアクティブダンパは、オンロード時には比例リリーフ弁による減衰力可変制御が行われ、アンロード時にはアンロード弁を開いて減衰力が小さくなるように構成されている。
特許第３５０５５８１号公報

ところで、車体の移動速度とセミアクティブダンパの伸縮速度には位相差がある。そのため、基本的には、左右に振れる車体の移動方向が切り換わる時にセミアクティブダンパは伸縮の最中であり、逆にセミアクティブダンパの伸縮が切り換わる時に車体が一方へ移動中である。従って、セミアクティブダンパが瞬時にアンロードからオンロードに切り換えられると、アンロード弁を流れる作動油の瞬断による油撃や、減衰力の不連続によって発生する衝撃加速度のため、鉄道車両の乗心地が悪化する場合がある。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、制振用ダンパの制御の切り換えに伴って生じる衝撃を無くすことで、乗心地悪化を防止するようにした鉄道車両の制振装置を提供することを目的とする。

本発明に係る鉄道車両の制振装置は、車体に生じる振動を抑えるために当該車体と台車との間に設けられた制振用ダンパと、その制振用ダンパに構成された圧力調整弁やアンロード弁を含む流体回路の流体機器を制御するための制御コントローラとを有し、検知手段からの検知信号に基づいて前記制御コントローラが前記制振用ダンパを制御するものであって、前記制御コントローラは、前記制振用ダンパに対し、前記アンロード弁を開けるアンロード指令と、前記アンロード弁を閉じて前記圧力調整弁を前記制振用ダンパの減衰力が大きくなるように作動させる大減衰力オンロード指令と、前記アンロード弁を閉じて前記圧力調整弁を前記制振用ダンパの減衰力が小さくなるように作動させる小減衰力オンロード指令とを選択制御するものであることを特徴とする。

また、本発明に係る鉄道車両の制振装置は、前記制御コントローラが、前記車体の移動方向が変化する場合には、変化の前後で、前記大減衰力オンロード指令から前記アンロード指令に切り換える選択制御を行い、又は前記小減衰力オンロード指令から前記大減衰力オンロード指令に切り換える選択制御を行うものであることが好ましい。
また、本発明に係る鉄道車両の制振装置は、前記制御コントローラが、前記制振用ダンパの伸縮方向が変化する場合であって、前記制振用ダンパの減衰力を下げる場合には、変化の前後で、前記大減衰力オンロード指令から前記小減衰力オンロード指令に切り換える選択制御を行うものであることが好ましい。
また、本発明に係る鉄道車両の制振装置は、前記圧力調整弁が比例リリーフ弁であって、前記大減衰力オンロード指令による可変の圧力調整によって減衰力を高圧側で変化させ、前記小減衰力オンロード指令による固定の圧力調整によって減衰力を小さく設定するものであることが好ましい。

本発明によれば、制御コントローラが、制振用ダンパに対し、従来のアンロード指令および大減衰力オンロード指令に加え小減衰力オンロード指令を選択制御するようにしたことで、例えば車体の移動方向が変化する場合に、その変化の前後で、小減衰力オンロード指令から大減衰力オンロード指令に切り換える選択制御を行うことにより、急激に作動油の流れの抵抗が大きくなるようなことはなく、作動油の瞬断による油撃や減衰力の不連続によって発生する衝撃加速度を防止し、鉄道車両の乗心地を良くすることができる。

次に、本発明に係る鉄道車両の制振装置について、その一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、鉄道車両に設けられた制振装置を概念的に示した図であり、車体長手方向に見た図である。
鉄道車両１は、前後２台の台車３に空気バネ４を介して車体２が載せられており、そうした車体２と台車３との間に、車体２の横揺れを防止するための制振装置１０のセミアクティブダンパ５が設けられている。セミアクティブダンパ５は、車体２の横方向に生じる振動の程度によって減衰力を変化させて制振度合いの調節を可能にしたものであり、車体２と台車３との間で連結されている。

セミアクティブダンパ５は、作動流体を制御する比例リリーフ弁やアンロード弁等を備えた流体回路が構成されており、制振装置１０は、この流体回路の比例リリーフ弁やアンロード弁等の作動を制御する制振コントローラ６を有している。また、鉄道車両１には、車体２の左右横方向の振動を検出する加速度センサ７が設けられ、それに制振コントローラ６が接続されている。

次に、図２は、セミアクティブダンパ５を構成する油圧回路を示した図である。セミアクティブダンパ５は、シリンダチューブ１１内のピストン１５を挟んでヘッド側室１３とロッド側室１４が設けられ、そのピストン１５には両室を連通する流路が形成され、ヘッド側室１３からロッド側室１４へのみ流れが生じるようにチェック弁１６が設けられている。また、ヘッド側室１３の断面積はピストンロッド１２の断面積の２倍に設定され、ピストンロッド１２が伸びたり縮んだりする何れの方向のストロークに対しても、セミアクティブダンパ５から排出される作動油の量が同じになるように構成されている。

ヘッド側室１３は流路１７によって油タンク１８に接続され、この流路１７にはヘッド側室１３から油タンク１８への流れを止めるチェック弁１９が設けられている。そのチェック弁１９には、チェック弁１９の作動を検知することによってピストンロッド１２の伸縮を検出する伸縮検知センサ２９が設けられている。一方、ロッド側室１４には流路２１が接続され、その流路２１は、フィルタ２２を介して比例リリーフ弁２３が設けられた流路２４と、アンロード弁２５が設けられた流路２６とに分岐し、それぞれの流路２４，２６が油タンク１８へ連結されている。流路２４には、比例リリーフ弁２３の二次側にオリフィス２７と低圧リリーフ弁２８が並列に接続されている。

ところで、制振装置１０で行われるセミアクティブ制御は、加速度センサ７や伸縮検知センサ２９からの信号を受けた制御コントローラ６によって、比例リリーフ弁２３やアンロード弁２５の作動が制御され、セミアクティブダンパ５の減衰力を変えた制振制御が行われる。制振コントローラ６は、車体２と台車３との相対移動方向（ダンパ伸縮方向）及び車体２の移動方向（移動速度の符号）に基づいて、アンロードとオンロードを切り換えることによって車体２の制振が実行される。制御対象となる鉄道車両１の振動には、車体２を揺らす加振原因として主に、車体２を直接揺らす空力加振と台車３を先に揺らす軌道加振とがある。

空力加振は、例えばトンネル内に進入したり対向車両とすれちがう場合に生じるものであり、風圧によって車体２に横方向の外力が作用する。図３は、そうした場合を示しており、車体２が左方（或いは右方）に振れ、それを止めようとするセミアクティブダンパ５を介して台車３に反力が作用する。一方、軌道加振は、例えば鉄道車両１がレールの狂いが生じている箇所を走行したり、レール分岐点での軌道の切り換え時に生じる。図４に矢印で示すように、先に揺れた台車３が車体２よりも速い速度で左方（或いは右方）に移動し、それに引かれる車体２が同方向に振れる。

セミアクティブダンパ５は、車体２の横揺れに伴う振動加速度を検出する加速度センサ７や、ピストンロッド１２の伸縮状態を検出する伸縮検知センサ２９からの検出信号を基に、制御コントローラ６の選択によって制振制御が行われる。すなわち、制御コントローラ６では、各検出信号に基づいて減衰力を発生させるか否か、つまりアンロードかオンロードかの選択が行われ、その選択に従って比例リリーフ弁２３やアンロード弁２５の作動制御が行われる。

制御コントローラ６からオンロードの選択制御が行われた場合は、アンロード弁２５が閉じられ、比例リリーフ弁２３を介して流路２１から流路２４へ作動油が流れる。すなわち、ロッド側室１４から流路２１へ流れた作動油は、フィルタ２２から比例リリーフ弁２３を通り、流路２４のオリフィス２７と低圧リリーフ弁２８を介して油タンク１８へと還流する。従って、セミアクティブダンパ５は、比例リリーフ弁２３またはオリフィス２７もしくは低圧リリーフ弁２８を流れる作動油の抵抗によって減衰力が発生する。このとき、オリフィス２７の両端の差圧が低圧リリーフ弁２８のリリーフ圧より高い場合には、低圧リリーフ弁２８が作動する。

一方、制御コントローラ６からからアンロードの選択制御が行われた場合には、アンロード弁２５が開いて流路２１と流路２６とが連通する。それにより、流路２１を流れた作動油は、フィルタ２２からアンロード弁２５を通って流路２６へ流れ、油タンク１８へと還流し、セミアクティブダンパ５による車体２と台車３との関係が絶縁状態になる。制振装置１０では、こうして制御コントローラ６によるセミアクティブダンパ５のオンロードとアンロードとの切り換え制御が行われる。

ところで、単純にアンロードからオンロードへと切り換え制御を行ったのでは、前述したように、車体２の移動速度とセミアクティブダンパ５伸縮速度の位相差によって、油撃などによる乗心地悪化を引き起こすことになる。そこで、本実施形態では、車体２の移動方向が変化する際、アンロードからオンロードへの切り換えを禁止したり、セミアクティブダンパ５の伸縮方向が変化する時には、オンロードからアンロードへの切り換えはせず、オンロードを可変減衰力制御からから減衰力を小さく固定した小減衰力制御を実行するように構成されている。

ここで、図５（ａ）〜（ｅ）は、軌道加振時の制御コントローラ６によるセミアクティブダンパ５の制振制御を概念的に示した図であり、それぞれの矢印によって車体２と台車３との相対的な移動速度と方向を示し、更にセミアクティブダンパ５にかかる車体２や台車３からの力の大きさと方向を示している。

軌道狂いなどによって台車３に振動が生じた軌道加振時は、台車３から車体２へ振動が伝達され、台車３の動きが車体２より先行する。このときセミアクティブダンパ５は、台車３の振動が伝わらないようにアンロード状態になっている（ａ）。そして、セミアクティブダンパ５の伸縮方向が変わると、車体２と台車３が引っ張り合う状態になり、車体２の振れを止めるためセミアクティブダンパ５がオンロードに切り換えられる（ｂ）。

その後、振動する車体２の移動方向が右から左に変わり、台車３に引っ張られる状態になってセミアクティブダンパ５がアンロードに切り換えられる（ｃ）。更に、台車３の振動方向が変わってセミアクティブダンパ５の伸縮方向が伸びから縮みに変わると、車体２と台車３とが押し合う状態になってセミアクティブダンパ５がオンロードに切り換えられる（ｄ）。そして、車体２の移動方向が左から右に変わり台車３に押される状態になると、セミアクティブダンパ５がアンロードに切り変えられる（ｅ）。その後、再びセミアクティブダンパ５の伸縮が縮みから伸びに変わると、そのセミアクティブダンパ５がオンロードに切り換えられる（ｂ）。

こうして、軌道加振により車体２が台車３から振動を受けた後は、車体２の移動方向やセミアクティブダンパ５の伸縮の変化によって、そのセミアクティブダンパ５のオンロード及びアンロードの制振制御が実行され、（ｂ）〜（ｅ）が繰り返される。
ここで、図７は、制御コントローラ６がセミアクティブダンパ５に対して実行する前記制御の制御指令選択方法を表にしたものであり、表（Ａ）は車体２の移動方向が切り換わる時の制御指令選択を示し、表（Ｂ）はセミアクティブダンパ５の伸縮が切り換わる時の制御指令選択を示したものである。

前述した軌道加振に対する制振制御では、車体２の移動方向が変化する図５(ｃ)，(ｅ)の場合に、セミアクティブダンパ５は、オンロードからアンロードに切り換えられることになる。この制御選択は表（Ａ）に従って行われる。すなわち、振動する車体２の移動方向が左右に変化する場合であって、その車体移動方向とセミアクティブダンパ５の伸縮方向との組合せによってアンロードが選択される。一方、セミアクティブダンパ５のアンロードからオンロードへの切り換え制御は、図５（ｂ），（ｄ）のタイミングで行われるが、この場合は表（Ｂ）に従った選択制御が行われる。

すなわち、車体２の移動方向は変化せず、セミアクティブダンパ５の伸縮方向が変化することを検出し、それによって車体２の移動方向とともに選択された通常のオンロード（これを「減衰力可変オンロード」という）の制御が行われる。こうしたアンロードから減衰力可変オンロードに切り換えられる（ｂ），（ｄ）では、車体２の移動方向の変化は無く、また、セミアクティブダンパ５自身の伸縮が縮み方向から伸び方向へ変化する時であり、伸縮速度がゼロであるため、減衰力の不連続は発生しない。

続いて、図６（ａ）〜（ｅ）は、空力加振時の制御コントローラ６によるセミアクティブダンパ５の制振制御を概念的に示した図である。
空力加振では、鉄道車両１がトンネルへ進入する場合など、空気圧力によって車体２が直接加振され、車体２の動きが台車３より先行する。そこで、車体２が左に振られると、それを加速度センサ７の信号に基づいて制御コントローラ６が算出し、セミアクティブダンパ５に対する制振制御では減衰力可変オンロードが選択される（ａ）。そのため、車体２の振動がセミアクティブダンパ５を介して台車３に伝達され、その台車３が同方向に押される。

次に、車体２が振れてその移動方向が右に変わると、台車３との間で引っ張り合いになるが、そうした伸びのセミアクティブダンパ５に対しては減衰力可変オンロードが選択される（ｂ）。そして、車体２が右方向に振れたままであって、台車３がそれに続くように振れが右に変化した場合には、セミアクティブダンパ５の伸縮方向が縮みに切り換えられる（ｃ）。このとき車体２が台車３に押されて振れが大きくならないようにセミアクティブダンパ５の減衰力を小さくすることが必要になる。

従来は、こうした場合に、図２に示すアンロード弁２５を開いて流路２６へ作動油を流すアンロード制御を行い、オンロードから直接アンロードへの切り換えが行われていた。しかし、本実施形態では、アンロード弁２５を開けることなく閉弁させたまま、比例リリーフ弁２３の減衰力を小さく設定したオンロード（これを「小減衰力オンロード」という）を行うようにした。すなわち、アンロード弁２５を閉じたまま比例リリーフ弁２３に対する減衰係数を小さい値に固定し、弁の開口を大きくして作動油を流路２４へ流すことにより、減衰力を小さくしたオンロード制御を行うようにした。

続いて、車体２の移動方向が左に切り換わって台車３の方向と逆向きになり、収縮状態のセミアクティブダンパ５の制御は、比例リリーフ弁２３の減衰力を大きい値に変化させた減衰力可変オンロードに切り換えられる（ｄ）。そして、車体２の移動方向がそのままで台車３の振れが左方向に変化し、セミアクティブダンパ５の伸縮が伸びに変化した場合には、小減衰力オンロード制御が行われる（ｅ）。その後、再び車体２の移動方向が変化すると、セミアクティブダンパ５が減衰力可変オンロードに切り換えられる（ｂ）。

こうした空力加振に対する車体２の制振制御も、図７に示す制御選択に従ってセミアクティブダンパ５のオンロード及びアンロード制御が実行され、（ｂ）〜（ｅ）が繰り返される。
すなわち、空力加振では、車体２の移動方向が変化する図６(ｂ)，(ｄ)の場合に、セミアクティブダンパ５が小減衰力オンロードから減衰力可変オンロードに切り換えられる。この場合は、図７に示す表（Ａ）に従って車体２の移動方向が左右に変化し、その移動方向とセミアクティブダンパ５の伸縮方向との組合せによって減衰力可変オンロードが選択される。

一方、セミアクティブダンパ５の小減衰力オンロードへの切り換え制御は、図６（ｃ），（ｅ）のタイミングで行われるが、この場合は表（Ｂ）に従った選択制御が行われる。すなわち、セミアクティブダンパ５の伸縮方向の変化と、車体２の移動方向の組合せによって小減衰力オンロード制御が行われる。従って、図６の（ｂ）や（ｄ）の車体２の移動方向が変化するタイミングで減衰力が大きくなる場合であっても、その前の（ｅ）や（ｃ）の段階で小減衰力が働いているため、減衰力の不連続は発生しない。

よって、本実施形態に係る鉄道車両１の制振装置１０によれば、制御コントローラ６からセミアクティブダンパ５に対する制御指令を上記の通り選択することにより、アンロード弁２５を流れる油の瞬断による油撃がなくなる。
また、小減衰力オンロードから減衰力可変オンロードへ切り換わる時の減衰力変化を滑らかに行うことにより、減衰力の不連続がなくなるので、比例リリーフ弁２３に対する減衰係数切換え時の衝撃加速度による乗心地悪化を防止することができる。

なお、前記実施形態では、空力加振時に、従来アンロード指令が行われていた選択を小減衰力オンロードとしているが、こうした制御であってもセミアクティブダンパ５による車体２の制振効果は損なわれない。すなわち、車体２は既に振動エネルギーを持っているため、セミアクティブダンパ５の発熱等でエネルギーを消費する必要があるからである。また、アンロードの目的は、台車３からの振動を車体２に伝達しない様にするためであるが、空力加振は低周波振動であるため、車体２と台車３との間の相対変位が空気バネ４による復元力によって大きくなることから、アンロードにしても台車３からの振動を車体２に伝達しない様にすることが難しいからである。更に、低周波の軌道加振では、台車３からの振動を完全に絶縁できず、車体２が振動し始めて以後は、空力加振時と同様の制振制御動作となるが、この場合も上記理由から制振効果は損なわれない。

以上、本発明に係る鉄道車両の制振装置につて実施形態を説明したが、本発明は、これに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態のセミアクティブダンパ５は、比例リリーフ弁２３を使用した油圧回路によって大減衰力（減衰力可変）オンロードと小減衰力オンロードの状態をつくり出していたが、複数の開閉弁とオリフィスを並列に接続するなど、別の流路回路によって構成されたセミアクティブダンパであってもよい。

鉄道車両に設けられた制振装置を概念的に示した図であり、車体長手方向に見た図である。 セミアクティブダンパを構成する油圧回路を示した図である。 車体に生じる空力加振時の振動をイメージした図である。 車体に生じる軌道加振時の振動をイメージした図である。 軌道加振時の制御コントローラによるセミアクティブダンパの制振制御を概念的に示した図である。 空力加振時の制御コントローラによるセミアクティブダンパの制振制御を概念的に示した図である。 制御コントローラがセミアクティブダンパに対して実行する制振制御の制御指令選択方法を表にしたものである。

符号の説明

１ 鉄道車両
２ 車体
３ 台車
５ セミアクティブダンパ
６ 制御コントローラ
７ 加速度センサ
１０ 制振装置
１１ シリンダチューブ
１２ ピストンロッド
１５ ピストン
２３ 比例リリーフ弁
２５ アンロード弁
２９ 伸縮検知センサ

Claims (4)

1. 車体に生じる振動を抑えるために当該車体と台車との間に設けられた制振用ダンパと、その制振用ダンパに構成された圧力調整弁やアンロード弁を含む流体回路の流体機器を制御するための制御コントローラとを有し、検知手段からの検知信号に基づいて前記制御コントローラが前記制振用ダンパを制御する鉄道車両の制振装置において、
   前記制御コントローラは、前記制振用ダンパに対し、前記アンロード弁を開けるアンロード指令と、前記アンロード弁を閉じて前記圧力調整弁を前記制振用ダンパの減衰力が大きくなるように作動させる大減衰力オンロード指令と、前記アンロード弁を閉じて前記圧力調整弁を前記制振用ダンパの減衰力が小さくなるように作動させる小減衰力オンロード指令とを選択制御するものであることを特徴とする鉄道車両の制振装置。
2. 請求項１に記載する鉄道車両の制振装置において、
   前記制御コントローラは、前記車体の移動方向が変化する場合には、変化の前後で、前記大減衰力オンロード指令から前記アンロード指令に切り換える選択制御を行い、又は前記小減衰力オンロード指令から前記大減衰力オンロード指令に切り換える選択制御を行うものであることを特徴とする鉄道車両の制振装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載する鉄道車両の制振装置において、
   前記制御コントローラは、前記制振用ダンパの伸縮方向が変化する場合であって、前記制振用ダンパの減衰力を下げる場合には、変化の前後で、前記大減衰力オンロード指令から前記小減衰力オンロード指令に切り換える選択制御を行うものであることを特徴とする鉄道車両の制振装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載する鉄道車両の制振装置において、
   前記圧力調整弁は、比例リリーフ弁であって、前記大減衰力オンロード指令による可変の圧力調整によって減衰力を高圧側で変化させ、前記小減衰力オンロード指令による固定の圧力調整によって減衰力を小さく設定するものであることを特徴とする鉄道車両の制振装置。

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