JP2010253997A - 鉄道車両用振動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空気圧を使用しないこととして小型で全車両に搭載可能で、しかも低発熱で耐久性に優れた鉄道車両用振動制御装置を得る。
【解決手段】アクチュエータにより車体１の振動を抑制する鉄道車両用振動制御装置である。前記アクチュエータは、内蔵した回転式モータ３ａの回転運動をローラねじ３ｂにより直線運動に変換する形式の電動アクチュエータ３である。
【効果】内蔵した回転式モータの回転運動をローラねじにより直線運動に変換する形式の電動アクチュエータによって車体の振動を抑制するので、応答が高速でかつ高精度に行え、しかも、小型でかつ耐久性の高い鉄道車両用振動制御装置を得ることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、鉄道車両用振動制御装置に係り、特にローラねじを用いた電動アクチュエータを使用することにより、耐久性を高めた振動制御装置に関するものである。

従来、鉄道車両の車体に発生する振動を抑制する装置として、車体と台車の間にアクチュエータを設置し、車体の振動に対して逆位相の制御力を発生させる装置、あるいは車体と台車の間に設けたダンパーにて振動を吸収する装置、さらには、それらを組合わせた装置が用いられてきた。

例えば特許文献１では、複動形空気圧シリンダと減衰力の切換えが可能なオイルダンパーを併設することにより、低周波数から高周波数まで全ての周波数域における振動を低減して乗り心地を改善できる振動制御装置が提案されている。

しかしながら、特許文献１で提案された振動制御装置は、空気圧シリンダを採用しているので、全車両に搭載する場合は空気の消費量が多くなり、多数のコンプレッサを搭載する必要があるため、搭載スペースの点から採用することは難しい。

また、特許文献２では、減衰力が可変の油圧ダンパーと電磁力ダンパーを併設する車体振動抑制装置が提案されている。この特許文献２で提案された車体振動抑制装置は、前記両ダンパーにより車体の振動抑制を分担するので、油圧ダンパーの負担が減り、給排油系統を小型軽量化できる。また、車両に大きな左右振動が生じると予想される、例えば高車速域でのみ、電磁力ダンパーを動作させれば、電磁力ダンパーの発熱量を抑制することができる。

しかしながら、特許文献２で提案された車体振動抑制装置は、電磁力ダンパーを採用しているので、鉄道車両のように重い車体の振動抑制を行う場合、多大な電流が必要となって消費エネルギーが過大となる上、発熱量が増加するという問題がある。

また、特許文献３では、空気圧シリンダ又は油圧シリンダで振動抑制を行う場合は制振装置自体が大型化することに鑑み、内部に電動モータを設けたボールねじタイプのアクチュエータで振動制御を行う車両制振装置が提案されている。

特許文献３で提案された車両制振装置では、前記構成とすることで、制御動作の高速応答性と、コンパクトな構成を実現できる。しかしながら、ボールねじタイプのアクチュエータを採用しているので、鉄道車両のように重い車体の振動抑制を行うには耐久性が十分でない。

特開平４−２８７７６３号公報 特開２００３−２５２２０３号公報 特開平７−８１５６１号公報

本発明が解決しようとする問題点は、鉄道車両の車体に発生する振動を抑制する従来装置は、搭載スペースの点で全車両に搭載するのが難しかったり、消費エネルギーが過大となる上、発熱量が増加したり、耐久性が十分でないという点である。

本発明は、空気圧を使用しないこととして小型で全車両に搭載可能で、しかも低発熱で耐久性に優れた鉄道車両用振動制御装置とするために、以下の構成を採用している。

すなわち、本発明の鉄道車両用振動制御装置は、
アクチュエータにより車体の振動を抑制する鉄道車両用振動制御装置であって、
前記アクチュエータが、内蔵した回転式モータの回転運動をローラねじにより直線運動に変換する形式の電動アクチュエータであることを主要な特徴としている。

本発明では、内蔵した回転式モータの回転運動をローラねじにより直線運動に変換する形式の電動アクチュエータによって車体の振動を抑制するので、空気圧を必要とせず、小型で全車両に搭載可能で、しかも低発熱でかつ耐久性に優れている。

本発明では、内蔵したモータの回転運動をローラねじにより直線運動に変換する形式の電動アクチュエータによって車体の振動を抑制するので、応答が高速でかつ高精度に制御が行え、しかも、小型でかつ耐久性の高い鉄道車両用振動制御装置を得ることができる。

本発明の鉄道車両用振動制御装置を台車と車体の間に配置した例を示す概略図である。 （ａ）は本発明の鉄道車両用振動制御装置に使用する電動アクチュエータの概略構造を示した断面図、（ｂ）はローラねじ部の拡大図である。 振動制御特性の一例を示した図で、（ａ）は振動制御をしない場合、（ｂ）は空圧式シリンダを使用して振動制御を行った場合、（ｃ）は本発明の鉄道車両用振動制御装置で採用する電動アクチュエータを使用して振動制御を行った場合である。 アクチュエータが動作していない時の乗り心地評価を示した図で、（ａ）はＮｏ．１台車中心上床面部の左右振動加速度、（ｂ）はＮｏ．２台車中心上床面部の左右振動加速度を示した図である。

本発明では、小型で全車両に搭載可能で、しかも低発熱で耐久性に優れた鉄道車両用振動制御装置を得るという目的を、内蔵した回転式モータの回転運動をローラねじにより直線運動に変換する形式の電動アクチュエータを採用することで実現した。

以下、本発明を実施するための形態例を、図１及び図２を用いて説明する。
本発明の鉄道車両用振動制御装置は、例えば図１のように、車体１と台車２の間に設置するアクチュエータとして、図２のように、内蔵した回転式モータ３ａの回転運動をローラねじ３ｂにより直線運動に変換する形式の電動アクチュエータ３を使用している。

なお、図２中の３ａａは前記モータ３ａを構成する回転子、３ａｂは同じく固定子、３ａｃは同じくレゾルバである。また、３ｂａはローラねじ３ｂを構成するスクリュー、３ｂｂは同じくスクリューナット、３ｂｃは同じくローラである。また、３ｃは前記スクリューナット３ｂｂと一体化されたピストンロッド、３ｄは前記スクリュー３ｂａを回転自在に支持する軸受である。

このような構成の本発明の鉄道車両用振動制御装置では、モータ３ａを内蔵した電動アクチュエータ３を使用するので、装置の小型化が可能になる。また、空気圧を使用しないので、コンプレッサ等も不要である。さらに、モータ３ａの回転運動を直線運動に変換する形式であるため、電磁直動式に比べて発熱量が少なくなる。

加えて、回転運動から直線運動への変換を、点接触のボールねじではなく、線接触のローラねじ３ｂを使用して行うので、高速応答・高精度を維持したまま高い剛性が得られ、鉄道車両の振動制御に使用しても、優れた耐久性を有することになる。

本発明の鉄道車両用振動制御装置を鉄道車両に搭載し、車体１の振動制御を行うには、ローラねじ３ｂを用いた電動アクチュエータ３の無負荷における反力を７５０N以下にすることが望ましい。

ここで、本発明の鉄道車両用振動制御装置に使用する電動アクチュエータ３の無負荷における反力とは、何れにも接続せず開放した状態の電動アクチュエータ３そのものを、一方の端から加圧したときの反力をいう。この反力は、例えばロードセルにより容易に測定することができる。

本発明の鉄道車両用振動制御装置では、電動アクチュエータ３の無負荷における反力が７５０Nを超えると、応答性が低下し、鉄道車両あるいは軌道の状態によっては十分な振動抑制効果が得られない可能性があるからである。また、振動制御を停止したときに、従来の車両よりも乗り心地が悪くなる可能性があり、フェールセイフ性が損なわれるからである。

車体の振動抑制をより確実に行うには、無負荷における反力は５６０N以下にすることが望ましい。なお、無負荷における反力の下限は特に規定しないが、減衰ダンパーなどを併設する場合には、その減衰力を考慮し、適宜設定すればよい。

前記無負荷の反力は、電動アクチュエータ３のリードを適正にすることにより調整することができる。前記無負荷の反力が発生する原因としては、その他の部分（各軸受３ｄ、潤滑剤の粘性など）の摩擦要素も挙げられるが、リードによる影響が大きい。

前記摩擦要素の程度によっても異なるが、電動アクチュエータ３のリードを１５〜２５mm程度とすることで、上述の反力を得ることができる。

ここで、内蔵したモータ３ａの回転運動をローラねじ３ｂにより直線運動に変換する形式の電動アクチュエータ３のリードとは、モータ３ａが１回転したときに電動アクチュエータ３が軸方向に進む距離をいう。

前記電動アクチュエータ３の動作をスムーズにして車体１の振動制御をより確実に行えるようにすることと、日々のメンテンナンスを考慮すると、電動アクチュエータ３の少なくともローラねじ３ｂ周りをグリスではなく潤滑油４で潤滑することが望ましい。

潤滑油４をモータ３ａの内部（回転子３ａａ、固定子３ａｂ、レゾルバ３ａｃ）にも回り込ませているアクチュエータもあるが、コストが高くなるので、図２に示したように、基本的にローラねじ３ｂ部及び軸受３ｄに潤滑油が浸ればよい。

以上の本発明では、電動アクチュエータ３は、高速走行時には、従来通り車体１の振動に対して逆位相の制御力を発生させるべく制御する。一方、低速走行時には、電動アクチュエータ３の制御を行わない。

本発明の効果を確認するために、鉄道車両の振動試験装置において、車体と台車の間に相当する２次ばね部に従来の空圧式アクチュエータ又は本発明の電動アクチュエータを設置し、振動制御特性を測定した結果の一例を以下に示す。

本試験装置では、軌道狂いを有する実際の軌道データを測定し、その測定した軌道データをもとに加振し、その振動の車体相当部への伝達特性を調査した。調査は、車体相当部に設置した加速度センサーにて左右方向の振動加速度を測定することにより行った。

試験は、アクチュエータを設置しない場合と、空圧式のアクチュエータを設置した場合と、本発明の鉄道車両用振動制御装置に使用する電動アクチュエータを設置した場合の３条件にて行った。

前記３条件の振動制御特性を図３に示す。図３は、車体相当部に作用した左右方向の振動加速度を示した図で、（ａ）はアクチュエータを設置せず、振動制御を行わなかった場合、（ｂ）は空圧式アクチュエータにより振動制御した場合、（ｃ）は本発明の電動アクチュエータにより振動制御した場合である。

図３より明らかなように、本発明の電動アクチュエータを用いて振動制御した場合、振動制御しない場合や、空圧式アクチュエータで振動制御した場合と比べて、車体相当部に作用する左右方向の振動加速度が大幅に抑制されていることが分かる。

また、振動制御を行わない場合の前記３条件の乗心地評価を図４に示す。図４は、車体相当部に作用する左右方向の振動加速度の周波数（横軸）と、車体相当部に作用する左右方向の振動加速度の大きさ（縦軸）の関係を示したもので、それぞれ２７５km/hr相当の場合の値で、振幅を２倍して示している。

図４に示した関係からアクチュエータが動作していないときも鉄道車両の乗心地を確保できるかどうかを評価できる。図４より進行方向前方のＮｏ．１台車中心上床面部（（ａ）図）、進行方向後方のＮｏ．２台車中心上床面部（（ｂ）図）とも、電動アクチュエータ搭載した場合も（実線）、空圧式アクチュエータを搭載した場合（破線）とあまり差がなく、非動作時も同様の乗心地が得られることが分かる。なお、図４中の想像線はアクチュエータを設置しない場合である。

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。

例えば電動アクチュエータ３は、図１に示したように車体１と台車２の間に設置するものに限らず、車体とボルスタ間に設置するものでも、またボルスタと台車間に設置するものでも良い。

以上の説明では二次ばね部にアクチュエータを設置することで、左右振動を抑制する例を示したが、本発明はこれに限らず、ヨーイング振動、ローリング振動を抑制するようにしても良い。

１ 車体
２ 台車
３ 電動アクチュエータ
３ａ モータ
３ｂ ローラねじ
４ 潤滑油

Claims (4)

1. アクチュエータにより車体の振動を抑制する鉄道車両用振動制御装置であって、
   前記アクチュエータが、内蔵した回転式モータの回転運動をローラねじにより直線運動に変換する形式の電動アクチュエータであることを特徴とする鉄道車両用振動制御装置。
2. 前記電動アクチュエータの無負荷における反力が７５０N以下であることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用振動制御装置。
3. 前記電動アクチュエータのリードが１５〜２５mmであることを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄道車両用振動制御装置。
4. 前記電動アクチュエータのローラねじ部及び軸受を潤滑する潤滑剤が潤滑油であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の鉄道車両用振動制御装置。

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