JP2012076565A - 鉄道車両用振動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車体の振動を抑制する鉄道車両用振動制御装置において、車両速度情報が得られない場合でも、車両速度に応じて作動状態を適切に切換えられるようにする。
【解決手段】コントローラ１３により、車両の高速走行時には、加速度センサ１２の検出等に基づき、アクチュエータ６の推力を制御して、車体２の振動を抑制する。また、低速走行時には、アクチュエータ６を停止し、減衰力可変ダンパ７により、車体２の振動を抑制して、消費電力を低減する。アクチュエータ６のストロークセンサ１１の検出ストロークを微分したストローク速度が一定値以上のとき、高速走行中と判断し、一定値未満のとき、低速走行中と判断して、高速走行時の制御と低速走行時の制御とを切換える。これにより、車両速度情報が得られない場合でも、車両速度に応じて作動状態を適切に切換えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両の振動を抑制するための鉄道車両用振動制御装置に関するものである。

鉄道車両は、軌道の不整、空気力加振による外乱等によって上下、左右に様々な振動を生じるが、近年、高速運行化に伴い、これらの振動の抑制の要求が高まっており、特に、車体の左右方向の振動の抑制は、乗り心地及び走行安定性の両面から重要な課題の１つとなっている。

そこで、例えば特許文献１に記載されているように、走行中の車体の左右方向の振動を抑制するための鉄道車両用振動制御装置が種々提案されている。この鉄道車両用振動制御装置は、輪軸が装着された台車によって車体が左右方向に変位可能に支持され、車体と台車との間に減衰係数が調整可能な減衰力可変ダンパ及びアクチュエータが連結されている。また、車体の左右方向の加速度を検出する横加速度センサ及び台車と車体との変位を検出する変位センサ等の走行中の車両状態を検出する各種センサが設けられ、これらのセンサの検出に基づいて、コントローラによって減衰力可変ダンパの減衰力及びアクチュエータの推力を制御することによって車体の振動を抑制する。

一般的に走行速度が高くなるに従い、車両の振動レベルが増大することから、鉄道車両用振動制御装置では、車両速度に基づき、一定車速以上で振動制御を実行し、一定速度未満では振動制御を停止することにより、良好な乗り心地及び走行安定性を確保しつつ、制御システムの作動頻度を低減して、消費電力の低減や耐久性の向上を図るようにしている。

特開２００９−３３７９３号公報

しかしながら、例えば、既存の車両に振動制御装置を付加する場合等、振動制御装置が車両速度情報を利用できない、あるいは、車両速度情報に基づいて振動制御装置の作動及び停止を指令することができない場合がある。

本発明は、車両速度情報が得られない場合おいても、車両速度に応じて作動状態を適切に切換えられるようにした鉄道車両用振動制御装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る鉄道車両用振動制御装置は、車両の車体と台車との間や車体間、台車間で相対変位する箇所に連結されて、これらの間の振動を制御する振動制御手段と、前記車体と前記台車との間や車体間、台車間で相対変位する箇所の変位速度を検出する変位速度検出手段と、前記車両の走行状態に基づき、前記振動制御手段を作動させて前記車体の振動を抑制するコントローラとを備え、
前記コントローラは、前記車両の高速走行時の制御と低速走行時の制御との切換が可能であり、前記変位速度検出手段によって検出した変位速度に基づき、前記車両の走行速度を判定して、前記車両の高速走行時の制御と低速走行時の制御との切換を実行することを特徴とする

本発明に係る鉄道車両用振動制御装置によれば、車両速度情報が得られない場合においても、車両速度に応じて作動状態を適切に切換えることができる。

本発明の一実施形態に係る鉄道車両用振動制御装置の概略図である。 図１に示す鉄道車両用振動制御装置が装着される鉄道車両の前後の台車を示す平面図である。 図１に示す鉄道車両用振動制御装置による制御を示すブロック図である。 図１に示す鉄道車両用振動制御装置による制御を示すフローチャートである。 鉄道車両の低速度域及び高速度域における左右動ダンパのストローク速度及び車体左右加速度を示すグラフ図である。 本発明の別の実施形態に係る鉄道車両用振動制御装置の概略図である。 図１に示す鉄道車両用振動制御装置による制御を示すフローチャートの図４とは別の実施形態である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１及び図２に示すように、本発明に係る鉄道車両用振動制御装置が適用された鉄道車両１は、車体２の前部及び後部に、輪軸３が装着された台車４が取付けられている。なお、図２において、車体２の前部に設けられた各要素については、その符号の末尾に符号Ｆを付し、車体２の後部に設けられた各要素については、その符号を末尾にＲを付して、適宜これらを区別して説明する。

台車４は、車体２に対して、鉛直軸回りに回動可能であり、また、上下方向及び左右方向に一定の変位が可能なように連結されており、空気バネ５によって車体２を支持している。車体２と台車４との間には、振動制御手段としてアクチュエータ６及び減衰力可変ダンパ７が連結されている。アクチュエータ６及び減衰力可変ダンパ７は、車体２に固定された中心ピン８と台車４に固定された支柱９、１０との間にそれぞれ結合されており、車体２と台車４との左右方向の変位に対して、アクチュエータ６の推力及び減衰力可変ダンパ７の減衰力が作用するようになっている。アクチュエータ６には、車体２と台車４との間の左右方向の変位を検出するストロークセンサ１１が設けられている。更に、車体２には、車体２の前部及び後部それぞれの車体２の左右方向の加速度を検出する加速度センサ１２が設けられ、また、ストロークセンサ１１及び加速度センサ１２からの入力信号に基づいてアクチュエータ６及び減衰力可変ダンパ７を制御するコントローラ１３が設けられている。

アクチュエータ６は、通電電流に応じて推力を発生する電磁アクチュエータであり、コントローラ１３からの駆動信号に応じて推力を発生する。また、減衰力可変ダンパ７は、ソレノイドバルブ等の減衰力切換弁を有し、通電電流によって減衰力を少なくとも高減衰力/低減衰力の２段階に切換可能な油圧ダンパであり、コントローラ１３からの制御信号によって減衰力を切換えることができる。なお、アクチュエータ６は、油圧、空気圧等の他の形式のアクチュエータとしてもよく、また、減衰力可変ダンパ７は、油圧ダンパ以外の形式のダンパ、例えば作動油を他の流体に変更した流体式ダンパ、摩擦式ダンパ、空気圧式ダンパ、モータを発電機として動作させることにより発生する減衰力を利用する、所謂電磁式ダンパなどとしてもよい。

コントローラ１３は、加速度センサ１２、その他の車両の走行状態を検出する各種センサの検出に基づいて、アクチュエータ６及び減衰力可変ダンパ７の作動を制御する。低速走行時には、いわゆるパッシブ（制御なし）とし、すなわち、アクチュエータ６を作動させず、減衰力可変ダンパ７の減衰力を高減衰力側に切換え、減衰力可変ダンパ７の減衰力によって車体２の左右方向の振動を減衰させる。この低速走行時の制御では、アクチュエータ６を作動させないので、消費電力が少なくてすむ。

高速走行時には、いわゆるアクティブ制御を実行し、すなわち、減衰力可変ダンパ７の減衰力を低減衰力側に切換え、減衰力可変ダンパ７の減衰力がアクチュエータ６による車体の振動抑制効果にできるだけ影響を与えないようにするとともに、車体２の前後の台車４Ｆ、４Ｒに対して、加速度センサ１２Ｆ、１２Ｒが検出する左右方向の加速度に基づいて、台車４Ｆ、４Ｒの左右方向の振動を吸収し、また、車体２の左右方向の振動を抑制するようにアクチュエータ６Ｆ、６Ｒの推力を制御する。これにより、軌道の不整による台車４Ｆ、４Ｒへの外乱の入力及び空気力加振による車体２への外乱の入力に対して、車体２の左右方向の振動を抑制して、乗り心地及び走行安定性を高め、高速走行を可能にすることができる。

コントローラ１３は、低速走行時のパッシブ（制御なし）と高速走行時の振動抑制制御とを次のようにして切換える。ストロークセンサ１１によってアクチュエータ６のストロークを検出し、これを微分してストローク速度を演算する。これにより、ストロークセンサ１１は車体２と台車４との左右方向の変位速度を検出するための変位速度検出手段となる。このようにして検出したアクチュエータ６のストローク速度、すなわち、車体２と台車４との間の左右方向の相対変位速度から車両１が低速走行中であるか高速走行中であるかを判断する。

図５に示すように、一般的に車両１の走行速度が高くなるに従い、車体２の左右加速度が増大し、また、アクチュエータ６のストローク速度すなわち車体２の左右方向の相対変位速度も増大する。したがって、ストロークセンサ６が検出したアクチュエータ６のストロークから演算したストローク速度を監視し、このストローク速度が一定値以上のとき、車両１が高速走行中であると判断して、上述の高速走行時の制御を実行し、一定値未満のとき、車両１が低速走行中であると判断して、上述の低速走行時の制御を実行する。

更に具体的には、図３を参照して、ストロークセンサ６が検出したストローク信号をローパスフィルタ１４でノイズ除去処理した後、判定器１５により、微分処理して位置情報を速度情報に変換する。そして、一定時間（例えば５秒間）のストローク速度の平均値（変位速度のレベル）が一定値以上の場合には、高速走行中（振動レベル大）であると判断し、アクチュエータ６による高速走行時の振動抑制制御を実行する。また、ストローク速度の平均値が一定値未満の場合には、低速走行中（振動レベル小）であると判断し、アクチュエータ６による振動抑制制御を停止し、可変減衰力ダンパ７により低速走行時はパッシブ（制御なし）とする。このとき、ストローク速度の判定のための閾値は、低速走行時のパッシブ（制御なし）から高速走行時の振動抑制制御に移行する際と、高速走行時の制御から低速走行時のパッシブ（制御なし）に移行する際とで、異なる値を設定して、閾値付近で制御入り/切りのハンチングが生じないようにする。

なお、上記実施の形態では、変位速度のレベルをストローク速度の平均値としたが、これに限らず、変位速度が速い状態が所定時間内に生じていることを検出できればよく、ストローク速度を時定数の大きなローパスフィルタを通してもよく、二乗平均値を用いてもよい。また、ストローク速度の信号の実効値を用いても良い。

コントローラ１３により、低速走行時のパッシブ（制御なし）と高速走行時の振動抑制制御とを切換えるための制御フローを図４に示す。図４を参照して、ステップＳ１でストロークセンサ６の検出に基づき、ストローク速度の平均値が第１閾値以上か否かを判定する。ストローク速度が第１閾値以上である場合、ステップＳ２で高速走行時の振動抑制制御を実行中か否かを判定する。ステップＳ２で高速走行時の制御実行中である場合、ルーチンを終了する。ステップＳ２で高速走行時の制御実行中でない場合、ステップＳ３で高速走行時の振動抑制制御を実行し、ステップＳ４で高速走行時制御フラグをオンにして、ルーチンを終了する。

ステップＳ１でストローク速度の平均値が第１閾値以上でない場合、ステップＳ５でストローク速度の平均値が第２閾値（＜第１閾値）以下であるか否かを判定する。ストローク速度が第２閾値以下でない場合、ルーチンを終了する。ストローク速度が第２閾値以下である場合、ステップＳ６で低速走行時のパッシブ（制御なし）か否かを判定する。低速走行時のパッシブ（制御なし）である場合、ルーチンを終了する。低速走行時のパッシブ（制御なし）でない場合、ステップＳ７で低速走行時のパッシブ（制御なし）に遷移し、ステップＳ８で高速走行時制御フラグをオフにしてルーチンを終了する。

なお、本実施の形態では、ストローク速度の平均値が第１閾値以上である場合は、高速走行時であると判断してアクチュエータ６の制御を行い、第１閾値よりも小さい第２閾値以下である場合は、低速走行時であると判断してアクチュエータ６の制御を行わずパッシブとしていた。この制御に変えて、低速走行時も制御を行うようにしてもよい。その場合、低速走行時の制御は高速走行時よりも減衰力の小さい制御とする。さらに、減衰力可変ダンパ７を高速走行時はアクティブ制御、低速走行時はアクティブ制御よりも簡易ないわゆるセミアクティブ制御とすることにより振動抑制効果を高めても良い。

また、本実施の形態では、第１閾値と、第１閾値よりも小さい第２閾値とを設けて判断する例を示した。その際、第１閾値、第２閾値は、軌道不整外乱入力や空気力外乱入力の平均的な値から設定し、ピストンストローク速度が第１閾値を越えて高速走行時の制御が開始された後のピストンストローク速度が第２閾値を下回らないような関係としている。しかし、軌道不整外乱入力や空気力外乱入力が小さい値であった場合、第１閾値を超えて高速走行時の制御、つまり振動抑制制御が開始すると、急激にピストンストローク速度が低下し、第２閾値を下回ることがある。第２閾値を下回ると、振動抑制制御が停止するので、再度ピストンストローク速度が上昇し、その後、第１閾値に到達するとまた振動抑制制御が開始されるという状況が想定される。そこで、ピストンストローク速度に応じた振動抑制制御を行う別の実施の形態として、図７を用いて図４に示すフローチャートと異なる点についてのみ説明する。

ステップＳ１１でストロークセンサ６の検出に基づき、ストローク速度の平均値が第１閾値以上と１度目に検出した場合、その時点では制御が入っていないので、ステップＳ１２に進み、振動抑制制御「入り」の処理を行い、ステップＳ１３で制御「入り」のフラグをオンにして、その後、ステップＳ１４でその時点の時刻を取得する。制御が入ったことにより振動が抑制されると、軌道不整外乱入力や空気力外乱入力が小さい場合には、ストローク速度の平均値が第２閾値以下となる。その判定をステップＳ１５で行い、ステップＳ１６で制御「入り」の状態で、かつステップＳ１４で取得した時刻から一定時間経過するまでの間にストローク速度が第１閾値から第２閾値以下まで達している場合には、軌道不整外乱入力や空気力外乱入力が小さいので、急激にピストンストローク速度が低下したと判断して、ステップＳ１７で第２閾値を第２閾値よりも小さい第３閾値に変更する。ここで、一定時間とは、軌道不整外乱入力や空気力外乱入力が小さいときに振動抑制制御を行った際に第２閾値以下までピストンストローク速度が低下するまでの値を予め測定し、その値よりも大きな値とする。

ステップＳ１６で、制御「入り」の状態で、ステップＳ１４で取得した時刻から一定時間経過している場合には、ピストンストローク速度が第１閾値から第２閾値に下がるまでの時間は、例えば車体の速度が低下することに伴うピストンストローク速度の低下とみることができるので、ステップＳ１８で制御「切り」かどうかを判定し、制御「切り」の処理をしていない場合には、ステップＳ１９で制御「切り」の処理を行い、ステップＳ２０で制御「切り」のフラグをオンにし、第２閾値の値を第３閾値から第２閾値に変更し、ルーチンを終了する。

図７に示す実施の形態とすることにより、第１閾値を超えて振動抑制制御を開始した後、すぐにピストンストローク速度が第２閾値を下回ることにより、振動抑制制御が停止し、再度ピストンストローク速度が上昇し、その後、第１閾値に到達するとまた振動抑制制御が開始されるという状況を回避することができる。

このように、車両速度に応じて、制御内容を適宜切換えることにより、良好な乗り心地及び走行安定性を確保しつつ、アクチュエータ６の作動頻度を低減することができ、消費電力を低減すると共に耐久性を向上させることができる。特に、既存の車両に振動制御装置を付加する場合等、振動制御装置が車両速度情報を利用できない、あるいは、速度情報に基づいて、振動制御装置の作動及び停止を指令することができない場合でも、振動制御装置の作動状態を車両走行速度に応じて適切に切換えることが可能になる。なお、車体から車両速度情報を得るのではなく、アクチュエータ６のピストンストローク速度に応じて制御内容を切り替えるので、車両速度が低くても線路の状態が悪く、振動が大きい場合には振動抑制制御を開始することができる。

なお、上記実施形態では、ストロークセンサ１１は、アクチュエータ６のストロークを検出するものであるが、このほか、減衰力可変ダンパ７のストロークを検出するものでもよく、あるいは、車体２と台車４との間の左右方向の変位を検出する変位センサでもよい。また、車体２の変位により、電磁アクチュエータであるアクチュエータ６のコイルに生じる逆起電力に基づき、ストローク速度を検出することもできる。油圧ダンパである減衰力可変ダンパ７の油圧が検出できる場合には、その油圧に基づきストローク速度を演算するようにしてもよい。

また、車体２と台車４との左右方向の加速度をそれぞれ検出すれば、これらの加速度を積分処理することにより車体２と台車４との左右方向の相対速度を検出することが可能となり、ひいては減衰力可変ダンパ７のストローク速度を推定することが出来る。これにより、ストロークセンサ１１を無くすことができる。

また、上記実施例では高速走行時と低速走行時の２段階に振動抑制制御を切替えているが、例えば、高速走行時はフルアクティブ制御、中速走行時はセミアクティブ制御、低速走行時はパッシブ（制御なし）などと、３段階に制御を切替えても良いし、あるいは、段階を設けずにリニアに制御を切替えても良い。

上記実施形態では、高速走行時の制御は、アクチュエータ６によるアクティブ制御としているが、他方式の振動抑制制御を実行するものであってもよく、例えば車体２の振動状態に基づき、減衰力可変ダンパ７の減衰力をリアルタイムで切換えるいわゆるセミアクティブダンパ制御を実行するようにしてもよい。また、上記実施形態では、車体の左右方向の振動を制御するものについて説明しているが、上下方向の振動を制御するもの、車体間の振動を抑制するものにも同様に適用することができる。

図６は、車体−台車間に減衰係数可変式の油圧ダンパを備え、車体の上下振動を抑制する車体上下セミアクティブダンパシステムを追加したシステム構成要素を示した例である。なお、図６において、上記実施形態に対して、対応する部分には、同じ符号が付してある。この構成とすることにより、左右方向の振動だけでなく、上下方向の振動抑制制御を行うことができる。また、図６のアクチュエータ６及び減衰力可変ダンパ７を省略して、車体上下セミアクティブダンパのみとし、上下方向の振動抑制制御のみを行うようにしてもよい。

また、台車の台車枠と輪軸との間に設けられる軸ダンパの減衰力を可変制御するシステム、車体と台車の台車枠との間に設けられるヨーダンパの減衰力を可変制御するシステム、車体同士を接続する連結機と平行に車体間に設けられる車体間ダンパの減衰力を可変制御するシステムなどへの適用も考えられる。

１ 鉄道車両（車両）、２ 車体、４ 台車、６ アクチュエータ（振動制御手段）、７ 減衰力可変ダンパ（振動制御手段）、１１ ストロークセンサ（変位速度検出手段）、１３ コントローラ

Claims (3)

1. 車両の車体と台車との間に連結されて、これらの間の振動を制御する振動制御手段と、前記車体と前記台車との間の変位速度を検出する変位速度検出手段と、前記車両の走行状態に基づき、前記振動制御手段を作動させて前記車体の振動を抑制するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、前記車両の走行速度に応じた制御の切換が可能であり、前記変位速度検出手段によって検出した変位速度に基づき、走行速度に応じた制御の切換を実行することを特徴とする鉄道車両用振動制御装置。
2. 前記コントローラは、前記変位速度検出手段によって検出した変位速度のレベルが所定の閾値以上のとき、低速走行に応じた制御から高速走行に応じた制御への切換を実行することを特徴とする請求項１に記載鉄道車両用振動制御装置。
3. 前記低速走行に応じた制御は、制御を行わない制御であることを特徴とする請求項２に記載の鉄道車両用振動制御装置。

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