JP2013193666A - 鉄道車両 - Google Patents

Abstract

【課題】走行速度の高速化を図りつつ、加速および減速の際に、乗客に作用する加速度を緩和して、乗り心地を向上することができる鉄道車両を提供する。
【解決手段】車体２２の前後方向に離れた複数個所で車体を支持する台車１１と、台車１１と車体２２との間に設けられて台車１１に対して車体２２を昇降する空気ばね２１ａ，２１ｂと、空気ばね２１ａ，２１ｂによる車体２２の傾動制御を行う傾動制御手段とを備え、該傾動制御手段は、車体２２に対して前後方向加速度が作用する場合に、車体２２内部の乗客に作用する前後方向加速度を打ち消すように、車体２２を前後方向に傾斜させることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

この発明は、鉄道車両に関するものである。

従来、台車と車体との間に空気ばねを備えた鉄道車両にあっては、カーブ区間を安全に走行できる速度を高めたり、カーブ区間における乗客の乗り心地を良くしたりするために、左右一対の空気ばねのうち一方の空気ばねを減圧するとともに他方を加圧することで、車体を遠心方向の内側に傾斜させる車体傾斜装置を備えたものが知られている。この車体傾斜装置は、振り子はりを用いない簡単な機構で車体を傾斜させることができ、軌道からの微小な振動をも減衰させることができる点で有利となっている。
例えば、特許文献１には、空気ばねにより車体傾斜を行う鉄道車両について、空気ばねの空気消費量を低減するために、左右一対の空気ばねの間に空気シリンダーを接続し、空気シリンダーのピストンを変位させることで、左右一対の空気ばねの内部空間の空気を移動させて車体を傾斜させる技術が開示されている。

特許第２６５０５６２号公報

ところで近年、鉄道車両にあっては、とりわけ在来線などにおいて更なる高速化の要望がある。しかし、曲線区間など速度向上が困難な区間にあっては、その直前・直後において、車体に比較的大きな加速度が生じる減速および加速が行われることとなるため、乗客の乗り心地が損なわれてしまうという課題がある。
例えば、車体に減速による加速度が生じると、その力によって、車体の前部が沈み込み、前下がりのピッチ方向に車体が傾斜する。すると、乗客に重力加速度の前向き分力が作用するようになる。そのため、乗客には、減速加速度により作用する前向きの力に、重力加速度の前向き分力が上乗せされて作用するようになる。
同様に、車体に加速による加速度が生じた場合も、その力によって、車体の後部が沈み込み、前上がりのピッチ方向に車体が傾斜する。この際も、乗客に重力加速度の後ろ向き分力が作用するようになり、乗客に作用する後ろ向きの力が増加されてしまう。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、走行速度の高速化を図りつつ、加速および減速の際に、乗客に作用する加速度を緩和して、乗り心地を向上することができる鉄道車両を提供するものである。

上記の課題を解決するために本発明は以下の構成を採用する。
この発明にかかる鉄道車両は、車体の前後方向に離れた複数個所で車体を支持する台車と、該台車と前記車体との間に設けられて前記台車に対して前記車体を昇降する昇降機構と、該昇降機構による前記車体の傾動制御を行う傾動制御手段とを備え、該傾動制御手段は、前記車体に対して前後方向加速度が作用する場合に、乗客に作用する前後方向加速度を打ち消すように、前記車体を前後方向に傾斜させることを特徴としている。
このように構成することで、例えば、車体減速時に、車体の加速度に応じて車体前部が沈み込むこととなるが、傾動制御手段によって車体前部を車体後部よりも相対的に上昇させて、車体を前上がりに傾斜させることができる。そのため、乗客に重力加速度の前向きの分力が作用するのを防止できると共に、乗客に重力加速度の後ろ向きの分力を生じさせて、乗客に作用する前向きの加速度を打ち消すことが可能となる。一方で、車体加速時には、車体の加速度に応じて車体後部が沈み込むこととなるが、傾動制御手段によって車体後部を車体前部よりも相対的に上昇させて、車体を前下がりに傾斜させることができる。そのため、乗客に重力加速度の後向きの分力が作用するのを防止できると共に、乗客に重力加速度の後ろ向きの分力を生じさせて、乗客に作用する前向きの加速度を打ち消すことが可能となる。

さらに、この発明に係る鉄道車両は、上記鉄道車両において、前記昇降機構が、空気ばねを有していてもよい。
このように構成することで、空気ばねを有する台車を備えている鉄道車両であれば、空気ばねへの給気及び排気制御を行うことで車体を前後方向へ傾斜させることが可能となる。

さらに、この発明に係る鉄道車両は、上記鉄道車両において、加減速の操作入力を行う操作部を備え、前記傾動制御手段が、前記操作部に入力される操作情報に基づき前記車体を前後方向に傾斜させるようにしてもよい。
このように構成することで、操作部に減速や加速に係る操作入力がされた場合に、ノッチ段数や制動操作量等の操作情報に基づいて車体の傾動制御を行うことができるため、実際の減速や加速が行われる以前に車体の前後方向への傾動制御を開始できる。ため、車体の傾動制御が遅れることで乗客に作用する加速度が増加するのを防止することができる。

さらに、この発明に係る鉄道車両は、上記鉄道車両において、車両速度を検知する車両速度検知手段を備え、前記傾動制御手段が、前記車両速度検知手段により検知された車両速度情報に基づき前記車体を前後方向に傾斜させるようにしてもよい。
このように構成することで、実際の車両速度に基づいて車体に作用する加速度を求めて、この加速度に応じた傾斜角度で車体を前後方向に傾斜させることができる。

さらに、この発明に係る鉄道車両は、上記鉄道車両において、進行方向前方に設定されている速度制限情報を取得する速度制限情報取得手段を備え、前記傾動制御手段は、前記速度制限情報取得手段により取得された速度制限情報に基づき前記車体を前後方向に傾斜させるようにしてもよい。
このように構成することで、車両の進行方向前方に設定されている速度制限情報により、車両の進行方向前方において減速および加速が行われること、および、減速および加速による加速度を予測することができるため、実際に減速や加速が行われる以前に車体の傾動制御を開始できるとともに、減速および加速により生じる加速度に応じた傾斜角度で車体の傾動制御を行うことができる。

この発明にかかる鉄道車両によれば、走行速度の高速化を図りつつ、加速および減速の際に、重力加速度による分力が乗客に作用するのを低減して、乗り心地を向上することができる。

本発明の実施形態における車両の概略構成図である。 上記車両における空気ばねの制御系を示すブロック図である。 上記車両の傾斜状態を示す図である。 上記車両における車体傾動制御装置の制御処理を示すフローチャートである。

以下、この発明の実施形態における鉄道車両について図面を参照しながら説明する。
図１は、この実施形態の鉄道車両である車両１０を示している。この車両１０の台車１１は、レールＲの幅方向に延びる車軸１２に略円盤状の２枚の車輪１３が圧入された一対の輪軸１４（図１中、一方のみを示す）を備えており、これら一対の輪軸１４が、互いの車軸１２が前後平行となるように配置されている。車軸１２の左右端部は、図示しない軸受けにより回動自在に支持され、これら軸受けを備える支持部（図示せず）に、軸バネ１５を介して台車枠１６が支持されている。

台車枠１６は、台車１１の車幅方向の左右両側部の上面２０に、左右一対のダイヤフラム式の空気ばね２１を備え、この空気ばね２１を介して車体２２が台車１１に弾性的に支持されている。

上記構成を備える台車１１は、車体２２の前後方向に離れた箇所にそれぞれ配置されて車体２２を支持している。つまり、１つの台車１１に左右一対の空気ばね２１が設けられているため、一両分の車体２２に対して、合計４つの空気ばね２１は設けられていることとなる。以下、空気ばね２１のうち、前側の台車１１に設けられたものを空気ばね２１ａ、後側台車１１に設けられたものを空気ばね２１ｂと称する。

図２を併せて参照し、上記左右一対の空気ばね２１ａ，２１ｂは、それぞれ配管３０を介して個別に元空気溜め３１に接続されている。元空気溜め３１には、コンプレッサ等により空気ばね２１ａ，２１ｂを伸長させるのに十分な圧力で圧縮空気が予め貯留されている。空気ばね２１ａ，２１ｂの内部空間と元空気溜め３１の内部空間とは、上記配管３０により形成される流路を介して連通されており、この配管３０の途中には、給排気電磁弁３２が取り付けられている。

給排気電磁弁３２は、例えば、乗客の乗降等により車体側重量が増減した場合などに、空気ばね２１ａ，２１ｂの空気圧を調整して、レールＲから車体２２を所定高さに保持するための開閉機構であり、車体２２の高さを増加させる場合には、元空気溜め３１の圧縮空気を空気ばね２１の空気室に供給する一方で、車体２２の高さを減少させる場合には、空気ばね２１の空気室内の空気を排気可能となっている。

そして、各空気ばね２１に対応する給排気電磁弁３２は、それぞれ車体傾動制御装置３３に接続されている。この車体傾動制御装置３３は、電気信号を出力して給排気電磁弁３２の開閉制御を行う。そして、この車体傾動制御装置３３には、列車情報装置３４が接続されている。列車情報装置３４は、列車運行に係る各種の列車情報が入力されるようになっており、例えば、運転士により運転操作が入力される操作部４０からの操作情報、車両速度を検知する車速センサ４１からの速度情報、ＡＴＳ−Ｐ（自動列車停止装置のデジタル伝送パターン形）等の車上装置４２からの速度制限情報（速度パターン情報）などの列車情報が入力される。

ここで、図３（ａ）は、車両１０が停止又は等速走行している状態を示している。また、図３（ｂ）は、紙面左側に列車が進行している状態から制動により車両１０に減速加速度（前方向の加速度）が作用した状態を示している。
図３（ａ）に示すように、停止時又は等速走行している際には、前後の台車１１の空気ばね２１はそれぞれ同じ高さであり、レールＲが水平であるため車体姿勢も水平となっている。
上記図３（ａ）の車体姿勢から制動を開始すると、車体２２に前向きの加速度（図３（ｂ）中、白抜き矢印で示す）が発生して、前側の台車１１の空気ばね２１が圧縮されて車体２２が前下がりに傾斜する。さらに、この傾斜により、乗客（図示せず）に、重力加速度の前向きの分力（図３（ｂ）中、網掛け矢印で示す）が作用することとなる。つまり、乗客には、制動による加速度と重力加速度の前向きの分力との両方が作用することとなる。

そこで、上述した車体傾動制御装置３３は、車体２２に対して前後方向の加速度が作用する場合に、車体２２内部の乗客に作用する加速度を打ち消す方向に車体２２を傾斜させる傾動制御を行う。この場合、車体２２の傾斜角度は、車体２２に作用する加速度に比例させるのが好ましい。例えば、図３（ｃ）に示すように、前向きの加速度（図３（ｃ）中、矢印で示す）が作用している場合には、前側の空気ばね２１の高さを増加して、後側の空気ばね２１の高さを減少させる。このとき、車体２２は、前部が水平位置よりも高い位置とされ、前上がりに傾動された状態となる。これにより、車体２２内部の乗客には、重力加速度の後ろ向きの分力（図３（ｃ）中、網掛け矢印で示す）が作用するようになり、前向きの加速度成分を、重力加速度の後ろ向きの分力によって打ち消している。なお、図３（ａ）の状態から、加速する場合については、上述した制動時とは前後方向が反対になるだけであるため詳細説明を省略する。なお、加速時には、上記車体傾動制御装置３３は、加速度に応じて前下がりに車体２２を傾斜させることとなる。

この実施形態における車両１０は、上述した構成を備えており、次に、上記車両１０の車体傾動制御装置３３の制御処理について図４を参照して説明する。
まず、車体傾動制御装置３３は、列車情報装置３４から列車情報を取得する（ステップＳ０１）。この実施形態においては、列車情報として運転士の操作情報を取得する。より具体的には、加速側のノッチ段数や減速側の制動操作量の情報である。このように運転士の操作情報に基づく制御を行うことで、実際に加速度が車体２２に作用し始める前に車体２２の傾動制御を開始することが可能となる。とりわけ、応答性のよくない空気ばね２１ａ，２１ｂを用いた場合において、その遅れを解消できるため有利となる。

次いで、列車情報装置３４から取得した操作情報に基づき、前向きの加速度が発生する状態か否かを判定する（ステップＳ０２）。例えば、ノッチ段数が上昇すると列車が加速状態になることを予め検知でき、ノッチ段数が下降すると共に制動操作量が上昇することで列車が減速状態になることを予め検知できる。そのため、列車が加速状態になることを検知したときには、後ろ向きの加速度が車体２２に作用することを判定でき、列車が減速状態になることを検知したときには、前向きの加速度が車体２２に作用することを判定できる。

上記判定の結果が「Ｙｅｓ」（前向き加速度が発生している）の場合には、車体２２が前上がりとなるように傾動制御を行い（ステップＳ０３）、上述した一連の制御処理を一旦終了する。
一方、上記判定の結果が「Ｎｏ」（前向き加速度が発生していない）の場合には、後向き加速度が発生する状態か否かを判定する（ステップＳ０４）。
また、上記判定の結果が「Ｙｅｓ」（後ろ向き加速度が発生）の場合には、車体２２が前下がりとなるように傾動制御を行い（ステップＳ０５）、上述した一連の制御処理を一旦終了する。

したがって、上述した実施形態における鉄道車両である車両１０によれば、減速時に、車体２２の加速度に応じて車体２２前部が沈み込むこととなるが、車体傾動制御装置３３によって車体２２前部を車体２２後部よりも相対的に上昇させて、車体２２を前上がりに傾斜させることができる。そのため、乗客に重力加速度の前向きの分力が作用するのを防止できると共に、乗客に重力加速度の後ろ向きの分力を生じさせて、乗客に作用する前向きの加速度を打ち消すことが可能となる。

一方で、加速時には、車体２２の加速度に応じて車体２２後部が沈み込むこととなるが、車体傾動制御装置３３によって車体２２後部を車体２２前部よりも相対的に上昇させて、車体２２を前下がりに傾斜させることができる。そのため、乗客に重力加速度の後向きの分力が作用するのを防止できると共に、乗客に重力加速度の前向きの分力を生じさせて、乗客に作用する後ろ向きの加速度を打ち消すことが可能となる。
その結果、走行速度の高速化を図りつつ、加速および減速の際に、乗客に作用する加速度を緩和することができる。そして、加速度を緩和することで、加速度の時間変化分であるジャーク（ｊｅｒｋ）も低減されるため、乗り心地の向上を図ることができる。

さらに、空気ばね２１への給気及び排気制御を行うことで車体２２を前後方向へ傾斜させることが可能となるため、空気ばね２１を有する台車１１を備えている鉄道車両に適用可能であり、コスト増加を抑制しつつ、乗り心地を向上することができる。

さらに、操作部に減速や加速に係る操作入力がされた場合に、ノッチ段数や制動操作量等の操作情報に基づいて車体２２の傾動制御を行うことができるため、実際に減速や加速が開始される以前に車体２２の前後方向への傾動制御を開始できる。そのため、車体２２の傾動制御が遅れることで乗客に作用する加速度が増加するのを防止することができる。

なお、この発明は上述した実施形態の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。
例えば、上述した実施形態においては、列車情報装置３４からの列車情報として操作情報を取得して加速度が発生するかを判定する場合について説明したが、列車情報は操作情報に限られるものではない。例えば、車両１０の速度情報に基づいて、加速度が発生しているか否かを判定して車体２２の傾動制御を行うようにしても良い。このように車両１０の速度情報を用いることで、車体２２に作用する実加速度を求めることができるため、実加速度に基づいた車体２２の傾動制御を行うことができ、その結果、乗客に作用する加速度が増加するのを確実に防止することが可能となる。

また、車体２２に作用する前後方向の加速度を直接的に検出可能な加速度センサを設けるようにしてもよい。この場合、加速度センサによって検出される加速度が小さくなるように車体傾動制御装置３３によって車体２２の傾動制御を行えばよい。

また、列車情報として、例えば、進行方向前方に設定されている速度制限情報、より具体的にはＡＴＳ−Ｐなどの速度パターン情報に基づいて、車体２２に作用する加速度を予め求めて、車体２２の傾動制御を行うようにしても良い。このようにすることで、車両１０の進行方向前方において減速および加速が行われること、および、減速および加速による加速度を予測することができる。そのため、実際に減速や加速が行われる以前に車体２２の傾動制御を開始できるとともに、減速および加速により生じる加速度に応じた傾斜角度で車体２２の傾動制御を行うことができ、その結果、乗客に作用する加速度が増加するのをより確実に防止することができる。またこの場合、予測された前後方向加速度の大きさに応じて、空気ばね２１の昇降量を調整するようにしてもよい。

ここで、ＡＴＳ−Ｐを用いて進行方向前方に設定されている速度制限情報を取得する一例を説明したが、例えば、データベースなどに予め位置情報と速度制限情報とを対応付けて記憶しておき、ＧＰＳ（Global Positioning System）等から取得した車両１０の位置情報に基づいて、進行方向前方に設定されている速度制限情報を求めるようにしても良い。また、データベースには、例えば、位置情報と、各位置において車体２２へ作用することが予測される前後方向の加速度の情報とを対応付けて予め記憶するようにしてもよい。このようにした場合、進行方向前方で車体２２へ作用することが予測される前後方向の加速度を直接的に取得することができる。

また、車体傾動制御装置３３において、列車情報装置３４から、操作情報、速度情報、および、速度制限情報を取得して、これら全ての情報に基づいて車体２２に作用する加速度を求めるようにしても良い。例えば、通常は、速度制限情報に基づいて加速度を求めて車体２２の傾動制御を行い、この速度制限情報には含まれない運転士の操作があった場合などに、操作情報に基づいて加速度を求めて車体２２の傾動制御を行うようにしてもよい。さらに、このように傾動制御を行っている場合に、車両１０の速度情報に基づいて実際に発生している加速度を求めて、この加速度を用いて車体２２の傾斜角度を調整するようにしてもよい。

さらに、上述した実施形態においては、車体２２の加減速により車体２２に加速度が作用する場合について説明したが、坂路を等速走行中に作用する重力加速度の前方向分力および後方向分力を打ち消すように車体２２を前後方向に傾動制御するようにしても良い。

また、上述した実施形態においては、空気ばね２１ａ，２１ｂを用いて車体２２を昇降させて傾斜させる場合について説明したが、車体２２を昇降可能な機構であれば、空気ばね２１ａ，２１ｂに限られるものではない。また、車体２２に対して前後方向に離れた２箇所に空気ばね２１ａ，２１ｂを設ける場合について説明したが、３箇所以上に設けるようにしても良い。

そして、上述した実施形態においては、乗り心地について乗客を対象としていたが、乗務員の乗り心地も乗客と同様に向上できるのは言うまでもない。

１１ 台車
２１ 空気ばね（昇降機構）
２２ 車体
３３ 車体傾動制御装置（傾動制御手段）
４０ 操作部
４１ 車速センサ（車両速度検知手段）
４２ 車上装置（速度制限情報取得手段）

Claims (5)

1. 車体の前後方向に離れた複数個所で車体を支持する台車と、
   該台車と前記車体との間に設けられて前記台車に対して前記車体を昇降する昇降機構と、
   該昇降機構による前記車体の傾動制御を行う傾動制御手段とを備え、
   該傾動制御手段は、前記車体に対して前後方向加速度が作用する場合に、乗客に作用する前後方向加速度を打ち消すように、前記車体を前後方向に傾斜させることを特徴とする鉄道車両。
2. 前記昇降機構は、空気ばねを有している請求項１に記載の鉄道車両。
3. 加減速の操作入力を行う操作部を備え、
   前記傾動制御手段は、前記操作部に入力される操作情報に基づき前記車体を前後方向に傾斜させる請求項１又は２に記載の鉄道車両。
4. 車両速度を検知する車両速度検知手段を備え、
   前記傾動制御手段は、前記車両速度検知手段により検知された車両速度情報に基づき前記車体を前後方向に傾斜させる請求項１又は２に記載の鉄道車両。
5. 進行方向前方に設定されている速度制限情報を取得する速度制限情報取得手段を備え、
   前記傾動制御手段は、前記速度制限情報取得手段により取得された速度制限情報に基づき前記車体を前後方向に傾斜させる請求項１又は２に記載の鉄道車両。

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