JP2879722B2 - 鉄道車両の車体傾斜方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、枕ばねとしての空気
ばねを利用して車体の左右方向傾斜角を制御する鉄道車
両の車体傾斜方法及び装置に係り、詳しくは、車体の左
右方向傾斜角を制御して曲線通過時の横方向加速度を低
減する鉄道車両の車体傾斜方法及び装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】鉄道車両において、曲線通過時の乗り心
地を改善するために、曲線部の左右のレールに高低差を
付けるとともに、車速に応じて、車体の左右方向傾斜角
を調整することが行われている。また、枕ばねとしての
空気ばねを左右対称に装備している鉄道車両では、左右
の空気ばねの高さを調整して、車体の左右方向傾斜角を
制御している。さらに、車体の左右方向傾斜角を制御す
る場合、輪重抜けを防止して、脱線を回避する必要があ
る。

【０００３】左右の空気ばねの高さを調整して、曲線通
過時の車体の左右方向傾斜角を制御する従来の車体傾斜
方法及び装置では、空気ばねへの加圧空気の供給量を制
御する給排気弁への制御出力Ｙを、車体と台車との現在
相対角を目標相対角にする制御、輪重抜けを防止するた
めの制御等、各制御ごと演算した制御出力ｙ1，ｙ2，・
・・と、各制御ごとに設定した重み係数ξ1，ξ2，・・
・とから、Ｙ＝ξ1・ｙ1＋ξ2・ｙ2＋・・・で計算し、
この制御出力Ｙを給排気弁へ出力するようになってい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】重み係数ξ1，ξ2，・
・・等を用いる従来の車体傾斜方法及び装置では、重み
係数ξ1，ξ2，・・・を適切な値に設定することが難し
く、結果、車速傾斜制御の精度を低下させている。

【０００５】請求項１，３の発明の目的は、重み係数を
使用することなく、各走行地点において車体を適切な左
右方向傾斜角に制御できる鉄道車両の車体傾斜方法及び
装置を提供することである。請求項２，４の発明の目的
は、フィードバック制御の基礎となる空気ばねの現在空
気量を的確に検出できる鉄道車両の車体傾斜方法及び装
置を提供することである。請求項５の発明の目的は、各
走行地点の線路状態に係る情報を的確に検出できる鉄道
車両の車体傾斜装置を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明を、実施例に対
応する図面の符号を使用して説明する。請求項１の鉄道
車両(30)の前提となる車体傾斜方法では、空気ばね(22)
を車体(32)と台車(34)との間に左右に介在させ、各空気
ばね(22)の空気量の増減により各空気ばね(22)の高さを
増減して、車体(32)の左右方向傾斜角を調整する。

【０００７】そして、請求項１の鉄道車両(30)の車体傾
斜方法は次の（ａ）〜（ｃ）の工程を備える。 （ａ）線路状態及び車速を検出する。 （ｂ）車体(32)の横方向加速度がほぼ０となるような車
体(32)の左右方向傾斜角を得る各空気ばね(22)の高さに
対応する空気量を目標空気量として線路状態及び車速の
検出データに基づいて演算する。 （ｃ）各空気ばね(22)の空気量が目標空気量となるよう
に制御する。

【０００８】請求項２の鉄道車両(30)の車体傾斜方法で
は、請求項１の鉄道車両(30)の車体傾斜方法において、
さらに、空気ばね(22)の現在空気量を空気ばね圧力及び
空気ばね高さから演算し、現在空気量が目標空気量とな
るようにフィードバック制御する。

【０００９】請求項３の鉄道車両(30)の車体傾斜装置(1
0)は次の（ａ）〜（ｅ）の構成要素を有している。 （ａ）車体(32)と台車(34)との間に枕ばねとして左右に
介在するとともに空気量の増減により高さを増減して車
体(32)の左右方向傾斜角を調整する空気ばね(22) （ｂ）線路状態を検出する線路状態検出手段(12) （ｃ）車速を検出する車速検出手段(14) （ｄ）車体(32)の横方向加速度がほぼ０となるような車
体(32)の左右方向傾斜角を得る各空気ばね(22)の高さに
対応する空気量を目標空気量として線路状態検出手段(1
2)及び車速検出手段(14)からの入力データに基づいて演
算する目標空気量演算手段(16) （ｅ）各空気ばね(22)の空気量を目標空気量に制御する
空気量制御手段(18)

【００１０】請求項４の鉄道車両(30)の車体傾斜装置(1
0)では、請求項３の鉄道車両(30)の車体傾斜装置(10)に
おいて、さらに、次の（ｆ）及び（ｇ）の構成要素を有
している。 （ｆ）空気ばね(22)の現在空気量を空気ばね圧力及び空
気ばね高さから検出する現在空気量検出手段(20) （ｇ）目標空気量と現在空気量検出手段(20)の現在空気
量との差に基づいて空気ばね(22)の空気量をフィードバ
ック制御する空気量制御手段(18)

【００１１】請求項５の鉄道車両(30)の車体傾斜装置(1
0)では、請求項３又は４の鉄道車両(30)の車体傾斜装置
(10)において、さらに、線路状態検出手段(12)は、走行
地点におけるカント、レールねじれ、及び曲率半径を線
路状態として予め記憶し、基準地点からの走行距離に基
づいて各走行地点における線路状態を検出する。

【００１２】

【作用】請求項１の鉄道車両(30)の車体傾斜方法では、
左右の空気ばね(22)は、車体(32)の重量を台車(34)に支
持する。各空気ばね(22)は空気量に応じて高さを変化さ
せ、車体(32)は、左右の空気ばね(22)の高さの差に応じ
て左右方向傾斜角を変更される。各走行地点では、そこ
を通過する時の車体(32)の横方向加速度が０となるよう
な車体(32)の左右方向傾斜角を達成する各空気ばね(22)
の目標空気量が、線路状態及び車速に基づいて演算さ
れ、空気ばね(22)の空気量を目標空気量に合わせる制御
が行われる。

【００１３】請求項２の鉄道車両(30)の車体傾斜方法で
は、空気ばね(22)の現在空気量は空気ばね圧力及び空気
ばね高さから演算される。各空気ばね(22)は、空気量が
目標空気量となるように、フィードバック制御される。

【００１４】請求項３の鉄道車両(30)の車体傾斜装置(1
0)では、左右の空気ばね(22)は車体(32)の重量を台車(3
4)に支持する。空気ばね(22)は空気量に応じて高さを変
化させ、車体(32)は、左右の空気ばね(22)の高さの差に
応じて左右方向傾斜角を変更される。線路状態検出手段
(12)及び車速検出手段(14)はそれぞれ鉄道車両(30)の走
行地点の線路状態及び鉄道車両(30)の車速を検出する。
目標空気量演算手段(16)は、線路状態検出手段(12)及び
車速検出手段(14)により検出された線路状態及び車速に
基づいて、車体(32)の横方向加速度が０となるような車
体(32)の左右方向傾斜角を達成する各空気ばね(22)の空
気量を目標空気量として演算する。空気量制御手段(18)
は、目標空気量演算手段(16)が演算した目標空気量に空
気ばね(22)の空気量を合わせる。

【００１５】請求項４の鉄道車両(30)の車体傾斜装置(1
0)では、現在空気量検出手段(20)は空気ばね圧力及び空
気ばね高さから空気ばね(22)の現在空気量を演算する。
空気量制御手段(18)は、空気ばね(22)の空気量が目標空
気量となるように、フィードバック制御する。

【００１６】請求項５の鉄道車両(30)の車体傾斜装置(1
0)では、線路状態検出手段(12)は、基準地点からの走行
距離に基づいて、鉄道車両(30)の現在の走行地点を検出
し、予め記憶している走行地点の線路状態に係る情報か
ら現在の走行地点のカント、レールねじれ、及び曲率半
径を検出する。

【００１７】

【実施例】以下、この発明を図面の実施例について説明
する。図２は鉄道車両30の主要部の概略的な横断面図で
ある。車体32は前部及び後部において台車34に支持され
る。台車34は計４個の車輪36を前後左右に備え、左右の
車輪36は共通の車軸37の両端部に回転方向へ一体的に取
り付けられている。軸ばね38は、車軸37の両端部と台車
本体40との間に介在し、台車本体40を含む上側の重量を
車軸37に支持する。空気ばね22は、台車34において計２
個、左右対称に配設され、車体32の下面と台車本体40の
上面との間に介在して、車体32を含む上側の重量を台車
本体40に支持する。補助空気室42は、各空気ばね22に対
応して台車本体40に装備され、オリフィス44を介して対
応の空気ばね22へ連通し、空気ばね22と合わせた合計容
積を増大して、空気ばね22の柔らかさを増大させてい
る。なお、図２における沿字付き記号は後述の数式に使
用されているパラメータを指示している。

【００１８】図３は台車34における空気回路図である。
車体32は、加圧空気を貯留する１個の元溜48を装備して
いる。給気用電磁弁50及び排気用電磁弁52は、各空気ば
ね22ごとに設けられ、それぞれ元溜48から空気ばね22へ
の加圧空気の供給および空気ばね22からの加圧空気の排
出を制御する。給気用電磁弁50及び排気用電磁弁52の制
御により各空気ばね22の空気量を決めることができる。

【００１９】図４は鉄道車両30の車体傾斜装置10のハー
ドウェアの主要部の回路図である。図４において、空気
ばね圧力60、空気ばね高さ62、給気用電磁弁50、及び排
気用電磁弁52に”４”が付記されているが、これら空気
ばね圧力60、空気ばね高さ62、給気用電磁弁50、及び排
気用電磁弁52は１両の車体32につき各々４個ずつ装備さ
れていることを意味している。空気ばね圧力60及び空気
ばね高さ62の検出器は、各空気ばね22に対応して設けら
れ、それぞれ対応の空気ばね22の圧力及び高さを空気ば
ね圧力60及び空気ばね高さ62として検出する。元圧64の
検出器は元溜48の圧力を元圧64として検出する。車体横
加速度66の検出器は車体32の横方向加速度を車体横加速
度66として検出する。キロ地点68の検出器は基準地点か
らの走行距離をキロ地点68として検出する。走行速度70
の検出器は鉄道車両30の車速を走行速度70として検出す
る。これら空気ばね圧力60、空気ばね高さ62、元圧64、
車体横加速度66、キロ地点68、及び走行速度70は、入力
インターフェース72を介してＣＰＵ74へ入力される。メ
モリ76は全部の走行地点のカント、レールねじれ、及び
曲率半径を支障なく演算できる選択された走行地点のカ
ント、レールねじれ、及び曲率半径を線路状態として予
め記憶しており、ＣＰＵ74は、キロ地点68の入力データ
とメモリ76の記憶データに基づいて現走行地点のカン
ト、レールねじれ、及び曲率半径を検出する。ＣＰＵ74
は、空気ばね圧力60等の各入力データに基づいて給気用
電磁弁50及び排気用電磁弁52への制御出力を計算し、こ
の制御出力を、出力インターフェース78を介して給気用
電磁弁50及び排気用電磁弁52へ送り、各空気ばね22の空
気量を制御する。ＣＰＵ74は、また、種々の情報データ
を出力インターフェース78を介してモニタ80へ送り、モ
ニタ80において表示する。

【００２０】図１は鉄道車両30の車体傾斜装置10の機能
ブロック図である。線路状態検出手段12は、鉄道車両30
が現在走行している地点のカント、レールねじれ、及び
曲率半径を線路状態として検出する。車速検出手段14は
鉄道車両30の現在の車速を検出する。目標空気量演算手
段16は線路状態検出手段12及び車速検出手段14からの入
力データに基づいて目標空気量を演算する。現在空気量
検出手段20は空気ばね22の現在空気量を検出する。空気
量制御手段18は、目標空気量演算手段16及び現在空気量
検出手段20からの入力の差に基づいて空気ばね22の空気
量をフィードバック制御する。これにより、空気ばね22
の空気量は、目標空気量演算手段16が演算した目標空気
量に制御されて、車体32の左右方向傾斜角は、車体32内
の乗客が曲線通過時にもかかわらず、横方向加速度をほ
ぼ感じないような値にされる。

【００２１】図１の目標空気量演算手段16における目標
空気量の演算方法について説明する。共通の車体32を支
持する前後の台車34をそれぞれａ台車及びｂ台車として
いる。式における各記号の意味又は定義は次のとおりで
ある。

【００２２】［添字］ 記号 :意味（定義） 0 :レール面 1 :軸ばね部（あるいは車軸部） 2 :枕ばね部 a :前台車 b :後台車 r :ａ台車から見て右 l :ａ台車から見て左 B :車体 T :台車 d :差圧 P :圧力 K :ばね剛性 M :質量 C :カント Φ :角度 T :トルク L :長さ

【００２３】［座標］ 記号 :意味（定義） X :車両長手方向 Y :車両横方向 Z :車両高さ方向

【００２４】［各部］ 記号 :意味（定義） ＭB :車体質量（乗客を含む全質量） Ｚ1 :車軸高さ（レール面からの距離） Ｚ2 :枕ばね中心高さ（レール面からの距離） ＺB :車体重心高さ（レール面上からの高さ） Ｚ2A :枕ばね標準セット高さ Ｚ2ar，Ｚ2al，Ｚ2br，Ｚ2bl:枕ばねセット高さ Ｐ2ar，Ｐ2al，Ｐ2br，Ｐ2bl:枕ばね内圧 Ｋ2y :枕ばね横ばね剛性（１個当たり） Ａ2 :枕ばね有効受圧面積 Ｖ2 :枕ばね内容積（標準高さ） Ｖ2SUB :補助空気室容積（枕ばね１個当たり） Ｙ2a，Ｙ2b:枕ばね横変位量 Ｋ1z :軸ばね上下剛性（台車片側当たり） Ｙ1 :左右軸ばね間隔（の１／２） Ｙ2 :左右枕ばね間隔（の１／２） ＸT :心皿間距離 ＴB :車体ねじりトルク Ｋφ :車体相当ねじり剛性 Φ0a :ａ台車カント角 Φ0b :ｂ台車カント角 Φ1a :ａ台車軸ばね部傾斜角 Φ1b :ｂ台車軸ばね部傾斜角 Φ2a :ａ台車枕ばね部傾斜角 Φ2b :ｂ台車枕ばね部傾斜角 Ｒc :円曲線半径 ｎar，ｎal，ｎbr，ｎbl:空気質量 Ｒ :ガス定数 Ｔ :温度 ｖ :車速 Ｇ :重力加速度 Ｐa :大気圧（絶対圧）

【００２５】数（数式）１〜７はａ台車に関し、数（数
式）８〜１４はｂ台車に関する。数（数式）１，８は枕
ばねとしての空気ばね22における転倒モーメントのつり
あい式である。数（数式）２，９は軸ばね38における転
倒モーメントのつりあい式である。数（数式）３，１０
は台車34に対する車体32の横変位量の式である。数（数
式）４，１１は車体32の重量と空気ばね22の圧力とのつ
りあい式である。数（数式）５，１２は空気ばね部相対
角度と左右空気ばね22の高さとの関係式である。数（数
式）６，１３は台車34の右側空気ばね22内の空気状態式
である。数（数式）１４は台車34の左側の空気ばね22内
の空気状態式である。数（数式）１５は車体32のねじり
モーメント式である。数（数式）１６，１７はそれぞれ
ａ台車及びｂ台車の空気ばね22の平均高さの一定式であ
る。数（数式）１８は輪重抜け最小条件式である。数
（数式）１９は乗客の横方向加速度０の式である。

【００２６】

【数１】

【００２７】

【数２】

【００２８】

【数３】

【００２９】

【数４】

【００３０】

【数５】

【００３１】

【数６】

【００３２】

【数７】

【００３３】

【数８】

【００３４】

【数９】

【００３５】

【数１０】

【００３６】

【数１１】

【００３７】

【数１２】

【００３８】

【数１３】

【００３９】

【数１４】

【００４０】

【数１５】

【００４１】

【数１６】

【００４２】

【数１７】

【００４３】

【数１８】

【００４４】

【数１９】

【００４５】これら数式１〜１９において、変数は、
（１）Φ1a，（２）Φ2a，（３）ＴB，（４）Ｐ2al，
（５）Ｐ2ar，（６）Ｙ2a，（７）Ｚ2ar，（８）Ｚ2a
l，（９）ｎar，（１０）ｎal，（１１）Φ1b，（１
２）Φ2b，（１３）Ｐ2bl，（１４）Ｐ2br，（１５）Ｙ
2B，（１６）Ｚ2br，（１７）Ｚ2bl，（１８）ｎbr，
（１９）ｎblの１９個であり、これら１９個の連立方程
式を解くことにより、左右の空気ばね22の目標空気量で
あるｎar，ｎal，ｎbr，ｎblを求めることができる。

【００４６】現在空気量検出手段20における現在空気量
の計算は、数式６，７，１３，１４において、Ｐ2ar，
Ｐ2al，Ｐ2br，Ｐ2blに空気ばね圧力60の検出器からの
検出値を、また、Ｚ2ar，Ｚ2al，Ｚ2br，Ｚ2blに空気ば
ね高さ62の検出器からの検出値を代入して、左右の空気
ばね22の現在空気量であるｎar，ｎal，ｎbr，ｎblを求
める。

【００４７】

【発明の効果】請求項１，３の発明では、各走行地点に
おいて車体の横方向加速度を０とするような車体の左右
方向傾斜角に対応する空気ばねの空気量を目標空気量と
して、線路状態及び車速に基づいて演算するようになっ
ているので、適切な設定値を設定しにくい重み係数の使
用を排除して、良好な車体傾斜制御を行うことができ
る。

【００４８】請求項２，４の発明では、フィードバック
制御の重要パラメータとなる空気ばねの空気量を的確に
検出できる。

【００４９】請求項５の発明では、各走行地点の線路状
態に係る情報を的確かつ能率的に検出することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】鉄道車両の車体傾斜装置の機能ブロック図であ
る。

【図２】鉄道車両の主要部の概略的な横断面図である。

【図３】台車における空気回路図である。

【図４】鉄道車両の車体傾斜装置のハードウェアの主要
部の回路図である。

【符号の説明】

１０ 車体傾斜装置 １２ 線路状態検出手段 １４ 車速検出手段 １６ 目標空気量演算手段 １８ 空気量制御手段 ２０ 現在空気量検出手段 ２２ 空気ばね ３０ 鉄道車両 ３２ 車体 ３４ 台車

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気ばね(22)を車体(32)と台車(34)との
   間に左右に介在させ、各空気ばね(22)の空気量の増減に
   より各空気ばね(22)の高さを増減して、前記車体(32)の
   左右方向傾斜角を調整する鉄道車両(30)の車体傾斜方法
   において、（ａ）線路状態及び車速を検出し、（ｂ）前
   記車体(32)の横方向加速度がほぼ０となるような前記車
   体(32)の左右方向傾斜角を得る各空気ばね(22)の高さに
   対応する空気量を目標空気量として線路状態及び車速の
   検出データに基づいて演算し、（ｃ）各空気ばね(22)の
   空気量が目標空気量となるように制御する、ことを特徴
   とする鉄道車両の車体傾斜方法。
2. 【請求項２】 前記空気ばね(22)の現在空気量を空気ば
   ね圧力及び空気ばね高さから演算し、現在空気量が目標
   空気量となるようにフィードバック制御することを特徴
   とする請求項１記載の鉄道車両の車体傾斜方法。
3. 【請求項３】 （ａ）車体(32)と台車(34)との間に枕ば
   ねとして左右に介在するとともに空気量の増減により高
   さを増減して前記車体(32)の左右方向傾斜角を調整する
   空気ばね(22)、（ｂ）線路状態を検出する線路状態検出
   手段(12)、（ｃ）車速を検出する車速検出手段(14)、
   （ｄ）前記車体(32)の横方向加速度がほぼ０となるよう
   な前記車体(32)の左右方向傾斜角を得る各空気ばね(22)
   の高さに対応する空気量を目標空気量として前記線路状
   態検出手段(12)及び前記車速検出手段(14)からの入力デ
   ータに基づいて演算する目標空気量演算手段(16)、及び
   （ｅ）各空気ばね(22)の空気量を目標空気量に制御する
   空気量制御手段(18)、を有していることを特徴とする鉄
   道車両の車体傾斜装置。
4. 【請求項４】 （ｆ）前記空気ばね(22)の現在空気量を
   空気ばね圧力及び空気ばね高さから検出する現在空気量
   検出手段(20)、及び（ｇ）前記目標空気量と前記現在空
   気量検出手段(20)の現在空気量との差に基づいて前記空
   気ばね(22)の空気量をフィードバック制御する前記空気
   量制御手段(18)、を有していることを特徴とする請求項
   ３記載の鉄道車両の車体傾斜装置。
5. 【請求項５】 前記線路状態検出手段(12)は、走行地点
   におけるカント、レールねじれ、及び曲率半径を線路状
   態として予め記憶し、基準地点からの走行距離に基づい
   て各走行地点における線路状態を検出することを特徴と
   する請求項３又は４記載の鉄道車両の車体傾斜装置。