JP3661877B2

JP3661877B2 - 車両用制振装置

Info

Publication number: JP3661877B2
Application number: JP04120193A
Authority: JP
Inventors: 直人奥代
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-03-02
Filing date: 1993-03-02
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2020-06-22
Also published as: JPH06249284A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は車両用制振装置に係り、特に慣性質量を変位させて走行する車両の横方向の振動を制振する構成とした車両用制振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば鉄道用車両又はモノレール用車両においては、レール（軌道）に沿って走行する構成であり、高速走行時にレールの継ぎ目を通過する際、ポイントを通過する際、あるいは強い横風を受けた際、車両が横方向に振動することがある。
【０００３】
そのため、車両内の乗客は吊り革あるいは手摺りに掴まって、転ばないようにしなければならなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、従来の車両には、横方向の加速度が車両に作用してもそれを防止する手段が設けられてなく、車両の横揺れを防止することができず、乗り心地が悪く、車両は不安定な状態で走行していた。そのため、乗客は横揺れに耐えなければならず、特に通勤ラッシュ時になると、吊り革あるいは手摺りに掴まることのできない乗客も多く、車両に横揺れが生じた際には乗客の苦痛が大きいといった課題がある。
そこで、本発明は上記課題を解決した車両用制振装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、車両の底部に前記車両の進行方向に対する横方向に移動自在に設けられた慣性質量と、
該慣性質量を駆動させる駆動手段と、
前記車両の底部付近に設けられ、前記車両の進行方向に対する横方向の変位状態を検出する検出手段と、
該検出手段により検出された検出信号に基づいて前記駆動手段を駆動制御して前記車両の振動を制振するように前記慣性質量を駆動させる制御手段と、
よりなることを特徴とする。
【０００６】
【作用】
本発明によれば、車両の底部付近に設けられた検出手段により車両の横方向の変位状態を検出し、車両の横方向の変位状態に応じて車両の振動を制振するように車両の底部に設けられた慣性質量を車両の進行方向に対する横方向に駆動させることにより、車両に発生する横方向の振動を抑制し、走行安定性を向上させるとともに、乗り心地を向上させることができる。
【０００７】
【実施例】
図１乃至図３に本発明になる車両用制振装置の第１実施例が適用された鉄道用車両を示す。
【０００８】
各図中、鉄道用車両１は、車両本体２の底部に横方向（Ｘ方向）の振動（加速度）を制振するための一対の制振装置３ａ，３ｂが設けられている。この制振装置３ａ，３ｂは、大略、車両本体２の振動に応じて駆動される動吸振器４ａ，４ｂと、動吸振器４ａ，４ｂを駆動制御する制御装置（制御手段）７ａ，７ｂと、車両本体２の横方向の変位状態を加速度として検出する加速度センサ（検出手段）９ａ，９ｂとよりなる。
【０００９】
一対の動吸振器４ａ，４ｂは夫々車両本体２の底部に突出する支持部５，６間に設けられている。一方の動吸振器４ａは車両本体２の前部に設けられ、他方の動吸振器４ｂは車両本体２の後部に設けられており、上からみると車両本体２の中心Ｏに対して対称になるように配置されている。尚、上記加速度センサ９ａ，９ｂの代わりに車両本体２の変位状態を検出する他の形式のセンサ（例えば変位センサ、速度センサなど）を設けても良い。
【００１０】
又、一対の動吸振器４ａ，４ｂは夫々制御装置７ａ，７ｂにより個々に制御され、車両本体２の前部、後部の横方向の振動を制振するように駆動される。車両本体２の前部と後部には、夫々車両本体２の加速度を検出する加速度センサ９ａ，９ｂが設けられており、各制御装置７ａ，７ｂは加速度センサ９ａ，９ｂから出力された加速度信号に基づいて動吸振器４ａ，４ｂを駆動制御する。
【００１１】
１１，１２は台車で、車両本体２の前部と後部の底部に設けられ、夫々４個の車輪１３を転動自在に支持している。各車輪１３は車軸１４の両端に設けられ、レール１５上を転動する。又、車軸１４の両端はばね１６により押圧されており、台車１１，１２のベース１１ａ，１２ａはこのばね１６により弾力的に支持されている。又、台車１１，１２のベース１１ａ，１２ａの左右両端と車両本体２との間には空気ばね１７が介在し、車両本体２はこの空気ばね１７により弾力的に支持されている。
【００１２】
従って、車両本体２は上記ばね１６及び空気ばね１７を介して前部の台車１１と後部の台車１２上に載置された状態でレール１５に沿って走行するため、台車１２に上下方向の振動が発生した場合、ばね１６及び空気ばね１７によりその加速度が吸収される。
【００１３】
次に動吸振器４ａ，４ｂについて説明する。
【００１４】
上記動吸振器４ａ，４ｂはともに同一構成であるので、ここでは一方の動吸振器４ａの構成について説明する。
【００１５】
動吸振器４ａは、平板状の慣性質量１８と、この慣性質量１８の移動をガイドする一対のガイドシャフト１９，２０と、慣性質量１８を貫通しボールねじ機構２１に螺合するボールねじシャフト２２と、このボールねじシャフト２２を回転駆動する駆動モータ（駆動手段）２３とよりなる。
【００１６】
図３，図４に示すように、慣性質量１８はＸ方向に平行に横架された一対のガイドシャフト１９，２０に摺動自在に支持され、且つ一対のガイドシャフト１９，２０の中間をＸ方向に回転自在に横架されたボールねじシャフト２２に螺合されているため、ボールねじシャフト２２の回転量に応じてＸ方向に駆動される。従って、例えば車両１がレール１５の継ぎ目を通過する際、あるいは強い横風を受けた際に車両に生ずる横方向の加速度による変位と逆方向に慣性質量１８が移動して車両１に生ずる横方向の振動を制振する。
【００１７】
図５に示すように、制御装置７ａ，７ｂは、加速度センサ９ａ，９ｂから出力されたＸ方向の加速度信号のうち所定の周波数以下の加速度をカットするハイパスフィルタ２４と、このハイパスフィルタ２４を通過した加速度信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器２５と、このＡ／Ｄ変換器２５から出力された信号に基づいて動吸振器４ａ，４ｂへの制御量を演算するＣＰＵ２６と、ＣＰＵ２６から出力された制御量の信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器２７と、Ｄ／Ａ変換器２７から出力された信号に応じた電圧を駆動モータ２３に出力するモータドライバ２８とより大略構成されている。
【００１８】
尚、上記ハイパスフィルタ２４のカットオフ周波数は制振したい加速度の周波数よりも低い周波数（本実施例では、車両本体２の固有振動数である１ＫHzよりも低い値）に設定されている。
【００１９】
ここで、図６を参照して制振装置３ａのＣＰＵ２６が実行する制振処理につき説明する。
【００２０】
図６中、ＣＰＵ２６は例えば５msec毎に図６の処理を繰り返し実行している。ＣＰＵ２６はステップＳ１（以下「ステップ」を省略する）で、先ず、初期値（例えば、ばね１６及び空気ばね１７のばね定数、減衰係数、車両１の質量等）が入力される。
【００２１】
次に、Ｓ２で車両１にＸ方向への加速度が発生して加速度センサ９ａから加速度信号が出力されると、Ｓ３に進み加速度を２回積分して変位を求める。続いて、上記Ｓ１で入力された初期値に基づいて比例定数−ｋを求め、この比例定数−ｋをＳ３で算出された変位に掛けて駆動モータ２３への制御力ｕを求める。そして、Ｓ４でこの制御力ｕに指令値を掛けて車両１に発生したＸ方向の加速度の大きさに応じた電圧を求める。
【００２２】
その後、Ｓ５に進み、駆動モータ２３へ車両１に発生したＸ方向の加速度の大きさに応じた電圧を出力する。従って、車両１の前部及び後部が夫々Ｘａ方向に変位したときは、そのときの加速度，変位の大きさに応じた加速度で動吸振器４ａの慣性質量１８が共にＸｂ方向に駆動される。
【００２３】
尚、制振装置３ｂのＣＰＵ２６においても上記図６に示す処理を同様に実行している。
【００２４】
従って、車両１の前部がＸａ方向に変位し、車両１の後部がＸｂ方向に変位したときは、前部の動吸振器４ａの慣性質量１８がＸｂ方向に駆動され，後部の動吸振器４ｂの慣性質量１８がＸａ方向に駆動される。このように、車両１の前部及び後部のＸ方向の振動は各制御装置７ａ，７ｂにより個別に制御された動吸振器４ａ，４ｂの制振動作により制振される。よって、車両１の乗客はほとんどＸ方向の振動を感じることがなく、車両１の乗り心地がかなり向上するとともに車両１の走行安定性も向上し、より安全性も高められる。
【００２５】
又、車両１の走行安定性が向上するため、レール１５に作用する横方向の力が減少し、車輪１３によるレール１５の摩耗が緩和され、その結果レール１５の寿命が延びる。
【００２６】
ここで、上記制御力ｕを演算する際、Ｘ方向の加速度の大きさに応じた最適値を演算する演算方法についてさらに詳しく説明する。
【００２７】
本実施例では、上記構成の車両１を数学モデルに置き換えて動吸振器４ａ，４ｂへの制御量の最適値を演算する。
【００２８】
図７は上記構成とされた車両１をモデル化した図である。
【００２９】
同図中、ｍ₁は車両１の質量、ｘ₁は車両１のＸ方向の変位、ｍ₂は慣性質量１８の質量、ｘ₂は慣性質量１８の変位、ｋ₁は台車１１，１２に設けられたばね１６及び空気ばね１７のばね定数、ｃ₁は減衰係数である。この振動系においては、質量ｍ₁の振動は質量ｍ₂の変位方向及び加速度によってキャンセルされる。従って、質量ｍ₂の慣性質量１８を駆動するための制御量ｕの最適値は、質量ｍ₂に対するばね定数ｋ₂、減衰係数ｃ₂を任意に設定することにより求まる。
【００３０】
図７に示す物理座標系におけるシステムの状態ベクトルｘ^T（ｔ）、
【００３１】
【数１】

【００３２】
を用いて運動方程式を状態方程式で表現すると次式のようになる。
【００３３】
【数２】

【００３４】
但し、ｕ（ｔ）は制御ベクトル、ｐ（ｔ）は入力加速度である。
【００３５】
【数３】

【００３６】
以上の状態方程式で表せるシステムにおいて、動吸振器４ａ，４ｂの制振動作は図７におけるばね定数ｋ₂、減衰係数ｃ₂を任意に設定することにより最適化することができる。
【００３７】
１次モードに対する最適同調ω₂、最適減衰率ζ₂は次式のように表せる。
【００３８】

但し、ω₁は１次モードの固有振動数、μ₂は動吸振器４ａ，４ｂと車両１との質量比、Ｍ₁は最大振幅における１次モード等価質量である。
【００３９】
そして、ばね定数ｋ₂、減衰係数ｃ₂の最適値は次式により求まる。
【００４０】
ｋ₂＝ｍ₂・ω₂ ² …（８）
ｃ₂＝２ｍ₂・ω₂・ζ₂ …（９）
上記（８）（９）より動吸振器４ａ，４ｂの制御力ｕ（ｔ）は、次式により求まる。
【００４１】
【数４】

【００４２】
従って、動吸振器４ａ，４ｂは、上記のようにして演算された制御力で慣性質量１８が車両１の変位方向とは逆のＸ方向に駆動され、車両１のＸ方向の振動が制振される。
【００４３】
図８及び図９に本発明の第２実施例を示す。
【００４４】
両図中、３１はモノレール用車両で、車両本体３２の底部に横方向（Ｘ方向）の振動（加速度）を制振するための一対の制振装置３ａ，３ｂ（第１実施例の制振装置と同一構成）が設けられている。車両本体３２の上部には、一対のアーム３３，３４が設けられており、このアーム３３，３４に吊下されて走行する。
【００４５】
一方のアーム３３は車両本体３２の前部に設けられ、他方のアーム３４は車両本体３２の後部に設けられている。さらに、アーム３３，３４は上端が逆Ｕ字状に形成され、高所に設けられたコンクリート製のレール３５に嵌合する凹部３３ａ，３４ａを有する。この凹部３３ａ，３４ａの両側内壁には、レール３５の側面に転動自在に当接する車輪（図示せず）が設けられており、モノレール用車両３１はこの車輪が回転駆動されることによりレール３５に沿って走行する。
【００４６】
尚、上記のようにレール３５の側面を転動する車輪は、レール３５の凹凸通過による振動を吸収できるようにばね（図示せず）等により押圧支持されている。従って、モノレール用車両３１は、車両本体３２が上記一対のアーム３３，３４に吊下された状態で走行するため、例えばレール３５の継ぎ目を通過する際はＸ方向に揺れながら走行することになり、特に風の強い日には車両本体３２が直進しているときでも横風を受けて車両本体３２がＸ方向に揺れながら走行することになる。
【００４７】
そのため、上記車両本体３２の底部には、横方向（Ｘ方向）の振動（加速度）を制振するための一対の動吸振器４ａ，４ｂ（第１実施例の動吸振器と同一構成）が設けられている。一対の動吸振器４ａ，４ｂは夫々車両本体２の底部に突出する支持部５，６間に設けられている。一方の動吸振器４ａは車両本体２の前部に設けられ、他方の動吸振器４ｂは車両本体２の後部に設けられている。
【００４８】
又、一対の動吸振器４ａ，４ｂは夫々制御装置７ａ，７ｂにより個々に制御され、車両本体３２の前部、後部の横方向の振動を制振するように駆動される。車両本体３２の前部と後部には、夫々車両本体３２の加速度を検出する加速度センサ９ａ，９ｂが設けられており、各制御装置７ａ，７ｂは加速度センサ９ａ，９ｂから出力された加速度信号に基づいて動吸振器４ａ，４ｂの制御量ｕを演算し、動吸振器４ａ，４ｂの駆動モータ２３に制御量ｕに応じた電圧を供給する。
【００４９】
従って、動吸振器４ａ，４ｂはモノレール用車両３１がレール３５の凹凸あるいはカーブを通過する際、あるいは強い横風を受けた際、車両本体３２のＸ方向の振動をキャンセルする方向に慣性質量１８に駆動してモノレール用車両３１のＸ方向の振動を制振する。これにより、モノレール用車両３１は横揺れすることなく安定に走行することができ、乗り心地が向上する。
【００５１】
尚、制振装置の設置数は、１台の車両に対して３台以上設置する構成としてもよい。
【００５２】
又、上記実施例では、鉄道用車両とモノレール用車両とを一例として挙げたが、これに限らず、例えばリニアモータ用車両等にも適用できるのは勿論である。
【００５３】
又、上記実施例では、慣性質量をモータで駆動したが、駆動手段としてはこれに限らず、例えば油圧アクチュエータあるいは空気圧力により作動するアクチュエータなどを使用しても良い。
【００５４】
【発明の効果】
上述の如く、本発明になる車両用制振装置は、車両の底部付近に設けられた検出手段により車両の横方向の変位状態を検出し、車両の横方向の変位状態に応じて車両の振動を制振するように車両の底部に設けられた慣性質量を車両の進行方向に対する横方向に駆動させることにより、車両に発生する横方向の振動を抑制することができ、よって走行安定性を向上させるとともに、乗り心地を向上させることができる等の特長を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる車両用制振装置の第１実施例を説明するため車両を正面からみた要部を示す図である。
【図２】図１に示す鉄道用車両を側面からみた要部を示す図である。
【図３】図１に示す鉄道用車両を上方からみた図である。
【図４】慣性質量の縦断面図である。
【図５】制御装置の構成を示すブロック図である。
【図６】ＣＰＵが実行する処理を説明するためのフローチャートである。
【図７】鉄道用車両及び動吸振器の振動系を説明するための数学モデルの図である。
【図８】本発明になる第２実施例のモノレール用車両を正面からみた図である。
【図９】図８のモノレール用車両を側面からみた図である。
【符号の説明】
１鉄道用車両
２車両本体
３ａ，３ｂ制振装置
４ａ，４ｂ動吸振器
７ａ，７ｂ制御装置
９ａ，９ｂ加速度センサ
１１，１２台車
１８慣性質量
２３駆動モータ
３１モノレール用車両
３２車両本体
３３，３４アーム
３５レール

Claims

車両の底部に前記車両の進行方向に対する横方向に移動自在に設けられた慣性質量と、
該慣性質量を駆動させる駆動手段と、
前記車両の底部付近に設けられ、前記車両の進行方向に対する横方向の変位状態を検出する検出手段と、
該検出手段により検出された検出信号に基づいて前記駆動手段を駆動制御して前記車両の振動を制振するように前記慣性質量を駆動させる制御手段と、
よりなることを特徴とする車両用制振装置。