JP4284133B2

JP4284133B2 - 車両用気体圧サーボシリンダ、車両用気体圧サーボシリンダを含む車両動揺防止装置及び車両動揺防止装置を備える車両

Info

Publication number: JP4284133B2
Application number: JP2003311378A
Authority: JP
Inventors: 敏文原; 勝美佐々木; 智志小泉; 尚志根来; 修後藤
Original assignee: PNEUMATIC SERVO CONTROLS Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: PNEUMATIC SERVO CONTROLS Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2023-09-03
Also published as: JP2005075278A

Description

本発明は、車両用気体圧サーボシリンダ、これを含む車両動揺防止装置及び車両動揺防止装置を備える車両に係り、特に、車体の横方向動揺に抗する力を生じさせる車両用気体圧サーボシリンダ、これを含む車両動揺防止装置及び車両動揺防止装置を備える車両に関する。

最近の都市交通あるいは高速大量輸送手段としての軌道車両においては、車体の軽量化ならびに振動の少ない良好な乗心地を確保するために、車体を空気ばね又はコイルばねによって台車上に支持する構造が広く用いられている。このような車体支持装置においては、車体を支持する空気ばね又はコイルばねに対して常時車体重量が加わるので、縦方向には常に最適剛性の支持力を発揮することができ、この結果車両の走行速度の増加要求に対しても十分に対応することができる。

一方、車両がカーブを通過する際には、車体に横方向変位あるいは横方向動揺が生じ、特に車両編成が長い場合にその傾向が著しくなる。この横方向変位あるいは横方向動揺に対し、空気ばね又はコイルばねはその横方向剛性が不足する。そこで、例えば特許文献１では、台車と車体との間に空気シリンダを横方向に配置し、車体横変位に対して定圧横剛性を生じさせることが開示されている。また、特許文献２では、振り子車両においてカーブによる遠心力により車体が横方向に傾き過ぎないように、車体を支持する振り子はりと台車枠との間に空気圧サーボシリンダを配設することが開示されている。ここでは、車両が走行中に軌道から受け取るカーブ情報に応じて空気圧シリンダを制御して台車枠と振り子はりの間の距離を変えることで、振り子はりの振り子中心を中心として車体を適正にその横方向に傾斜させ、カーブ通過時の遠心力の影響を減少させる技術が提案されている。

特開２０００−２２５９４２号公報特開平１０−１２９４７８号公報

車体の横方向動揺を抑制するために従来技術に示されるような気体圧サーボシリンダを用いるとすれば、車体の受ける横方向加速度に応じて、気体圧サーボシリンダから横方向動揺に抗する力を発生させることが考えられる。しかし、横方向動揺抑制力を横方向加速度のフィードバックで制御することになるので、大きな衝撃等で車体が大きく変位したときに、ピストンが大きく移動しても加速度センサでは変位を監視できない。したがって、ピストンがそのまま過度に移動してシリンダ内壁に衝突し、破損等を起こす恐れがある。これを防ぐため、ストッパを設けることができるが、今度はストッパ自身の破損の問題や、構造が複雑になる問題が生ずる。そこで、シリンダ内の気体室の長さを延ばし、ピストンのストロークを、横方向動揺のためのストローク＋大きな衝撃等のための余裕ストロークとすることが考えられる。しかし、この場合には、シリンダ内の気体室容積が大きくなり、作動気体流量が増大し、例えばコンプレッサが大容量化する。

また、ピストンが大きく移動すると、車体は横方向に変位したまま、あるいは傾いたままになるので、車体をもとの中立位置に引き戻す手段を特別に備えることが必要になり、車両全体として複雑な構成となる。

本発明の目的は、かかる従来技術の課題を解決し、車体の横方向動揺に抗する力を生じさせる車両用サーボシリンダにおいて、作動気体流量を少なくすることである。また、本発明の他の目的は、車体の横方向動揺に抗する力を生じさせる車両用サーボシリンダにおいて、車体をもとの中立位置に引き戻す手段を別途備えなくてもよくすることである。本発明の更なる目的は、かかる車両用サーボシリンダと加速度センサを用いた車両動揺防止装置を提供することである。また、本発明の更なる他の目的は、かかる車両動揺防止装置を用いた車両を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明に係る車両用気体圧サーボシリンダは、台車上に空気ばね又はコイルばねを介して車体を載置する車両の台車と車体との間に設けられ、車体の横方向動揺に抗する力を生じさせる気体圧サーボシリンダにおいて、台車又は車体のいずれか一方に固定されるシリンダ筐体と、台車又は車体のいずれか他方に固定されるピストンロッドと、ピストンロッドに接続されシリンダ筐体内部を摺動可能なピストンリングとを有するピストンと、ピストンとシリンダ筐体との協働によりピストンリングの前後に形成される２つの圧力室であって、一方の圧力室が第１仕切りピストンによってピストンリング側の第１内側圧力室とシリンダ筐体の台車側の第１外側圧力室と、他方の圧力室が第２仕切りピストンによってピストンリング側の第２内側圧力室とシリンダ筐体の車体側の第２外側圧力室とにそれぞれ仕切られる圧力室と、気体圧発生部と第１内側圧力室とを接続し、第１内側圧力室用の制御気体圧を有する気体を供給する第１の制御気体圧供給路と、気体圧発生部と第２内側圧力室とを接続し、第２内側圧力室用の制御気体圧を有する気体を供給する第２の制御気体圧供給路と、気体圧発生部と、第１外側圧力室と第２外側圧力室とを接続し、第１外側圧力室と第２外側圧力室とに各制御気体圧のいずれよりも高い作動気体圧を有する気体を供給する作動気体圧供給路と、を含み、ピストンは、動揺の大きさに応じて供給される各内側圧力室へのそれぞれの制御気体圧の差である差圧により動揺に抗する力を生じさせ、仕切りピストンは、ピストンリングが過度に移動したときにピストンリングの移動につれて、外側圧力室の作動気体圧を受けることを特徴とする。

また、本発明に係る車両用気体圧サーボシリンダは、台車上に空気ばね又はコイルばねを介して車体を載置する車両において台車と車体との間に設けられ、車体の横方向動揺に抗する力を生じさせる気体圧サーボシリンダであって、台車又は車体のいずれか一方に固定されるシリンダ筐体と、台車又は車体のいずれか他方に固定されるピストンロッドと、ピストンロッドに接続されシリンダ筐体内部を摺動可能なピストンリングとを有するピストンと、ピストンとシリンダ筐体との協働によりピストンリングの前後に形成される圧力室と、ピストンリングの中立位置を挟んでピストンリングの作動範囲の限界位置である台車側と車体側の両側の位置にそれぞれ設けられ、ピストンリングの位置を検出する位置センサと、各圧力室に供給する気体圧を制御する気体圧制御部と、を含み、気体圧制御部は、ピストンリングの中立位置と検出位置とを比較して、ピストンリングが作動範囲内で変位するときは、各圧力室に供給するバイアス気体圧を予め定めた同じ気体圧に設定し、ピストンリングが作動範囲を超えて過度に変位するときは、過度に変位した側の圧力室に供給する一方側バイアス気体圧を大きく、反対側の圧力室に供給する他方側気体圧を小さく設定してピストンリングを中立位置に戻す方向に各圧力室に供給するバイアス気体圧を異ならせ、このように設定された各バイアス気体圧に対し動揺の大きさに応じた差圧を重畳して、各圧力室に供給する気体圧を制御することを特徴とする。

また、本発明に係る車両用気体圧サーボシリンダにおいて、各圧力室が仕切りピストンによってピストンリング側の内側圧力室とその外側の外側圧力室とにそれぞれ仕切られ、仕切りピストンは、ピストンリングが過度に移動したときにピストンリングの移動につれて外側圧力室側に移動することが好ましい。

また、本発明に係る車両動揺防止装置は、請求項１乃至３のいずれか１に記載の車両用気体圧サーボシリンダと、車体の揺れを検知する加速度センサと、加速度センサの出力信号を演算処理する制御器と、制御器により演算処理された加速度センサの出力信号に応じて開閉され、車両用気体圧サーボシリンダに供給される気体圧を制御する制御弁と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る車両は、請求項４に記載の車両動揺防止装置を備えることを特徴とする。

上記構成により、本発明に係る車両用気体圧サーボシリンダは、ピストンとシリンダ筐体とによって形成される圧力室は、都合４つの圧力室を備える。すなわち、もともとピストンリングの前後に形成される２つの気体室があり、その２つの気体室がそれぞれ別個の仕切りピストンによってピストンリング側の内側圧力室とその外側の外側圧力室とにそれぞれ仕切られる。そして、ピストンリングの両側における２つの内側圧力室に動揺の大きさに応じた気体圧が供給される。つまり、各仕切りピストンは、ピストンとシリンダ筐体とによって形成される圧力室を仕切り、動揺の抑制のために用いられる圧力室の容積を小さくする機能を有している。また、仕切りピストンは、通常は仕切り機能を有しているだけであるが、ピストンリングが過度に移動したときにピストンリングの移動につれて外側圧力室側に移動する機能を有する。つまり、仕切りピストンは、衝撃等のときに、ピストンリングの過度の動きを受け止めて外側圧力室の容積を減らしつつ移動する機能も有している。このようにして、衝撃等のときに、ピストンリングの過度の動きを可能にしつつ、動揺の抑制のために用いられる圧力室の容積を小さくできるので、車両用気体圧サーボシリンダにおいて作動気体流量を少なくすることができる。

また、上記構成により、車両用気体圧サーボシリンダにおける気体圧制御部は、バイアス気体圧に対し動揺の大きさに応じた差圧を重畳して各圧力室に気体圧を供給する。そして、位置センサによってピストンリングの位置を検出し、ピストンリングの中立位置と検出位置とを比較して、ピストンリングを中立位置に戻す方向に各圧力室に供給するバイアス気体圧をそれぞれ設定する。したがって、ピストンリングが過度に動いたときは、ピストンリングを引き戻すように気体圧が設定される。したがって、車両をもとの中立位置に引き戻す手段をこの気体圧サーボシリンダの他に別途備えなくてもよい。

すでに述べたように、加速度センサと気体圧サーボシリンダとを用いて車両の動揺防止を図ろうとすると、大きな衝撃等で車体が大きく変位したときに、加速度センサでは変位を監視できず、ピストンが大きく移動してしまい、また車体を元に戻すことができないことが課題であった。上記のように、本発明に係る車両用気体圧サーボシリンダを用いることで、これらの課題は解決する。そこで、本発明に係る車両動揺防止装置は、上記の車両用気体圧サーボシリンダを用い、車体の揺れを検知する加速度センサを備え、加速度センサの出力信号に応じて開閉する制御弁により、車両用気体圧サーボシリンダに供給する気体を制御する。このように、加速度センサで揺れを検知し、上記の車両用気体圧サーボシリンダで振動を抑えることで、車体の左右動揺を大幅に軽減することができる。例えば、本発明に係る車両動揺防止装置を備えた車両においては、従来例に比較して、車体の左右動揺をおよそ１／２に抑制することが可能である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。なお、以下において、車両用気体圧サーボシリンダが適用される軌道車両としては、空気ばねが台車と車体との間に設けられ、コイルばねが台車と車軸との間に設けられる構造のものとして説明するが、これ以外の構造、例えば、板ばね等のばねを用いてもよく、またこれ以外のばねの取り付け位置であってもよい。また、車両として、車体を支持する振り子はりと傾斜手段を通じて振り子はりを傾斜可能にレール上で支持する台車とを備える振り子車両であってもよい。

図１は、本発明に係る車両用気体圧サーボシリンダ３０が適用される車両１０の構成図である。なお、図１では、車両１０が、カーブを通過するために傾いている状態が示されている。車両１０は、車体１２と、台車１４と、車体１２と台車１４との間に設けられた空気ばね１６と、車体１２に取り付けられた中心ピン１８とを備える。また、車両１０は、車輪２０を支持する車軸と、車軸と台車１４との間に設けられたコイルばね２２を備える。車輪２０はレール２４の上を走行可能である。そして、車体１２と一体の中心ピン１８と台車１４との間に、車体１２の横方向変位を引き戻すためのセンタリングシリンダ２６と、車体１２の横方向動揺を防止するための本発明に係る車両用気体圧サーボシリンダ３０とを備える。

図２は本発明に係る車両用気体圧サーボシリンダ３０の構成図である。車両用気体圧サーボシリンダ３０は、シリンダ本体部４０と、シリンダ本体部４０に所定の気体圧を有する気体を供給する気体圧発生部７０と、加速度センサ７４の出力に応じて気体圧発生部７０を制御する気体圧制御部７２とを含む。

シリンダ本体部４０におけるシリンダ筐体４２は、概略円筒状の形状をなし、内面はピストンリング４４が摺動可能な仕上げ面を有し、その一端には、ピストンリング４４に固定されたピストンロッド４６が出し入れされる開口部を有する。ピストンリング４４は、概略円板状の形状をなし、その外周はシリンダ筐体４２の内面と気密な状態で摺動可能な仕上げ面を有する。ピストンリング４４とピストンロッド４６とは、いわゆるピストンを構成する。シリンダ筐体４２は台車１４に取り付けられ、ピストンロッド４６は車体１２と一体の中心ピン１８に取り付けられる。

第１仕切りピストン４８と第２仕切りピストン５０とは、概略つばつきの円板状の形状を有し、ピストンリング４４の両側に配置される。すなわち、シリンダ筐体４２の台車１４側端部とピストンリング４４の間に第１仕切りピストン４８が、シリンダ筐体４２の中心ピン１８側端部とピストンリング４４の間に第２仕切りピストン５０が配置される。シリンダ筐体４２の内面には、第１仕切りピストン４８及び第２仕切りピストン５０のつばの部分に対応する段差が設けられ、その段差部分で第１仕切りピストン４８及び第２仕切りピストン５０のピストンリング４４側への移動が制限される。第１仕切りピストン４８と第２仕切りピストン５０のつば部分でない円板部分の外周はシリンダ筐体４２の内面と気密な状態で摺動可能な仕上げ面を有する。

したがって、シリンダ筐体４２とピストンリング４４との協働により、ピストンリング４４の前後に２つの圧力室が形成されるが、その２つの圧力室は、さらに第１仕切りピストン４８と第２仕切りピストン５０によって２つずつに仕切られる。すなわち、ピストンリング４４と第１仕切りピストン４８との間に第１内側圧力室５２が、ピストンリング４４と第２仕切りピストン５０との間に第２内側圧力室５４が、第１仕切りピストン４８の外側とシリンダ筐体４２の台車１４側端部との間に第１外側圧力室５６が、第２仕切りピストン５０の外側とシリンダ筐体４２の中心ピン１８側端部との間に第２外側圧力室５８が、それぞれ形成される。

気体圧発生部７０は、シリンダ本体部４０の各圧力室に所定の気体圧を有する気体を供給する機能を有し、例えば、アクチュエータの制御により発生する気体圧を制御できるサーボ制御弁を用いることができる。具体的には、第１制御気体圧Ｐ₁が第１内側圧力室５２に、第２制御気体圧Ｐ₂が第２内側圧力室５４に、作動気体圧Ｐ_Sが第１外側圧力室５６及び第２外側圧力室５８にそれぞれ供給される。作動気体圧Ｐ_Sは、気体圧制御部７２の制御を受けない生の気体圧で、例えば８バールとすることができる。

気体圧制御部７２は、横方向の動揺の大きさを検出する加速度センサ７４の出力に応じ、気体圧発生部７０のアクチュエータへの入力信号を生成する機能を有し、一般的な制御回路で構成することができる。具体的には、横方向の動揺に抗するための必要な力をＦとし、ピストンリング４４の気体圧を受ける片側の面積をＡとして、Ｆ／Ａ＝２ΔＰを算出し、バイアス気体圧Ｐ_Bに±ΔＰの差動圧を重畳させ、一方を第１制御気体圧Ｐ₁＝Ｐ_B＋ΔＰとし、他方を第２制御気体圧Ｐ₂＝Ｐ_B−ΔＰとする。バイアス気体圧Ｐ_Bは、例えば作動気体圧Ｐ_Sの１／２である４バールとすることができ、Ｐ_B＋ΔＰは作動気体圧Ｐ_Sを超えないようにする。このようにして、加速度センサ７４の出力に応じ第１制御気体圧Ｐ₁及び第２制御気体圧Ｐ₂を求め、この気体圧に対応するアクチュエータへの入力信号を発生させて気体圧発生部７０に入力する。

かかる構成の作用を説明する。車両１０が走行中カーブを曲がるとき等において、横方向の動揺を受けると、その大きさは、車体１２と一体の中心ピン１８等に設けられた加速度センサ７４により検出される。検出された加速度信号は気体圧制御部７２に入力され、その大きさに応じ、第１制御気体圧Ｐ₁及び第２制御気体圧Ｐ₂に対応する制御信号が生成され、気体圧発生部７０に供給される。気体圧発生部７０では、作動気体圧Ｐ_Sから第１制御気体圧Ｐ₁及び第２制御気体圧Ｐ₂が生成され、それぞれ第１内側圧力室５２及び第２内側圧力室５４に供給される。この第１制御気体圧Ｐ₁及び第２制御気体圧Ｐ₂の圧力差である差動圧ΔＰにより、ピストンリング４４が駆動され、ピストンロッド４６に横方向の動揺に抗する力が発生する。

このとき、第１外側圧力室５６及び第２外側圧力室５８には、作動気体圧Ｐ_Sが供給される。作動気体圧Ｐ_Sは第１制御気体圧Ｐ₁及び第２制御気体圧Ｐ₂のいずれよりも高圧であるので、第１仕切りピストン４８も第２仕切りピストン５０もピストンリング４４側に押され、そのつば部分で止まっている状態にある。すなわち第１制御気体圧Ｐ₁及び第２制御気体圧Ｐ₂が変動しても、±ΔＰの範囲ならば、第１仕切りピストン４８も第２仕切りピストン５０の位置は変わらない。したがって、動揺の抑制のためのピストンリング４４の作動範囲に要する作動気体流量は、第１仕切りピストン４８と第２仕切りピストン５０の間の容積で規制することができる。

車体１２が横方向に変位しても、それが緩やかな変位のときは、センタリングシリンダ２６により車体１２が中立位置に引き戻される。しかし、例えば急カーブや衝撃等の急激な変位においてはセンタリングシリンダ２６の応答の前に、中心ピン１８が大きく変位し、ピストンリング４４が大きく移動することが起こる。図３と図４はそのような場合のシリンダ本体部４０内部の様子を示す図である。図３においては、ピストンリング４４が過度に台車１４側に移動し、第１仕切りピストン４８に衝突し、第１仕切りピストン４８ごと第１外側圧力室５６側に移動した様子が示される。図４は逆に、ピストンリング４４が過度に中心ピン１８側に移動し、第２仕切りピストン５０に衝突し、第２仕切りピストン５０ごと第２外側圧力室５８側に移動した様子が示される。このように、ピストンリング４４が過度に移動するときは、各仕切りピストンは、ピストンリング４４の移動につれ、外側圧力室の高い圧力、すなわち８バールの作動気体圧Ｐ_Sを受けることになる。このように、仕切りピストンを設けることで、衝撃等のときに、ピストンリングの過度の動きを可能にしつつ、動揺の抑制のために用いられる圧力室の容積を小さくでき、作動気体流量を少なくすることができる。

次に、他の実施の形態に係る車両用気体圧サーボシリンダ１３０につき説明する。この実施の形態における車両用気体圧サーボシリンダ１３０は、車両１０がセンタリングシリンダ２６を備えていなくても良好に横方向の動揺を防止し、衝撃等でピストンリングが過度に行過ぎても中立位置に戻すことができるものである。車両１０の構成は、図１においてセンタリングシリンダ２６を除いたのみであるので、共通の要素には同一の符号を用いることとし、詳細な説明を省略する。図５は、この実施の形態に係る車両用気体圧サーボシリンダ１３０の構成図である。車両用気体圧サーボシリンダ１３０は、シリンダ本体部１４０と、シリンダ本体部１４０に所定の気体圧を有する気体を供給する気体圧発生部１７０と、加速度センサ１７４の出力及び位置センサ１７８，１８０の出力に応じて気体圧発生部１７０を制御する気体圧制御部１７２とを含む。

シリンダ本体部１４０におけるシリンダ筐体１４２は、概略円筒状の形状をなし、内面はピストンリング１４４が摺動可能な仕上げ面を有し、その一端には、ピストンリング１４４に固定されたピストンロッド１４６が出し入れされる開口部を有する。ピストンリング１４４は、概略円板状の形状をなし、その外周はシリンダ筐体１４２の内面と気密な状態で摺動可能な仕上げ面を有する。ピストンリング１４４とピストンロッド１４６とは、いわゆるピストンを構成する。シリンダ筐体１４２は台車１４に取り付けられ、ピストンロッド１４６は車体１２と一体の中心ピン１８に取り付けられる。したがって、シリンダ筐体１４２とピストンリング１４４との協働により、ピストンリング１４４の前後に第１圧力室１５２と第２圧力室１５４が形成される。

ピストンリング１４４には磁石１７６が埋め込まれ、シリンダ筐体１４２には２個の磁気に感ずる位置センサ１７８，１８０が埋め込まれる。位置センサ１７８，１８０の位置は、ピストンリング１４４がその位置にきたときの位置に対応するが、図５に示すＸ方向に沿ってピストンリング１４４の中立位置をＸ₀とし、横方向の動揺に抗して作動するときのピストンリング１４４の作動範囲を２ΔＸとして、Ｘ₀±ΔＸの位置に設けるのが好ましい。すなわち、一方の位置センサ１７８をＸ₁＝Ｘ₀−ΔＸの位置に、他方の位置センサ１７８をＸ₂＝Ｘ₀＋ΔＸの位置に設けることが好ましい。なお、ピストンリングの位置検出には、他の方法、例えば、ピストンリングに一体として移動するピストンロッドの位置を光学的センサ等で検出する方法等を用いてもよい。

気体圧発生部１７０は、シリンダ本体部１４０の各圧力室に所定の気体圧を有する気体を供給する機能を有し、例えば、アクチュエータの制御により発生する気体圧を制御できるサーボ制御弁を用いることができる。具体的には、第１制御気体圧Ｐ₁が第１圧力室１５２に、第２制御気体圧Ｐ₂が第２圧力室１５４にそれぞれ供給される。

気体圧制御部７２は、横方向の動揺の大きさを検出する加速度センサ１７４及び位置センサ１７８，１８０の出力に応じ、気体圧発生部７０のアクチュエータへの入力信号を生成する機能を有し、一般的な制御回路で構成することができる。具体的には、横方向の動揺に抗するための必要な力をＦとし、ピストンリング１４４の気体圧を受ける片側の面積をＡとして、Ｆ／Ａ＝２ΔＰを算出し、バイアス気体圧に重畳させる差動圧±ΔＰを求める。すなわち差動圧±ΔＰの大きさは加速度センサ１７４の出力に応じて定める。

これに対し、バイアス気体圧は位置センサ１７８，１８０の出力に応じて定める。図６は、ピストンリング１４４の位置を横軸に取り、縦軸に気体圧を取って、ピストンリングの位置とバイアス気体圧の関係を示した図である。ピストンリング１４４の位置がＸ₁＝Ｘ₀−ΔＸとＸ₂＝Ｘ₀＋ΔＸの間にある場合は、バイアス気体圧は、作動気体圧Ｐ_Sの１／２とすることができる。ここで作動気体圧Ｐ_Sは、気体圧制御部７２の制御を受けない生の気体圧で、例えば８バールとすることができる。したがって第１制御気体圧Ｐ₁を４バール＋ΔＰとし、第２制御気体圧Ｐ₂を４バール−ΔＰとすることができる。

ピストンリング１４４の位置がＸ₀±ΔＸの範囲を超えて過度に変位したときは第１制御気体圧Ｐ₁のバイアス気体圧と第２制御気体圧Ｐ₂のバイアス気体圧を別の値にする。例えば、ピストンリング１４４の位置がＸ₀−ΔＸより−Ｘ方向に過度に変位しているときは、第１制御気体圧Ｐ₁のバイアス気体圧を６バールとし、第２制御気体圧Ｐ₂のバイアス気体圧を２バールとすることができる。逆に、ピストンリング１４４の位置がＸ₀＋ΔＸより＋Ｘ方向に過度に変位しているときは、第１制御気体圧Ｐ₁のバイアス気体圧を２バールとし、第２制御気体圧Ｐ₂のバイアス気体圧を６バールとすることができる。すなわち、バイアス気体圧についてピストンリング１４４を挟んで一方側が高く他方側を低くすることで、ピストンリング１４４を中立位置Ｘ₀に引き戻す力を与えるようにする。したがって、前者のときは、第１制御気体圧Ｐ₁＝６バール＋ΔＰ、第２制御気体圧Ｐ₂＝２バール−ΔＰとなり、後者の場合には、第１制御気体圧Ｐ₁＝２バール＋ΔＰ、第２制御気体圧Ｐ₂＝６バール−ΔＰとなる。

このように、気体圧制御部１７２は、加速度センサ１７４の出力に応じ第１制御気体圧Ｐ₁及び第２制御気体圧Ｐ₂についての差動圧±ΔＰを求め、位置センサ１７８，１８０の出力に応じピストンリング１４４を中立位置に戻す方向のバイアス気体圧を求め、これらから求められる第１制御気体圧Ｐ₁及び第２制御気体圧Ｐ₂に対応するアクチュエータへの入力信号を発生させて、気体圧発生部１７０に入力する。

かかる構成の作用を説明する。車両１０が走行中カーブを曲がるとき等において、横方向の動揺を受けると、その大きさは、車体１２と一体の中心ピン１８等に設けられた加速度センサ１７４により検出され、ピストンリング１４４の位置が位置センサ１７８，１８０により検出される。これらのデータは気体圧制御部１７２に入力される。位置センサ１７８，１８０の出力がゼロのときは、ピストンリング１４４の位置がＸ₁＝Ｘ₀−ΔＸとＸ₂＝Ｘ₀＋ΔＸの間にある場合であるので、ピストンリング１４４前後の各圧力室に対するバイアス気体圧を同じ値、例えば４バールにされる。このバイアス気体圧に加速度信号の大きさに応じた差動圧±ΔＰを重畳させて第１制御気体圧Ｐ₁及び第２制御気体圧Ｐ₂に対応する制御信号が生成され、気体圧発生部１７０に供給される。

気体圧発生部１７０では、作動気体圧Ｐ_Sから第１制御気体圧Ｐ₁及び第２制御気体圧Ｐ₂が生成され、それぞれ第１圧力室１５２及び第２圧力室１５４に供給される。この第１制御気体圧Ｐ₁及び第２制御気体圧Ｐ₂の圧力差である差動圧ΔＰにより、ピストンリング１４４が駆動され、ピストンロッド１４６に横方向の動揺に抗する力が発生する。

急カーブや衝撃等により車体１２が急激に変位すると、ピストンリング１４４が大きく移動して、位置センサ１７８，１８０に出力が現れる。その様子を図７と図８に示す。図７は、ピストンリング１４４の位置がＸ₁＝Ｘ₀−ΔＸから−Ｘ方向に過度に行過ぎ、位置センサ１７８が磁石１７６を検知した出力が現れるときで、図８は逆に、ピストンリング１４４の位置がＸ₁＝Ｘ₀＋ΔＸから＋Ｘ方向に過度に行過ぎ、位置センサ１８０が磁石１７６を検知した出力が現れるときである。これらのときには、図６で説明したように、気体圧制御部１７２において、位置センサ１７８，１８０の出力に応じ、バイアス気体圧についてピストンリング１４４を挟んで一方側が高く他方側を低くし、図７及び図８に矢印で示すように、ピストンリング１４４を中立位置Ｘ₀に引き戻す力を与えるように制御が行われる。

このように、車両用気体圧サーボシリンダにピストンリングの位置を検出する位置センサを設けることで、良好に横方向の動揺を防止し、衝撃等でピストンリングが過度に行過ぎた場合でも中立位置に戻すことができる。すなわち、センタリングシリンダのような車両をもとの中立位置に引き戻す特別な手段をこの気体圧サーボシリンダの他に別途備える必要がなく、車両全体の構成を簡素なものとすることができる。

上記において、位置センサは、横方向の動揺に抗して作動するときにおけるピストンリングの作動範囲の両端にそれぞれ配置される場合を説明した。このように離散的に位置センサを配置する代わりに、連続的にピストンリングの位置を検出するリニア型の位置センサを用いてもよい。この場合には、ピストンリングの中立位置と位置センサにより検出された検出位置とを連続的に比較できる。したがって、バイアス気体圧をピストンリングの位置に応じて連続的に変化させることができる。その様子を図９に示す。図９は横軸にピストンリングの位置Ｘを取り、縦軸に気体圧を取ったもので、実線が第１制御気体圧Ｐ₁を、破線が第２制御気体圧Ｐ₂を示す。図９に示すように、ピストンリングの位置に対するバイアス気体圧Ｐ_B1，Ｐ_B2の変化方向が第１制御気体圧Ｐ₁と第２制御気体圧Ｐ₂とで逆になるように設定される。このことで、ピストンリングが中立位置から変位しても、元へ戻す力が働きつつ、横方向の動揺に抗する力を発生させることができる。

図１０は、第１仕切りピストン４８と第２仕切りピストン５０とを含み、さらにピストンリング１４４に磁石１７６が埋め込まれ、シリンダ筐体２４２に位置センサ１７８，１８０が埋め込まれた車両用気体圧サーボシリンダ２３０の構成図である。この車両用気体圧サーボシリンダ２３０は、上記実施例１と実施例２とを組み合わせたもので、その作用も上記実施例１と実施例２をあわせたものとなる。すなわち、ピストンリング１４４が過度に行過ぎると、第１仕切りピストン４８と第２仕切りピストン５０により受け止められる。それとともに、位置センサ１７８，１８０によりピストンリング１４４の位置を検出し、気体圧制御部２７２により元の中立位置に戻すようにバイアス気体圧が変更される。

すでに述べたように、実施例１では第１仕切りピストン４８と第２仕切りピストン５０の作用により、横方向の動揺に抗する力を発生するための圧力室を小さくできて作動気体流量を少なくすることができたが、ピストンリング１４４の変位を元に戻すのにはセンタリングシリンダが必要である。一方、実施例２では、位置センサ１７８，１８０を設けることでセンタリングシリンダを不要とすることができるが、横方向の動揺に抗する力を発生するための圧力室を小さくすることができない。これに対し、図１０に示す車両用気体圧サーボシリンダ２３０によれば、車体の横方向動揺に抗する力を生じさせるための作動気体流量を少なくでき、さらにもとの中立位置に引き戻す手段を別途備える必要がなく、車両全体の構成を簡素なものとできる。

上記のように、本発明に係る車両用気体圧サーボシリンダによれば、例えば実施例１及び３において、仕切りピストンの作用により、衝撃等のときにピストンリングの過度の動きを吸収でき、実施例２及び３において、位置センサを用いることでピストンリングの過度の動きを中立位置に引き戻すことができる。したがって、変位を監視することなく、加速度センサにより直接車体の揺れを検知し、これに基づき車両用気体圧サーボシリンダに供給する気体を制御し、動揺を防止することができる。

図１１は、本発明に係る車両動揺防止装置３６０を備える車両３１０の構成を示す図である。図１と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図１１において、加速度センサ３７４は、車体１２の横方向動揺の検出に適した個所に設けられる。その位置は図２に示す中心ピン１８でなくてもよく、例えば、車体の床、あるいは客席の高さの位置でもよい。加速度センサ３７４が検知した車体の揺れに関する加速度信号は、制御器３７２に入力される。

制御器３７２は、車体の乗り心地等をよくするために車体の動きを制御する機能を有する。ここでは、少なくとも加速度センサ３７４が検知した加速度信号を演算処理し、制御弁３７０を制御するに適した信号を生成する機能を有する。なお、図２、図５、図１０においては、この制御器３７２に対応するものとして気体圧制御部７２、１７２，２７２を示してある。

制御弁３７０は、制御器３７２によって演算処理された加速度センサの出力信号に応じて開閉を行うサーボ弁であって、その開閉により車両用気体圧サーボシリンダ３０に供給される気体を制御する機能を有する。かかる制御弁３７０としては、直動型サーボバルブ等を用いることができる。なお、図２、図５、図１０においては、この制御弁３７０に対応するものとして、気体圧発生部７０、１７０，２７０を示してある。

このように、車両動揺防止装置３６０を車両３１０に搭載することで、加速度センサ３７４で揺れを検知し、車両用気体圧サーボシリンダ３０で動揺をより効果的に抑制することができる。

車両の乗り心地改善のため、横方向の動揺を抑えるサーボシリンダに利用できる。また、このサーボシリンダを用いて、車両動揺防止装置に利用できる。さらに、この車両動揺防止装置を用いて、車両に利用できる。

本発明に係る車両用気体圧サーボシリンダが適用される車両の構成図である。本発明に係る実施の形態における車両用気体圧サーボシリンダの構成図である。本発明に係る実施の形態において、仕切りピストンの作用を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、仕切りピストンの作用を説明する図である。他の実施の形態に係る車両用気体圧サーボシリンダの構成図である。他の実施の形態において、ピストンリングの位置とバイアス気体圧の関係を示した図である。他の実施の形態において、ピストンリングが大きく移動したときに引き戻される様子を示す図である。他の実施の形態において、ピストンリングが大きく移動したときに引き戻される様子を示す図である。他の実施の形態における変形として、バイアス気体圧をピストンリングの位置に応じて連続的に変化させる例を示す図である。さらに他の実施の形態に係る車両用気体圧サーボシリンダの構成図である。本発明に係る実施の形態における車両動揺防止装置を備えた車両の構成図である。

符号の説明

１０，３１０車両、１２車体、１４台車、１６空気ばね、１８中心ピン、２２コイルばね、２６センタリングシリンダ、３０，１３０，２３０車両用気体圧サーボシリンダ、４０，１４０，２４０シリンダ本体部、４２，１４２，２４２シリンダ筐体、４４，１４４ピストンリング、４６ピストンロッド、４８，５０仕切りピストン、５２第１内側圧力室、５４第２内側圧力室、５６第１外側圧力室、５８第２外側圧力室、７０，１７０，２７０気体圧発生部、７２，１７２，２７２気体圧制御部、７４，１７４，３７４加速度センサ、１５２第１圧力室、１５４第２圧力室、１７６磁石、１７８，１８０位置センサ、３７０制御弁、３７２制御器。

Claims

台車上に空気ばね又はコイルばねを介して車体を載置する車両の台車と車体との間に設けられ、車体の横方向動揺に抗する力を生じさせる気体圧サーボシリンダにおいて、
台車又は車体のいずれか一方に固定されるシリンダ筐体と、
台車又は車体のいずれか他方に固定されるピストンロッドと、ピストンロッドに接続されシリンダ筐体内部を摺動可能なピストンリングとを有するピストンと、
ピストンとシリンダ筐体との協働によりピストンリングの前後に形成される２つの圧力室であって、一方の圧力室が第１仕切りピストンによってピストンリング側の第１内側圧力室とシリンダ筐体の台車側の第１外側圧力室と、他方の圧力室が第２仕切りピストンによってピストンリング側の第２内側圧力室とシリンダ筐体の車体側の第２外側圧力室とにそれぞれ仕切られる圧力室と、
気体圧発生部と第１内側圧力室とを接続し、第１内側圧力室用の制御気体圧を有する気体供給する第１の制御気体圧供給路と、
気体圧発生部と第２内側圧力室とを接続し、第２内側圧力室用の制御気体圧を有する気体供給する第２の制御気体圧供給路と、
気体圧発生部と、第１外側圧力室と第２外側圧力室とを接続し、第１外側圧力室と第２外側圧力室とに各制御気体圧のいずれよりも高い作動気体圧を有する気体を供給する作動気体圧供給路と、
を含み、
ピストンは、動揺の大きさに応じて供給される各内側圧力室へのそれぞれの制御気体圧の差である差圧により動揺に抗する力を生じさせ、
仕切りピストンは、ピストンリングが過度に移動したときにピストンリングの移動につれて、外側圧力室の作動気体圧を受けることを特徴とする車両用気体圧サーボシリンダ。
台車上に空気ばね又はコイルばねを介して車体を載置する車両において台車と車体との間に設けられ、車体の横方向動揺に抗する力を生じさせる気体圧サーボシリンダであって、
台車又は車体のいずれか一方に固定されるシリンダ筐体と、
台車又は車体のいずれか他方に固定されるピストンロッドと、ピストンロッドに接続されシリンダ筐体内部を摺動可能なピストンリングとを有するピストンと、
ピストンとシリンダ筐体との協働によりピストンリングの前後に形成される圧力室と、
ピストンリングの中立位置を挟んでピストンリングの作動範囲の限界位置である台車側と車体側の両側の位置にそれぞれ設けられ、ピストンリングの位置を検出する位置センサと、
各圧力室に供給する気体圧を制御する気体圧制御部と、
を含み、
気体圧制御部は、ピストンリングの中立位置と検出位置とを比較して、ピストンリングが作動範囲内で変位するときは、各圧力室に供給するバイアス気体圧を予め定めた同じ気体圧に設定し、ピストンリングが作動範囲を超えて過度に変位するときは、過度に変位した側の圧力室に供給する一方側バイアス気体圧を大きく、反対側の圧力室に供給する他方側気体圧を小さく設定してピストンリングを中立位置に戻す方向に各圧力室に供給するバイアス気体圧を異ならせ、このように設定された各バイアス気体圧に対し動揺の大きさに応じた差圧を重畳して、各圧力室に供給する気体圧を制御することを特徴とする車両用気体圧サーボシリンダ。
請求項２に記載の車両用気体圧サーボシリンダにおいて、各圧力室が仕切りピストンによってピストンリング側の内側圧力室とその外側の外側圧力室とにそれぞれ仕切られ、仕切りピストンは、ピストンリングが過度に移動したときにピストンリングの移動につれて外側圧力室側に移動することを特徴とする車両用気体圧サーボシリンダ。
請求項１乃至３のいずれか１に記載の車両用気体圧サーボシリンダと、
車体の揺れを検知する加速度センサと、
加速度センサの出力信号を演算処理する制御器と、
制御器により演算処理された加速度センサの出力信号に応じて開閉され、車両用気体圧サーボシリンダに供給される気体圧を制御する制御弁と、
を備えることを特徴とする車両動揺防止装置。
請求項４に記載の車両動揺防止装置を備えることを特徴とする車両。