JP4705884B2 - 鉄道車両用空気ばねの試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、防振のために鉄道車両に取り付けられる鉄道車両用空気ばねの試験装置に関する。

鉄道車両には、車体を支持し、振動を抑えるための空気ばねが車体と台車の間に設けられている。従来、空気ばねの特性を試験する際には、空気ばねの単軸方向にのみ振動を与え、空気ばねの特性を評価していた（例えば非特許文献１参照）。
「鉄道車両用ばね装置」，財団法人日本規格協会，平成元年９月３０日，ｐ１８−２０

走行状態での空気ばねは多自由度の力を受けて変位し、その特性は非線形性を有している。しかし、従来の空気ばね試験では、上記のように単軸方向の特性しか評価することができないという問題があった。

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであって、鉄道車両用空気ばねの多自由度の特性を試験することができる鉄道車両用空気ばねの試験装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、供試体となる鉄道車両用空気ばねを下側から支持する支持用ばねと、前記鉄道車両用空気ばねを加振する多自由度の加振手段と、前記加振手段の加振による前記鉄道車両用空気ばねの動作を計測する計測手段と、前記加振手段によって前記鉄道車両用空気ばねに与えられる変位に係る変位情報を生成する情報生成手段とを備え、前記鉄道車両用空気ばねは、車体との接続面を下に向けて前記支持用ばねと間隙を隔てて対向するように配置され、かつ台車との接続面が固定されており、前記支持用ばねは、前記鉄道車両用空気ばねの前記車体との接続面と前記間隙を隔てて対向する第１の面を上に向けて配置され、かつ当該第１の面と反対側の第２の面が固定されており、前記加振手段は、前記鉄道車両用空気ばねの前記車体との接続面に振動を与える振動印加部材を有しており、前記振動印加部材を上下方向に貫通し、前記鉄道車両用空気ばねと前記支持用ばねの間で力を伝達する力伝達部材がさらに設けられていることを特徴とする鉄道車両用空気ばねの試験装置である。

また、本発明の鉄道車両用空気ばねの試験装置において、前記計測手段が複数設けられており、各計測手段が前記力伝達部材の周囲に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、加振手段によって多自由度の変位が鉄道車両用空気ばねに与えられるので、多自由度の変位に対する鉄道車両用空気ばねの応答特性を試験することができるという効果が得られる。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態による試験装置の構造を示している。また、図２は本試験装置の機能構成を示している。供試体１は試験対象の空気ばねであり、車体との接続面１ａを下に向けた状態となっている。多自由度の加振機構である公知のモーションベース２（加振手段）によって、供試体１が加振される。モーションベース２は、伸縮自在に構成された６本のシリンダ（アクチュエータ）が支持フレーム２２０（振動印加部材）と台座２３０の間に介在する構造を有している。なお、図１および図２では、３本のシリンダ２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃのみを図示している。

シリンダ２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃはそれぞれ、上側接続部２５０ａ，２５０ｂ，２５０ｃを介して支持フレーム２２０に接続され、下側接続部２６０ａ，２６０ｂ，２６０ｃを介して台座２３０に接続されている。モーションベースコントローラ３の指示により、各シリンダが伸縮し、６自由度（Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向および各軸周りの回転方向）の変位が供試体１に与えられる。

釣り合いばね２０（支持用ばね）は、供試体１を下側から支持する（供試体１の静荷重を支持する）ためのばねであり、接続面２０ａが供試体１の車体との接続面１ａと間隙を隔てて対向するように配置されている。接続面２０ａは、釣り合いばね２０の形状の差異を吸収するためのアダプタ２５に接続されている。釣り合いばね２０の下端は、釣り合いばね２０の形状の差異を吸収するためのアダプタ２２により固定されている。供試体１と釣り合いばね２０の間には、それら両者の間で力を伝達する力伝達部材２４が、支持フレーム２２０を上下方向に貫通するように設けられている。

供試体１の上端は、供試体１の形状の差異を吸収するためのアダプタ２６により固定されている。供試体１の車体との接続面１ａは、供試体１の形状の差異を吸収するためのアダプタ２８に接続されている。アダプタ２８と支持フレーム２２０の間には、モーションベース２の加振による供試体１の動作を計測するため、ロードセル３０が取り付けられている。

図３はロードセル３０の配置を平面的に表しており、３つのロードセル３０が力伝達部材２４の周囲に互いに等間隔で配置されている。ロードセル３０として３分力計が用いられており、各ロードセル３０によって、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向の並進力が測定され、測定結果を示すアナログ信号が出力される。

供試体１の内部には圧縮空気が封入されており、これによる供試体１の大きな静荷重をモーションベース２だけで支持することができないため、釣り合いばね２０を設け、供試体１の静荷重を支持している。釣り合いばね２０によって供試体１の静荷重が支持されている状態で、支持フレーム２２０から振動が、ロードセル３０およびアダプタ２８を介して供試体１の車体との接続面１ａに与えられる。

釣り合いばね２０として、供試体１が発生する大きな静荷重を負担することができ、試験中の供試体１の６自由度の動きに追随でき、その動きによって動的な力が発生しないものを用いることがより望ましい。本実施形態では、これらの条件を満たす空気ばねを釣り合いばね２０として用いている。

走行状態での空気ばねは、車体を支持することによる大きな静荷重を負担した状態でさらに動荷重を受ける。従来の空気ばねの試験装置では、供試体の静荷重を支持しつつ、静荷重と比較してかなり小さい動荷重を与えることが難しかった。しかし、本実施形態では、静荷重を支持する釣り合いばね２０と、動荷重を供試体１に与えるモーションベース２とが別個体であるため、供試体１の静荷重を釣り合いばね２０が打ち消しつつ、モーションベース２が動荷重を供試体１に与えることが可能となり、より高精度な試験を行うことができる。

本実施形態では、供試体１に下側から振動を与える機構と、供試体１を同じく下側から支持すると機構とが干渉しないようにするため、供試体１と釣り合いばね２０の間に間隙が設けられており、支持フレーム２２０によって供試体１に振動が与えられると共に、支持フレーム２２０を貫通する力伝達部材２４によって供試体１と釣り合いばね２０の間で力が伝達される構造となっている。

また、振動によって供試体１が発生する６分力（Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向の並進力および各軸周りのトルク（モーメント））を測定するためには６分力計を設ければよいが、力伝達部材２４を設ける必要性から、６分力計を車体との接続面１ａの中心位置に配置することができず、代わりに３個の３分力計（ロードセル３０）を力伝達部材２４の周囲に配置している。後述するように、測定された３分力が６分力に変換されるため、結果として６分力を測定することが可能となる。

図２において、ロードセル３０から出力されたアナログ信号はＡ／Ｄ変換部４によってデジタル信号に変換され、力変換部１３へ出力される。力変換部１３は、３箇所で測定された３分力の測定値を６分力の値に変換し、変換結果を測定結果記憶部５および車両運動シミュレーション部６へ出力する。

測定結果記憶部５は力変換部１３の変換結果、すなわち６分力の測定結果を記憶する。車両運動シミュレーション部６は、鉄道車両の運動シミュレーションの結果に基づいてモーションベース２による加振の条件を決定する。具体的には、車両運動シミュレーション部６は、仮想の車両をコンピュータ上に構築するため車両運動のシミュレーションを行い、その結果を取付点座標演算部９へ出力する。車両運動シミュレーション部６から取付点座標演算部９へ出力されるシミュレーション結果のデータは、車体の重心の６自由度の変位、台車の重心の６自由度の変位、および台車・車体の重心に対する供試体１の固定的な相対位置である。

取付点座標演算部９は、入力されたデータに基づいて、供試体１の仮想車両における取付点の座標を演算し、モーションベース座標演算部１０へ演算結果を出力する。モーションベース座標演算部１０は、供試体１の取付点の座標を、モーションベース２の座標系における座標に変換し、変換結果を伝達関数補正部１１へ出力する。

上記の車両運動シミュレーション部６、取付点座標演算部９、およびモーションベース座標演算部１０が本発明の情報生成手段の一実施形態である。モーションベース２によって供試体１に与えられる変位に係る情報（本実施形態では供試体１の取付点の座標）が、これらの構成によって生成されることになる。

伝達関数補正部１１は、モーションベース座標演算部１０で演算した座標の通りにモーションベース２が動作するように補正を行い、モーションベース２の位置指令に係る信号を出力する。伝達関数補正部１１から出力された信号は、Ｄ／Ａ変換部１２によってデジタル信号に変換され、モーションベースコントローラ３へ出力される。モーションベースコントローラ３は、入力された信号に基づいてモーションベース２の動作を制御する。

上述したように、車両運動シミュレーション部６で算出された車両運動の結果に基づいて供試体１が加振され、供試体１の挙動が車両運動シミュレーションにフィードバックされ、車両運動シミュレーションが継続されることによって、車両の走行状態が模擬される。このような閉ループ構造を構成することにより、仮想的な車両運動シミュレーションの精度を向上させることができる。あるいは、仮想的な車両への供試体１の取付効果を推定することができる。

車両運動シミュレーションの結果に基づいて供試体１を加振するという試験だけでは、供試体１の特性の評価には十分でない場合がある。そこで、本実施形態では、車両運動シミュレーション部６の他に実車両走行データ再生部７および特性同定用振動波発生部８が設けられている。これらも、本発明の情報生成手段の一実施形態である。車両運動シミュレーション部６、実車両走行データ再生部７、および特性同定用振動波発生部８は、試験時にそれらのいずれか１つが動作するように選択可能となっている。実車両走行データ再生部７および特性同定用振動波発生部８のいずれかが動作しているときは、力変換部１３から出力されたデータは測定結果記憶部５のみへ出力される。

実車両走行データ再生部７は、鉄道車両の実際の走行時における空気ばねの動作の結果に基づいて加振の条件を決定する。具体的には、実車両走行データ再生部７は、実際の走行時における空気ばねの６分力測定結果のデータと空気ばねの取付位置とに基づいて、車体の重心の６自由度の変位、台車の重心の６自由度の変位、および台車・車体の重心に対する供試体１の固定的な相対位置を演算する。実際の車両走行時のデータに基づいて試験を行い、測定結果を解析することによって、供試体１の特性を評価することができる。

また、車両運動シミュレーションに用いられる供試体１のモデルは理想化されており、現実の供試体１を十分にモデル化しているとは言えない。そこで、特性同定用振動波発生部８は、供試体１の特性を同定し、その特性を表すシミュレーションモデルを構築するのに必要な試験を行うための加振の条件を決定する。

具体的には、特性同定用振動波発生部８は、ランダム波または正弦波等の所定の振動波に基づいた変位を供試体１に与えるため、供試体１の取付点の座標を演算し、モーションベース座標演算部１０へ演算結果を出力する。この振動波の波形は供試体１の設計上の動作範囲を超えないものである。このような所定の振動を供試体１に与える試験を行い、測定結果を解析することによって、供試体１の特性を同定することができる。

上述したように、本実施形態によれば、モーションベース２によって多自由度の変位が供試体１に与えられるので、多自由度の変位に対する供試体１の応答特性を試験することができる。以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明の一実施形態による試験装置の構造を示す側面図である。 本発明の一実施形態による試験装置の機能構成を示す構成図である。 本発明の一実施形態による試験装置が備えるロードセルの配置位置を示す概略平面図である。

符号の説明

１・・・供試体、２・・・モーションベース、３・・・モーションベースコントローラ、４・・・Ａ／Ｄ変換部、５・・・測定結果記憶部、６・・・車両運動シミュレーション部、７・・・実車両走行データ再生部、８・・・特性同定用振動波発生部、９・・・取付点座標演算部、１０・・・モーションベース座標演算部、１１・・・伝達関数補正部、１２・・・Ｄ／Ａ変換部、１３・・・力変換部、２０・・・釣り合いばね、２２，２５，２６，２８・・・アダプタ、２４・・・力伝達部材、３０・・・ロードセル

Claims (2)

1. 供試体となる鉄道車両用空気ばねを下側から支持する支持用ばねと、
   前記鉄道車両用空気ばねを加振する多自由度の加振手段と、
   前記加振手段の加振による前記鉄道車両用空気ばねの動作を計測する計測手段と、
   前記加振手段によって前記鉄道車両用空気ばねに与えられる変位に係る変位情報を生成する情報生成手段と、
   を備え、
   前記鉄道車両用空気ばねは、車体との接続面を下に向けて前記支持用ばねと間隙を隔てて対向するように配置され、かつ台車との接続面が固定されており、
   前記支持用ばねは、前記鉄道車両用空気ばねの前記車体との接続面と前記間隙を隔てて対向する第１の面を上に向けて配置され、かつ当該第１の面と反対側の第２の面が固定されており、
   前記加振手段は、前記鉄道車両用空気ばねの前記車体との接続面に振動を与える振動印加部材を有しており、
   前記振動印加部材を上下方向に貫通し、前記鉄道車両用空気ばねと前記支持用ばねの間で力を伝達する力伝達部材がさらに設けられている
   ことを特徴とする鉄道車両用空気ばねの試験装置。
2. 前記計測手段が複数設けられており、各計測手段が前記力伝達部材の周囲に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用空気ばねの試験装置。

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