JP5168264B2 - 鉄道車両の車体傾斜制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、空気ばねのような気体式ばねを利用して、運転走行中の特に曲線区間通過時に、車体の傾斜制御を行う方法に関するものである。

鉄道車両は、曲線区間の通過時、超過遠心力によって乗心地が悪くなる場合がある。特に曲線区間の通過速度が高速の場合、超過遠心力が増大してさらなる乗心地の悪化を招く。そこで、曲線区間の通過時、車体を内軌側に傾斜させることにより超過遠心力を抑制して乗心地の悪化を防ぐ車体の傾斜制御が実施されている。

この鉄道車両の車体傾斜制御の一つに、車体を支持する左右の空気ばねに空気を給排気して、これら左右の空気ばねを昇降させることによって車体の傾斜制御を行う方法がある。以下、この傾斜制御を空気ばね式車体傾斜制御という。

この空気ばね式車体傾斜制御では、一般的に、以下の(1)〜(3)のような制御が行われている（例えば特許文献１）。

(1) 予め入力されている曲線データと、車輪の回転数より求めた走行地点から曲線を検知し、その時の車両の走行速度Ｖ（m／s）と、曲線データ（予想走行地点におけるカントＣ（mm）、予想走行地点における曲線半径Ｒ（m））より、下記の数式１によって、車体の目標傾斜角θａ（rad）（最大傾斜角θmax ）を演算する。

(2) 前記のようにして求めた車体の目標傾斜角θａから、各部位の目標空気ばね高さＨａを求める。

(3) 計算した目標高さと実際の高さから、各空気ばねを目標高さに近づけるように個別に制御する。

本来、車体傾斜の制御対象は、車体の傾斜角度と高さの２つである。このうち、車体の傾斜角度は曲線路の形状に従って厳密に制御すべきであるが、車体の高さは、空気ばねに設けたストッパに衝突しなければ、厳密に制御する必要はない。

このように、空気ばね式車体傾斜制御では、要求性能が異なる２つの制御対象が存在する。しかしながら、従来は、前記目標空気ばね高さに実際の空気ばね高さを追従させることによって傾斜角を発生させており、２つの制御対象を同一の性能で制御していた。従って、車体の傾斜角の制御性能を高める場合は、車体の高さの制御性能も高めることになって、必要以上に空気ばねに空気を給排気し、空気消費量が多くなっていた。

特開２０００−８５５７７号公報

解決しようとする問題点は、鉄道車両の空気ばね式車体傾斜制御では、車体の傾斜角と高さの要求性能が異なるにもかかわらず、同一の性能で制御していたので、必要以上に空気ばねに空気を給排気し、空気消費量が多くなっていたという点である。

本発明の鉄道車両の車体傾斜制御方法は、
空気ばねに不要な給排気を行うことなく、車体の傾斜角の制御性能を高めるために、
車体の進行方向前後に配置した台車の左右に夫々設けられた空気ばねへの給排気により、曲線通過時、車体の傾斜制御を行う方法であって、
曲線を検知した時の車両の走行速度、曲線データを用いて求めた目標傾斜角度から空気ばねの目標高さを演算し、
この演算した空気ばねの目標高さと空気ばねの実際の高さから、各空気ばねを目標高さに近づけるように個別に制御するに際し、
車体の傾斜角と高さの制御系を分離してそれぞれの制御系を個別に制御することを最も主要な特徴としている。

本発明の鉄道車両の車体傾斜制御方法は、より具体的には、前記車体の傾斜角度の制御系の応答性を高く、車体の高さの制御系の応答性を低くするものである。

本発明において、台車の左右とは、車両進行方向に対して直角方向の左右を言う。

本発明は、車体の傾斜角と高さを個別に制御するので、空気ばねの上下稼動範囲を超えるような動きをしない程度であれば、あまり厳密に制御する必要がない車体の高さ制御に要する空気消費量を少なくできる。

本発明の鉄道車両の車体傾斜制御方法を実施する装置の一例を示す概略全体構成図である。 本発明の鉄道車両の車体傾斜制御方法の要部のフロー図である。

本発明では、不要な給排気を行わずに車体の傾斜角の制御性能を高めるという目的を、車体の傾斜角と高さの制御系を分離し、それぞれの制御系を個別に制御することによって実現した。

以下、本発明の着想と共に本発明を実施するための最良の形態について、図１及び図２を用いて説明する。

空気ばね式車体傾斜制御の対象は、車体の傾斜角と高さという独立した２つの変数である。このうち、車体の傾斜角は厳密な制御が要求されるが、車体の高さは空気ばねの上下稼動範囲を超えるような動きをしなければ、あまり厳密な制御をする必要はない。

従って、発明者は、車体の傾斜角と高さの制御系を分離してそれぞれ個別に制御すれば良いとの考えのもと、以下の本発明を成立させた。

すなわち、本発明の鉄道車両の車体傾斜制御方法は、
車体の進行方向前後に配置した台車の左右に夫々設けられた４つの空気ばねへの給排気により、曲線通過時、車体の傾斜制御を行う方法であって、
曲線を検知した時の車両の走行速度、曲線データを用いて求めた目標傾斜角度から空気ばねの目標高さを演算し、
この演算した空気ばねの目標高さと空気ばねの実際の高さから、各空気ばねを目標高さに近づけるように個別に制御するに際し、
車体の傾斜角と高さの制御系を分離してそれぞれの制御系を個別に制御するものであり、より具体的には、前記車体の傾斜角の制御系の応答性を高く、車体の高さの制御系の応答性を低くするものである。

まず、本発明の車体傾斜制御方法を適用する典型的な車体傾斜制御装置を、図１を用いて説明する。

図１において、１は車体、２は台車であり、これら車体１と台車２の間の左右位置に空気ばね３ａ，３ｂ が配置されており、これらの空気ばね３ａ，３ｂと空気源４を２系列の配管５ａ，５ｂで接続している。

そして、このうちの一方の配管５ａの途中には、高さセンサ６ａ，６ｂの検出値に基づいて空気ばね３ａ，３ｂへの空気の給排気を行う給気弁７ａ，７ｂと排気弁８ａ，８ｂを介設している。

また、他方の配管５ｂの途中には、空気ばね３ａ，３ｂの高さを調整する高さ調整弁９ａ，９ｂを介設すると共に、この高さ調整弁９ａ，９ｂと空気ばね３ａ，３ｂの間に締め切り弁１０ａ，１０ｂを介設している。また、両空気ばね３ａ，３ｂは、連通管１１で連通し、連通管１１の途中には差圧弁１２を設置している。

この車体傾斜制御装置では、前記締め切り弁１０ａ，１０ｂは、傾斜走行時は締め切った状態となし、この締め切り状態で車両の進行方向前後に配置した台車２の左右の空気ばね３ａ，３ｂに空気を給排気して車体１の傾斜を行っている。

このような車体傾斜制御装置に本発明の車体傾斜制御方法を適用する場合について、以下に説明する。

まず、各部位の空気ばね高さの目標値を演算して求める。この空気ばね高さの目標値の求め方は、先に説明した従来方法と同じである。

次に、前記計算した各部位の空気ばね高さの目標値と、高さセンサにより取得した現在の各部位の空気ばね高さ値の偏差を計算する。そして、各部位ごとに計算した、空気ばね高さの目標値と現在の空気ばね高さ値の前記偏差から、以下により、車体の傾斜角と高さの偏差を計算する。

車体の傾斜角の偏差：（左側空気ばね高さ偏差−右側空気ばね高さ偏差）／２
車体の高さの偏差 ：（左側空気ばね高さ偏差＋右側空気ばね高さ偏差）／２

この計算した車体の傾斜角および高さの偏差を、それぞれ個別の補償器に入力し、車体の傾斜角および高さの制御信号、すなわち車体の傾斜角および高さを制御するための要求流量を計算する。

次に、この計算した車体の傾斜角および高さの制御信号を、以下に従って各空気ばねへの制御信号に変換する。
左側空気ばねへの制御信号：（高さ制御信号＋傾斜角制御信号）／２
右側空気ばねへの制御信号：（高さ制御信号−傾斜角制御信号）／２

この場合、空気ばねの給排気流量を電磁弁によって制御するときは、計算した制御信号から電磁弁の開閉を決定する。一方、図１とは異なるが、サーボ弁や流量比例弁によって制御するときは、計算した制御信号を出力してサーボ弁や流量比例弁の給排気流量を制御する。

以上の本発明における車体傾斜制御方法のフローを示したのが図２である。
このような車体傾斜制御方法では、車体の傾斜角と高さの制御系を分離してそれぞれ個別に制御するので、車体の傾斜角に比べてあまり厳密に制御する必要がない車体高さの制御性能を落とすことで、必要な空気消費量を少なくすることができる。

より具体的には、車体高さの制御信号を計算する補償器のゲインを小さく、車体の傾斜角の制御信号を計算する補償器のゲインを大きくする。車体の傾斜角の制御信号を計算する補償器のゲインを、車体高さの制御信号を計算する補償器のゲインに比べ、大きくすることで、車体の傾斜角の制御に重点をおいた制御を実施でき、従来に比べて車体の高さ制御を重視しない分、空気ばねの空気消費量を小さくすることができる。

本発明は上記の例に限らず、本発明の各請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは、言うまでもない。

以上の本発明は、気体式ばねの高さを制御させることで、車体を傾斜させるものであれば、ボルスタレス台車に限らずボルスタ台車にも適用できる。

１ 車体
２ 台車
３ａ，３ｂ 空気ばね
４ 空気源
５ａ，５ｂ 配管
６ａ，６ｂ 高さセンサ
７ａ，７ｂ 給気弁
８ａ，８ｂ 排気弁
９ａ，９ｂ 高さ調整弁
１０ａ，１０ｂ 締め切り弁

Claims (2)

1. 車体の進行方向前後に配置した台車の左右に夫々設けられた空気ばねへの給排気により、曲線通過時、車体の傾斜制御を行う方法であって、
   曲線を検知した時の車両の走行速度、曲線データを用いて求めた目標傾斜角度から空気ばねの目標高さを演算し、
   この演算した空気ばねの目標高さと空気ばねの実際の高さから、各空気ばねを目標高さに近づけるように個別に制御するに際し、
   車体の傾斜角と高さの制御系を分離してそれぞれの制御系を個別に制御することを特徴とする鉄道車両の車体傾斜制御方法。
2. 前記車体の傾斜角度の制御系の応答性を高く、車体の高さの制御系の応答性を低くすることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の車体傾斜制御方法。

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