JP5427079B2

JP5427079B2 - 鉄道車両用制振装置

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Publication number: JP5427079B2
Application number: JP2010066219A
Authority: JP
Inventors: 淳青木
Original assignee: KYB Corp
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2030-03-23
Also published as: JP2011195088A

Description

本発明は、鉄道車両用制振装置の改良に関する。

鉄道車両の走行時には、レール設置面の傾斜、軌道狂い、横風、旋回走行時に車両に負荷される遠心加速度等を原因として車体に車両の進行方向に対して横方向（以下、単に「横方向」と言う）への振動が作用する。この横方向の振動は、鉄道車両における乗り心地を悪化させる原因となるため、鉄道車両にあっては、たとえば、車体と台車の間に減衰力可変ダンパやアクチュエータを介装し、鉄道車両の横方向加速度を加速度センサで検知し、検知した加速度から車両の横方向速度を求め、当該横方向速度に基づいて減衰力可変ダンパやアクチュエータに出力させる制御力をスカイフック制御則に則って調節して、上記振動を抑制するようにしている。

しかしながら、鉄道車両が曲線区間を走行する際には、加速度センサで検出する横方向加速度には、軌道狂いや横風といった車体に振動させる振動成分のみならず、カントで補償できない超過遠心力によって車体に作用する定常加速度が重畳されるため、単に加速度センサの出力のみに基づいてスカイフック制御したのでは、車体振動を効果的に抑制する事ができない可能性がある。

そこで、鉄道車両の走行地点情報と制振装置自体で保有する区間情報とから理論的な定常加速度を求め、加速度センサで検知した横方向加速度から理論的な定常加速度を差し引きして、加速度センサに含まれる曲線区間通過時の際の遠心力に起因する加速度成分以外の外乱による振動成分を抽出し、当該振動成分に基づいて車体振動を抑制する制振装置の提案がある（たとえば、特許文献１参照）。

また、鉄道車両の走行地点情報と制振装置自体で保有する区間情報とから最適なスカイフックゲインを求め、曲線区間における振動を効率的に抑制することができる制振装置の提案もある（たとえば、特許文献２参照）。

特開２００９−４００８１号公報特開２００７−１３１２０４号公報

ところで、上述のように、鉄道車両の走行地点情報を得て、横方向加速度から振動成分を抽出したり、走行区間に適したスカイフックゲインを適用したりする制振装置にあっては、車両の走行地点情報が必須である。この走行地点情報は、編成車両中の一車両でこれを検知して、当該車両から編成車両中の他の車両の制振装置に伝送されるため、伝送不良が生じる場合には、制振装置側で走行区間の認識ができず、伝送遅れが生じる場合には、制振装置は、実際の走行区間と異なる区間を走行中であると認識する可能性がある。

このように、走行区間の認識に狂いが生じると、制振装置は車体振動を充分に抑制することができなくなってしまい、車両における乗り心地を損なってしまうことにつながる。

また、制振装置は、走行区間の情報をマップとして保有しておく必要があるので、大容量の記憶装置を備えていなければならず、コスト高となる問題もある。

そこで、本発明は上記不具合を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、正確に曲線区間の認識を行うことができ低コストな鉄道車両用制振装置を提供することである。

上記した目的を達成するため、本発明の課題解決手段は、鉄道車両の車体の振動を抑制する鉄道車両用制振装置において、鉄道車両の車体床面に対する鉛直方向の加速度を検知する加速度検知手段と、加速度検知手段で検知した加速度と重力加速度とに基づいて鉄道車両が曲線区間を走行中であることを認識する曲線区間認識手段とを備えたことを特徴とする。

本発明の鉄道車両用制振装置によれば、車体床面に対して鉛直方向の加速度から車体の傾斜角を求めることによって、鉄道車両が曲線区間を走行中であるか否かを正確に認識することができる。

また、走行地点情報を必要とせずに鉄道車両が曲線区間を走行中であることを認識することができるので、伝送不良や伝送遅れに伴う走行区間の誤認識を避けることができ、鉄道車両用制振装置は曲線区間に最適な制御を実施することができ、車両における乗り心地を向上させることができる。

さらに、曲線区間認識には、走行地点情報を必要としないので、鉄道車両用制振装置で走行区間の情報をマップとして保有しておく必要がなく、大容量の記憶装置を備えなくてすみ、低コストで経済性の点でも有利となる。

一実施の形態におけるシリンダ装置を鉄道車両の車体と台車との間に介装した状態を示す図である。一実施の形態における鉄道車両用制振装置の具体図である。一実施の形態における鉄道車両用制振装置における制御装置のブロック図である。加速度センサの検知方向を示す図である。曲線区間を走行する鉄道車両に作用する重力加速度と遠心加速度を示す図である。

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。一実施の形態における鉄道車両用制振装置１は、鉄道車両の車体Ｂの制振装置として使用され、図１に示すように、鉄道車両の車体Ｂと台車Ｔとの間に対として介装されるアクチュエータＡ，Ａと、各アクチュエータＡ，Ａを制御する制御装置Ｃとを備えて構成されている。これら二つのアクチュエータＡ，Ａは、詳細には、車体Ｂの下方に垂下されるピンＰに連結され、車体Ｂと台車Ｔとの間で対を成して並列に介装されている。
そして、制御装置Ｃは、基本的には、これらアクチュエータＡ，Ａをアクティブ制御して車体Ｂの車両進行方向に対して水平横方向の振動を抑制するようになっており、たとえば、スカイフック制御則を用い車体Ｂの車両進行方向に対する水平横方向の速度ＶからアクチュエータＡ，Ａに発生させるべき制御力を求め、アクチュエータＡ，Ａに上記のように求めた当該制御力を発生させるように制御して上記車体Ｂの横方向の振動を抑制するようになっている。

アクチュエータＡ，Ａは、制御装置Ｃが求めた制御力通りに推力を発生するものであればよいので種々のアクチュエータ、たとえば、液圧や空圧のアクチュエータや電磁アクチュエータを用いることができるが、以下に示す、アクチュエータを用いると鉄道車両用制振装置１に最適となる。なお、この実施の形態では、アクチュエータＡを用いているので、積極的に車体Ｂを加振させることができるので、制御装置Ｃは、アクティブ制御を行うようになっているが、アクチュエータＡの変わりに減衰力可変ダンパを用いる場合には、車体Ｂの車両進行方向に対する水平横方向の速度Ｖと減衰力可変ダンパの伸縮速度とから減衰力可変ダンパの減衰力を制御するセミアクティブ制御を実施するようにしてもよい。

つづいて、アクチュエータＡの具体的な構成について説明する。アクチュエータＡは、図２に示すように、シリンダ２と、シリンダ２内に摺動自在に挿入されるピストン３と、シリンダ２内に挿入されてピストン３に連結されるロッド４と、シリンダ２内にピストン３で区画したロッド側室５とピストン側室６と、タンク７と、ロッド側室５とピストン側室６とを連通する第一通路８の途中に設けた第一開閉弁９と、ピストン側室６とタンク７とを連通する第二通路１０の途中に設けた第二開閉弁１１と、ロッド側室５へ液体を供給するポンプ１２と、ポンプ１２を駆動するモータ１５と、ピストン側室６からロッド側室５へ向かう液体の流れのみを許容する整流通路１８と、タンク７からピストン側室６へ向かう液体の流れのみを許容する吸込通路１９とを備えており、片ロッド型のアクチュエータとして構成されている。また、上記ロッド側室５とピストン側室６には作動油等の液体が充填されるとともに、タンク７には、液体のほかに気体が充填されている。なお、タンク７内は、特に、気体を圧縮して充填することによって加圧状態とする必要は無い。

そして、基本的には、第一開閉弁９で第一通路８を連通状態とするとともに第二開閉弁１１を閉じた状態でポンプ１２を駆動することで、このアクチュエータＡを伸長駆動させることができ、第二開閉弁１１で第二通路１０を連通状態とするとともに第一開閉弁９を閉じた状態でポンプ１２を駆動することで、アクチュエータＡを収縮駆動させることができるようになっている。

以下、アクチュエータＡの各部について詳細に説明する。シリンダ２は筒状であって、その図２中右端は蓋１３によって閉塞され、図２中左端には環状のロッドガイド１４が取り付けられている。また、上記ロッドガイド１４内には、シリンダ２内に移動自在に挿入されるロッド４が摺動自在に挿入されている。このロッド４は、一端をシリンダ２外へ突出させており、シリンダ２内の他端を同じくシリンダ２内に摺動自在に挿入されているピストン３に連結してある。

なお、ロッド４の外周とシリンダ２との間は図示を省略したシール部材によってシールされており、これによりシリンダ２内は密閉状態に維持されている。そして、シリンダ２内にピストン３によって区画されるロッド側室５とピストン側室６には、上述のように液体として作動油が充填されている。

また、このアクチュエータＡの場合、ロッド４の断面積をピストン３の断面積の二分の一にして、ピストン３のロッド側室５側の受圧面積がピストン側室６側の受圧面積の二分の一となるようになっており、伸長駆動時と収縮駆動時とでロッド側室５の圧力を同じくすると、伸縮の双方で発生される推力が等しくなるようになっており、アクチュエータＡの変位量に対する流量も伸縮両側で同じとなる。

詳しくは、アクチュエータＡを伸長駆動させる場合、ロッド側室５とピストン側室６を連通させた状態となってロッド側室５内とピストン側室６内の圧力が等しくなって、ピストン３におけるロッド側室５側とピストン側室６側の受圧面積差に上記圧力を乗じた推力を発生し、反対に、アクチュエータＡを収縮駆動させる場合、ロッド側室５とピストン側室６との連通が断たれてピストン側室６をタンク７に連通させた状態となるので、ロッド側室５内の圧力とピストン３におけるロッド側室５側の受圧面積を乗じた推力を発生することになり、アクチュエータＡの発生推力は伸縮の双方でピストン３の断面積の二分の一にロッド側室５の圧力を乗じた値となるのである。したがって、このアクチュエータＡの推力を制御する場合、伸長駆動、収縮駆動共に、ロッド側室５の圧力を制御すればよいが、ピストン３のロッド側室５側の受圧面積をピストン側室６側の受圧面積の二分の一に設定しているので、伸縮両側で同じ推力を発生する場合に伸長側と収縮側でロッド側室５の圧力が同じとなるので制御が簡素となり、加えて変位量に対する流量も同じとなるので伸縮両側で応答性が同じとなる利点がある。なお、ピストン３のロッド側室５側の受圧面積をピストン側室６側の受圧面積の二分の一に設定しない場合にあっても、ロッド側室５の圧力でアクチュエータＡの伸縮両側の推力の制御をすることができる点は変わらない。

戻って、ロッド４の図２中左端とシリンダ２の右端を閉塞する蓋１３には、図示しない取付部を備えており、このアクチュエータＡを鉄道車両における車体Ｂと車軸との間に介装することができるようになっている。

そして、ロッド側室５とピストン側室６とは、第一通路８によって連通されており、この第一通路８の途中には、第一開閉弁９が設けられている。この第一通路８は、シリンダ２外でロッド側室５とピストン側室６とを連通しているが、ピストン３に設けられてもよい。

第一開閉弁９は、この実施の形態の場合、電磁開閉弁とされており、第一通路８を開放してロッド側室５とピストン側室６とを連通する連通ポジション９ｂと、ロッド側室５とピストン側室６との連通を遮断する遮断ポジション９ｃとを備えたバルブ９ａと、遮断ポジション９ｃを採るようにバルブ９ａを附勢するバネ９ｄと、通電時にバルブ９ａをバネ９ｄに対向して連通ポジション９ｂに切換えるソレノイド９ｅとを備えて構成されている。

つづいて、ピストン側室６とタンク７とは、第二通路１０によって連通されており、この第二通路１０の途中には、第二開閉弁１１が設けられている。第二開閉弁１１は、この実施の形態の場合、電磁開閉弁とされており、第二通路１０を開放してピストン側室６とタンク７とを連通する連通ポジション１１ｂと、ピストン側室６とタンク７との連通を遮断する遮断ポジション１１ｃとを備えたバルブ１１ａと、遮断ポジション１１ｃを採るようにバルブ１１ａを附勢するバネ１１ｄと、通電時にバルブ１１ａをバネ１１ｄに対向して連通ポジション１１ｂに切換えるソレノイド１１ｅとを備えて構成されている。

ポンプ１２は、モータ１５によって駆動されるようになっており、ポンプ１２は、一方向のみに液体を吐出するポンプとされており、その吐出口は供給通路１６によってロッド側室５へ連通され、吸込口はタンク７に通じて、モータ１５によって駆動されると、タンク７から液体を吸込んでロッド側室５へ液体を供給する。

上述のようにポンプ１２は、一方向のみに液体を吐出するのみで回転方向の切換動作がないので、回転切換時に吐出量変化するといった問題は皆無であり、安価なギアポンプ等を使用することができる。さらに、ポンプ１２の回転方向が常に同一方向であるので、ポンプ１２を駆動する駆動源であるモータ１５にあっても回転切換に対する高い応答性が要求されず、その分、モータ１５も安価なものを使用することができる。

なお、供給通路１６の途中には、ロッド側室５からポンプ１２への液体の逆流を阻止する逆止弁１７を設けてある。

また、この実施の形態の場合、ロッド側室５とタンク７とが排出通路２１を通じて接続されており、この排出通路２１の途中に開弁圧を変更可能な比例電磁リリーフ弁２２が設けられている。

比例電磁リリーフ弁２２は、排出通路２１の途中に設けた弁体２２ａと、排出通路２１を遮断するように弁体２２ａを附勢するバネ２２ｂと、通電時にバネ２２ｂに対向する推力を発生する比例ソレノイド２２ｃとを備えて構成され、比例ソレノイド２２ｃに流れる電流量を調節することで開弁圧を調節することができるようになっている。

この比例電磁リリーフ弁２２は、弁体２２ａに作用させる排出通路２１の上流となるロッド側室５の圧力がリリーフ圧（開弁圧）を超えると、当該排出通路２１を開放させる方向に弁体２２ａを推す上記圧力に起因する推力と比例ソレノイド２２ｃによる推力との合力が、排出通路２１を遮断させる方向へ弁体２２ａを附勢するバネ２２ｂの附勢力に打ち勝つようになって、弁体２２ａを後退させて排出通路２１を開放するようになっている。

また、この比例電磁リリーフ弁２２にあっては、比例ソレノイド２２ｃに供給する電流量を増大させると、比例ソレノイド２２ｃが発生する推力を増大させることができるようになっており、比例ソレノイド２２ｃに供給する電流量を最大とすると開弁圧が最小となり、反対に、比例ソレノイド２２ｃに全く電流を供給しないと開弁圧が最大となる。

そして、比例電磁リリーフ弁２２は、第一開閉弁９および第二開閉弁１１の開閉状態に関わらず、アクチュエータＡに伸縮方向の過大な入力があって、ロッド側室５の圧力が開弁圧を超える状態となると、排出通路２１を開放してロッド側室５をタンク７へ連通し、ロッド側室５内の圧力をタンク７へ逃がして、アクチュエータＡのシステム全体を保護するようになっている。

また、ピストン側室６とロッド側室５とを連通する整流通路１８が設けられており、この整流通路１８の途中には逆止弁１８ａが設けられて、当該整流通路１８は、ピストン側室６からロッド側室５へ向かう液体の流れのみを許容する一方通行の通路に設定されている。さらに、タンク７とピストン側室６とを連通する吸込通路１９が設けられており、この吸込通路１９の途中には逆止弁１９ａが設けられて、当該吸込通路１９は、タンク７からピストン側室６へ向かう液体の流れのみを許容する一方通行の通路に設定されている。なお、整流通路１８は、第一開閉弁９の遮断ポジション９ｃを逆止弁とすることで第一通路８に集約することができ、吸込通路１９についても、第二開閉弁１１の遮断ポジション１１ｃを逆止弁とすることで第二通路１０に集約することができる。

アクチュエータＡに所望の伸長方向の推力を発揮させる場合、たとえば、制御装置Ｃは、第一開閉弁９を連通ポジション９ｂとし第二開閉弁１１を遮断ポジション１１ｃとして、アクチュエータＡの伸縮状況に応じてモータ１５を所定の回転数で回転させポンプ１２からシリンダ２内へ液体を供給する。このようにすることで、ロッド側室５とピストン側室６とが連通状態におかれて両者にポンプ１２から液体が供給され、ピストン３が図２中左方へ押されアクチュエータＡは伸長方向の推力を発揮する。ロッド側室５内およびピストン側室６内の圧力が比例電磁リリーフ弁２２の開弁圧を上回ると、比例電磁リリーフ弁２２が開弁して液体が排出通路２１を介してタンク７へ逃げるので、ロッド側室５内およびピストン側室６内の圧力は、比例電磁リリーフ弁２２に与える電流量で決まる比例電磁リリーフ弁２２の開弁圧にコントロールされる。そして、アクチュエータＡは、ピストン３におけるピストン側室６側とロッド側室５側の受圧面積差に上記した比例電磁リリーフ弁２２によってコントロールされるロッド側室５内およびピストン側室６内の圧力を乗じた値の伸長方向の推力を発揮する。

これに対して、アクチュエータＡに所望の収縮方向の推力を発揮させる場合、制御装置Ｃは、第一開閉弁９を遮断ポジション９ｃとし第二開閉弁１１を連通ポジション１１ｂとして、アクチュエータＡの伸縮状況に応じてモータ１５を所定の回転数で回転させつつポンプ１２からロッド側室５内へ液体を供給する。このようにすることで、ピストン側室６とタンク７が連通状態におかれるとともにロッド側室５にポンプ１２から液体が供給されるので、ピストン３が図２中右方へ押されアクチュエータＡは収縮の推力を発揮する。上記したところと同様に、比例電磁リリーフ弁２２の電流量を調節することで、アクチュエータＡは、ピストン３におけるロッド側室５側の受圧面積と比例電磁リリーフ弁２２にコントロールされるロッド側室５内の圧力を乗じた収縮方向の推力を発揮する。

このように、モータ１５を所定の回転数で定速回転させることで、ポンプ１２の回転数が変化しないので、ポンプ１２の回転数変動に伴う騒音の発生を防止でき、アクチュエータＡの制御応答性をも良好なものとすることができるが、比例電磁リリーフ弁２２による圧力調整にモータ１５の回転数の変更を加味してアクチュエータＡの発生推力を調節するようにしてもよい。

また、このアクチュエータＡにあっては、アクチュエータとして機能するのみならず、モータ１５の駆動状況に関わらず、第一開閉弁９と第二開閉弁１１の開閉のみでダンパとしても機能させることができるので、面倒かつ急峻な弁の切換動作を伴うことが無いので、応答性および信頼性が高いシステムを提供することができる。

なお、このアクチュエータＡにあっては、片ロッド型に設定されているので、両ロッド型のアクチュエータと比較してストローク長を確保しやすく、アクチュエータの全長が短くなって、鉄道車両への搭載性が向上する。

また、このアクチュエータＡにおけるポンプ１２からの液体供給および伸縮作動による液体の流れは、ロッド側室５、ピストン側室６を順に通過して最終的にタンク７へ還流するようになっており、ロッド側室５あるいはピストン側室６内に気体が混入しても、アクチュエータＡの伸縮作動によって自立的にタンク７へ排出されるので、推進力発生の応答性の悪化を阻止できる。

したがって、アクチュエータＡの製造にあたって、面倒な液体中での組立や真空環境下での組立を強いられることが無く、液体の高度な脱気も不要となるので、生産性が向上するとともに製造コストを低減することができる。

さらに、ロッド側室５あるいはピストン側室６内に気体が混入しても、気体は、アクチュエータＡの伸縮作動によって自立的にタンク７へ排出されるので、性能回復のためのメンテナンスを頻繁に行う必要もなくなり、保守面における労力とコスト負担を軽減することができる。

なお、このアクチュエータＡにあっては、第一開閉弁９と第二開閉弁１１がともに遮断ポジション９ｃ，１１ｃを採ると、整流通路１８および吸込通路１９と排出通路２１で、ロッド側室５、ピストン側室６およびタンク７が数珠繋ぎに連通されるのでユニフロー型のダンパとして機能することになる。したがって、アクチュエータＡの各機器への通電が不能となるようなフェール時には、第一開閉弁９と第二開閉弁１１のバルブ９ａ，１１ａがバネ９ｄ，１１ｄに押圧されて、それぞれ遮断ポジション９ｃ，１１ｃを採り、比例電磁リリーフ弁２２は、開弁圧が最大に固定された圧力制御弁として機能するので、アクチュエータＡは、自動的に、パッシブダンパとして機能することができる。

つづいて、制御装置Ｃは、図１および図３に示すように、車体Ｂに搭載されて加速度検知方向が車体Ｂを横断する面上で直交するとともに水平方向に対して４５度の角度をなす一対の加速度センサ４０，４１と、これら加速度センサ４０，４１で検出した加速度α１，α２から車体Ｂの床面に対する水平横方向の加速度αｈと車体Ｂの床面に対する鉛直方向の加速度αｖとを求める加速度演算部４２と、鉛直方向の加速度αｖに含まれる高周波成分を取り除くローパスフィルタ４３と、水平横方向の加速度αｈに含まれるドリフト成分やノイズを除去するバンドパスフィルタ４４と、ローパスフィルタ４３で濾波後の加速度αｖと重力加速度Ｇとに基づいて車体Ｂの傾斜を検知して車体Ｂを備えた鉄道車両が曲線区間を走行しているか否かを認識する曲線区間認識部４５と、曲線区間認識部４５の認識に基づいてスカイフックゲインを決定するゲイン調節部４６と、横方向の加速度αｈから車体Ｂの横方向の速度Ｖを求める速度演算部４７と、速度演算部４７で求めた速度Ｖとゲイン調節部４６で決定されたスカイフックゲインとに基づいて制御力指令値Ｆを求める制御力演算部４８と、制御力演算部４８で求めた制御力指令値Ｆに基づいてアクチュエータＡのモータ１５、第一開閉弁９、第二開閉弁１１、比例電磁リリーフ弁２２を駆動すべくこれらへそれぞれ制御指令を出力するドライバ４９とを備えて構成されていて、アクチュエータＡの推力を制御するようになっている。

制御装置Ｃは、ハードウェア資源としては、図示はしないが具体的にはたとえば、加速度センサ４０，４１が出力する信号を取り込むためのＡ／Ｄ変換器と、加速度α１と加速度α２を取り込んでアクチュエータＡを制御するのに必要な処理に使用されるプログラムが格納されるＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）等の記憶装置と、上記プログラムに基づいた処理を実行するＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）などの演算装置と、上記ＣＰＵに記憶領域を提供するＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）等の記憶装置と、アクチュエータＡのモータ１５、第一開閉弁９、第二開閉弁１１、比例電磁リリーフ弁２２を駆動するドライバ４９を備えて構成されればよく、制御装置Ｃの上記加速度演算部４２、ローパスフィルタ４３、バンドパスフィルタ４４、曲線区間認識部４５、ゲイン調節部４６、速度演算部４７および制御力演算部４８の各部は、ＣＰＵが上記処理を行うためのプログラムを実行することで実現することができる。なお、ローパスフィルタ４３、バンドパスフィルタ４４は、ＣＰＵがプログラムを実行することで実現される構成とされているが、上記したところと異なり加速度演算部４２をアナログの電子回路で実現する場合、ローパスフィルタ４３、バンドパスフィルタ４４についてもアナログ回路で実現するようにしてもよい。

以下、制御装置Ｃの各部について詳しく説明する。加速度センサ４０，４１は、図４に示すように、加速度検知方向が車体Ｂを進行方向に対して鉛直に横断する面上で直交するとともに水平方向に対して４５度の角度をなすようになっており、図４中原点Ｏから水平右向きの加速度αｈの符号を正とし、図４中原点Ｏから鉛直上向きの加速度αｖの符号を正とすると、加速度センサ４０で検出する加速度α１の水平横方向成分であるα１×ｃｏｓ４５°と加速度センサ４１で検出する加速度α２の水平横方向成分であるα２×ｓｉｎ４５°とを足し合わせることで水平横方向の加速度αｈを求めることができ、加速度センサ４０で検出する加速度α１の鉛直方向成分であるα１×ｓｉｎ４５°から加速度センサ４１で検出する加速度α２の鉛直方向成分であるα２×ｃｏｓ４５°を差し引きすることで鉛直方向の加速度αｖを求めることができる。

つまり、加速度演算部４２は、αｈ＝（α１＋α２）／√２、αｖ＝（α１−α２）／√２を演算することで、それぞれ加速度αｈ，αｖを求める。なお、加速度センサ４０，４１の加速度検出方向は、上記したところに限られるものではなく、たとえば、加速度センサ４０の検出方向を車体Ｂの鉛直方向とし加速度センサ４１の検出方向を車体Ｂの水平横方向とするようにすれば、加速度演算部４２を省略することもできるとともに、この場合には、車体Ｂを横断する同一平面上に設置する必要はない。また、これ以外にも、加速度センサ４０，４１の加速度検出方向が車体Ｂを横断する面上で一致しなければ、これらの検出方向を図４中水平方向に対して任意の角度に設定することもでき、加速度センサ４０で得た加速度α１と加速度センサ４１で得た加速度α２のそれぞれを鉛直方向成分と水平横方向成分とに分解して鉛直方向成分同士と水平横方向成分同士を加算することで加速度αｈ、αｖを得ることができる。

ローパスフィルタ４３は、鉛直方向の加速度αｖを濾波して当該加速度αｖに含まれる高周波成分を取り除くために設けてある。詳しくは、ローパスフィルタ４３は、加速度αｖからノイズの除去と、曲線区間走行時の定常加速度に起因して重畳されるドリフト成分をある程度取り除いて、曲線区間認識部４５における鉄道車両が曲線区間走行中であることの認識にあたって曲線区間認識の精度を向上させる目的を持っている。

バンドパスフィルタ４４は、水平横方向の加速度αｈに含まれるノイズを除去するとともに、曲線区間走行時の定常加速度に起因して重畳されるドリフト成分をある程度取り除いて、制御力演算部４８における制御力指令値Ｆの演算において車体Ｂの外乱による乗り心地を悪化させる振動を制振対象として、当該振動を抑制することができるようになっている。

曲線区間認識部４５は、本実施の形態では、ローパスフィルタ４３で濾波後の加速度αｖと重力加速度Ｇとに基づいて車体Ｂの傾斜を検知し、当該車体Ｂを備えた鉄道車両が曲線区間を走行しているか否かを認識する。具体的には、図５に示すように、鉄道車両がカントが設けられた曲線区間を走行する場合、車体Ｂがカントによって内軌側へ傾くため、この傾きの角度をθとすると、ローパスフィルタ４３で濾波する前の車体床面鉛直方向の加速度αｖは、重力加速度Ｇの車体床面鉛直方向の成分Ｇ×ｃｏｓθと、鉄道車両の走行速度に応じて車体Ｂに作用する遠心加速度Ｗの車体床面鉛直方向の成分Ｗ×ｓｉｎθと外乱による振動成分を合成したものとなる。このうち、振動成分はローパスフィルタ４３で濾波することによって取り除かれるので、ローパスフィルタ４３で濾波した後の加速度αｖは、αｖ＝Ｇ×ｃｏｓθ＋Ｗ×ｓｉｎθとなる。

このように、加速度αｖには、遠心加速度Ｗによる成分が重畳されているが、角度θは大きくても５度程度であって、実際には、鉄道車両は、超過遠心加速度を極小さくして曲線区間を走行しなければならないので、加速度αｖにおける遠心加速度Ｗによる成分も極小さい。したがって、αｖの値は、重力加速度Ｇの車体床面鉛直方向の成分に近似され、αｖ≒Ｇ×ｃｏｓθとなる。

ここで、この加速度αｖを重力加速度Ｇで割った値は、αｖ／Ｇ≒ｃｏｓθとなるから、カントによる車体Ｂの傾斜角θは、θ≒ａｒｃｃｏｓ（αｖ／Ｇ）となるため、ａｒｃｃｏｓ（αｖ／Ｇ）を演算することで傾斜角θを近似的に求めることができる。

このように曲線区間認識部４５は、ａｒｃｃｏｓ（αｖ／Ｇ）を演算して、θを近似的に求め、θが０でない場合、鉄道車両用制振装置１が搭載された車両が曲線区間を走行中であると判断する。すなわち、曲線区間認識手段は、この場合、曲線区間認識部４５で構成されている。

ここで、αｖ／Ｇの値が１に近い値である場合、αｖ／Ｇの値が僅かに変化しても求める傾斜角θも敏感に変化することから、加速度αｖに僅かなノイズが含まれるだけでも傾斜角θを正確に求めることが難しくなる。これに対して、ａｒｃｓｉｎ（αｖ／Ｇ）の値は、αｖ／Ｇの値の変化に対してａｒｃｃｏｓ（αｖ／Ｇ）の値ほど敏感に変化せず、多少のノイズが加速度αｖに含まれていても、ａｒｃｓｉｎ（αｖ／Ｇ）の値に与える影響は少ない。それゆえ、ａｒｃｓｉｎ（αｖ／Ｇ）を用いて傾斜角θを求めることで、精度よく傾斜角θを求めることができる。ここで、αｖ／Ｇ＝ｓｉｎ（π／２−θ）であるので、ａｒｃｓｉｎ（αｖ／Ｇ）＝π／２−θとなり、θ＝π／２−ａｒｃｓｉｎ（αｖ／Ｇ）を演算すれば、ａｒｃｓｉｎ（αｖ／Ｇ）を用いて傾斜角θを求めることができる。

なお、曲線区間認識部４５におけるａｒｃｓｉｎ（αｖ／Ｇ）やａｒｃｃｏｓ（αｖ／Ｇ）の演算は、予め制御装置Ｃに逆三角関数表を記憶させておいて、当該逆三角関数表を参照して行ってもよいし、級数展開した数式を用いて行ってもよい。

ゲイン調節部４６は、曲線区間認識部４５で本鉄道車両用制振装置１が搭載された鉄道車両が曲線区間を走行中であるとの判断がなされると、スカイフックゲインを曲線区間走行用のスカイフックゲインとし、反対に、曲線区間認識部４５で本鉄道車両用制振装置１が搭載された鉄道車両が直線区間を走行中であるとの判断がなされると、スカイフックゲインを直線区間走行用のスカイフックゲインとする。

つづいて、速度演算部４７は、バンドパスフィルタ４４で濾波した水平横方向の加速度αｈを積分して、車体Ｂの横方向の速度Ｖを求め、制御力演算部４８は、この速度演算部４７で求めた速度Ｖとゲイン調節部４６で決定されたスカイフックゲインとを乗算して制御力指令値Ｆを求める。

ドライバ４９は、制御力指令値Ｆに基づいてアクチュエータＡのモータ１５、第一開閉弁９のソレノイド９ｅ、第二開閉弁１１のソレノイド１１ｅ、比例電磁リリーフ弁２２の比例ソレノイド２２ｃへそれぞれ制御指令を出力する。

このように鉄道車両用制振装置１は、車体床面に対して鉛直方向の加速度αｖから車体Ｂの傾斜角θを求めることによって、鉄道車両が曲線区間を走行中であるか否かを正確に認識することができる。

また、走行地点情報を必要とせずに鉄道車両が曲線区間を走行中であることを認識することができるので、伝送不良や伝送遅れに伴う走行区間の誤認識を避けることができ、鉄道車両用制振装置１は曲線区間に最適な制御を実施することができ、車両における乗り心地を向上させることができる。

さらに、曲線区間認識には、走行地点情報を必要としないので、鉄道車両用制振装置１で走行区間の情報をマップとして保有しておく必要がなく、大容量の記憶装置を備えなくてすみ、低コストで経済性の点でも有利となる。

本実施の形態の鉄道車両用制振装置１では、加速度センサ４０，４１で検知する加速度α１，α２から鉄道車両が曲線区間を走行しているか否かを認識することができるが、加速度センサ４０，４１に異常がある場合に、異常であることを判断することができないと、車体Ｂの振動を抑制することができず乗り心地を悪化させてしまう可能性がある。

そこで、本実施の形態における鉄道車両用制振装置１にあっては、加速度センサ４０，４１の異常を検知するため異常検知手段５０を備えている。異常検知手段５０は、加速度センサ４０，４１の異常を検知すると、制御装置Ｃによるモータ１５、第一開閉弁９のソレノイド９ｅ、第二開閉弁１１のソレノイド１１ｅ、比例電磁リリーフ弁２２の比例ソレノイド２２ｃへの通電を一切中止させることで、アクチュエータＡをパッシブダンパとして機能させる。具体的には、たとえば、異常検知手段５０は、ドライバ４９へ異常信号を発して、ドライバ４９からの通電を停止させる。

異常検知手段５０は、絶えず、加速度センサ４０，４１が出力する加速度α１，α２を取り込み、α１−α２を演算して、この値を常に監視する。加速度センサ４０，４１の検出方向は、車体Ｂを進行方向に対して鉛直に横断する面上で直交するとともに水平方向に対して４５度の角度をなすようになっており、α１−α２＝√２×αｖとなる。

加速度αｖは、鉄道車両が直線区間を走行中である場合には、軌道にカントが設けられていないので、外乱が無ければ、重力加速度Ｇに一致し、鉄道車両が曲線区間を走行中であれば、外乱が無ければ、重力加速度Ｇの車体床面鉛直方向成分と遠心加速度Ｗの車体床面鉛直方向成分とを合算した値となる。そのため、加速度α１，α２から外乱による振動やノイズを図示しないローパスフィルタで取り除き、α１−α２を演算すると、重力加速度Ｇを約１．４倍した値の周辺の値を採ることになる。他方、加速度センサ４０，４１の一方が信号を出力しない状態では、α１−α２の値は、重力加速度Ｇを約０．７倍した値の周辺の値を採り、両方が信号を出力しない場合には、０となるので、加速度センサ４０，４１の異常はα１−α２を演算した結果が重力加速度Ｇを約１．４倍した値の周辺の値にない場合に異常を検知することができる。

このように、加速度センサ４０，４１に異常がある場合には、いち早く制御を中止して、アクチュエータＡをパッシブダンパとして機能させて、車両における乗り心地の悪化を防止することができる。

なお、上述したように、車体Ｂの床面に対して鉛直方向の加速度αｖを用いることによって、鉄道車両が曲線区間走行中であることを認識でき、車体Ｂの床面に対して水平横方向の加速度αｈを用いてアクチュエータＡの制御力を演算するようになっているので、加速度センサ４０，４１は、上述した方向を検知方向とするもののほか、加速度センサ４０で鉛直方向の加速度αｖを検知し、加速度センサ４１で水平横方向の加速度αｈを検知するようにしてもよい。

このように、加速度センサ４０で鉛直方向の加速度αｖを検知し、加速度センサ４１で水平横方向の加速度αｈを検知する場合、上記した演算でこれら加速度センサ４０，４１の異常を検知することができない。そのため、この場合には、異常検知手段５０は、加速度αｖを二乗した値と加速度αｈを二乗した値とを合算し、当該合算値と重力加速度Ｇを二乗した値との偏差が閾値を超える場合に、加速度センサ４０，４１に異常があると判断するようになっている。

αｖ^２+αｈ^２の値は、鉄道車両が直線区間を走行中である場合には、軌道にカントが設けられていないので、外乱が無ければ、重力加速度Ｇの二乗の値に一致する。また、鉄道車両が曲線区間を走行中であれば、外乱が無ければ、重力加速度Ｇの車体床面鉛直方向成分と遠心加速度Ｗの車体床面鉛直方向成分とを合算した値となるが、曲線区間走行時には、予め、定常化速度が０．０８Ｇを超えないように走行することが義務付けられている。そのため、加速度α１，α２から外乱による振動やノイズを図示しないローパスフィルタで取り除き、αｖ^２+αｈ^２を演算すると、その値は、重力加速度Ｇを二乗した値の周辺の値を採ることになる。したがって、重力加速度Ｇの二乗の値を中心にして、その上下に閾値を設定してやることで、αｖ^２+αｈ^２の値が（Ｇ^２−閾値）の値から（Ｇ^２＋閾値）の値の範囲内に収まれば、加速度センサ４０，４１は正常に動作しており、上記範囲外となると加速度センサ４０，４１に異常があることがわかる。

このように、加速度センサ４０，４１がそれぞれ鉛直方向の加速度αｖと水平横方向の加速度αｈを検知するようにしても、加速度センサ４０，４１の異常を検知でき、異常がある場合には、いち早く制御を中止して、アクチュエータＡをパッシブダンパとして機能させて、車両における乗り心地の悪化を防止することができる。

なお、異常検知手段５０は、たとえば、制御装置Ｃと同様に、ＣＰＵでプログラムを実行することで実現することができる。

なお、上記したところでは、制御装置Ｃは、スカイフック制御則に則ってアクチュエータＡの制御力指令値Ｆを求めているが、他の制御則を用いてもよく、本発明の効果は失われることはない。

以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されないことは勿論である。

本発明は、鉄道車両の車体振動の制振に利用可能である。

１鉄道車両用制振装置
２シリンダ
３ピストン
４ロッド
５ロッド側室
６ピストン側室
７タンク
８第一通路
９第一開閉弁
９ａ第一開閉弁におけるバルブ
９ｂ第一開閉弁における連通ポジション
９ｃ第一開閉弁における遮断ポジション
９ｄ第一開閉弁におけるバネ
９ｅ第一開閉弁におけるソレノイド
１０第二通路
１１第二開閉弁
１１ａ第二開閉弁におけるバルブ
１１ｂ第二開閉弁における連通ポジション
１１ｃ第二開閉弁における遮断ポジション
１１ｄ第二開閉弁におけるバネ
１１ｅ第二開閉弁におけるソレノイド
１２ポンプ
１３蓋
１４ロッドガイド
１５モータ
１６供給通路
１７逆止弁
１８整流通路
１８ａ整流通路における逆止弁
１９吸込通路
１９ａ吸込通路における逆止弁
２１排出通路
２２比例電磁リリーフ弁
２２ａ比例電磁リリーフ弁における弁体
２２ｂ比例電磁リリーフ弁におけるバネ
２２ｃ比例電磁リリーフ弁における比例ソレノイド
４０，４１加速度センサ
４２加速度演算部
４３ローパスフィルタ
４４バンドパスフィルタ
４５曲線区間認識部
４６ゲイン調節部
４７速度演算部
４８制御力演算部
４９ドライバ
５０異常検知手段
Ａアクチュエータ
Ｂ車体
Ｃ制御装置
Ｐピン
Ｔ台車

Claims

鉄道車両の車体の振動を抑制する鉄道車両用制振装置において、鉄道車両の車体床面に対する鉛直方向の加速度を検知する加速度検知手段と、加速度検知手段で検知した加速度と重力加速度とに基づいて鉄道車両が曲線区間を走行中であることを認識する曲線区間認識手段とを備えたことを特徴とする鉄道車両用制振装置。
曲線区間認識手段は、鉛直方向の加速度をαｖとし、重力加速度をＧとし、カントによる傾斜角をθとすると、θ＝９０−ａｒｃｓｉｎ（αｖ／Ｇ）を演算して、傾斜角を求めて鉄道車両が曲線区間を走行中であることを認識することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用制振装置。
加速度検知手段は、加速度検知方向が鉄道車両の車体を横断する面上で直交するとともに水平方向に対して４５度の角度をなす一対の加速度センサを備え、これら加速度センサで得られた加速度から、鉛直方向と進行方向に対して水平横方向の少なくとも一方の加速度を検知することを特徴とする請求項１または２に記載の鉄道車両用制振装置。
加速度検知手段は、加速度検知方向が鉄道車両の鉛直方向である加速度センサと、加速度検知方向が鉄道車両の水平横方向の加速度センサとを備え、これら加速度センサで得られた加速度の二乗の和と重力加速度の二乗の値とを比較し、当該和と当該値の差が閾値を超えると加速度検知手段の異状と判断する異状判断手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の鉄道車両用制振装置。
鉄道車両の車体と台車との間に介装されるアクチュエータまたは減衰力可変ダンパのいずれか一方と、アクチュエータまたは減衰力可変ダンパのいずれか一方をスカイフック制御則に則って制御する制御装置とを備え、鉄道車両が曲線区間を走行中であることを認識すると、曲線区間走行用のスカイフックゲインを用いてアクチュエータまたは減衰力可変ダンパのいずれか一方の制御力を求めることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の鉄道車両用制振装置。