JP5689624B2 - 鉄道車両に搭載されるアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の車体と台車との間に振動を抑制するために搭載されるアクチュエータに関し、さらに詳細には、アクチュエータの揺動を抑制するための技術に関する。

鉄道車両として、レール上を走行する台車と、台車の上方に車体支持機構を介して支持された車体とを備えたものが知られている。車体支持機構は、台車と車体とを連結するとともに、車体の振動を抑制して車体の姿勢を改善するためのものである。この車体支持機構には、例えば、台車と車体を上下方向に連結する枕バネや、台車と車体を車両幅方向（枕木方向）に連結して車両の横揺れを抑制する振動抑制機能付きサスペンションなどが含まれる。近年では、振動抑制機能付きサスペンションとして、入ってきた振動と逆向きの力を加えるように制御される空気圧、油圧又は電動モータで作動するアクチュエータが用いられることがある。例えば、特許文献１に開示されたアクチュエータは、内蔵された電動モータと、シリンダと、当該シリンダに挿入されたピストンロッドと、電動モータの回転運動を直線運動に変換してピストンロッドを伸縮させる回転−直線運動変換機構を備えている。このようなアクチュエータと車体及び台車との連結部には、例えば、特許文献２に記載されているような球面継手が用いられる。これによりアクチュエータは、回転および揺動が可能なように台車及び車体と連結される。

特開平７−８１５６１号公報 特開２００８−２４８９８９号公報

上記のように車両の横揺れを抑制するために設けられるアクチュエータは、台車と車体の間において、推力の作用方向が車両幅方向と平行となるように配置される。このように配置されるアクチュエータには、設置スペースの制約などの理由から、推力の作用方向の大きさを縮小する要求がある。そこで、アクチュエータにおいて推力が作用する中心軸線上にロッドを配置するとともに、この中心軸線と並行に他の主構成要素（例えば電動モータや電磁弁など）を配置することによって、アクチュエータの推力の作用方向の短尺化を図ることが考え得る。このように一部の主構成要素を中心軸線と並行に配置することによって推力の作用方向に短尺化されたアクチュエータを、以下では「並列型アクチュエータ」という。これに対し、特許文献１に記載されているように、電動モータ、及びロッドなどの主構成要素が中心軸線と同軸上に配置されているアクチュエータを「同軸型アクチュエータ」という。

並列型アクチュエータを、球面継手を用いて台車及び車体と連結して振動耐久試験を行ったところ、並列型アクチュエータが中心軸線回りに大きく揺動することがわかった。このような現象は、同軸型アクチュエータでは顕著に表れない。同軸型アクチュエータでは、重心が中心軸線上にあるのに対し、並列型アクチュエータでは、比較的重量物である電動モータなどの一部の主構成要素が中心軸線から離れて配置されているために、重心が中心軸線から偏心する。この重心の中心軸線からの偏心により、並列型アクチュエータの中心軸線回りの揺動が大きくなると推定される。

アクチュエータと台車又は車体との連結部において、アクチュエータの中心軸線回りの過度の揺動変位を規制する技術が特許文献２に開示されている。特許文献２に記載の球面継手では、駆動シリンダ１の基部３を支承する支持体７の周囲に環状の弾性部材１７が設けられており、弾性部材１７が基部３と当接することによって駆動シリンダ１の過度の揺動変位が規制される。前述の通り、並列型アクチュエータは同軸型アクチュエータと比較して中心軸線回りに大きく揺動することから、特許文献２に開示された技術を並列型アクチュエータに適用させるためには、弾性部材１７による揺動の抑制効果を高めねばならない。このための対処法の一つとして、弾性部材１７の硬度を高めることが挙げられるが、材料特性の向上には限界があり、弾性部材１７の硬度にも限界がある。また、対処法の一つとして、アクチュエータの中心軸線から離れたところに弾性部材１７を配置することが挙げられるが、弾性部材１７を覆うためにアクチュエータのハウジングが大型化してしまう。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、鉄道車両の台車と車体との間に設けられるアクチュエータであって、アクチュエータの本体を大型化させることなく、アクチュエータの中心軸線回りの揺動を効果的に抑制することを目的とする。

本発明の一態様に係るアクチュエータは、鉄道車両の台車と車体との間に搭載されるアクチュエータであって、前記アクチュエータの中心軸線上に減衰力を発生させることにより前記車体の振動を抑制する可変減衰ダンパである本体と、前記可変減衰ダンパの減衰力を切り換えるための電磁弁であって、当該電磁弁の中心軸が前記中心軸線と同軸にならないように前記本体と一体的に設けられた電磁弁と、前記本体と前記台車又は前記車体との間に設けられた弾性を有する少なくとも１つの防振体であって、当該防振体の引張圧縮方向と前記中心軸線とが略直交するように配置され、前記引張圧縮方向の一端が前記本体に取り付けられ、前記引張圧縮方向の他端が前記台車又は前記車体に取り付けられる、少なくとも１つの防振体とを備えるものである。本発明の別の態様に係るアクチュエータは、鉄道車両の台車と車体との間に搭載されるアクチュエータであって、前記アクチュエータの中心軸線と平行な方向に伸縮することにより前記車体の振動を抑制する本体と、前記本体を伸縮させる電動モータであって、前記第１方向において前記本体の両端の間に当該電動モータが位置し且つ当該電動モータの中心軸が前記中心軸線と同軸にならないように前記本体と一体的に設けられた電動モータと、前記本体と前記台車又は前記車体との間に設けられた弾性を有する少なくとも１つの防振体であって、当該防振体の引張圧縮方向と前記本体の中心軸線とが略直交するように配置され、前記引張圧縮方向の一端が前記本体に取り付けられ、前記引張圧縮方向の他端が前記台車又は前記車体に取り付けられる、少なくとも１つの防振体とを備えるものである。上記において、「アクチュエータの中心軸線」とは、アクチュエータにおいて推力が働く軸線及びその延長線のことをいう。アクチュエータの中心軸線は、一般的に、アクチュエータと台車の連結点と、アクチュエータと車体の連結点とを結ぶ直線と重複する。

上記アクチュエータの構成によれば、アクチュエータに中心軸線回りに揺動させようとする力が入力されたときに、防振体が圧縮又は引張方向へ弾性変形して抵抗することによって、本体の中心軸線回りの過度の揺動が抑制される。換言すれば、アクチュエータの中心軸線回りの過度の揺動が抑制される。

前記アクチュエータにおいて、前記防振体は、引張圧縮方向よりもせん断方向が低いバネ定数を有することがよい。かかる構成により、アクチュエータの中心軸線回りの揺動を抑制することと、アクチュエータの中心軸と平行な方向への移動を許容することとを、実現することができる。

また、本発明の更に別の態様に係るアクチュエータは、鉄道車両の台車と車体との間に搭載されるアクチュエータであって、前記台車又は前記車体に接続される連結点を有し、前記アクチュエータの中心軸線と平行な第１方向と略直交する第２方向に延在する支持体と、前記連結点を中心として揺動可能に前記支持体に支持され、前記車体の振動を抑制する本体と、前記本体と前記支持体との間に設けられた弾性を有する少なくとも１つの防振体であって、前記連結点から前記第２方向へ離れた位置に、当該防振体の引張圧縮方向と前記第１方向及び前記第２方向が略直交するように配置された、少なくとも１つの防振体とを備え、前記連結点から前記防振体までの前記第２方向の離間距離が可変であるものである。

上記アクチュエータの構成によれば、アクチュエータに中心軸線回りに揺動させようとする力が入力されたときに、支持体と本体の間で防振体が圧縮又は引張方向へ弾性変形して抵抗することによって、支持体に相対する本体の中心軸線回りの過度の揺動が抑制される。換言すれば、アクチュエータの中心軸線回りの過度の揺動が抑制される。防振体は、連結点から中心軸線と略直交する方向へ離れたところに設けられるので、連結点と近接して設けられる場合と比較して、効果的に抵抗力を発揮することができる。さらに、アクチュエータの中心軸線回りの過度の揺動を抑制するための防振体は、アクチュエータの本体と支持体との間に設けられるので、本体は大型化せず、アクチュエータ全体としても大型化しない。

前記アクチュエータにおいて、前記防振体は、引張圧縮方向の一端が前記支持体に固定され、他端が前記本体に固定されていることがよい。かかる構成により、防振体は引張方向及び圧縮方向のいずれの方向へも弾性変形することができる。よって、少ない数の防振体で効率的にアクチュエータの中心軸線回りの揺動を抑制することができる。

前記アクチュエータにおいて、前記本体が、前記支持体の前記連結点から前記第２方向へ離間した位置に、当該支持体と対向して配置される防振体支持部を有し、前記防振体が、対向する前記支持体と前記防振体支持部との間に配置されていることがよい。

前記アクチュエータにおいて、前記防振体は、引張圧縮方向よりもせん断方向が低いバネ定数を有することがよい。このようなアクチュエータにおいて、例えば、前記防振体を、弾性部材と皿板とを引張圧縮方向に交互に積層して成る弾性部を備えて構成することができる。かかる構成により、アクチュエータの中心軸線回りの揺動を抑制することと、アクチュエータの中心軸と平行な方向への移動を許容することとを、実現することができる。

前記アクチュエータにおいて、前記防振体は、前記連結点を介して前記支持体の一側と他側にそれぞれ設けられていることがよい。かかる構成により、アクチュエータの中心軸線回りに揺動したときに、連結点を介して支持体の一側と他側にそれぞれ設けられた防振体の双方が揺動に対する抵抗力を発揮するので、アクチュエータの揺動が効果的に抑制される。

前記アクチュエータにおいて、前記連結点から前記防振体までの前記中心軸線と略直交する方向への離間距離が可変であることがよい。かかる構成により、アクチュエータの揺動に対し防振体が発揮する抵抗力を調整することができる。

前記アクチュエータは、前記車体の振動を抑制するように前記本体を伸縮させる電動モータを前記本体と一体的に備え、前記電動モータの中心軸が、前記中心軸線と同軸でないものであってよい。このようなアクチュエータは、例えば、フルアクティブサスペンションとして利用することができる。或いは、前記アクチュエータは、電磁弁を前記本体と一体的に備え、前記本体は、前記電磁弁の動作を受けて減衰力を切り替え、前記車体の振動を抑制する可変減衰ダンパであり、前記電磁弁の中心軸が、前記中心軸線と同軸でないものであってよい。このようなアクチュエータは、例えば、セミアクティブサスペンションとして利用することができる。上記のように、主構成要素の一部（電動モータ、電磁弁など）を中心軸線から離れて配置することによって推力の作用方向への小型化が図られたアクチュエータでは、重心が中心軸線から偏心しているためにアクチュエータの中心軸線回りの揺動が大きくなる傾向がある。このような重心が中心軸線から偏心しているアクチュエータに対して本発明に係るアクチュエータの構成は特に有用である。

本発明によれば、鉄道車両の台車と車体との間に設けられるアクチュエータにおいて、アクチュエータの本体を大型化させることなく、アクチュエータの中心軸線回りの揺動を効果的に抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る振動抑制装置が搭載された鉄道車両の概略構成を示す正面図である。 アクチュエータの概略構成を示す正面図である。 アクチュエータと車体側支持部の連結部の拡大正面図である。 図３におけるIV矢視図である。 図３におけるＶ矢視図である。 連結点から防振体までの離間距離を可変とした防振機構の例１を示す図である。 連結点から防振体までの離間距離を可変とした防振機構の例２を示す図である。 連結点を介して支持体の一側に複数の防振体を備えた防振機構の例を示す図である。 鉄道車両にアクチュエータを中心軸線が車両上下方向と平行となるように配置した例を示す図である。 防振体を車体側支持部とアクチュエータとの間に設けた例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複説明を省略する。

図１は本発明の実施の形態に係る振動抑制装置が搭載された鉄道車両の概略構成を示す正面図である。図１において紙面を貫く方向が鉄道車両１の走行方向であり、以下では、この走行方向を前後方向Ｙという。また、この前後方向Ｙと直交する車両幅方向（枕木方向）を左右方向Ｘといい、前後方向Ｙ及び左右方向Ｘと直交する車両上下方向を上下方向Ｚという。図１に示すように、鉄道車両１は、レール３上を走行する車輪１２，１２を備えた台車１０と、この台車１０に車体支持機構８を介して支持された車体２０とを備えている。車体支持機構８には、枕バネ４，４や、振動抑制機能付きサスペンションとしてのアクチュエータ５などが含まれる。枕バネ４，４は、台車１０と車体２０との上下方向Ｚの間であって鉄道車両１の左右方向Ｘ両側に配置されており、車両重量を支持するとともに、台車１０と車体２０との間に生じる垂直方向及び水平方向の振動を減衰する。ここでは、枕バネ４として空気バネが用いられている。

アクチュエータ５は、リニアアクチュエータである。アクチュエータ５の一端は台車１０から上方へ突設された台車側支持部１１と連結され、他端は当該台車側支持部１１から左右方向Ｘへ離れたところに車体２０から下方へ垂設された車体側支持部２１と連結されている。つまり、台車側支持部１１と車体側支持部２１は、アクチュエータ５を介して左右方向Ｘに接続されている。アクチュエータ５は、車体２０の左右方向Ｘへの揺れ（すなわち、横揺れ）を抑制するための振動抑制装置２の構成要素の一つである。振動抑制装置２は、前述のアクチュエータ５と、車体２０の加速度を検出する加速度センサ７と、この加速度センサ７から出力された検出信号に基づいてアクチュエータ５の伸縮動作（すなわち、推力、変位、及び移動速度）を制御する制御装置６とを備えている。加速度センサ７は、車体２０の左右方向Ｘについて絶対加速度を検出する。このために、車体２０の前端、後端のそれぞれに加速度センサ（図示せず）が配置される。

図２はアクチュエータの概略構成を示す正面図、図３はアクチュエータと車体側支持部の連結部の拡大正面図である。図２に示すように、アクチュエータ５は、電動モータ５３を内蔵し、左右方向Ｘに長尺なハウジング５９と、ハウジング５９内に設けられた左右方向Ｘに延在する円柱状の空洞である格納部５９ａと、格納部５９ａに摺動自在に挿入されたロッド５２とを備えている。格納部５９ａは台車側支持部１１側に向けて開放しており、ここからロッド５２の一部分が突出している。電動モータ５３とロッド５２の間には、電動モータ５３の回転を変換してロッド５２を直線往復運動させる回転−直線運動変換機構５１が設けられている。回転−直線運動変換機構５１は、ロッド５２に螺入されたボールネジ５１ａと、電動モータ５３の出力軸とボールネジ５１ａの間で動力を伝達する複数のギア５１ｂとで構成されている。かかる構成により、電動モータ５３から回転が出力されると複数のギア５１ｂを介してボールネジ５１ａに回転が伝達されて、ボールネジ５１ａが回転する。ボールネジ５１ａが正回転又は逆回転することによりロッド５２が格納部５９ａから進出又は退入して、ロッド５２がハウジング５９から進退し、これによりアクチュエータ５の全長が伸縮する。振動抑制装置２では、車体の揺れを加速度センサ７で検知して、制御装置６がアクチュエータ５に外部から入力する振動と逆位相の力を発生させることによって、車体２０の左右方向Ｘへの揺れ（横揺れ）を抑制する。

台車側支持部１１とアクチュエータ５の連結部において、アクチュエータ５側の連結部はロッド５２に設けられている。ロッド５２のハウジング５９の格納部５９ａに格納されていない側の端部には、ロッド５２を前後方向Ｙに貫通する連結孔５２ａが設けられている。連結孔５２ａには、台車側支持部１１に固定される支持体５４が挿入されている。換言すれば、アクチュエータ５の中心軸線Ｃと平行な方向の一端（ロッド５２）は台車側支持部１１に支持体５４を介して支承されている。以下では、アクチュエータ５と台車１０との連結点（第１の連結点１４）を、連結孔５２ａの前後方向Ｙ、左右方向Ｘ、及び上下方向Ｚの中心とする。連結孔５２ａには支持体５４が挿入されているので、第１の連結点１４は支持体５４に存在することとなる。

支持体５４は、中心軸線Ｃと略直交する方向（前後方向Ｙ）に延在する。支持体５４は、前後方向Ｙに延びる角棒状の軸部材５７と、軸部材５７の前後方向Ｙ略中央部に外装された緩衝ゴム５６と、緩衝ゴム５６に外装された筒部材５５とで構成されている。緩衝ゴム５６は、弾性変形可能であって、好ましくはゴムであるが、例えばウレタン等の合成樹脂などであってもよい。軸部材５７の緩衝ゴム５６で覆われていない前後方向Ｙの両端部は、ボルト５８で台車側支持部１１に固定されている。緩衝ゴム５６の外周面と筒部材５５の内周面は加硫接着されている。筒部材５５の外周面は連結孔５２ａに圧入されており、筒部材５５の外周面と連結孔５２ａの内周面の間の摩擦力は極めて大きいため、筒部材５５に対してロッド５２の連結孔５２ａは移動できない。上記構成において、アクチュエータ５は、緩衝ゴム５６が弾性変形することにより、第１の連結点１４を中心として上下方向Ｚ、前後方向Ｙ、及び左右方向Ｘへ揺動できる。

一方、車体側支持部２１とアクチュエータ５の連結部において、アクチュエータ５側の連結部はアクチュエータ５のハウジング５９に設けられている。本実施の形態に係るアクチュエータ５において、ハウジング５９にはロッド５２、電動モータ５３、及び回転−直線運動変換機構５１等が内装されており、これらを合わせてアクチュエータ５の「本体」ということとする。アクチュエータ５のハウジング５９には、左右方向Ｘに車体側支持部２１側へ突出する連結ブロック６１が固定されている。連結ブロック６１は、ハウジング５９に一体的に形成されていてもよい。連結ブロック６１には、該連結ブロック６１を前後方向Ｙに貫通する連結孔６１ａが形成されている。連結孔６１ａには、車体側支持部２１に固定される支持体６３が挿入されている。換言すれば、アクチュエータ５の中心軸線Ｃと平行な方向の他端は車体側支持部２１に支持体６３を介して支持されている。以下では、アクチュエータ５と車体２０との連結点（第２の連結点２４）を、連結孔６１ａの前後方向Ｙ、左右方向Ｘ、及び上下方向Ｚの中心とする。連結孔６１ａに支持体６３が挿入されているので、第２の連結点２４は支持体６３に存在することとなる。

図３に示すように、支持体６３は、中心軸線Ｃと略直交する方向（前後方向Ｙ）に長尺であって、前後方向Ｙに延びる角棒状の軸部材６６と、軸部材６６の前後方向Ｙ略中央部に外装された緩衝ゴム６５と、緩衝ゴム６５に外装された筒部材６４とで構成されている。緩衝ゴム６５は弾性変形可能であって、ゴムの他、例えばウレタン等の合成樹脂などで構成されていてもよい。軸部材６６の緩衝ゴム６５で覆われない前後方向Ｙの両端には、固定孔６６ａ，６６ａが設けられている。この固定孔６６ａに挿入されたボルト６８により、軸部材６６が車体側支持部２１へ固定されている。緩衝ゴム６５の外周面と筒部材６４の内周面は加硫接着されている。筒部材６４の外周面と連結孔６１ａの内周面は圧入されており、アクチュエータ５は支持体６３を中心として上下方向Ｚへ回動できる。緩衝ゴム６５が弾性変形することにより、アクチュエータ５は第２の連結点２４を中心として上下方向Ｚ、前後方向Ｙ、及び左右方向Ｘへ揺動できる。

以下では、アクチュエータ５の推力が働く軸線およびその延長を「中心軸線Ｃ」という。ロッド５２の中心軸及びその延長は中心軸線Ｃと重複する。また、第１の連結点１４と第２の連結点２４を結ぶ線分は中心軸線Ｃと重複し、第１の連結点１４と第２の連結点２４はいずれも中心軸線Ｃ上に位置する。

本実施の形態に係るアクチュエータ５において、ロッド５２の中心軸は中心軸線Ｃ上にあるが、電動モータ５３の中心軸は中心軸線Ｃから外れている。つまり、電動モータ５３の中心軸は中心軸線Ｃと同軸ではない。したがって、アクチュエータ５の重心Ｇは中心軸線Ｃから外れた位置となる。図２に示された一例としてのアクチュエータ５では、電動モータ５３は中心軸線Ｃよりも下方であって且つアクチュエータ５の左右方向Ｘ中心よりも車体側支持部２１側に配置されており、アクチュエータ５の重心Ｇは中心軸線Ｃよりも下方且つ左右方向Ｘよりも車体側支持部２１側に位置している。すなわち、アクチュエータ５の重心Ｇは中心軸線Ｃから偏心している。

上記のように重心Ｇが中心軸線Ｃから偏心しているアクチュエータ５に台車１０又は車体２０から振動が伝わると、アクチュエータ５は中心軸線Ｃ回りに揺動する。車輪１２，１２の不釣り合いによる起振力が台車１０からアクチュエータ５へ入力されることが知られている。例えば、台車１０からアクチュエータ５へ起振力が入力された場合に、アクチュエータ５の固有振動数が入力された振動の振動数（例えば、３９Ｈｚ）に近い値である場合には、アクチュエータ５が共振して揺動変位が特に大きくなる。緩衝ゴム５６，６５によりアクチュエータ５の中心軸線Ｃ回りの揺動は許容されているものの、揺動変位が大きくなるとアクチュエータ５の動作に影響を与え、アクチュエータ５の機能が損なわれてしまう。これに加え、アクチュエータ５の中心軸線Ｃ回りの揺動は、アクチュエータ５と台車側支持部１１の連結部及びアクチュエータ５と車体側支持部２１の連結部へ掛かる負荷を増大させる。そこで、本実施の形態に係る振動抑制装置２のアクチュエータ５では、アクチュエータ５の中心軸線Ｃ回りの揺動を抑制するための防振機構６０を備えている。

防振機構６０は、アクチュエータ５と車体側支持部２１の連結部に設けられている。本実施の形態に係るアクチュエータ５では、ロッド５２は偏心していないが、ハウジング５９が偏心しているため、アクチュエータ５のハウジング５９と車体側支持部２１の連結部に防振機構６０を設けることによって、アクチュエータ５の中心軸線Ｃ回りの揺動を効率的に抑制している。但し、アクチュエータ５の構造によっては、アクチュエータ５と台車側支持部１１との連結部に防振機構６０を設けてもよい。或いは、アクチュエータ５と台車側支持部１１の連結部、及びアクチュエータ５と車体側支持部２１の連結部の双方に防振機構６０を設けてもよい。

図３はアクチュエータと車体側支持部の連結部の拡大正面図、図４は図３におけるIV矢視図、図５は図３におけるＶ矢視図である。図３〜５に示すように、防振機構６０は、アクチュエータ５と車体側支持部２１との間に介在する防振体７０，７０を備えている。防振体７０，７０は、アクチュエータ５と車体側支持部２１の連結部において、車体側支持部２１に固定された支持体６３とアクチュエータ５（アクチュエータ５の本体）との間を連結している。防振体７０は弾性を有し、引張圧縮方向（上下方向Ｚ）にもせん断方向（左右方向Ｘ及び前後方向Ｙ）にも弾性変形することができる。この防振体７０により、アクチュエータ５と車体側支持部２１との連結部において、アクチュエータ５の中心軸線Ｃを中心とする回転方向の剛性が高められている。つまり、アクチュエータ５を中心軸線Ｃ回りに揺動させようとする力に対し、防振体７０は圧縮方向又は引張方向へ弾性変形して抵抗することによって、アクチュエータ５の中心軸線Ｃ回りの揺動を抑制する。さらに、防振体７０は、アクチュエータ５又は車体側支持部２１から入ってきた振動を吸収して振動エネルギーを消耗させることでも防振する。

防振体７０，７０は、中心軸線Ｃ上の連結点２４を介して支持体６３の一側と他側にそれぞれ設けられている。換言すれば、防振体７０，７０は、連結点２４を介して前後方向Ｙ両側にそれぞれ配置されている。これにより、アクチュエータ５が中心軸線回りに揺動しようとするときに、連結点２４を介して前後方向Ｙ両側にそれぞれ設けられた防振体７０，７０の双方が揺動に対する抵抗力を発揮するので、アクチュエータ５の揺動が効果的に抑制される。但し、連結点２４に対して前後方向Ｙのいずれか一方のみに防振体７０を設けても良いし、図８に示すように、連結点２４に対して前後方向Ｙの一方に複数の防振体７０，７０を設けてもかまわない。

さらに、各防振体７０，７０は、中心軸線Ｃ上の連結点２４と前後方向Ｙに離間している。このように、連結点２４から中心軸線Ｃと略直交する方向へ離れたところに設けられた防振体７０は、連結点２４と近接して設けられる場合と比較して、効果的に抵抗力を発揮することができる。よって、アクチュエータ５の中心軸線Ｃ回りの揺動が効果的に抑制される。

アクチュエータ５に設けられた連結ブロック６１の下部には、取付ステー６２がボルト６９，６９で固定されている。取付ステー６２と支持体６３の軸部材６６とは、上下方向Ｚに離間して対向している。この取付ステー６２は、アクチュエータ５において防振体７０を支持するための防振体支持部を提供している。防振体支持部は、支持体６３の連結点２４から中心軸線Ｃと略直交する方向（前後方向Ｙ）へ離れたところにおいて、支持体６３と対向している。この取付ステー６２（詳細には、取付ステー６２に含まれる防振体支持部）と軸部材６６との間に防振体７０が、引張圧縮方向が上下方向Ｚとなる姿勢で架け渡されている。このように、アクチュエータ５の中心軸線Ｃ回りの過度の揺動を抑制するための防振体７０は、アクチュエータ５の本体と支持体６３との間において従来利用されていなかったがアクチュエータ５が占有していた空間に設けられるので、アクチュエータ５の本体は大型化せず、且つ、アクチュエータ５全体としても大型化しない。

防振体７０の上端は軸部材６６に固定され、同じく下端は取付ステー６２に固定されている。したがって、防振体７０は、取付ステー６２と軸部材６６との間が拡大する引張方向にも、取付ステー６２と軸部材６６との間が縮小する圧縮方向にも作用することができる。このように、引張方向にも圧縮方向にも弾性変形する防振体７０が連結点２４を介して前後方向Ｙの両側に設けられているので、例えば、圧縮方向のみ作用する防振体を連結点２４を介して前後方向Ｙの両側に設ける場合と比較して、少ない数の防振体７０で効率的にアクチュエータ５の中心軸線Ｃ回りの揺動を抑制することができる。

防振機構６０に含まれる２つの防振体７０，７０は同じ構造を有するので、以下では、そのうち１つの防振体７０の構造について詳細に説明する。本実施の形態では、防振体７０として、いわゆる防振ゴムが採用されている。防振体７０は、上方へ突出するボルト７１ａと平皿７１ｂから成る第１のエンド部７１と、下方へ突出するボルト７７ａと平皿７７ｂから成る第２のエンド部７７と、これらのエンド部７１，７７の平皿７１ｂ，７７ｂの間に挟まれた弾性部７４とで構成されている。弾性部７４は、１又は複数の弾性体７５を含んでいる。弾性体７５は、ゴムや、ウレタン等の合成樹脂を初めとする弾性を有する材料の中から選択された材料で構成されている。弾性部７４に含まれる弾性体７５が複数である場合には、弾性体７５は引張圧縮方向（上下方向Ｚ）に積層されて、弾性体７５同士の間に平皿７６が介装される。本実施の形態において、防振体７０の弾性部７４は、平板状ゴムである２つの弾性体７５，７５とこの間に介装された１つの平皿７６を備えている。但し、弾性部７４が備える弾性体７５の数及び材料は、本実施の形態に限定されず、求められる防振体７０の性能（特に、バネ定数）に応じて選択されることが望ましい。ここで、防振体７０のバネ定数とは、防振体７０に負荷を加えたときの、荷重を伸びで割った比例定数のことをいう。防振体７０のバネ定数の設計方法については、後述する。

上記構成の防振体７０は、エンド部７１，７７のボルト７１ａ，７７ａを利用して、アクチュエータ５と車体側支持部２１のそれぞれに固定される。車体側支持部２１に固定された支持体６３の軸部材６６には、取付ステー６２と対向する面に開口するボルト穴６６ｂ，６６ｂが設けられている。このボルト穴６６ｂ，６６ｂと対向するように、取付ステー６２を上下方向に貫通する取付孔６２ａ，６２ａが設けられている。そして、防振体７０の第１のエンド部７１のボルト７１ａは、スペーサナット７２に螺入され、さらに、支持体６３の軸部材６６に穿設されたボルト穴６６ｂに螺入される。これにより、防振体７０の上端が車体２０側の支持体６３に固定される。一方、防振体７０の第２のエンド部７７のボルト７７ａは、スペーサナット７８に螺入され、取付ステー６２に穿設された取付孔６２ａに挿入され、さらに、取付ステー６２の下方で固定ナット８０に螺入される。これにより、防振体７０の下端がアクチュエータ５側の取付ステー６２に固定される。

２つの防振体７０，７０のうち、第１の防振体７０Ａは連結点２４（中心軸線Ｃ）から前後方向Ｙに第１の離間距離Ｗ１だけ離れており、第２の防振体７０Ｂは連結点２４（中心軸線Ｃ）から前後方向Ｙに第２の離間距離Ｗ２だけ離れている。第１の離間距離Ｗ１と第２の離間距離Ｗ２は同じであってもよいし、異なっていてもよい。さらには、第１の離間距離Ｗ１と第２の離間距離Ｗ２は可変であることが望ましい。第１の離間距離Ｗ１又は第２の離間距離Ｗ２が可変であれば、第１の離間距離Ｗ１又は第２の離間距離Ｗ２を変化させることによって、防振体７０が与えるアクチュエータ５の中心軸線Ｃ回りの揺動の抑制力を調整することができる。

図６は連結点から防振体までの離間距離を可変とした防振機構の例１を示す図である。図６に示す例１では、アクチュエータ５と車体側支持部２１との連結部において、支持体６３の軸部材６６に前後方向Ｙに並ぶ複数のボルト穴６６ｂ，６６ｂ，６６ｂを設けるとともに、取付ステー６２のボルト穴６６ｂ，６６ｂと上下方向Ｚに対応する位置に複数の取付孔６２ａ，６２ａ，６２ａを設けている。上記構成において、防振体７０を取り付けるボルト穴６６ｂと取付孔６２ａの組み合わせを選択することによって、連結点２４から防振体７０までの第１の離間距離Ｗ１を変化させることができる。

また、図７は連結点から防振体までの離間距離を可変とした防振機構の例２を示す図である。図７に示す例２では、アクチュエータ５と車体側支持部２１との連結部において、支持体６３の軸部材６６に前後方向Ｙに長尺な取付孔６６ｃを設けるとともに、取付ステー６２の取付孔６６ｃと上下方向Ｚに対応する位置に前後方向Ｙに長尺な取付孔６２ａを設けている。上記構成において、防振体７０の第１のエンド部７１のボルト７１ａを軸部材６６の取付孔６６ｃへ通して固定ナット８１で留め付け、さらに、第２のエンド部７７のボルト７７ａを取付ステー６２の取付孔６２ａへ通して固定ナット８０で留め付ける。このとき、取付孔６６ｃ内のボルト７１ａの位置、及び取付孔６２ａ内のボルト７７ａの位置を前後方向Ｙに動かすことによって、連結点２４から防振体７０までの第１の離間距離Ｗ１を変化させることができる。

さらには、防振体７０は、せん断方向（左右方向Ｘ及び前後方向Ｙ）と引張圧縮方向（上下方向Ｚ）とでバネ定数が異なることが望ましい。具体的には、防振体７０は、引張圧縮方向よりもせん断方向が低いバネ定数を有することがよい。これにより、アクチュエータ５と車体側支持部２１の連結部において、アクチュエータ５の中心軸線Ｃを中心とする回動方向への剛性を高めてアクチュエータ５の中心軸線Ｃ回りの揺動を抑制することと、アクチュエータ５の連結点２４を通り、上下方向Ｚと平行な軸回りの揺動を許容することとを、実現することができる。このようにアクチュエータ５の台車１０又は車体２０との連結部において前後方向Ｙ及び左右方向Ｘへの比較的大きな変位が許容されることによって、曲線軌道走行時などにおいて台車１０に対し車体２０が旋回しても、アクチュエータ５と台車１０又は車体２０との連結部への過負荷を防止できる。

なお、引張圧縮方向とせん断方向とのバネ定数が異なる防振体７０は、例えば、複数の板状の弾性体７５を積層して成る弾性部７４を備えることによって実現できる。また、例えば、形状や構成素材などによって引張圧縮方向とせん断方向とで異なる弾性を有する弾性体７５を弾性部７４に備えることにより、引張圧縮方向とせん断方向とのバネ定数が異なる防振体７０を実現することができる。

ここで、防振体７０のバネ定数の設計方法について、具体的な数値例を挙げて説明する。前提条件として、図４に示すように、連結点２４（中心軸線Ｃ）を介して前後方向Ｙの両側に１つずつ防振体７０，７０が配置され、連結点２４と防振体７０，７０との前後方向Ｙの離間距離はいずれもｌ＝0.048[m]であるとする。さらに、緩衝ゴム６５の中心軸線Ｃを中心とする回転方向のバネ定数をｋ_br＝1430[N・m/rad]とし、防振体７０の動倍率をα_e＝1.3とし、緩衝ゴム６５の動倍率をα_b＝1.3とし、中心軸線Ｃ回りのアクチュエータ５の慣性をＩ＝0.140[kg・m²]とする。上記前提条件において、アクチュエータ５の中心軸線Ｃ回りの固有振動数が50[Hz]以上となり、防振体７０のせん断方向への許容最大変位が4.2[mm]以上となるように、防振体７０の設計を行う。防振体７０の引張圧縮方向バネ定数をｋ_eaとすると、アクチュエータ５の中心軸線Ｃ回りの固有振動数は、次の数式１で表される。

数式１を変形したものが数式２であり、数式２を用いて引張圧縮方向バネ定数ｋ_eaを算出することができる。

数式２において、各パラメータに数値を代入すると、防振体７０の引張圧縮方向バネ定数ｋ_eaは2.00×10⁶[N/m]と算出される。このように、防振体７０の引張圧縮方向バネ定数ｋ_eaの値を比較的簡易な計算で導き出すことができる。さらに、防振体７０の引張圧縮方向バネ定数ｋ_ea＝2.00×10⁶[N/m]で且つせん断方向の許容最大変位が4.2[mm]以上である防振体７０の形状をＦＥＭ（Finite Element Method；有限要素法）によって解析的に決定し、せん断方向バネ定数ｋ_esを求めると、せん断方向バネ定数ｋ_esは3.02×10⁴[N/m]と算出される。

上記の通り、前述の前提条件において、アクチュエータ５の中心軸線Ｃ回りの固有振動数が50[Hz]以上となり、且つ、防振体７０のせん断方向への許容最大変位が4.2[mm]以上となる防振体７０のバネ定数は、引張圧縮方向バネ定数ｋ_ea≧2.00×10⁶[N/m]であり、せん断方向バネ定数ｋ_es≦3.02×10⁴[N/m]であることがわかる。すなわち、防振体７０の引張圧縮方向とせん断方向のバネ定数がこの範囲の値であれば、アクチュエータ５と台車側支持部１１又は車体側支持部２１との連結部において、アクチュエータ５の中心軸線Ｃを中心とする回転方向の剛性を確保しながら、左右方向Ｘ及び前後方向Ｙへの大きな変位を許容することができる。

以上に説明した通り、本発明の実施の形態に係るアクチュエータ５は、鉄道車両１の台車１０又は車体２０に設けられた支持部（台車側支持部１１又は車体側支持部２１）に固定される支持体６３と、支持体６３上の連結点２４を中心として揺動可能に支持されたアクチュエータ５本体と、この本体と支持体６３との間に設けられた弾性を有する防振体７０を備えている。そして、この防振体７０は、連結点２４から中心軸線Ｃと略直交する方向へ離れたところに、その引張圧縮方向が中心軸線Ｃと略直交する姿勢となるように設けられている。このようにアクチュエータ５が構成されることにより、アクチュエータ５に中心軸線Ｃ回りに揺動させようとする力が入力されたときに、支持体６３とアクチュエータ５本体の間で防振体７０が圧縮又は引張方向へ弾性変形して抵抗することによって、支持体６３に相対するアクチュエータ５本体の中心軸線Ｃ回りの過度の揺動が抑制される。

なお、上記において説明したアクチュエータ５を備える振動抑制装置２は、いわゆる、フルアクティブサスペンションである。但し、アクチュエータ５を備える振動抑制装置２は、いわゆる、セミアクティブサスペンションでもよい。この場合、振動抑制装置２が備えるアクチュエータ５は可変減衰ダンパである。セミアクティブサスペンションでは、車体の揺れを加速度センサ７で検知し、台車１０と車体２０の間に取り付けられた可変減衰ダンパの減衰係数を制御装置６で制御し、適切な減衰力を発生させることによって振動を抑制する。可変減衰ダンパは、大概して、シリンダと、シリンダ内を摺動するピストンと、ピストンに一体的に接続されたロッドと、ピストンに作用する流体圧を変化させる電磁弁とを備えている。可変減衰ダンパを推力の作用方向に短尺化するためには、シリンダ、ピストン、及びロッドを中心軸線Ｃと同軸上に配置し、電磁弁を中心軸線Ｃから離れて配置すればよい。このようにして推力の作用方向に短尺化された可変減衰ダンパの重心は中心軸線から偏心している。よって、上記可変減衰ダンパも、振動時に中心軸線Ｃ回りに揺動しようとするが、防振機構６０を備えることによって効果的にその揺動を抑制することができる。

また、本実施の形態に係るアクチュエータ５は、推力の作用方向に短尺化するために、主構成要素の一部（電動モータ５３、電磁弁など）が中心軸線Ｃから外れて配置されることによって重心が中心軸線Ｃから偏心している。このために、アクチュエータ５は中心軸線Ｃ回りに比較的大きく揺動するので、防振機構６０が特に有用である。但し、本発明が適用されうるアクチュエータ５は重心が中心軸線Ｃから偏心したものに限られない。アクチュエータ５の重心が中心軸線Ｃ上にあるものであっても、鉄道車両１上の配置や、その使われ方によって、中心軸線Ｃ回りに過度に揺動する場合がある。このようなときにも、アクチュエータ５に防振機構６０を備えれば、アクチュエータ５の中心軸線Ｃ回りの揺動を抑制することができる。

さらに、上記において説明したアクチュエータ５は、鉄道車両１の台車１０と車体２０との間において、車体２０の横揺れを防止するために中心軸線Ｃが車両幅方向と略平行となるように配置されている。但し、アクチュエータ５は、図９に示すように、鉄道車両１の台車１０と車体２０との間において、車体２０の上下揺れを防止するために中心軸線Ｃが車両上下方向と略平行となるように配置されてもよい。図９は鉄道車両にアクチュエータを中心軸線が車両上下方向と平行となるように配置した例を示す図であり、この図において台車１０と車体２０の上下間にアクチュエータ５，５が中心軸線Ｃが上下方向Ｚとなる姿勢で配置されている。

また、上記において説明した防振体７０は、アクチュエータ５と支持体６３との間に設けられているが、防振体７０をアクチュエータ５と車体側支持部２１又は台車側支持部１１との間に設ける態様も採り得る。この場合、図１０に示すように、防振体７０の一端をアクチュエータ５のハウジング５９に固定された連結ブロック６１に設けられた取付ステー６２に取り付け、他端を車体側支持部２１に取り付ける。このように配置された防振体７０は、取付ステー６２と車体側支持部２１との間で引張方向又は圧縮方向へ弾性変形して、アクチュエータ５を中心軸線Ｃ回りに揺動させようとする力に抵抗する。これにより、アクチュエータ５の中心軸線Ｃ回りの揺動が抑制される。

本発明は、鉄道車両の車体と台車との間に配置されるアクチュエータなどの装置に応用することができる。

Ｃ 中心軸線
１ 鉄道車両
２ 振動抑制装置
３ レール
４ 枕バネ
５ アクチュエータ
６ 制御装置
７ 加速度センサ
８ 車体支持機構
１０ 台車
１１ 台車側支持部
１２ 車輪
１４，２４ 連結点
２０ 車体
２１ 車体側支持部
５０ ピストン
５１ シリンダ
５２ ロッド
５３ 電動モータ
５９ ハウジング
６０ 防振機構
６１ 連結ブロック
６２ 取付ステー（防振体支持部）
６３ 支持体
６４ 筒部材
６５ 緩衝ゴム
６６ 軸部材
７０ 防振体

Claims (11)

1. 鉄道車両の台車と車体との間に搭載されるアクチュエータであって、
   前記アクチュエータの中心軸線上に減衰力を発生させることにより前記車体の振動を抑制する可変減衰ダンパである本体と、
   前記可変減衰ダンパの減衰力を切り換えるための電磁弁であって、当該電磁弁の中心軸が前記中心軸線と同軸にならないように前記本体と一体的に設けられた電磁弁と、
   前記本体と前記台車又は前記車体との間に設けられた弾性を有する少なくとも１つの防振体であって、当該防振体の引張圧縮方向と前記中心軸線とが略直交するように配置され、前記引張圧縮方向の一端が前記本体に取り付けられ、前記引張圧縮方向の他端が前記台車又は前記車体に取り付けられる、少なくとも１つの防振体と
   を備える、アクチュエータ。
2. 前記防振体は、引張圧縮方向よりもせん断方向が低いバネ定数を有する、請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 鉄道車両の台車と車体との間に搭載されるアクチュエータであって、
   前記台車又は前記車体に接続される連結点を有し、前記アクチュエータの中心軸線と平行な第１方向と略直交する第２方向に延在する支持体と、
   前記連結点を中心として揺動可能に前記支持体に支持され、前記車体の振動を抑制する本体と、
   前記本体と前記支持体との間に設けられた弾性を有する少なくとも１つの防振体であって、前記連結点から前記第２方向へ離れた位置に、当該防振体の引張圧縮方向と前記第１方向及び前記第２方向が略直交するように配置された、少なくとも１つの防振体とを備え、
   前記連結点から前記防振体までの前記第２方向の離間距離が可変である、アクチュエータ。
4. 前記防振体は、引張圧縮方向の一端が前記支持体に固定され、他端が前記本体に固定されている、請求項３に記載のアクチュエータ。
5. 前記本体が、前記支持体の前記連結点から前記第２方向へ離間した位置に、当該支持体と対向して配置された防振体支持部を有し、
   前記防振体が、対向する前記支持体と前記防振体支持部との間に配置されている、請求項３又は請求項４に記載のアクチュエータ。
6. 前記防振体は、引張圧縮方向よりもせん断方向が低いバネ定数を有する、請求項３〜５のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
7. 前記防振体は、弾性部材と皿板とを引張圧縮方向に交互に積層して成る弾性部を有する、請求項６に記載のアクチュエータ。
8. 前記防振体は、前記連結点を介して前記支持体の一側と他側にそれぞれ設けられている、請求項３〜７のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
9. 前記車体の振動を抑制するように前記本体を伸縮させる電動モータを前記本体と一体的に備え、
   前記電動モータの中心軸が、前記中心軸線と同軸でない、請求項３に記載のアクチュエータ。
10. 電磁弁を前記本体と一体的に備え、
    前記本体は、前記電磁弁の動作を受けて減衰力を切り替え、前記車体の振動を抑制する可変減衰ダンパであり、
    前記電磁弁の中心軸が、前記中心軸線と同軸でない、請求項３に記載のアクチュエータ。
11. 鉄道車両の台車と車体との間に搭載されるアクチュエータであって、
    前記アクチュエータの中心軸線と平行な方向に伸縮することにより前記車体の振動を抑制する本体と、
    前記本体を伸縮させる電動モータであって、前記第１方向において前記本体の両端の間に当該電動モータが位置し且つ当該電動モータの中心軸が前記中心軸線と同軸にならないように、前記本体と一体的に設けられた電動モータと、
    前記本体と前記台車又は前記車体との間に設けられた弾性を有する少なくとも１つの防振体であって、当該防振体の引張圧縮方向と前記本体の中心軸線とが略直交するように配置され、前記引張圧縮方向の一端が前記本体に取り付けられ、前記引張圧縮方向の他端が前記台車又は前記車体に取り付けられる、少なくとも１つの防振体と
    を備える、アクチュエータ。

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