JPH0415160A - 鉄道車両の車体姿勢の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、空気ばね付き台車を有する鉄道車両の曲線
路における車体の無傾斜化を図った鉄道車両の車体制御
方法に関する。

従来の技術 空気ばね付き台車を有する鉄道車両は、個々の空気ばね
高さを連結棒を用いて機械的に検知し、その動きを高さ
調整弁のレバーに伝えて弁の開閉を行ない、高さの修正
、内圧の調整を行なっていた。

この高さ調整弁は、空気ばね高さを個別に調整するもの
であり、車両がカント逓減区間で停車した場合は、高さ
調整弁が自動的に働き、各空気ばね高さを一定に保とう
とするため、次のようなメカニズムにより内圧の低下が
生じ、輪重抜けが発生することがあった。

すなわち、鉄道車両がカント逓減区間で停車すると、−
車両の前後台車の間で内軟側ど外軌側のレール高さが異
なり軌道ねじれが生じているため、前後台車は異なる傾
斜角で傾く。そのため、各空気ばねに付属している高さ
調整弁の働きにより、第８図に示すように前台車（９）
と後台車（１０）には互いに逆向きのモーメントが働き
、そのモーメントがつり合う角度に車体（１５）は傾斜
して静止する。

この状態では、前台車（９）と後台車（１０）の空気ば
ね高さは必ずしも目標高さにはなっていないため、自動
高さ調整機構の高さ調整弁の給排気は継続する。そのた
め、車両の対角方向に位置する空気ばねの圧力に不均一
が生じる。

この圧力の不均一により、各車輪の負担する荷重に不均
一が生じる。その結果、輪重変動が大きく、荷重分担の
少ない車輪は、いわゆる輪重抜けを生じ車両の再起動時
に脱線する危険性がある。

また、寝台車の運行時、曲線路上での長時間停車や低速
走行時のカント負は防止および曲線高速通過時の外軌側
倒れ防止などを目的として従来の空気ばねの高さ調整弁
を改良して車体の傾斜制御を行なう試みがある。

これは高さ調整弁のボートを従来の小径のもの以外に、
大径のものを用意して、不感帯外れが小さいときは大径
ボートを開き、カント負けなどを防止し、車体を不感帯
内の姿勢に復元しやすくした機構の空気ばね自動高さ調
整弁（特開昭４９−６２８６５号公報、同４９−６２８
６６号公報、同４９−９６１７７号公報）を使って行な
う方法である。

発明が解決しようとする課題 上記のごとく、従来の空気ばね付き台車を有する鉄道車
両は、曲線上を低速で通過する場合あるいは停車してい
る場合には、カントの影響を受けて車体は内軟側へ傾斜
するが、低速通過の際は乗り心地が悪く、また停車の際
に乗客が満員の場合にはカント負けを生じ、乗客は大き
く内軟側へ傾いた車体のドアに押し付けられ、乗客の体
重がドアに負荷してドアが開閉できなくなることがある
。

丈な、駅の乗降ホームが外軌側にある場合は、内軟側に
傾斜した車体床面と水平なホームとの間に違和感があり
、乗降の安全上好ましくない。

さらに、カント逓減区間では空気ばねの内圧変動に起因
する輪重抜けが発生するので、車両の脱線を防止し、安
全を確保するため空気ばねの内圧変動を小さく押える必
要がある。

この発明は、上記の問題点を排除し、曲線上での停車時
に、空気ばねの伸縮量を最大限に生かして車体の無傾斜
化を図り、かつ車体傾斜を車両の位置するレールの傾き
に応じて最適かつ迅速に制御し、スムーズな乗降ができ
る鉄道車両の車体姿勢の制御方法を提供するものである
。

課題を解決するための手段 上記目的を達成するため、この発明の鉄道車両の車体姿
勢の制御方法は、空気ばね台車を有する鉄道車両におい
て、前後台車の各空気ばねに、連続的に計測する高さ検
出器、圧力計および給気弁と排気弁を設け、各高さ検出
器および圧力計の検出信号を、他に設置した傾斜角セン
サーからの車体傾斜角信号および速度計からの速度信号
とともに制御器に入力し、対角線上および同側の前後の
空気ばね内圧の設定差圧、左右空気ばねの設定平均高さ
および設定車体傾斜角と比較演算して、制御器からの制
御信号により各給気弁および排気弁を開閉操作するよう
に構成し、前後台車の対角線上にある空気ばねの内圧の
和の差の絶対値、または前後台車の同じ側にある前後空
気ばねの内圧の差の絶対値が左右側ともに、設定差圧内
に納まるように制御すると同時に、車両が低速で走行中
あるいは停車しているとき、左右空気ばねの平均高さお
よび車体傾斜角がそれぞれ設定値内に納まるように答弁
の給排気を行ない、曲線路において車体の左右傾斜角を
なくして水平に保持するか、あ６るいは空気ばね高さの
変化しうる範囲内で水平に近付ける車体傾斜角の制御に
おいて、 ■　空気ばねの左右平均高さの目標設定値を台車の位置
する左右レールの傾き応じて変化させ、空気ばねの伸縮
しうる最大限の範囲内で車体を水平に近付ける。

■空気ばねの左右平均高さの目標設定値を、左右空気ば
ねの高さの差に応じて変化させ、空気ばねの伸縮しうる
最大限の範囲内で車体を水平に近ｆ寸ける。

■　上記■および■の制御方法において、前後台車の対
角線上にある空気ばね、または前後台車の同じ側にある
前後空気ばねの内圧制御と空気ばね高さ制御および車体
傾斜の角度制御をそれぞれパラメータで定量化し、計測
された各検出信号を制御器に入力し、ここで重ね合せの
演算を行ない、その結果に基づく出力により答弁を開閉
して行なう。

作　　　　用 第６図に示すように、前台車（９）の空気ばね（１）（
２）と後台車（１０）の空気ばね（３）（４）のそれぞ
れの内圧をＰｌ、Ｐ、、Ｐ、、Ｐ、　　とし、またばね
高さをり、　　ｈ、、ｈｌ、ｈ４　としたとき、第８図
に示すようにカント逓減区間において、前台車（９）と
後台車（１０）に互いに逆向きのモーメントが働けば、
その際の各空気ばねの内圧は、例えば第７図に示すよう
にＰｌとＰ４が低く、Ｐ、とＰ、が高い。

したがって、対角線上にある空気ばねの内圧の和の差の
絶対値が設定差圧ΔＰｅより小さい、すなわち、 （Ｐ＋＋Ｐ４）　　　（Ｐｔ＋Ｐｓ）ｌ＜ΔＰｅあるい
は、前後台車の同じ側にある前後空気ばねの内圧の差の
絶対値が設定差圧ΔＰｅより小さい、すなわち、 ！Ｐ＋　　Ｐｓ　　＜△Ｐｅ　　　　かつＩＰ、−Ｐ、
＋＜ΔＰｅ を満足するように空気ばねの内圧制御を行なえば、空気
ばねの内圧変動を小さく押えることができる。

空気ばねの高さ制御は、車両が低速で走行中あるいは停
車中の無傾斜制御中は、前後台車の左右空気ばねの平均
高さが許容される不感帯幅△ｈｅ内に納まるように制御
する。すなわち、を満足するように高さ制御する。

空気ばねの高さ制御は、連続的に計測できる高さ検出器
、例えば第２図に示すロータリエンコーダ（５）を車体
に取り付け、その口〜タリエンコーダの回転角を計るレ
バーを台車側に取り付けた装置により、高さを角度に変
換しデジタル信号として制御器に入力することにより、
ばね高さを連続的に検知し、左右空気ばねの平均高さが
不感帯幅Δｈｅを外れて高いときは、高さが高い方の空
気ばねを排気し、高さが左右同じのときは両方を排気す
る。また、左右空気ばねの平均高さが不感帯幅Δｈｅよ
り低いときは、高さが低い方の空気ばねを給気し、高さ
が左右同じのときは両方を給気する。

車体の傾斜角制御は、傾斜角センサーによる車体の水平
線に対する傾斜角θｍを検知し、許容値６６ｍ内に納ま
るように制御する。

しかし、これだけでは、カントの大きい曲線路上で無傾
斜制御を行なう場合、車両の構造上の能力を十分に生か
すことができない。

つまり、空気ばねの高さ制御の目標中央値、すなわち、 の位置（０点）は、必ずしも空気ばねが変位しうる高か
の中央とはなっておらず、通常は第３図（ａ）に示すよ
うに、下ストッパー側に偏ｔ７ｈｕ＞ｈｎの関係にある
。そのため、レール傾斜角θＲのカント区間において車
体の無傾斜制御を行なう場合、左右空気ばねの平均ばね
高さの目標値を平坦部におけるときと同じ位置（０点）
にすると、空気ばねの変位上の能力に余裕（ｈｓ）を残
して車体が下ストッパーに当り車体制御が収束してしま
い、車体傾斜を緩和できる範囲が小さく、車体傾斜角θ
ｍを小さくして車体を水平に近付けることができない。

したがって、この発明の実施により、不感帯幅Δｈｅを
カントの大きさに応じて変えるか、あるいは空気ばねの
伸縮を検知しながら変えることにより、大きな角度で車
体傾斜を修正することができる。すなわち、目標値をＳ
だけ上方へ変え、−５くΔ７′１ｅ とすれば、車体傾斜角θｍは、 きることになり、車体はより水平に近付く。このシフト
量Ｓの決定には次の２つの方法がある。

（Ｉ）　レール傾斜角ＱＲに応じてシフト量Ｓを決定す
る方法 す ただし、第３図（ａ）に示すように、（下側のストッパ
ー当りまでの変位量ｈｎ　）＜　（上側のストッパー当
りまでの変位量ｈｕ）のとき成り立ち、ｈｕ　＜ｈｎの
ときはｈｎ　はｈｕとする。

第３図（ｂ）において空気ばね（１）が下ストッパーに
ストッパー当すするすでに、車体傾斜角θｍ＝Ｏとなり
車体は水平化するカント量なので特に０点位置を変える
必要はなく、ｓ＝ｏでスムーズな車体水平化ができる。

この時は、第３Ｍ＜ｃ）の状態であり、しがも適当なシ
フト量Ｓを与えることにより、車体を水平化（θｍ→０
）できるカント量である。

シフト量Ｓは、車体が水平化したときの関係、５＝ｂ−
ｔａｎｌθＲ１−ｈｎあるいは、近似して、Ｓ＝ｂ・　
ｌθＲＩ−ｈｎ （θＲは十分に小さい） とすればよい。そうすれば、むだのない最小のエネルギ
ーで車体を水平化できる。

のとき、 左右空気ばね両方が夫々上下ストッパー当りをしても、
車体は水平化できないほど大きなカント量である。した
がって、上下ストッパー当りするときの位置にシフト量
Ｓを押えなければならない。

そのとき、最大の傾斜角の緩和ができる。すなわち、 とする。

（ｎ）空気ばね高さの差に応じてシフト量Ｓを決定する
方法 第４図に示すように、左右空気ばねがそれぞれ上下スト
ッパー当りするときの左右平均高さをｈ　ｍａｘ　とす
る。すなわち、 そして、このときの車体のレール面に対する傾斜角をφ
ｍａｘ　とする。すなわち、 係数ＣｅＣ＝ｈｍａｘ　／　ｔｌｍａｘ　と定義して、
シフト量Ｓを次式から求める。

Ｓ＝Ｃ・Ｉｈ＋−ｈｔｌ　　あるいは、５＝Ｃ−ｈ３−
ｈ、１ この方法によると、以下のような漸化プロセスを経て上
下ストッパー当りまでの空気ばねの最大伸縮量を利用で
きる。

カント大→車体無傾斜化−左右空気ばね高かの差１ｈｌ
　ｂ意１大−シフト量Ｓの増大−さらに車体無傾斜化−
さらに左右空気ばね高さの差１ｈ１−ｈ、１大−さらに
シフト量Ｓの増大−＋（繰り返し）ただし、シフト量Ｓ
の上限はＳ≦ｈ　ｍａｘであり、途中で車体が水平化し
た場合は、シフト量Ｓの増大をストップして安定化させ
る機能を盛り込む。

効果は（１）と同じで、最終安定状態は（Ｉ）■〜■と
同じ状態になる。

（１）空気ばね内圧制御と空気ばね高さ・車体傾斜角度
１ｌｉＩＪ御の合成同時出力方法輪重抜けを防止する観
点からは、内圧制御を重要視し優先することが大事であ
るが、内圧のみを見ていたのでは、空気ばねの高さや車
体傾斜のコントロールが不可能である。したがって、制
御周期内（例えば０．５秒）において内圧制御を優先し
、内圧の差圧が不感帯内に納まったのちに、高さ。

角度制御を実施していた。

しかし、この方法では車体の傾斜角の修正制御に遅れを
生じる場合があるので、内圧制御、高さ・角度制御を夫
々パラメータで定量化し、制御器内で重ね合せの演算を
行ない、その結果を出力し給気弁、排気弁の開閉を行な
うことにより迅速かつスムーズな制御ができることがわ
かった。内圧制御の優先度については重ね合せのときの
重み係数を調整することにより性能を確保できる。すな
わち、パラメータを内圧制御をｙｐ、高さ制御をｙｈ、
角度制御をｙθとすれば、 ■　内圧制御で不感帯外れのとき、 （ａ）対角線上にある空気ばねの内圧の和の差で制御の
場合、 Ｖｐ’＝　Ｉ　（Ｐ　ｒ＋Ｐ　ｔ）　　（Ｐ　ｚ＋Ｐ　
＋）　ｌ−△Ｐｅ（ｂ）前後空気ばねの内圧の差で制御
する場合Ｙ　ｌ）　＝　Ｉ　Ｐ　ＩＰ　ａ　ｌ−△Ｐｅ
　　あるイハｙｐ＝　　　ＰズーＰ４−△Ｐｅ なお、不感帯幅ΔＰｅは応荷重型に変化してもよい。

■　高さ制御で不感帯外の場合、 （ａ）高速走行中（平坦部、カント区間）、ｙｈ＝Ｉｈ
ｉｌ−△ｈｅ ただしｈｉ　はり、−ｈ、を表す。

（ｂ）低速走行中あるいは停車中の場合、あるいは ■角度制御で不感帯外れのとき、 （ａ）高速走行中（カント逓減区間）の場合、ｙθ＝　
θ】＋θ２−△θｅ 上記を０１＝−〇？副制御いう。

（ｂ）低速走行中あるいは停車中 ｙθ；１θｌｌ１１−Δθｅ ただし、左右空気ばね高さの低い方でストッパー当りし
たときは、ｙθ＝Ｏとする。

とじて、重み係数ξｐ、ξ１】、ξθ　を用いて、次式
のように各空気ばねごとにｙ（１）〜ｙ（４）を演算す
る。

ｙ（１）〜（４）＝ξｐ’　ｙｐ＋ξｈ−ｙｈ＋ξθ・
ｙθただし、重みは、各制御において給気すべきは正、
排気すべきは負とする。

演算の結果に基いて、 ｙ（１）〜（４）＞Ｏのとき、 各空気ばね（１）〜（４）の給気弁をＯＮする。

ｙ（１）〜（４）＜Ｏのとき、 各空気ばねの排気弁をＯＮとする。

ｙ（１ン〜（４）＝０のとき、 各空気ばねの給気弁、排気弁をＯＦＦとする（ノーマル
クロース弁の場合）。

と弁出力を行なえば、空気ばねの内圧、高さおよび車体
傾斜角度の王者を同時に余分な時間遅れを生ずることな
く、迅速にかつ適切に制御できる。

実施例 この発明の実施例を図面に基いて説明する。

第１図に示すように、鉄道車両の前台車（９）と後台車
（ｌＯ）の左右側に設けた空気ばね（１）　（２＞およ
び（３）（４）のそれぞれに、高さ検出器としてロータ
リエンコーダ（５）を第２図に示す要領で設置する。ま
た、元空気溜（６）と各空気ばね（１）〜（４）の間を
接続した配管（７）の途中に、各空気ばねに対する給気
弁（１１）　（１２）　（１３）　（１４）を設けると
ともに、他に設けた排気管に排気弁（２１）　（２２）
　（２３）　（２４）を設け、さらに圧力針（１８）を
設ける。そして、各ロータリエンコーダ（５）、圧力計
（１８）の検出信号とともに、傾斜角センサー（１７）
の車体傾斜角検出信号を制御器（８）に入力するように
設け、また各給気弁および排気弁を開閉する制御器（８
）かもの出力を伝えるための配線をする。

上記装置により、この発明を実施する際のフローチャー
トを第５図（ａ）〜（ｄ）に示す。

圧力制御は、第５図（ａ）に示すように、対角線上にあ
る空気ばねの内圧の和の差および前後空気ばねの内圧の
差の場合ともに、前記した要領で設定差圧ΔＰｅ内に納
するように制御がなされ、第５図（ａ）の■から第５図
（ｃｌ）へ移る。

また、高さ・角度制御は、第５図（ｂ月こ示すように、
例えば速度Ｖ≧２０ｋｍ／ｈにより高速走行中が、ある
いは低速走行中、停車中かを判断する。そして、高速走
行中の場合は、さらにカント逓減区間にあるかどうかを
判断し、前記（ＩＩＩ）空気ばね内圧制御と空気ばね高
さ・車体傾斜角度制御の合成同時出力方法の■−（ｂ）
に記載した方法により不感帯幅Δθｅ内に納まるように
制御が行なわれ、第５図（ｂ）の■から第５図（ｄ）へ
移る。

そして、低速走行中・停車中の場合は、第５図（Ｃ）に
示すように、前記（Ｉ）レール傾斜角θＲに応じてシフ
ト量Ｓを決定する方法により、車体の無傾斜制御が行な
われ、第５図（ｃ）の■がら第５図（ｄ）へ移る。

上記のごとく、車体の無傾斜制御が行なわれたのち、さ
らに第５図（ｄ）に示すように、前記（ｊ［Ｉ）空気ば
ね内圧制御と空気ばね高さ・車体傾斜角度制御の合成同
時出力方法の■−（ｂ）に記載した方法により車体の無
傾斜制御が行なわれ、時間Ｌ＋ΔＬを経過して再びスタ
ート側へもどり、制御動作が繰り返される。

次に、この発明の車体制御方法を長さ２０ｍの鉄道車両
に実施し、カント３０ｍｍおよび９０ｍｍを有する曲線
路で、この発明の請求項１と３を組合せた制御方法（本
発明１）と請求項２と３を組合せた制御方法（本発明２
）について制御試験を行なった。なお、比較のため、個
々に空気ばね高さを調整する高さ調整弁を用いた従来例
、この発明の制御方法においてシフト量Ｓ＝０に固定し
て行なった例（比較例１）、およびシフト量Ｓ＝０で内
圧制御を優先して行なった例（比較例２）についても同
時に試験した。その結果を第１表に示す。

この結果より、この発明の実施によれば、内圧変動を低
く押えつつ、車体の修正傾斜角を大きくでき、しかもス
ムーズに達成でき、ることがわかる。

発明の効果 この発明は、空気ばねの内圧制御と空気ばねの高さ制御
、車体傾斜角制御を行なうに際し、空気ばねの左右平均
高さの目標設定値をレールの傾きに応じて変化させる方
法か、あるいは左右空気ばねの高さの差に応じて変化さ
せる方法を採用するので、空気ばねの内圧変動率を低く
押えつつ車体の傾斜を空気ばねの伸縮しうる最大限の範
囲を利用して水平に近付けることができ、最適かつ迅速
に制御できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の車体姿勢の制御方法を実施するため
の装置を設けた鉄道車両用空気ばね装置を示す説明図、
第２図はロータリエンコーダの説明図、第３図は車体傾
斜角と空気ばねとの関係を示す説明図であり、図（ａ）
は平坦部における関係を、図（ｂ）はカント部における
関係を、図（Ｃ）はこの発明の実施によりカント部にお
いて０点をＳだけシフトしたときの関係を、それぞれ示
す、第４図は空気ばね高さの差に応じてシフト量Ｓを決
定する方法において上下ストッパー当りの様子を示す説
明図、第５図（ａ）　（ｂ）　（ｃ）　（ｄ）はこの発
明の実施により車体姿勢の制御をする際のフローチャー
ト、第６図はこの発明の実施おいて各空気ばねの内圧（
ＰＩ−Ｐ、）および高さ　（ｈ、−ｈ４）を示した説明
図、第７図は鉄道車両がカント逓減区間にある際の空気
ばね内圧の高低を示す説明図、第８図は車両がカント逓
減区間にある際、車体の前部と後部に発生ずるモーメン
トを示す説明図であり、図（ａ）はカント逓減区間と車
体との関係を、図（ｂ）は車体前部のモーメントを、ｍ
　（ｃ）は車体後部のモーメントを、それぞれ示す。 １〜４・・・空気ばね ５・・ロータリエンコーダ ６・元空気溜 ８・制御器 １０・後台車 １７　　傾斜角センサー ２１〜２４　　排気弁 ７・・・配管 ９・・前台車 １１〜１４・・・給気弁 １８・圧力計 第５図 （ｄ） 第８因 （ａ） （ｂ） （Ｃ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　空気ばね台車を有する鉄道車両において、前後台車
   の各空気ばねに、連続的に計測する高さ検出器、圧力計
   および給気弁と排気弁を設け、各高さ検出器および圧力
   計の検出信号を、他に設置した傾斜角センサーからの車
   体傾斜角信号および速度計からの速度信号とともに制御
   器に入力し、対角線上および同じ側の前後の空気ばね内
   圧の設定差圧、左右空気ばねの設定平均高さおよび設定
   車体傾斜角と比較演算して、制御器からの制御信号によ
   り各給気弁および排気弁を開閉操作するように構成し、
   前後台車の対角線上にある空気ばねの内圧の和の差の絶
   対値、または前後台車の同じ側にある前後空気ばねの内
   圧の差の絶対値が左右側ともに、設定差圧内に納まるよ
   うに制御すると同時に、車両が低速で走行中あるいは停
   車しているとき、左右空気ばねの平均高さおよび車体傾
   斜角がそれぞれ設定値内に納まるように各弁の給排気を
   行ない、曲線路において車体の左右傾斜角をなくして水
   平に保持するか、あるいは空気ばね高さの変化しうる範
   囲内で水平に近付ける車体傾斜角の制御において、空気
   ばねの左右平均高さの目標設定値を台車の位置する左右
   レールの傾きに応じて変化させ、空気ばねの伸縮しうる
   最大限の範囲内で車体を水平に近付けることを特徴とす
   る鉄道車両の車体姿勢制御方法。 ２　空気ばね台車を有する鉄道車両において、前後台車
   の各空気ばねに、連続的に計測する高さ検出器、圧力計
   および給気弁と排気弁を設け、各高さ検出器および圧力
   計の検出信号を、他に設置した傾斜角センサーからの速
   度信号とともに制御器に入力し、対角線上および同じ側
   の前後の空気ばね内圧の設定差圧、左右空気ばねの設定
   平均高さおよび設定車体傾斜角と比較演算して、制御器
   からの制御信号により各給気弁および排気弁を開閉操作
   するように構成し、前後台車の対角線上にある空気ばね
   の内圧の和の差の絶対値、または前後台車の同じ側にあ
   る前後空気ばねの内圧の差の絶対値が左右側ともに、設
   定差圧内に納まるように制御すると同時に、車両が低速
   で走行中あるいは停車しているとき、左右空気ばねの平
   均高さおよび車体傾斜角がそれぞれ設定値内に納まるよ
   うに各弁の給排気を行ない、曲線路において車体の左右
   傾斜角をなくして水平に保持するか、あるいは空気ばね
   高さの変化しうる範囲内で水平に近付ける車体傾斜角の
   制御において、空気ばねの左右平均高さの目標設定値を
   、左右空気ばねの高さの差に応じて変化させ、空気ばね
   の伸縮しうる最大限の範囲内で車体を水平に近付けるこ
   とを特徴とする鉄道車両の車体姿勢の制御方法。 ３　前後台車の対角線上にある空気ばね、または前後台
   車の同じ側にある前後空気ばねの内圧制御と空気ばね高
   さ制御および車体傾斜の角度制御をそれぞれパラメータ
   で定量化し、計測された各検出信号を制御器に入力し、
   ここで重ね合せの演算を行ない、その結果に基づく出力
   により各弁を開閉して行なうことを特徴とする請求項１
   または請求項２記載の鉄道車両の車体姿勢の制御方法。