JPH06107172A - 曲線情報算出方法及び車体傾斜制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 曲線情報を実際に測定しなくても算出するこ
とのできる曲線情報算出方法と、その算出方法を用いる
ことにより、曲線情報を予め必要とすることなく車体傾
斜の先行制御が可能な車体傾斜制御方法を提供するこ
と。 【構成】 鉄道車両により軌道上を少なくとも２回走行
し、軌道上の絶対距離に対する、床面左右定常加速度ａ
（ｘ）、走行速度Ｖ（ｘ）、車体傾斜角度θ（ｘ）、曲
率半径Ｒ（ｘ）及びカント量Ｃ（ｘ）の関係を示す下記
の（１）式を用い（但し、（１）式中のｇは重力加速
度、Ｇは軌道幅を示す。）、少なくとも２回走行して得
た各回に対応する第１式に基づき、軌道上の絶対距離に
対する曲率半径Ｒ（ｘ）及びカント量Ｃ（ｘ）を算出す
る。又、上記曲線情報算出方法により算出した曲率半径
Ｒ（ｘ）及びカント量Ｃ（ｘ）を用い、軌道上を走行す
る車体の傾斜制御を行う。 【数１】

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鉄道車両が軌道上を走
行している際に測定した床面左右定常加速度、走行速
度、及び車体傾斜角度に基づいて、軌道の曲率半径及び
カント量を算出する曲線情報算出方法及びその方法を用
いた車体傾斜制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、車両が曲線路を通過する場
合、高速度で通過でき、また乗客の乗心地をよくするた
めに軌道の曲線部分にカントを施し、遠心力と重力の合
力が車体床面に垂直に働くようにしている。曲線を高速
で走行するには、カントを大きくしてやれば良いが、遅
い列車が通過する場合や曲線部での停車の場合に、車両
が曲線内軌側へ転倒する危険性がありカント量は制約さ
れている。従って、カント量から定まる均衡速度以上の
速度で曲線を走行すると、カントで相殺できない超過遠
心力が発生し、乗心地を悪くする。特に、寝台列車のよ
うにベッドに寝ている場合には、頭側が低くなったり、
あるいは横に転がる等して、不快感は特に大きい。

【０００３】そこで、遠心力を受けた場合、超過遠心力
と重力との合力が車体床面に垂直に働くように台車はそ
のままで車体だけがさらに傾くようにし、乗客に不快感
を与えずにカント均衡速度以上の高速で曲線を通過でき
るようにした振子台車が知られている。この振子台車に
は自然振子方式と制御振子方式がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】自然振子方式の場合
は、曲線通過時に発生する遠心力を利用し車体を自然に
傾斜させて遠心加速度を打ち消そうとするものである
が、振子機構の摩擦抵抗等の影響で遠心力に追従して傾
斜せず、図５に示すように、傾斜の立ち上がり部分での
振り遅れ及び振り戻し、傾斜の立ち下がり部分での振り
遅れ等が生じる。従って、車体傾斜は遠心加速度の床面
左右方向成分を打ち消すことができず、乗客の乗心地を
悪化させる。

【０００５】一方、制御振子方式の場合は、作動機構を
制御して車体を傾斜させることができ、遠心加速度を理
想的に打ち消すことが可能であるため、乗客の乗心地は
向上する。その制御方式には、遠心加速度をフィードバ
ックし傾斜角度を算出して制御する方式と、走行路線の
曲線形状を予め記憶しておき、走行地点を検知して最適
な傾斜角度を算出して制御する方式がある。

【０００６】しかしながら、前者の制御方式について
は、制御機構は比較的単純であるが遠心加速度をフィー
ドバックするため制御遅れが生じ、乗心地の向上が不十
分となる。又、後者の制御方式は、いわゆる先行制御が
可能であり乗心地の向上が十分達成可能であり、現在実
用化されているものもこの方式が多いが、曲率半径やカ
ント量等の特に曲線部に関する情報を収集したり、その
保守に手間がかかる。例えば、曲率半径やカント量は設
計図等からも判るが、実状との誤差があるため、正確な
傾斜制御を行うには軌道の設置後に計測し直す必要が出
てくる。また、路線の補修等で一部のデータが変更した
場合にも、その都度データを収集し直さなくてはならな
い。

【０００７】そこで本発明は、曲線情報を実際に測定し
なくても算出することのできる曲線情報算出方法と、そ
の算出方法を用いることにより、曲線情報を予め必要と
することなく車体傾斜の先行制御が可能な車体傾斜制御
方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段及び作用】かかる目的を達
成するためになされた本発明の曲線情報算出方法は、床
面左右定常加速度、走行速度、及び車体傾斜角度を測定
可能な測定手段を備えた鉄道車両により軌道上を少なく
とも２回走行し、上記軌道上の絶対距離に対する、床面
左右定常加速度ａ（ｘ）、走行速度Ｖ（ｘ）、車体傾斜
角度θ（ｘ）、曲率半径Ｒ（ｘ）及びカント量Ｃ（ｘ）
の関係を示す以下の第１式

【０００９】

【数３】

【００１０】（但し、ｇは重力加速度、Ｇは軌道幅）を
用い、少なくとも２回走行して得た各回に対応する上記
第１式に基づき、軌道上の絶対距離に対する曲率半径Ｒ
（ｘ）及びカント量Ｃ（ｘ）を算出することを特徴とす
る。

【００１１】従って、曲率半径Ｒ（ｘ）やカント量Ｃ
（ｘ）を実際に測定しなくても算出できるため、従来必
要であった路線敷設後の曲線情報の収集や、路線の補修
等で一部のデータが変更した場合のデータの再収集等の
面倒な手間が省ける。一方、本発明の車体傾斜制御方法
は、床面左右定常加速度、走行速度、及び車体傾斜角度
を測定可能な測定手段を備えた鉄道車両において、上述
した曲線情報算出方法により算出した曲率半径及びカン
ト量を用い、軌道上を走行する車体の傾斜制御を行うこ
とを特徴とする。

【００１２】例えば、上記第１式中の床面左右定常加速
度ａ（ｘ）に０を代入して得られる以下の第２式

【００１３】

【数４】

【００１４】を用い、この第２式より算出される車体傾
斜角度θ（ｘ）に基づいて軌道上を走行する車体の傾斜
制御を行うこと等が考えられる。従って、曲線情報を予
め必要とすることなく車体傾斜の先行制御が可能であ
り、曲線走行時の十分な乗心地の向上を達成することが
できる。

【００１５】

【実施例】以下本発明の曲線情報算出方法及び車体傾斜
制御方法の実施例を説明する。図１は、本方法の適用さ
れた車両のシステム構成を示す説明図である。本車両１
０は加速度計１１、傾斜角度センサ１３、速度発電機１
５及び標識検出器１７を備えており、加速度計１１によ
り測定された床面左右定常加速度と傾斜角度センサ１３
により測定された傾斜角度は、波形整形手段２１を介し
て走行状態記憶手段２３に入力するように構成されてい
る。

【００１６】波形整形手段２１は低域フィルタを有して
おり、図２に示すように、入力された床面左右定常加速
度及び傾斜角度の振動成分を除去する。なお、フィルタ
通過により信号遅延が発生するため、走行状態記憶手段
２３に入力する際、遅延時間を補正して記憶するように
されている。

【００１７】一方、速度発電機１５から出力されたパル
ス信号は、走行距離算出手段２５に入力され、走行距離
算出手段２５において走行距離が算出される。また、こ
の走行距離の算出の際、必要に応じて、標識検出器１７
により検出された地上子等の標識が距離算出の基準とさ
れる。

【００１８】なお、標識の設置されている地点が予め判
っていない場合には、走行時に標識の位置を測定する必
要があるが、１回の走行による測定では車輪の空転や滑
走による誤差により正確な位置の測定が困難である。こ
のため、本システムでは車両走行時に検出した標識間の
距離を何走行分かを測定し、その平均を標準距離とす
る。そして、標準偏差の一定倍を標識検出許容幅とし、
この標識検出許容幅に基づいて定められた区間内で検出
された標識のみを有効としている。

【００１９】このように検出区間を設定すれば許容検出
確率や許容検出誤差を任意に設定できる。また、例えば
図３に示すように、標識のある本線または側線のいずれ
かを通過し、各々の標識の位置が異なる路線では標識を
検出しない方がよい。従って、そのような場合、同一路
線上の他の標識に比べて個々の標識の検出回数が低くな
ることを利用して、検出率が一定以下の標識は距離算出
のためのデータとしては除外している。

【００２０】走行距離算出手段２５において算出された
走行距離データは、上述の走行状態記憶手段２３に入力
される。そして、走行距離算出手段２５では、入力され
た各データに基づき、軌道上の絶対距離に対する、床面
左右定常加速度ａ（ｘ）、走行速度Ｖ（ｘ）、車体傾斜
角度θ（ｘ）がそれぞれ記憶されることになる。

【００２１】さらに、曲線情報算出手段２７では、走行
距離算出手段２５に記憶された床面左右定常加速度ａ
（ｘ）、走行速度Ｖ（ｘ）、車体傾斜角度θ（ｘ）に基
づき、後述する曲率半径Ｒ（ｘ）とカント量Ｃ（ｘ）が
算出され、傾斜角度算出手段２９では、曲率半径Ｒ
（ｘ）、カント量Ｃ（ｘ）及び走行速度Ｖ（ｘ）に基づ
き、後述する車体傾斜角度θ（ｘ）が算出されるように
構成されている。

【００２２】次に、曲線情報算出手段２７において曲率
半径Ｒ（ｘ）とカント量Ｃ（ｘ）を算出する過程、すな
わち本発明の曲線情報算出方法の具体例を説明する。既
知項目は、床面左右定常加速度ａ（ｘ）、走行速度Ｖ
（ｘ）、車体傾斜角度θ（ｘ）である。これらに、未知
項目の曲率半径Ｒ（ｘ）、カント量Ｃ（ｘ）を加え、床
面左右定常加速度ａ（ｘ）と車体傾斜角度θ（ｘ）とに
着目した関係式を立てると、以下の（１）式のようにな
る。

【００２３】

【数５】

【００２４】但し、ｇ：重力加速度、Ｇ：ゲージ幅（軌
道幅） 過去２回の走行時に測定したデータによりこの（１）式
と同様の関係式とそれぞれ立ててみると、まず前々回
（ｎ＝ｎー２）の測定による関係式は、以下の（２）式
のようになる。

【００２５】

【数６】

【００２６】また、前回（ｎ＝ｎー１）の測定による関
係式は、以下の（３）式のようになる。

【００２７】

【数７】

【００２８】これら（２）式及び（３）式を連立方程式
として、曲率半径Ｒ（ｘ）とカント量Ｃ（ｘ）を求める
と、まず曲率半径Ｒ（ｘ）は以下の（４）式に示すよう
になる。

【００２９】

【数８】

【００３０】一方、カント量Ｃ（ｘ）は以下の（５）式
に示すようになる。

【００３１】

【数９】

【００３２】なお、上記算出例では、曲率半径Ｒ（ｘ）
とカント量Ｃ（ｘ）を測定回数２回で算出したが、より
精度の高い算出を行うためには、移動平均法によって求
めたり、分布により平均を求める等の統計処理を行うこ
とも有効である。次に、傾斜角度算出手段２９において
理想的な車体傾斜角度θ（ｘ）を算出する過程、すなわ
ち本発明の車体傾斜制御方法に用いる車体傾斜角度θ
（ｘ）算出の具体例を説明する。

【００３３】まず、今回（ｎ＝ｎ）の関係式は、以下の
（６）式のようになる。

【００３４】

【数１０】

【００３５】乗心地を向上させるためには、床面左右定
常加速度ａ（ｘ）の絶対値が小さいほどよい。従って、
上記（６）式において、ａ_n （ｘ）＝０として、変形す
ると以下の（７）式が得られる。

【００３６】

【数１１】

【００３７】この（７）式に示される車体傾斜角度θ
（ｘ）に基づいて、傾斜アクチュエータ１９を制御して
車体の傾斜制御を行えば、曲線走行時の十分な乗心地の
向上を達成することができる。また、曲率半径Ｒ（ｘ）
とカント量Ｃ（ｘ）を実際に測定する必要がないので、
そのためのデータ収集及び保守管理の手間がなくなる。

【００３８】なお、鉄道車両の乗心地を評価する基準と
して、床面左右定常加速度ａ、ロール角速度ＲＶ、ロー
ル角加速度Ｒａが重要であり、一般的な上限値は、それ
ぞれａ＝０．０８Ｇ、ＲＶ＝５ｄｅｇ／ｓ、Ｒａ＝１５
ｄｅｇ／ｓ² である。高速で走行する振子車両では超過
遠心加速度を打ち消すように車体傾斜を行うと、ロール
角加速度Ｒａが上限値を超える可能性がある。また、傾
斜開始時及び終了時の傾斜角速度が急激に変化する期間
においても、ロール角加速度Ｒａが上限値を超える可能
性がある。

【００３９】そのため、上記（７）式で求められた車体
傾斜角度θ（ｘ）を、図４に示すように、床面左右定常
加速度ａが上限値を超えない範囲で調整して、ロール角
速度Ｒが上限を超えないようにすると共に、ロール角速
度Ｒの急変部のパターンを補間してロール角加速度Ｒａ
が上限値を超えないようにする必要がある。

【００４０】なお、カント量Ｃ（ｘ）は、ジャイロ計を
用いて台車上の対地傾斜角度を測定すれば直接求めるこ
とは可能である。その場合は、未知項目は曲率半径Ｒ
（ｘ）だけとなり、１回の測定による上記（１）式の関
係より求めることができ、またａ_n （ｘ）＝０とすれ
ば、車体傾斜角度θ（ｘ）も求められる。但し、ジャイ
ロ計自体も測定誤差が大きい上、台車上の対地傾斜角度
を求めているので、測定値の誤差が大きくなる可能性が
高い。従って、より精度の高い曲率半径Ｒ（ｘ）の算
出、及び車体傾斜制御を行うためには、上述した例のよ
うに、曲率半径Ｒ（ｘ）とカント量Ｃ（ｘ）の両方を求
める方法が望ましい。

【００４１】また、曲線情報が正確に測定できれば、曲
線を標識として利用できる、例えば、曲率半径Ｒ（ｘ）
の逆数またはカント量Ｃ（ｘ）は、緩和曲線において一
次変化することより、曲率半径Ｒ（ｘ）の逆数またはカ
ント量Ｃ（ｘ）が「０」から変化する位置あるいは変化
して「０」になった位置の情報に基づき緩和曲線の開始
点を求め、仮想標識としてもよい。そしてこの場合も、
上記の実際の標識を用いた場合と同様に、統計処理によ
り距離精度を向上させることが必要である。

【００４２】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の曲線情報算
出方法によれば、曲率半径Ｒ（ｘ）やカント量Ｃ（ｘ）
を実際に測定しなくても算出できるため、従来必要であ
った路線敷設後の曲線情報の収集や、路線の補修等で一
部のデータが変更した場合のデータの再収集等の面倒な
手間が省ける。また、本発明の車体傾斜制御方法によれ
ば、曲線情報を予め必要とすることなく車体傾斜の先行
制御が可能であり、曲線走行時の十分な乗心地の向上を
達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本方法の適用された車両のシステム構成を示
す説明図である。

【図２】 波形整形手段による振動成分除去に関する説
明図である。

【図３】 標識を用いた場合の走行距離算出に関する説
明図である。

【図４】 ロール角速度による傾斜角度の補正に関する
説明図である。

【図５】 自然振子車両における車体傾斜を示す説明図
である。

【符号の説明】

１０…車両、 １１…加速度計、 １３
…傾斜角度センサ、１５…速度発電機、 １７…標識
検出器、 １９…傾斜アクチュエータ、２１…波形
整形手段、 ２３…走行状態記憶手段、２５…走行距離
算出手段、２７…曲線情報算出手段、 ２９…傾
斜角度算出手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 達名 愛知県名古屋市熱田区三本松町１番１号 日本車輌製造株式会社内 (72)発明者 新村 浩 愛知県名古屋市熱田区三本松町１番１号 日本車輌製造株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 床面左右定常加速度、走行速度、及び車
   体傾斜角度を測定可能な測定手段を備えた鉄道車両によ
   り軌道上を少なくとも２回走行し、 上記軌道上の絶対距離に対する、床面左右定常加速度ａ
   （ｘ）、走行速度Ｖ（ｘ）、車体傾斜角度θ（ｘ）、曲
   率半径Ｒ（ｘ）及びカント量Ｃ（ｘ）の関係を示す以下
   の第１式 【数１】 （但し、第１式中のｇは重力加速度、Ｇは軌道幅を示
   す。）を用い、少なくとも２回走行して得た各回に対応
   する上記第１式に基づき、軌道上の絶対距離に対する曲
   率半径Ｒ（ｘ）及びカント量Ｃ（ｘ）を算出することを
   特徴とする曲線情報算出方法。
2. 【請求項２】 床面左右定常加速度、走行速度、及び車
   体傾斜角度を測定可能な測定手段を備えた鉄道車両にお
   いて、上記請求項１記載の曲線情報算出方法により算出
   した曲率半径及びカント量を用い、軌道上を走行する車
   体の傾斜制御を行うことを特徴とする車体傾斜制御方
   法。
3. 【請求項３】 上記第１式中の床面左右定常加速度ａ
   （ｘ）に０を代入して得られる以下の第２式 【数２】 を用い、上記第２式より算出される車体傾斜角度θ
   （ｘ）に基づいて軌道上を走行する車体の傾斜制御を行
   うことを特徴とする請求項２記載の車体傾斜制御方法。