JPH10315966A - 鉄道車両用車体姿勢制御装置及びその車体姿勢制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 車両の電源装置からの電力を直接アクチュエ
ータの駆動源として利用することにより、複雑な構造や
保守量の増加、製作コストの増大及び制御の応答遅れ等
を除く。 【解決手段】 車体と台車との間または中間はりと台車
との間に設けたアクチュエータを作動させて、曲線路通
過時に発生する遠心力による車体左右定加速度を低減す
る方向に車体を傾斜させる。前記アクチュエータにステ
ッピングモータやＡＣサーボモータを有するアクチュエ
ータ６を用いた鉄道車両用車体姿勢制御装置及びその車
体姿勢制御方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、制御応答性の優れ
た鉄道車両用車体姿勢制御装置及びその車体姿勢制御方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄道車両の軌道は、直線路と曲線路から
なり、列車が曲線路を通過する際は車両に遠心力が作用
し、車体が曲線路の外側に倒れようとする。これを防ぐ
ため、曲線路の外側レールを内側より高く敷設した、い
わゆるカントが付けられている。

【０００３】曲線路を走行する鉄道車両は、カント量に
釣り合う速度で走行しなければ、乗客に横方向の定常加
速度が作用して乗り心地を悪くする。

【０００４】カント量は、曲線路を低速で走行したり、
または停車した場合の安全性を考慮すると一定以上に大
きく設定することはできない。そこで、カント量を大き
くすることなく、かつ乗り心地を悪化させずに、走行速
度の増大を図るには、横方向の定常加速度を相殺するよ
うに車体を曲線の内側へ傾斜させればよい。

【０００５】この車体傾斜方法としては数種の方法があ
る。その中の一つの方法として、曲線路走行時に発生す
る超過遠心力と車体の重力との合力が床面に対し垂直に
作用するまで車体を傾斜させることによって乗り心地を
よくするようにした振り子台車が知られている。この振
り子台車には、自然振り子式台車と、油圧や空気圧を用
いて強制的に車体を傾斜させる制御振り子式台車があ
る。

【０００６】前記制御振り子式台車としては、従来曲線
路で車体に作用する遠心力によって作動していた振り子
装置の作動遅れを流体圧作動機構により補償する方法
（特公平５−５７９４２号公報）がある。また、台車枠
と車体を支持するまくらばねとの間に配置された油圧式
車体傾斜制御装置によって車体の支持と傾斜を行なわせ
る方法（特開平６−２７８６０４号公報）や、車体と台
車の間にまくらはりを介して流体作動機構としての左右
一対のガスばねを備えた油圧シリンダと該油圧シリンダ
の前後にまくらばねとして配置されるコイルばねを直列
に配設し車体傾斜を行なわせる方法（特開平７−１２５
６３４号公報）が知られている。これらは、いずれも流
体作動機構を用いる方式が主流である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の強制的車体
傾斜方法は、図１に示すように、流体作動機構として空
気圧や油圧を使った流体アクチュエータ１３を使用して
おり、いずれも車両の電源装置１４から電力を供給され
た圧力流体発生装置１５により作動流体を発生させ、制
御弁１６を介して供給される。

【０００８】このことは、エネルギーの効率を考えると
好ましい方法とはいえず、圧力流体発生装置の製作コス
トや保守の点でも不利である。また、作動流体の圧力は
本質的に変動し、流体アクチュエータの制御は、その圧
力変動の影響を受けることになる。更に、流体自体の環
境による粘性や体積等の変化、流体の圧縮性、制御弁絞
りにおける流体流量抵抗の周波数・振幅依存性など種々
の非線形要素が流体アクチュエータの制御性能を劣化さ
せることになる。これらの対応策として、近年発達して
いる現代制御理論を適用することが考えられるが、制御
系が非常に複雑になり、かつ上記の非線形性のため、数
式モデル化の際の誤差による制御性能の劣化は避けがた
い。

【０００９】本発明は、鉄道車両用の車体姿勢制御装置
において、従来の流体作動機構を用いたことによる欠
点、すなわちエネルギー効率や製作コストのロス、制御
系の複雑化、更には制御性能の劣化を解消し、曲線路で
の乗客の乗り心地を向上し、走行安全性に優れた鉄道車
両の車体姿勢制御装置及びその車体姿勢制御方法を提供
するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の鉄道車両用車体姿勢制御装置は、車体姿勢
制御用作動機構として、車両の電源装置から供給される
電力によって直接駆動されるアクチュエータを使用する
ことを特徴とし次の発明からなる。

【００１１】（１） 車体と台車との間または中間はり
と台車との間に設けたアクチュエータを作動させて、曲
線路通過時に発生する遠心力による車体左右定常加速度
を低減する方向に車体を傾斜させる鉄道車両用車体姿勢
制御装置において、ステッピングモータまたはＡＣサー
ボモータによりストローク長を変化させるアクチュエー
タを備えたことを特徴とする。

【００１２】（２） ステッピングモータまたはＡＣサ
ーボモータによりストローク長を変化させるアクチュエ
ータを備えている鉄道車両用車体姿勢制御装置を用いた
車体姿勢制御において、ステッピングモータの回転速度
と回転方向を制御すること、またはＡＣサーボモータの
回転角度を制御することにより、高応答に車体姿勢制御
を行なうことを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】図２に示すように、車両の電源装
置１４を直接使用してアクチュエータ６を駆動できる。
このアクチュエータ６を用いた車体傾斜制御車両の例を
図３、図４に示す。

【００１４】図３に示す場合は、台車２上に空気ばね４
により支持された傾斜はり３と台車２との間の左右側に
アクチュエータ６を設け、車体１は支持体５を介して傾
斜はり３上に支持されている。そして、左右のアクチュ
エータ６を上下にストロークさせることにより車体１を
傾斜させるように構成されている。

【００１５】図４に示す場合は、台車２上に設ける傾斜
はり３を、台車２との間に左右一対、前後２組のリンク
機構８により左右側に傾斜自在に接続し、車体１は左右
の空気ばね４を介して傾斜はり３上に支持される。そし
て、台車２と傾斜はり３との間に車両の左右方向にスト
ロークする横向きアクチュエータ７を設け、このアクチ
ュエータ７を駆動して車体１を傾斜させるように構成さ
れている。

【００１６】アクチュエータの構成は、例えば図９に示
すようなものが考えられる。アクチュエータロッド１７
は、ボールねじ構造となっており、回転ナット１８が回
転することによりストローク長が変位する。この回転ナ
ット１８は軸受１９でストローク長変位方向に移動可能
に取付けられており、更に大歯車２０と接続されている
ため、大歯車が小歯車２１側より回転を伝達されること
により回転する。また、変位センサー１１がアクチュエ
ータロッド１７内に埋め込まれており、ＡＣサーボモー
タを用いた場合のフィードバック制御やステッピングモ
ータを用いた場合の脱調対策に用いられる。なお、図中
の２２は、ＡＣサーボモータまたはステッピングモータ
を示す。

【００１７】更に、詳細に説明すると、前者のＡＣサー
ボモータを用いる場合は、アクチュエータロッド１７内
の変位センサー１１を用いて、図６（ｂ）に示すよう
に、常にＡＣサーボモータの回転角（車体の傾斜角）を
フィードバックして傾斜角（ストローク）を制御し、姿
勢保持時も基本的にフィードバック制御により行なう。
したがって、図６（ｂ）に示すように、直接的にアクチ
ュエータのストローク変位（傾斜角）を制御することが
できるので、制御方法が簡単で流体作動装置に比べて応
答遅れも小さい。

【００１８】また、後者のステッピングモータは、その
駆動装置から発生されるパルス信号を用いることによ
り、回転速度と回転方向を制御することができ、パルス
を停止すれば、そのステッピングモータの保持トルク内
で容易に姿勢を保持することができる。したがって、図
６（ａ）に示すように、直接的にアクチュエータのスト
ローク変位（傾斜角）を制御することができるので、制
御方法が簡単で流体作動装置に比べ応答遅れも小さい。
いずれの方法においても、車両が曲線路に差しかかった
ことを認識する手段としては、例えば車両に設置したジ
ャイロ計や加速度計により、曲線路進入時点で検知した
遠心加速度をフィードバックして車体傾斜制御を行なう
方法や、車両が走行する線路のデータ（地上子の位置、
曲線の位置等）を制御装置内に読み込んでおき、車輪の
回転数をカウントして車両の走行距離を算出し、車両が
地上子設置位置を通過するごとに、走行距離を線路デー
タに基づいて補正し、走行距離と線路データ内の曲線位
置を照合することにより曲線位置を検知し、その情報に
合わせて車体傾斜を行なう方法等の既知の方法を利用し
て行なうことができる。

【００１９】なお、ステッピングモータでは保持トルク
以上の外乱が作用した場合、その位置を保持することが
できなくなるといった脱調という問題が起こることが考
えられる。この場合には、外乱の作用した方向に一定角
度変位し、再びモータの保持トルク内に入ると、再度そ
の姿勢を保持することができる。

【００２０】前記の脱調を検知するには、例えばステッ
ピングモータに指示した傾斜角変更指令値とストローク
センサーによって測定・換算した傾斜角を比較し、両者
が一致しない場合には脱調が発生したと判断することが
できる。さらに、その際には、コントローラ内で演算さ
れた指令位置と脱調が発生したことによる現在位置との
差を補償するように制御を行なうことで、直ちに指令位
置に復帰させることができる。フローチャートを図７に
示す。すなわち、フィードバック信号と目標傾斜角信号
の差の分のみステッピングモータにパルス信号を出力す
るようにする。このような構成により、ステッピングモ
ータが脱調を起こしても安全で良好な車体傾斜制御が行
なえる。

【００２１】

【実施例】本発明の実施例として、ステッピングモータ
を用いた場合を図８に基づいて説明する。台車２上に空
気ばね４により支持された傾斜はり３と台車２との間の
左右側にアクチュエータ６を設け、車体１は支持体５を
介して傾斜はり３上に支持されている。そして、左右の
アクチュエータ６は、ステッピングモータ１０を保持
し、変位センサー１１を内蔵している。また、車体１に
設置した制御器９と左右のステッピングモータ１０との
間は出力・入力ができるように接続されている。そし
て、ステッピングモータ１０の回転を図９に示した歯車
機構を介してアクチュエータのボールねじに伝達し、ア
クチュエータが直線運動する。すなわち、ステッピング
モータの回転に一致したアクチュエータのストロークが
得られる。

【００２２】前記アクチュエータは、傾斜はり３と台車
２に取付けられたアンチロールバー１２に１台車当たり
左右に２本取付けられており、アクチュエータのストロ
ークにより傾斜はり３を傾斜させることにより、車体を
傾斜させることができる。

【００２３】前記のごとく左右のアクチュエータ６がア
ンチロールバー１２に取付けられているため、上下方向
の台車側からくる外乱は、アクチュエータ６を介して車
体１に伝わらず（逆方向も同じ）、車体傾斜方向（車体
のロール方向）のみにアクチュエータが作動する機構と
なっている。

【００２４】制御器９内では、図７に示した演算が行わ
れる。ここでは、曲線路等の情報は走行中に地点情報と
して時々刻々得られるシステムとし、この情報を元に目
標傾斜角を、例えば図５（ｂ）に示すようなパターンで
演算する。次いで、この目標傾斜角に対応したパルス信
号をステッピングモータ１０に出力し車体傾斜を行な
う。通常、異常がなければ応答性のよいアクチュエータ
では、この動作により図５（ｃ）のような必要な傾斜角
が得られる。

【００２５】なお、変位センサーで傾斜角を常に測定す
る。そして、パルスで出力した傾斜角とセンサーで計測
した傾斜角の差が、例えばステッピングモータの５ステ
ップ分の傾斜角異常であれば、脱調すなわちフェールが
発生したとして、制御を行なう。これにより安全な車体
傾斜制御ができる。また、ＡＣサーボモータを用いた場
合も、図５と同様の制御結果が得られる。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、エネルギ効率や保守性
に優れた車体姿勢制御装置が提供でき、更に、応答性の
優れた車体姿勢制御ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の流体式アクチュエータを用いた車体姿勢
制御装置におけるアクチュエータ駆動経路を示すブロッ
ク図である。

【図２】本発明のアクチュエータを用いた車体姿勢制御
装置におけるアクチュエータ駆動経路を示すブロック図
である。

【図３】台車と傾斜はりとの間にアクチュエータを設け
た車体姿勢制御装置基本構成を示す説明図である。

【図４】台車と傾斜はりとの間の左右側に横向きにスト
ロークするアクチュエータを設けた車体姿勢制御装置基
本構成を示す説明図である。

【図５】アクチュエータにステッピングモータを用いた
車体姿勢制御装置によりＲ４００ｍの曲線路における制
御動作を示すグラフで、（ａ）は曲線路の時間経過に対
する変化を示す、（ｂ）は目標傾斜角の時間経過に対す
る変化を示す、（ｃ）は車体傾斜角の時間経過に対する
変化を示す。

【図６】車体姿勢制御装置別に制御動作を説明するブロ
ック図で、（ａ）はアクチュエータにステッピングモー
タを用いた場合の動作、（ｂ）はアクチュエータにＡＣ
サーボモータを用いた場合の動作である。

【図７】アクチュエータにステッピングモータを用い、
更にステッピングモータの回転角またはアクチュエータ
のストロークセンサを有する場合の傾斜制御動作を示す
フローチャートである。

【図８】本発明の実施による車体姿勢制御装置を有する
車両を示す説明図である。

【図９】本発明の装置において用いるアクチュエータの
構造例を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 車体 ２ 台車 ３ 傾斜はり ４ 空気ばね ５ 支持体 ６ アクチュエータ ７ 横向きアクチュエータ ８ リンク機構 ９ 制御器 １０ ステッピングモータ １１ 変位センサー １２ アンチロールバー １３ 流体アクチュエータ １４ 電源装置 １５ 圧力流体発生装置 １６ 制御弁 １７ アクチュエータロッド １８ 回転ナット １９ 軸受 ２０ 大歯車 ２１ 小歯車 ２２ ＡＣサーボモータまたはステッピングモータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 名倉 宏明 大阪府大阪市此花区島屋５丁目１番109号 住友金属工業株式会社関西製造所製鋼品 事業所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 車体と台車との間または中間はりと台車
   との間に設けたアクチュエータを作動させて、曲線路通
   過時に発生する遠心力による車体左右定常加速度を低減
   する方向に車体を傾斜させる車体姿勢制御装置におい
   て、ステッピングモータまたはＡＣサーボモータにより
   ストローク長を変化させるアクチュエータを備えている
   ことを特徴とする鉄道車両用車体姿勢制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の鉄道車両用車体姿勢制御
   装置において、ステッピングモータの回転速度と回転方
   向を制御すること、またはＡＣサーボモータの回転角度
   を制御することにより、高応答に車体姿勢制御を行なう
   ことを特徴とする車体姿勢制御方法。