(57)【要約】【課題】車体および台車の構造変更を少なく車体の回転振動を低減する。【解決手段】車体と車体を支持する複数の台車とを備える鉄道車両が、第１のフライホイールと第２のフライホイールとのペアを少なくとも一つ備え車体の振動を制御する回転抑動装置を備える。回転抑動装置が、第１および前記第２のフライホイールを互いに逆方向に回転させ、かつ、車体振動の検出値に基づき第１および第２のフライホイールの回転軸と直交する第１および第２のジンバル軸を互いに逆方向に回転させる。【選択図】  図２
2020189502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体と車体を支持する複数の台車とを備え前記車体の振動を制御する鉄道車両において、
前記車体の振動を制御する一つ以上の回転抑動装置を備え、
前記一つ以上の回転抑動装置の各々が、一つ以上のフライホイールペアを有し、
前記一つ以上のフライホイールペアの各々が、第１のフライホイール組と、第２のフライホイール組とのペアであり、
前記第１のフライホイール組が、第１のフライホイールと、前記第１のフライホイールを内に備える第１のジンバルと、前記第１のフライホイールの回転軸である第１のホイール軸と、前記第１のホイール軸と直交し前記第１のジンバルの回転軸である第１のジンバル軸とを有し、
前記第２のフライホイール組が、第２のフライホイールと、前記第２のフライホイールを内に備える第２のジンバルと、前記第２のフライホイールの回転軸である第２のホイール軸と、前記第２のホイール軸と直交し前記第２のジンバルの回転軸である第２のジンバル軸とを有し、
前記回転抑動装置が、
前記第１および前記第２のフライホイールを互いに逆方向に回転させ、かつ、
車体振動の検出値に基づき前記第１および前記第２のジンバル軸を互いに逆方向に回転させる
ことを特徴とする鉄道車両。
【請求項２】
前記第１および前記第２のジンバル軸は、前記車体の長手方向に沿って延びている、
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両。
【請求項３】
前記第１および前記第２のジンバル軸は、前記車体の長手方向と直交する枕木方向に沿って延びている、
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両。
【請求項４】
前記車体の長手方向と、前記車体の長手方向と直交する枕木方向との平面において、前記車体において、複数の回転抑動装置が、対称に配置される、
ことを特徴とする請求項１ないし３のうちのいずれか１項に記載の鉄道車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両の振動を低減する振動制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両の高速走行時において車内快適性を維持することが望ましい。車内快適性の指標の１つとして、客室の振動乗心地（以下、客室の振動を「車体振動」と記載する）がある。この振動乗心地を向上するためには、車体振動を小さくすることが必要である。
【０００３】
鉄道車両の車体振動は、車両のばね、マスおよびダンパの振動系が、軌道側の影響によって励起されることによって生じる。具体的には、例えば下記の通りである。
（１）軌道（レール）に、軌道不整と呼ばれる微小な歪みがあり、この軌道不整上を車両が走行することで、車両の振動系が励起される。
（２）車両が平面曲線や縦曲線に進入する際に、軌道の曲率の変化に伴い、車体に遠心力が作用することで、車両の振動系が励起される。
【０００４】
鉄道車両の車体を剛体とみなした場に、６つの運動自由度（前後、左右、上下、ローリング（ロール）、ピッチイング（ピッチ）およびヨーイング（ヨー））があり、一般的に、軌道からの影響によって車両の振動系が励起された際には、これら６つの自由度に係わる振動が励起される。
【０００５】
鉄道車両の車体は、レール方向に例えば約２０ｍの長さがあり、レール方向に沿って座席が配置されるので、車両の長手方向の端部（以下、車両端部）にも座席が置かれる。鉄道車両の長手方向の端部は、車体の重心位置から鉄道車両の長手方向にオフセットした位置にあるので、車体に振動が生じた時に、車体の前後、左右および上下の併進振動と、車体のロール、ピッチおよびヨーの回転振動とが重なり合った振動が発生する。そして、車両の車端部は、車体の長手方向寸法を例えば２０ｍとすると、車体重心位置（車体の長手方向の中心部）からのオフセット量が例えば約１０ｍもある。このため、車体の回転振動の一つであるピッチング（ピッチ）が、振動乗心地を決める。
【０００６】
したがって、長手方向の寸法がその幅方向の寸法に比較して非常に大きい鉄道車両の振動を抑制するためには、車体の回転振動成分を低減することが重要となる。
【０００７】
例えば、特許文献１に、鉄道車両において軌道不整に起因して瞬間的に発生する上下振動を抑制する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１６−２１０２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１によれば、車体と台車枠との間に、上下方向の相対速度に応じた減衰力を発生するとともに減衰力指令値に応じて減衰力特性を変更可能なアクチュエータとして可変減衰ダンパが配置される。振動検出手段が、車両振動を検出する。検出した信号に基づき、アクチュエータの発生力が制御される。
【００１０】
特許文献１に開示のような構成が採用されれば、車体の回転自由度に起因する振動成分を抑制するためのトルクを発生させるには、車体重心に対して、車両長手方向にオフセットさせた位置にアクチュエータを配置させる必要がある。アクチュエータを配置するためのスペース確保とアクチュエータ締結部の強度確保とのうちの少なくとも一つのために、車体および台車の構造変更が必要となる場合もある。
【００１１】
本発明の課題は、車体および台車の構造変更を少なく車体の回転振動を低減することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、車体と車体を支持する複数の台車とを備え前記車体の振動を制御する鉄道車両が、車体の振動を制御する一つ以上の回転抑動装置を備える。一つ以上の回転抑動装置の各々が、一つ以上のフライホイールペアを有する。前記一つ以上のフライホイールペアの各々が、第１のフライホイール組と、第２のフライホイール組とのペアである。第１のフライホイール組が、第１のフライホイールと、第１のフライホイールを内に備える第１のジンバルと、第１のフライホイールの回転軸である第１のホイール軸と、第１のホイール軸と直交し第１のジンバルの回転軸である第１のジンバル軸とを有する。第２のフライホイール組が、第２のフライホイールと、第２のフライホイールを内に備える第２のジンバルと、第２のフライホイールの回転軸である第２のホイール軸と、第２のホイール軸と直交し第２のジンバルの回転軸である第２のジンバル軸とを有する。回転抑動装置が、第１および第２のフライホイールを互いに逆方向に回転させ、かつ、車体振動の検出値に基づき第１および第２のジンバル軸を互いに逆方向に回転させる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、車体および台車の構造変更を少なく車体の回転振動を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る振動制御システムのシステム構成図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態における回転抑動装置の斜視図である。
【図３】図３は、本発明の第１実施形態における回転抑動装置の動作を示す図である。
【図４】図４は、本発明の第１実施形態における車体振動低減効果を示す模式図である。
【図５】図５は、本発明の第２実施形態に係る振動制御システムのシステム構成図である。
【図６】図６は、床下機器のレイアウト例を示す模式図（図５のＩ−Ｉ断面図）である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、幾つかの実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同種の要素を区別しないで説明する場合には、参照符号のうちの共通符号を使用し、同種の要素を区別する場合は、参照符号を使用することがある。例えば、フライホイール組を区別しない場合には、「フライホイール組５０」と言い、フライホイール組を区別する場合には、「フライホイール組５０Ａ」、「フライホイール組５０Ｂ」のように言うことがある。
［第１実施形態］
【００１６】
以下に本発明の第１の実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。まず、説明に供する各方向を定義する。鉄道車両の車体の長手方向（レール方向）のうちの一方（進行方向）をＸ方向（反対方向を「−Ｘ方向」）、車体の幅方向（枕木方向）のうちの一方（Ｘ方向に対して左方向）をＹ方向（反対方向を「−Ｙ方向」）、車体の高さ方向（上下方向）のうちの一方（上方向）をＺ方向（反対方向を「−Ｚ方向」）とする。以下、単にＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向と記載することがある。
【００１７】
また、車体は、乗客や乗務員等が乗車する略６面体の箱状の構造体を示し、鉄道車両は、車体と、車体の長手方向の両端部の下方に備えられるとともに車体を支持する台車とを含む。
【００１８】
図１は、本発明の第１実施形態に係る振動制御システムのシステム構成図である。
【００１９】
まず、鉄道車両の構成を説明する。鉄道車両は、車体１と、車体１のＸ方向の両端部の下端部に配置されるとともに車体１を支持する複数の（本実施形態では一対の）台車２と、を備える。台車２は、空気ばね５を備えており、車体１は空気ばね５によって弾性支持される。
【００２０】
車体１は台車２の空気ばね５により支持されるため、空気ばね５が弾性変形することによって、車体１は前後、左右および上下方向に併進振動する。さらに、車体１は、車体１の重心１００周りの運動自由度として、Ｙ軸周りの（Ｙ方向を回転軸とした）回転振動（以下、ピッチ振動と呼ぶ）、Ｚ軸周りの（Ｚ方向を回転軸とした）回転振動（以下、ヨー振動と呼ぶ）を有する。
【００２１】
車体１の回転振動を抑制する振動制御システムは、回転抑動装置１０と、角速度センサ３０と、制御装置４０とを備える。回転抑動装置１０は、後述のように、高速回転するフライホイールの回転軸を、制御装置４０からの指令に基づいて、モータ制御により傾ける。結果として、ジャイロ効果により、車体１のピッチ方向の振動を打ち消すトルク９０を生み出すことができる。
【００２２】
図２は、本発明の第１実施形態における回転抑動装置の斜視図である。
【００２３】
回転抑動装置１０は、２基のフライホイール組５０Ａおよび５０Ｂを備えている。２基のフライホイール組５０Ａおよび５０Ｂは、フライホイール組５０のペアの一例である。一つ以上のフライホイールペア（フライホイール組５０のペア）が、回転抑動装置１０に備えられてよい。
【００２４】
各フライホイール組５０は、水平面内で回転するフライホイール１１と、このフライホイール１１を鉛直方向に貫通する第１回転軸１５と、第１回転軸１５のＺ方向の両端部を回転可能に保持する第１軸受１２ａおよび１２ｂと、これら第１軸受１２ａおよび１２ｂを保持するとともにフライホイール１１を内に備える矩形状のジンバル１４と、ジンバル１４の一対の垂直片のＺ方向の中央部からＸ方向に延伸する第２回転軸１８と、車体１の床面から下方に垂下するとともにそのＺ方向の端部に備えられて第２回転軸１８を回動可能に保持する軸受台１７と、第２回転軸１８をその軸周りに回動する第２電動機１６と、を備える。
【００２５】
フライホイール１１は、フライホイール１１を鉛直方向に貫通する第１回転軸１５のＺ方向の端部に備えられる第１電動機１３によって、低速回転数で回転駆動される。ジンバル１４の垂直片に接続する第２回転軸１８は、フライホイール１１を貫通する第１回転軸１５に直交している。
【００２６】
第２電動機１６は、制御装置４０からの指令に基づき、ジンバル１４を任意の方向に任意の角速度で回転駆動できる。２つのフライホイール組５０Ａおよび５０Ｂは、それぞれの軸受台１７を介して、第２回転軸１８が車体１の長手方向（Ｘ軸方向）に沿う方向に、車体１の下面に固定される。
【００２７】
図３は、本発明の第１実施形態における回転抑動装置の動作を示す図である。
【００２８】
まず、フライホイール組５０Ａでは、フライホイール１１Ａが、第１電動機１３Ａで一方の方向に定速で回転しており、フライホイール組５０Ｂでは、フライホイール１１Ｂが、第１電動機１３Ｂで他方の方向に定速で回転しているとする。フライホイール１１Ａとフライホイール１１Ｂとは、同一回転速度で反対方向に回転している。
【００２９】
フライホイール組５０Ａは、車体１に設置された角速度センサ３０の検出信号（角速度センサ３０により検出された角速度を示す信号）に基づく指令（当該検出信号を受けた制御装置４０からの指令）に従い、その検出信号が示す値を比例倍した量のトルク９０をピッチ方向に発生できるように、第１モータ１６Ａで第１回転軸１８Ａの角速度を制御する。この動作によって、フライホイール１１Ａの回転軸１５ＡをＹ−Ｚ平面内で能動的に傾けることができる。なお、角速度センサ３０の検出信号が示す値が、車体振動の検出値の一例である。また、角速度センサ３０の検出信号は、制御装置４０に入力され、当該検出信号に基づく指令を制御装置４０から回転抑動装置１０が受け、回転抑動装置１０が当該指令に従って、車体１の振動を制御するが、このような構成に代えて、車体振動の検出値が、回転抑動装置１０に入力され、当該検出値を基に、回転抑動装置１０により車体振動の制御が行われてもよい。
【００３０】
フライホイール１１Ａが角速度をもって傾くことによるジャイロ効果によれば、車体１のピッチ方向（Ｙ軸周り）の振動を抑制する方向に、カウンタートルク９０が発生する。このカウンタートルク９０は、ジンバル１４Ａ、ジンバル１４Ａに固定された回転軸１８Ａ、ジンバル軸受２３ａＡおよび２３ｂＡ、および、軸受台１７Ａを介して、車体１に作用する。
【００３１】
同様に、フライホイール組５０Ｂは、車体１に設置された角速度センサ３０の検出信号に基づく指令（当該検出信号を受けた制御装置４０からの指令）に従って、第２電動機１６Ｂにより、回転軸１８Ｂを、回転軸１８Ａと正反対の向きの角速度となるように動作させる。これにより、フライホイール１１Ｂの回転軸１５Ｂが、Ｙ−Ｚ平面内で、フライホイール組５０Ａのフライホイール１１Ａとは正反対の向きに傾くことになる。
【００３２】
フライホイール組５０Ａとフライホイール組５０Ｂとでは、フライホイール１１Ａと１１Ｂの回転の向き、回転軸１８Ａと１８Ｂの回転の向きが、いずれも正反対であるので、フライホイール組５０Ｂにおいても、車体１のピッチ方向（Ｙ軸周り）に、フライホイール組５０Ａと同じ向きのトルクが発生する。これにより、フライホイール組５０Ｂにおいても、車体１のピッチ方向の振動を抑制する方向にカウンタートルク９０が発生し、結果として、車体１にそのトルクを作用させることができる。
【００３３】
以上の動作により、車体１にピッチ振動が発生した場合、回転抑動装置１０によりカウンタートルク９０を発生させることができ、車体ピッチ振動を低減できる。
【００３４】
図４は、本発明の第１実施形態における車体振動低減効果を示す模式図である。図中の実線グラフは、回転抑動装置１０を稼働しない時（制御なし）の車体１のＸ方向の端部における車体上下振動（ピッチ振動の抑制効果を評価できる）の加速度のパワースペクトル密度波形である。図中の一点鎖線のグラフは、回転抑動装置１０を稼働した時（制御あり）のそれである。
【００３５】
図４によれば、回転抑動装置１０が稼働することによって、車体１のピッチ振動（車体１のＸ方向の端部における車体上下振動）が低減する。このため、車体１のピッチ振動モードの固有振動数に近い周波数帯域６０において振動抑制効果が生じる。
【００３６】
次に、回転抑動装置１０が回転方向の異なるフライホイール１１を備える２基のフライホイール組５０Ａおよび５０Ｂを備えることによって、車体１にロール振動やヨー振動が生じた時に、回転抑動装置１０が車体１を加振する方向（乗心地を阻害する方向）に作用しないことを説明する。車体１がロール振動（車体１のＸ軸周りの振動）する時、フライホイール組５０Ａおよび５０Ｂでは、ともに、フライホイール１１Ａおよび１１Ｂの回転軸１５Ａと１５ＢがＹ−Ｚ平面内で同じ向きに傾く。このため、フライホイール１１Ａおよび１１Ｂが互いに反対方向に回転しているので、ジャイロ効果により発生するピッチ方向のトルクも、フライホイール組５０Ａおよび５０Ｂで互いに逆向きとなり、車体１にトータルとしてトルクは作用しない。このため、回転抑動装置１０が車体１を意図せずピッチ振動を励起することはない。
【００３７】
車体１でヨー方向の振動が発生した状況においても、フライホイール組５０Ａおよび５０Ｂでは、ともに、フライホイール１１Ａおよび１１Ｂの回転軸１５Ａと１５ＢはＸ−Ｚ平面内およびＹ−Ｚ平面内で傾かない。従って、ジャイロ効果は生じないので、車体１にトルクは作用しない。このため、回転抑動装置１０が車体１を意図せずピッチ振動を励起することはない。以上の構成によれば、車体１に、ロール振動およびヨー振動が生じても、当該振動が車体１にピッチ振動を励起しない（悪影響を及ぼさない）。
【００３８】
本実施形態では、台車２間のスペース、又は、その他の任意の従前のスペースに、回転抑動装置１０を搭載可能である。故に、車体１および台車２の構造変更を少なく車体の回転振動を低減することができる。２基のフライホイール組５０Ａおよび５０Ｂからなる回転抑動装置１０は、車体に少なくとも一つあればよい。
【００３９】
本実施形態では、フライホイール１１の回転軸１５が車両鉛直方向（Ｚ軸）と平行に配置され、ジンバル１４の回転軸１８が車両長手方向（Ｘ軸）と平行に配置され、車体ピッチ方向の振動が低減される。しかし、このような構成に代えて、フライホイール１１の回転軸１５が車両鉛直方向（Ｚ軸）と平行に配置され、ジンバル１４の回転軸１８が車両枕木方向（Ｙ軸）と平行に配置され、車体ロール角速度の検出信号に基づき、モータ１６Ａおよび１６Ｂが互いに逆向きに動作するように制御することで、車体ロール振動が改善されても良い。
【００４０】
一方で、フライホイール１１の回転軸１５が車両枕木方向（Ｙ軸）と平行に配置され、ジンバル１４の回転軸１８が車両長手方向（Ｘ軸）と平行に配置され、車体ヨー角速度の検出信号に基づき、モータ１６Ａおよび１６Ｂを互いに逆向きに動作するように制御することで、車体ヨー振動が改善されても良い。
【００４１】
本実施形態では、回転軸１８Ａおよび１８Ｂを個別のモータ１６Ａおよび１６Ｂで回転駆動する構成が採用されているが、その構成に代えて、例えば、回転軸１８Ａおよび１８Ｂを平歯車などの伝達機構を介して結合し、１つのモータで片方の回転軸を回転駆動させて、伝達機構を介して回転軸１８Ａおよび１８Ｂを互いに逆回転させる構成が採用されても良い。
［第２実施形態］
【００４２】
図５および図６を参照して、本発明の第２実施形態を説明する。図５は、本発明の第２実施形態に係る振動制御システムのシステム構成図であり、図６は、床下機器のレイアウト例を示す模式図（図５のＩ−Ｉ断面図）である。
【００４３】
第２実施形態では、回転抑動装置９３Ａおよび９３Ｂが、車体１のそれぞれ違う部位に配置される。回転抑動装置９３Ａおよび９３Ｂの各々は、２基のフライホイール組５０を備える。第１実施形態と同様に、角速度センサ３０に応じて、それぞれのフライホイール組のモータ１６Ａおよび１６Ｂが、同期して、かつ、反対方向に動作する。
【００４４】
この構成によって、車体１の回転振動を低減することができる。回転抑動装置９３Ａおよび９３Ｂの各々は、トルクを生じるため、車体１の設置位置に関係なく、所望のトルクを車体１に作用させることができる。
【００４５】
次に、図６を参照して、設置位置を自由に選択できることの利点を述べる。回転抑動装置９３Ａおよび９３Ｂは、実線で示すように、車体１の床下に、長手方向（Ｘ軸）および枕木方向（Ｙ軸）の中央部に対して、点対称の位置に配置されても良い。なお、第２実施形態では、質量をもった回転抑動装置９３Ａおよび９３Ｂを、車体１に対して、それぞれ任意の位置に配置できる。これにより、鉄道車両では重要視される車両の前後および左右方向の輪重アンバランス調整にも活用できる。回転抑動装置９３Ａおよび９３Ｂは、車体１に固定することができれば、車体床下、車体妻面および屋根上のいずれの部位に配置しても良い。例えば、台車２間のスペースに、一点鎖線で示すように、回転抑動装置９３Ａおよび９３Ｂが、長手方向（Ｘ軸）および枕木方向（Ｙ軸）の中央部に対して、点対称の位置に配置されても良いし、破線で示すように、回転抑動装置９３Ａおよび９３Ｂが、車体の長手方向（Ｘ軸）中央における枕木方向（Ｙ軸）を中心に、線対称の位置に配置されても良い。実線が示す配置と、一点鎖線が示す配置と、破線が示す配置とのうちの二つ以上が一つの車体１において採用されてよい。すなわち、一つの車体に四つ以上の回転抑動装置が搭載されてよい。
【００４６】
以上、幾つかの実施形態を説明したが、これらは本発明の説明のための例示であって、本発明の範囲をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、他の種々の形態でも実行することが可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１…車体、２…台車、５…空気ばね、１０…回転抑動装置、３０…角速度センサ、４０…制御装置
【図１】
2020189502.tif 000003
【図２】
2020189502.tif 000004
【図３】
2020189502.tif 000005
【図４】
2020189502.tif 000006
【図５】
2020189502.tif 000007
【図６】
2020189502.tif 000008