(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端を操舵梁と台車枠にそれぞれ取り付けたアシストボギー角操舵台車用アクチュエータに、油圧回路制御用スプール弁を組み込んだ油圧回路と、該油圧回路を駆動するポンプとを一体化したアシストボギー角操舵台車用アクチュエータであって、前記油圧回路制御用スプール弁は、前記アクチュエータ動作を阻害する方向へポンプが作動油を供給してしまうフェール動作時には、前記アクチュエータの一部を構成するシリンダへの油圧回路を遮断し、前記作動油をタンクへ戻すことにより、旋回抵抗の増大を抑制することを特徴とするアシストボギー角操舵台車用アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１記載のアシストボギー角操舵台車用アクチュエータにおいて、前記アクチュエータは通常動作（アシスト動作）時にはポンプ圧力を前記シリンダに負荷するが、前記フェール動作時にはバイパス回路が動作し作動油をポンプ低圧側に流すことで、前記ポンプからの供給圧を前記シリンダへ負荷しない状態とすることを特徴とするアシストボギー角操舵台車用アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１記載のアシストボギー角操舵台車用アクチュエータにおいて、前記ポンプが電動式油圧ポンプであることを特徴とするアシストボギー角操舵台車用アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１記載のアシストボギー角操舵台車用アクチュエータにおいて、前記油圧回路制御用スプール弁はバイパス回路制御ならびにアクチュエータリリーフの機能を有するスプール弁であることを特徴とするアシストボギー角操舵台車用アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータに係り、特に、アシストボギー角操舵台車用アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄道車両用アシストボギー角操舵台車としては、以下に示すようなものがあった（下記特許文献１参照）。
図１１は従来の鉄道車両用アシストボギー角操舵台車の構成図、図１２は従来の鉄道車両用アシストボギー角操舵台車のアクチュエータ回路の基本構成図である。
図１１において、１０１は台車枠、１０２は台車回転中心ピン、１０３は操舵梁、１０４は側受スリ板、１０５は操舵てこ、１０６は連結棒、１０７は軸箱、１０８は輪軸、１０９は車輪、１１０は前後支持ばね、１１１はアクチュエータである。また、図１２において、１２１は操舵用油圧シリンダ、１２２は油圧ポンプ、１２３は電動モータである。
【０００３】
この鉄道車両用アシストボギー角操舵台車は、台車枠１０１に対して台車回転中心ピン１０２周りを旋回可能な操舵梁１０３を有するボギー角連動誘導操舵台車である。
台車枠１０１と操舵梁１０３との間には側受スリ板１０４が配置され、車体重量×摩擦係数の分だけ旋回時に回転抵抗が発生する。また、曲線軌道通過時に操舵梁１０３（車体）に対して生じる台車枠１０１の回転変位を、操舵てこ１０５及び連結棒１０６を介して、一定のてこ比で軸箱１０７に伝え、軸箱１０７をハの字状に操舵する。さらに、台車枠１０１と操舵梁１０３の間に台車旋回トルクを発生するアクチュエータ１１１が配置されている。このシリンダ１１１は、台車枠１０１及び操舵梁１０３それぞれに設けたブラケット１１２，１１３の間に取り付けられる。
【０００４】
曲線軌道の入口側及び出口側の緩和曲線において、台車が旋回する際に、曲率の変化に応じてアクチュエータ１１１により旋回トルクを発生させて、台車の旋回抵抗を減少させることによって車輪１０９とレールとの間に生じる横圧を低減する。アクチュエータ１１１の発生力の制御は、予め測定した地上データ（曲率）と地点検知、速度との照合により、緩和曲線及びその前後の区間のみ行う。
【０００５】
図１２に示すように、アクチュエータは、操舵用油圧シリンダ１２１、油圧ポンプ１２２、電動モータ１２３から構成される電動油圧アクチュエータであり、外部からの制御信号及び駆動用電力の供給により力を発生する。
アシスト操舵非制御時は、油圧ポンプ１２２は無負荷（モータに電気的な負荷が接続されていない）状態であり、操舵用油圧シリンダ１２１の伸縮動作に伴う油の流れに対する抵抗は発生しないため、台車旋回動作に支障を与えない。一方、アシスト操舵制御時は、油圧ポンプ１２２を電動モータ１２３で駆動し、油圧シリンダ１２１の動作方向に油圧を補助的に負荷することで台車旋回抵抗を小さくする。
【０００６】
また、本願発明者らは、走行安全性の低下を防止することができる、鉄道車両用アシストボギー角操舵台車用アクチュエータを提案している（特許文献２）。
図１３はかかる先行発明の鉄道車両用アシストボギー角操舵台車のアクチュエータの回路図である。
このアクチュエータは、操舵用油圧シリンダ２０１、ポンプ２０２、モータ２０３に加えて、操舵用油圧シリンダ２０１の台車枠側油室２０１Ａと操舵梁側油室２０１Ｂとの間に接続される差圧検知シリンダ２０４、台車枠側油室２０１Ａに接続される第１のフロー検知シリンダ２０５、操舵梁側油室２０１Ｂに接続される第２のフロー検知シリンダ２０６、台車枠側油室２０１Ａに接続され差圧検知シリンダ２０４によって制御される第１のバイパス回路制御弁２０７、この第１のバイパス回路制御弁２０７に直列に接続され第２のフロー検知シリンダ２０６によって制御される第２のバイパス回路制御弁２０８、操舵梁側油室２０１Ｂに接続され差圧検知シリンダ２０４によって制御される第３のバイパス回路制御弁２０９、ならびに、この第３のバイパス回路制御弁２０９に直列に接続され第１のフロー検知シリンダ２０５によって制御される第４のバイパス回路制御弁２１０を備えている。バイパス回路は２系統あり、各系統に上記したバイパス回路制御弁２０７，２０８と２０９，２１０とがそれぞれ設けられている。２台のバイパス回路制御弁２０７，２０８と２０９，２１０は各々、差圧検知シリンダ２０４と第１及び第２のフロー検知シリンダ２０５，２０６とにより駆動される。また、第１のフロー検知シリンダ２０５及び第２のフロー検知シリンダ２０６それぞれと並列にチェックバルブ２１１，２１２が配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１６８５１０号公報
【特許文献２】特願２０１０−０４１９４８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記したように、従来の鉄道車両用アシストボギー角操舵台車では、緩和曲線通過時にアクチュエータにより台車の旋回方向に旋回を補助する力（旋回トルク）を発生させることで旋回抵抗を減少し、横圧を低減させるものであるので、万が一、アクチュエータが逆方向動作（逆操舵）してしまうと、横圧が増大してしまう。すなわち、図１３に示すアクチュエータ回路において、アクチュエータが逆に動いてしまい、作動油の逃げ道がないため旋回抵抗となってしまうという問題があった。
【０００９】
そこで、鉄道車両用アシストボギー角操舵台車用アクチュエータにおけるフェールセーフ対策が必要とされている。
本発明は、上記状況に鑑みて、油圧回路制御用スプール弁を用いて制御フェール時の旋回抵抗の増大を抑制することができるアシストボギー角操舵台車用アクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕アシストボギー角操舵台車用アクチュエータにおいて、両端を操舵梁と台車枠にそれぞれ取り付けたアシストボギー角操舵台車用アクチュエータに、油圧回路制御用スプール弁を組み込んだ油圧回路と、この油圧回路を駆動するポンプとを一体化したアシストボギー角操舵台車用アクチュエータであって、前記油圧回路制御用スプール弁は前記アクチュエータの動作を阻害する方向へポンプが作動油を供給してしまうフェール動作時には、前記アクチュエータの一部を構成するシリンダへの油圧回路を遮断し、前記作動油をタンクへ戻すことにより、旋回抵抗の増大を抑制することを特徴とする。
【００１１】
〔２〕上記〔１〕記載のアシストボギー角操舵台車用アクチュエータにおいて、前記アクチュエータは通常動作（アシスト動作）時にはポンプ圧力を前記シリンダに負荷するが、前記フェール動作時にはバイパス回路が動作し作動油をポンプ低圧側に流すことで、前記ポンプからの供給圧を前記シリンダへ負荷しない状態とすることを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕記載のアシストボギー角操舵台車用アクチュエータにおいて、前記ポンプが電動式油圧ポンプであることを特徴とする。
【００１２】
〔４〕上記〔１〕記載のアシストボギー角操舵台車用アクチュエータにおいて、前記油圧回路制御用スプール弁はバイパス回路制御ならびにアクチュエータリリーフの機能を有するスプール弁であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、アシストボギー角操舵台車用アクチュエータの制御フェール時に、アクチュエータによる旋回抵抗の増大を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例を示す鉄道車両用アシストボギー角操舵台車とそのアクチュエータの概略構成図である。
【図２】本発明の実施例を示す鉄道車両用アシストボギー角操舵台車用アクチュエータのシリンダ内圧力を示す図である。
【図３】本発明の実施例を示す鉄道車両用アシストボギー角操舵台車用アクチュエータの油圧回路図である。
【図４】本発明の実施例を示す鉄道車両用アシストボギー角操舵台車用アクチュエータの油圧回路のアクチュエータ正常動作時の作動油流れを示す図である。
【図５】本発明の実施例を示す鉄道車両用アシストボギー角操舵台車用アクチュエータのアクチュエータ異常動作時の作動油流れを示す図である。
【図６】本発明の実施例を示す鉄道車両用アシストボギー角操舵台車用アクチュエータの油圧回路のスプール内部構造を示す図である。
【図７】本発明の実施例を示す鉄道車両用アシストボギー角操舵台車用アクチュエータの油圧回路のポンプの目標圧力とアクチュエータのピストンストロークの関係を示す図である。
【図８】本発明の実施例を示す鉄道車両用アシストボギー角操舵台車用アクチュエータの油圧回路のスプール弁体とポートのラップ量を示す図である。
【図９】本発明の実施例を示す鉄道車両用アシストボギー角操舵台車用アクチュエータのアシスト動作（通常動作）時のシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】本発明の実施例を示す鉄道車両用アシストボギー角操舵台車用アクチュエータのフェール動作（異常動作）時のシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】従来の鉄道車両用アシストボギー角操舵台車の構成図である。
【図１２】従来の鉄道車両用アシストボギー角操舵台車のアクチュエータ回路の基本構成図である。
【図１３】先行発明の鉄道車両用アシストボギー角操舵台車のアクチュエータの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明のアシストボギー角操舵台車用アクチュエータは、両端を操舵梁と台車枠にそれぞれ取り付けたアシストボギー角操舵台車用アクチュエータに、油圧回路制御用スプール弁を組み込んだ油圧回路と、この油圧回路を駆動するポンプとを一体化した鉄道車両用アシストボギー角操舵台車用アクチュエータであって、前記油圧回路制御用スプール弁は、前記アクチュエータの動作を阻害する方向へポンプが作動油を供給してしまうフェール動作時には、前記アクチュエータの一部を構成するシリンダへの油圧回路を遮断し、前記作動油をタンクへ戻すことにより、旋回抵抗の増大を抑制する。
【実施例】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の実施例を示す鉄道車両用アシストボギー角操舵台車とそのアクチュエータの概略構成図、図２はそのシリンダ内圧力を示す図、図３はその油圧回路図、図４はその油圧回路のアクチュエータ正常動作時の作動油流れを示す図、図５はその油圧回路のアクチュエータ異常動作時の作動油流れを示す図、図６はその油圧回路のスプール内部構造を示す図、図７はその油圧回路のポンプの目標圧力とアクチュエータのピストンストロークの関係を示す図であり、図７（ａ）はそのフェール時のポンプ動作の設定を示す図、図７（ｂ）はそのアシスト時のポンプ動作の設定を示す図である。
【００１７】
本発明の鉄道車両用アシストボギー角操舵台車用アクチュエータは、図１に示すように、油圧回路制御用スプール弁を組み込んだ油圧回路１とポンプ２をアクチュエータの一部を構成するシリンダ３と一体化し、このシリンダ３の両端を操舵梁４と台車枠５にそれぞれ取り付けるように構成している。なお、ポンプ２にはタンクが接続されているが自明であるので説明は省略する。
【００１８】
なお、鉄道車両用アシストボギー角操舵台車用アクチュエータのフェールセーフ対策としてはセンサを活用してフェール検知を行って安全性を確保する方法と、機械的にフェール状態の発生を抑制する方法が考えられるが、本発明では機械的にフェール状態の発生を抑制する方法について説明する。
アクチュエータは電動油圧式（以下、操舵ＥＨＡ：Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ  Ａｃｔｕａｔｏｒ）であり、ポンプ（電動式油圧ポンプ）２からの油圧によりアクチュエータの一部を構成するシリンダ３のピストンが動作する。操舵ＥＨＡは台車旋回のアシスト動作をするため、図２に示すように、正常動作時はシリンダ３内に供給圧力が負荷されるが、異常動作（逆動作）時には逆方向、すなわちポンプ２から作動油が供給される側へシリンダ３のピストンが動作するため、シリンダ３の内部が高圧となる。シリンダ３の内部の圧力が規定圧を超えるとリリーフ動作をする弁を用いることで、制御圧を無効化しフェール発生を抑制することは可能であるが、リリーフ弁単体により構成する場合は、正常動作時の圧力を確保するために、リリーフ時圧力を正常動作時の圧力よりも低く設定できないので、異常動作時にも正常動作時と同じ制御圧がシリンダ３のピストンに負荷されてしまうという問題がある。
【００１９】
そこで、本発明では、制御方向を判別する弁とリリーフ回路を組み合わせた油圧回路をポンプ〜シリンダ間に追加することで、正常時にはリリーフされない構造とし、フェール動作を抑制する。
図３は本発明の実施例を示す鉄道車両用アシストボギー角操舵台車用アクチュエータの油圧回路図である。
【００２０】
この図３の左半分を系統１、右半分を系統２とする。どちらの系統においても、アクチュエータの一部をなす操舵用油圧シリンダ３とポンプ（電動式油圧ポンプ）２はバイパス回路制御ならびにアクチュエータリリーフの機能を有するスプール弁６ならびにチェック弁７を介して接続されている。
アクチュエータ正常動作時の作動油流れを図４に示す。アクチュエータ正常動作時にポンプ２から油圧回路１に供給される作動油は、スプール弁６を経由して、シリンダ３の手前のチェック弁７を通りシリンダ３への制御圧となる。これに対して、アクチュエータ異常動作時の作動油の流れを図５に示す。異常動作時にポンプ２の運転方向とは逆方向にアクチュエータが動作し、圧力のリリーフが必要な場合には、スプール弁６の動作によりバイパス回路が構成され、ポンプ２から油圧回路１に供給される作動油はスプール弁６を通りポンプ２の低圧側へと流れ、タンクへ戻る。この動作とともに操舵用油圧シリンダ３高圧側のリリーフ回路が構成されるため操舵用油圧シリンダ３への供給圧が制御され、逆方向動作が抑制される。また、逆方向動作が発生した後、正常動作への復帰が必要なため、スプール弁６端部はそれぞれポンプ側、操舵用油圧シリンダ３側の油圧回路１と接続しており、それぞれの圧力が負荷されている。なお、スプール弁保持用ばね８はポンプ側の圧力が負荷される端部に組み込まれている。
【００２１】
次に、その油圧回路のスプール弁６について詳細に説明する。
アクチュエータ正常動作時には、ポンプ２から供給される作動油を操舵油圧シリンダ３への負荷として通過させるが、逆方向動作時には、ポンプ２からの作動油をバイパスし、操舵油圧シリンダ３への作動油供給を遮断する回路を確保すると同時に、操舵油圧シリンダ３内部の圧力をリリーフする回路をスプール弁６により構成する必要がある。ここでは、図６に示すスプール弁６を用いる。ポートＰ1 ，Ａ，Ｄ2 はそれぞれポンプ２の供給側、シリンダ３側、バイパス回路に接続している。また、ポートＡは外部回路によりポートＢと接続しており、スプール弁保持用ばね８側の油室にもポンプ供給圧力を負荷している。ポートＣにはシリンダ油圧を負荷しており、フェール時にはポートＣからポートＤ1 への流路が確保され、同時にポートＰ1 からポートＤ2 への流路によりポンプ２から供給される作動油をバイパスすることができる。
【００２２】
次に、シミュレーションに用いる条件について説明する。
図７に電動式油圧ポンプ２の目標圧力とアクチュエータのピストンストロークの関係を示す。
図７（ｂ）に示す正常動作（アシスト）時は、アクチュエータがストロークした方向への動作をアシストできるように、操舵油圧シリンダ３へ作動油が供給されるのに対して、図７（ａ）に示す異常動作（フェール）時は、アクチュエータがストロークした方向とは逆方向への動作をさせるべく操舵油圧シリンダ３へ作動油が供給されるように電動式油圧ポンプ２を作動させる。
【００２３】
図８は本発明の実施例を示す鉄道車両用アシストボギー角操舵台車用アクチュエータの油圧回路のスプール弁体とポートのラップ量を示す図である。
作動油供給側（ポンプ側）のポートＰ1 におけるオーバーラップ量はゼロとしているため、アクチュエータの正常動作時にはポートＰ1 →ポートＡの流路が確保され、アクチュエータへ作動油を供給できる。この流路が確保されている場合は、アクチュエータへの供給圧はポートＢにも作用する構成である。一方、作動油供給側よりもアクチュエータ側が高圧となる場合、すなわち異常動作時にはスプール弁体が変位し、変位がオーバーラップ量ｙD2を超えると供給作動油がポートＤ2 よりバイパス回路へと流れる。さらに変位が大きくなりスプール弁体の変位がｙD1を超えるとポートＤ1 が開きポートＣ→ポートＤ1 の流路が確保される。これにより逆方向動作時のシリンダ圧をリリーフすることができる。
【００２４】
各ポートの大きさならびにオーバーラップ量、変位には、次の関係がある。
ｗP1≧ｙD1，ｙD1≧ｙD2  またｗP1≧ｙP1，ｗD2≧ｙD2である。
以下、アシスト動作（通常動作）及びフェール動作（異常動作）のシミュレーション結果について説明する。
〔アシスト動作（通常動作）〕
シミュレーションでは、アクチュエータに強制的な変位ならびに速度を与えることで外力による動作を模擬する。これと同時に、アクチュエータの動作を補助する方向へポンプ２に吐出指令を与えることでアシスト動作とする。設定した条件は以下の (１) ， (２) である。
【００２５】
(１) ２〜１０秒，３８〜４６秒：
・系統２のシリンダ３に作動油が供給される。                              
・アクチュエータは系統１側へと変位する。
(２) １４〜２２秒，２６〜３４秒：
・系統１のシリンダ３に作動油が供給される。
【００２６】
・アクチュエータは系統２側へと変位する。
なお、上記の時刻以外ではアクチュエータの位置を保持するとともにポンプ回転を停止し、シリンダ３への作動油の供給は行わない。
シミュレーション結果を図９に示す。スプール弁６の動作により作動油がシリンダ３に供給される回路が確保（ポートＰ1 →ポートＡ）されるため、アクチュエータ動作をアシストできる。また、ポンプ２から作動油が供給される側とは逆の系統（系統２）のスプール弁６が変位することで、アクチュエータからポンプ２へと作動油を戻すための回路が確保され、アクチュエータの動作を阻害しないことが確認できる。アクチュエータのシリンダ３内にはアシスト動作中の作動目標圧力を負荷することができる。なお、ポンプ２の回転を停止させた際にもスプール弁６が動作し、アクチュエータ内に負荷されていた圧力がリリーフされる。
【００２７】
また、ポンプ２の回転開始時にはポンプ流量が急増するが、アクチュエータ動作中は一定の流量を回路に供給している。
〔フェール動作（異常動作）〕
シミュレーションでは、アクチュエータに強制的な変位ならびに速度を与えることで外力による動作を模擬する。これと同時に、アクチュエータの動作に逆らう方向へポンプ２に吐出指令を与えることでフェール動作とする。設定した条件は以下の (１) ， (２) である．
(１) ２〜１０秒，３８〜４６秒：
・系統２のシリンダ３に作動油が供給されるべくポンプ２は吐出を続ける。
【００２８】
・アクチュエータは系統２側へと変位する。
(２) １４〜２２秒，２６〜３４秒：
・系統１のシリンダ３に作動油が供給されるべくポンプ２は吐出を続ける。
・アクチュエータは系統１側へと変位する。
なお、上記の時刻以外ではアクチュエータの位置を保持するとともにポンプ回転を停止し、シリンダ３への作動油の供給は行わない。
【００２９】
シミュレーション結果を図１０に示す。ポンプ回転開始時にはシリンダ３内にサージ圧を生じるが、スプール弁６が動作することでシリンダ内圧が低く抑えられることが確認できる。この時、スプール弁６の動作により供給作動油をポンプ２の低圧側へと流すバイパス回路（ポートＰ1 →ポートＤ2 ）が確保されるため、シリンダ３には作動油が供給されない。また、高圧となったシリンダ３内の作動油を逃がすリリーフ回路（ポートＣ→ポートＤ1 ）も確保されるため，アクチュエータが変位している間もシリンダ３内は低圧のまま維持される。
【００３０】
アクチュエータに強制的に速度を与えている間はポンプ２の駆動が指令されており、この間、ポンプ２は最大流量の吐出を継続する様子が確認できる。
図９，図１０を比較すると、フェール動作時のポンプ流量は最大流量で飽和しており、バイパス回路を通じて作動油がポンプ低圧側に戻される状態となっていることが確認できる。
【００３１】
上記したように、本発明の鉄道車両用アシストボギー角操舵台車用アクチュエータは、機械的なフェールセーフ性確保のための油圧回路を構成した。すなわち、本発明のアシスト操舵用アクチュエータは、通常動作（アシスト動作）時にはポンプ圧力をシリンダに負荷するが、アクチュエータ動作を阻害する方向へポンプが作動油を供給してしまう異常動作（フェール動作）時にはバイパス回路が動作し作動油をポンプ低圧側に流すことで、ポンプ２からの供給圧をシリンダへ負荷しない状態とする油圧回路構成を実現した。
【００３２】
本発明のアシストボギー角操舵台車用アクチュエータは、鉄道車両用のみならず、パワーステアリングなどの機構の異常動作を抑制するための機構としても用いることができる。
また、上記実施例では、作動流体を作動油とする油圧回路として説明を行ったが、これに限定されるものではなく、水や空気などの他の作動流体を用いる回路にも適用することができる。
【００３３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明のアシストボギー角操舵台車用アクチュエータは、油圧回路制御用スプール弁を用いて制御フェール時の旋回抵抗の増大を抑制することができるアシストボギー角操舵台車用アクチュエータとして利用可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１    油圧回路制御用スプール弁を組み込んだ油圧回路
２    ポンプ（電動式油圧ポンプ）
３    アクチュエータの一部を構成する操舵用油圧シリンダ
４    操舵梁
５    台車枠
６    油圧回路制御用スプール弁
７    チェック弁
８    スプール弁保持用のばね
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ1 ，Ｄ2 ，Ｐ1     ポート
【図１】
0005628094.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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