(57)【要約】列車車両用サスペンションシステムは、軌道の摩耗を最小限にするために、少なくとも１つのイナータを含む。軌道の摩耗は、摩耗仕事量などの直接的な評価基準か、またはヨー剛性などの間接的な評価基準によって評価することができる。軌道の摩耗を「最小限にする」とは、乗り心地または最小減衰比などの他の性能基準の値を許容可能範囲に維持しながら、上記の評価基準を従来技術で達成可能な値未満に低減することを意味する。サスペンションシステムは、少なくとも１つのイナータに直列に連結された少なくとも１つのダンパを含むことができる。サスペンションシステムは、列車車両の主または補助サスペンションシステムとすることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用時に、軌道の摩耗が最小限になるように、少なくとも１つのイナータを含む列車車両用サスペンションシステム。
【請求項２】
前記列車車両のヨー剛性が最小化される、請求項１に記載の列車車両用サスペンションシステム。
【請求項３】
前記少なくとも１つのイナータに連結された少なくとも１つのダンパをさらに含む、請求項１または２に記載の列車車両用サスペンションシステム。
【請求項４】
前記少なくとも１つのダンパは、前記少なくとも１つのイナータに直列に連結される、請求項３に記載のサスペンションシステム。
【請求項５】
横方向補助サスペンションシステムである、請求項１〜４のいずれか一項に記載のサスペンションシステム。
【請求項６】
横方向主サスペンションシステムである、請求項１〜４のいずれか一項に記載のサスペンションシステム。
【請求項７】
前記列車車両の性能基準は所定の範囲を有し、前記性能基準には、最大横方向物体加速度および最小減衰比の少なくとも１つが含まれる、請求項１〜６のいずれか一項に記載のサスペンションシステム。
【請求項８】
前記横方向物体加速度は、２ｍ／ｓ２未満、好ましくは１ｍ／ｓ２未満、より好ましくは０．２２０４ｍ／ｓ２未満である、請求項７に記載のサスペンションシステム。
【請求項９】
前記最小減衰比は５％よりも大きい、好ましくは１％よりも大きい、より好ましくは０．１％よりも大きい、請求項７または８に記載のサスペンションシステム。
【請求項１０】
前記最小化されたヨー剛性は、３．７７ｘ１０７Ｎ／ｍ未満、より好ましくは４．３８ｘ１０６Ｎ／ｍ未満、さらにより好ましくは４．１２ｘ１０６Ｎ／ｍ未満である、請求項２〜９のいずれか一項に記載のサスペンションシステム。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載のサスペンションシステムを含む列車車両。
【請求項１２】
軌道の摩耗を低減する方法であって、軌道の摩耗が最小限になるように、少なくとも１つのイナータを含む列車車両用のサスペンションシステムを設けるステップを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概略的には、列車車両用のサスペンションシステムに関し、特に、軌道の摩耗を低減するように設計された列車車両用サスペンションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
列車の前進速度が、高速で走行する列車の横振動を意味する「乱調」動作によって制限されるのは公知である。したがって、列車は、「臨界速度」と呼ばれる上限速度を有する。列車の臨界速度を上げるために、これまでいくつかの試みがなされてきた。例えば、Ｗａｎｇ，Ｆｕ−Ｃｈｅｎｇ  ａｎｄ  Ｌｉａｏ，Ｍｉｎ−Ｋａｉ（２０１０）‘Ｔｈｅ  ｌａｔｅｒａｌ  ｓｔａｂｉｌｉｔｙ  ｏｆ  ｔｒａｉｎ  ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ  ｉｎｅｒｔｅｒｓ’，Ｖｅｈｉｃｌｅ  Ｓｙｓｔｅｍ
Ｄｙｎａｍｉｃｓ，３８：５，６１９は、鉄道用サスペンションシステムで「イナータ（ｉｎｅｒｔｅｒ）」を使用することで臨界速度を改善しようとしている。
【０００３】
「イナータ」とは、例えば、米国特許第７，３１６，３０３Ｂ号明細書に開示しているように、終端部の機械力が終端部間の相対加速度に比例するように、これらの機械力を制御する構成とされた機械式２終端要素を意味する。イナータは、スプリングおよびダンパと共に、機械要素と電気要素との間に完全な類似性をもたらし、任意の受動的機械インピーダンスが統合されるのを可能にする。イナータは、システム性能を改善するために、自動車のサスペンションシステムなどの機械システムで徐々に使用されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の列車用サスペンションシステムの欠点は、軌道摩耗対策と他の重要な性能対策との間に困難な二律背反性があることである。軌道の摩耗は、これが大きな列車事故の原因であることから危険なものであり、鉄道システムの高コストで不可欠な保守を必要とする。英国では、例えば、２００７年〜２００８年で、軌道の修復に９億２千３００万英ポンドが費やされた。この手法はコストがかかるだけでなく、列車のスケジュールおよび乗客の移動に大きな混乱をもたらす。
【０００５】
本発明は、先行技術の欠点を解決し、軌道の摩耗を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、使用時、軌道の摩耗が最小限になるように、少なくとも１つのイナータを含む列車車両用のサスペンションシステムが設けられる。本発明によれば、軌道の摩耗を低減する方法が提供され、その方法は、軌道の摩耗が最小限になるように、少なくとも１つのイナータを含む列車車両用のサスペンションシステムを設けるステップを含む。軌道の摩耗は、例えば、摩耗仕事量などの直接的な評価基準か、またはヨー剛性などの間接的な評価基準によって評価することができる。
【０００７】
軌道の摩耗を「最小限にする」とは、例えば、乗り心地または最小減衰比などの他の性能基準の値を許容可能範囲に維持しながら、上記の評価基準を従来技術で達成可能な値未満に低減することを意味する。例えば、本発明によれば、イナータを使用してヨー剛性を最小化することができる。
【０００８】
性能基準は所定の範囲を有するのが好ましい。乗り心地および最小減衰比の代用となる最大横方向物体加速度Ｍａｃｃの「許容可能値」のいくつかの例が下記に示される。ただ
し、当然のことながら、「許容可能値」および関連する性能基準は、鉄道車両の使用法およびタイプに応じて変わることがある。
【０００９】
ヨー剛性を最小化することで、過剰な車輪−レール力が低減され、それにより、鉄道車両の曲線通過性能が改善される、すなわち、転がり接触疲労（ＲＣＦ）が軽減または防止される。これには、一般的な軌道構成要素に作用する負荷を低減し、定期軌道保守のレベルを下げ、大規模な軌道修復を行う必要性をなくすという効果がある。
【００１０】
サスペンションシステムは、少なくとも１つのイナータに連結された少なくとも１つのダンパをさらに含むことができる。好ましい実施形態では、サスペンションシステムは、ダンパと直列になったイナータを含む。本発明によるサスペンションシステムは、横方向の主または補助サスペンションシステムとすることができる。「横方向」サスペンションシステムは、長手方向（軌道に沿った進行方向）に対して垂直な力を伝達する。「主」サスペンションシステムは、輪軸の車軸と台車との間の連結器を含み、一方、「補助」サスペンションシステムは、車両本体と台車との間の連結器を含む。
【００１１】
ここで、本発明の特定の例が、以下の図を参照してさらに詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来の列車システムの平面図を示している。
【図２】図１に示す列車システムの７自由度モデルのパラメータおよびデフォルト設定を記載した表である。
【図３】本発明によるシステムの平面図を示しており、主および補助横方向サスペンションＹ１、Ｙ２、Ｙ３は、図４（ｂ）、図４（ｃ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）に示されるイナータを含む機械回路である。
【図４】従来のサスペンションレイアウト（ａ）と、補助サスペンションＹ１用のイナータｂｓｙを組み込んだ提案レイアウト（ｂ）、（ｃ）とを示している。
【図５】従来のサスペンションレイアウト（ａ）と主サスペンションＹ２、Ｙ３用の、イナータｂｐｙを組み込んだ提案レイアウト（ｂ）、（ｃ）とを示している。
【図６】ヨー剛性を最小化した結果を記載した表である。
【図７】図６に示す表の１行および２行の方式の場合の、速度に対する、（ａ）横方向物体加速度と、（ｂ）最小減衰比とを示すグラフである。
【図８】図６に示す表の３行および４行の方式の場合の、速度に対する、（ａ）横方向物体加速度と、（ｂ）最小減衰比とを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、車両本体ｖ、１つの台車枠ｇ、および２つの中実車軸の輪軸ｗを含む従来の列車システム１を示しており、各輪軸は、車軸の両側に２つの車輪を含む。本体ｖは、高速列車車両の車両または担体の本体の半分に相当する。台車ｇは、軌道または線路に沿って本体を担持および案内するために使用される。台車は、列車が軌道に沿って移動するときに、乗客または貨物が受ける振動を弱めるために、車両本体と車輪との間の「緩衝材」として列車の設計に従来から使用されてきた。
【００１４】
輪軸ｗおよび台車ｇは、主サスペンションシステムＫｐ／Ｃｐによって連結されている。長手方向（ｘ方向）および横方向（ｙ方向）の連結器のみが図１に示されている。重ね板ばね式軸箱サスペンションを有する、鋼製コイル式または鋼製プレート式の骨組み構造台車ｇなどの任意の適切なサスペンションシステムを使用することができる。主サスペンションシステムＫｐ／Ｃｐの（横方向および長手方向の）連結器は、等価の「ばね−ダンパ」回路で表され、各回路は、減衰常数Ｃｐのダンパと並列になった剛性Ｋｐのばねを含む。
【００１５】
例えば、空気サスペンションを使用する補助サスペンションシステムＫｓ／Ｃｓは、本体ｖと台車ｇとの間に組み込まれている。補助サスペンションシステムＫｓ／Ｃｓは、等価の「ばね−ダンパ」回路で表すこともでき、各回路は、ダンパＣｓと並列になったばねＫｓを含む。
【００１６】
したがって、図１に示す列車システム１は、主サスペンションシステムおよび補助サスペンションシステムを含む「２段サスペンションシステム」の例を示している。ただし、当然のことながら、列車システムは、本体と輪軸との間に単一のサスペンションシステムを組み込んだ「単一段サスペンションシステム」とすることもできる。
【００１７】
図１のシステムの長手方向連結器はヨーモードに寄与し、これらの寄与のみが下記に説明するモデルで考慮される。垂直モード、長手方向モード、およびロールモードは、このモデルに含まれない。
【００１８】
図１の従来の列車システム１は、各輪軸（ｙｗ１、θｗ１、ｙｗ２、θｗ２）および台車枠（ｙｇ、θｇ）に対して横方向モードおよびヨーモードを含み、車両本体（ｙｖ）に対して横方向モードを含む７自由度（７−ＤＯＦ）モデルによって記述することができる。システム１は、図２に示す表１で定義したパラメータを用いて、下記に示す式（１）〜（７）によってモデル化することができる。
【数１】
2014521549.tif 000003
【００１９】
状態空間形式は、次の式に示す通りに、式（１）〜（７）から導出することができる。
【数２】
2014521549.tif 000004
上式で、
【数３】
2014521549.tif 000005
【００２０】
ベクトルｗは、鉄道軌道からの入力（曲率、傾斜角、および軌道横方向確率的変位）を定義するために使用される。湾曲部に入るときに、軌道は直線から半径（Ｒ１、Ｒ２）および傾斜角（θｃ１、θｃ２）の標準値に即座に変化することができない。控えめに想定して、Ｒ１、Ｒ２およびθｃ１、θｃ２は、移行時間が３秒の勾配を有する。実際上、高速列車の場合、車両および軌道のタイプに応じたより長い移行時間が適切である。直線軌道の横方向の確率的入力（ｙｔ１、ｙｔ２）は、不規則性のレベルが比較的高い広範な周波数スペクトルをとる。
【００２１】
下記に提示した例では、ｙｔ１（ｔ）は、二次フィルタＨ（ｓ）＝（２１．６９ｓ２＋１０５．６ｓ＋１４．４２）／（ｓ３＋３０．６４ｓ２＋２４．０７ｓ）の出力と定義され、二次フィルタの入力は、下記に示す片側パワースペクトルを用いた処理である。
Ｓｓ（ｆｓ）＝Ａｖ／（ｆｓ）２
上式で、Ａｖは軌道粗さ係数であり、ｆｓは、空間周波数（サイクル／メートル）である。物体横方向加速度は、根二乗平均（ｒ．ｍ．ｓ）加速度Ｊ１で表して定量化され、共分散法、時間領域シミュレーション法、および周波数計算法を用いて評価される。３つの方法による結果はすべて一貫している。周波数計算の場合、Ｊ１は以下の式で表される。
【数４】
2014521549.tif 000006
上式で、
【数５】
2014521549.tif 000007
Ｔｄは、前部および後部の輪軸間の軌道入力の遅延時間であり、２ｌｗｘ／Ｖ秒に等しく、ｌｗｘは、車輪の長手方向間隔の半分であり、Ｖは、システムの長手方向ｘの速度である。
【００２２】
標準速度Ｖは５５ｍ／ｓと想定されている。速度Ｖが１ｍ／ｓ〜５５ｍ／ｓで変化する場合、デフォルトのサスペンションレイアウトおよびパラメータ設定を使用すると、最小減衰比（Ｌｄｍｐ）は６．４５％と算出することができる（これは、標準速度で達成される）。共分散法を使用すると、入力としてｙｔ１およびｙｔ２を用いて、速度が５５ｍ／
ｓのときに最大横方向物体加速度（Ｍａｃｃ）は０．２２０４ｍ／ｓ２であると算出することもできる。
【００２３】
最近の研究（例えば、Ｉｎｇｅｎｉａ  ｏｎｌｉｎｅ，‘Ｗｈｙ  ｒａｌｉｓｃｒａｃｋ’，Ａｎｄｙ  Ｄｏｈｅｒｔｙ，Ｓｔｅｖｅ  Ｃｌａｒｋ，Ｒｏｂｅｒｔ  Ｃａｒｅ  ａｎｄ  Ｍａｒｋ  Ｄｅｍｂｏｓｋｙ，Ｉｓｓｕｅ  ２３  Ｊｕｎｅ  ２００５を参照のこと）から、軌道摩耗の主因は、転がり接触する物体で生じる転がり接触疲労（ＲＣＦ）と呼ばれる現象であると分かった。そのような物体は、物体が接触する領域の接触圧力および剪断力の大きさに応じて、様々な形で互いに損傷することがある。鉄道システムの場合、ＲＣＦは、主に過剰な車輪−レール力に起因する。これらの車輪−レール力は、主にレールに対する車軸のシフトによって引き起こされる。
【００２４】
図１に示すシステム１などの列車システムでの過剰な車輪−レール力は、高いヨー剛性をもたらす、主長手方向ばね剛性Ｋｐｘの高い値に直接関係する。高いヨー剛性Ｋｐｘは、良好な高速安定性をもたらすが、ＲＣＦの原因である非常に高いクリープ力を発生させる。
【００２５】
ヨー剛性の他に、車輪−レール境界面で放散されるエネルギの尺度である摩耗仕事量などの軌道摩耗の直接的な評価基準がある。軌道摩耗を低減するために、本発明によるシステムは、横方向サスペンションにイナータを使用する。これには、下記に説明するように、例えば、ヨー剛性Ｋｐｘを低くすることで、軌道摩耗を低減するという効果がある。
【００２６】
本発明によれば、図３のシステム２は、上記に説明した図１の従来のシステム１と同じ要素を含み、さらに、図４（ｂ）、図４（ｃ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）に示すように、（ｙ方向の）主および／または補助サスペンションシステムの横方向連結器にイナータ装置ｂを含む。最も一般的な形態では、「イナータ」とは、終端部間に連結されて、終端部の機械力が終端部間の相対加速度に比例するように、これらの機械力を制御する手段を含む機械式２終端要素を意味する。イナータは、次の式によって定義される。
【数６】
2014521549.tif 000008
上式で、Ｆは、加えられる力であり、ｂは、システムの「イナータンス」を表す固定項または可変関数のいずれかであり、ｖ１およびｖ２は、２つの終端部の対応する速度である。
【００２７】
式（１）〜（７）に従って上記に定義した７−ＤＯＦモデルにおいて、ヨー剛性Ｋｐｘが最小化される。制限条件は、Ｌｄｍｐがすべての速度値（１〜５５ｍ／ｓ）にわたって５％を超えることであり、Ｍａｃｃが、少なくとも標準値（０．２２０４ｍ／ｓ２）と同程度に良好なことである。主および補助横方向ばね剛性（Ｋｐｙ、Ｋｓｙ）は固定され、最適化は、最初に補助横方向サスペンションに対してだけ行われ、次いで、主および補助の両方のサスペンションに対して行われる。図１に示される（イナータのない）従来のシステム１についての結果を、本発明によるシステム２について得られた結果と比較する。これらの結果は、イナータ装置を使用することで、Ｋｐｘ値を６％改善できることを示している。すべてのパラメータ値を、例えば、ばね剛性値を任意に大きくできないなど、物理的に妥当な範囲内に制限した。
【００２８】
図７は、補助横方向サスペンションだけを含む最適化の場合の、速度の関数としての横方向物体加速度（Ｍａｃｃ）および最小減衰比（Ｌｄｍｐ）を示している。連続曲線は、図１に示される従来のシステムシステム１である（イナータなし）。破線の曲線は、図４
（ｃ）に示す、本発明によるシステム２である。
【００２９】
図８は、主および補助横方向サスペンションを両方含む最適化の場合の、速度の関数としての横方向物体加速度（Ｍａｃｃ）および最小減衰比（Ｌｄｍｐ）を示している。連続曲線は、図１に示される従来のシステム１である（イナータなし）。破線の曲線は、図４（ｃ）および図５（ｃ）に示される、本発明によるシステム２である。図５および図６から、ＬｄｍｐおよびＭａｃｃに関する制限条件がすべて満たされていることが分かる（Ｌｄｍｐは５％を超え、Ｍａｃｃは、少なくとも標準値０．２２０４ｍ／ｓ２と同程度に良好である）。
【００３０】
本発明によるシステム２は、横方向の主または補助サスペンションシステムに少なくとも１つの直列型ダンパ−イナータシステムを含むのが好ましい。ただし、当然のことながら、イナータと、ダンパまたは横方向サスペンションシステムの他の機械要素との様々な組み合わせを有することが可能である。本発明による実施形態は、図３に示す、輪軸ｗと台車ｇとの間、さらには台車と本体ｖとの間の１つまたは複数の連結点に、イナータ−ダンパの組み合わせを含むことができる。
【図１】
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【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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【国際調査報告】
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