(57)【要約】【課題】車体傾斜制御と、外乱で発生する１Hz程度の振動吸収を可能にする車体傾斜制御装置と方法を提供する。【解決手段】車体１と台車２間の左右それぞれに設けた空気ばね３を用いて車体１の傾斜制御を行う。空気ばね３と元圧だめ４とを接続する配管５の途中に、非傾斜制御時、空気ばね３の高さを中立位置に保つ高さ調整弁６と、高さ調整弁６と直列に設けられ、車体傾斜制御時に閉じて高さ調整弁６を無効にする切換え弁９と、空気ばね３への給排気を制御する給気弁８及び排気弁７と、給気弁８と並列に設けられた流量比例制御弁１０を設ける。曲線情報および空気ばね３の変位情報から空気ばね３を目標高さに制御するための制御信号を算出し、各弁６〜１０を制御する制御器１１を備える。【効果】曲線通過時の車体傾斜制御に加え、軌道外乱や縦曲線などで発生する１Hz程度の空気ばねの振動も吸収でき、より良い乗り心地を実現できる。【選択図】図１
2008007041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体と台車間の左右それぞれに設けた気体式ばねを用いて鉄道車両の車体傾斜制御を行う装置において、
前記それぞれの気体式ばねと、これら気体式ばねに供給する気体を溜める元圧だめとを接続する配管の途中に、
非傾斜制御時、気体式ばねの高さを中立位置に保つ高さ調整弁と、
この高さ調整弁と直列に設けられ、車体傾斜制御時に閉じて高さ調整弁を無効にする切換え弁と、
前記気体式ばねからの排気を制御する排気制御電磁弁と、
前記気体式ばねへの給気を制御する給気制御電磁弁と、
この給気制御電磁弁と並列に流量比例制御弁を設けると共に、
曲線情報および前記気体式ばねの変位情報から気体式ばねを目標高さに制御するための制御信号を算出し、前記の各弁を制御する制御器を備えたことを特徴とする鉄道車両の車体傾斜制御装置。
【請求項２】
前記制御器は、
曲線区間における車体傾斜に際しては前記排気制御電磁弁および給気制御電磁弁を制御し、
軌道外乱や縦曲線に起因する振動吸収に際しては前記流量比例制御弁を制御することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の車体傾斜制御装置。
【請求項３】
車体と台車間の左右それぞれに設けた気体式ばねを用いて鉄道車両の車体傾斜制御を行う方法において、
前記それぞれの気体式ばねと、これら気体式ばねに供給する気体を溜める元圧だめとを接続する配管の途中に、
非傾斜制御時、気体式ばねの高さを中立位置に保つ高さ調整弁と、
この高さ調整弁と直列に設けられ、車体傾斜制御時に閉じて高さ調整弁を無効にする切換え弁と、
前記気体式ばねからの排気を制御する排気制御電磁弁と、
前記気体式ばねへの給気を制御する給気制御電磁弁と、
この給気制御電磁弁と並列に流量比例制御弁を設けると共に、
曲線情報および前記気体式ばねの変位情報から気体式ばねを目標高さに制御するための制御信号を算出し、前記の各弁を制御する制御器を備え、
前記制御器は、取り込まれた前記情報中に曲線情報が存在する時には、前記切換え弁を閉じて前記高さ調整弁を無効化した後に前記制御信号を算出して、前記排気制御電磁弁および給気制御電磁弁を制御して車体傾斜制御を行う一方、前記流量比例制御弁を制御して軌道外乱や縦曲線に起因する振動を吸収することを特徴とする鉄道車両の車体傾斜制御方法。
【請求項４】
前記制御器では、前記制御信号をさらにフィルタ処理して低周波信号と高周波信号に分離し、
前記低周波信号により、前記排気制御電磁弁および前記給気制御電磁弁を制御して車体傾斜を行い、
前記高周波信号により、前記流量比例制御弁を制御して軌道外乱や縦曲線に起因する振動を吸収することを特徴とする請求項３に記載の鉄道車両の車体傾斜制御方法。
【請求項５】
前記制御器では、前記曲線情報より前記それぞれの気体式ばねが曲線区間の外軌側又は内軌側のいずれにあるのかを判断し、
前記制御信号により、
前記外軌側の気体式ばねを給排気すべく前記排気制御電磁弁および前記給気制御電磁弁を制御して車体傾斜制御を行い、
前記内軌側の気体式ばねを給排気すべく前記流量比例制御弁を制御して軌道外乱や縦曲線に起因する振動を吸収することを特徴とする請求項３に記載の鉄道車両の車体傾斜制御方法。
【請求項６】
前記制御器では、前記曲線情報より前記それぞれの気体式ばねが曲線区間の外軌側又は内軌側のいずれにあるのかを判断し、
前記外軌側の気体式ばねに対しては、
前記制御信号をさらにフィルタ処理して低周波信号と高周波信号に分離し、前記低周波信号により、前記排気制御電磁弁および前記給気制御電磁弁を制御して車体傾斜を行う一方、前記高周波信号により、前記流量比例制御弁を制御して軌道外乱や縦曲線に起因する振動を吸収し、
前記内軌側の気体式ばねに対しては、
前記制御信号により前記流量比例制御弁を制御して軌道外乱や縦曲線に起因する振動を吸収することを特徴とする請求項３に記載の鉄道車両の車体傾斜制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば空気ばねを利用して、運転走行中の、特に曲線区間通過時における車体の傾斜制御を行う装置、及びこの傾斜制御装置を用いた傾斜制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両は、曲線区間の通過時、超過遠心力によって乗心地が悪くなる場合がある。特に曲線区間の通過速度が高速の場合には、超過遠心力が増大してさらなる乗心地の悪化を招く。そこで、曲線区間の通過時、車体を内軌側に傾斜させることにより超過遠心力を抑制して乗心地の悪化を防ぐ車体の傾斜制御が実施されている。
【０００３】
この車体の傾斜方法として、車体を支持する左右の空気ばねに空気を給排気してこれを伸縮させて傾斜させる方法がある。このとき、給排気の制御には、空気流れの開放と遮断のみが可能な電磁弁が使われることが多いが、とくに車体傾斜のように大量の空気の流れを扱う場合は、１秒間の開閉回数は数回程度のものが一般的である。なお、ここで電磁弁とは、電磁石で弁を駆動させるものであり、一定の弁口径を有し、弁の開閉により空気流れの開放や遮断を行うものを指すものとする。
【０００４】
一方で、近年の鉄道車両は、車体の軽量化・低剛性化に伴い、１０Hz以上の振動を吸収するため、空気ばねの上下剛性は低く設計されることが多い。その影響でレールの継ぎ目や偏摩耗などの軌道外乱からの衝撃、上り又は下り勾配部の垂直方向の曲線（縦曲線）の遠心力などによる空気ばねの固有振動数付近（１Hz程度）の空気ばね振動が乗り心地に影響を与えるようになってきた。
【０００５】
このようなことから、車体の傾斜制御において、前記のような振動も抑制したいという要求が顕在化してきた。
ところで、空気ばねへの給排気によって高さを制御する場合、空気ばねに加える流量は０から最大値の間の任意の値をとり得ることが望ましい。しかしながら、電磁弁の場合、とり得る流量は０か最大値であり、その中間段階を任意に実現することはできない。このため、加えることができる流量は望みの流量に対し過小か過大のいずれかとなり、高さ制御の性能が劣化するか、最悪の場合、振動発散的応答を引き起こすこともある。
【０００６】
０か最大値しかとり得ない信号を利用して擬似的に中間段階の値を実現する方法として、高速で０と最大値の切換を行い、０の時間と最大値の時間の比率を変化させるＰＷＭ制御が知られているが、一般にＰＷＭ制御では、希望の周波数を実現するためにはその１００倍以上の切換え周期が必要となる。空気ばねの１Hzの振動を抑制するためには同程度で流量を変化させる必要があるが、ＰＷＭ制御によりこのような流量変化を実現させるには１秒に数回程度しか開閉できない電磁弁では困難である。
【０００７】
このような問題に対処する方法として、弁口径の異なる電磁弁を複数組み合わせて傾斜制御する方法が特許文献１で開示されている。
【特許文献１】特公昭４８−２０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の傾斜制御のように、弁口径の異なる電磁弁を複数組み合わせる方法は、装置重量や大きさの制約から組み合わせることのできる電磁弁の数に限界があり、任意の流量を実現できるほどの数の電磁弁を組み合わせることは難しい。
【０００９】
解決しようとする問題点は、電磁弁を用いて空気ばねに空気を給排気することで行なう従来の車体傾斜制御では、軌道外乱や縦曲線などで発生する１Hz程度の振動を吸収することができないという点である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の鉄道車両の車体傾斜制御装置は、
車体傾斜制御と、軌道外乱や縦曲線などで発生する１Hz程度の振動吸収を可能にするため、
車体と台車間の左右それぞれに設けた気体式ばねを用いて鉄道車両の車体傾斜制御を行う装置において、
前記それぞれの気体式ばねと、これら気体式ばねに供給する気体を溜める元圧だめとを接続する配管の途中に、
非傾斜制御時、気体式ばねの高さを中立位置に保つ高さ調整弁と、
この高さ調整弁と直列に設けられ、車体傾斜制御時に閉じて高さ調整弁を無効にする切換え弁と、
前記気体式ばねからの排気を制御する排気制御電磁弁と、
前記気体式ばねへの給気を制御する給気制御電磁弁と、
この給気制御電磁弁と並列に流量比例制御弁を設けると共に、
曲線情報および前記気体式ばねの変位情報から気体式ばねを目標高さに制御するための制御信号を算出し、前記の各弁を制御する制御器を備えたことを最も主要な特徴としている。
【００１１】
また、前記本発明の鉄道車両の車体傾斜制御装置を用いて実施する本発明の鉄道車両の車体傾斜制御方法は、
車体と台車間の左右それぞれに設けた気体式ばねを用いて鉄道車両の車体傾斜制御を行う方法において、
前記それぞれの気体式ばねと、これら気体式ばねに供給する気体を溜める元圧だめとを接続する配管の途中に、
非傾斜制御時、気体式ばねの高さを中立位置に保つ高さ調整弁と、
この高さ調整弁と直列に設けられ、車体傾斜制御時に閉じて高さ調整弁を無効にする切換え弁と、
前記気体式ばねからの排気を制御する排気制御電磁弁と、
前記気体式ばねへの給気を制御する給気制御電磁弁と、
この給気制御電磁弁と並列に流量比例制御弁を設けると共に、
曲線情報および前記気体式ばねの変位情報から気体式ばねを目標高さに制御するための制御信号を算出し、前記の各弁を制御する制御器を備え、
前記制御器は、取り込まれた前記情報中に曲線情報が存在する時には、前記切換え弁を閉じて前記高さ調整弁を無効化した後に前記制御信号を算出して、前記排気制御電磁弁および給気制御電磁弁を制御して車体傾斜制御を行う一方、前記流量比例制御弁を制御して軌道外乱や縦曲線に起因する振動を吸収することを最も主要な特徴としている。
【００１２】
本発明において、車体と台車間の左右とは、車両進行方向に対して同一水平面内における直角方向の左右を言う。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、曲線区間通過時の車体傾斜制御に加え、軌道外乱や縦曲線などで発生する１Hz程度の空気ばねの振動も吸収でき、より良い乗り心地を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の着想から課題解決に至るまでの過程と共に本発明を実施するための最良の形態について、図１及び図２を用いて説明する。
図１は本発明の鉄道車両の車体傾斜制御装置の一例を示す概略図、図２は本発明の鉄道車両の車体傾斜制御方法における制御の要部を示すフロー図である。
【００１５】
軌道外乱や縦曲線などで発生する１Hz程度の振動を吸収するためには、１Hz程度の振動抑制に対応できるように流量を変化させることができ、しかもその流量が０から最大値までの間の任意の値を実現できるように流量制御する手段が必要である。
【００１６】
このような特性をもつ空圧機器には流量比例制御弁がある。これは弁の開度が入力電流に比例する弁であり、弁の開度と流量の関係を調べておけば任意の流量をも得ることができる。従って、１Hz程度の振動抑制に対応できる応答性を得ることも可能である。
【００１７】
但し、流量比例制御弁が扱うことができる流量は、一般的に１００〜５００Nリットル／min程度で、最大流量に限界がある。従って、外乱を抑制することは可能であるが、車体を傾斜制御する際に必要な数千Nリットル／minのオーダーの大流量全てを供給することは難しい。なお、Nリットル／minとは、基準状態（圧力０．１０１３MPa、温度０℃、湿度０％）の空気に換算した毎分の流量を言う。
【００１８】
つまり、鉄道車両の車体傾斜制御において、曲線区間の出入口における空気ばねに給排気する空気は大量であるため、大口径の電磁弁が必要となる。一方、軌道外乱や縦曲線などで発生する空気ばね振動の抑制は、比較的少量の給排気で十分であり、電磁弁よりも流量比例制御弁の使用が望ましい。よって、両者を適切に組み合わせれば、車体の傾斜制御を行いつつ空気ばね振動も抑制でき、良好な乗り心地が期待できると考えられる。
【００１９】
そこで、電磁弁と流量比例制御弁を使い分ける方法として、発明者は、周波数に着目する方法と、位置に着目する方法の２種類を考えた。
【００２０】
Ａ）周波数に着目する方法
空気ばねを伸縮させるために必要な空気流量の変化は、２〜５秒程度をかけて変化する比較的ゆっくりしたものである。一方、外乱抑制に必要な空気流量は空気ばねの固有振動数（１Hz程度）以上と、前者に比べて急峻な変化をする。従って、両者の周波数の違いに着目すれば両者を分離することが可能である。
【００２１】
Ｂ）位置に着目する方法
一般に、曲線区間の外軌側の空気ばねは、車体傾斜制御時に伸縮させる必要があるため、外軌側の空気ばねに給排気する必要がある空気の量は多い。これに対して、曲線区間の内軌側の空気ばねは、車両の構造上動く範囲が小さく、給排気が必要な空気の量は少ない。さらに、空気ばねは伸びると上下剛性が上昇するという特性を有しており、伸ばされた曲線区間外軌側の空気ばねは外乱による振動が発生しにくいことが分かっている。
【００２２】
従って、曲線区間内軌側の空気ばねの制御は、連続的に流量制御ができる流量比例制御弁のみを使用して行ない、外軌側の空気ばねの制御は、大流量を扱える電磁弁を主に使用、すなわち電磁弁のみを使用するか、電磁弁と流量比例制御弁を組み合わせて使用することで行なう。
【００２３】
なお、この位置に着目する方法は、周波数に着目する方法に比べてフィルタなどの処理が少ないので、簡便に実現できるという長所を有している。しかしながら、曲線区間の外軌側については、外乱抑制効果が周波数に着目する方法より劣る。
【００２４】
本発明の鉄道車両の車体傾斜制御装置は、発明者の上記考え方に基づいてなされたものであり、図１に示したような構成である。
図１において、１は車体、２は台車であり、これら車体１と台車２間の左右それぞれに空気ばね３が設けられ、これらの空気ばね３を用いて車体傾斜制御が行われる。
【００２５】
４は前記それぞれの空気ばね３に供給する空気を溜める元圧だめであり、この元圧だめ４と前記空気ばね３を接続する配管５の途中に、高さ調整弁６、排気制御電磁弁（以下、排気弁という。）７、給気制御電磁弁（以下、給気弁という。）８が設置されている。
【００２６】
このうち、前記高さ調整弁６は、回転レバーの角度によって空気ばね３に給排気を行い、空気ばね３の高さを中立位置に保つ機構を備えている。この高さ調整弁６は車体傾斜を妨げる働きをするため、車体傾斜制御中は高さ調整弁６と直列に設けた切換え弁９を閉じることで高さ調整弁６を無効にする。
【００２７】
本発明では、前記給気弁８と並列に、入力電流に比例した弁の開度を実現する流量比例制御弁１０を設けている。
そして、演算装置と記憶装置を有する制御器１１では、データデポ地上子やヨーレートジャイロセンサなどを介して得られる曲線情報と空気ばね３の変位情報から空気ばね３を目標高さに制御するための制御信号を算出し、前記の各弁７，８，９，１０を制御する。
【００２８】
例えば、曲線区間での車体傾斜制御に際しては、前記排気弁７や給気弁８を制御する一方、軌道外乱や縦曲線に起因する振動吸収に際しては、前記流量比例制御弁１０を制御するのである。
これが、本発明の鉄道車両の車体傾斜制御装置である。
【００２９】
図１の例では、空気ばね３の変位情報は、車体１の上下と連動して回転する回転レバーの角度を読み取ることで空気ばね３の高さを計測し、電気信号に変換する高さセンサ１２から得るものを示している。なお、図１中の１３は空気ばね３から大気へ空気を排気する排気ポートである。
【００３０】
次に、前記の本発明の鉄道車両の車体傾斜制御装置を用いた本発明の車体傾斜制御方法を、信号周波数に着目して弁を使い分ける方法と、空気ばねの位置に着目した方法について、詳細に説明する。
【００３１】
Ａ１）信号周波数に着目して弁を使い分ける方法
1) 例えばデータデポ地上子などとの通信によって制御器１１が曲線区間を認識すると、切換え弁９を閉じて高さ調整弁６を無効化する。
2) 前記通信によって得た曲線情報を元に、制御器１１は車体１の目標傾斜角度を計算する。
【００３２】
3) 制御器１１は計算した目標傾斜角度から各空気ばね３の目標高さを計算する。
4) 高さセンサ１２を用いて空気ばね３の変位を電気信号に変換する。
5) 制御器１１は変換した電気信号を取り込み、ＰＩＤ、ＬＱＧ、Ｈ∞などの一般的な制御演算から空気ばね３を目標の高さに制御するための制御信号を計算する。ここで、外乱が存在しない場合には、制御信号が特定の周波数以上の成分を持たないように、制御パラメータを調整しておく。これは、適切な制御則設計手法を適用することで可能である。
【００３３】
6) 計算した制御信号を各種フィルタで処理し、制御信号を低周波信号と高周波信号に分離する。たとえば０．５Hzのローパスフィルタ処理にて低周波信号を得、元の信号とこの低周波信号の差から高周波信号を計算する。
【００３４】
このローパスフィルタのカットオフ周波数は車両の空気ばね３の固有振動数により変化するが、あまり小さくすると信号遅れが問題となり、反対に大きくすると周波数的に分離できない。曲線区間の走行速度、車両諸元、外乱周波数などでも変わってくるが、おおむね０．１〜０．５Hz程度が適当と考えられる。
【００３５】
7) 低周波信号が給気しきい値を上回った場合には、給気弁８を開いて空気ばね２に給気し、また低周波信号が排気しきい値を下回った場合には、排気弁７を開いて排気し、車体１を傾斜させる低周波・大流量を実現する。なお、前記のしきい値は、必要な車体傾斜速度、給気弁８、排気弁７の口径などを考慮し、適宜設定する。
【００３６】
8) 一方、高周波信号は流量比例制御弁１０に出力され、外乱による空気ばね３の振動を抑制する高周波・小流量を実現する。なお、流量比例制御弁１０は、排気機能を併せて有するものを用いてもよいが、排気機能を有しない流量比例制御弁を用い、並列に排気機能を有し、給気機能を有しない流量比例制御弁を設けてもよい。この場合、必要な給排気の速さ、流量を考慮し適宜選択すればよい。
図２に5)〜8)の流れを示す。
【００３７】
Ｂ１）空気ばねの位置に着目する方法（曲線区間外軌側の制御を排気弁７と給気弁８のみで行なう場合）
1)〜4)は、信号周波数に着目して弁を使い分けるＡ１）の方法と同じである。
5) 制御器１１は変換した電気信号を取り込み、ＰＩＤ、ＬＱＧ、Ｈ∞などの一般的な制御演算から空気ばね３を目標の高さに制御するための制御信号を計算する。
【００３８】
6) 制御器１１の記憶装置から現在の曲線区間に関するデータを読み込み、曲線区間の方向から各空気ばね３が曲線区間の外軌側、内軌側のどちらにあたるかを判定する。
7) 曲線区間の外軌側にある空気ばね３に対する制御信号は、給気しきい値を信号が上回った場合に給気弁８を開いて空気ばね３に給気し、また排気しきい値を信号が下回った場合に排気弁７を開いて排気し、車体１を傾斜させる低周波・大流量を実現する。
【００３９】
8) 曲線区間の内軌側にある空気ばね３に対する制御信号は、流量比例制御弁１０に出力して外乱による空気ばね３の振動を抑制する高周波・小流量を実現する。
なお、給気しきい値や排気しきい値の設定は、信号周波数に着目して弁を使い分ける方法で説明した場合と同じである。また、流量比例制御弁１０の排気機能についても信号周波数に着目して弁を使い分ける方法で説明した場合と同じである。
【００４０】
Ｂ２）空気ばねの位置に着目する方法（曲線区間外軌側の制御を排気弁７、給気弁８と流量比例制御弁１０を用いて行なう場合）
1)〜5)は、信号周波数に着目して弁を使い分けるＡ１）の方法と同じである。
6) は空気ばねの位置に着目するＢ１）の方法と同じである。
【００４１】
7) 外軌側空気ばねに対して計算された制御信号を各種フィルタで処理し、制御信号を低周波信号と高周波信号に分離する。たとえば０．５Hzのローパスフィルタ処理にて低周波信号を得、元の信号とこの低周波信号の差から高周波信号を計算する。そして前記Ａ１）の方法における7)〜8)と同様の方法で排気弁７、給気弁８と流量比例制御弁１０を制御する。
【００４２】
8) 一方、内軌側空気ばねに対して計算された制御信号を用いて、前記Ｂ１）の方法における8)と同様に流量比例制御弁１０を制御する。
【００４３】
このＢ−２）の方法では、内軌側に対するフィルタ処理を施す必要が無いため、Ａ１）の方法よりも簡便に実施でき、また外軌側についても流量比例制御弁１０による外乱抑制制御が実施されるためＢ１）の方法よりも高い外乱抑制効果が期待される。
【００４４】
本発明は上記の例に限らず、本発明の各請求項に記載された技術的思想の範疇内で、適宜実施の形態を変更しても良いことは、言うまでもない。
【００４５】
たとえば、本発明方法において、フィルタ処理を行う場合は、低周波信号と高周波信号に分離できるものであれば、ローパスフィルタ処理に限らない。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
以上の本発明は、気体式ばねの高さを制御させることで、車体を傾斜させるものであれば、ボルスタレス台車に限らずボルスタ台車にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の鉄道車両の車体傾斜制御装置の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の鉄道車両の車体傾斜制御方法における制御の要部を示すフロー図である。
【符号の説明】
【００４８】
１    車体
２    台車
３    空気ばね
４    元圧だめ
５    配管
６    高さ調整弁
７    排気弁
８    給気弁
９    切換え弁
１０    流量比例制御弁
１１    制御器
【図１】
2008007041.tif 000003
【図２】
2008007041.tif 000004