(57)【要約】【課題】  振動制御に際し、アクチュエータの消費エネルギーを増加させない。【解決手段】  鉄道車両の車体１と台車２間に設置したアクチュエータ３に加えて、このアクチュエータ３と並列に、減衰力を連続的に変化可能なダンパー１１を設置する。トンネル区間では前記アクチュエータ３或いは前記ダンパー１１のどちらか一方で車体１の制振を行い、トンネル区間以外では主として前記アクチュエータ３で車体の制振を行う。【効果】  フェール時の走行安全性に影響を及ぼさず、また、大容量のアクチュエータを採用しなくとも最適な制振効果を得ることができる。【選択図】  図４
2005082028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道車両の車体と台車間に設置したアクチュエータに加えて、このアクチュエータと並列に、減衰力を連続的に変化可能なダンパーを設置し、
トンネル区間では前記アクチュエータ或いは前記ダンパーのどちらか一方で車体の制振を行い、
トンネル区間以外では主として前記アクチュエータで車体の制振を行うことを特徴とする鉄道車両用振動制御方法。
【請求項２】
トンネル区間において、
車体の振動速度方向とダンパーの発生減衰力方向が異なる場合は、アクチュエータで車体の制振を行い、
前記両方向が一致する場合は、ダンパーで車体の制振を行うことを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用振動制御方法。
【請求項３】
鉄道車両の車体と台車間に設置したアクチュエータに加えて、このアクチュエータと並列に、減衰力を連続的に変化可能なダンパーを設置し、
前記アクチュエータの発生力で制振できない振動量を前記ダンパーの減衰力で補うことを特徴とする鉄道車両用振動制御方法。
【請求項４】
前記トンネル区間以外において、
前記アクチュエータの発生力で制振できない振動量を前記ダンパーの減衰力で補うことを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用振動制御方法。
【請求項５】
鉄道車両の車体と台車間に設置したアクチュエータに加えて、このアクチュエータと並列に、減衰力を連続的に変化可能なダンパーを設置し、
前記車体の振動速度方向と前記ダンパーの発生減衰力方向が一致する場合は、可能な限り前記ダンパーで車体の制振を行い、ダンパーで制振できない振動のみを前記アクチュエータで制振する一方、
前記方向が異なる場合は、前記アクチュエータのみにより車体の制振を行うことを特徴とする鉄道車両用振動制御方法。
【請求項６】
鉄道車両の車体と台車間に設置したアクチュエータ及びこのアクチュエータの駆動機構と、車体の振動を検知するセンサーと、このセンサーからの信号に基づき前記駆動機構に制御信号を出す制御器を備え、車体に発生する振動を制御する鉄道車両の振動制御装置において、
前記アクチュエータと並列に、減衰力を連続的に変化可能なダンパーを設置し、
トンネル区間では前記アクチュエータ或いは前記ダンパーのどちらか一方で、
トンネル区間以外では主として前記アクチュエータにより車体の制振を行うように構成したことを特徴とする鉄道車両用振動制御装置。
【請求項７】
鉄道車両の車体と台車間に設置したアクチュエータ及びこのアクチュエータの駆動機構と、車体の振動を検知するセンサーと、このセンサーからの信号に基づき前記駆動機構に制御信号を出す制御器を備え、車体に発生する振動を制御する鉄道車両の振動制御装置において、
前記アクチュエータと並列に、減衰力を連続的に変化可能なダンパーを設置し、
前記アクチュエータの発生力で制振できない振動量を前記ダンパーの減衰力で補うように構成したことを特徴とする鉄道車両用振動制御装置。
【請求項８】
前記ダンパーの最大減衰力は前記アクチュエータの最大発生力よりも大きいことを特徴とする請求項６又は７記載の鉄道車両用振動制御装置。
【請求項９】
鉄道車両の車体と台車間に設置したアクチュエータ及びこのアクチュエータの駆動機構と、車体の振動を検知するセンサーと、このセンサーからの信号に基づき前記駆動機構に制御信号を出す制御器を備え、車体に発生する振動を制御する鉄道車両の振動制御装置において、
前記アクチュエータと並列に、減衰力を連続的に変化可能なダンパーを設置し、
車体の振動速度方向とダンパーの発生減衰力方向が一致する場合は、可能な限り前記ダンパーで車体の制振を行い、ダンパーで制振できない振動のみを前記アクチュエータで制振する一方、
前記方向が異なる場合は、前記アクチュエータのみにより車体の制振を行うように構成したことを特徴とする鉄道車両用振動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両の車体に発生する振動を抑制するに際し、特にアクチュエータでの消費エネルギを最適化できる鉄道車両用の振動制御方法、及び、この振動制御方法を実施する振動制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両に発生する振動を抑制する方法として、従来は、図１２に示すように、車体１と台車２の間に振動方向に合わせてアクチュエータ３を設置し、このアクチュエータ３で車体１の振動に対して逆位相の制御力を発生させることで振動を抑制していた。なお、図１２中の４は空気ばね、５は車体１に発生する上下縦方向の加速度を検出する加速度センサー、６はこの加速度センサー５の検出値に基づいてアクチュエータ３の駆動をサーボ弁７を介して制御する制御器を示す。
【特許文献１】特開平５−２２１３１５号公報
【０００３】
また、前記アクチュエータに代えてダンパーを配置し、このダンパーの減衰力を、直線路走行時とカントを有する曲線路走行時の２段階に切り替えることで振動を抑制するものもある。
【特許文献２】特開平１０−３１５９６５号公報
【０００４】
また、アクチュエータとダンパーを並設し、走行中に発生する振動特性や、車両の違いに応じてアクチュエータの制御特性を切り替えるようにしたものもある。
【特許文献３】特開平８−２０７７６５号公報
【０００５】
ところで、トンネル内を高速で走行した場合、車体とトンネル内壁との間の空気の挙動により、車体に脈動する圧力が加わり、トンネル外を走行する時よりも大きな振動が発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の振動制御は、ダンパーの減衰力やアクチュエータの制御特性を２段階に切り替えたり、アクチュエータのみのアクティブ制御であったため、トンネル内などでは振動を抑制するための力が不足し、大きな制振効果を得ることができなかった。
【０００７】
これに対しては、例えばアクチュエータが空気圧駆動である場合、アクチュエータの本数を増やしたり、シリンダ断面積を大きくしたり、供給圧力を増加させたりして、発生力を大きくすることで対処できるが、このような方法では、フェール時の走行安全性に影響がある。加えて、アクチュエータの空気消費量が多くなるという問題がある。
【０００８】
本発明が解決しようとする問題点は、より大きな制振力を得ようとした場合に、フェール時の走行安全性に影響があり、また、アクチュエータの消費エネルギーが多くなるという点である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、振動制御に際し、フェール時の走行安全性に影響を及ぼさず、また、アクチュエータの空気消費量を増加させないために、減衰力を連続的に変更可能なダンパーをアクチュエータと並設し、走行場所等に応じて、例えば図１に示したように、トンネル内ではアクチュエータ或いはダンパーのみで制振を行い、トンネル外ではアクチュエータとダンパーを併用し、かつ、その際のダンパーの減衰力を最適に調整するようにしたことを最も主要な特徴としている。
【００１０】
本発明に使用する減衰力を連続的に変更可能なダンパーとは、例えばダンパーに連通する配管に設けたオリフィス径を無段階に変化可能に構成したダンパーをいう。
また、請求項１及び請求項６に係る本発明において、「主として」とは、アクチュエータにより制振する効果の割合が５０％以上であることをいい、アクチュエータが最大発生力で制振するかどうかは問題ではない。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、振動制御に際してフェール時の走行安全性に影響を与えず、また、アクチュエータの消費エネルギーを増加させないために、減衰力を連続的に変更可能なダンパーをアクチュエータと並設し、走行場所等に応じて、アクチュエータあるいはダンパーのみで制振を行ったり、アクチュエータとダンパーを併用し、かつ、その際のダンパーの減衰力を最適に調整したりするので、大容量のアクチュエータを採用しなくとも最適な制振効果を得ることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図２〜図１１を用いて説明する。
図２は本発明を説明する図であり、図２中、図１２と同一部分或いは相当部分は同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００１３】
図２において、１１は例えば流体の動圧抵抗によって車体１に発生する振動を減衰するダンパーであり、アクチュエータ３と並列に配置されている。そして、本発明では、前記ダンパー１１に連通する配管に設けたオリフィスの径を変化させることで、その減衰力を連続して調整できるようになっており、例えばその最大減衰力は前記アクチュエータ３の最大発生力よりも大きいものが採用される。
【００１４】
そして、本発明では、走行中に車体１に作用する左右方向、上下方向の加速度を車体１に設置した加速度センサー５で検出し、この検出加速度のうちの左右方向の加速度を、図３に示したように、ブロックＢ１で積分処理した後、ブロックＢ２でフィルター処理して幅方向の車体速度Ｖ2 を算出する。そして、この算出した車体速度Ｖ2 と前記検出加速度から、ブロックＢ３で幅方向の台車速度Ｖ1 を推定する。具体的には、車両の運動方程式に基づいたリカッチ方程式の解と、車体１の左右方向の加速度から台車２の左右方向の速度Ｖ1 を推定する。
【００１５】
これらの車体速度Ｖ2 と台車速度Ｖ1 、及び、必要に応じて地点情報を元に、以下のようにアクチュエータ３とダンパー１１の切り換え、アクチュエータ３の発生力やダンパーの減衰力を決定し車体の制振を行う。
【００１６】
図４は本発明に係る車体振動制御方法の一例を説明するフロー図であり、先ず、地点情報等により現在走行している位置がトンネル内か否かを判断する。
そして、トンネル内であれば、前記加速度センサー５から推定される車体１の振動速度方向と、前記アクチュエータ３と並列に配置したダンパー１１の発生減衰力方向が一致するか否かを制御器６で判断する。
【００１７】
図４の場合は、車体１の振動速度方向とダンパー１１の発生減衰力方向が一致するか否かの判断を、前記車体速度Ｖ2 から台車速度Ｖ1 を減算したものに車体速度Ｖ2 を乗算した値（Ｖ2 ×（Ｖ2 −Ｖ1 ））が正か負で判断するものを示している。
【００１８】
そして、車体１の振動速度方向とダンパー１１の発生減衰力方向が一致しない場合、すなわち、Ｖ2 ×（Ｖ2 −Ｖ1 ）が負の場合は、ダンパー１１による制振が不可能なため、ダンパー１１の減衰係数Ｃを０又は可能な限り小さくして、アクチュエータ３により制振する。
【００１９】
この場合、必要な制振力Ｆを得るのに必要なアクチュエータ３の制御力Ｆact は、従来の制御と同様、Ｈ∞（無限大）制御理論のような、車体１の加速度をフィードバックし、多変数デジタル制御器により構築した制御によって求めたものを使用する。
【００２０】
一方、車体１の振動速度方向とダンパー１１の発生減衰力方向が一致する場合、すなわち、Ｖ2 ×（Ｖ2 −Ｖ1 ）が正の場合は、図２に示したような、スカイフックダンパー１２を用いた制御装置を設定し、現実のデータをこの制御装置のデータに置き換えて振動抑制制御を行う、スカイフック理論で導かれるダンパ減衰係数Ｃskを、前記ダンパ１１の減衰係数Ｃに置き換える為、前記車体速度Ｖ2 と台車速度Ｖ1 から得られる車体１と台車２間の相対速度Ｖ2 −Ｖ1 と車体速度Ｖ2 から、前記ダンパ１１の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝｛Ｖ2 ／（Ｖ2 −Ｖ1 ）｝×Ｃsk
で算出し、必要なダンパー１１の減衰力Ｆdmp を得る。
以上の本発明例のアクチュエータ３とダンパー１１による作用を説明した図を図５に示す。
【００２１】
これに対し、トンネル外であれば、アクチュエータ３とダンパー１１を併用した制御を行う。この場合、ダンパー１１の減衰力を必要な制振力Ｆの５０％未満、例えば２０％程度に固定し、残りをアクチュエータ３で得るようにする。
【００２２】
ところで、通常、アクチュエータ３による制振制御では、上記のように、Ｈ∞制御理論で導かれた制御力を発生させる方向に制御器６からアクチュエータ３にその指令が出力される。この場合、制御器６からの指令は、アクチュエータ３の最大出力までの間で出力されることは言うまでもない。
【００２３】
従って、アクチュエータ３の能力によっては、アクチュエータ３だけでは車体１の振動を抑制するために必要な制振力が得られない場合が起こり得る。例えば図６に示したように、アクチュエータ３の制振能力が車体１の左右方向（図６の紙面上下方向）に６ＫＮとした場合に、車体１の振動を抑制するために必要な制振力が６ＫＮを超えている場合（図６の斜線部分）である。
【００２４】
かかる場合、本発明で採用する上記ダンパー１１は、図７に示したように、その能力内であれば連続的に減衰力を変化できるので、アクチュエータ３で足りない不足分の制振力の値がどのような値であっても、制御器６からその値を指定してダンパー１１の減衰力で補えるようになる。このように構成すれば、さらに良好な振動制御の効果が得られるようになる。
この本発明例のアクチュエータ３とダンパー１１による作用を説明した図を図８に示す。
【００２５】
但し、このダンパー１１の減衰力でアクチュエータ３による制振力の不足分を補うに際し、車体１に発生する振動は、例えば図６に示したようなコサインカーブとなるので、アクチュエータ３で得られる制振力の上下限を超えた部分（図６の斜線部分）のうちの、仮に前半の半分がダンパー１１の減衰力を得ることができる方向と一致するとした場合、後半の半分はダンパー１１の減衰力を得ることができる方向と反対になる。
【００２６】
かかる場合、図９の右肩上がりの斜線で示した前半の半分はダンパー１１の減衰力でアクチュエータ３による制振力の不足分を補えることになるものの、図９の右肩下がりの斜線で示した後半の半分ではダンパー１１がかえって、アクチュエータ３による制振力を減少させる方向に働くことになる。
【００２７】
従って、アクチュエータ３で足りない不足分の制振力をダンパー１１の減衰力で補う場合には、図１０に示すように、アクチュエータ３で得られる制振力の上下限を超えた部分のうちの前半のみをダンパー１１の減衰力で補い、後半はダンパー１１の減衰力は０又は可能な限り小さくするように制御器６で指令を出すようにすることが望ましい。
【００２８】
上述の説明は、車体１に発生する振動を、主としてアクチュエータ３によって抑制し、その不足分をダンパー１１で補うものについてのものであるが、反対に、可能な限りダンパー１１で車体１に発生する振動を抑制し、その不足分をアクチュエータ３で補うようにしても良い。この場合のアクチュエータ３とダンパー１１による作用を説明した図を図１１に示す。
【００２９】
上記の本発明例では、全てトンネル内とトンネル外の走行に分けて振動制御を行うものについて説明しているが、請求項３，５，７〜９については、本発明の技術的思想の範囲内であるならば、他の要因で分けて振動制御を行なう等、適宜の設計変更は任意である。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、振動制御に際してフェール時の走行安全性に影響を与えず、仮にアクチュエータが空気圧駆動であれば、車体に発生する振動の抑制に必要な空気の消費流量を減少できるので、空気源や空気の供給機構を小容量化でき、鉄道車両の小型化が必要な用途に適用できる。そして、消費エネルギーの削減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】請求項１の本発明のアクチュエータとダンパーによる作用を説明した図である。
【図２】本発明を説明する図である。
【図３】本発明に使用する車体速度の演算方法及び台車速度の推定方法の一例を説明するブロック図である。
【図４】本発明に係る車体振動制御方法の一例を説明するフロー図である。
【図５】図４に示した例のアクチュエータとダンパーによる作用を説明した図である。
【図６】車体を制振するのに必要な力とアクチュエータの能力との関係の一例を説明する図である。
【図７】本発明に使用するダンパーのピストン速度と減衰力の関係を示した図である。
【図８】アクチュエータで足りない不足分の制振力をダンパーの減衰力で補う場合のアクチュエータとダンパーによる作用を説明した図である。
【図９】アクチュエータとダンパーの制振力の和と本発明に使用するダンパーアクチュエータの不足分を補う場合の問題を説明する図である。
【図１０】アクチュエータとダンパーの制振力の和と本発明に使用するダンパーアクチュエータの不足分を補う場合の例を説明する図である。
【図１１】可能な限りダンパーで車体に発生する振動を抑制し、その不足分をアクチュエータで補う場合のアクチュエータとダンパーによる作用を説明した図である。
【図１２】従来の鉄道車両の振動制御装置の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００３２】
１    車体
２    台車
３    アクチュエータ
４    空気ばね
５    加速度センサー
６    制御器
７    サーボ弁
１１    ダンパー
１２    スカイフックダンパー
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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