(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
運転操作者の操作により主幹制御器が主幹制御器駆動力指令（ＭＣ）を出力し原動機を所定出力状態に設定することによって鉄車輪を駆動し鉄製走行路を走行する鉄車輪系移動体の駆動車輪の速度である駆動車輪速度（ＶＤ）と従動車輪の速度である従動車輪速度（ＶＴ）との差である速度差（ＶＳ）と、前記駆動車輪の加速度である駆動車輪加速度（ＶＤＤ）とに基づいて前記駆動車輪の空転を検知し、前記主幹制御器駆動力指令（ＭＣ）を帰還駆動力指令（ＦＣ）だけ低減させた第１制御駆動力指令（ＮＣ１＝ＭＣ−ＦＣ）に変更して前記原動機の出力制御を行うことにより前記駆動車輪の空転を抑制する鉄車輪系移動体の空転抑制制御装置において、前記空転を検知した時点である空転検知時点から所定対象時間（Ｔ１）だけ過去にさかのぼった時間内における、前記速度差（ＶＳ）が前記駆動車輪の微小空転の場合のしきい値である第１速度差（ＶＳ１）以上となる時間である微小空転時間（ＴＭｉ）の総和値（Ｔ２）の前記所定対象時間（Ｔ１）に対する比率である微小空転時間比率（Ｔ２／Ｔ１）がしきい値である特定時間比（ＴＡ）以上である場合には、前記帰還駆動力指令（ＦＣ）の値に対して１より小さい値である減算係数（ＧＫ）を乗じた減算駆動力指令（ＧＣ＝ＧＫ×ＦＣ）だけ前記主幹制御器駆動力指令（ＭＣ）を低減させた第２制御駆動力指令（ＮＣ２＝ＭＣ−ＧＣ）に前記主幹制御器駆動力指令（ＭＣ）を変更して前記原動機の出力制御を行うことを特徴とする鉄車輪系移動体の空転抑制制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の鉄車輪系移動体の空転抑制制御装置において、前記所定対象時間（Ｔ１）の間に前記主幹制御器駆動力指令（ＭＣ）が新たな主幹制御器駆動力指令（ＭＣ′）に変化した場合には、変化後制御駆動力指令（ＮＣ′＝ＭＣ′）により前記原動機の出力制御を行うことを特徴とする鉄車輪系移動体の空転抑制制御装置。
【請求項３】
請求項１記載の鉄車輪系移動体の空転抑制制御装置において、前記減算係数（ＧＫ）は、下式
ＧＫ＝１−（Ｔ２／Ｔ１）
により演算されることを特徴とする鉄車輪系移動体の空転抑制制御装置。
【請求項４】
運転操作者の操作により主幹制御器が主幹制御器駆動力指令（ＭＣ）を出力し原動機を所定出力状態に設定することによって鉄車輪を駆動し鉄製走行路を走行する鉄車輪系移動体の駆動車輪の速度である駆動車輪速度（ＶＤ）と従動車輪の速度である従動車輪速度（ＶＴ）との差である速度差（ＶＳ）と、前記駆動車輪の加速度である駆動車輪加速度（ＶＤＤ）とに基づいて前記駆動車輪の空転を検知し、前記主幹制御器駆動力指令（ＭＣ）を帰還駆動力指令（ＦＣ）だけ低減させた第１制御駆動力指令（ＮＣ１＝ＭＣ−ＦＣ）に変更して前記原動機の出力制御を行うことにより前記駆動車輪の空転を抑制する鉄車輪系移動体の空転抑制制御方法において、前記空転を検知した時点である空転検知時点から所定対象時間（Ｔ１）だけ過去にさかのぼった時間内における、前記速度差（ＶＳ）が前記駆動車輪の微小空転の場合のしきい値である第１速度差（ＶＳ１）以上となる時間である微小空転時間（ＴＭｉ）の総和値（Ｔ２）の前記所定対象時間（Ｔ１）に対する比率である微小空転時間比率（Ｔ２／Ｔ１）がしきい値である特定時間比（ＴＡ）以上である場合には、前記帰還駆動力指令（ＦＣ）の値を減算係数（ＧＫ）の分だけ低減させた減算駆動力指令（ＧＣ＝ＧＫ×ＦＣ）だけ前記主幹制御器駆動力指令（ＭＣ）を低減させた第２制御駆動力指令（ＮＣ２＝ＭＣ−ＧＣ）に前記主幹制御器駆動力指令（ＭＣ）を変更して前記原動機の出力制御を行うことを特徴とする鉄車輪系移動体の空転抑制制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両等の鉄車輪系移動体の加減速時に駆動車輪に発生する空転を抑制するように制御する鉄車輪系移動体の空転抑制制御装置、及び鉄車輪系移動体の空転抑制制御方法の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両は、レール上において、起動（発進）、加速、減速、制動等を行いながら走行するが、鉄道車両の走行が可能なのは、駆動源からの力をレールに伝達し駆動機能を発揮する車輪（以下、「駆動車輪」という。）がレールに接触する面（以下、「踏面」という。）と、レールの頭部上表面（以下、「レール頭頂面」という。）との間に摩擦が働いているからである。
【０００３】
図３に示すように、鉄道車両の駆動車輪ＤとレールＲとの間の作用力のうち、駆動車輪ＤとレールＲの接触点においてレールＲに平行に作用する力（以下、「駆動車輪周方向力」という。）をＦ。とし、レールＲに垂直に作用する力（以下、「軸重」又は「輪重」という。）をＷ。とし、駆動車輪Ｄの踏面とレールＲの頭頂面との間の摩擦係数をμ。とすると、下式
Ｆ。≦μ。×Ｗ。          ………（１）
の関係が成立する場合には、駆動車輪周方向力Ｆ。はレールＲに確実に伝達され、駆動車輪ＤはレールＲ上をころがり、鉄道車両は円滑に走行することができる。上記した駆動車輪周方向力Ｆ。は、加速時には「駆動力」と呼ばれ、制動時には「制動力」と呼ばれる。
【０００４】
しかし、下式
Ｆ。＞μ。×Ｗ。          ………（２）
で示されるような関係となる場合には、駆動車輪ＤはレールＲ上でころがらずにすべるようになる。以下、このようなすべりを、「巨視すべり」という。
【０００５】
この「巨視すべり」が生じると、車両の起動時又は加速時には、空転（スリップ）となり、レールＲのほぼ同一の箇所で駆動車輪Ｄが高速回転することになるため、レールＲの側に局部的に凹部状の著大な摩耗が生じる。また、車両の制動時に上記の「すべり」が生じると、滑走（スキッド）となり、走行中に駆動車輪Ｄが停止した状態でレールＲ上をすべることになるため、駆動車輪Ｄの踏面が局部的に平らにすりへり「フラット」と呼ばれる摩耗となる。これらの摩耗は、車両の乗り心地を悪くし、甚だしい場合には車両及び軌道の双方に悪影響を与える。
【０００６】
鉄道車両全体、あるいは複数の鉄道車両からなる列車においては、図３に示すような単純な物理モデルよりも複雑であり、ある駆動車輪の軸重（輪重）値（上式（１），（２）におけるＷ。に相当する値）と、レールに有効に伝達し得る駆動車輪周方向力（上式（１），（２）におけるＦ。に相当する値）の間の係数（上式（１），（２）におけるμ。に相当する値）も、実際のレールや駆動車輪の表面状態、例えば駆動車輪踏面やレール頭頂面における水、油性物、ゴミ、サビ等の付着の有無又はそれらの程度などによって変化する。
【０００７】
鉄道においては、駆動車輪踏面とレール頭頂面との間で摩擦が有効に作用し、駆動車輪周方向力がレールに確実に伝達されており、両者間で「巨視すべり」が発生していない状態を「粘着状態」という。また、駆動車輪周方向力（上式（１），（２）におけるＦ。に相当する値）を「接線力」という。また、この接線力の最大値（上式（１），（２）におけるμ。×Ｗ。に相当する値）を「粘着力」といい、粘着力を軸重値（上式（１），（２）におけるＷ。に相当する値）で除算して得られる値（上式（１），（２）におけるμ。に相当する値）を「粘着係数」という。
【０００８】
上記のことから、鉄道においては、粘着係数を向上させるための対策、空転や滑走を早期に検出する方法、空転や滑走を抑制するための制御方法、いったん空転等を生じた場合に再び粘着状態に戻す（以下、「再粘着」という。）ための対策等について種々の研究や開発がなされている。
【０００９】
以下に、図を参照しつつ、鉄道における空転の実際の例について説明する。以下の説明において、ＶＤは駆動車輪の速度（以下、「駆動車輪速度」という。）を、ＶＴは駆動されない車輪であって車両の走行に伴って回転する車輪（以下、「従動車輪」という。）の速度（以下、「従動車輪速度」という。）を、ＶＳはこれら両速度の速度差（ＶＤ−ＶＴ）を、Ｆ１，Ｆ２は駆動車輪の駆動力（上式（１），（２）におけるＦ。に相当する値）を、μ１，μ２，μ３，μ４は期待接線力係数（上式（１），（２）におけるμに相当する値）を、Ｗは軸重（上式（１），（２）におけるＷ。に相当する値）を、μ１×Ｗ，μ２×Ｗ，μ３×Ｗ，μ４×Ｗは期待粘着力（上式（１），（２）におけるμ。×Ｗ。に相当する値）を、それぞれ表すものとする。
【００１０】
図４は、駆動車輪の駆動力が、駆動車輪とレールの間の粘着力を大きく上回っている場合における車輪速度の経時変化を示したグラフであり、横軸は時間経過を、縦軸は車輪の速度を、それぞれ示している。
【００１１】
駆動車輪の駆動力が粘着力を大きく上回ったままとなっていると、図４において曲線Ｃ１１（従動車輪速度：ＶＴ）及び曲線Ｃ１２（駆動車輪速度：ＶＤ）で示すように、ある時点ｔ１１から駆動車輪速度ＶＤは従動車輪速度ＶＴから外れて増大を始める。これは空転状態が始まったことを意味しており、曲線Ｃ１１に示すように、駆動車輪速度ＶＤはそれ以後増加する一方となる。すなわち、図４に示す場合は、空転が発散し、大規模な空転（以下、「大空転」という。）に発展している状況を示している。
【００１２】
空転が上記のような大空転に発展する原因を、図５に基づいて説明する。図５において、横軸は駆動車輪速度ＶＤ又は速度差ＶＳを、縦軸は駆動力Ｆ及び期待接線力μ１×Ｗ，μ２×Ｗを、それぞれ示している。図５においては、駆動車輪速度ＶＤと駆動力Ｆとの関係、及び速度差ＶＳと期待接線力μ１×Ｗ，μ２×Ｗとの関係を重ねて描いてある。
【００１３】
まず、最初は、期待接線力（μ１×Ｗ）が曲線Ｃ１３で示されるように、速度差ＶＳに応じて変化する関数で、点Ｐ１１で最大値すなわち粘着力となるような特性であり、駆動力Ｆ１が、Ｃ１４で示されるように、速度ＶＤ，ＶＳの増加に応じて減少する傾斜直線であるとすると、両者は点Ｐ１２の状態で釣り合う。点Ｐ１２では、下式
Ｆ１＝μ１×Ｗ        ………（３）
が成立している。
【００１４】
この場合、最大点Ｐ１１における速度差をＶＳ１１（＝ＶＤ１１−ＶＴ１１）とし、交点Ｐ１２における速度差をＶＳ１２とすると、下式
ＶＳ１１＞ＶＳ１２            ………（４）
の関係となっている。この点Ｐ１２における状態は、「粘着状態」である。一般に、鉄道のような鉄レールと鉄車輪との摩擦を利用する鉄車輪系移動体の場合のＶＳ１１は、自動車のようなゴムタイヤ系移動体の場合のＶＳ１１に比べ非常に小さい。
【００１５】
次に、図５において、レールと車輪の間の状況が変化し、期待接線力係数がμ１からμ２に低下したとすると、期待接線力（μ２×Ｗ）はＣ１５で示されるような曲線となる。しかし、この場合には、つねに下式
Ｆ１＞μ２×Ｗ        ………（５）
の関係となる。このような状態は「空転状態」であり、駆動力Ｆ１と期待接線力（μ２×Ｗ）が釣り合うことがないため、駆動車輪速度ＶＤは上昇する一方となり、図４に示すような大空転に発展する。
【００１６】
次に、上記の大空転とは異なる空転について説明する。図６は、駆動車輪の駆動力が、駆動車輪とレールの間の期待接線力をわずかに上回っている場合における車輪速度の経時変化を示したグラフであり、横軸は時間経過を、縦軸は車輪の速度を、それぞれ示している。
【００１７】
このように駆動車輪の駆動力が期待接線力をわずかに上回っている状態では、図６において曲線Ｃ１１（従動車輪速度：ＶＴ）及び曲線Ｃ１６（駆動車輪速度：ＶＤ）で示すように、ある時点ｔ１２から駆動車輪速度ＶＤは従動車輪速度ＶＴから外れ、空転状態が始まるが、駆動車輪速度ＶＤと従動車輪速度ＶＴとが大きく乖離することなく、微小な空転（以下、「微小空転」という。）を連続的に繰り返す。
【００１８】
上記のような微小空転が発生する原因を、図７に基づいて説明する。図７において、横軸は駆動車輪速度ＶＤ又は速度差ＶＳを、縦軸は駆動力Ｆ及び期待接線力μ３×Ｗ，μ４×Ｗを、それぞれ示している。図７においても、図５と同様に、駆動車輪速度ＶＤと駆動力Ｆとの関係、及び速度差ＶＳと期待接線力μ３×Ｗ，μ４×Ｗとの関係を重ねて描いてある。
【００１９】
まず、最初は、期待接線力（μ３×Ｗ）が曲線Ｃ１７で示されるように、速度差ＶＳに応じて変化する関数で、点Ｐ１３で最大となるような特性であり、駆動力Ｆ２が、Ｃ１８で示されるように、速度ＶＤ，ＶＳの増加に応じて減少する傾斜直線であるとすると、両者は点Ｐ１４の状態で釣り合う。点Ｐ１４では、下式
Ｆ２＝μ３×Ｗ        ………（６）
が成立している。
【００２０】
この場合、最大点Ｐ１３における速度差をＶＳ１３とし、交点Ｐ１４における速度差をＶＳ１４とすると、下式
ＶＳ１３＜ＶＳ１４            ………（７）
の関係となっている。したがって、点Ｐ１４における状態は、「空転状態」である。しかし、この空転状態は、大空転に発散することはなく、微小空転が維持される。
【００２１】
このような微小空転がしばらくの間続く場合には、空転が収束し、再び粘着状態に戻り「再粘着状態」となる可能性がある。これは、微小空転状態が続くことにより、車輪踏面が荒れてきて、期待接線力係数が図７のμ３からμ４に増大し、期待接線力（μ４×Ｗ）がＣ１９で示されるような曲線となると考えられるからである。このような変化が起こると、駆動力Ｆ２と期待接線力（μ４×Ｗ）は点Ｐ１５の状態で釣り合う。点Ｐ１５では、下式
Ｆ２＝μ４×Ｗ        ………（８）
が成立している。
【００２２】
この点Ｐ１５の状態における速度差をＶＳ１５とすると、下式
ＶＳ１５＜ＶＳ１３        ………（９）
の関係となっており、図５における点Ｐ１２における状態と同様の「粘着状態」である。このようなメカニズムにより、図６に示すように、微小空転と再粘着が繰り返される。
【００２３】
以上説明したように、鉄道においては、「大空転」と「微小空転」の２種類の空転状態が起こり得る。次に、従来、鉄道車両において、上記の空転を抑制するために行っていた制御方法の例について説明する。
【００２４】
この例は、原動機にディーゼル機関（図示せず）を用い、駆動車輪への動力伝達手段として液体変速機（図示せず）を用いた鉄道車両における空転抑制制御方法である。
【００２５】
上記のディーゼル機関には、燃料制御装置（図示せず）が接続されており、燃料制御装置には主幹制御器（図示せず）が接続されている。このような構成により、鉄道車両の運転操作者が主幹制御器を取り扱い運転操作を行うと、主幹制御器は駆動力指令（自動車のアクセル操作に相当する）を燃料制御装置に出力する。燃料制御装置は、駆動力指令に応じた燃料噴射量制御指令をディーゼル機関に出力する。ディーゼル機関は、この燃料噴射量制御指令により所定の出力で回転し駆動車輪を駆動する。
【００２６】
この場合、駆動車輪（図示せず）と従動車輪（図示せず）にはそれぞれ速度センサ（図示せず）が取り付けられており、これらが検出した駆動車輪速度ＶＤと従動車輪速度ＶＴは空転抑制制御装置（図示せず）に送られる。
【００２７】
空転抑制制御装置は、上記の主幹制御器と燃料制御装置の間に介在し、例えば速度差ＶＳ（＝ＶＤ−ＶＴ）を算出してこれを監視し、速度差ＶＳが所定のしきい値を越えた場合に、「駆動車輪が空転した」と判別し、このときの速度差ＶＳの値等に基づいて上記の駆動力指令を低減させた制御駆動力指令を燃料制御装置に出力する。これにより、ディーゼル機関の出力を低下させ、駆動車輪の速度を減速させて速度差ＶＳを減少させ空転を抑制しようとするものである。
【００２８】
図８は、上記の空転抑制制御の実例を示したものである。すなわち、図８（Ａ）に示すように時刻ｔ２１に速度差ＶＳのしきい値超過を検知し、図８（Ｂ）に示すように回転力を低減させるような指令を燃料制御装置（図示せず）に出力すると、ディーゼル機関（図示せず）の出力は低下し、図８（Ａ）に示すように空転が抑制される。空転開始から再粘着までの接線力は、図８（Ｃ）に示すように、速度差ＶＳに対応して低下の後、上昇する。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の空転抑制制御方法においては、図８（Ａ）の時刻ｔ２３に速度差ＶＳのしきい値内復帰を検知し、図８（Ｂ）に示すように回転力を回復させるような指令を燃料制御装置（図示せず）に出力することになる。この場合、図８（Ａ）の時刻ｔ２３以降に示すように、速度差ＶＳはしきい値内に復帰し、再粘着しているのだが、液体変速機（図示せず）の時定数が大きいため、図８（Ｃ）に示すように、駆動力の回復は遅くなる、という問題があった。空転抑制制御に伴って発生する接線力の低下は、空転中の接線力の低下（図８（Ｃ）における（ア））と、再粘着後の接線力（この場合は駆動力）の低下（図８（Ｃ）における（イ））の合計となる。
【００３０】
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、本発明の解決しようとする課題は、微小空転が連続している場合は空転抑制の程度を小さくし、再粘着後に早期に駆動力を回復し得る鉄車輪系移動体の空転抑制制御装置、及び鉄車輪系移動体の空転抑制制御方法を提供することにある。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る鉄車輪系移動体の空転抑制制御装置は、運転操作者の操作により主幹制御器が主幹制御器駆動力指令（ＭＣ）を出力し原動機を所定出力状態に設定することによって鉄車輪を駆動し鉄製走行路を走行する鉄車輪系移動体の駆動車輪の速度である駆動車輪速度（ＶＤ）と従動車輪の速度である従動車輪速度（ＶＴ）との差である速度差（ＶＳ）と、前記駆動車輪の加速度である駆動車輪加速度（ＶＤＤ）とに基づいて前記駆動車輪の空転を検知し、前記主幹制御器駆動力指令（ＭＣ）を帰還駆動力指令（ＦＣ）だけ低減させた第１制御駆動力指令（ＮＣ１＝ＭＣ−ＦＣ）に変更して前記原動機の出力制御を行うことにより前記駆動車輪の空転を抑制する鉄車輪系移動体の空転抑制制御装置において、前記空転を検知した時点である空転検知時点から所定対象時間（Ｔ１）だけ過去にさかのぼった時間内における、前記速度差（ＶＳ）が前記駆動車輪の微小空転の場合のしきい値である第１速度差（ＶＳ１）以上となる時間である微小空転時間（ＴＭｉ）の総和値（Ｔ２）の前記所定対象時間（Ｔ１）に対する比率である微小空転時間比率（Ｔ２／Ｔ１）がしきい値である特定時間比（ＴＡ）以上である場合には、前記帰還駆動力指令（ＦＣ）の値に対して１より小さい値である減算係数（ＧＫ）を乗じた減算駆動力指令（ＧＣ＝ＧＫ×ＦＣ）だけ前記主幹制御器駆動力指令（ＭＣ）を低減させた第２制御駆動力指令（ＮＣ２＝ＭＣ−ＧＣ）に前記主幹制御器駆動力指令（ＭＣ）を変更して前記原動機の出力制御を行うことを特徴とする。
【００３２】
上記の鉄車輪系移動体の空転抑制制御装置において、好ましくは、前記所定対象時間（Ｔ１）の間に前記主幹制御器駆動力指令（ＭＣ）が新たな主幹制御器駆動力指令（ＭＣ′）に変化した場合には、変化後制御駆動力指令（ＮＣ′＝ＭＣ′）により前記原動機の出力制御を行う。
【００３３】
また、上記の鉄車輪系移動体の空転抑制制御装置において、好ましくは、前記減算係数（ＧＫ）は、下式
ＧＫ＝１−（Ｔ２／Ｔ１）
により演算される。
【００３４】
また、本発明に係る鉄車輪系移動体の空転抑制制御方法は、運転操作者の操作により主幹制御器が主幹制御器駆動力指令（ＭＣ）を出力し原動機を所定出力状態に設定することによって鉄車輪を駆動し鉄製走行路を走行する鉄車輪系移動体の駆動車輪の速度である駆動車輪速度（ＶＤ）と従動車輪の速度である従動車輪速度（ＶＴ）との差である速度差（ＶＳ）と、前記駆動車輪の加速度である駆動車輪加速度（ＶＤＤ）とに基づいて前記駆動車輪の空転を検知し、前記主幹制御器駆動力指令（ＭＣ）を帰還駆動力指令（ＦＣ）だけ低減させた第１制御駆動力指令（ＮＣ１＝ＭＣ−ＦＣ）に変更して前記原動機の出力制御を行うことにより前記駆動車輪の空転を抑制する鉄車輪系移動体の空転抑制制御方法において、前記空転を検知した時点である空転検知時点から所定対象時間（Ｔ１）だけ過去にさかのぼった時間内における、前記速度差（ＶＳ）が前記駆動車輪の微小空転の場合のしきい値である第１速度差（ＶＳ１）以上となる時間である微小空転時間（ＴＭｉ）の総和値（Ｔ２）の前記所定対象時間（Ｔ１）に対する比率である微小空転時間比率（Ｔ２／Ｔ１）がしきい値である特定時間比（ＴＡ）以上である場合には、前記帰還駆動力指令（ＦＣ）の値を減算係数（ＧＫ）の分だけ低減させた減算駆動力指令（ＧＣ＝ＧＫ×ＦＣ）だけ前記主幹制御器駆動力指令（ＭＣ）を低減させた第２制御駆動力指令（ＮＣ２＝ＭＣ−ＧＣ）に前記主幹制御器駆動力指令（ＭＣ）を変更して前記原動機の出力制御を行うことを特徴とする。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る鉄車輪系移動体の空転抑制制御装置の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３６】
図１は、本発明の一実施形態である鉄道用ディーゼル車両の構成を示す概念ブロック図である。
【００３７】
図１に示すように、この鉄道用ディーゼル車両１００は、主幹制御器１と、空転抑制制御装置２と、燃料制御装置３と、ディーゼル機関４と、液体変速機５と、推進軸６と、駆動車輪７と、従動車輪８と、駆動車輪速度センサ９と、従動車輪速度センサ１０を備えて構成されている。
【００３８】
上記の鉄道用ディーゼル車両１００においては、主幹制御器１の出力側に燃料制御装置３が接続され、燃料制御装置３の出力側にディーゼル機関４が接続されている。また、主幹制御器１と燃料制御装置３の中間には、空転抑制制御装置２が接続されている。また、ディーゼル機関４の駆動出力側には液体変速機５が設けられて回転力変換を行い、液体変速機５の出力は推進軸６により駆動車輪７に伝達される。従動車輪８は、駆動されない車輪であって車両の走行に伴って回転する車輪である。また、上記の駆動車輪速度センサ９と従動車輪速度センサ１０の出力は、空転抑制制御装置２に送られるように構成されている。
【００３９】
空転抑制制御装置２は、コンピュータによって構成され、例えば、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit ：中央演算処理装置）と、図示しないＲＯＭ（Read Only Memory：読出し専用メモリ）と、図示しないＲＡＭ（Random Access Memory：随時書込み読出しメモリ）等を有している。
【００４０】
このうち、ＣＰＵは、各要素を統括し、各種演算やプログラム実行等の処理を実行する部分である。ＲＯＭは、ＣＰＵの実行するプログラムや予め設定された情報等を格納した記憶装置である。ＲＡＭは、ＣＰＵにより演算された中間結果データ等を一時記憶する記憶装置である。このような構成により、ＣＰＵは、ＲＯＭに格納された演算プログラムを読み出し、ＲＯＭやＲＡＭ又は外部から与えられるデータ値に基づいて前記演算プログラムを実行して演算結果を得た後、この演算結果をＲＡＭに一次記憶させ、外部に出力したり、ＲＡＭの一次記憶値に基づき、さらに他の演算プログラムを実行する。図１に示す空転抑制制御装置２は、これらのＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等が実行する機能（ソフトウェア）の前後関係又は組合わせ等の構成を図示したものである。
【００４１】
まず、空転抑制制御装置２の基本的な動作について説明する。
【００４２】
運転操作者（図示せず）が主幹制御器１を取り扱って運転操作を行うと、主幹制御器１は、主幹制御器駆動力指令（自動車のアクセル操作に相当する）ＭＣを空転抑制制御装置２に出力する。空転抑制制御装置２は、駆動車輪速度センサ９の検出出力である駆動車輪速度ＶＤと、従動車輪速度センサ１０の出力である従動車輪速度ＶＴを監視する。
【００４３】
この結果、空転抑制制御装置２は、駆動車輪速度センサ９等の値に基づいて、後述する手順等により、空転抑制制御を行うべき状態ではないと判断した場合には、ＮＣ＝ＭＣとなる制御駆動力指令ＮＣを燃料制御装置３に出力する。
【００４４】
一方、空転抑制制御装置２は、駆動車輪速度センサ９等の値に基づいて、後述する手順等により、空転抑制制御を行うべき状態であると判断した場合には、主幹制御器駆動力指令ＭＣを制御駆動力指令ＮＣ（例えば、ＭＣを低減させた指令）に変更して燃料制御装置３に出力する。
【００４５】
燃料制御装置３は、入力される駆動力指令に基づいた燃料噴射量指令（図示せず）をディーゼル機関４に出力する。ディーゼル機関４は、入力された燃料噴射量指令に基づき、所定の回転力を発生し、この回転力は液体変速機５と推進軸６を介して駆動車輪７に伝達される。駆動車輪７は、伝達された回転力により車両を走行させる。
【００４６】
図２は、本実施形態の鉄道用ディーゼル車両１００における空転抑制制御の状況を説明する概念図である。
【００４７】
以下、図１及び図２を参照しつつ、本実施形態の鉄道用ディーゼル車両１００における空転抑制制御装置２のさらに詳細な構成と作用について説明を行う。
【００４８】
まず、駆動車輪速度センサ９は、所定のサイクルタイムΔｔ（例えば、０．０１秒）ごとに駆動車輪７の速度である駆動車輪速度ＶＤを検出し、空転抑制制御装置２に出力する。また、従動車輪速度センサ１０は、所定のサイクルタイムΔｔ（例えば、０．０１秒）ごとに従動車輪８の速度である従動車輪速度ＶＴを検出し、空転抑制制御装置２に出力する。
【００４９】
空転抑制制御装置２は、所定のサイクルタイムΔｔ（例えば、０．０１秒）ごとに、その時点のＶＤ値とＶＴ値から、下式
ＶＳ＝ＶＤ−ＶＴ      ………（１０）
により速度差ＶＳを演算する。
【００５０】
また、空転抑制制御装置２は、所定のサイクルタイムΔｔ（例えば、０．０１秒）ごとに、前回のＶＤの値ＶＤ１と、今回のＶＤの値ＶＤ２と、既知のサイクルタイム値Δｔとから、下式
ＶＤＤ＝（ＶＤ２−ＶＤ１）／Δｔ    ………（１１）
により駆動車輪加速度ＶＤＤを演算する。
【００５１】
空転抑制制御装置２は、速度差ＶＳと、ＲＯＭ（図示せず）等に予め格納されているしきい値である第２速度差ＶＳ２の値を比較し、ＶＳがＶＳ２以上である場合には「Ｙ」を出力し、ＶＳがＶＳ２未満の場合には「Ｎ」を出力する。ここに、ＶＳ２は、ＶＳ２＞ＶＳ１となる値である。
【００５２】
また、空転抑制制御装置２は、駆動車輪加速度ＶＤＤと、ＲＯＭ（図示せず）等に予め格納されているしきい値である第１加速度ＶＤＤ１の値を比較し、ＶＤＤがＶＤＤ１以上である場合には「Ｙ」を出力し、ＶＤＤがＶＤＤ１未満の場合には「Ｎ」を出力する。
【００５３】
上記の比較の結果、
ＶＳ≧ＶＳ２
であるか、又は、
ＶＤＤ≧ＶＤＤ１
の場合には、空転抑制制御装置２は、「空転が発生した」と判断する。図２の場合には、時刻ｔ１において、
ＶＤＤ≧ＶＤＤ１
であることが判別され、空転抑制制御装置２は「空転が発生した」と判断したものとする。
【００５４】
また、空転抑制制御装置２は、つねに速度差ＶＳと、ＲＯＭ（図示せず）等に予め格納されているしきい値である第１速度差ＶＳ１の値を比較し、ＶＳがＶＳ１以上である場合（ＶＳ≧ＶＳ１）には、「Ｙ」を出力し、ＶＳがＶＳ１未満の場合には「Ｎ」を出力している。また、ＶＳ≧ＶＳ１であった時間を計時し記録している。
【００５５】
図２において、速度差ＶＳが第１速度差ＶＳ１以上であるという期間は、例えばＴＭ１，ＴＭ２，ＴＭ３等の各期間が該当する。これらＴＭ１等の各期間は、上述した「微小空転」の状態の期間に相当している。以下、期間ＴＭ１等を「微小空転時間」という。したがって、速度差ＶＳが第１速度差ＶＳ１以上である間は、駆動車輪７が微小空転していることを示している。
【００５６】
空転抑制制御装置２は、「空転が発生した」と判断された時点から所定対象時間Ｔ１だけ過去にさかのぼった時間内での上記微小空転時間ＴＭ１等の総和値Ｔ２を演算する。「空転が発生した」と判断された時点が図２における時刻ｔ１の場合には、微小空転時間総和値Ｔ２（＝ＴＭ１＋ＴＭ２＋ＴＭ３）を出力する。なお、過去にさかのぼる所定対象時間Ｔ１は、ＲＯＭ（図示せず）等に予め格納されている。
【００５７】
空転抑制制御装置２は、微小空転時間総和値Ｔ２と、あらかじめＲＯＭ（図示せず）等に格納されている所定対象時間Ｔ１の値から、除算（Ｔ２／Ｔ１）を演算し、その除算の商である微小空転時間比率を、しきい値である特定時間比ＴＡと比較する。この比較の結果、（Ｔ２／Ｔ１）≧ＴＡの場合には、ＳＣ１として「Ｙ」を出力し、（Ｔ２／Ｔ１）＜ＴＡの場合には「Ｎ」を出力する。なお、特定時間比ＴＡは、ＲＯＭ（図示せず）等に予め格納されている。
【００５８】
微小空転時間比率（Ｔ２／Ｔ１）と特定時間比ＴＡとの大小関係の意味を図２によって説明する。図２において、微小空転時間総和値Ｔ２は、時刻ｔ１から過去のさかのぼった時間Ｔ１内の微小空転時間ＴＭ１，ＴＭ２，ＴＭ３の総和値であり、（Ｔ２／Ｔ１）は、時間Ｔ１内における時間Ｔ２の比率となる。上述した「微小空転」と「大空転」について、この比率（Ｔ２／Ｔ１）の経験値を見ると、一般に、大空転の場合には、微小空転時間が非常に短く早期に大空転に移行する。このため、（Ｔ２／Ｔ１）の値はかなり小さいことが多い。
【００５９】
一方、微小空転が続く場合には、微小空転時間が長い。このため、（Ｔ２／Ｔ１）の値は比較的大きな値となることが多い。したがって、特定時間比ＴＡを、適切な値、例えば０．２〜０．５程度の値に設定しておけば、（Ｔ２／Ｔ１）が特定時間比ＴＡ以上の場合には微小空転が続くと判断してよく、（Ｔ２／Ｔ１）がＴＡ未満の場合には大空転となると判断してよい。
【００６０】
一方、空転抑制制御装置２は、入力された速度差ＶＳと駆動車輪加速度ＶＤＤから、例えばαとβを係数として、下式
ＦＣ＝α×ＶＤＤ＋β×ＶＳ    ………（１２）
により帰還駆動力指令ＦＣを演算する。
【００６１】
上記した帰還駆動力指令ＦＣの意味について説明する。例えば、主幹制御器駆動力指令ＭＣの単位がノッチの目盛数の場合、係数αの単位を、〔（ノッチ目盛数×秒2 ）／メートル〕とし、係数βの単位を、〔（ノッチ目盛数×秒）／メートル〕としておけば、駆動車輪加速度ＶＤＤの単位は（メートル／秒2 ）であり速度差ＶＳの単位は（メートル／秒）であるため、帰還駆動力指令ＦＣの単位を（ノッチ目盛数）とすることができる。また、係数α、βの値を適切な値に設定しておけば、例えばＦＣ＝０．３ＭＣ程度の値とすることができる。
【００６２】
空転抑制制御装置２は、「Ｙ」の信号ＳＣ１と、帰還駆動力指令ＦＣから、下式
ＧＣ＝ＦＣ×｛１−（Ｔ２／Ｔ１）｝  ………（１３）
により、減算駆動力指令ＧＣを演算する。
【００６３】
上式（１３）の意味について説明する。この空転抑制制御装置２は、後述する大空転の場合には、空転抑制制御を行うべき状態であると判断した場合には、主幹制御器駆動力指令ＭＣを、それよりも低い値である第１制御駆動力指令ＮＣ１（＝ＭＣ−ＦＣ）に変更して燃料制御装置３に出力する。しかし、微小空転時においては、上記の第１制御駆動力指令ＮＣ１の値までノッチを低下させると、速度低下が大きすぎ、駆動力の回復が遅くなる。
【００６４】
このため、本実施形態の空転抑制制御装置２では、微小空転の場合には、燃料制御装置３に出力する制御駆動力指令を、上記の第１制御駆動力指令ＮＣ１（＝ＭＣ−ＦＣ）よりもやや大きな第２制御駆動力指令ＮＣ２とし、速度低下を緩和し、駆動力の回復を速めようとするものである。すなわち、第１制御駆動力指令ＮＣ１の場合には、主幹制御器駆動力指令ＭＣから帰還駆動力指令ＦＣを減算しているが、この第２制御駆動力指令ＮＣ２の場合には、主幹制御器駆動力指令ＭＣから減算駆動力指令ＧＣを減算することとし、ＧＣ＜ＦＣとなるように設定することとした。
【００６５】
このようにするには、０＜ＧＫ＜１となる減算係数ＧＫを設定し、下式
ＧＣ＝ＧＫ×ＦＣ          ………（１４）
とすればよい。上式（１３）においては、｛１−（Ｔ２／Ｔ１）｝が減算係数ＧＫに相当する。０＜（Ｔ２／Ｔ１）＜１であるから、０＜｛１−（Ｔ２／Ｔ１）｝＜１となる。
【００６６】
上式（１４）のようにして減算駆動力指令ＧＣを決定する場合には、帰還駆動力指令ＦＣが決定されれば、ＧＣはＦＣに単純に比例した値となる。しかし、上式（１３）のようにして減算駆動力指令ＧＣを決定すれば、微小空転時間の割合が多い場合（ほぼ確実に微小空転が続く場合）には、（Ｔ２／Ｔ１）は０＜（Ｔ２／Ｔ１）＜１の範囲内で大きな値となるため、｛１−（Ｔ２／Ｔ１）｝は０＜｛１−（Ｔ２／Ｔ１）｝＜１の範囲内で小さな値となる。したがって、ＧＣは０＜ＧＣ＜ＦＣの範囲内で小さな値となる。
【００６７】
逆に、微小空転時間の割合が少ない場合（微小空転が続くかどうか不確実な場合）には、（Ｔ２／Ｔ１）は０＜（Ｔ２／Ｔ１）＜１の範囲内で小さな値となるため、｛１−（Ｔ２／Ｔ１）｝は０＜｛１−（Ｔ２／Ｔ１）｝＜１の範囲内で大きな値となる。したがって、ＧＣは０＜ＧＣ＜ＦＣの範囲内で大きな値となる。
【００６８】
すなわち、ほぼ確実に微小空転が続くと考えられる場合には、第２制御駆動力指令ＮＣ２（＝ＭＣ−ＧＣ）は、ＭＣに比べてわずかに低い値となり、これによりディーゼル機関４の出力はＭＣによる出力よりもわずかに低くなるだけである。一方、微小空転が続くかどうか不確実と考えられる場合（大空転に移行する可能性もある場合）には、第２制御駆動力指令ＮＣ２（＝ＭＣ−ＧＣ）は、ＭＣに比べてかなり低い値となり、これによりディーゼル機関４の出力はＭＣによる出力よりもかなり低くなる。このような制御は、現実の車両における状況に非常に適しており、最適な空転抑制制御となる。
【００６９】
空転抑制制御装置２は、減算駆動力指令ＧＣが入力された場合には、主幹制御器駆動力指令ＭＣのかわりに、ＭＣよりも低減された第２制御駆動力指令ＮＣ２（＝ＭＣ−ＧＣ）を燃料制御装置３に出力する。
【００７０】
燃料制御装置３は、入力された第２制御駆動力指令ＮＣ２に基づいた燃料噴射量指令（図示せず）をディーゼル機関４に出力する。ディーゼル機関４は、入力された燃料噴射量指令に基づき、ＭＣの場合よりもＧＣだけ低減された回転力を発生し、この低減された回転力は液体変速機５と推進軸６を介して駆動車輪７に伝達される。駆動車輪７は、伝達された回転力により車両を走行させる。したがって、駆動車輪速度ＶＤは、ＭＣの場合よりもＧＣだけ低減され、空転が抑制されることになる。
【００７１】
上記した制御において、図２における時刻ｔ２のように、ＶＳ≧ＶＳ２となった場合には、空転抑制制御装置２は、その時刻ｔ２において「空転が発生した」と判断する。このため、この場合には、時刻ｔ２から所定対象時間Ｔ１だけ過去にさかのぼって上記と同様の処理を行う。
【００７２】
次に、上記の空転抑制制御を行っている途中で、運転操作者（図示せず）が、主幹制御器１を操作した場合を考える。この場合には、主幹制御器１から新たな主幹制御器駆動力指令ＭＣ′が空転抑制制御装置２に出力されることになる。このような場合には、空転抑制制御装置２は、上記の制御を無効とし、変化後制御駆動力指令ＮＣ′（＝ＭＣ′）を燃料制御装置３に出力する
【００７３】
これは、主幹制御器１のノッチアップにより、駆動力が増加するが、トルクコンバータの影響のため、時間遅れが生じ、ゆっくりと増加する可能性がある。このため、空転と判断した時点以降も駆動力が増加する可能性があることから、すみやかに駆動力を低減させる必要があるためである。
【００７４】
上記のようにして、空転抑制制御装置２により空転抑制制御が行われる。本実施形態の空転抑制装置２は、従来の空転抑制制御装置に比べて、早期に駆動力を回復することができる、という利点を有している。
【００７５】
なお、図１に示した空転抑制制御装置２は、上記したように、図示しないＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等が実行するソフトウェアによって実現されるほか、各演算を行う手段を、加算器（加算回路）、減算器（減算回路）、乗算器（乗算回路）、除算器（除算回路）等の組合わせによって構成し、比較を行う手段を比較器（比較回路）で構成するなどして、ハードウェアとして実現してもよい。
【００７６】
上記した実施形態において、鉄道用ディーゼル車両１００は鉄車輪系移動体に相当している。また、燃料制御装置３とディーゼル機関４は、原動機を構成している。
【００７７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００７８】
例えば、上記した実施形態の鉄道車両の空転抑制制御装置においては、制御対象の鉄車輪系移動体として鉄道用ディーゼル車両１００を例に挙げて説明したが、本発明はこれには限定されず、制御対象の鉄車輪系移動体は他の構成のものであってもよく、例えば、鉄道車両であれば、ディーゼル車両だけでなく電車や電気機関車等の鉄道用電動車両、鉄道以外では、走行クレーン、エレベーター等であってもよい。要は、鉄車輪を駆動し鉄製走行路を走行するものであって、運転操作者の操作により主幹制御器が主幹制御器駆動力指令を出力して原動機を所定出力状態に設定することによって駆動されるものであれば、どのようなものであってもよいのである。
【００７９】
また、上記した実施形態においては、各演算手段や比較手段における出力「Ｙ」や「Ｎ」は逆のものを用いてもよい。また、「Ｙ」信号、「Ｎ」信号以外に、「Ｈ（高レベル）」信号と「Ｌ（低レベル）」信号、「１」信号と「０」信号などであってもよい。また、ある「しきい値」以上の場合と未満の場合とで比較するのではなく、ある「しきい値」より大きな場合とそれ以下の場合とで比較するようにしてもよい。また、ある「しきい値」以下の場合とそれよりも大きな場合とで比較するのではなく、ある「しきい値」未満の場合とそれ以上の場合とで比較するようにしてもよい。
【００８０】
また、上記した実施形態においては、ＧＣ＝ＦＣ×｛１−（Ｔ２／Ｔ１）｝なる式により減算駆動力指令ＧＣを演算する例について説明したが、本発明はこれには限定されず、他の方法、例えば、下式
ＧＣ＝ＦＣ×｛１−（Ｔ２／Ｔ１）｝2   ………（１５）
によってＧＣを演算するようにしてもよい。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、速度差（ＶＳ）が駆動車輪の微小空転の場合のしきい値である第１速度差（ＶＳ１）以上となる時間である微小空転時間の、判断時点から所定対象時間（Ｔ１）だけ過去にさかのぼった時間内での総和値（Ｔ２）の所定対象時間（Ｔ１）に対する比率である微小空転時間比率（Ｔ２／Ｔ１）がしきい値である特定時間比（ＴＡ）以上である場合には、帰還駆動力指令（ＦＣ）の値を低減させた減算駆動力指令（ＧＣ）だけ主幹制御器駆動力指令（ＭＣ）を低減させた第２制御駆動力指令（ＮＣ２＝ＭＣ−ＧＣ）に主幹制御器駆動力指令（ＭＣ）を変更して原動機の出力制御を行うことにより駆動車輪の微小空転を抑制するようにしたので、早期に駆動力を回復することができる、という利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である鉄道用ディーゼル車両の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す鉄道用ディーゼル車両における空転抑制制御の状況を説明する図である。
【図３】鉄道車両における駆動車輪とレールとの間の摩擦作用（粘着作用）を説明する概念モデル図である。
【図４】鉄道車両の駆動車輪における大空転の状態を示す図である。
【図５】図４に示す駆動車輪の大空転の発生原因を説明する図である。
【図６】鉄道車両の駆動車輪における微小空転の状態を示す図である。
【図７】図６に示す駆動車輪の微小空転の発生原因を説明する図である。
【図８】従来の鉄道車両における空転抑制制御方法を説明する図である。
【符号の説明】
１  主幹制御器
２  空転抑制制御装置
３  燃料制御装置
４  ディーゼル機関
５  液体変速機
６  推進軸
７  駆動車輪
８  従動車輪
９  駆動車輪速度センサ
１０  従動車輪速度センサ
１００  鉄道用ディーゼル車両
Ｄ  駆動車輪
Ｆ，Ｆ。，Ｆ１，Ｆ２  駆動車輪周方向力
ＦＣ  帰還駆動力指令
ＭＣ  主幹制御器駆動力指令
ＭＣ′  変化後主幹制御器駆動力指令
ＮＣ  制御駆動力指令
ＮＣ′  変化後制御駆動力指令
ＮＣ１  第１制御駆動力指令
ＮＣ２  第２制御駆動力指令
ＧＣ  減算駆動力指令
ＧＫ  減算係数
Ｒ  レール
Ｔ１  所定対象時間
Ｔ２  微小空転時間総和値
ＴＡ  特定時間比
ＶＤ  駆動車輪速度
ＶＤＤ  駆動車輪加速度
ＶＤＤ１  第１加速度
ＶＳ  速度差
ＶＳ１  第１速度差
ＶＳ２  第２速度差
ＶＴ  従動車輪速度
Ｗ，Ｗ。  軸重
μ，μ１〜μ４  接線力係数
μ。  摩擦係数
【図１】
0004234249.tif 000002
【図２】
0004234249.tif 000003
【図３】
0004234249.tif 000004
【図４】
0004234249.tif 000005
【図５】
0004234249.tif 000006
【図６】
0004234249.tif 000007
【図７】
0004234249.tif 000008
【図８】
0004234249.tif 000009