JP2009101961A - 鉄道車両用制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ダンパーに減衰力切り替え機能のような複雑な機構を付加することなく、或いはダンパーを省略し、かつ全ての速度域で効果的な振動抑制を行えるようにする。
【解決手段】モータ１２の回転を直線運動に変換する電動アクチュエータ１１によって、車体４の振動に対して逆位相の制御力を発生させ、車体４の振動を抑制する鉄道車両用制御装置である。前記アクチュエータ１１による制御を行わないときには、モータ１２の回転を直線運動に変換する変換機構により、当該アクチュエータ１１が前記振動を減衰させるダンパーとして機能するようにする。
【効果】装置全体として低メンテナンス・重量軽減・低コストなどの効果が得られる。また制御性能が良くなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両の振動を低減して乗り心地の改善を図る制御装置に関するものである。

鉄道車両において従来から採用されてきたアクティブ制御装置は、台車に設置されている二次ばね部のダンパーと並列にアクチュエータを設置した構成で、車体の振動に対してアクチュエータを逆位相に動作させることにより車両の乗り心地を向上させていた。

従来のアクティブ制御装置においては、通常、振動が大きくなる高速走行時にアクチュエータの制御を行うが、その際、アクチュエータの制御を行わない場合や制御自体のフェール時に車両の安全性を確保するために設置されたダンパーの減衰力が抵抗になって制御性能が悪化する。

そこで、例えば特許文献１のように、アクチュエータの制御を行う場合と行わない場合で、ダンパーの減衰力や減衰係数を切り替えるようにしている。
特開平４−２８７７６３号公報

特許文献１では、アクチュエータ１と並列に設置したダンパー２に減衰力切替え機能を持たせ、振動が大きくなる高速走行時には、制御器３からの指令により絞りを大きくしてダンパー２の減衰力が小さくなるように切り替えてアクチュエータ１の制御を行う。一方、低速走行時には、制御器３はアクチュエータ１の制御を行わず、ダンパー２の絞りが小さい減衰力が大きい状態のダンパー２のみで振動を減衰させる（図９参照）。図９中の４は車体、５は台車、６は輪軸を示す。

しかしながら、特許文献１のように、ダンパーに減衰力切替え機能を持たせた場合、ダンパーの構造が複雑になって大型化するのと共に、メンテナンス性も悪くなるという問題がある。

本発明が解決しようとする問題点は、全ての速度域で効果的な振動抑制を行うために、減衰力切替え機能を有するダンパーを使用した場合は、ダンパーの機構が複雑になって大型化するのと共に、メンテナンス性も悪くなるという点である。

本発明は、ダンパーに減衰力切り替え機能のような複雑な機構を付加することなく、或いはダンパーを省略し、かつ全ての速度域で効果的に振動の抑制が行えるようにするために、以下の構成を採用している。

すなわち、第１の本発明の鉄道車両用制御装置は、
モータの回転を直線運動に変換する電動アクチュエータによって、車体の振動に対して逆位相の制御力を発生させ、車体の振動を抑制する鉄道車両用制御装置であって、
前記アクチュエータによる制御を行わないときには、当該アクチュエータが前記振動を減衰させるダンパーとして機能するようにしたことを主要な特徴としている。

また、第２の本発明の鉄道車両用制御装置は、
電磁アクチュエータによって、車体の振動に対して逆位相の制御力を発生させ、車体の振動を抑制する鉄道車両用制御装置であって、
エネルギーを消費又は蓄積する部材を備え、
前記アクチュエータによる制御を行わないときには、前記部材が前記振動を減衰させるダンパーとして機能するようにしたことを主要な特徴としている。

本発明では、電動アクチュエータの場合は当該電動アクチュエータが、また電磁アクチュエータの場合はエネルギーを消費又は蓄積する部材が、アクチュエータによる制御を行わないときの振動を減衰させるダンパーとしての機能を果たすので、ダンパーが不要になって、小型化と重量の軽減が図れる。またダンパーが不要になるので、制御性能が悪化することもなく、装置全体のメンテナンス性も良くなる。

本発明の鉄道車両用制御装置において、前記アクチュエータは、車体と台車との間、車体とボルスタとの間、或いはボルスタと台車との間の何れに設けられているものでも良い。また、連結された車両と車両の間における車両の幅方向両側に、それぞれ進行方向前後に向けてストロークするように設けられているものでも良い。

また本発明の鉄道車両用制御装置では、前記アクチュエータに、構造が簡単な減衰力可変機能を有しないダンパーを併設しても良い。この場合は、アクチュエータによる制御を行わないときの振動を減衰させるダンパーとしての機能は、電動アクチュエータ、またはエネルギーを消費又は蓄積する部材と、このダンパーが果たすので、このダンパーは通常のものより小さいもので良い。

本発明では、構造の複雑な減衰力切替え機能を有するダンパーを必要としないので、装置全体として低メンテナンス・重量軽減・低コストなどの効果が得られる。また、ダンパーを設けない場合は勿論、通常のダンパーを併設した場合も、このダンパーは通常のものよりも小さいものでよいため、制御性能が良くなる。

以下、本発明を実施するための各種の形態例を、図１〜図８を用いて説明する。
本発明の鉄道車両用制御装置は、例えば図１のように、車体４と台車５の間に設置するアクチュエータとして、電動アクチュエータ１１を使用し、この電動アクチュエータ１１にダンパーとしての機能を持たせるのである。

すなわち、モータ１２の回転を例えばボールねじ１１ａやローラねじ等を用いて直線運動に変換する電動アクチュエータ１１では、モータ１２の回転を直線運動に変換する変換部の摩擦等の抵抗で、ダンパーの減衰力と同じ役割を果たさせるのである。

従って、この抵抗を最適化することにより、図１（ａ）に示すように、二次ばね部のダンパーを省略することができる。また、図１（ｂ）に示すように、減衰力切替え機能を有さない通常のダンパー１３を併設する場合も、より小型のダンパー１３を使用することができる。

つまり、本発明では、電動アクチュエータ１１は、高速走行時には、従来通り車体４の振動に対して逆位相の制御力を発生させるべく制御してアクチュエータとして機能させる。そして、この制御に際しては、ダンパー１３を併設していない場合は制御性能が悪化することはない。ダンパー１３を併設した場合も、従来よりも小型のダンパーであるため、制御性能に及ぼす影響は少なくなる。

一方、低速走行時には、電動アクチュエータ１１の制御を行わず、電動アクチュエータ１１にダンパーとしての機能を発揮させることにより、車体４の振動を減衰させるのである。

このように、本発明では、高速走行時の制御性能が向上するのと共に、エネルギー効率もよくなる。また、減衰力切り替え機能付きダンパーを用いることがないので、軽量化が可能になるという効果も有する。

図２は、車両の二次ばね部に、ローラねじを用いた電動アクチュエータを取り付けた時（○印）と、取り付けない時（×印）の、車体のヨーイング振動加速度の大きさを測定した結果を示した図である。

図２より明らかなように、電動アクチュエータを取り付けた場合、電動アクチュエータの抵抗分だけヨーイング振動加速度のピーク値が小さくなるだけで、固有振動数（１．１Hz）は変わらず、まるでダンパーを取り付けたような結果となっていることが分かる。

図２と同じ条件で車体の左右振動加速度とローリング振動加速度の大きさを測定した結果を図３、図４に示すが、車体の左右振動加速度とローリング振動加速度の場合も、車体のヨーイング振動加速度の場合と同様の結果が得られた。

これら図２〜図４より、ローラねじを用いた電動アクチュエータを取り付けた場合は、等価的に減衰係数が２０kNs／m程度のダンパーの特性を有することが分かる。

減衰係数は電動アクチュエータの変換部の抵抗により変化するものと考えられるが、電動アクチュエータの抵抗は、ねじのリードを小さくすると大きくなり、ねじのリードを大きくすると小さくなるので、このリードを最適化することによって，減衰性能を調整することができる。

ちなみに、新幹線電車の動揺防止制御装置では、減衰係数を８０kNs／mと２０kNs／mに切り替えることが可能なダンパーを使用して、下記表１のような制御により車体に発生する振動を抑制している。

従って、仮に電動アクチュエータの抵抗で６０kNs／mの等価的減衰係数を実現できれば、下記表２のように、減衰係数を切替え可能なダンパーに代えて、減衰係数が２０kNs／mの通常ダンパーを使用した制御で、同様の振動抑制が可能になる。

さらに、電動アクチュエータの抵抗で８０kNs／mの等価的減衰係数を実現できれば、下記表３のように、減衰係数を切替え可能なダンパーはもとより、通常のダンパーも使用することなく同様の制御を行うことができる。

このように、取り付ける電動アクチュエータは、図１（ａ）のように減衰係数を切替え可能なダンパーを省略する場合は、この減衰係数を切替え可能なダンパーの非制御時と同等の減衰力（減衰係数）を発生できるものとする。

一方、図１（ｂ）のように通常のダンパーを併設する場合は、電動アクチュエータで発生する減衰力は、制御を行わない時に必要とされる減衰力と、通常のダンパーの減衰力の差の減衰力を発生できるものとする。

本発明は上記の各例に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範疇であれば自由に変更が可能である。

例えば上記のようなモータ１２の回転によりボールねじ１１ａ或いはローラねじ等のねじ部を回転させてストロークする電動アクチュエータ１１の場合、モータ部に図５のように回生抵抗部１４を設置しても良い。

この場合、モータ１２が回転抵抗となってダンパーと同等の作用を発揮することになって、回生抵抗部１４などの調整により所望の減衰力を得ることができるので、電動アクチュエータ１１で発生させる減衰力はその分だけ小さくて良い。また、抵抗でモータの励磁電流を消費するのではなく、その他の機器への有効活用を行っても良い。

一方、電動アクチュエータ１１の制御を行わない場合は、振動により発生する電流を抵抗にて消費させることにより、振動エネルギーを減衰させてダンパー機能を持たせる。回生エネルギーを抵抗にて消費させる他に、例えば蓄電池に蓄積させるなどの手段を用いても良い。

電動アクチュエータの場合、ダンパーとしての機能を、電動アクチュエータのモータの回転を直線運動に変換する変換機構によって得るものに限らず、採用するねじの潤滑油の粘度、ねじ切り方法などを調整することによって得ても良い。

また、電動アクチュエータに代えて、図６に示すようなコイル部１５ａに電力を供給して永久磁石部１５ｂをストロークさせる電磁アクチュエータ１５を採用しても良い。但し、電磁アクチュエータ１５を採用する場合は、非制御時に摩擦等の抵抗が少ないので、回生抵抗部１４または蓄電池等は必須となる。

この電磁アクチュエータ１５を採用する場合に、アクチュエータを動作させないときは、電動アクチュエータの場合と同様に、電磁アクチュエータ１５のコイル部１５ａに誘導起電力が発生してストロークの抵抗となるので、このコイル部１５ａに回生抵抗を設置することで減衰力が得られる。

以上のアクチュエータは、図１に示したように車体４と台車５間に設置するものに限らず、車体とボルスタ間に設置するものでも、またボルスタと台車間に設置するものでも良い。

以上の説明では二次ばね部にアクチュエータを設置することで、左右振動、ヨーイング振動、ローリング振動を抑制する例を示したが、本発明はこれに限らず、非制御時にダンパー機能を有するアクチュエータであれば良い。

例えば図７に示すように、二次ばね部の上下振動を減衰するためのアクチュエータ２１等に用いることもできる。

また図８に示すように、連結された車両７と車両７の間における車両７の幅方向両側に、それぞれ進行方向前後に向けてストロークするように設置される車体間ヨーダンパの代わりのアクチュエータ２１としても良い。この場合、これらアクチュエータ２１で車両７間のヨーイングを制御し、非制御時にヨーダンパ並の減衰を出すようにする。図８中の２２はヨーレートジャイロを示す。

（ａ）は本発明の鉄道車両用制御装置の第１の例を示す概略図、（ｂ）は同じく第２の例を示す概略図、（ｃ）はモータの回転を直線運動に変換する電動アクチュエータの一例を説明する図である。 車両の二次ばね部に電動アクチュエータを取り付けた時（○印）と、取り付けない時（×印）の、車体のヨーイング振動加速度の大きさを測定した結果を示した図である。 車体の左右振動加速度の大きさを測定した結果を示した図２と同様の図である。 ローリング振動加速度の大きさを測定した結果を示した図２と同様の図である。 図１（ｃ）に示す電動アクチュエータのモータに回生抵抗部を取付けた例を説明する図である。 図１の電動アクチュエータに代えて設置する電磁アクチュエータの説明図である。 本発明を二次ばね部の上下振動を減衰するためのアクチュエータに適用する場合の説明図である。 本発明を連結された車両間における車両の幅方向両側に設置される車体間ヨーダンパの代わりのアクチュエータとして適用する場合の説明図である。 アクチュエータの制御を行う場合と行わない場合で、ダンパーの減衰力や減衰係数を切り替えるようにした制御装置の説明図である。

符号の説明

３ 制御器
４ 車体
５ 台車
７ 車両
１１ 電動アクチュエータ
１２ モータ
１３ 通常のダンパー
１４ 回生抵抗部
１５ 電磁アクチュエータ
２１ アクチュエータ

Claims (7)

1. モータの回転を直線運動に変換する電動アクチュエータによって、車体の振動に対して逆位相の制御力を発生させ、車体の振動を抑制する鉄道車両用制御装置であって、
   前記アクチュエータによる制御を行わないときには、当該アクチュエータが前記振動を減衰させるダンパーとして機能するようにしたことを特徴とする鉄道車両用制御装置。
2. 前記アクチュエータのモータの回転を直線運動に変換する変換機構に、前記振動を減衰させるダンパーとしての機能を果たさせることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用制御装置。
3. エネルギーを消費又は蓄積する部材をさらに備え、
   この部材が前記振動をさらに減衰させるダンパーとして機能するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄道車両用制御装置。
4. 電磁アクチュエータによって、車体の振動に対して逆位相の制御力を発生させ、車体の振動を抑制する鉄道車両用制御装置であって、
   エネルギーを消費又は蓄積する部材を備え、
   前記アクチュエータによる制御を行わないときには、前記部材が前記振動を減衰させるダンパーとして機能するようにしたことを特徴とする鉄道車両用制御装置。
5. 前記アクチュエータは、
   車体と台車又はボルスタとの間、或いはボルスタと台車との間に設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の鉄道車両用制御装置。
6. 前記アクチュエータは、
   連結された車両と車両の間における車両の幅方向両側に、それぞれ進行方向前後に向けてストロークするように設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の鉄道車両用制御装置。
7. 前記アクチュエータに、減衰力可変機能を有しないダンパーが併設されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の鉄道車両用制御装置。

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