JP2010264964A - 鉄道車両用空気ばねの制御方法及び制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】柔らかいばね特性を実現しつつ、空気ばねの固有振動数の変更を可能とする。
【解決手段】車体３と台車１間に設けた空気ばね２に空気を給排気するサーボバルブ６と、該サーボバルブ６を制御する制御器７を備えた鉄道車両用空気ばねの制御に関する発明である。車体３と台車１との相対変位センサ８で検出した相対変位を微分して相対速度を求める。この相対速度を制御器７にフィードバックして空気ばね２に給排気する空気流量を制御する。
【効果】補助空気室の容積や空気ばねの絞りの径を変更せずに、望みの空気ばね特性に制御することができる。従って、柔らかいばね特性を実現しても、車体と台車の干渉や、曲線通過時の遠心力増加や上下方向のストッパ衝突による乗り心地悪化、曲線での停車中に車体の倒れ込みが発生することを効果的に抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両に用いられる空気ばねを制御する方法、及びこの制御方法を実施する装置に関するものである。

近年の多くの鉄道車両は、台車と車体間に設けた空気ばね（主空気室）に容積の大きな補助空気室を連結し、この補助空気室に空気を封入することによって柔らかいばね特性を得、優れた乗り心地を実現している。そして、空気ばねと補助空気室を結ぶ長い空気通路の途中に設けた固定絞りによって減衰性を得て振動のピークを低減するような構造となっている。

しかしながら、鉄道車両の高速化に伴って激しくなる上下方向の振動を抑制するために前記補助空気室の容積を大きくすると、台車の限られたスペースの中で、補助空気室の設置スペースや空気通路の引き回しが問題となるほか、以下の問題も生じる。

(1) ローリング方向の剛性が小さくなるので、曲線通過時、遠心力の増加によって空気ばねの上下変位が大きくなり、上下方向のストッパが衝突して乗り心地を悪化させる。また、曲線での停車中に車体が倒れ込む、などの問題が生じる。

(2) 上下方向の剛性の低下によって空気ばねの上下方向の変位（以下、上下変位と略す。）が大きくなるので、車体と台車が干渉するという問題が生じる。

そこで、空気ばねと補助空気室を結ぶ空気通路に設けた絞りの大きさを、振動によって連続的に変化させることで、上下振動を抑制する技術が提案されている（例えば特許文献１）。

しかしながら、絞りの大きさを振動によって連続的に変化させる可変絞り機構は、構造が複雑であり、メンテナンス性やフェールセーフの点で問題がある。

特開平６−２３９２３０号公報

本発明が解決しようとする問題点は、柔らかいばね特性を得るために補助空気室を大きくすると、車体と台車の干渉に加えて、曲線通過時の遠心力増加や上下方向のストッパ衝突による乗り心地悪化、曲線での停車中に車体の倒れ込みが発生するという点である。

本発明の鉄道車両用空気ばね制御は、柔らかいばね特性を実現しても、車体と台車の干渉や、曲線通過時の遠心力増加や上下方向のストッパ衝突による乗り心地悪化、曲線での停車中に車体の倒れ込みが発生しないようにすることを目的としている。

すなわち、本発明の鉄道車両用空気ばねの制御方法は、
柔らかいばね特性を実現しつつ、空気ばねの固有振動数の変更を可能とするために、
車体と台車間に設けた空気ばねに空気を給排気するサーボバルブと、該サーボバルブを制御する制御器を備えた鉄道車両用空気ばねの制御方法であって、
車体と台車との相対速度を検出し、この検出した相対速度を前記制御器にフィードバックして前記空気ばねに給排気する空気流量を制御することを最も主要な特徴としている。

本発明の鉄道車両用空気ばねの制御方法において、さらに車体の上下加速度を制御器にフィードバックし、空気ばねに給排気する空気流量の制御に使用するようにした場合は、固有振動ピークの低減が図れるようになる。

また、本発明の鉄道車両用空気ばねの制御方法において、さらに空気ばねへの給排気流量を制御器にフィードバックし、空気ばねに給排気する空気流量の制御に使用するようにした場合は、より精度の良い制御が行えるようになる。

本発明の鉄道車両用空気ばねの制御方法は、
車体と台車間に備えた空気ばねに空気を給排気するサーボバルブと、
該サーボバルブを制御する制御器と、
車体と台車間の相対変位を計測する変位センサと、
車体の上下加速度を測定する加速度センサと、
空気ばねへの給排気流量を測定する流量計と、
を備え、
前記制御器は、フィードバックされた、前記変位センサの測定結果を微分した相対速度と、前記加速度センサ及び前記流量計の測定結果をもとに前記サーボバルブへの制御指令を行うものである本発明の鉄道車両用空気ばねの制御装置により実施できる。

本発明では、空気ばねに空気を給排気するサーボバルブを制御する制御器に車体と台車の相対速度をフィードバックして空気ばねの固有振動数を変更することで、補助空気室の容積や空気通路に設けた絞り径を変更せずに、望みの空気ばね特性を得ることができる。

従って、柔らかいばね特性を実現しても、車体と台車の干渉や、曲線通過時の遠心力増加や上下方向のストッパ衝突による乗り心地悪化、曲線での停車中に車体の倒れ込みが発生することを効果的に抑制できる。

また、前記のような乗り心地の向上だけでなく、省スペース化・省エネルギー化や空気ばね設計の自由度の拡大が図れる。

本発明の鉄道車両用空気ばねの制御方法を実施する本発明の制御装置の構成を示す概略図である。 本発明の鉄道車両用空気ばねの制御方法のブロック線図である。 本発明の鉄道車両用空気ばねの制御装置を使用した本発明の制御方法のシミュレーション結果を示した図である。

本発明では、柔らかいばね特性を実現しつつ、空気ばねの固有振動数の変更を可能とするという目的を、空気ばねに空気を給排気するサーボバルブを制御する制御器に車体と台車の相対速度をフィードバックすることで実現した。

以下、本発明を実施するための最良の形態例について、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用空気ばねの制御方法を実施する本発明の制御装置の構成を示す概略図である。

鉄道車両の走行時、台車１は軌道からの外乱を受けて上下に振動し、この振動は空気ばね２を介して車体３に伝達される。

本発明の空気ばねの制御装置は、車両の２次ばね系を構成する空気ばね２と空気だめ４を連結する配管５の途中に設けたサーボバルブ６の開度調節を制御器７からの指令に従って行ない、空気ばね２に給排気することで前記の上下振動を抑制するようにしている。

その際、本発明では、車体３と台車１の間に相対変位センサ８を取り付け、その計測値を前記制御器７にフィードバックしている。

図１では、前記サーボバルブ６と空気ばね２を繋ぐ配管５の途中に流量計（ＱＦＳ）９を設け、この流量計９で空気だめ４から空気ばね２に給排気する圧縮空気の流量を計測して前記制御器７にフィードバックするものを示している。また、車体３には上下加速度センサ１０を取り付け、その計測値を前記制御器７にフィードバックするものを示している。

制御器７は相対変位センサ８、ＱＦＳ９、上下加速度センサ１０からフィードバックされた３つの計測値から制御指令を計算してサーボバルブ６に出力する。

図２は図１に示した構成の本発明の鉄道車両用空気ばねの制御装置を用いた本発明の鉄道車両用空気ばねの制御方法のブロック線図である。
以下、この図２に示すブロック線図を使用して本発明の鉄道車両用空気ばねの制御方法を説明する。

図２において、Kvfは車体３と台車１の相対速度のフィードバックゲインを表している。本発明では、相対変位センサ８の信号を疑似微分フィルタ１１で擬似微分することにより、相対変位センサ８による計測値から得られる相対速度を制御器７にフィードバックしている。

相対速度に比例した給排気の実施は、空気ばね２と連結した補助空気室に出入りする圧縮空気の流量を模擬することに等しいため、相対速度のフィードバックゲインKvfを調整することで擬似的に補助空気室の容積を調整することと等しい効果が得られる。

つまり、車体３と台車１の相対速度をサーボバルブ６の流量制御にフィードバックすることで、空気ばね２の固有振動数を変更することが可能になる。

また、図２において、Kaは車体３の上下加速度のフィードバックゲインを表しており、図２のように、車体３の上下加速度も制御器７にフィードバックするようにすれば、スカイフックダンパが実現できて、振動のピークを低減できるようになる。

このように、Kvfにより共振周波数を、Kaにより振動の減衰を変更できるので、本発明では、これらを操作することで、従来のように補助空気室の容量や空気ばねの絞りの径を変更することなく、空気ばね特性を望みの特性に制御することが可能になる。

また、図２では、空気だめ４から空気ばね２に給気する圧縮空気の流量を流量計９で計測して制御器７にフィードバックするサーボバルブ６の流量制御系を構成することで、サーボバルブ６の非線形性を回避して制御性能を向上させ、目標通りの空気流量を実現できるものを示している。

図３は、図１に示す本発明の制御装置を使用した、図２に示すブロック線図による本発明の制御方法により、台車から振動入力を加えた場合のシミュレーション結果を示した図である。シミュレーションに使用した各パラメータは以下の通りである。

空気ばねの内容積 Vo：２３．９［リットル］
補助空気室の内容積Vt：９５．０［リットル］
空気ばねの有効受圧面積 A：２０５６［cm²］

空気ばねの有効受圧面積変化率：７．４［cm²／cm］（空気ばね高さが１cm上昇するごとに有効受圧面積が７．４cm²ずつ増加）
空気ばねと補助空気室の間の空気通路の長さL：３［m］
空気ばねと補助空気室の間の空気通路に設けられた絞りの直径： ４３［mm］

空気ばねのばね上の質量： ８０００［kg］
空気ばねの上下剛性の理論値：２１２×１０³［N／m］
空気ばねの減衰係数の理論値： ８４８［N／（m／s）］

図３において、◆及び▲で示した線図（Passive）は本発明の制御を適用しない従来の結果である。この従来例のうちの▲で示した線図は、補助空気室を設けない◆に対し、５０リットルの補助空気室を設けることで振動のピークを低周波に移動させ、乗心地に影響の大きい２Hz付近の振動を抑制するようにしたものである。

これに対して、本発明の制御方法を適用することで、補助空気室を設けなくても、振動のピークを移動させながら低減させることが可能であることが分かる（□で示した線図参照）。

さらに、車体の上下加速度のフィードバックを併用すると、より振動ピークを低くすることができることが分かる（△及び○で示した線図参照）。

本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、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。

例えば先に説明した例では、車体３と台車１の間に取り付けた相対変位センサ１０により検出した相対変位を微分して求めた相対速度を使用しているが、これに換えて相対速度センサを取り付けて直接検出した相対速度を使用しても良い。

以上の本発明は、鉄道車両用空気ばねの制御に限らず、自動車の空気ばねの制御であっても適用できる。

１ 台車
２ 空気ばね
３ 車体
６ サーボバルブ
７ 制御器
８ 相対変位センサ
９ 流量計
１０ 上下加速度センサ
１１ 疑似微分フィルタ

Claims (5)

1. 車体と台車間に設けた空気ばねに空気を給排気するサーボバルブと、該サーボバルブを制御する制御器を備えた鉄道車両用空気ばねの制御方法であって、
   車体と台車との相対速度を検出し、この検出した相対速度を前記制御器にフィードバックして前記空気ばねに給排気する空気流量を制御することを特徴とする鉄道車両用空気ばねの制御方法。
2. 前記相対速度として、検出した車体と台車の相対変位を微分したものを使用することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用空気ばねの制御方法。
3. 車体の上下加速度をさらに前記制御器にフィードバックし、前記空気ばねに給排気する空気流量の制御に使用することを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄道車両用空気ばねの制御方法。
4. 前記空気ばねへの給排気流量を計測してその結果をさらに前記制御器にフィードバックし、前記空気ばねに給排気する空気流量の制御に使用することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の鉄道車両用空気ばねの制御方法。
5. 車体と台車間に空気ばねを備えた鉄道車両用空気ばねの制御装置であって、
   空気ばねに空気を給排気するサーボバルブと、
   該サーボバルブを制御する制御器と、
   車体と台車間の相対変位を計測する変位センサと、
   車体の上下加速度を測定する加速度センサと、
   空気ばねへの給排気流量を測定する流量計と、
   を備え、
   前記制御器は、フィードバックされた、前記変位センサの測定結果を微分した相対速度と、前記加速度センサ及び前記流量計の測定結果をもとに前記サーボバルブへの制御指令を行うものであることを特徴とする鉄道車両用空気ばねの制御装置。

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