JP2012179970A - サスペンション制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サスペンション制御装置において、発熱量及び消費電力を低減する。
【解決手段】鉄道車両１の車体２と台車３との間にコイルバネ５及び減衰力可変ダンパ６を介装する。加速度センサ１０、１１の検出に基づき、コントローラ１２から制御電流を供給して減衰力可変ダンパ６の減衰力を調整することにより、車体２の振動を抑制する。減衰力可変ダンパ６を伸び側／縮み側の減衰力が制御電流に応じてハード／ソフト、ソフト／ソフト、ハード／ソフトとなる減衰力反転型とする。コントローラ１２により、減衰力特性をソフト／ソフトに指令する際、ソフト／ソフトとなる制御電流の領域において、最小の電流値に近い省電力値を制御電流として減衰力可変ダンパ６に供給する。これにより、最小限の電流の供給により、ソフト／ソフトの減衰力特性を得ることでき、発熱量及び消費電力を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、減衰力可変ダンパの減衰力を制御することにより、振動を抑制するサスペンション制御装置に関するものである

例えば鉄道車両は、走行中、軌道の不整、空気力加振による外乱等によって車体の上下、左右に様々な振動を生じるが、近年、高速運行化に伴い、これらの振動の抑制の要求が高まっており、新幹線、在来線を問わず、乗心地及び走行安定性の両面から振動の抑制が重要な課題の１つとなっている。

そこで、走行中の車体の振動を抑制するため、減衰力可変ダンパを用いたサスペンション制御装置が種々提案されている。この種の鉄道車両用のサスペンション制御装置は、輪軸と台車、台車と車体との間に、制御電流により減衰係数を可変とした減衰力可変ダンパを装着し、加速度センサ等の車両状態を検出する各種センサの検出に基づき、振動状態に応じて、コントローラにより制御電流を供給して減衰力可変ダンパの減衰力を適宜調整することにより、車体の振動を抑制する。

また、例えば特許文献１に記載されているように、ピストンロッドの伸び側と縮み側とで反対の減衰力特性すなわち、伸び側がハード（大きな減衰力を発生させる特性、以下同じ）で縮み側がソフト（小さな減衰力を発生させる特性、以下同じ）、及び、伸び側がソフトで縮み側がハードという組合せを選択的に設定可能な、いわゆる減衰力反転型の減衰力可変ダンパが公知である。このような反転型の減衰力特性により、いわゆるスカイフック理論に基づく振動制御を実行する際、ピストンロッドの行程判定が不要で、コントローラの処理負荷を軽減することが可能になる。

減衰力反転型の減衰力可変ダンパの減衰力特性について図４を参照して説明する。図４中にＨ／Ｓで示す領域を参照して、制御電流Ｉが０からＩ１の領域では、減衰力は、伸び側がハード（最大でほぼ一定）で縮み側がソフト（最小でほぼ一定）となり、制御電流ＩがＩ１からＩ２の領域では、電流の増大に伴い伸び側の減衰力が小さくなる。図４中にＳ／Ｓで示す領域を参照して、制御電流がＩ２からＩ３の領域では、減衰力特性は、伸び側、縮み側ともにソフトでほぼ一定となる。図４中にＳ／Ｈで示す領域を参照して、制御電流ＩがＩ３からＩ４の領域では、電流の増大に伴い縮み側の減衰力が大きくなり、Ｉ４を超えると縮み側の減衰力がハード（最大でほぼ一定）となる。これにより、制御電流に応じて、減衰力特性を伸び側がハードで縮み側がソフト（Ｈ／Ｓ）、伸び側及び縮み側共にソフト（Ｓ／Ｓ）、及び、伸び側がソフトで縮み側がハード（Ｓ／Ｈ）の組み合わせで選択的に切換えることができる。そして、伸び側及び縮み側共にソフト（Ｓ／Ｓ）の減衰力特性を指令する場合には、制御電流Ｉとして、Ｉ２からＩ３の中央値Ｉｃを供給するようにしている。

特開平１１−８２６０２号公報

上述のようなサスペンション制御装置においては、信頼性、耐久性の向上の観点から発熱量及び消費電力の低減が望まれている。
本発明は、発熱量及び消費電力を低減するようにしたサスペンション制御装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、コントローラによって制御電流を供給して減衰力可変ダンパの減衰力を制御することにより振動の抑制を行なうサスペンション制御装置において、
前記減衰力可変ダンパは、制御電流の大きさに応じて、伸び側の減衰力が大きく、縮み側の減衰力が小さい第１領域と、伸び側及び縮み側共に減衰力が小さい第２領域と、伸び側の減衰力が小さく、縮み側の減衰力が大きい第３領域の順で減衰力特性が変化し、
前記コントローラは、前記減衰力可変ダンパに対して、第２領域の減衰力特性を指令するとき、制御電流として前記第２領域において最小の電流値に近い省電力値の電流を供給することを特徴とする。

本発明によれば、発熱量及び消費電力を低減することができる。

本発明の一実施形態に係るサスペンション制御装置を適用した鉄道車両の要部の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係るサスペンション制御装置に用いられる減衰力可変ダンパの減衰力特性を示すグラフ図である。 本発明の一実施形態に係るサスペンション制御装置において、コントローラにより減衰力可変ダンパに制御電流を供給するための制御フローを示すフローチャートである。 従来の減衰力反転型の減衰力可変ダンパの減衰力特性を示すグラフ図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本実施形態に係るサスペンション制御装置が適用される鉄道車両を図１に示す。図１に示すように、鉄道車両１は、車体２の前後（前部のみ図示する）に台車３が取付けられ、各台車３には、２つの輪軸４が取付けられている。

台車３は、車体２に対して、鉛直軸回りに回動可能であり、また、上下方向及び左右方向に一定の変位が可能なように連結されており、各台車３の左右に設けられた一対のコイルバネ５によって車体２を弾性的に支持している。なお、コイルバネ５の代りに空気バネ等の他のバネ手段を用いて車体２を支持してもよい。各台車３と車体２との間には、減衰力可変ダンパ６が連結されている。減衰力可変ダンパ６は、各台車３の左右に配置され、車体２の前後左右（第１軸から第４軸という）の合計４箇所に配置されている。また、各輪軸４は、台車４に対して上下方向に移動可能に設けられ、これらの間には、輪バネ８及び油圧ダンパ９が装着されて台車４を弾性的に支持している。

各台車３と車体２とを横（左右）方向に対して弾性的に支持するバネ及びダンパ手段（図示せず）が設けられている。なお、これらの油圧ダンパ９及びダンパ手段は、減衰力可変ダンパ６と同様、減衰力特性を調整可能な減衰可変ダンパとしてもよいが、ここでは、説明の簡素化のため、減衰力特性が固定されたものとし、減衰力可変ダンパ６の減衰力特性のみを制御する場合について説明する。

減衰力可変ダンパ６は、ソレノイドバルブ等の減衰力切換弁を有し、制御電流に応じて減衰力特性を切換可能な油圧ダンパであり、図２に示す反転型の減衰力特性を有するものである。すなわち、図２中にＨ／Ｓで示す領域（第１領域）を参照して、制御電流Ｉが０からＩ１の領域では伸び側がハード（最大でほぼ一定）で縮み側がソフト（最小でほぼ一定）となり、制御電流ＩがＩ１からＩ２の領域では、電流の増大に伴い伸び側の減衰力が小さくなる。図２中にＳ／Ｓで示す領域（第２領域）を参照して、制御電流ＩがＩ２からＩ３の領域では、伸び側、縮み側ともにソフトでほぼ一定となる。また、図２中にＳ／Ｈで示す領域（第３領域）を参照して、制御電流ＩがＩ３からＩ４の領域では、電流の増大に伴い縮み側の減衰力が大きくなり、Ｉ４を超えると縮み側がハード（最大でほぼ一定）となる。これにより、制御電流に応じて、減衰力特性を伸び側がハードで縮み側がソフト（Ｈ／Ｓ）、伸び側及び縮み側共にソフト（Ｓ／Ｓ）、及び、伸び側がソフトで縮み側がハード（Ｓ／Ｈ）の組み合わせで選択的に切換えることができる。このとき、図２中でＳ／Ｓで示す領域、すなわち、伸び側及び縮み側共にソフトとなる領域（制御電流Ｉ＝Ｉ２〜Ｉ３）が図４に示すものに比して広くなっている。

なお、減衰力可変ダンパ６の減衰力特性は、図２に示す特性とは逆に、制御電流Ｉが小さい領域で伸び側がソフトで縮み側がハードとなり、大きい領域で伸び側がハードで縮み側がソフトとなるものでもよい。また、減衰力可変ダンパ６は、上述のような減衰力特性が得られるものであれば、油圧ダンパ以外の形式のダンパ、例えば作動油を他の流体（水、空気など）に変更した流体式ダンパ、あるいは、摩擦式ダンパ、モータを発電機として動作させることにより発生する減衰力を利用する電磁式ダンパ等であってもよい。

車体２には、車体２の前後左右に配置されて上下方向の加速度をそれぞれ検出する加速度センサ１０（前部に配置されたもののみを図示する）、車体の中央部に配置されて上下方向の加速度を検出する加速度センサ１１を含む車体の振動状態に関するパラメータを検出する各種センサが設けられている。また、加速度センサ１０、１１を含むこれらの各種センサが検出するパラメータに基づき各減衰力可変ダンパ６の減衰力を制御するコントローラ１２が設けられている。

コントローラ１２は、加速度センサ１０、１１を含む各種センサが検出したパラメータを、例えばスカイフック理論等の振動抑制のための制御理論に基づく所定の論理規則に従って処理して各減衰力可変ダンパ６の目標減衰力を演算し、制御電流値Ｉを決定して各減衰力可変ダンパ６に供給する。スカイフック理論に基づく振動制御では、車体２と台車３との振動状態に応じて、各減衰力可変ダンパ６の減衰力特性を加振方向のストロークに対する減衰力がソフトで制振方向のストロークに対する減衰力がハードとなるように切換える。

このとき、減衰力可変ダンパ６の減衰力特性を伸び側及び縮み側ともにソフト（Ｓ／Ｓ）を指令する際、制御電流ＩをＩ２〜Ｉ３の範囲で出来るだけ小さい値、すなわち、最小値であるＩ２に近い省電力値Ｉｓとして供給する。

コントローラ１２が各減衰力可変ダンパ６に制御電流Ｉを供給するための制御フローについて図３を参照して説明する。
図３を参照して、ステップＳ１で、加速度センサ１０、１１を含む各種センサからの検出信号を読込んでステップＳ２に進む。ステップＳ２で、ノイズ成分除去のためにＬＰＦ（ローパスフィルタ）処理、及び、ドリフト成分及び定常偏差成分除去のためのＨＰＦ（ハイパスフィルタ）処理等のフィルタ処理を実行してステップＳ３に進む。ステップＳ３で、加速度信号等の過大、過小、各加速度センサ値の比較等による異常判定処理を実行してステップＳ４に進む。ステップＳ４で、加速度信号を積分処理した後、各ゲイン等を乗じて車体２の振動を抑制するように各減衰力可変ダンパ６の目標減衰力を演算して、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５で、第１軸の減衰可変ダンパ６に対する減衰力特性の指令が伸び側及び縮み側共にソフト（Ｓ／Ｓ）か否かを判定する。減衰力特性の指令が伸び側及び縮み側共にソフト（Ｓ／Ｓ）である場合、ステップＳ６で第１軸の減衰力可変ダンパ６の制御電流Ｉを省電力値ＩｓとしてステップＳ７に進む。減衰力特性の指令が伸び側及び縮み側共にソフト（Ｓ／Ｓ）でない場合、その指令に応じた制御電流Ｉを決定してステップＳ７に進む。

以下、同様に、第２軸〜第４軸の減衰力可変ダンパ６について、減衰力特性の指令が伸び側及び縮み側共にソフト（Ｓ／Ｓ）の場合、制御電流Ｉを省電力値Ｉｓとし、伸び側及び縮み側共にソフト（Ｓ／Ｓ）でない場合、その指令に応じた制御電流Ｉを決定して（ステップＳ７〜Ｓ１２）、ステップＳ１３に進む。そして、ステップＳ１３で第１軸から第４軸の各減衰力可変ダンパ６に制御電流Ｉを供給する。

以上のように構成した本実施形態の作用について次に説明する。
コントローラにより、加速度センサ１０、１１を含む各種センサの検出信号をスカイフック理論等に基づく所定の論理規則に従って処理して、第１軸〜第４軸の目標減衰力を決定し、目標減衰力に応じた制御電流Ｉを各減衰力可変ダンパ６に供給して減衰力を制御することにより、車体２の振動を抑制する。

このとき、減衰力特性の指令が伸び側及び縮み側共にソフト（Ｓ／Ｓ）の場合、制御電流値Ｉを省電力値Ｉｓとすることにより、最低限の電流によって減衰力可変ダンパ６の減衰力特性を伸び側及び縮み側共にソフト（Ｓ／Ｓ）に調整することができ、ソレノイド等の発熱量及び消費電力を低減することができる。鉄道車両の車体２の振動制御においては、一般的に停車中には伸び側及び縮み側共にソフト（Ｓ／Ｓ）の減衰力特性を指令するので、特に、比較的停車時間の長い在来線の車両に適用した場合、発熱量の及び消費電力を効果的に低減することができる。

減衰力可変ダンパ６の減衰力特性は、図２に示すように、伸び側及び縮み側共にソフト（Ｓ／Ｓ）の領域（Ｉ＝Ｉ２〜Ｉ３）が広くなっている場合、制御電流Ｉとして、省電力値Ｉｓを指令することにより、この領域の域の中央値Ｉｃを指令する上記従来例に対して大幅に発熱量及び消費電力を低減することがきる。

なお、上記特許文献１に記載されているような減衰力反転型の減衰力可変ダンパの場合、一般的に、作動流体の流体力がスプール弁等の減衰力調整弁の弁体に対して開弁方向に作用する。これにより、ピストン速度がある程度大きい状態では、作動流体の流速が大きくなり、その流体力が弁体を開弁方向に移動させようとするので、伸び側及び縮み側共にソフト（Ｓ／Ｓ）の領域（制御電流Ｉ＝Ｉ２〜Ｉ３）が広くなる傾向がある。このため、減衰力可変ダンパとして、例えば特許文献１に記載されているような既存のものを用いた場合でも、本発明の制御を適用することにより、発熱量及び消費電力の低減効果を期待することができる。

上記実施形態では、本発明を台車３と車体２との上下方向の振動を抑制する減衰力可変ダンパ６に適用した場合ついて説明しているが、本発明は、このほか、台車３と車体２との横（左右）方向の振動を抑制するダンパ、あるいは、台車３と輪軸４との間の振動を抑制するダンパを減衰力可変ダンパとすることにより、同様に適用することができる。

上記実施形態では、一例として本発明のサスペンション制御装置を鉄道車両に適用した場合について説明しているが、本発明は、これに限らず、自動車等の他の車両、あるいは、建築物の制振装置等の他のサスペンション装置にも、同様に、適用することが可能である。

６…減衰力可変ダンパ、１２…コントローラ

Claims (1)

1. コントローラによって制御電流を供給して減衰力可変ダンパの減衰力を制御することにより振動の抑制を行なうサスペンション制御装置において、
   前記減衰力可変ダンパは、制御電流の大きさに応じて、伸び側の減衰力が大きく、縮み側の減衰力が小さい第１領域と、伸び側及び縮み側共に減衰力が小さい第２領域と、伸び側の減衰力が小さく、縮み側の減衰力が大きい第３領域の順で減衰力特性が変化し、
   前記コントローラは、前記減衰力可変ダンパに対して、第２領域の減衰力特性を指令するとき、制御電流として前記第２領域において最小の電流値に近い省電力値の電流を供給することを特徴とするサスペンション制御装置。

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