JP5268338B2

JP5268338B2 - アクチュエータ

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Publication number: JP5268338B2
Application number: JP2007315568A
Authority: JP
Inventors: 達夫伊藤; 庄吾鴨下; 昭人風戸
Original assignee: Railway Technical Research Institute; KYB Corp
Current assignee: Railway Technical Research Institute; KYB Corp
Priority date: 2007-12-06
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2027-12-06
Also published as: JP2009137423A

Description

本発明は、鉄道車両の車体と台車との間に介装されて車体を台車に対して傾斜させるアクチュエータの改良に関する。

鉄道車両が曲線区間を走行する場合、車体には曲線区間の曲率中心とは反対側に向く遠心力が作用する。この遠心力は、車両の走行速度が高くなればなるほど大きくなる。そこで、鉄道車両の軌道では、曲率中心側の内側レールと反対側の外側レールにカントと呼ばれる高低差を設けて、上記遠心力を緩和し、曲線走行時の鉄道車両の速度向上を図っている。

しかしながら、カント量（各レールの高低差量）は一旦設定されると変更することができず、走行速度が異なる鉄道車両が走行する線区では、高速走行する鉄道車両になればなるほど、カント量が不足して超過遠心力が鉄道車両に作用して、乗り心地が悪化してしまうといった問題がある。

そこで、近年では、振子式の車体傾斜装置や台車と車体との間に設けた気体バネを用いて車体を台車に対して傾斜させる車体傾斜装置を搭載するようにし、上記カント量不足による超過遠心力を緩和するため、鉄道車両が曲線区間を走行する際に、台車に対して車体を曲率中心側に傾けるようにして乗り心地の悪化を抑制することで、曲線区間での高速走行を実現している。

このような車体傾斜装置にあっては、具体的にはたとえば、車体と台車との間に空気圧で駆動される直動型のアクチュエータを介装し、このアクチュエータを伸縮させることで車体を台車に対して傾斜させるようになっている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００２−１５４４３２号公報

しかしながら、上記アクチュエータは、その駆動を大きな圧縮性を持つ圧縮空気を利用して行うため、推力と応答性が不十分となって狙った車体傾斜角の確保が難しく、乗り心地を充分に向上することが難しいという問題があり、これを解消するには、アクチュエータには、空気圧ではなく、液圧で駆動するものを採用することが考えられる。

ところが、アクチュエータの作動流体を液体とする場合、今度は、液体の圧縮性の小ささ故にアクチュエータの見掛け上の剛性が高くなって、この車体傾斜用に供されるアクチュエータを介して台車における車体進行方向に対する左右方向の振動が車体に伝達されてしまい、車両における乗り心地を悪化させてしまう虞がある。なお、アクチュエータの見掛け上の剛性とは、作動流体を含めたアクチュエータ全体の伸縮方向の剛性であり、作動流体の圧縮性が小さくなればなるほど上記の見掛け上の剛性は高くなる傾向を示すことになる。

そこで、本発明は上記不具合を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、液圧式であっても車両における乗り心地を向上することが可能なアクチュエータを提供することである。

上記した目的を達成するため、本発明の一つの課題解決手段は、鉄道車両の車体と台車との間に介装されるシリンダと、上記シリンダに液圧を供給する液圧源とを備え、上記車体を上記台車に対して傾斜させるアクチュエータにおいて、上記シリンダ内の二つの圧力室にそれぞれ連通する一対の上流流路及び一対の下流流路と、上記一対の上流流路と上記一対の下流流路とに並列に接続したメイン流路及びリリーフ流路とを備え、上記メイン流路の途中にはソレノイド切換弁及び減衰力発生要素とが設けられ、上記リリーフ流路の途中には比例電磁式リリーフ弁を設けたことを特徴とするものである。
同じく、他の手段は、鉄道車両の車体と台車との間に介装されるシリンダと、上記シリンダに液圧を供給する液圧源とを備え、上記車体を上記台車に対して傾斜させるアクチュエータにおいて、上記シリンダ内の二つの圧力室にそれぞれ連通する一対の上流流路及び一対の下流流路と、上記一対の上流流路と上記一対の下流流路とに並列に接続したリリーフ流路となるメイン流路とを備え、上記メイン流路の途中には比例電磁式リリーフ弁が設けられ、上記比例電磁式リリーフ弁は、比例ソレノイドと、上記メイン流路の途中に設けた第一通路と、第一通路に並列に接続した第二通路と、第一通路を開放するよう附勢されるとともに比例ソレノイド通電時に第一通路を閉じるように設定され且つ第一通路の開放時に液体の流れに抵抗を与える切換弁体と、上記第二通路を閉じるよう附勢されるとともに比例ソレノイド通電時に通電量に応じてリリーフ圧が減少するリリーフ弁体とを備えて構成されていることを特徴とするものである。

本発明のアクチュエータによれば、各圧力室を連通する流路の途中に比例電磁式リリーフ弁とを備えているので、比例電磁式リリーフ弁におけるリリーフ圧を適宜調節することが可能となり、台車側へ入力された振動が車体側へ伝播することを抑制することができ、液圧式のアクチュエータを車体傾斜に用いても車両における乗り心地を向上することができるのである。

また、換言すれば、車両における乗り心地を向上することができるので、アクチュエータの作動流体を作動油等の液体とすることができ、推進力不足を解消し、車体傾斜の応答性を向上させることができるのである。

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。図１は、一実施の形態におけるアクチュエータの液圧回路を示す図である。図２は、一実施の形態におけるアクチュエータを鉄道車両の車体と台車との間に介装した状態を示す図である。図３は、一実施の形態のアクチュエータにおける制御ブロック図である。図４は、変位信号における所定周波数帯の振動成分の振幅と、当該振幅に対して重み付けを行う係数との関係を示す図である。図５は、一実施の形態におけるアクチュエータの比例電磁式リリーフ弁を制御するフローチャートの一例を示す図である。図６は、一実施の形態の一変形例におけるアクチュエータの液圧回路を示す図である。

一実施の形態におけるアクチュエータＡは、図１に示すように、鉄道車両の車体Ｂと台車Ｗとの間に介装されるシリンダＣとシリンダＣに液圧を供給する液圧源たる油圧ポンプ１とを備え、車体Ｂを台車Ｗに対して傾斜させるものである。そして、このアクチュエータＡは上記シリンダＣ内の二つの圧力室Ｒ１，Ｒ２にそれぞれ連通する一対の上流流路１６ｂ、１６ｃ及び一対の下流流路１６ｅ、１６ｄと、上記一方の上流流路１６ｂと上記一方の下流流路１６ｅの途中に設けられて一方の圧力室Ｒ１から他方の圧力室Ｒ２側へのみ流体の流れを許容する一対の第１逆止弁１９ａ、１９ｄと、同じく、上記他方の上流流路１６ｃと上記他方の下流流路１６ｄの途中に設けられて他方の圧力室Ｒ２から一方の圧力室Ｒ１側へのみ流体の流れを許容する一対の第２逆止弁１９ｂ、１９ｃと、上記各逆止弁１９ａ、１９ｂ、１９ｄ、１９ｃとの間において上記一対の上流流路１６ｂ、１６ｃと上記一対の下流流路１６ｅ、１６ｄとに並列に接続したメイン流路１６ａ及びリリーフ流路１４と、上記メイン流路１６ａの途中に設けたソレノイド切換弁１８及び減衰力発生要素１７と、上記リリーフ流路１４の途中に設けた比例電磁式リリーフ弁１５とから構成されている。以下さらに詳しく説明する。

なお、このアクチュエータＡにあっては、シリンダＣに油圧ポンプ１から供給する液圧で駆動してアクチュエータとしての機能を発揮させるアクチュエータ回路５と、失陥時その他においてシリンダＣをダンパとして機能させるダンパ回路１３とを備えており、この場合、比例電磁式リリーフ弁１５はダンパ回路１３内に設けたリリーフ流路１４の途中に設けられる。

以下、各部について詳細に説明すると、シリンダＣは、容器２と、容器２内に摺動自在に挿入されて容器２内に一方室Ｒ１および他方室Ｒ２の二つの圧力室を区画するピストン３と、ピストン３に連結されて容器２内に移動自在に挿入されるロッド４とを備えて構成され、一方室Ｒ１および他方室Ｒ２内には液体としての作動油が充填され、この実施の形態の場合、いわゆる両ロッド型の油圧シリンダとされている。なお、本実施の形態にあっては、シリンダＣの作動には使用される液体は作動油とされているが、液体はアクチュエータＡの作動に適するものであればよい。

そして、油圧ポンプ１は、シリンダＣをアクチュエータとして動作させるアクチュエータ回路５中に組み込まれ、アクチュエータ回路５は、ループ通路６と、ループ通路６中に設けた二つのソレノイド切換弁７，８と、ループ通路６から分岐する二つの分岐通路９，１０と、分岐通路９，１０のうち低圧側をアキュムレータ１１に連通する低圧選択弁１２とを備えて構成されている。

詳細には、油圧ポンプ１は、シリンダＣの一方室Ｒ１と他方室Ｒ２とを連通するループ通路６の途中に設けられ、この場合、モータＭによって駆動される双方向吐出型のポンプとして構成されている。なお、油圧ポンプ１で生じる漏れ油圧はアキュムレータ１１で回収されるようになっている。

また、ループ通路６の途中であって、油圧ポンプ１と一方室Ｒ１との間には、ノーマルクローズのソレノイド切換弁７が介装され、さらに、油圧ポンプ１と他方室Ｒ２との間にも、ノーマルクローズのソレノイド切換弁８が介装されている。

ソレノイド切換弁７は、油圧ポンプ１と一方室Ｒ１とを連通する連通ポジションと、油圧ポンプ１から一方室Ｒ１への流れのみを許容する遮断ポジションとを備えたバルブ７ａと、遮断ポジションを採るようにバルブ７ａを附勢するバネ７ｂと、通電時にバルブ７ａをバネ７ｂに対向して連通ポジションに切換えるソレノイド７ｃとを備えて構成され、他方のソレノイド切換弁８は、油圧ポンプ１と他方室Ｒ２とを連通する連通ポジションと、油圧ポンプ１から他方室Ｒ２への流れのみを許容する遮断ポジションとを備えたバルブ８ａと、遮断ポジションを採るようにバルブ８ａを附勢するバネ８ｂと、通電時にバルブ８ａをバネ８ｂに対向して連通ポジションに切換えるソレノイド８ｃとを備えて構成されている。

さらに、分岐通路９は、ループ通路６の途中であってソレノイド切換弁７と油圧ポンプ１との間から分岐し、他方の分岐通路１０は、ループ通路６の途中であってソレノイド切換弁８と油圧ポンプ１との間から分岐しており、これら分岐通路９，１０のうち、低圧側が低圧選択弁１２によってアキュムレータ１１へ連通される。

低圧選択弁１２は、分岐通路９をアキュムレータ１１に連通する一方側連通ポジションと、分岐通路１０をアキュムレータ１１に連通する他方側連通ポジションと、分岐通路９，１０の双方をアキュムレータ１１に連通する双方連通ポジションとを備えたバルブ１２ａと、バルブ１２ａを他方側連通ポジションに切換えるように分岐通路９の圧力を作用させるパイロット通路１２ｂと、バルブ１２ａを一方側連通ポジションに切換えるように分岐通路１０の圧力を作用させるパイロット通路１２ｃとを備え、中立位置では双方連通ポジションを採るように構成されている。

したがって、分岐通路９側の圧力が分岐通路１０側の圧力を上回ると、低圧選択弁１２は、他方側連通ポジションを採って分岐通路１０をアキュムレータ１１に連通し、反対に、分岐通路１０側の圧力が分岐通路９側の圧力を上回ると、低圧選択弁１２は、一方側連通ポジションを採って分岐通路９をアキュムレータ１１に連通する。

すなわち、ソレノイド切換弁７，８をそれぞれ連通ポジションとして、油圧ポンプ１を一方室Ｒ１へ油圧を供給するように駆動すると、一方室Ｒ１内に油圧が供給されてシリンダＣにおけるロッド４が、図１および図２中、右方へ推進され、車体Ｂを反時計周りに傾斜させることができ、反対に、ソレノイド切換弁７，８をそれぞれ連通ポジションとして、油圧ポンプ１を他方室Ｒ２へ油圧を供給するように駆動すると、他方室Ｒ２内に油圧が供給されてシリンダＣにおけるロッド４が、図１および図２中、左方へ推進され、車体Ｂを時計周りに傾斜させることができる。つまり、当該アクチュエータＡを、車体を傾斜させるアクチュエータとして機能させることができる。

そして、油圧ポンプ１を一方室Ｒ１へ油圧を供給するように駆動する場合、油圧ポンプ１は、低圧側となる他方室Ｒ２から、あるいは、低圧選択弁１２によって選択される分岐通路１０を介してアキュムレータ１１から、あるいは、その両方から作動油を吸い込んで、一方室Ｒ１側へ作動油を吐出する。反対に、油圧ポンプ１を他方室Ｒ２へ油圧を供給するように駆動する場合、油圧ポンプ１は、低圧側となる一方室Ｒ１から、あるいは、低圧選択弁１２によって選択される分岐通路９を介してアキュムレータ１１から、あるいは、その両方から作動油を吸い込んで、他方室Ｒ２側へ作動油を吐出する。

したがって、油圧ポンプ１は、作動油の圧縮等による体積減少が生じても、アキュムレータ１１から作動油の供給を受け、問題なく一方室Ｒ１および他方室Ｒ２のうち希望する圧力室へ油圧を供給することができる。

また、シリンダＣの推力発生方向が逆転する折には、一方室Ｒ１の圧力と他方室Ｒ２の圧力の高低が逆転するので、低圧選択弁１２は、一旦中立位置の双方連通ポジションを経由して切換わり、分岐通路９、１０を一度アキュムレータ１１に連通する。

なお、低圧選択弁１２は、作動油の温度上昇による内圧増大の防止、作動油の温度低下による負圧の防止、およびシリンダＣの製作加工誤差による一方室Ｒ１と他方室Ｒ２の容積差によるアキュムレータ１１からの作動油の供給等のために設けられている。

また、この実施の形態の場合、アクチュエータＡの変位（シリンダＣにおける容器２に対するロッド４の変位）をセンシングするストロークセンサ３０を備えており、ストロークセンサ３０で検知するアクチュエータＡの変位に基づいて、後述の制御装置２５によって、油圧ポンプ１が駆動制御されるようになっている。

つづいて、ダンパ回路１３について説明する。ダンパ回路１３は、シリンダＣ内の二つの圧力室Ｒ１，Ｒ２を連通する流路１６を備えており、この流路１６は、減衰力発生要素１７とソレノイド切換弁１８とが設けられるメイン流路１６ａと、一方室Ｒ１からメイン流路１６ａに向かう流れのみを許容する一方側上流路１６ｂと、他方室Ｒ２からメイン流路１６ａに向かう流れのみを許容する他方側上流路１６ｃと、メイン流路１６ａから一方室Ｒ１へ向かう流れのみを許容する一方側下流路１６ｄと、メイン流路１６ａから他方室Ｒ２へ向かう流れのみを許容する他方側下流路１６ｅとを備えて構成されている。

一方側上流路１６ｂは、途中に一方室Ｒ１からメイン流路１６ａへ向かう作動油の流れのみを許容する逆止弁１９ａを備え、この逆止弁１９ａによって一方側上流路１６ｂを一方室Ｒ１からメイン流路１６ａへ向かう一方通行の通路としている。他方側上流路１６ｃ、一方側下流路１６ｄ、他方側下流路１６ｅの途中にも同様に、それぞれ逆止弁１９ｂ，１９ｃ，１９ｄが設けられ、それぞれ上記した通りの一方通行の通路となるように設定されている。

本実施の形態にあっては、このように流路１６が構成されることで、作動油は、メイン流路１６ａを一方側上流路１６ｂおよび他方側上流路１６ｃに接続されている方を上流として、一方側下流路１６ｄおよび他方側下流路１６ｅに接続されている下流側へ流れることになり、メイン流路１６ａも一方通行とされている。

また、メイン流路１６ａの下流は、接続通路１６ｆを介して上述のアキュムレータ１１に接続され、メイン流路１６ａの下流の圧力はアキュムレータ１１と同圧となるように設定されている。

そして、メイン流路１６ａの途中に設けられる減衰力発生要素１７は、自身の上流側の圧力に応じて流路面積を調節する減衰バルブ１７ａと、当該減衰バルブ１７ａに並列配置される固定絞り１７ｂとで構成され、メイン流路１６ａの上流側の圧力が低いときには、減衰バルブ１７ａが開かず、作動油を固定絞り１７ｂに通過させ、流量が増加して固定絞り１７ｂによる圧力損失が大きくなり上流側の圧力が減衰バルブ１７ａのクラッキング圧を上回るようになると、減衰バルブ１７ａが開いて作動油は減衰バルブ１７ａをも介してメイン流路１６ａの下流側へ流れるようになる。

このように、減衰力発生要素１７は、作動油がメイン流路１６ａを流れる際に、この流れに減衰バルブ１７ａと固定絞り１７ｂとで抵抗を与えて、シリンダＣの伸縮を抑制する減衰力を発揮させる発生源として機能する。

さらに、ソレノイド切換弁１８は、ノーマルオープンの切換弁とされ、メイン流路１６ａを開放する連通ポジションと、メイン流路１６ａを遮断する遮断ポジションとを備えたバルブ１８ａと、連通ポジションを採るようにバルブ１８ａを附勢するバネ１８ｂと、通電時にバルブ１８ａをバネ１８ｂに対向して遮断ポジションに切換えるソレノイド１８ｃとを備えて構成されている。

ここで、ソレノイド切換弁７，８が遮断ポジションであってアクチュエータ回路５側でシリンダＣを駆動しない状態を考えると、ソレノイド切換弁１８が遮断ポジションを採るとメイン流路１６ａが遮断状態に維持され、シリンダＣの一方室Ｒ１と他方室Ｒ２との連通が断たれた状態となるので、シリンダＣは伸縮不能なロック状態とされる。他方、いわゆる失陥時にあって、ソレノイド切換弁７，８が遮断ポジションが採るとともにソレノイド切換弁１８が連通ポジションを採る場合には、メイン流路１６ａが開放状態に維持され、シリンダＣが外力によって強制的に伸縮させられると、作動油は流路１６を介して、一方室Ｒ１から他方室Ｒ２へ、あるいは、他方室Ｒ２から一方室Ｒ１へと移動可能となり、また、上記移動に際して必ずメイン流路１６ａの減衰力発生要素１７を通過するので、シリンダＣは外力による強制伸縮に対して伸縮を抑制する減衰力を発揮し、シリンダＣをダンパとして機能させることができるようになる。

また、このダンパ回路１３では、一方室Ｒ１と他方室Ｒ２とを連通するリリーフ流路１４と、リリーフ流路１４の途中に設けた比例電磁式リリーフ弁１５とを備えている。

リリーフ流路１４は、具体的には、減衰力発生要素１７およびソレノイド切換弁１８を迂回してメイン流路１６ａの上流と下流を連通することによって、一方室Ｒ１と他方室Ｒ２とを連通している。

比例電磁式リリーフ弁１５は、リリーフ流路１４の途中に設けた弁体１５ａと、リリーフ流路１４を遮断するように弁体１５ａを附勢するバネ１５ｂと、通電時にバネ１５ｂに対向する推力を発生する比例ソレノイド１５ｃとを備えて構成され、比例ソレノイド１５ｃに流れる電流量を調節することでリリーフ圧（開弁圧）を調節することができるようになっている。

この比例電磁式リリーフ弁１５は、弁体１５ａに作用させるリリーフ流路１４の上流側の圧力がリリーフ圧を超えると、当リリーフ流路１４を開放させる方向に弁体１５ａを推す上記圧力に起因する推力と比例ソレノイド１５ｃによる推力との合力が、リリーフ流路１４を遮断させる方向へ弁体１５ａを附勢するバネ１５ｂの附勢力に打ち勝つようになって、弁体１５ａを後退させてリリーフ流路１４を開放するようになっている。

また、この比例電磁式リリーフ弁１５にあっては、比例ソレノイド１５ｃに供給する電流量を増大させると、比例ソレノイド１５ｃが発生する推力を増大させることができるようになっており、比例ソレノイド１５ｃに供給する電流量を最大とするとリリーフ圧が最小となり、反対に、比例ソレノイド１５ｃに全く電流を供給しないとリリーフ圧が最大となる。

そして、比例電磁式リリーフ弁１５は、ソレノイド切換弁１８がメイン流路１６ａを開放するか遮断するかに関わらず、シリンダＣに伸縮方向の過大な入力があって、一方室Ｒ１あるいは他方室Ｒ２内の圧力がリリーフ圧を超える状態となると、リリーフ流路１４を開放して減衰力発生要素１７およびソレノイド切換弁１８を迂回して一方室Ｒ１と他方室Ｒ２とを連通し、異常高圧となった一方室Ｒ１あるいは他方室Ｒ２の一方の圧力を低圧側の他方へ逃がして、アクチュエータＡのシステム全体を保護するようになっている。

また、作動油の体積が減少する場合には、ソレノイド切換弁７，８が連通ポジション、遮断ポジションを問わずに一方室Ｒ１および他方室Ｒ２とアキュムレータ１１との連通を許容するのでアキュムレータ１１から一方室Ｒ１および他方室Ｒ２に作動油が供給されることになる。このように、この実施の形態のアクチュエータＡでは、上記回路構成を採用することで、温度変化による作動油の体積補償される。このように、ソレノイド切換弁７，８における遮断ポジションにおいて、ループ通路６を遮断していても温度低下に伴う体積補償を行うことを可能とするためアキュムレータ１１から一方室Ｒ１および他方室Ｒ２へ向かう流れを許容するようにしているが、当該体積補償をアクチュエータ回路５において行わない場合には、遮断ポジションにおいてループ通路６における双方向の流れを遮断するようにしてもよい。

さて、このように構成されたアクチュエータＡでは、上述のように、一方室Ｒ１と他方室Ｒ２とを連通するリリーフ流路１４に設けた比例電磁式リリーフ弁１５におけるリリーフ圧を調節することができるが、比例電磁式リリーフ弁１５におけるリリーフ圧を調節するということは、シリンダＣ内の一方室Ｒ１および他方室Ｒ２の圧力の最大圧力を調節することである。

そして、モータＭが十分なトルクを出力し油圧ポンプ１が外力によって回転され得ない状態に維持されている場合や、油圧ポンプ１がギヤポンプとされてプレッシャーローディングによって保持状態となっている場合、一方室Ｒ１および他方室Ｒ２の圧力が最大圧力となるまではシリンダＣは外力によっては伸縮されない状態となってアクチュエータＡの見掛け上の剛性は高い状態に維持され、反対に、一方室Ｒ１および他方室Ｒ２の圧力が最大圧力を超える状態となると比例電磁式リリーフ弁１５が開くのでシリンダＣが外力によって伸縮せしめられる状態となってアクチュエータＡの見掛け上の剛性が低くなる。

すなわち、この実施の形態におけるアクチュエータＡでは、比例電磁式リリーフ弁１５のリリーフ圧を調節することで、アクチュエータＡの見掛け上の剛性を制御することができるのである。

ここで、鉄道車両が走行中に、車体Ｂに伝達されると乗り心地を悪化させる周波数帯の振動が外乱によって台車Ｗに作用する場合、アクチュエータＡの見掛け上の剛性が高いと、台車Ｗに作用した振動を車体Ｂへ伝達してしまうことになるため、本実施の形態では、そのような場合には、外乱によってアクチュエータＡの伸縮を可能とするため、比例電磁式リリーフ弁１５のリリーフ圧を小さくする。

すると、アクチュエータＡの見掛け上の剛性は低くなって、台車Ｗに入力された振動に対してアクチュエータＡが伸縮して、車体Ｂ側への振動伝播を絶縁することができるようになる。

したがって、本実施の形態のアクチュエータＡでは、圧力室たる一方室Ｒ１と他方室Ｒ２とを連通するリリーフ流路１４と比例電磁式リリーフ弁１５とを備えているので、比例電磁式リリーフ弁１５におけるリリーフ圧を適宜調節することが可能となり、台車Ｗ側へ入力された振動が車体Ｂ側へ伝播することを抑制することができ、液圧式のアクチュエータＡを車体傾斜に用いても車両における乗り心地を向上することができるのである。

また、換言すれば、車両における乗り心地を向上することができるので、アクチュエータＡの作動流体を作動油等の液体とすることができ、推進力不足を解消し、車体傾斜の応答性を向上させることができるのである。

基本的には、上述のように、比例電磁式リリーフ弁１５におけるリリーフ圧を調節すればよいのであるが、本実施の形態では、具体的には、制御部２０によって、リリーフ圧を制御するようにしている。

この制御部２０は、図３に示すように、ストロークセンサ３０が出力する変位信号から乗り心地を悪化させる所定周波数帯における成分を抽出するバンドパスフィルタ２１と、バンドパスフィルタ２１で抽出した所定周波数帯成分における変位信号の振幅Ｌに基づいて比例電磁式リリーフ弁１５の目標リリーフ圧Ｐ^＊を演算する目標リリーフ圧演算部２２と、比例電磁式リリーフ弁１５に供給する電流量を調節して比例電磁式リリーフ弁１５におけるリリーフ圧を目標リリーフ圧演算部２２で演算した目標リリーフ圧通りに調節するリリーフ弁駆動部２３とを備えて構成されている。すなわち、この実施の形態の場合、アクチュエータＡの変位を検知することで車体Ｂの台車Ｗに対する振動を検知しており、アクチュエータＡの振動状況に応じて比例電磁式リリーフ弁１５を制御するようになっている。

また、アクチュエータＡを駆動制御する制御装置２５は、車体Ｂの走行状態から車体傾斜角度の目標値を決定する図外の上位装置から入力されるアクチュエータＡの目標変位Ｘ^＊とストロークセンサ３０が出力する実際の変位Ｘとの偏差εを演算する偏差演算部２６と、偏差演算部２６が演算した偏差εに基づいてアクチュエータＡを制御する制御指令を生成する制御指令生成部２７と、制御指令生成部２７から入力される制御指令通りにアクチュエータＡにおける油圧ポンプ１のモータＭを駆動するモータ駆動部２４とを備えて構成されている。すなわち、制御装置２５は、アクチュエータＡの変位ＸをフィードバックしてアクチュエータＡの変位を制御するようになっている。

また、変位フィードバック制御において実際の制御対象となるのは、モータＭとなるので、制御指令生成部２７は、具体的には、目標変位Ｘ^＊と実際の変位Ｘの偏差εをとった後、この偏差εに基づいて比例積分動作あるいは比例積分微分動作によって目標モータ回転数指令でなる制御指令を生成し、目標モータ回転数指令とモータＭの実際の回転数との偏差である回転数偏差を演算し、この回転数偏差を速度ループに入力して目標速度指令でなる制御指令を生成し、目標速度指令を電流ループに入力して最終的にはモータＭを駆動する目標電流指令でなる制御指令Ｅを生成し、この目標電流指令でなる制御指令Ｅをモータ駆動部２４へ出力することになる。このような処理を制御指令生成部２７に実行させることで、アクチュエータＡの実際の変位Ｘを目標変位Ｘ^＊に精度よく追随させることができるが、目標変位Ｘ^＊と実際の変位Ｘの偏差から比例積分動作あるいは比例積分微分動作によって直接的に目標電流指令でなる制御指令を生成することも可能である。

なお、アクチュエータＡにあっては、モータＭを制御する指令系統とは別に各ソレノイド切換弁７，８，１８を駆動する図示しない指令系統が出力する制御指令に基づいて各ソレノイド切換弁７，８，１８を駆動する図示しないソレノイドドライバを備えており、たとえば、シリンダＣを伸縮させて車体Ｂを傾斜させることが必要な場合に、図外の上位装置から出力される目標変位Ｘ^＊と実際の変位ＸとからシリンダＣの駆動が必要であることを判断して各ソレノイド切換弁７，８を連通ポジションに切換える。また、ソレノイド切換弁１８は、アクチュエータＡが正常動作している場合、原則的には、通電状態とされる。

つづき、上述の制御部２０における処理について詳細に説明すると、まず、バンドパスフィルタ２１は、所定周波数帯成分、具体的にはたとえば、１Ｈｚ程度から１０Ｈｚ程度となる周波数帯における振動成分のみをストロークセンサ３０が出力する変位信号から抽出する。

つづいて、目標リリーフ圧演算部２２は、変位信号の所定周波数帯における振動成分の振幅を求め、当該振幅に対して漸減する重み付けを行って、比例電磁式リリーフ弁１５の目標リリーフ圧Ｐ^＊を演算するようになっている。具体的には、振幅Ｌの大きさに応じて最大値から最小値にまで漸減する係数αを図４に示すマップを利用するなどして求め、当該係数αに比例電磁式リリーフ弁１５における最大リリーフ圧Ｐ_ｍａｘを積算して目標リリーフ圧Ｐ^＊を求める。なお、係数αは、最小リリーフ圧をＰ_ｍｉｎとすると、Ｐ_ｍｉｎ／Ｐ_ｍａｘ≦α≦１の範囲の係数となり、振幅Ｌの増大によって、最小値であるＰ_ｍｉｎ／Ｐ_ｍａｘに向けて漸減することになる。

また、図４に示した例では、振幅ＬがＬ_１未満では、係数αは最大値である１を採るとともに、Ｌ_２を超えると最小値Ｐ_ｍｉｎ／Ｐ_ｍａｘとなり、振幅ＬがＬ_１以上Ｌ_２以下の範囲では、係数αが比例的に減少するようになっているが、漸減することには、振幅Ｌの増加に対して係数αが、比例的、反比例的、指数関数的、段階的、あるいはこれらの任意の組み合わせによって減少することも含まれる。

さらに、上記したところでは、目標リリーフ圧Ｐ^＊を求めるのに、一旦、係数αを求めて、当該係数αに最大リリーフ圧Ｐ_ｍａｘを掛け合わせるようにしているが、振幅Ｌに対して重み付けした目標リリーフ圧Ｐ^＊をマップ化しておき、振幅Ｌから直接的に目標リリーフ圧Ｐ^＊を求めてもよい。また、当該係数αに最大リリーフ圧Ｐ_ｍａｘを掛け合わせているが、これに限らず、係数αに最小リリーフ圧Ｐ_ｍｉｎや任意の値を掛け合わせて目標リリーフ圧Ｐ^＊を求めるようにしてもよい。係数αに最小リリーフ圧Ｐ_ｍｉｎを掛け合わせる場合には、係数αは１≦α≦Ｐ_ｍａｘ／Ｐ_ｍｉｎの範囲で振幅Ｌの増加に対して漸減するように設定され、また、係数αに任意の値βを掛け合わせる場合には、係数αはＰ_ｍｉｎ／β≦α≦Ｐ_ｍａｘ／βの範囲で振幅Ｌの増加に対して漸減するように設定される。

このように、制御部２０では、外乱によって車体Ｂに伝達されると乗り心地を悪化させる周波数帯の振動が台車Ｗに作用する場合、これをバンドパスフィルタ２１で当該周波数帯の振動成分を抽出し、目標リリーフ圧演算部２２で目標リリーフ圧Ｐ^＊を求めて、アクチュエータＡの見掛け上の剛性を低くし、車体Ｂへの振動伝播を絶縁することができるのである。また、振幅Ｌが大きくなると目標リリーフ圧Ｐ^＊が漸減するようになっているので、上記周波数帯の振動の振幅Ｌが大きく乗り心地の悪化が懸念される場合には、よりアクチュエータＡの見掛け上の剛性を低くして振動絶縁性を高め、反対に、上記周波数帯の振動の振幅Ｌが小さい場合には、制御装置２５による車体傾斜のためのアクチュエータＡの制御を優先させて上位装置で演算される目標変位Ｘ^＊に対してアクチュエータＡの実際の変位Ｘの追随性を満足させる程度のアクチュエータＡの見掛け上の剛性を確保することができる。

さらに、上述の目標リリーフ圧演算部２２では、上記処理によって目標リリーフ圧Ｐ^＊を求めるのとは別に、制御装置２５側で演算される目標変位Ｘ^＊と実際の変位Ｘの偏差εを取り込み、偏差εが所定の閾値以下である場合には、上記の如く求めた目標リリーフ圧Ｐ^＊を変更せず、リリーフ弁駆動部２３に比例電磁式リリーフ弁１５のリリーフ圧を当該目標リリーフ圧Ｐ^＊とするよう電流量を調節させるべく、リリーフ圧指令をリリーフ弁駆動部２３に与える。

他方、偏差εが所定の閾値を超える場合には、目標リリーフ圧Ｐ^＊を上記処理によって得られた値ではなく最大リリーフ圧Ｐ_ｍａｘとして、リリーフ弁駆動部２３に比例電磁式リリーフ弁１５のリリーフ圧を最大リリーフ圧Ｐ_ｍａｘとするようリリーフ圧指令をリリーフ弁駆動部２３に与える。なお、この場合、目標リリーフ圧Ｐ^＊が最大リリーフ圧Ｐ_ｍａｘとなるので、リリーフ弁駆動部２３は比例電磁式リリーフ弁１５へ電流供給を全く行わない状態となる。

なお、所定の閾値は、制御装置２５による車体傾斜のためのアクチュエータＡの制御を優先させるか否かの判断を行うための基準であり、この閾値は、比例電磁式リリーフ弁１５のリリーフ圧の調節し台車Ｗから車体Ｂへの振動伝達を抑制する制御を実施することで、目標変位Ｘ^＊に対するアクチュエータＡの実際の変位Ｘの追随性が犠牲になって却って乗り心地を悪化させる場合には、制御装置２５による車体傾斜のためのアクチュエータＡの制御を優先させることができるような値に設定される。

このように、目標リリーフ圧演算部２２は、この実施の形態の場合、目標リリーフ圧Ｐ^＊を求めることに加えて、目標変位Ｘ^＊と実際の変位Ｘの偏差εを取り込み、偏差εが上記閾値を超える場合には、制御装置２５による車体傾斜のためのアクチュエータＡの制御を優先させて上位装置で演算される目標変位Ｘ^＊に対してアクチュエータＡの実際の変位Ｘの追随性を確保し、偏差εが上記閾値以下の場合には、台車Ｗから車体Ｂへの振動伝達を抑制する制御を優先するようになっているので、車体傾斜制御と車体Ｂへの振動絶縁とを高次元で両立してより一層乗り心地を向上することができるのである。

なお、本実施の形態においては、ハードウェア資源としては、制御部２０と制御装置２５とが一体とされており、図示はしないが、ストロークセンサ３０が出力するアナログの電圧でなる変位信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、変位信号と上位装置からの目標変位とを取り込み、上記各部の処理を実行するＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）と、上記ＣＰＵに記憶領域を提供するＳＤＲＡＭ（ＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＤｙｎａｍｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）と、上記各部の処理を行うためＣＰＵが実行するアプリケーションやオペレーティングシステム等のプログラムを格納するＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）と、リリーフ弁駆動部２３とを備えて構成されており、制御部２０および制御装置２５の各部における構成は、ＣＰＵが各部の処理を行うためアプリケーションプログラムを実行することで実現されている。つまり、この実施の形態の場合、アクチュエータＡにおける比例電磁リリーフ弁１５のリリーフ圧を制御する制御部２０は、アクチュエータＡを駆動制御する制御装置２５とハードウェア資源を共有して一つのハードウェア資源でアクチュエータＡの駆動制御と比例電磁リリーフ弁１５のリリーフ圧の制御の両機能を発揮することができるようになっている。なお、バンドパスフィルタ２１は、この場合、ＣＰＵによる処理で実現されるとしているが、ストロークセンサ３０が出力するアナログ信号を処理するフィルタとしてもよい。

つづいて、上述の制御部２０における処理を図５に示した処理手順の一例に即して説明すると、ステップＳ１では、制御部２０は、ストロークセンサ３０が出力する変位信号から所定周波数帯の振動成分を抽出する。

そして、ステップＳ２に移行して、制御部２０は、所定周波数帯の振動成分の変位信号における振幅Ｌを得る。なお、振幅Ｌは、所定周波数帯の振動成分のパワースペクトルを演算することによって求めても良いし、所定周波数帯の振動成分の変位信号における任意周期内における最小値と最大値との差をとることで求めてもよい。

つづき、ステップＳ３では、ステップＳ２で求めた振幅Ｌから係数αを求め、この係数αから目標リリーフ圧Ｐ^＊を演算する。

そして、ステップＳ４では、制御装置２５側で演算する偏差εを読み込んで、偏差εが閾値以下である場合にはステップＳ５に移行してステップＳ３の演算結果をそのまま目標リリーフ圧Ｐ^＊とし、偏差εが閾値を超える場合にはステップＳ６に移行して目標リリーフ圧Ｐ^＊の値を最大リリーフ圧Ｐ_ｍａｘとする。

最後に、ステップＳ７へ移行して、リリーフ圧指令をリリーフ弁駆動部２３へ出力し、ステップＳ８は、リリーフ圧指令通りに比例電磁式リリーフ弁１５へ供給する電流量を調節する。

以上、一連の判断処理が終了すると、引き続き、繰り返して同じ処理が実行されることになり、このようにして、制御部２０による比例電磁式リリーフ弁１５の制御が継続して実施される。

なお、上記したところでは、車体Ｂの台車Ｗに対する振動を得るのに、シリンダＣに設けたストロークセンサ３０で変位を検知するようにしていたが、変位を微分して算出したピストン速度を用いても良いし、シリンダＣの一方室Ｒ１および他方室Ｒ２の圧力の変動にも車体Ｂの台車Ｗに対する振動成分が重畳されるので、圧力センサ３１，３２で一方室Ｒ１および他方室Ｒ２の圧力を検出して車体Ｂの台車Ｗに対する振動を得てもよいし、また、変位フィードバック制御を行っているため、制御装置２５における制御指令生成部２７中において生成される各制御指令、すなわち、目標モータ回転数指令、目標速度指令、目標電流指令にも車体Ｂの台車Ｗに対する振動が重畳されるので、これらの制御指令のうち、いずれかをモニタすることで車体Ｂの台車Ｗに対する振動を得てもよい。さらには、車体Ｂに加速度センサを取付けておき、直接的に車体Ｂの振動を検知するようにしてもよい。

また、上記したところでは、比例電磁式リリーフ弁１５と減衰力発生要素１７とを別体としているが、図６に示すように、比例電磁式リリーフ弁４０を減衰力発生要素としても機能させるようにしてもよい。

この比例電磁式リリーフ弁４０が設けられるダンパ回路では、メイン流路１６ａをリリーフ流路として利用し、このリリーフ流路となるメイン流路１６ａの途中に設けられている。

詳しくは、このアクチュエータＡは、図１のアクチュエータＡと同じく、鉄道車両の車体Ｂと台車Ｗとの間に介装されるシリンダＣとシリンダＣに液圧を供給する液圧源１とを備え、車体Ｂを台車Ｗに対して傾斜させるものである。そして、このアクチュエータＡは、シリンダＣ内の二つの圧力室Ｒ１，Ｒ２にそれぞれ連通する一対の上流流路１６ｂ、１６ｃ及び一対の下流流路１６ｅ、１６ｄと、上記一対の上流流路１６ｂ、１６ｃと上記一対の下流流路１６ｅ、１６ｄとに並列に接続したリリーフ流路となるメイン流路１６ａとを備え、上記メイン流路１６ａの途中には比例電磁式リリーフ弁４０が設けられ、上記比例電磁式リリーフ弁４０は、比例ソレノイド４１と、上記メイン流路１６ａの途中に設けた第一通路４２と、第一通路４２に並列に接続した第二通路４３と、第一通路４２を開放するよう附勢されるとともに比例ソレノイド通電時に第一通路４２を閉じるように設定され且つ第一通路４２の開放時に液体の流れに抵抗を与える切換弁体４４と、上記第二通路４３を閉じるよう附勢されるとともに比例ソレノイド通電時に通電量に応じてリリーフ圧が減少するリリーフ弁体４５とを備えて構成されている。

より詳しくは、切換弁体４４にはリリーフ弁体４５側へ向けて延びるプッシュロッド４６が接続されており、比例ソレノイド４１に通電すると、当該比例ソレノイド４１によって切換弁体４４が押圧されて遮断ポジションに切換わるとともに、このプッシュロッド４６がリリーフ弁体４５に当接して比例ソレノイド４１の推力をリリーフ弁体４５に作用させることができるようになっている。

そして、比例ソレノイド４１の推力がリリーフ弁体４５を附勢するバネ４７に対向する向きで当該リリーフ弁体４５に作用するので、比例ソレノイド４１への通電量を調節することでリリーフ弁体４５のリリーフ圧を制御することができる。

すなわち、比例ソレノイド４１へ電流を供給しない場合、切換弁体４４が第一通路４２を開放して通過する作動油の流れに抵抗を与えるので、シリンダＣはダンパとして機能するとともに、過大な入力に対しては、リリーフ圧が最大に設定されるリリーフ弁体４５が第二通路４３を開放してリリーフ機能を発揮する。

対して、比例ソレノイド４１へ電流を供給する場合、切換弁体４４が第一通路４２を遮断するので、シリンダＣはアクチュエータ回路５による作動中において、過大な入力に対しては、リリーフ弁体４５が比例ソレノイド４１への通電量に応じて調節されるリリーフ圧にて第二通路４３を開放してリリーフ機能を発揮する。そうすることで、アクチュエータＡの見掛け上の剛性を低くすることができる。

このような比例電磁式リリーフ弁４０を用いても、アクチュエータＡの見掛け上の剛性を制御することができるので、台車Ｗ側へ入力された振動が車体Ｗ側へ伝播することを抑制することができ、液圧式のアクチュエータＡを車体傾斜に用いても車両における乗り心地を向上することができるのである。

さらに、この比例電磁式リリーフ弁４０にあっては、一つの比例ソレノイド４１のみの使用で開閉弁としても、減衰力発生要素としても機能するので、ダンパ回路中のソレノイド切換弁を省略することができ、アクチュエータＡのコストを低減することができる。

なお、上記したところでは、車体傾斜の手法として、いわゆる振子式といわれる手法を採用する鉄道車両に、本実施の形態のアクチュエータＡを適用しているが、車体Ａと台車Ｗの間の左右のそれぞれに、二つのアクチュエータを縦置きに設置して、各アクチュエータを駆動して車体Ｂを傾斜させるような場合にも、本発明のアクチュエータＡを適用することが可能であるのは当然である。

以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されないことは勿論である。

一実施の形態におけるアクチュエータの液圧回路を示す図である。一実施の形態におけるアクチュエータを鉄道車両の車体と台車との間に介装した状態を示す図である。一実施の形態のアクチュエータにおける制御ブロック図である。変位信号における所定周波数帯の振動成分の振幅と、当該振幅に対して重み付けを行う係数との関係を示す図である。一実施の形態におけるアクチュエータの比例電磁式リリーフ弁を制御するフローチャートの一例を示す図である。一実施の形態の一変形例におけるアクチュエータの液圧回路を示す図である。

符号の説明

１液圧源たる油圧ポンプ
２容器
３ピストン
４ロッド
５アクチュエータ回路
６ループ通路
７，８，１８ソレノイド切換弁
７ａ，８ａ，１８ａ，１５ａバルブ
７ｂ，８ｂ，１８ｂ，１５ｂバネ
７ｃ，８ｃ，１８ｃソレノイド
９，１０分岐通路
１１アキュムレータ
１２低圧選択弁
１３ダンパ回路
１４リリーフ流路
１５，４０比例電磁式リリーフ弁
１５ｃ比例ソレノイド
１６流路
１６ａメイン流路
１６ｂ一方側上流路
１６ｃ他方側上流路
１６ｄ一方側下流路
１６ｅ他方側下流路
１６ｆ接続通路
１７減衰力発生要素
１７ａ減衰バルブ
１７ｂ固定絞り
１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ逆止弁
２０制御部
２１バンドパスフィルタ
２２目標リリーフ圧演算部
２３リリーフ弁駆動部
２４モータ駆動部
２５制御装置
２６偏差演算部
２７制御指令生成部
３０ストロークセンサ
３１，３２圧力センサ
Ａアクチュエータ
Ｂ車体
Ｃシリンダ
Ｒ１圧力室たる一方室
Ｒ２圧力室たる他方室
Ｗ台車

Claims

鉄道車両の車体と台車との間に介装されるシリンダと、上記シリンダに液圧を供給する液圧源とを備え、上記車体を上記台車に対して傾斜させるアクチュエータにおいて、上記シリンダ内の二つの圧力室にそれぞれ連通する一対の上流流路及び一対の下流流路と、上記一対の上流流路と上記一対の下流流路とに並列に接続したメイン流路及びリリーフ流路とを備え、上記メイン流路の途中にはソレノイド切換弁及び減衰力発生要素とが設けられ、上記リリーフ流路の途中には比例電磁式リリーフ弁を設けたことを特徴とするアクチュエータ。
鉄道車両の車体と台車との間に介装されるシリンダと、上記シリンダに液圧を供給する液圧源とを備え、上記車体を上記台車に対して傾斜させるアクチュエータにおいて、上記シリンダ内の二つの圧力室にそれぞれ連通する一対の上流流路及び一対の下流流路と、上記一対の上流流路と上記一対の下流流路とに並列に接続したリリーフ流路となるメイン流路とを備え、上記メイン流路の途中には比例電磁式リリーフ弁が設けられ、上記比例電磁式リリーフ弁は、比例ソレノイドと、上記メイン流路の途中に設けた第一通路と、第一通路に並列に接続した第二通路と、第一通路を開放するよう附勢されるとともに比例ソレノイド通電時に第一通路を閉じるように設定され且つ第一通路の開放時に液体の流れに抵抗を与える切換弁体と、上記第二通路を閉じるよう附勢されるとともに比例ソレノイド通電時に通電量に応じてリリーフ圧が減少するリリーフ弁体とを備えて構成されていることを特徴とするアクチュエータ。
上記車体の振動あるいは上記車体の台車に対する振動のうち、所定周波数帯における振動の振幅に基づいて、上記比例電磁式リリーフ弁のリリーフ圧を調節する請求項１または２に記載のアクチュエータ。
上記車体の振動あるいは上記車体の台車に対する振動のうち、所定周波数帯における振動の振幅を得、振幅に対して漸減する重み付けを行って上記比例電磁式リリーフ弁の目標リリーフ圧を得、上記比例電磁式リリーフ弁のリリーフ圧を当該目標リリーフ圧に調節する請求項１、２または３に記載のアクチュエータ。
アクチュエータの目標変位と、アクチュエータの実際の変位との偏差が閾値を越える場合、上記比例電磁式リリーフ弁のリリーフ圧を最大値に調節する請求項１、２、３または４に記載のアクチュエータ。
上記車体に作用する加速度を検知することで上記車体の振動を得ることを特徴とする請求項３、４または５に記載のアクチュエータ。
アクチュエータ内の圧力を検知することで上記車体の振動を得ることを特徴とする請求項３、４または５に記載のアクチュエータ。
アクチュエータの変位を検知することで上記車体の振動を得ることを特徴とする請求項３、４または５に記載のアクチュエータ。
アクチュエータを制御する制御装置で生成される制御指令から上記車体の振動を得ることを特徴とする請求項３、４または５に記載のアクチュエータ。