WO2002003360A1 - Right and left steady speed simulator for railroads - Google Patents

Description

明細書 鉄道の左右定常加速度模擬装置 技術分野

本発明は、 鉄道車両がカーブ等を走行する際に発生する左右定常加速 度を模擬するための左右定常加速度模擬装置に関する。 背景技術

鉄道車両の乗心地向上のためには、 軌道や車両の状態によってさまざ まに変化する振動や加速度を乗客の立場から的確に評価する必要がある < このような評価を行うには、 営業列車の合間を縫って実験用列車を走行 させることが考えられるが、 以下の問題がある。

即ち、 走行毎の車両条件や軌道条件を揃えるのが容易ではなく、 再現 性がよくないため、 評価の確度が低いこと、 試験間隔を短くしたり多数 回試験を行ったリすることが経済的にも効率的にも困難であり、 開発期 間が長くなること、 性能や特性などの条件を変更することが容易でない こと、 等の問題がある。

一方、 実験用列車に頼らず乗心地を模擬する装置としては、 上下軸、 左右軸、 前後軸の振動にロール軸 （前後軸回りの回転運動） を加えた 4 軸の簡易な振動台による模擬装置が知られている （例えば人間工学第 3 3巻第〗 1 3〜 1 1 6頁 （ 1 9 9 7年） 参照）。 この模擬装置は、 4軸の うち任意の複数軸の同時加振が可能なものである。 この模擬装置によれ ば、 実験用列車を走行する場合のような問題は解消される。

しかしながら、 鉄道車両がカーブを走行する際に発生する左右定常加 速度を模擬する装置については未だ知られていない。 このような左右定常加速度模擬装置としては、 模擬客室を左右方向に 移動させることによリ発生する加速度を利用することが考えられるが、 カーブ区間が長い場合には長期にわたって左右定常加速度がかかること になるため、 それを模擬しょうとすれば左右方向に非常に長いレールが 必要になり、 装置構成が大型化するという問題が生じる。 発明の開示

本発明は上記問題点を解決することを課題とするものであり、 コンパ ク 卜な構成でありながら長期にわたって鉄道車両に左右定常加速度がか かる場合を模擬可能な鉄道の左右定常加速度模擬装置を提供することを 目的とする。

上記課題を解決するため、 本発明は、 鉄道車両の内装を模擬した模擬 客室と、 前記模擬客室を支持する土台と、 前記土台と前記模擬客室との 間に設けられ、 前記模擬客室に対して少なくとも前後軸回りの回転運動 を付与可能なロール付与手段と、 前記土台を左右いずれかの方向に移動 させる左右移動手段と、 前記ロール付与手段と前記左右移動手段を制御 する制御手段とを備えた鉄道の左右定常加速度模擬装置であって、 前記制御手段は、 前記ロール付与手段によって前記模擬客室を前後軸 回リに回転させ傾斜させることによリ重力加速度のうち傾斜面に沿った 分力である第 1再現加速度を前記模擬客室の乗員に発生させると共に、 前記左右移動手段によって前記土台を左右いずれかの方向に加速度運動 させることによリ第 2再現加速度を前記模擬客室の乗員に発生させ、 前 記第 1 再現加速度と前記第 2再現加速度の両方を利用して鉄道の左右定 常加速度とすることを特徴とする。

本発明の左右定常加速度模擬装置では、 模擬客室と一体化された土台 を加速度運動させることにより模擬客室の乗員が体感する加速度のみを 利用して鉄道の左右定常加速度を模擬するのではなく、 この加速度に加 えて模擬客室をロール回転させ傾斜させることにより模擬客室の乗員が 体感する加速度を利用することによリ、 鉄道の左右定常加速度を模擬し ている。

したがって、 本発明の左右定常加速度模擬装置によれば、 例えばカー ブ区間が長い場合のように長期にわたって左右定常加速度がかかる場合 であっても、 模擬客室の加速度運動にょリ模擬客室の乗員が体感する加 速度に加えて、 模擬客室を傾斜させることにより模擬客室の乗員が体感 する加速度を利用してその左右定常加速度を模擬するため、 模擬客室を 左右方向に移動させる移動量をそれほど大きくする必要がない。 このた め、 コンパク 卜な構成で長期にわたって鉄道車両に左右定常加速度がか かる場合を模擬可能である。

本発明の左右定常加速度模擬装置において、 制御手段は、 ロール付与 手段によって模擬客室を前後軸回りに回転させるときの角加速度又は角 速度を、 人間が回転していると認識できない範囲内に設定することが好 ましい。 この場合、 模擬客室がロール回転しているにもかかわらず、 模 擬客室の乗員はそれに気づかないため、 乗心地に違和感を感じることが ない。 なお、 上記範囲は予め経験的に定めておけばよい。

本発明の左右定常加速度模擬装置において、 制御手段は、 第 1 再現加 速度で足リない分を第 2再現加速度で補償することにより鉄道の左右定 常加速度とすることが好ましい。 つまり、 鉄道の左右定常加速度を模擬 するにあたり、 第 1再現加速度をメインに位置づけ、 それを補僙する形 で第 2再現加速度を利用するのである。 この場合、 模擬しょうとする左 右定常加速度に占める第 2再現加速度の割合が少なくなるため、 模擬客 室と一体化された土台の移動距離を短くすることができ、 装置構成を一 層コンパク 卜化できる。 本発明の左右定常加速度模擬装置において、 制御手段は、 第 2再現加 速度がゼロになった時点で土台が左右いずれかの方向に移動している場 合には、 その土台が停止するように第 2再現加速度を負の値に調整する と共にそれに応じて第 1再現加速度を調整することが好ましい。 第 2再 現加速度がゼロになった時点では、 第 1 再現加速度のみで左右定常加速 度を模擬しているため、 その状態をそのまま維持しても左右定常加速度 を模擬できる。 しかし、 第 2再現加速度がゼロになった時点で土台が移 動している場合、 その状態をそのまま維持すると土台が定速で移動し続 けることになリ、 結果的に左右方向の移動量が大きくなる。 そこで、 こ のような場合には、 土台が停止するように第 2再現加速度を負の値に調 整すると共にそれに応じて第 1再現加速度を調整することが好ましい。 このようにすれば、 土台が移動し続けることはないため、 装置構成をコ ンパク卜化できる。 図面の簡単な説明

図 1 は、 本実施形態の乗心地模擬装置の全体構成図であり、 図 2は、 ァクチユエ一夕の取付位置の説明図でぁリ、

図 3 A〜 Eは、 模擬客室に対して 6軸の振動を付与するときの動作説 明図であリ、

図 4は、 鉄道線路 （軌道） のカーブの一例を表す説明図でぁリ、 図 5は、 鉄道車両のカーブ走行を模擬する際の乗員にかかる加速度の 時間変化及び模擬客室速度の時間変化を表すグラフでぁリ、 そして 図 6 A， Bは、 第 1 再現加速度と第 2再現加速度の説明図である。 発明を実施するための最良の形態

以下に、 本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。 図 1 は 本実施形態の乗心地模擬装置の全体構成図である。 本実施形態の乗心地 模擬装置 1 は、 本発明の左右定常加速度装置の一例を表すものでぁリ、 模擬客室 1 0、 客室載置台 2 0、 土台 3 0、 6本のァクチユエ一夕 4 0、 駆動装置 5 0、 制御装置 6 0を備えている。

模擬客室 1 0は、 鉄道車両の内装を模擬した閉空間であり、 鉄道車両 と同じ座席 1 1 が鉄道車両と同様に配列されておリ、 周囲の壁や天井も 鉄道車両と同様に装備されており、 両側面には模擬窓〗 2が設けられて いる。 この模擬窓 1 2には映像装置 1 2 aが取り付けられ、 模擬走行試 験中はこの映像装置〗 2 aに鉄道車両の走行中の景色が映し出されるよ うに構成されている。 また、 模擬客室 1 0の内部には、 図示しないスピ 一力が設置され、 模擬試験中は鉄道車両の走行中の音がこのスピーカか ら流れるように構成されている。

客室載置台 2 0は、 模擬客室 1 0を載置するための台である。 模擬客 室 1 0は、 高周波振動台 2 5を介してこの客室載置台 2 0に載置されて いる。 高周波振動台 2 5は、 上下軸、 左右軸、 前後軸の 3軸の振動を再 現可能な比較的小型の装置であり、 少なくとも 5 ~ 4 0 H zの高周波域 の振動を再現可能である。

土台 3 0は、 客室載置台 2 0を 6本のァクチユエ一夕 4 0を介して支 持する台である。 この土台 3 0は、 左右方向に延びる 2本のガイ ドレー ル 3 1 ， 3 1 に沿って移動可能であり、具体的には左右移動装置 3 2 (本 発明の左右移動手段に相当） によって土台 3 0を移動させる。 なお、 左 右移動装置 3 2は、 模擬走行試験中においてカーブ走行を模擬する場合 に用いられる。

6本のァクチユエ一夕 4 0は、 図 2に示すように、 客室載置台 2 0の 仮想三角形 T〗 を上面とし土台 3 0の仮想三角形 T 2を底面とする仮想 八面体のうち仮想三角形 T 1 の頂点と仮想三角形 T 2の頂点とを結ぶ六 辺に沿ってそれぞれ設けられている。 各ァクチユエ一夕 4 0は、 上端が 客室載置台 2 0の下面に回動自在に取リ付けられ、 下端が土台 3 0の上 面に回動自在に取り付けられている。 このァクチユエ一夕 4 0は、 油圧 サーボアクチユエ一夕 （油圧制御機構のピストンを持つ振動発生部） で ぁリ、 図 3 A〜 Eに示すように上端側がピストンロッド 4 1 、 下端側が シリンダ 4 2として構成されている。

駆動装置 5 0は、各ァクチユエ一夕 4 0を駆動するための装置であり、 図示しない油圧ポンプによリ発生する油圧をァクチユエ一夕 4 0に供給 する装置である。

制御装置 6 0 (本発明の制御手段に相当） は、 駆動装置 5 0の油圧ポ ンプょリ発生する油圧を各ァクチユエ一夕 4 0が必要とする圧力、 流量 になるように駆動装置 5 0を制御して各ァクチユエ一夕 4 0を作動させ る。 これにより、 客室載置台 2 0上の模擬客室 1 0に対して上下軸、 左 右軸、 前後軸、 ョー軸 （上下軸回りの回転運動）、 ピッチ軸 （前後軸回リ の回転運動）、 ロール軸 （前後軸回りの回転運動） の 6軸の低周波域の動 揺又は振動が付与される。 また、 制御装置 6 0は、 左右移動装置 3 2を 制御して、 模擬客室 1 0と一体化された土台 3 0を任意の加速度で移動 させる。

なお、 6本のァクチユエ一夕 4 0及び駆動装置 5 0のように 6軸の低 周波域の動揺又は振動を付与する装置のことを 6自由度振動装置 （本発 明のロール付与手段に相当） と称することとする。 このような 6自由度 振動装置としては、 例えば周知のスチュヮー卜型 6自由度モーションを 用いることができる。

次に、 本実施形態の乗心地模擬装置 1 の 6自由度振動装置の動作につ いて説明する。 図 3 A ~ Eは模擬客室に対して 6軸の振動を付与すると きの動作説明図である。 この図 3 A〜 Eに示すように、制御装置 6 0は、 駆動装置 5 0を制御して 6本のァクチユエ一夕 4 0のピストンロッド 4 1 の突出量を適宜調節することによリ、 上下軸、 左右軸、 前後軸、 ロー ル軸、 ピッチ軸、 ョー軸の低周波域の揺動又は振動を客室載置台 2 0ひ いては模擬客室 1 0に付与する。 また、 制御装置 6 0は、 駆動装置 5 0 を制御することにより、 6軸のうち任意の複数軸の同時加振が可能なも のである。

次に、 本実施形態の乗心地模擬装置 1 において、 鉄道車両がカーブを 走行する際に発生する左右定常加速度を模擬する動作について説明する, 鉄道線路 （軌道） のカーブは、 図 4に示すように、 第 1緩和曲線部 9 1 、 円曲線部 9 2、 第 2緩和曲線部 9 3で構成されている。 第 1緩和曲 線部 9 Ί は、 線路のうち直線部 9 0から円曲線部 9 2に至るまでの間に おいて徐々に曲率半径が小さくなリ、 最終的に円曲線部 9 2の曲率半径 に至る部分である。 円曲線部 9 2は、 線路のうち一定の曲率半径を持つ 部分である。 第 2緩和曲線部 9 3は、 線路のうち円曲線部 9 2から直線 部 9 4に至るまでの間において徐々に曲率半径が大きくなリ、 最終的に は直線部 9 4に至る部分である。

このようなカーブを鉄道車両が走行する際に発生する加速度の一例を 図 5に示す。 この図 5は、 模擬客室 1 0の乗員が受ける加速度と時間と の関係が上段に示され、 模擬客室 1 0の移動速度と時間との関係が下段 に示されている。 図 5上段に示されるように、 左右定常加速度 at (—点 鎖線） は、 第 1緩和曲線部 9 1 において一定の割合で増加し、 円曲線部 9 2において所定値 （等加速度） となる。

この図 5上段の左右定常加速度パターンを模擬するに当たり、 制御装 置 6 0は図 6 A， Bに示すように、 模擬客室 1 0をロールさせると共に 模擬客室 1 0と一体化された土台 3 0を加速度運動させる。

即ち、 図 6 Aに示すように、 制御装置 6 0は、 駆動装置 5 0を介して 各ァクチユエ一夕 4 0を作動させることにより、 模擬客室 1 0をロール させる （図 3 D参照）。 すると、 模擬客室 1 0は徐々に傾き始めるが、 そ の傾斜角度 0に応じて重力加速度 gのうち傾斜面に沿った分力即ち第 1 再現加速度 G 1 ( = g · s ί n 0 ) が発生する。 つまリ、 模擬客室 1 0 の乗員は、 ロールによって第 1 再現加速度 G 1 を体感する。 また、 図 6 Bに示すように、 制御装置 6 0は、 左右移動装置 3 2を介して模擬客室 1 0を左右いずれかの方向に加速度 Gで移動させることにより、 模擬客 室 1 0の乗員は第 2再現加速度 G 2を体感する。 この第 2再現加速度 G 2は、 模擬客室の加速度 Gのうち傾斜面に沿った分力 （= G · c 0 s 0 ) である。 この結果、 模擬客室 1 0の乗員は、 第 1 再現加速度 G 1 と第 2 再現加速度 G 2との和を鉄道の左右定常加速度として体感する。

さて、 図 5上段の左右定常加速度パターンを模擬する手順を詳細に説 明する。 まず、 予め模擬客室 1 0の乗員が回転していることを認識でき ない角加速度及び角速度の範囲 （不感範囲という） を経験的に定めてお き、 第 1緩和曲線部 9 1 において、 その不感範囲内で模擬客室 1 0を口 ール回転させる。このようにロール回転して模擬客室 1 0が傾くにつれ、 その傾斜角度 0が大きくなリ、 第 1再現加速度 G 1 も大きくなるが、 こ こでは第 1 再現加速度 G 1 が定率で増加するように制御している。 そし て、 この第 1 再現加速度 G 1 では左右定常加速度 αに足りない分を、 第 2再現加速度 G 2で補償することにより、 左右定常加速度 a ( = G 1 + G 2 ) を模擬する。 ここでは、 第 2再現加速度 G 2も定率で増加してい る。

次に、 円曲線部 9 2に切り替わる時点 t 1 から暫くの間は、 第 1再現 加速度 G 1 は依然として定率で増加しているが、 左右定常加速度 αに足 りない分は徐々に減少しているため、 第 2再現加速度 G 2は定率で減少 している。 そして、 第 1再現加速度 G 1が左右定常加速度 αと一致した時点 t 2 では第 2再現加速度 G 2はゼロとなる。 しかし、 この t 2において、 模 擬客室 1 0と一体化された土台 3 0は速度 V 0 (図 5下段参照） で移動 中であるため、 この状態をそのまま維持し続けると、 第 1再現加速度 G 1 のみで左右定常加速度なの模擬はできるものの、 模擬客室 1 0と一体 化された土台 3 0は移動し続けるためガイドレール 3 1， 3 1 の長さが 不足してしまう。

そこで、 時点 t 2を過ぎた後は、 第 2再現加速度 G 2をそのまま定率 で減少させて負の値とし、 模擬客室 1 0の速度を低下させる。 一方、 第 1再現加速度 G 1 は、 負の値となった第 2再現加速度 G 2と併せたとき に左右定常加速度 αと一致するように、 定率で増加させる。

そして、 時点 t 3以降は、 第 2再現加速度 G 2は依然として負の値を とるものの、 その絶対値を定率で減少させることによリ、 最終的に時点 t 4で模擬客室 1 0と一体化された土台 3 0の移動速度をゼロにする。 第 1 再現加速度 G 1 は、 t 3 ~ t 4において、 第 2再現加速度 G 2と併 せたときに左右定常加速度 αと一致するように、 定率で減少させる。 そして、 時点 t 4以降は、 第 2再現加速度 G 2はゼロとし、 第 1再現 加速度 G 1 のみで左右定常加速度 αを模擬する。 つまり、 時点 t 4以降 は、 模擬客室 1 0と一体化された土台 3 0を停止させた状態で模擬客室 1 0の傾斜角度 0のみによって左右定常加速度 αを模擬する。

なお、 円曲線部から第 2緩和曲線部を経て直線部に至る場合は、 この 逆の制御を行えばよい。

以上詳述したように、 本実施形態の乗心地模擬装置 1 によれば、 例え ばカーブ区間が長い場合のように長期にわたって左右定常加速度がかか る場合であっても、 模擬客室 1 0の加速度運動にょリ模擬客室 1 0の乗 員が体感する第 2再現加速度 G 2に加えて、 模擬客室 1 0を傾斜させる ことによリ模擬客室 1 0の乗員が体感する第 1再現加速度 G 1 を利用し てその左右定常加速度を模擬するため、 模擬客室〗 0を左右方向に移動 させる移動重をそれほど大きくする必要がない。 このため、 コンパク ト な構成で長期にわたって鉄道車両に左右定常加速度がかかる場合を模擬 可能である。

また、 模擬客室 1 0をロールさせるときの角加速度又は角速度は不感 範囲内に設定されているため、 模擬客室 1 0の乗員は回転していること に気づかず、 乗心地に違和感を感じることがない。 特に、 模擬客室 1 0 は閉空間であり、 乗員は外の様子がわからないため、 回転していること に気づきにくい。 その結果、 乗員は乗心地に違和感を感じない。

更に、 鉄道の左右定常加速度を模擬するにあたり、 第 1再現加速度 G 1 をメインに位置づけ、 それを補償する形で第 2再現加速度 G 2を利用 しているため、 模擬しょうとする左右定常加速度に占める第 2再現加速 度 G 2の割合が少なくなリ、 模擬客室 1 0の移動距離を短くすることが でき、 装置構成を一層コンパクト化できる。

更にまた、 第 2再現加速度 G 2がゼロになった時点 t 2で土台 3 0が 移動している場合には、 その後、 土台 3 0が停止するように第 2再現加 速度 G 2を負の値に調整すると共にそれに応じて第 1 再現加速度 G 1 を 調整するため、 土台 3 0が移動し続けることがなく、 装置構成をコンパ クト化できる。

尚、 本発明の実施の形態は、 上記実施形態に何ら限定されるものでは なく、 本発明の技術的範囲に属する限リ種々の形態を採り得ることはい うまでもない。

例えば、 上記実施形態では、 模擬客室 1 0をロールさせるロール付与 手段として 6本のァクチユエ一夕 4 0を使用したが、 特にこれに限定さ れることはなく、 どのような模擬客室 1 0をロールさせることができれ ぱどのような装置を採用してもよい。具体的には、 [背景技術]の欄で説 明した 4軸の模擬装置を利用してもよい。

また、 上記実施形態では、 模擬客室 1 0をロール回転させる際に発生 する遠心力等を無視したが、 これを加味した上で左右定常加速度を模擬 してもよい。

更に、 上記実施形態では、 左右移動装置 3 2によリ土台 3 0を走行さ せるように構成したが、 土台 3 0を左右方向に自走可能としてもよい。 更にまた、 上記実施形態では、 左右定常加速度パターンとして図 5に 示すように比較的単純なパターンを例示したが、 このように直線的に変 化する場合のみならず、 曲線的に複雑に変化する場合であっても、 本発 明の左右定常加速度模擬装置にょリ模擬可能である。 産業上の利用可能性

以上詳述したように、 本発明の左右定常加速度模擬装置によれば、 コ ンパク 卜な構成で長期にわたって鉄道車両に左右定常加速度がかかる場 合を模擬可能である。

Claims

請求の範囲

1 . 鉄道車両の内装を模擬した模擬客室と、

前記模擬客室を支持する土台と、

前記土台と前記模擬客室との間に設けられ、 前記模擬客室に対して少 なくとも前後軸回りの回転運動を付与可能なロール付与手段と、 前記土台を左右いずれかの方向に移動させる左右移動手段と、 前記ロール付与手段と前記左右移動手段を制御する制御手段と を備えた鉄道の左右定常加速度模擬装置であって、

前記制御手段は、 前記ロール付与手段によって前記模擬客室を前後軸 回りに回転させ傾斜させることによリ重力加速度のうち傾斜面に沿った 分力である第 1 再現加速度を前記模擬客室の乗員に発生させると共に、 前記左右移動手段によって前記土台を左右いずれかの方向に加速度運動 させることによリ第 2再現加速度を前記模擬客室の乗員に発生させ、 前 記第 1 再現加速度と前記第 2再現加速度の両方を利用して鉄道の左右定 常加速度とすることを特徴とする鉄道の左右定常加速度模擬装置。

2 . 前記制御手段は、 前記ロール付与手段によって前記模擬客室を前 後軸回リに回転させるときの角加速度又は角速度を、 人間が回転してい ると認識できない範囲内に設定することを特徴とする請求項 1 記載の鉄 道の左右定常加速度模擬装置。

3 . 前記制御手段は、 前記第 1 再現加速度で足りない分を前記第 2再 現加速度で補償することにより鉄道の左右定常加速度とすることを特徴 とする請求項 1又は 2記載の鉄道の左右定常加速度模擬装置。

4 . 前記制御手段は、 前記第 2再現加速度がゼロになった時点で前記 土台が左右いずれかの方向に移動している場合には、 その土台が停止す るように前記第 2再現加速度を負の値に調整すると共にそれに応じて前 記第 1 再現加速度を調整することを特徴とする請求項 1 〜 3のいずれか に記載の鉄道の左右定常加速度模擬装置。