(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024118311
(43)【公開日】2024-08-30
(54)【発明の名称】空気ばねの高さの計算方法
(51)【国際特許分類】
B61F 5/10 20060101AFI20240823BHJP
B61F 5/22 20060101ALI20240823BHJP
【ＦＩ】
B61F5/10 D
B61F5/22 E
【審査請求】未請求
【請求項の数】2
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023024668
(22)【出願日】2023-02-20
(71)【出願人】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001553
【氏名又は名称】アセンド弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】小坂田 潤
(57)【要約】
【課題】空気ばねの高さを正確に把握することのできる、空気ばね高さの計算方法を提供する。
【解決手段】鉄道車両（１０）の空気ばねの高さの計算方法は、取得工程と、反復計算工程と、空気ばね高さ計算工程と、を備える。取得工程では、制御装置（５０）が回転軸の回転角の情報を取得する。反復計算工程では、サンプリング周期毎に第１計算工程及び第２計算工程を３回以上交互に繰り返し行う。第１計算工程では、制御装置（５０）が、車体（１１）の傾斜角及び回転軸の回転角から２つの高さ調整装置（４０ａ，４０ｂ）の高さを計算する。第２計算工程では、制御装置（５０）が、第１計算工程で計算した２つの高さ調整装置（４０ａ，４０ｂ）の高さから車体（１１）の傾斜角を計算する。空気ばね高さ計算工程では、２つの高さ調整装置（４０ａ，４０ｂ）の高さ、及び車体（１１）の傾斜角を用いて、空気ばね（２２ａ，２２ｂ）の高さを計算する。
【選択図】図２
【解決手段】鉄道車両（１０）の空気ばねの高さの計算方法は、取得工程と、反復計算工程と、空気ばね高さ計算工程と、を備える。取得工程では、制御装置（５０）が回転軸の回転角の情報を取得する。反復計算工程では、サンプリング周期毎に第１計算工程及び第２計算工程を３回以上交互に繰り返し行う。第１計算工程では、制御装置（５０）が、車体（１１）の傾斜角及び回転軸の回転角から２つの高さ調整装置（４０ａ，４０ｂ）の高さを計算する。第２計算工程では、制御装置（５０）が、第１計算工程で計算した２つの高さ調整装置（４０ａ，４０ｂ）の高さから車体（１１）の傾斜角を計算する。空気ばね高さ計算工程では、２つの高さ調整装置（４０ａ，４０ｂ）の高さ、及び車体（１１）の傾斜角を用いて、空気ばね（２２ａ，２２ｂ）の高さを計算する。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
台車と、車体と、前記台車と前記車体との間で左右に配置された２つの空気ばねと、前記２つの空気ばねに対応して配置された２つの高さ調整装置と、制御装置と、を備える鉄道車両の空気ばねの高さの計算方法であって、
前記２つの高さ調整装置はそれぞれ、前記鉄道車両の前後方向に延びる回転軸と、前記回転軸の一端に前記台車と前記車体との上下方向の相対変位に応じて回動可能に固定され、前記回転軸の半径方向に延びるレバーと、前記回転軸の他端に取り付けられ、前記回転軸の回転角を検出する回転角度センサと、を含み、
前記計算方法は、
前記制御装置が、所定のサンプリング周期毎に前記回転角度センサから前記回転軸の回転角の情報を取得する、取得工程と、
前記サンプリング周期毎に第１計算工程及び第２計算工程を３回以上交互に繰り返し行う反復計算工程であって、前記第１計算工程では、前記制御装置が、前記車体の傾斜角及び前記取得工程で取得した前記回転軸の回転角から前記２つの高さ調整装置の高さを計算し、前記第２計算工程では、前記制御装置が、前記第１計算工程で計算した前記２つの高さ調整装置の高さから前記車体の傾斜角を計算する、前記反復計算工程と、
前記反復計算工程の最後の前記第１計算工程で計算した前記２つの高さ調整装置の高さ、及び最後の前記第２計算工程で計算した前記車体の傾斜角を用いて、前記２つの空気ばねの高さを計算する、空気ばね高さ計算工程と、を備え、
前記反復計算工程において、前記サンプリング周期内での１回目の前記第１計算工程では、前記制御装置が、前記車体の傾斜角として任意の値を用い、ｎ回目（ただし、ｎは２以上の整数である。）の前記第１計算工程では、前記制御装置が、前記車体の傾斜角として（ｎ－１）回目の前記第２計算工程で計算した前記車体の傾斜角を用いる、計算方法。
前記２つの高さ調整装置はそれぞれ、前記鉄道車両の前後方向に延びる回転軸と、前記回転軸の一端に前記台車と前記車体との上下方向の相対変位に応じて回動可能に固定され、前記回転軸の半径方向に延びるレバーと、前記回転軸の他端に取り付けられ、前記回転軸の回転角を検出する回転角度センサと、を含み、
前記計算方法は、
前記制御装置が、所定のサンプリング周期毎に前記回転角度センサから前記回転軸の回転角の情報を取得する、取得工程と、
前記サンプリング周期毎に第１計算工程及び第２計算工程を３回以上交互に繰り返し行う反復計算工程であって、前記第１計算工程では、前記制御装置が、前記車体の傾斜角及び前記取得工程で取得した前記回転軸の回転角から前記２つの高さ調整装置の高さを計算し、前記第２計算工程では、前記制御装置が、前記第１計算工程で計算した前記２つの高さ調整装置の高さから前記車体の傾斜角を計算する、前記反復計算工程と、
前記反復計算工程の最後の前記第１計算工程で計算した前記２つの高さ調整装置の高さ、及び最後の前記第２計算工程で計算した前記車体の傾斜角を用いて、前記２つの空気ばねの高さを計算する、空気ばね高さ計算工程と、を備え、
前記反復計算工程において、前記サンプリング周期内での１回目の前記第１計算工程では、前記制御装置が、前記車体の傾斜角として任意の値を用い、ｎ回目（ただし、ｎは２以上の整数である。）の前記第１計算工程では、前記制御装置が、前記車体の傾斜角として（ｎ－１）回目の前記第２計算工程で計算した前記車体の傾斜角を用いる、計算方法。
【請求項2】
請求項１に記載の計算方法であって、
２回目以降の前記サンプリング周期での前記反復計算工程において、１回目の前記第１計算工程では、前記制御装置が、前記車体の傾斜角として以前の前記サンプリング周期で計算した前記車体の傾斜角を用いる、計算方法。
２回目以降の前記サンプリング周期での前記反復計算工程において、１回目の前記第１計算工程では、前記制御装置が、前記車体の傾斜角として以前の前記サンプリング周期で計算した前記車体の傾斜角を用いる、計算方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、鉄道車両の空気ばねの高さの計算方法に関する。
【背景技術】
【0002】
鉄道車両は、台車と、台車上に支持された車体とを備える。通常、鉄道車両の台車には、車体を支持するとともに車体の振動を緩和するため、左右にそれぞれ空気ばねが設けられている。空気ばねは、車体と台車の間に配置されている。車体が傾斜すると、それに応じて空気ばねの高さが変化する。空気ばねの高さは、高さ調整装置により、一定となるように制御されている。
【0003】
高さ調整装置は、左右の空気ばねに対応して、台車の左右にそれぞれ配置される。高さ調整装置は、高さ調整弁と、測定装置と、を備える。高さ調整弁は、典型的には車体に固定される。測定装置は、高さ調整弁と台車とを接続する。測定装置は、レバーと、回転軸と、回転角度センサと、連結棒と、を含む。レバーは、回転軸の一端に固定される。車体と台車との上下方向の相対変位に応じて回転軸が回転し、回転軸の回転に応じてレバーは回動可能に構成される。高さ調整弁には、貫通孔が形成されている。貫通孔は、例えば鉄道車両の前後方向に延びる。回転軸は貫通孔に挿通される。回転角度センサは、回転軸の他端に取り付けられ、回転軸の回転角を検出する。連結棒は、例えば上下方向に延び、レバーの回転軸とは反対側の端部と台車とを接続する。
【0004】
従来、回転角度センサで検出された回転軸の回転角から、空気ばねの高さを計算する技術が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１では、回転角度センサとしてアナログ式角度センサが用いられている。このアナログ式角度センサは、回動軸（回転軸）の回転角を検出する。特許文献１では、回転角から高さ検出装置（高さ調整装置）の高さを算出し、それを空気ばねの高さとしている。高さ検出装置の高さは、アナログ式角度センサで検出した回動軸の回転角及びレバーの長さから算出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２００２－１０４１８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
車体が傾斜したとき、空気ばね及び高さ調整装置は鉄道車両の左右方向中心からの距離に応じて上下方向に変位する。鉄道車両の左右方向において、空気ばねの位置は高さ調整装置の位置とずれている場合がある。そのため、得られる空気ばねの高さと実際の空気ばねの高さとの間に誤差が生じる。さらに、特許文献１に記載された高さ検出装置では、回動軸は鉄道車両の前後方向に延びる。このように、高さ調整装置の回転軸が前後方向に延びる場合、高さ調整装置の高さは、回転軸の回転角及びレバーの長さだけでなく、車体の傾斜角の影響を受ける。高さ調整装置は、車体に固定されているからである。一方、車体の傾斜角は、左右の高さ調整装置の高さから算出される。この場合、高さ調整装置の高さ及び車体の傾斜角は、計算によって一意に求めることができない。高さ調整装置の高さ及び車体の傾斜角が求まらないと、正確な空気ばねの高さを把握するのは困難である。
【0007】
本開示の目的は、高さ調整装置の回転軸が前後方向に延びる場合であっても、空気ばねの高さを正確に把握することのできる、空気ばね高さの計算方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本開示に係る計算方法は、台車と、車体と、台車と車体との間で左右に配置された２つの空気ばねと、２つの空気ばねに対応して配置された２つの高さ調整装置と、制御装置と、を備える鉄道車両の空気ばねの高さの計算方法である。２つの高さ調整装置はそれぞれ、回転軸と、レバーと、回転角度センサと、を含む。回転軸は、鉄道車両の前後方向に延びる。レバーは、回転軸の一端に台車と車体との上下方向の相対変位に応じて回動可能に固定され、回転軸の半径方向に延びる。回転角度センサは、回転軸の他端に取り付けられ、回転軸の回転角を検出する。当該計算方法は、取得工程と、反復計算工程と、空気ばね高さ計算工程と、を備える。取得工程では、制御装置が、所定のサンプリング周期毎に回転角度センサから回転軸の回転角の情報を取得する。反復計算工程では、サンプリング周期毎に第１計算工程及び第２計算工程を３回以上交互に繰り返し行う。第１計算工程では、制御装置が、車体の傾斜角及び取得工程で取得した回転軸の回転角から２つの高さ調整装置の高さを計算する。第２計算工程では、制御装置が、第１計算工程で計算した２つの高さ調整装置の高さから車体の傾斜角を計算する。空気ばね高さ計算工程では、反復計算工程の最後の第１計算工程で計算した２つの高さ調整装置の高さ、及び最後の第２計算工程で計算した車体の傾斜角を用いて、２つの空気ばねの高さを計算する。反復計算工程において、サンプリング周期内での１回目の第１計算工程では、制御装置が、車体の傾斜角として任意の値を用い、ｎ回目（ただし、ｎは２以上の整数である。）の第１計算工程では、制御装置が、車体の傾斜角として（ｎ－１）回目の第２計算工程で計算した車体の傾斜角を用いる。
【発明の効果】
【0009】
本開示に係る空気ばね高さの計算方法によれば、高さ調整装置の回転軸が前後方向に延びる場合であっても、空気ばねの高さを正確に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
図１は、鉄道車両１０の概略構成を示す上面図である。図１には、鉄道車両１０のうち、台車及び高さ調整装置が模式的に示される。図２は、鉄道車両１０の概略構成を示す正面図である。図２には、図１に示す鉄道車両１０を進行方向前方から見たときの様子が示される。本明細書において、鉄道車両１０の進行方向を前後方向と称し、鉄道車両１０の幅方向を左右方向と称し、鉄道車両１０の高さ方向を上下方向と称する場合がある。
【0012】
図１及び図２を参照して、鉄道車両１０は、車体１１と、第１の台車２０と、第２の台車３０と、高さ調整装置４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄと、制御装置５０と、を備える。第１の台車２０、第２の台車３０、及び車体１１を含む鉄道車両１０は、レール上を走行する。図１に示す例では、鉄道車両１０は下方向に進行する。要するに、第１の台車２０は、鉄道車両１０の進行方向前側に位置し、第２の台車３０は、進行方向後側に位置する。
【0013】
第１の台車２０は、台車枠２１と、空気ばね２２ａ，２２ｂとを含む。空気ばね２２ａ，２２ｂは、第１の台車２０の左右に配置される。第２の台車３０は、台車枠３１と、空気ばね３２ａ，３２ｂとを含む。空気ばね３２ａ，３２ｂは、第２の台車３０の左右に配置される。
【0014】
第１の台車２０において、高さ調整装置４０ａ，４０ｂは、それぞれ空気ばね２２ａ，２２ｂに対応して第１の台車２０の左右に配置される。同様に、第２の台車３０において、高さ調整装置４０ｃ，４０ｄは、それぞれ空気ばね３２ａ，３２ｂに対応して第２の台車３０の左右にそれぞれ配置される。
【0015】
【0016】
空気ばね２２ａ，２２ｂは、車体１１と台車枠２１との間に配置されて車体１１を支持し、車体１１の振動を緩和する。車体１１が傾斜していないとき、空気ばね２２ａ，２２ｂの高さは、中立位置となっている。第１の台車２０は、輪軸２３をさらに含む。輪軸２３は、台車枠２１の前側と後側にそれぞれ配置される。輪軸２３は、左右に一対の車輪２３１と、左右方向に延びる車軸２３２とを有する。左右の車輪２３１は、それぞれ車軸２３２の両端部に固定される。輪軸２３の左右にそれぞれ軸箱２５が配置されている。車軸２３２は、軸箱２５内に設けられた軸受（図示略）によって回転可能に支持される。
【0017】
台車枠２１は、左右に一対の側梁２１１と、横梁２１２とを含む。左右の側梁２１１は、それぞれ前後方向に延びる。横梁２１２は、左右方向に延び、左右の側梁２１１それぞれに接合される。左右の側梁２１１は、それぞれ、軸ばね２４を介して軸箱２５により支持されている。つまり、台車枠２１は、前後の輪軸２３によって支持されている。
【0018】
空気ばね２２ａ，２２ｂの高さは、高さ調整装置４０ａ，４０ｂによって一定になるように制御される。高さ調整装置４０ａ，４０ｂの各々は、高さ調整弁４１ａ，４１ｂと、測定装置４２ａ，４２ｂと、を備える。高さ調整弁４１ａ，４１ｂとして、ＬＶ（レベリングバルブ）を用いることができる。
【0019】
図３は、図２の部分拡大図である。図３には、高さ調整装置４０ａのみを拡大した図が示される。以下、図３を参照して高さ調整装置４０ａの構成について説明するが、高さ調整装置４０ｂは、左右方向において高さ調整装置４０ａと実質的に対称な形状を有する。
【0020】
【0021】
高さ調整弁４１ａは、空気ばね２２ａに圧縮空気を供給し、あるいは空気ばね２２ａ内の圧縮空気を排出させるための流路を有する。高さ調整弁４１ａは、空気ばね２２ａの上下方向の変位に応じて、空気ばね２２ａに圧縮空気を供給し、あるいは空気ばね２２ａ内の圧縮空気を排出させる。具体的には、空気ばね２２ａが中立位置よりも下降した場合、高さ調整弁４１ａは空気ばね２２ａに圧縮空気を供給し、空気ばね２２ａの高さを中立位置に戻そうとする。また、空気ばね２２ａが中立位置よりも上昇した場合、高さ調整弁４１ａは、空気ばね２２ａ内の圧縮空気を排出し、空気ばね２２ａの高さを中立位置に戻そうとする。
【0022】
測定装置４２ａは、高さ調整弁４１ａと第１の台車２０とを接続する。測定装置４２ａは、レバー４２１ａと、回転軸４２２ａと、回転角度センサ４２３ａと、連結棒４２４ａと、を含む。回転軸４２２ａは貫通孔４１１ａに挿通される。挿通された回転軸４２２ａは、貫通孔４１１ａに沿って前後方向に延びる。レバー４２１ａは、回転軸４２２ａの一端（図３の紙面手前側）に固定される。レバー４２１ａは、回転軸４２２ａの回転に応じて回動可能に構成される。レバー４２１ａは、回転軸４２２ａの半径方向に延びる。回転角度センサ４２３ａは、回転軸４２２ａの他端（図３の紙面奥側）に取り付けられる。回転角度センサ４２３ａは、典型的にはレゾルバである。連結棒４２４ａは、上下方向に延び、レバー４２１ａのうち回転軸４２２ａとは反対側の端部と台車枠２１とを接続する。レバー４２１ａは、例えば回転軸４２５ａによって連結棒４２４ａに対して回動可能に構成される。
【0023】
回転軸４２２ａ及びレバー４２１ａは、車体１１と第１の台車２０との上下方向の相対変位に応じて回転する。回転角度センサ４２３ａは、回転軸４２２ａの回転角を検出する。
【0024】
図２を参照して、制御装置５０は、高さ調整装置４０ａ，４０ｂの各々に接続される。制御装置５０は、例えば後述する各処理を実行するプログラムがインストールされたコンピュータを含む。具体的には、制御装置５０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、メモリと、インターフェースとを含む。これらの構成は互いに通信可能に接続されている。制御装置５０は、例えば、ロムをさらに含む。ロムには、プログラムが格納されている。プログラムがメモリにロードされ、ＣＰＵで実行させることにより、制御装置５０による制御が実現する。インターフェースは、例えば表示器に接続されている。表示器には、ＣＰＵがプログラムを実行した結果が表示される。
【0025】
第１の台車２０は、鉄道車両１０の左右方向に対称な形状を有する。左右方向において、第１の台車２０の空気ばね２２ａ，２２ｂの各々の位置は、対応する高さ調整装置４０ａ，４０ｂの位置とずれている。具体的には、空気ばね高さの検出感度を上げるために、高さ調整装置４０ａ，４０ｂの各々は、空気ばね２２ａ，２２ｂよりも外側に配置される。言い換えると、左右方向において、第１の台車２０の中心Ｃから一方の高さ調整装置までの距離Ｌ１は、中心Ｃから一方の空気ばねまでの距離Ｌ２よりも大きい。
【0026】
高さ調整装置４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの高さｈ１，ｈ２，ｈ３，ｈ４は、それぞれ下記の式（１）～（４）のように表される。高さｈ１，ｈ２，ｈ３，ｈ４が正の値の場合は、当該高さ調整装置の位置が基準よりも高いことを意味し、負の値の場合は、当該高さ調整装置の位置が基準よりも低いことを意味する。基準となる高さ（高さｈ１，ｈ２，ｈ３，ｈ４が０の場合）は、車体１１の傾斜がないときの高さ調整装置４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄそれぞれの高さである。下記の式（１）～（４）において、角度θ１，θ２，θ３，θ４は、それぞれ高さ調整装置４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの回転軸の回転角である。各高さ調整装置４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄを回転軸のレバー側から回転角度センサ側に向かって見たとき、回転軸の回転角が正の値の場合は反時計周りの回転を意味し、負の値の場合は時計回りの回転を意味する。また、角度φ１は鉄道車両１０の前側（第１の台車２０側）における車体１１の傾斜角であり、角度φ２は鉄道車両１０の後側（第２の台車３０側）における車体１１の傾斜角である。長さａは、高さ調整装置４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄそれぞれのレバーの長さである。
ｈ１＝ａ×ｓｉｎ（θ１＋φ１）×（－１） （１）
ｈ２＝ａ×ｓｉｎ（θ２＋φ１）×（＋１） （２）
ｈ３＝ａ×ｓｉｎ（θ３－φ２）×（＋１） （３）
ｈ４＝ａ×ｓｉｎ（θ４－φ２）×（－１） （４）
ｈ１＝ａ×ｓｉｎ（θ１＋φ１）×（－１） （１）
ｈ２＝ａ×ｓｉｎ（θ２＋φ１）×（＋１） （２）
ｈ３＝ａ×ｓｉｎ（θ３－φ２）×（＋１） （３）
ｈ４＝ａ×ｓｉｎ（θ４－φ２）×（－１） （４）
【0027】
以下、図４及び図５を参照して、上記の式（１）の詳細な導出方法について説明する。図４は、空気ばね２２ａ，２２ｂ及び高さ調整装置４０ａ，４０ｂの正面図である。図５は、図４の部分拡大図である。図５には、高さ調整装置４０ａのみを拡大した図が示される。ただし、図４及び図５では、説明の便宜上、各構成の大きさが誇張して表されている場合がある。
【0028】
図４及び図５を参照して、車体１１は、傾斜角φ１で左右方向に傾斜している。車体１１は、空気ばね２２ａ側が低く、空気ばね２２ｂ側が高くなるように傾斜している。傾斜角φ１は、前後方向から見て、傾斜がないときの車体１１の下面に対応する面Ｐと、傾斜後の車体１１の下面とのなす角度である。車体１１が左右方向に傾斜しているとき、図４に示されるように、空気ばね２２ａ，２２ｂの高さは、高さ調整装置４０ａ，４０ｂの高さと異なる。
【0029】
図５を参照して、高さ調整装置４０ａの高さは、車体１１が傾斜していないときと比較して低くなる。高さ調整装置４０ａにおいて、車体１１の傾斜がないとき、回転軸４２２ａの中心４２２１ａの高さは、回転軸４２５ａの中心４２５１ａの高さと実質的に同じである。しかしながら、車体１１が傾斜角φ１で傾斜したとき、回転軸４２２ａの中心４２２１ａの高さは、回転軸４２５ａの中心４２５１ａの高さよりも低くなる。回転軸４２５ａの中心４２５１ａの高さと回転軸４２２ａの中心４２２１ａの高さとの差は、高さ調整装置４０ａの上面が面Ｐからどの程度低下したかを示し、高さ調整装置４０ａの高さｈ１に対応する。
【0030】
図５において、面Ｑは、面Ｐに平行で回転軸４２５ａの中心４２５１ａを通る面である。面Ｒは、傾斜後の車体１１の下面に平行で、回転軸４２５ａの中心４２５１ａを通る面である。面Ｓは、回転軸４２２ａの中心４２２１ａ及び回転軸４２５ａの中心４２５１ａを通る面である。図５を参照して、回転軸４２５ａの中心４２５１ａの高さと回転軸４２２ａの中心４２２１ａの高さとの差は、ａ×ｓｉｎ（θ１＋φ１）と表される。上述した通り、ａはレバー４２１ａの長さである。レバー４２１ａの長さとは、回転軸４２２ａの中心４２２１ａから回転軸４２５ａの中心４２５１ａまでの長さを意味する。高さ調整装置４０ａの高さは車体１１の傾斜によって低下しているため、ａ×ｓｉｎ（θ１＋φ１）に（－１）を乗じることにより、高さ調整装置４０ａの高さｈ１が計算できる。これにより、上記の式（１）が導出される。他の式（２）～（４）も同様の手順で導出可能である。
【0031】
図４を参照して、第１の台車２０において、高さ調整装置４０ａ，４０ｂの高さｈ１，ｈ２を用いて、鉄道車両１０の前側における車体１１の傾斜角φ１は下記の式（５）のように表される。同様の手順により、第２の台車３０（図１）において、高さ調整装置４０ｃ，４０ｄの高さｈ３，ｈ４を用いて、鉄道車両１０の後側における車体１１の傾斜角φ２は下記の式（６）のように表される。
φ１＝ｓｉｎ－１｛（ｈ２－ｈ１）／２Ｌ１｝ （５）
φ２＝ｓｉｎ－１｛（ｈ４－ｈ３）／２Ｌ１｝ （６）
φ１＝ｓｉｎ－１｛（ｈ２－ｈ１）／２Ｌ１｝ （５）
φ２＝ｓｉｎ－１｛（ｈ４－ｈ３）／２Ｌ１｝ （６）
【0032】
上記の式（１）～（６）を用いた計算を繰り返し行うことにより、高さｈ１，ｈ２，ｈ３，ｈ４及び傾斜角φ１，φ２を正確に計算することができる。以下、第１の台車２０において、高さｈ１，ｈ２及び傾斜角φ１を計算する場合について説明するが、第２の台車３０（高さｈ３，ｈ４及び傾斜角φ２）についても同様に計算することができる。
【0033】
まず、高さ調整装置４０ａの回転軸４２２ａの回転角θ１の情報を入手する。高さ調整装置４０ａの回転軸４２２ａの回転角θ１は、回転角度センサ４２３ａによって検出される。高さ調整装置４０ｂについても同様に、回転軸の回転角θ２の情報を入手する。次に、入手した高さ調整装置４０ａ，４０ｂの回転軸の回転角θ１，θ２を用いて、上記の式（１）及び（２）から、高さｈ１，ｈ２を計算する。そして、得られた高さｈ１，ｈ２を用いて、上記の式（５）から、傾斜角φ１を計算する。この傾斜角φ１を用いて上記の式（１）及び（２）を再び計算すると、より高精度な高さｈ１，ｈ２が得られる。高精度な高さｈ１，ｈ２を用いて上記の式（５）を再び計算すると、より高精度な傾斜角φ１が得られる。これを繰り返すことにより、正確な高さｈ１，ｈ２及び傾斜角φ１を計算することができる。
【0034】
上述した通り、空気ばね２２ａ，２２ｂの高さは、高さ調整装置４０ａ，４０ｂの高さと異なる。空気ばね２２ａ，２２ｂの高さと高さ調整装置４０ａ，４０ｂの高さとの差は、（Ｌ１－Ｌ２）ｓｉｎφ１と表される。（Ｌ１－Ｌ２）は、左右方向において、第１の台車２０の中心Ｃから一方の高さ調整装置までの距離Ｌ１と、中心Ｃから一方の空気ばねまでの距離Ｌ２との差である。このことから、空気ばね２２ａ，２２ｂの高さＨ１，Ｈ２は、それぞれ下記の式（７）及び（８）のように表される。第２の台車３０においても同様に、空気ばね３２ａ，３２ｂの高さＨ３，Ｈ４は、それぞれ下記の式（９）及び（１０）のように表される。
Ｈ１＝ｈ１＋（Ｌ１－Ｌ２）ｓｉｎφ１ （７）
Ｈ２＝ｈ２－（Ｌ１－Ｌ２）ｓｉｎφ１ （８）
Ｈ３＝ｈ３＋（Ｌ１－Ｌ２）ｓｉｎφ２ （９）
Ｈ４＝ｈ４－（Ｌ１－Ｌ２）ｓｉｎφ２ （１０）
Ｈ１＝ｈ１＋（Ｌ１－Ｌ２）ｓｉｎφ１ （７）
Ｈ２＝ｈ２－（Ｌ１－Ｌ２）ｓｉｎφ１ （８）
Ｈ３＝ｈ３＋（Ｌ１－Ｌ２）ｓｉｎφ２ （９）
Ｈ４＝ｈ４－（Ｌ１－Ｌ２）ｓｉｎφ２ （１０）
【0035】
このように、高さ調整装置４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの高さｈ１，ｈ２，ｈ３，ｈ４及び車体の傾斜角φ１，φ２が得られれば、上記の式（７）～（１０）を用いて空気ばねの高さを正確に計算することができる。そこで、本発明者は、高さｈ１，ｈ２，ｈ３，ｈ４及び傾斜角φ１，φ２を高精度に計算する方法を検討した。その結果、本発明者は、実施形態に係る計算方法を完成させた。
【0036】
実施形態に係る計算方法は、台車と、車体と、台車と車体との間で左右に配置された２つの空気ばねと、２つの空気ばねに対応して配置された２つの高さ調整装置と、制御装置と、を備える鉄道車両の空気ばねの高さの計算方法である。２つの高さ調整装置はそれぞれ、回転軸と、レバーと、回転角度センサと、を含む。回転軸は、鉄道車両の前後方向に延びる。レバーは、回転軸の一端に台車と車体との上下方向の相対変位に応じて回動可能に固定され、回転軸の半径方向に延びる。回転角度センサは、回転軸の他端に取り付けられ、回転軸の回転角を検出する。当該計算方法は、取得工程と、反復計算工程と、空気ばね高さ計算工程と、を備える。取得工程では、制御装置が、所定のサンプリング周期毎に回転角度センサから回転軸の回転角の情報を取得する。反復計算工程では、サンプリング周期毎に第１計算工程及び第２計算工程を３回以上交互に繰り返し行う。第１計算工程では、制御装置が、車体の傾斜角及び取得工程で取得した回転軸の回転角から２つの高さ調整装置の高さを計算する。第２計算工程では、制御装置が、第１計算工程で計算した２つの高さ調整装置の高さから車体の傾斜角を計算する。空気ばね高さ計算工程では、反復計算工程の最後の第１計算工程で計算した２つの高さ調整装置の高さ、及び最後の第２計算工程で計算した車体の傾斜角を用いて、２つの空気ばねの高さを計算する。反復計算工程において、サンプリング周期内での１回目の第１計算工程では、制御装置が、車体の傾斜角として任意の値を用い、ｎ回目（ただし、ｎは２以上の整数である。）の第１計算工程では、制御装置が、車体の傾斜角として（ｎ－１）回目の第２計算工程で計算した車体の傾斜角を用いる（第１の構成）。
【0037】
第１の構成に係る計算方法では、制御装置により、空気ばねの高さの計算が行われる。制御装置は、第１計算工程において、車体の傾斜角及び２つの高さ調整装置の回転軸の回転角から２つの高さ調整装置の高さを計算する。制御装置は、第２計算工程において、第１計算工程で計算した２つの高さ調整装置の高さから車体の傾斜角を計算する。制御装置は、反復計算工程において、第１計算工程及び第２計算工程を３回以上交互に繰り返し行う。これにより、高精度な２つの高さ調整装置の高さ及び車体の傾斜角が得られる。そして、空気ばね高さ計算工程では、制御装置により、空気ばねの高さを計算するのに２つの高さ調整装置の高さ及び車体の傾斜角が用いられる。この空気ばねの高さの計算において、２つの高さ調整装置の高さ及び車体の傾斜角として反復計算工程で得られた高精度な値が用いられる。これにより、空気ばねの高さを正確に把握することができる。
【0038】
第１の構成に係る計算方法は、下記の構成を備えてもよい。２回目以降のサンプリング周期での反復計算工程において、１回目の第１計算工程では、制御装置が、車体の傾斜角として以前のサンプリング周期で計算した車体の傾斜角を用いる（第２の構成）。第２の構成の計算方法では、１回目の第１計算工程で、以前のサンプリング周期で計算された車体の傾斜角が用いられる。そのため、そのサンプリング周期内での１回目の第１計算工程では、任意の値を車体の傾斜角として用いる場合と比較して、２つの高さ調整装置の高さを高精度に計算することができる。
【0039】
［計算方法］
図６は、本実施形態に係る鉄道車両１０の空気ばねの高さの計算方法を示すフロー図である。図６を参照して、本実施形態に係る計算方法は、取得工程（＃５）と、反復計算工程（＃１０）と、空気ばね高さ計算工程（＃１５）と、を備える。鉄道車両１０の制御装置５０は、取得工程（＃５）と、反復計算工程（＃１０）と、空気ばね高さ計算工程（＃１５）とを実行するように構成される。以下、本実施形態に係る計算方法を用いて空気ばね２２ａ，２２ｂの高さＨ１，Ｈ２を計算する方法を説明する。ただし、空気ばね３２ａ，３２ｂの高さＨ３，Ｈ４についても同様に計算することができる。
図６は、本実施形態に係る鉄道車両１０の空気ばねの高さの計算方法を示すフロー図である。図６を参照して、本実施形態に係る計算方法は、取得工程（＃５）と、反復計算工程（＃１０）と、空気ばね高さ計算工程（＃１５）と、を備える。鉄道車両１０の制御装置５０は、取得工程（＃５）と、反復計算工程（＃１０）と、空気ばね高さ計算工程（＃１５）とを実行するように構成される。以下、本実施形態に係る計算方法を用いて空気ばね２２ａ，２２ｂの高さＨ１，Ｈ２を計算する方法を説明する。ただし、空気ばね３２ａ，３２ｂの高さＨ３，Ｈ４についても同様に計算することができる。
【0040】
取得工程（＃５）では、制御装置５０が、所定のサンプリング周期毎に各高さ調整装置４０ａ，４０ｂから回転軸の回転角θ１，θ２の情報を取得する。例えば、高さ調整装置４０ａに着目すると、制御装置５０は、高さ調整装置４０ａの回転角度センサ４２３ａで検出した回転軸４２２ａの回転角θ１の情報を取得する。
【0041】
サンプリング周期は、制御装置５０が各高さ調整装置４０ａ，４０ｂから回転軸の回転角θ１，θ２の情報を取得する周期である。サンプリング周期は、特に限定されるものではないが、例えば５０ｍｓｅｃである。
【0042】
反復計算工程（＃１０）では、サンプリング周期毎に第１計算工程（＃１０Ａ）及び第２計算工程（＃１０Ｂ）を交互に繰り返し行う。反復計算工程（＃１０）において、１回のサンプリング周期内で第１計算工程（＃１０Ａ）及び第２計算工程（＃１０Ｂ）を繰り返し行う回数は、好ましくは３回以上であり、より好ましくは１０回以上である。
【0043】
第１計算工程（＃１０Ａ）では、制御装置５０が、車体１１の傾斜角φ１及び取得工程（＃５）で取得した回転軸の回転角θ１，θ２から高さ調整装置４０ａ，４０ｂの高さｈ１，ｈ２を計算する。具体的には、制御装置５０は、上記の式（１）及び（２）を用いて、高さ調整装置４０ａ，４０ｂの高さｈ１，ｈ２を計算する。
【0044】
１回目のサンプリング周期での反復計算工程（＃１０）において、そのサンプリング周期内で１回目の第１計算工程（＃１０Ａ）を行う時点では、車体１１の傾斜角φ１は不明である。その場合、任意の値を傾斜角φ１として用いる。
【0045】
後述するように、反復計算工程（＃１０）では、サンプリング周期内において、車体１１の傾斜角φ１が計算される。そのため、２回目以降のサンプリング周期での反復計算工程（＃１０）では、そのサンプリング周期内で１回目の第１計算工程（＃１０Ａ）において、以前のサンプリング周期で計算された車体１１の傾斜角φ１を用いてもよい。例えば、３回目以降のサンプリング周期での反復計算工程（＃１０）では、１つ前のサンプリング周期で計算された傾斜角φ１が用いられてもよいし、２つ以上前のサンプリング周期で計算された傾斜角φ１が用いられてもよい。この場合、任意の値を傾斜角φ１として用いる場合と比較して、そのサンプリング周期内の１回目の第１計算工程（＃１０Ａ）において高さ調整装置４０ａ，４０ｂの高さｈ１，ｈ２を高精度に計算することができる。
【0046】
第２計算工程（＃１０Ｂ）では、制御装置５０が、第１計算工程（＃１０Ａ）で計算した高さ調整装置４０ａ，４０ｂの高さｈ１，ｈ２から車体１１の傾斜角φ１を計算する。具体的には、制御装置５０は、上記の式（５）を用いて、車体１１の傾斜角φ１を計算する。
【0047】
上述した通り、反復計算工程（＃１０）では、サンプリング周期毎に第１計算工程（＃１０Ａ）及び第２計算工程（＃１０Ｂ）が交互に繰り返し行われる。サンプリング周期内で２回目の第１計算工程（＃１０Ａ）では、１回目の第２計算工程（＃１０Ｂ）で計算した車体１１の傾斜角φ１を用いて高さ調整装置４０ａ，４０ｂの高さｈ１，ｈ２を計算する。すると、１回目の第１計算工程（＃１０Ａ）と比較して、より高精度な高さｈ１，ｈ２が得られる。さらに、２回目の第２計算工程（＃１０Ｂ）では、２回目の第１計算工程（＃１０Ａ）で計算した高さ調整装置４０ａ，４０ｂの高さｈ１，ｈ２を用いて車体１１の傾斜角φ１を計算する。すると、１回目の第２計算工程（＃１０Ｂ）と比較して、より高精度な傾斜角φ１が得られる。
【0048】
反復計算工程（＃１０）では、サンプリング周期内でｎ回目（ｎは２以上の整数）の第１計算工程（＃１０Ａ）では、制御装置５０が、車体１１の傾斜角φ１として（ｎ－１）回目の第２計算工程（＃１０Ｂ）で計算した傾斜角φ１を用いる。また、サンプリング周期内でｎ回目の第２計算工程（＃１０Ｂ）では、制御装置５０が、高さ調整装置４０ａ，４０ｂの高さｈ１，ｈ２としてｎ回目の第１計算工程（＃１０Ａ）で計算した高さ調整装置４０ａ，４０ｂの高さｈ１，ｈ２を用いる。このように、反復計算工程（＃１０）において、第１計算工程（＃１０Ａ）及び第２計算工程（＃１０Ｂ）を交互に繰り返し行うことにより、正確な高さｈ１，ｈ２及び傾斜角φ１を計算することができる。
【0049】
空気ばね高さ計算工程（＃１５）では、高さ調整装置４０ａ，４０ｂの高さｈ１，ｈ２及び車体１１の傾斜角φ１を用いて、空気ばね２２ａ，２２ｂの高さＨ１，Ｈ２を計算する。具体的には、制御装置５０は、上記の式（７）及び（８）を用いて、空気ばね２２ａ，２２ｂの高さＨ１，Ｈ２を計算する。空気ばね高さ計算工程（＃１５）では、高さ調整装置４０ａ，４０ｂの高さｈ１，ｈ２として、反復計算工程（＃１０）においてサンプリング周期内の最後に行われた第１計算工程（＃１０Ａ）で計算した高さｈ１，ｈ２が用いられる。また、空気ばね高さ計算工程（＃１５）では、車体１１の傾斜角φ１として、反復計算工程（＃１０）においてサンプリング周期内の最後に行われた第２計算工程（＃１０Ｂ）で計算した傾斜角φ１が用いられる。
【0050】
［効果］
実施形態に係る計算方法では、制御装置５０により、空気ばね２２ａ，２２ｂの高さＨ１，Ｈ２の計算が行われる。制御装置５０は、第１計算工程（＃１０Ａ）において、車体１１の傾斜角φ１及び高さ調整装置４０ａ，４０ｂの回転軸の回転角θ１，θ２から高さ調整装置４０ａ，４０ｂの高さｈ１，ｈ２を計算する。制御装置５０は、第２計算工程（＃１０Ｂ）において、第１計算工程（＃１０Ａ）で計算した高さｈ１，ｈ２から車体１１の傾斜角φ１を計算する。制御装置５０は、反復計算工程（＃１０）において、第１計算工程（＃１０Ａ）及び第２計算工程（＃１０Ｂ）を３回以上交互に繰り返し行う。これにより、高精度な高さｈ１，ｈ２及び傾斜角φ１が得られる。そして、空気ばね高さ計算工程（＃１５ａ）では、制御装置５０により、空気ばね２２ａ，２２ｂの高さＨ１，Ｈ２を計算するのに高さｈ１，ｈ２及び傾斜角φ１が用いられる。この空気ばね２２ａ，２２ｂの高さＨ１，Ｈ２の計算において、高さｈ１，ｈ２及び傾斜角φ１として反復計算工程（＃１０）で得られた高精度な値が用いられる。これにより、空気ばね２２ａ，２２ｂの高さＨ１，Ｈ２を正確に把握することができる。
実施形態に係る計算方法では、制御装置５０により、空気ばね２２ａ，２２ｂの高さＨ１，Ｈ２の計算が行われる。制御装置５０は、第１計算工程（＃１０Ａ）において、車体１１の傾斜角φ１及び高さ調整装置４０ａ，４０ｂの回転軸の回転角θ１，θ２から高さ調整装置４０ａ，４０ｂの高さｈ１，ｈ２を計算する。制御装置５０は、第２計算工程（＃１０Ｂ）において、第１計算工程（＃１０Ａ）で計算した高さｈ１，ｈ２から車体１１の傾斜角φ１を計算する。制御装置５０は、反復計算工程（＃１０）において、第１計算工程（＃１０Ａ）及び第２計算工程（＃１０Ｂ）を３回以上交互に繰り返し行う。これにより、高精度な高さｈ１，ｈ２及び傾斜角φ１が得られる。そして、空気ばね高さ計算工程（＃１５ａ）では、制御装置５０により、空気ばね２２ａ，２２ｂの高さＨ１，Ｈ２を計算するのに高さｈ１，ｈ２及び傾斜角φ１が用いられる。この空気ばね２２ａ，２２ｂの高さＨ１，Ｈ２の計算において、高さｈ１，ｈ２及び傾斜角φ１として反復計算工程（＃１０）で得られた高精度な値が用いられる。これにより、空気ばね２２ａ，２２ｂの高さＨ１，Ｈ２を正確に把握することができる。
【実施例0051】
以下、実施例によって本開示の計算方法をさらに詳しく説明する。本実施例では、鉄道車両に対して本開示に係る計算を適用し、計算で得られた空気ばねの高さと実際の空気ばねの高さとの誤差を調査した。
【0052】
本実施例では、２つの条件（本発明例１及び本発明例２）で空気ばねの高さの計算を行った。本発明例１では、反復計算工程（＃１０）において、サンプリング周期内で１回目の第１計算工程（＃１０Ａ）では、１つ前のサンプリング周期で計算された車体の傾斜角を用いた。一方、本発明例２では、反復計算工程（＃１０）において、サンプリング周期内で１回目の第１計算工程（＃１０Ａ）では、車体の傾斜角としてゼロを用いた。
【0053】
図７は、本実施例の結果を示すグラフである。図７において、縦軸は計算で得られた空気ばねの高さと実際の空気ばねの高さとの誤差（ｍｍ）を示し、横軸はあるサンプリング周期での第１計算工程（＃１０Ａ）及び第２計算工程（＃１０Ｂ）を繰り返した回数を示す。
【0054】
図７を参照して、繰り返し回数が１回又は２回の時点では、本発明例２は本発明例１と比較して誤差が大きかった。これは、本発明例２では、サンプリング周期での計算結果を次のサンプリング周期での計算に反映させなかったからと考えられる。しかしながら、繰り返し回数が３回以上では、本発明例２での誤差は本発明例１での誤差と同程度であった。この結果から、サンプリング周期内で１回目の第１計算工程（＃１０Ａ）において車体の傾斜角としてどのような値を用いても、サンプリング周期内での繰り返し回数を３回以上とすれば誤差を小さくできることが分かる。
【0055】
以上、本開示の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本開示を実施するための例示に過ぎない。したがって、本開示は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。
【符号の説明】
【0056】
１０：鉄道車両
１１：車体
２０：第１の台車
２２ａ，２２ｂ：空気ばね
４０ａ，４０ｂ：高さ調整装置
４２１ａ：レバー
４２２ａ：回転軸
４２３ａ：回転角度センサ
５０：制御装置
１１：車体
２０：第１の台車
２２ａ，２２ｂ：空気ばね
４０ａ，４０ｂ：高さ調整装置
４２１ａ：レバー
４２２ａ：回転軸
４２３ａ：回転角度センサ
５０：制御装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
