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Rail. Eng. Science に掲載された記事「鉄道車両のアクティブ サスペンション: 文献調査」では、2020 年までの鉄道車両分野におけるアクティブ制御ソリューションのさまざまな重要な実装が包括的にまとめられています。このブログは論文の原文を忠実に翻訳したものです。論文は長いため、翻訳と注釈をそれぞれいくつかのブログに分けています。前回の記事は「鉄道車両におけるアクティブサスペンション: 文献レビュー (3)」でした。
紙翻訳
1 はじめに
2 アクティブサスペンションの基本概念と分類
3 チルトトレイン
4 アクティブセカンダリサスペンション
5 アクティブプライマリサスペンション
5.1 剛性ホイールセットと独立回転ホイール
パッシブサスペンションシステムを備えた従来の車両の場合、パッシブ誘導機構が実装されている場合でも、安定性とカーブ通過性能の間で妥協する必要があります[90]。対照的に、アクティブ サスペンションを適用してホイールセットの動きを制御することにより、安定性と良好なカーブ通過性能を確保する柔軟なソリューションを同時に提供することができます。アクティブ プライマリ サスペンションの適用は、ホイールとレールの接触との関係により、アクティブ セカンダリ サスペンションよりも大きな経済的利益を生み出すことが期待されます。車輪とレールの間の摩耗が大幅に軽減され、転がり接触疲労が改善される傾向があり、その結果、車両とインフラのコストが削減されます [91]。
ホイールセットは、その機械的構造に基づいて、一般的に 2 つのタイプに分類されます。1 つは剛性ホイールセット、もう 1 つは独立して回転するホイールです。リジッドホイールセットの場合、同じ車軸上の両方のホイールの回転速度は同じになります。したがって、縦方向のクリープを発生させることができ、ガイド機能とセルフセンタリング機能を実現できます。ただし、縦方向のクリープは、カーブを通過するときに蛇行の不安定性やホイール レールの不必要な摩耗を引き起こす可能性があります。対照的に、独立して回転するホイールは異なる回転速度を自由に設定できるため、縦方向のクリープが失われ、最終的にはセルフセンタリング機能が失われ、リム接触の危険性が高まります。
一般に、アクティブ プライマリ サスペンションを設計する場合、リジッド ホイールセットの場合は「安定性」と「ステアリング」の 2 つの問題を考慮する必要があり、独立した回転ホイールの場合は「案内」も考慮する必要があります。
リジッドホイールセットと独立して回転するホイールの間には本質的な違いがあるため、アクティブプライマリサスペンションセクションを 2 つの部分に分割するのは直感的です。セクション 5.2 では、剛性ホイールセットのアクティブなソリューションが説明され、セクション 5.3 では、独立して回転するホイールのソリューションが説明されます。合計 6 つの構成が検討され、表 1 にまとめられています。
5.2 リジッドホイールセットのアクティブプライマリサスペンション
5.2.1 原理と構成
(a) 作動ソリッドアクスルホイールセット (ASW)
剛性ホイールセットの場合、ASW は最も広く研究されている構成であり、振動トルクまたは横方向の力をホイールセットに直接適用して振動と横方向の動きを制御し、それによってカーブの通過と安定性を向上させることができます [3]。この原理は、3 つの従来の機械レイアウトを通じて実装できます。振動トルクは、図 22a に示すように、台車と車輪セットの間に取り付けられた振動アクチュエータによって直接適用できます。または、図 22a に示すように、車輪セットの端で長手方向に 2 つのアクチュエータを使用するより実用的な方法でも適用できます。図22b。ホイール セットの振動運動と横方向の運動は連動しているため、横方向アクチュエーター (図 22c を参照) を適用することは、ホイール セットの運動制御を実現する別の方法です。しかし、単純化された 2 軸車両モデルに基づく研究 [92] では、横方向アクチュエータが振動ヘッド アクチュエータと同じ車両安定性を達成するには、より大きな力が必要であると結論付けられています。また、この方式を採用した場合、乗り心地の悪化やラテラルアクチュエータの設置スペースの問題が発生することが予想されます。3 つのスキームのうち、スキーム (b) が最も一般的であり、図 23 に示すように、そこからいくつかの新しい具体的なスキームが提案されています。
図 22 ASW の一般的な機械的レイアウト
図 23 誘導概念の例: 2 つのアクチュエータを備えたアクティブガイド台車 [93] (左) と 1 つのアクチュエータを備えたアクティブガイド台車 [94] (右)
図 23 の左側のパネルのスキームは Park ら [93] によって導入され、各ホイールセットに縦方向のアクチュエータが付いています。機械的リンケージは、各ホイールセットの左端と右端で反対の実行力を伝達するように設計されています。したがって、ホイールセットごとにアクチュエーターが 1 つだけ取り付けられます。右の図のスキームは梅原らによって提案されたものです [94]. 慎重に設計された一連のコネクティング ロッドが前輪と後輪のペアの動きを結合するため、各台車はステアリング効果を達成するために 1 つのアクチュエータのみを必要とします。関節式機械的リンケージを導入してアクチュエータの数を減らすことにより、設置スペースとアクチュエータ システムのコストを節約できます。ただし、アクチュエータの数を減らすということは、各アクチュエータに、より大きな最大力や最大圧力などのより高い性能要件が必要になることを意味しますが、それでもシステム全体の信頼性を向上させる可能性はあります。アクチュエータの数を減らすと、冗長構造を持つフォールトトレラントなアクチュエータの設置スペースとコストを節約できます。これは実際の設計プロセスにおいて重要な側面です [95]。
「ヨー緩和」コンセプト [96] では、図 24 に示すように、バネが縦方向アクチュエータと直列に接続され、車軸が台車枠に接続されます。直線トラックでは、低帯域幅の周波数範囲またはパッシブ モードで動作するパッシブ スプリングと高剛性アクチュエータによって安定性が確保されます。カーブでは、アクチュエーターはアクティブ モードになり、より少ない力でホイールセットを駆動できます。
図 24 ヨー緩和計画[96]
車両の安定性を確保するために一次スプリングが縦振動アクチュエータと並列に接続されている場合、受動的スプリングの効果を相殺するために曲線内でより高い作動力が必要となります。ただし、アクチュエータの隣に並列パッシブ サスペンションを配置することは、ASW の実装にとって重要なアクティブ サスペンションの耐障害性を確保する効果的な方法です[95]。プライマリーサスペンションを設計する際、垂直方向の荷重に耐える必要があるコイルスプリングやラバースプリングの存在により、従来の縦方向の剛性を完全に取り除くことは困難です。それにもかかわらず、[97、98] に示されているように、従来の縦方向の剛性を低減すると、より低い実行力を達成するのに役立ちます。
(b) 二次ヨー制御(SYC)
SYC は元々、直線軌道と傾斜列車の曲線走行性能の安定性を向上させるために Diana らによって提案されました [99, 100]。受動振動ダンパーが元々設置されていた場所では、車体から台車に発生する振動トルクは、2 つの縦方向の電気機械アクチュエーターによって生成されます。このソリューションは、アクティブ振動ダンパー (ADD、ドイツ語: 'aktiver Drehdampfer') としても知られています。この概念の概略図を図 25 に示します。
図25 二次加振制御（SYC）
SYC コンセプトは、車両の臨界速度を向上させ、トラック シフトの力を軽減します。ホイールセットの動きは制御されないため、ガイド効果は ASW ほど効果的ではありませんが、安定性が向上することで一次ヘッド角度の剛性を低くすることができ、結果としてカーブ性能が向上します。SYC をアクティブ セカンダリ サスペンションとして分類するのは合理的ですが、SYC の目的は安定性を向上させ、カーブでのトラック移動力を軽減することであり、乗り心地を向上させることではありません。したがって、この制御スキームはアクティブ プライマリ サスペンションの特性により近くなります。
SYC の概念と同様に、[101] は安定性を向上させるための新しい台車アクティブ制御を提案しました。この研究では、2 つの慣性アクチュエータが台車枠の前後の梁に横方向に適用されています。シミュレーション結果では安定性の向上が実証され、最近の縮小ローラーベンチ試験では台車の横方向変位の減少が実証されました[102]。
(c) ヨー力操舵台車作動式（AY-FS）
シムソンは SYC に基づいて、大型機関車用の新しいアクティブ サスペンション AY-FS を提案しました [103-105]。このコンセプトでは、SYC と組み合わせたフォースステアリングリンケージが実装されています。これは、図 26 に示すように、台車と車体の間の運動学的関係に従って、ホイールセットを理想的な位置に強制的に移動させることができる SYC とパッシブステアリングリンケージの組み合わせとして見ることができます。このコンセプトにより、高牽引機関車のカーブ通過性能が大幅に向上します。
図 26 AY-FS[104]
5.2.2 ステアリングと安定性の制御戦略
制御戦略はさまざまな制御目標に応じて異なり、次の 2 つの主要なカテゴリに分類できます。
(a) ステアリングの制御戦略
(b) 狩猟安定性のための制御戦略
a. 誘導制御戦略
アクティブ プライマリ サスペンションを実装する基本的な目的は、通常、カーブのパフォーマンスを向上させることです。摩耗数/摩耗指数、および異なるホイールペア間のトラック偏向力の同等性は、車両のカーブ挙動を評価するためによく使用されます。文献に示されているさまざまなステアリング原理は次のように要約されます: (a.1) ラジアル制御、(a.2) 完璧なステアリング、(a.3) 機関車ステアリング制御、(a.4) その他の制御
a.1 ラジアル制御 ラジアル制御
ラジアル コントロールの考え方は、各ホイールセットをカーブ内のラジアル位置にガイドすることです。言い換えれば、ホイールセットの迎え角は可能な限り小さくする必要があります。この考えに基づいて、受動的リンケージまたは車輪対カップリングを通じて台車をガイドするためのいくつかの解決策が提案されています。たとえば、Talgo のデザインが良い例です [106]。ただし、理論的には、この制御概念は横断勾配摺り付けがゼロ未満の場合にのみ完全な曲線通過パフォーマンスを生み出すことができますが、実際の操作ではこのようなことはほとんど起こりません。通常の状態では、補償されていない横方向の力と釣り合う横方向のクリープ力を生成するには、適度に小さな迎え角が必要です。その単純さにもかかわらず、この制御スキームは曲線の動作に大幅な改善をもたらすことが示されています[107]。
a.2 完璧なステアリング制御
Goodall と Mei [59] によって定義された完全なガイダンスでは、牽引力または制動力が適用されない場合、同じ軸上の車輪の縦方向のクリープ力はゼロに等しくなければならないと述べています。同時に、各車輪は等しい横方向のクリープ力に対応します。しかし、実際の運転においては、クリープ力を直接測定することは非常に困難です。したがって、完璧なステアリング条件に使用できるいくつかの同等の指標が提案され、まとめられています。
- ホイールセットの横位置に基づいた完璧な制御
ゼロの縦方向の力 (牽引力と制動力を考慮しない) と等しい横方向の力は、各車輪での純粋な回転を意味します。純粋なローリングを実現するには、頭を振るモーメントを適用してホイールセットの横方向の位置を制御できます [108、109]。ホイールがテーパー状であるという仮定 [93] の下で、ホイールセットの必要な横方向の変位は式 (7) に従って計算できます。
ここで、e はトラックのハーフゲージ、r0 は転がり半径、λ はホイールのテーパー、R はカーブ半径を表します。このような制御下では、ホイールテーパーやホイールセットの横変位を測定または推定することが困難になる場合があります。この方法は 2 軸車両に使用され、車両速度と推定曲率に基づいてスケーリングが実行され、さまざまな動作条件下での PID コントローラーの安定性が向上します [110]。
プライマリサスペンションから加わるヨーモーメントに基づいた完璧な制御
この制御戦略はもともと、Shen と Goodall [96] によって提案されたヨー緩和法で提案され、その後、Perez と Shen [108、109] によるいくつかの追跡研究が続きました。車輪にかかる力は、車輪とレールの接触による力と、台車から一次懸架装置を介して伝達される力の 2 つに分けられます。2 つの車輪にかかる反対方向のクリープ力により、頭を振るモーメントが生じますが、理想的なステアリング条件下では、このモーメントはゼロになるはずです。ホイールセットの慣性力を無視すると、プライマリサスペンションによって発生するヘッドシェイクモーメントはゼロになるはずです。言い換えれば、ホイールセットを純粋なローリング位置に置くために、ホイールセットの振動運動は自由に設定されます。したがって、この制御はヨー緩和とも呼ばれます。この首振りモーメントの測定は、軸箱にかかる前後方向の力を計算することで実現できます。作動力は作動システムによって測定でき、ばね力はばねの変形および剛性特性を測定することによって測定できます。負荷レベルが異なると剛性が変化するため、測定誤差が生じる可能性があります。
- 理想的な迎え角による完璧なコントロール
各車輪ペアの理想的な迎え角が等しいことは、台車上の 2 つの車輪の横方向の接触力が等しいことを示すもう 1 つの指標です [109]。各ホイールセットの理想的な角度は、トラック データ (曲率と片勾配)、片勾配の欠如 (車両速度)、およびクリープ係数によって決まります。フィードフォワード制御を実装すると、制御設計を簡素化し、システムの不安定性を回避できます。ただし、これらのパラメータの不正確な測定の多くやプライマリ サスペンションの剛性の不確実性により、制御が非効率になる可能性があります。したがって、フィードバック制御を適用すると、ステアリングの効きが向上します。
- ホイールセットの同じ位置/動きに基づく完璧な制御
この制御戦略では、理想的な迎え角も理想的な横方向変位も必要ありません。代わりに、ホイールセットの迎え角と横変位の間のゼロの差が制御目標として使用されます。ホイールセットの動きの違いを排除するための代替ソリューションとして、横方向および縦方向の力またはプライマリ サスペンションの変形を測定できます。
全体として、上記の 4 つの戦略は、クリープ力に関する同じ原則に基づいています。すべてのパラメータを正確に測定できる理想的な条件下では、4 つの制御戦略すべてが完璧なステアリング効果を提供します。センシングの問題と測定の不確実性が考慮される場合、これらの制御戦略のステアリング効果は悪化し、異なる特性を示す可能性があります。表 2 は、上記の制御方式を比較しています。
クリープ力の測定は困難であるため、上記 4 つの制御方法が提案されています。クリープ力を推定するためにいくつかの特定のフィルタリング方法が提案されている [111] ため、推定されたクリープ力を制御目標として直接使用して、完全なステアリング制御を達成することができます [98]。
a.3 機関車のステアリング制御
(a.2) の完全な誘導は幅広い鉄道車両に適用できますが、大型機関車には適していない可能性があります。縦方向の牽引効果が大きいため、カーブを走行する大型列車は連結器に縦方向と横方向の力を発生させ、揺れモーメントが発生します[103]。しかし、等しい縦方向と横方向のクリープ力を必要とする完璧なステアリングの概念では、このモーメントのバランスを取ることはできません。これを考慮して、Simson らは 2 つの移動誘導原理を提案しました。「改良型完全機関車ステアリング」は、パーフェクトステアリングの改良型として最初に提案された。これには、同じ台車内の各車輪に等しい縦方向のクリープ力と、同じ台車内の車輪のペアに等しい横方向のクリープ力が必要です。言い換えれば、首を振るモーメントのバランスをとるために、前後の台車から異なる横方向の力を許容することになります。ただし、多くの作業では垂直荷重が各ホイールで変化するため、長手方向の力が等しいと粘着力の利用が制限されます。この問題を解決するために、前後クリープ力の均一性の要求を緩和し、その方向を牽引力と一致させる「理想機関車操舵」（理想機関車操舵）が提案された。この戦略により、ホイールセットのより柔軟な位置決めが可能になり、クリープ力を最小限に抑えることができます。さらに、小さなカーブ半径でもホイールリムの接触を効果的に回避できるため、脱線の危険性が軽減されると言われている[103]。
a.4 その他のコントロール
SYC スキームの場合、同じ台車上の両軸の軌道横力を低減/バランスさせることが主な制御目標です。基準実行力は、車両が特定の非補償加速度で特定のカーブ半径を通過するときに、さまざまな動作シナリオの多数のシミュレーションから導出されたルックアップ テーブルから取得されます [100]。
AY-FSソリューションでは、曲線上の台車の位置に基づいて台車の基準揺動角度を計算できます。目標角度を達成するために PID コントローラーが導入されています。縦方向の力の感知に基づく制御概念は、文献 [104、105] に記載されています。
b. 狩猟安定性のための制御戦略
剛性ホイールセットの自励振動により、車両システムに蛇行状の不安定性が生じます。ステアリングに加えて、安定性を達成することもアクティブ プライマリ サスペンションの主な目標です。ホイールセットのヨー角、横速度、ヨー角速度は、ホイールセットの不安定性を測定する 3 つの指標です。ホイールセットの動きを安定させるために、対応する 3 つの制御戦略が提案されています。
アクティブ横方向ダンピングとアクティブヨーダンピングは、2 つの同様の制御戦略です。前者によって加えられる横力はホイールセットの振動角速度に比例し、後者によって導入される振動モーメントはホイールセットの横速度に比例します。これら 2 つの制御戦略の安定化効果は、2 軸車両モデルに基づいて文献 [3] で理論的に検証されています。アクティブ振動ダンピングは、必要な力が少なく、乗り心地が向上するため、アクティブ横ダンピングよりも優れています [92]。アクティブシェーキングヘッドの減衰効果は、Pearson らのテストでも検証されました [112]。
3 番目の安定性制御戦略は、「スカイフック スプリング」と呼ばれます (「絶対ヨー剛性」とも呼ばれます)。受動的な頭を振る硬直の無効性からインスピレーションを得た [44, 113]。パッシブプライマリサスペンションでは、ばねによって生成される首振りモーメントは台車と車輪対の間の相対回転角に比例しますが、理想的な首振りモーメントは車輪の絶対首振り角度に比例する必要があります。ペア。バネの剛性を高めると首振りモーメントの効果が高まり安定性が向上しますが、その効果は台車の動きの影響を受けます。この問題を解決するために、「キャノピー スプリング」が提案されました [113]。ホイールセットに作用するヘッドシェイク力は、測定されたホイールセットの絶対ヘッドシェイク角度に比例し、カーブ走行中に低周波信号を除去するためにハイパスフィルターが使用されます。表 3 は、上記 3 つの制御戦略を示しています。
SYC では、車両の安定性は、二次ヨー ダンパーを模倣するために使用される 2 つの縦方向のアクチュエーター (二次ヨー ダンパーを模倣するために使用される 2 つの縦方向のアクチュエーター) によって実現されます。アクチュエータの基準力は、式 (8) に従って計算できます。
ここで、vrel は台車と車体間の相対速度、cv は粘性減衰と同様のゲインです。mvax 項を導入することにより、センサーの遅延とアクチュエーターの動作が補償されます [100]。
安定性と誘導の制御原理は別々にまとめられており、H∞のようなコントローラを使用してアクチュエータの動作の制御も実現できます。H∞ コントローラの効率は、従来のボギー車両 (Mousavi et al. [114]) および 2 軸車両 (Qazizadeh et al. [115]) で研究されており、実行を削減しながら曲線性能を達成できることが示されています。改善を強制します。
5.2.3 例
SYC の概念を除けば、アクティブ プライマリ サスペンションの商用応用は現在ありませんが、2007 年の作業の最後の見直し以来、重要な新たな進歩が見られました [4]。
SYC は、2000 年代初頭に本格的なローラー テスト リグとトラックでテストされました [99、100、116]。テストでは、ホイールセットの誘導力が軽減され、車両の安定性が向上することが確認されました。シーメンスは電気機関車（型式 ES64F4 および ES64U2 [117]）に ADD を適用しており、新世代機関車「ベクトロン」にもこのシステムを採用する予定である。
近年、ASWの概念がより注目を集めています。以下は、各国で実施されたローラーテストリグとフィールドテストについて説明します。
梅原ら[94]は、図 23 の右側に示すスキームに基づいて台車枠を開発しました。各台車には電気油圧アクチュエータ (EHA) が 1 つだけあり、特殊な回路とバルブ設計により、アクチュエータの逆制御のリスクが排除されています [118]。逆誘導が発生した場合、アクチュエータは力を生成しません。つまり、アクチュエータ システムは安全に無効になります。EHAアクチュエータの安全故障機能を検証するため、速度10km/hの直線路で試験を実施したところ、後進誘導制御下でも輪軸誘導力は増加しないことが確認されました。
2010 年頃、韓国鉄道研究院は、図 23 の左側に示す機械レイアウトに基づいて、1:5 スケールのローラー試験装置で実験を実施しました [93]。フルテーパーホイールトレッドを想定し、理想的な横変位に基づいたホイールセットの完璧なステアリング制御が実現されています。実験には電磁リニアアクチュエータを使用した。テストの結果、ホイールセットの横方向の変位と案内力の点で改善が達成されたことがわかりました。
これに続いて、シミュレーションからフィールドテストに至るまで、新しいステアリングレイアウトに焦点を当てた一連の研究が行われました。制御戦略は、セクション 5.2.2 (a.1) で導入された曲線内のホイールセットの半径方向の位置に基づいています。は、車体と台車からの 2 点間の相対変位のみを測定するリアルタイムの曲線半径推定方法を提案しました [97]。従来のリニア アクチュエータとは異なり、図 27 (左) に示すように、コネクティング ロッドとともにモーターの回転を駆動してロッドの両端で直線運動を実現する特別な電気機械アクチュエータが作成されました。このように、アクチュエータユニットは台車の片側に 1 つだけあります。さらに、プライマリーラバースプリングの設計を見直し、より低い縦剛性を実現しました。図 27 (右) は、アクチュエータ システムの動作を調べるために初めて軌道上で静的実験が行われたステアリング ボギーのプロトタイプを示しています [119]。事前に測定した曲率信号を制御システムに送信して実際の軌道情報をシミュレートし、ホイールセットのヨー角と駆動力を測定しました。ヘッド角度測定装置のメンテナンス性とコストを考慮し、アクチュエータの変位制御にはフィードフォワード制御を採用しています。したがって、ホイールセットのヘッド角度の測定は、ホイールセットの動きを評価するためにのみ使用されます。基準ガイド角度と測定値との誤差は最大8%です。さらに、コントローラには自己診断機能があります。エラー信号が認識されると、アクチュエータはパッシブ台車モードに切り替わります。
図27 ガイドアクチュエータ装置[97]（写真左）とガイド台車試作品[107]（写真右）
最近の出版物 [107] では、商用ラインで行われた実験の結果が紹介されています。曲率推定とステアリング角度の精度は満足のいくもので、最大誤差はそれぞれ 2.4% と 4.9% です。ホイールにかかる横方向の力は大幅に軽減され、合計 1,000 km にわたるテストではリムの磨耗がごくわずかであることが示されました。
中国ではCRRCがアクティブステアリングシステムを搭載した次世代地下鉄車両「Cetrovo」のプロトタイプを実証した[120]。CRRC 青島四方車両有限公司 R&D センターの上級エンジニア、Wang Xu 博士が最近の進歩を見せてくれました。ステアリングシステムには油圧サーボアクチュエータを採用しています。アクチュエータの基準変位は、軌道曲率データベースと地理位置情報技術を通じて取得された軌道曲率に基づいて計算されます。予備的な実地試験が最近完了し、車両誘導能力と車輪とレールの接触騒音が大幅に改善されたことが示されました。
ボンバルディアは、アクティブステアリングを実装したTWINDEXXと呼ばれる2階建て列車を開発しました。ただし、これ以上の技術情報は今のところ公開されておらず、現在の開発状況は不明です。
アクティブ プライマリ サスペンションの最終実装に近づくときは、アクティブ サスペンション システムの耐障害性を慎重に考慮する必要があることに注意することが重要です。有益な効果が確認されている一方で、安全上重要な問題にも同時に適切に対処する必要があります。上記の作業では、いくつかの安全な故障設計が実行されています。今後も、実行システムのフォールトトレラント設計には引き続き注意を払う必要があります。
（未完）
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