JP2004100918A - 振動減衰装置 - Google Patents

Abstract

【課題】制御則、デバイスを簡易なものとするとともに、全周波数域にわたり減衰性能を向上させる。
【解決手段】コントローラ７では、まず、ばね上絶対速度ｖ１とばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２の積ｖ１（ｖ１−ｖ２）が零以上であるか否か、つまり積ｖ１（ｖ１−ｖ２）が正の値（および０）であるか負の値であるかが判定される（第１則；図６（ａ））。この第１則で、ばね上絶対速度ｖ１とばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２の積ｖ１（ｖ１−ｖ２）が零以上つまり積ｖ１（ｖ１−ｖ２）が正の値（および０）であると判定された場合には、更に、ばね上絶対変位ｘ１とばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２の積ｘ１（ｖ１−ｖ２）が零以上であるか否か、つまり積ｘ１（ｖ１−ｖ２）が正の値（および０）であるか負の値であるかが判定される（第２則；図６（ｂ））。そして、第１則の判定結果と、第２則の判定結果の組合せに応じて、絞り４の開口のオン（開）、オフ（閉）が切り換えられる。
【選択図】　図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鉄道車両、除振台等の産業機械、建設機械のシートなどに用いられる空気ばね装置に関し、特に空気ばね装置に内蔵した絞り（オリフィス）を制御することにより振動を減衰させる装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両、除振台等の産業機械、建設機械のシートなどには、各種サスペンションを低剛性化するために空気ばねが用いられている。
【０００３】
しかし空気ばね自体は減衰が小さいため、ダンパを空気ばねと別置きに設けて減衰を付加する方法が一般的である。
【０００４】
（従来技術１）
後掲する非特許文献１には、図１（ａ）に示す２室型空気ばね１を図２（ｂ）に示す３要素型バネマス系でモデル化した場合に、共振ピークを最小にする最適な減衰係数が存在することが示されている。しかし定点理論により定点が存在するため共振ピークの低減にも限界が存在するとも記載されている。また２室型空気ばねを最適な減衰係数に設定した場合には、高周波における振動絶縁性能が減衰係数を最小にした場合と比較して悪化することが示されている。
【０００５】
また非特許文献１には絞り４を可変絞りにする構成が記載されている。
【０００６】
（従来技術２）
後掲する特許文献１には、スカイフックダンパの理論を用いて、図１（ａ）に示す絞り４の開口面積（オリフィスの径）を連続的に変化させる制御方法（連続制御型のスカイフック制御）が記載されている。
【０００７】
すなわち上記（１）式における減衰係数ｃを、下記（２）式に示される減衰係数ｃに置き換え、ばね上絶対速度ｖ１、ばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２の値に応じて連続的に変化させる。
【０００８】
ｃ＝ｖ１／（ｖ１−ｖ２）Ｃｖ　…（２）
ただしＣｖは、図１（ｃ）に示されるスカイフック減衰による減衰係数である。
【０００９】
上記（２）式にしたがい絞り４の開口面積を連続可変制御することにより、高周波領域における振動絶縁性能（減衰性能）が、上記従来技術２に開示される最適減衰の場合よりも向上する。
【００１０】
（従来技術３）
また特許文献１には、上記（１）式における減衰係数ｃを、下記（３）式に示されるように、オンオフ的に切り換えるオンオフ型のスカイフック制御が記載されている。
【００１１】
ｃ＝ｃｈ（ｖ１（ｖ１−ｖ２）≧０），
ｃＬ（ｖ１（ｖ１−ｖ２）＜０）　…（３）
ただしｃｈ＞ｃＬ≧０である。
【００１２】
この特許文献１には上記（３）式にしたがい絞り４の開口面積を大（ｃ＝ｃＬ）、小（ｃ＝ｃｈ）にオンオフ的に切り換える制御を行うと、切換え時に振動が発生する問題がある旨記載されている。
【００１３】
（特許文献１）
特開平６−２３９２３０号公報
（非特許文献１）
小柳，空気ばね防振系の最適設計法，機論，４９−４３９，ｐ．４１０，１９８３
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術２に示される連続可変制御を実現するためには、上記（２）式にしたがい、ばね上絶対速度ｖ１、ばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２の値に応じて、絞り４の開口面積を連続的に変化させなければならないため、制御則が複雑になり、デバイスが複雑になる。このため空気ばねの制御装置の構成が複雑になり装置コストが上昇するおそれがある。これに対して上記従来技術３に示されるオンオフ切換制御を実現するためには、上記（３）式にしたがい、ｖ１（ｖ１−ｖ２）が０以上であるか否かの判別結果に応じて、絞り４の開口面積を二値的に切り換えるだけでよいので、制御則が簡単で、デバイスが簡易なものとなる。このため空気ばねの制御装置の構成を簡易化でき装置コストを低減させることができる。
【００１４】
また上記従来技術２の連続制御型のスカイフック制御にせよ、上記従来技術３のオンオフ型のスカイフック制御にせよ、絞りの応答遅れにより特に共振周波数付近での振動低減効果が損なわれることが本発明者らによって明らかになった。
【００１５】
本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、制御則、デバイスを簡易なものとするとともに、全周波数域にわたり減衰性能を向上させることを解決課題とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段および効果】
第１発明は、
２室（２、３）を有する空気ばね（１）と、
前記２室（２、３）の間に設けられた絞り（４）と、
前記空気ばね（１）のばね上の絶対変位（ｘ１）、前記空気ばね（１）のばね上の絶対速度（ｖ１）、前記空気ばね（１）のばね上、ばね下間の相対速度（ｖ１−ｖ２）をそれぞれ計測する計測手段（７、８、９、１０）と、
ばね上絶対速度（ｖ１）とばね上ばね下間相対速度（ｖ１−ｖ２）との積が零以上であるか否かを判定し、ばね上絶対速度（ｖ１）とばね上ばね下間相対速度（ｖ１−ｖ２）との積が零以上である場合には、更にばね上絶対変位（ｘ１）とばね上ばね下間相対速度（ｖ１−ｖ２）あるいはばね上の絶対速度（ｖ１）との積が零以上であるか否かを判定する判定手段（７）と、
前記判定手段（７）の判定結果に応じて、前記絞り（４）の開口面積を切り換える制御手段（７）と
を具え振動減衰装置であることを特徴とする。
【００１７】
第２発明は、
２室（２、３）を有する空気ばね（１）と、
前記２室（２、３）の間に設けられた絞り（４）と、
前記空気ばね（１）のばね上の絶対変位（ｘ１）、前記空気ばね（１）のばね上の絶対速度（ｖ１）、前記空気ばね（１）のばね上、ばね下間の相対速度（ｖ１−ｖ２）をそれぞれ計測する計測手段（７、８、９、１０）と、
ばね上絶対速度（ｖ１）のばね上ばね下間相対速度（ｖ１−ｖ２）に対する商が零よりも大きい所定値以上であるか否かを判定し、ばね上絶対速度（ｖ１）のばね上ばね下間相対速度（ｖ１−ｖ２）に対する商が前記所定値以上である場合には、更にばね上絶対変位（ｘ１）とばね上ばね下間相対速度（ｖ１−ｖ２）あるいはばね上の絶対速度（ｖ１）との積が零以上であるか否かを判定する判定手段（７）と、
前記判定手段（７）の判定結果に応じて、前記絞り（４）の開口面積を切り換える制御手段（７）と
を具えた振動減衰装置であることを特徴とする。
【００１８】
第１発明によれば、以下の「スカイフック可変剛性制御」が実行される。
【００１９】
・スカイフック可変剛性制御
コントローラ７では、図６に示す制御則にしたがいスカイフック可変剛性制御を実行する。
【００２０】
この制御では、まず、ばね上絶対速度ｖ１とばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２の積ｖ１（ｖ１−ｖ２）が零以上であるか否か、つまり積ｖ１（ｖ１−ｖ２）が正の値（および０）をとるか負の値をとるかかが判定される（第１則；図６（ａ））。
【００２１】
この第１則で、ばね上絶対速度ｖ１とばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２の積ｖ１（ｖ１−ｖ２）が零以上つまり積ｖ１（ｖ１−ｖ２）が正の値（および０）であると判定された場合には、更に、ばね上絶対変位ｘ１とばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２の積ｘ１（ｖ１−ｖ２）が零以上であるか否か、つまり積ｘ１（ｖ１−ｖ２）が正の値（および０）をとるか負の値をとるかが判定される（第２則；図６（ｂ））。
【００２２】
そして、以下の制御則に示されるように第１則の判定結果と、第２則の判定結果の組合せに応じて、絞り４の開口のオン（開）、オフ（閉）が切り換えられる。
【００２３】
「ｖ１（ｖ１−ｖ２）≧０（第１則の判定結果）かつｘ１（ｖ１−ｖ２）＞０（第２則の判定結果）」ならば、「絞り４の開口をオフ（閉）にする。」
「ｖ１（ｖ１−ｖ２）≧０（第１則の判定結果）かつｘ１（ｖ１−ｖ２）＜０（第２則の判定結果）」ならば、「絞り４の開口をオン（開）にする。」
「ｖ１（ｖ１−ｖ２）＜０（第１則の判定結果）」ならば第２則の判定結果いかんにかかわらず「絞り４の開口をオン（開）にする。」
この制御則にしたがい制御することで、図１４、図１５のＬＮ７に示されるように、全周波数域に渡り、ばね下からばね上への振動伝達率が低減し、減衰性能が飛躍的に向上する。また上記制御則にしたがい絞り４の開口面積を二値的に切り換えるだけでよいので、制御則を簡単なものとすることができ、絞り４として安価なオンオフバルブを使用できるなどデバイスを簡易なものにすることができる。このため空気ばねの制御装置の構成を簡易化でき装置コストを低減させることができる。
【００２４】
第２発明によれば、以下の「補償型スカイフック可変剛性制御」が実行される。
【００２５】
・補償型スカイフック可変剛性制御
上述したスカイフック可変剛性制御を実行する代わりに図７に示す制御則にしたがい応答遅れ型スカイフック可変剛性制御を実行してもよい。
【００２６】
この制御では、まず、ばね上絶対速度ｖ１のばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２に対する商ｖ１／（ｖ１−ｖ２）が所定値Ｃｅ／Ｃｖ以上であるか否かが判定される（第１則；図７（ａ））。
【００２７】
この第１則で、ばね上絶対速度ｖ１のばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２に対する商ｖ１／（ｖ１−ｖ２）が所定値Ｃｅ／Ｃｖ以上であると判定された場合には、更に、ばね上絶対変位ｘ１とばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２の積ｘ１（ｖ１−ｖ２）が零以上であるか否か、つまり積ｘ１（ｖ１−ｖ２）が正の値（および０）をとるか負の値をとるかが判定される（第２則；図７（ｂ））。
【００２８】
そして、以下の制御則に示されるように第１則の判定結果と、第２則の判定結果の組合せに応じて、絞り４の開口のオン（開）、オフ（閉）が切り換えられる。
【００２９】
「ｖ１／（ｖ１−ｖ２）≧Ｃｅ／Ｃｖ（第１則の判定結果）かつｘ１（ｖ１−ｖ２）＞０（第２則の判定結果）」ならば、「絞り４の開口をオフ（閉）にする。」
「ｖ１／（ｖ１−ｖ２）≧Ｃｅ／Ｃｖ（第１則の判定結果）かつｘ１（ｖ１−ｖ２）＜０（第２則の判定結果）」ならば、「絞り４の開口をオン（開）にする。」
「ｖ１／（ｖ１−ｖ２）＜Ｃｅ／Ｃｖ（第１則の判定結果）」ならば第２則の判定結果いかんにかかわらず「絞り４の開口をオン（開）にする。」
この制御則にしたがい制御することで、図１７、図１８のＬＮ１０に示されるように、全周波数域に渡り、ばね下からばね上への振動伝達率が低減し、減衰性能が飛躍的に向上する。また第１発明と同様に、制御則が簡単なものとなり、絞り４としてオンオフバルブを使用できるなどデバイスを簡易にすることができる。更に第２発明では、絞り４の応答遅れの影響が補償されて、特に高周波での振動絶縁性能が更に向上する。
【００３０】
なお上記第２則では、ばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２の代わりにばね上絶対速度ｖ１を用いてもよい。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して実施の形態について説明する。
【００３２】
図１（ａ）は実施形態の振動減衰装置の構成を示す。
【００３３】
車両の車体５と台車６との間には、２室型の空気ばね１が設けられている。２室型空気ばね１は、空気室２と補助空気室３との２室を有しており、これら空気室２と補助空気室３との間に絞り（オリフィス）４が設けられている。絞り４を空気が通過することによって減衰力ｆが発生する。絞り４の開口面積（オリフィスの径）を変化させることによって空気ばね１の剛性、減衰を連動して変化させることができる。絞り４には、オンオフバルブが用いられ、コントローラ７から出力される制御信号ｉに応じて開口がオン（開）、オフ（閉）される。
【００３４】
ばね上である車体５には、ばね上の加速度ｓ１を検出する加速度センサ８、ばね上の絶対変位ｘ１を検出する変位センサ１０が設けられている。ばね下である台車６には、ばね下の加速度ｓ２を検出する加速度センサ９が設けられている。加速度センサ８、９としてはたとえば加速度ピックアップが用いられ、変位センサ１０としてはたとえばレーザ変位センサが用いられる。また、ばね上加速度ｓ１、ばね上絶対変位ｘ１、ばね下加速度ｓ２はオブザーバで推定することも可能である。
【００３５】
加速度センサ８、９、変位センサ１０の検出信号はコントローラ７に入力される。コントローラ７では、加速度センサ８の検出加速度ｓ１が積分演算処理されてばね上の絶対速度ｖ１が求められる。また加速度センサ９の検出加速度ｓ２が積分演算処理されてばね下の絶対速度ｖ２が求められる。またばね上の絶対速度ｖ１とばね下の絶対速度ｖ２との差つまりばね上ばね下間の相対速度ｖ１−ｖ２が求められる。また、ばね上絶対速度ｖ１、ばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２をオブザーバにて直接推定することも可能である。
【００３６】
・スカイフック可変剛性制御
コントローラ７では、後述する図６に示す制御則にしたがいスカイフック可変剛性制御を実行する。
【００３７】
この制御では、まず、ばね上絶対速度ｖ１とばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２の積ｖ１（ｖ１−ｖ２）が零以上であるか否か、つまり積ｖ１（ｖ１−ｖ２）が正の値（および０）をとるか負の値をとるかが判定される（第１則；図６（ａ））。
【００３８】
この第１則で、ばね上絶対速度ｖ１とばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２の積ｖ１（ｖ１−ｖ２）が零以上つまり積ｖ１（ｖ１−ｖ２）が正の値（および０）であると判定された場合には、更に、ばね上絶対変位ｘ１とばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２の積ｘ１（ｖ１−ｖ２）が零以上であるか否か、つまり積ｘ１（ｖ１−ｖ２）が正の値（および０）をとるか負の値をとるかが判定される（第２則；図６（ｂ））。
【００３９】
そして、以下の制御則（後述する第６図）に示されるように第１則の判定結果と、第２則の判定結果の組合せに応じて、絞り４の開口のオン（開）、オフ（閉）が切り換えられる。
【００４０】
「ｖ１（ｖ１−ｖ２）≧０（第１則の判定結果）かつｘ１（ｖ１−ｖ２）＞０（第２則の判定結果）」ならば、「絞り４の開口をオフ（閉）にする。」
「ｖ１（ｖ１−ｖ２）≧０（第１則の判定結果）かつｘ１（ｖ１−ｖ２）＜０（第２則の判定結果）」ならば、「絞り４の開口をオン（開）にする。」
「ｖ１（ｖ１−ｖ２）＜０（第１則の判定結果）」ならば第２則の判定結果いかんにかかわらず「絞り４の開口をオン（開）にする。」
なお上記第２則では、ばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２の代わりにばね上絶対速度ｖ１を用いてもよい。すなわち第２則では、ばね上絶対変位ｘ１とばね上絶対速度ｖ１との積ｘ１ｖ１が零以上であるか否か、つまり積ｘ１ｖ１が正の値（および０）をとるか負の値をとるかが判定されることになる。
【００４１】
・補償型スカイフック可変剛性制御
上述した「スカイフック可変剛性制御」を実行する代わりに図７に示す制御則にしたがい「補償型スカイフック可変剛性制御」を実行してもよい。
【００４２】
この制御では、まず、ばね上絶対速度ｖ１のばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２に対する商ｖ１／（ｖ１−ｖ２）が図７で後述する所定値Ｃｅ／Ｃｖ以上であるか否かが判定される（第１則；図７（ａ））。
【００４３】
この第１則で、ばね上絶対速度ｖ１のばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２に対する商ｖ１／（ｖ１−ｖ２）が所定値Ｃｅ／Ｃｖ以上であると判定された場合には、更に、ばね上絶対変位ｘ１とばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２の積ｘ１（ｖ１−ｖ２）が零以上であるか否か、つまり積ｘ１（ｖ１−ｖ２）が正の値（および０）をとるか負の値をとるかが判定される（第２則；図７（ｂ））。
【００４４】
そして、以下の制御則（後述する第７図）に示すように第１則の判定結果と、第２則の判定結果の組合せに応じて、絞り４の開口のオン（開）、オフ（閉）が切り換えられる。
【００４５】
「ｖ１／（ｖ１−ｖ２）≧Ｃｅ／Ｃｖ（第１則の判定結果）かつｘ１（ｖ１−ｖ２）＞０（第２則の判定結果）」ならば、「絞り４の開口をオフ（閉）にする。」
「ｖ１／（ｖ１−ｖ２）≧Ｃｅ／Ｃｖ（第１則の判定結果）かつｘ１（ｖ１−ｖ２）＜０（第２則の判定結果）」ならば、「絞り４の開口をオン（開）にする。」
「ｖ１／（ｖ１−ｖ２）＜Ｃｅ／Ｃｖ（第１則の判定結果）」ならば第２則の判定結果いかんにかかわらず「絞り４の開口をオン（開）にする。」
なお上記第２則では、ばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２の代わりにばね上絶対速度ｖ１を用いてもよい。すなわち第２則では、ばね上絶対変位ｘ１とばね上絶対速度ｖ１との積ｘ１ｖ１が零以上であるか否か、つまり積ｘ１ｖ１が正の値（および０）をとるか負の値をとるかが判定されることになる。
【００４６】
以下、上述した「スカイフック可変剛性制御」および「補償型スカイフック可変剛性制御」の原理およびこれら制御の有効性について説明する。　なお実験装置では、図１（ａ）に示す絞り４として、コントローラ７から出力される制御信号ｉに応じて開口が連続的に変化する比例制御弁を、オンオフバルブの代わりに使用した。
【００４７】
図１（ａ）に示す空気ばね１は、図２（ａ）、（ｂ）に示すようにモデル化することができる。
【００４８】
すなわち空気ばね１の有効受圧面積をＡｅ、空気ばね１の内圧をＰ０、大気圧をＰａｔ、、空気室２の内容積をＶａ、補助空気室３の内容積をＶｂ、空気の標準状態における密度をρ０、ポリトロープ指数をｎ、流量定数をＲ、ばね上質量をｍとしたとき、２室型空気ばね１の振動モデルは図２（ａ）に示すバネマス系と等価になる。パラメータは下記（４）式に示す通りである。
【００４９】
（数式１）

２室型空気ばね１は有効受圧面積Ａｅの変化がほとんどないのでバネ項ｋ２をほぼ０と置くことができ、図２（ｂ）に示す３要素モデルとみなすことができる。
【００５０】
図２（ｂ）に示す３要素モデルでは、振動系の周波数応答曲線において、減衰の大きさに関係なく定まる特定な定点が定点理論によって成立する。ここで定点を最大値にする最適条件があれば、その最適条件で共振ピークが最小となる。減衰係数が下記（５）式に示される値Ｃｏｐｔをとるとき最適条件となり、このＣｏｐｔを最適減衰（係数）と呼ぶ。
【００５１】
（数式２）

図８はパッシブ系の周波数応答の実験結果を示す。実験装置では、加振周波数を０〜７Ｈｚの範囲で空気ばね１に振動を加えた。そして絞り４の開口面積を変化させ、周波数応答曲線を計測した。図８における横軸は周波数（Ｈｚ）で、縦軸はばね下からばね上への振動伝達率（ｘ１／ｘ２）である。なお後述する図９〜図１８における横軸、縦軸は図８と共通するものである。
【００５２】
絞り４を全閉にして減衰係数ｃを最も大きな値Ｃｈにした場合（以下最大減衰）には、周波数応答曲線ＬＮ１が得られた。絞り４を全開にして減衰係数ｃを最も小さな値Ｃｅにした場合（以下最小減衰）には、周波数応答曲線ＬＮ２が得られた。上記（５）式に示される最適減衰係数Ｃｏｐｔが得られるように絞り４の開口面積を調整した場合（以下最適減衰）には、周波数応答曲線ＬＮ３が得られた。ただしＣｅ＜Ｃｏｐｔ＜Ｃｈなる関係が成立するものとする。
【００５３】
同図８に示されるように、絞り４を全閉にした最大減衰の場合には（曲線ＬＮ１）、共振ピーク値が最も大きく高周波領域での振動絶縁性が最も悪いことがわかる。また絞り４を全開にした最小減衰の場合には（曲線ＬＮ２）、共振ピークは低周波に移行し、曲線ＬＮ１の場合よりも共振ピーク値が低くなり高周波領域での振動絶縁性が改善されているのがわかる。さらに絞り４を最適に調整して最適減衰にした場合には（曲線ＬＮ３）、共振ピーク値が最も低くなり高周波領域での振動絶縁性が最大減衰（曲線ＬＮ１）よりも改善されるものの最小減衰（曲線ＬＮ２）よりも悪化しているのがわかる。
【００５４】
このように振動伝達率は定点を通ることがわかる。また減衰係数ｃを高くすることにより共振周波数が低周波から高周波方向に移動し、共振ピーク値の周波数が変わる。すなわち系全体のバネ剛性が変化することがわかる。共振ピーク値の高さが変わることにより減衰も同時に変化していることがわかる。
【００５５】
しかしながら減衰係数ｃを最適減衰係数Ｃｏｐｔに調整したとしても共振域での共振倍率を低下させることができるものの高周波領域での振動絶縁効果の改善はそれほど図れず限界があることがわかる。
【００５６】
つぎにスカイフック制御について説明する。
【００５７】
図１（ｂ）に示す２室型空気ばね１は、図１（ｃ）に示されるスカイフックダンパにモデル化することができる。スカイフックダンパは仮想的な壁にダンパが取り付けらればね上の動きに対して減衰力ｆが働くダンパである。
【００５８】
すなわち図１（ｃ）に示されるスカイフック減衰による減衰係数をＣｖとしたとき、スカイフック減衰によって発生する減衰力ｆは以下のように表される。
【００５９】
ｆ＝−Ｃｖ・ｖ１　…（６）
一方パッシブなダンパによって発生する減衰力ｆは、
ｆ＝ｃ（ｖ１−ｖ２）…（１）
で表される。そこで上記（６）式と（１）式からスカイフック制御の減衰係数ｃがつぎのように求められる。
【００６０】
ｃ＝ｖ１／（ｖ１−ｖ２）Ｃｖ　…（２）
図８からわかるように減衰係数ｃがＣｅ（曲線ＬＮ２）から最適減衰係数Ｃｏｐｔ（曲線ＬＮ３）に変化する減衰領域では、１自由度バネマス系での可変減衰とみなすことができる。そこでこの減衰領域Ｃｅ〜Ｃｏｐｔ（以下、可変減衰領域）で上記（２）式の減衰係数ｃを下記（７）式に示すように変化させる。
【００６１】

このように減衰係数ｃを、ばね上絶対速度ｖ１、ばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２の値に応じて連続的に変化させるスカイフック制御のことを連続制御型のスカイフック制御と呼ぶことにする。
【００６２】
図９は連続制御型のスカイフック制御の周波数応答の実験結果を示す。上記（７）式にしたがい絞り４の開口面積を連続可変制御した。
【００６３】
図９に曲線ＬＮ４で示すように、連続制御型のスカイフック制御を実行した場合には、振動伝達率は低周波では最適減衰（曲線ＬＮ３）並に低下し高周波では最小減衰（曲線ＬＮ２）並に低下しており、連続制御型のスカイフック制御が最適減衰や最小減衰と比較して有効であることがわかる。
【００６４】
つぎにオンオフ型のスカイフック制御について説明する。
【００６５】
オンオフ型のスカイフック制御とは、図３に示す制御則にしたがい減衰係数ｃがオンオフ的に切り換えられるスカイフック制御のことである。図３の縦軸はばね上絶対速度ｖ１であり、横軸はばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２である。図３の第１象限または第３象限に存在する場合には減衰係数ｃが最適減衰係数Ｃｏｐｔをとり（減衰係数は大）、図３の第２象限または第４象限に存在する場合には減衰係数ｃが最小減衰係数Ｃｅをとる（減衰係数は小）ように減衰係数ｃが切り換えられ、それは次式で表される。
【００６６】
ｃ＝Ｃｏｐｔ（ｖ１（ｖ１−ｖ２）≧０の場合），Ｃｅ（ｖ１（ｖ１−ｖ２）＜０の場合）　…（８）
図１０はオンオフ型のスカイフック制御の周波数応答のシミュレーション結果を示す。また図１１はオンオフ型のスカイフック制御の周波数応答の実験結果を示す。上記（８）式にしたがい絞り４の開口面積をオンオフ的に切り換え制御した。
【００６７】
図１０、図１１に曲線ＬＮ５で示すように、オンオフ型のスカイフック制御を実行した場合には、振動伝達率は低周波では最適減衰（曲線ＬＮ３）並に低下したものの高周波では図９の連続制御型のスカイフック制御（図９の曲線ＬＮ４）と比較して振動絶縁性が悪化しているのがわかる。連続制御型と比べてオンオフ型では、特に高周波で減衰が強めにかかる傾向があり、そのため振動絶縁効果が悪化したと考えられる。
【００６８】
また連続制御型のスカイフック制御（図９の曲線ＬＮ４）、オンオフ型のスカイフック制御（図１０、図１１の曲線ＬＮ５）共に、最適減衰（曲線ＬＮ３）よりも良い応答が得られたものの、定点を大きく下回ることができないという限界があることがわかる。
【００６９】
このように可変減衰領域でのスカイフック制御では連続制御型にせよオンオフ型にせよ、特に共振周波数付近での振動低減効果に限界がある。そこで可変領域を可変剛性領域まで広げて、より高い振動抑制効果を得ることを考える。
【００７０】
以下、絞り４のオンオフに応じて剛性が切り換えられるという性質に着目して、可変剛性制御の適用を検討する。
【００７１】
絞り４の開口を全閉したときバネ剛性Ｋは最大となり、これをα１とする。絞り４の開口を全開したときバネ剛性Ｋは最小となり、これをα２とする。各バネ剛性の値α１、α２は、図２の２室型空気ばねモデルのパラメータ（（４）式）を用いて以下のように表すことができる。
【００７２】
α１＝ｋ１　α２＝（Ｎ／Ｎ＋１）ｋ１　…（９）
また図２の２室型空気ばねモデルで減衰を０、内圧は∞とした場合の運動方程式は、減衰項が０となり次式で表すことができる。
【００７３】
ｍｓ１＝−Ｋ（ｘ１−ｘ２）　…（１０）
つぎに可変剛性制御の原理を図４を用いて説明する。
【００７４】
図４（ａ）は剛性Ｋが大きな値α１をとったときの位相面軌跡を示す。図４（ａ）の横軸はばね上絶対変位ｘ１であり、縦軸はばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２である。位相面軌跡は縦のｖ１−ｖ２軸に長い楕円軌道を示す。また図４（ｂ）は図４（ａ）と同じ位相面上で剛性Ｋが小さな値α２（＜α１）をとったときの位相面軌跡を示す。位相面軌跡は横のｘ１軸に長い楕円軌道を示す。
【００７５】
可変剛性制御では、図４（ｃ）に示すように、位相面の第１象限または第３象限に存在する場合には剛性Ｋが大きな値α１をとり（剛性は大）、位相面の第２象限または第４象限に存在する場合には剛性Ｋが小さな値α２をとる（剛性は小）ように、剛性Ｋが切り換えられ、それは次式で表される。
【００７６】
Ｋ＝α１（ｘ１（ｖ１−ｖ２）≧０の場合），α２（ｘ１（ｖ１−ｖ２）＜０の場合）　…（１１）
このような可変剛性制御を行うことによって図４（ｃ）に示すように位相面上での軌道は原点に収束し漸近安定なシステムになる。すなわち減衰項がなくても剛性の変化によってみかけ上減衰を付加することができ、振動を抑制することができる。
【００７７】
図５は可変剛性制御の制御則を示す。
【００７８】
図５の縦軸はばね上絶対変位ｘ１であり、横軸はばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２である。図５の第１象限または第３象限に存在する場合には減衰係数ｃが最大減衰係数Ｃｈをとり（減衰係数は大）、図５の第２象限または第４象限に存在する場合には減衰係数ｃが最小減衰係数Ｃｅをとる（減衰係数は小）ように、減衰係数ｃが切り換えられ、それは次式で表される。
【００７９】
ｃ＝Ｃｈ（ｘ１（ｖ１−ｖ２）≧０の場合），Ｃｅ（ｘ１（ｖ１−ｖ２）＜０の場合）　…（１２）
図１２は可変剛性制御の周波数応答のシミュレーション結果を示す。また図１３は可変剛性制御の周波数応答の実験結果を示す。上記（１２）式にしたがい絞り４の開口面積をオンオフ的に切り換え制御した。
【００８０】
図１２、図１３に曲線ＬＮ６で示すように、可変剛性制御を実行した場合には、振動伝達率は低周波では最適減衰（曲線ＬＮ３）を下回るともに図１０、図１１のオンオフ型のスカイフック制御（図１０、図１１の曲線ＬＮ５）を下回っているものの、高周波では振動絶縁性が悪化しているのがわかる。
【００８１】
以上のようにオンオフ型のスカイフック制御では共振倍率を下げることができるが高周波になると振動絶縁性が悪化する（図１０、図１１）。これは図３における制御則において第１象限、第３象限に存在するときの減衰が効き過ぎているためであると考えられる。また可変剛性制御でも高周波における振動絶縁性が悪化する（図１２、図１３）。これは可変剛性制御がパッシブな減衰付加の制御則となっているためである。
【００８２】
そこで図３のスカイフック制御の制御則において、第１象限、第３象限に存在するときに図５の可変剛性制御の制御則を適用することによって、高周波における振動絶縁性が良好となり全周波数に渡り減衰性能が向上すると考えられる。
【００８３】
図６はスカイフック可変剛性制御の制御則を示す。
【００８４】
スカイフック可変剛性制御では、まず図６（ａ）に示すスカイフック制御理論の判定式で第１則の判定が行われる。この結果図６（ａ）の第２象限または第４象限に存在する場合には、図３と同じくスカイフック制御理論にしたがい減衰係数ｃが最小減衰係数Ｃｅをとるように切り換えられる。しかし図６（ａ）の第１象限または第３象限に存在する場合には、図６（ｂ）に移行し可変剛性制御理論の判定式で第２則の判定が行われ、その判定結果に応じて減衰係数ｃが切り換えられる。スカイフック可変剛性制御の制御則は次式で表される。
【００８５】

図１４はスカイフック可変剛性制御の周波数応答のシミュレーション結果を示す。また図１５はスカイフック可変剛性制御の周波数応答の実験結果を示す。上記（１３）式にしたがい絞り４の開口面積をオンオフ的に切り換え制御した。
【００８６】
図１４、図１５に曲線ＬＮ７で示すように、スカイフック可変剛性制御を実行した場合には、高周波における振動絶縁性が良好となり全周波数に渡り減衰性能が向上しているのがわかる。
【００８７】
特に図１４のシミュレーション結果では、共振域での共振倍率が１を下回り、最大減衰（曲線ＬＮ１）よりも良い減衰性能が実現できることがわかった。高周波では最小減衰（曲線ＬＮ２）には及ばないものの、最適減衰（曲線ＬＮ３）よりも振動絶縁性が向上しているのがわかる。
【００８８】
しかしながら図１５の実験結果では、２〜３Ｈｚ付近での振動伝達率が悪化しているのがわかる。この原因は絞り４の応答遅れの影響であると考えられる。
【００８９】
図１６は応答遅れを加えたシミュレーション結果を示す。図１６における曲線ＬＮ８は絞り４に応答遅れを加えていない場合を示し、曲線ＬＮ９は絞り４に所定の時定数の１次遅れ要素を加えた場合を示している。応答遅れを加えた曲線ＬＮ９では、図１５の実験結果と同様に２〜３Ｈｚ付近で振動伝達率が悪化しており、絞り４の応答遅れが制御系に悪影響を及ぼしているのがわかる。
【００９０】
このように図６に示すスカイフック可変剛性制御では、図１５における実験結果をみるかぎり高周波領域での防振性能は十分とはいえない。そこで、これを解決するために、応答遅れを補償することを考える。
【００９１】
図６に示すスカイフック可変剛性制御では、ばね上絶対速度ｖ１とばね上ばね下間相対速度ｖ１−ｖ２との積が正（および０）か負であるかの判定を行うようにしている（図６（ａ）参照）。しかしばね上絶対速度ｖ１が非常に小さい場合には、正負の判定式では正であるが減衰係数ｃはＣｅ以下という場合がある。この状態で最小減衰（ｃ＝Ｃｅ）から最大減衰（ｃ＝Ｃｈ）に切り換えると、必要以上に減衰が大きくなるためにショック等を誘発し防振性が悪化すると考えられる。
【００９２】
そこで、より妥当な切換えを行うために、図７（ａ）に示すよう第１則の横軸ｖ１−ｖ２軸に傾きをもたせる。
【００９３】
図７は補償型スカイフック可変剛性制御の制御則を示す。
【００９４】
補償型スカイフック可変剛性制御では、まず図７（ａ）に示すスカイフック制御理論の判定式で第１則の判定が行われる。ただし図６（ａ）と比較して、第１則の横軸ｖ１−ｖ２軸はＣｅ／Ｃｖに応じた傾きを有している。なお図７（ｂ）における第２則は図６（ｂ）と同じである。
【００９５】
この結果図７（ａ）の第２象限または第４象限に存在する場合には、スカイフック制御理論にしたがい減衰係数ｃが最小減衰係数Ｃｅをとるように切り換えられる。しかし図７（ａ）の第１象限または第３象限に存在する場合には、図７（ｂ）に移行し図６（ｂ）と同様に可変剛性制御理論の判定式で第２則の判定が行われ、その判定結果に応じて減衰係数ｃが切り換えられる。応答遅れを補償したスカイフック可変剛性制御の制御則は次式で表される。
【００９６】

図１７は補償型スカイフック可変剛性制御の周波数応答のシミュレーション結果を示す。また図１８は補償型スカイフック可変剛性制御の周波数応答の実験結果を示す。上記（１４）式にしたがい絞り４の開口面積をオンオフ的に切り換え制御した。
【００９７】
図１７、図１８に曲線ＬＮ１０で示すように、補償型スカイフック可変剛性制御を実行した場合には、図１４、図１５のスカイフック可変剛性制御（曲線ＬＮ７）と比較して、高周波における振動絶縁性が更に良好となり全周波数に渡り減衰性能が向上しているのがわかる。特に図１４に示す実験結果（曲線ＬＮ７）と比較すると図１８の実験結果（曲線ＬＮ１０）の場合には、共振周波数域では共振倍率が１を少し上回るものの２〜３Ｈｚ付近での振動伝達率の悪化が大幅に改善され、高周波域で良好な振動絶縁性を示しているのがわかる。
【００９８】
なお図６（ｂ）の第２則の横軸ｖ１−ｖ２軸をｖ１軸に代えてもよい。この場合、
上記（１３）式の代わりに下記（１３）′式が用いて、スカイフック可変剛性制御が行われる。
【００９９】

同様に図７（ｂ）の第２則の横軸ｖ１−ｖ２軸をｖ１軸に代えてもよい。この場合、上記（１４）式の代わりに下記（１４）′式が用いて、補償型スカイフック可変剛性制御が行われる。
【０１００】

以上のように本実施形態のスカイフック可変剛性制御によれば、全周波数域に渡り、ばね下からばね上への振動伝達率が低減し、減衰性能が飛躍的に向上する。また（１３）式あるいは（１３）′式あるいは（１４）式あるいは（１４）′式に示される制御則（第６図あるいは第７図）にしたがい絞り４の開口面積を二値的に切り換えるだけでよいので、制御則を簡単なものとすることができ、絞り４として安価なオンオフバルブを使用できるなどデバイスを簡易なものにすることができる。このため空気ばね１の制御装置の構成を簡易化でき装置コストを低減させることができる。
【０１０１】
特に補償型スカイフック可変剛性制御を適用した場合には、絞り４の応答遅れの影響が補償されて、特に高周波での振動絶縁性能が更に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は実施形態の振動減衰装置の構成例を示す図で、図１（ｂ）、（ｃ）は図１（ａ）に示す空気ばねで得られる減衰を説明する図である。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）は空気ばねをモデル化して示す図である。
【図３】図３はオンオフ型のスカイフック制御の制御則を示す図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は可変剛性制御の原理を説明する図である。
【図５】図５は可変剛性制御の制御則を示す図である。
【図６】図６（ａ）、（ｂ）はスカイフック可変剛性制御の制御則を示す図である。
【図７】図７（ａ）、（ｂ）は応答遅れを補償したスカイフック可変剛性制御の制御則を示す図である。
【図８】図８はパッシブ系の周波数応答の実験結果を示す図である。
【図９】図９は連続制御型のスカイフック制御の周波数応答の実験結果を示す図である。
【図１０】図１０はオンオフ型のスカイフック制御の周波数応答のシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】図１１はオンオフ型のスカイフック制御の周波数応答の実験結果を示す図である。
【図１２】図１２は可変剛性制御の周波数応答のシミュレーション結果を示す図である。
【図１３】図１３は可変剛性制御の周波数応答の実験結果を示す図である。
【図１４】図１４はスカイフック可変剛性制御の周波数応答のシミュレーション結果を示す図である。
【図１５】図１５はスカイフック可変剛性制御の周波数応答の実験結果を示す図である。
【図１６】図１６は応答遅れを加えたシミュレーション結果を示す図である。
【図１７】図１７は応答遅れを補償したスカイフック可変剛性制御の周波数応答のシミュレーション結果を示す図である。
【図１８】図１８は応答遅れを補償したスカイフック可変剛性制御の周波数応答の実験結果を示す図である。
【符号の説明】
１　空気ばね
２　空気室
３　補助空気室
４　絞り（オリフィス）
５　車体（ばね上）
６　台車（ばね下）
７　コントローラ
８、９　加速度センサ
１０　変位センサ

Claims (2)

1. ２室（２、３）を有する空気ばね（１）と、
   前記２室（２、３）の間に設けられた絞り（４）と、
   前記空気ばね（１）のばね上の絶対変位（ｘ１）、前記空気ばね（１）のばね上の絶対速度（ｖ１）、前記空気ばね（１）のばね上、ばね下間の相対速度（ｖ１−ｖ２）をそれぞれ計測する計測手段（７、８、９、１０）と、
   ばね上絶対速度（ｖ１）とばね上ばね下間相対速度（ｖ１−ｖ２）との積が零以上であるか否かを判定し、ばね上絶対速度（ｖ１）とばね上ばね下間相対速度（ｖ１−ｖ２）との積が零以上である場合には、更にばね上絶対変位（ｘ１）とばね上ばね下間相対速度（ｖ１−ｖ２）あるいはばね上の絶対速度（ｖ１）との積が零以上であるか否かを判定する判定手段（７）と、
   前記判定手段（７）の判定結果に応じて、前記絞り（４）の開口面積を切り換える制御手段（７）と
   を具えたことを特徴とする振動減衰装置。
2. ２室（２、３）を有する空気ばね（１）と、
   前記２室（２、３）の間に設けられた絞り（４）と、
   前記空気ばね（１）のばね上の絶対変位（ｘ１）、前記空気ばね（１）のばね上の絶対速度（ｖ１）、前記空気ばね（１）のばね上、ばね下間の相対速度（ｖ１−ｖ２）をそれぞれ計測する計測手段（７、８、９、１０）と、
   ばね上絶対速度（ｖ１）のばね上ばね下間相対速度（ｖ１−ｖ２）に対する商が零よりも大きい所定値以上であるか否かを判定し、ばね上絶対速度（ｖ１）のばね上ばね下間相対速度（ｖ１−ｖ２）に対する商が前記所定値以上である場合には、更にばね上絶対変位（ｘ１）とばね上ばね下間相対速度（ｖ１−ｖ２）あるいはばね上の絶対速度（ｖ１）との積が零以上であるか否かを判定する判定手段（７）と、
   前記判定手段（７）の判定結果に応じて、前記絞り（４）の開口面積を切り換える制御手段（７）と
   を具えたことを特徴とする振動減衰装置。

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