JP2004276730A - 鉄道車両用台車及びそれを用いた低床車両 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の低床化が可能であると同時に従来の一体輪軸台車と同等の高い信頼性と走行性能を得られる、鉄道車両用台車を提供する。
【解決手段】左右車輪１，１の独立した各輪軸１０，１０に対して軸心位置をずらして回転同期軸２１を配置し、各輪軸１０と回転同期軸２１との間に各輪軸１０と回転同期軸２１との間ですべることなく回転駆動力を伝達する駆動力伝達機構３３，３４を設けることで、左右車輪１，１の回転速度を常に一致させるようにする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、鉄道車両を低床化するのに用いて好適な台車の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両は大きく分けて、車体と車輪が取り付けられた台車から構成されている。車両の走行性能は台車の構造に起因するところが大きく、いろいろなタイプの台車が開発・研究されている。
図４及び図５に示す台車は通常の鉄道車両に用いられているものであり、左右の車輪１，１が車軸２で一体に結合されているのが特徴である（このような台車は、一体輪軸台車と呼ばれている）。車軸２は左右の軸箱３，３によって支持されている。軸箱３は軸ばね５を介して台車枠４に取り付けられ、台車枠４の上に枕ばね６を介して車体７が載せられている。なお、一体輪軸台車には、図４に示す左右車輪１，１が軸箱３，３の外側にあるものと、図５に示す左右車輪１，１が軸箱３，３の内側にあるものとの２つのタイプがあり、性能やスペース制約等の様々な条件を勘案してより適したタイプが選択される。
【０００３】
ところで、鉄道には、街中を走る路面電車のようなものもある。この路面電車では、通常の鉄道のような高いプラットフォームを設けることができず、ほとんど地上レベルの高さから車内へアクセスすることになる。したがって、乗降のしやすさを考慮するならば、車両の床高さはできるかぎり低く抑えたい。しかしながら、図４や図５に示す一体輪軸台車では、車軸２が車体７の中央通路下部に位置するため、車体７の低床化には限度があった。
【０００４】
そこで開発されたのが、図６や図７に示すような左右車輪１，１の輪軸１０，１０が独立した、言いかえれば左右車輪１，１を一体連結する車軸を有さない独立車輪台車である。各輪軸１０は軸箱３に支持され、左右の軸箱３，３は梁１１，１１によって連結されている。なお、図６に示す左右車輪１，１が軸箱３，３の外側にあるものは標準軌道用の台車であり、図７に示す左右車輪１，１が軸箱３，３の内側にあるものは狭軌道用の台車である。この独立車輪台車では、車輪１や輪軸１０を支持する軸箱３は車体１２の腰掛の下に収められ、車体１２の中央通路はその下部に車軸がないので低床化することができる。
【０００５】
しかし、この独立車輪台車には、左右車輪を一体に連結する車軸がないために車両の自己操舵機能のような走行性能が一体輪軸台車に比べて劣ってしまうという課題がある。
一体輪軸台車では、左右の車輪は車軸で結合されているため同じ回転速度で回転する。そして、左右車輪のレールとの接触部分には勾配がつけられているため、軌道の狂いや外力によって左右に変位した場合には、レールとの接触点における左右車輪の周速度には差が生じる。一体輪軸台車では、この周速度差によって車軸の中心にヨーイングモーメントが発生するので、車両が左右に変位しても軌道中心位置に自然に復元する。これを自己操舵機能と言う。
【０００６】
一方、独立車輪台車では、左右車輪が独立して回転するために車両が左右に変位してもヨーイングモーメントが発生しない。そのため、車両がレールの片側に寄ったまま走行してしまい、これが車輪やレールが摩耗する要因となっている。さらに曲線走行においては、車輪の回転方向が曲線の接線方向と一致していないために、車輪とレールの接触部ではある角度が生じ、車輪とレールの間で大きな横力が発生してしまう。この横力は、キシミ音の発生の原因になったり、さらには車輪やレールを損傷させる原因にもなる。
【０００７】
独立車輪台車の走行性能が低下する原因は、車輪の回転方向が軌道接線に一致していないことにある。そこで、従来、独立車輪台車の走行性能を向上させる手段として、車輪の回転速度から車輪とレールのなす角を計算し、アクチュエータ制御などによって車輪を強制的にステアリングさせる技術（特許文献１参照）や、動力源の回転速度を制御し、左右車輪のトルク差を用いて台車を操舵する技術（特許文献２）が提案されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平２−３４４６５号公報
【特許文献２】
特開平７−１３２８２３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載されている技術では、機構や制御が複雑になり、その分、簡単な構造で自己操舵機能が得られる一体輪軸台車に比較して信頼性は低くなる。さらに、能動的制御のためにフェイルした場合の安全装置も必要になる。
【００１０】
本発明はこのような課題に鑑みて創案されたもので、車両の低床化が可能であると同時に従来の一体輪軸台車と同等の高い信頼性と走行性能を得られる、鉄道車両用台車を提供する。
【００１１】
【課題を解決する為の手段】
本発明の鉄道車両用台車は、従来の独立車輪台車において左右車輪の独立した各輪軸に対して軸心位置をずらして回転同期軸を配置し、各輪軸と回転同期軸との間に各輪軸と回転同期軸との間ですべることなく回転駆動力を伝達する駆動力伝達機構を設けることで、左右車輪の回転速度を常に一致させるようにしたものである。これによれば、左右に変位したときにはヨーイングモーメントが発生するので、従来の一体輪軸台車と同様の自己操舵機能を得ることができる。また、回転同期軸はその軸心位置を各輪軸に対してずらして配置されているので、車輪間の設計の自由度は高い。回転同期軸の軸心位置を各輪軸に対して下方にずらして配置すれば、低床化された車体にも対応することができ、低床車両の台車として用いることができる。
【００１２】
好ましくは、輪軸を支持する左右の軸箱を連結部材で一体に連結する。これによれば、ヨーイングモーメントに対する台車の剛性を高めることができ、台車の変形によって自己操舵機能が不十分になることを防止することができる。
また、駆動力伝達機構は輪軸を支持する軸箱内に設けるのが好ましい。駆動力伝達機構が歯車機構であるなら、軸箱が歯車箱を兼ねるようにする。これによれば、構造の複雑化、大型化を防止することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
（Ａ）第１実施形態
図１は本発明の第１実施形態としての鉄道用台車の構造を示すものである。なお、図１において従来の一軸輪軸台車或いは独立車輪台車と同一の要素については、同一の符号を付している。
【００１４】
図１（ａ）、（ｂ）それぞれに示すように、本実施形態の台車は、従来の独立車輪台車と同様、左右車輪１，１の輪軸１０，１０が独立した構造になっている。本実施形態の台車は標準軌道用台車であって、ベアリング３１，３１を介して輪軸１０を支持する左右の軸箱３０，３０の外側に車輪１，１が配置されている。左右軸箱３０，３０の間には、軸箱３０上に軸ばね５、台車枠４、及び枕ばね６を介して載せ置かれた車体１２の床が位置している。車体１２の床は、従来の一軸輪軸台車のような左右の車輪１，１を一体に連結する車軸がない分、低床化されている。
【００１５】
低床化された車体１２の床下には、輪軸１０の軸心位置よりも低い位置を一本の軸（回転同期軸）２１が通っている。この軸２１は両端部を左右の軸箱３０，３０にベアリング３２を介して支持されている。また、車体１２の床下には、二本の梁１１，１１も通っており、各梁１１は両端を左右の軸箱３０，３０に剛接合されることで左右の軸箱３０，３０を連結し、台車全体の剛性を高めている。
【００１６】
軸箱３０は歯車箱の機能も兼ねており、軸箱３０内は潤滑油で満たされ、噛み合う２つの歯車３３，３４が収容されている。軸箱３０内の上側の歯車３３は輪軸１０に固定され、下側の歯車３４は回転同期軸２１の先端に固定されている。これら歯車３３，３４は輪軸１０と回転同期軸２１との間で回転駆動力を伝達する駆動力伝達機構として機能する。
【００１７】
これら歯車３３，３４はすべることなく回転同期軸２１と輪軸１０との間で回転駆動力を伝達するので、左右の輪軸１０，１０は回転同期軸２１に対して常に一定の速度比で回転し、左右の車輪１，１の回転速度は常に同期することになる。したがって、車両が左右に変位したときには、車輪１には勾配がつけられており、かつ左右車輪１，１が同一速度で回転することから、レールとの接触点における左右車輪１，１の周速度には差が生じる。本実施形態の台車では、この周速度差によって台車の中心にヨーイングモーメントが発生するので、車両が左右に変位しても軌道中心位置に自然に復元することになる。すなわち、従来の一体輪軸台車と同様の自己操舵機能が得られる。
【００１８】
このように、本実施形態の台車によれば、従来の独立車輪台車と同様の車両の低床化と、従来の一体輪軸台車と同様の自己操舵機能の実現とがともに可能である。また、歯車３３，３４による回転駆動力の伝達はパッシブ系であるので信頼性も高い。さらに、本実施形態では、歯車３３，３４を収容する歯車箱を軸箱３０で兼ねているので、構造が複雑化、大型化することもない。
【００１９】
（Ｂ）第２実施形態
図２は本発明の第２実施形態としての鉄道用台車の構造を示すものである。なお、図２において第１実施形態と同一の要素については、同一の符号を付している。
図２（ａ）、（ｂ）それぞれに示すように、本実施形態の台車は、左右の軸箱４０，４０の内側に車輪１，１が配置された狭軌道用台車である。狭軌道用台車では、低床部の幅を極力広くとるため、このように軸箱４０，４０の内側に車輪１，１を配置するのが一般的である。本実施形態の台車も第１実施形態と同様、低床化された車体１２の床下に回転同期軸２１が通されているが、狭軌道用台車と標準軌道用台車との構造の違いにより、回転同期軸２１は、車体１２の床下を通るように輪軸１０よりも下方に軸心位置をずらして配置されるとともに、図２（ｂ）に示すように車輪１と干渉しないように輪軸１０に対して進行方向にも軸心位置をずらして配置されている。このため、輪軸１０と回転同期軸２１との距離は第１実施形態よりも長くなっている。
【００２０】
そこで、本実施形態の台車では、次のような歯車機構を採っている。まず、本実施形態では、各輪軸１０を支持する軸箱４０とは別に、回転同期軸２１の両端部を支持する軸箱５０，５０を設けている。軸箱４０と軸箱５０はともにフレーム４７上に配置されており、左右のフレーム４７，４７は二本の梁４８，４８によって一体に連結されている。
【００２１】
軸箱４０はベアリング４１，４１を介して輪軸１０を支持するとともに、別のベアリング４２，４２を介して第１中間軸４３を支持している。第１中間軸４３は輪軸１０の真下で、かつ回転同期軸２１の水平方向に配置されている。軸箱４０内には潤滑油が満たされ、輪軸１０に固定された歯車４４と第１中間軸４３に固定された歯車４５及び傘歯車４６が収容されている。歯車４４と歯車４５とは噛み合っており、輪軸１０と第１中間軸４３との間で回転駆動力を伝達している。一方、軸箱５０はベアリング５１を介して回転同期軸２１の先端部を支持している。軸箱５０内は潤滑油で満たされ、回転同期軸２１の先端に固定された傘歯車５２が収容されている。
【００２２】
軸箱５０内の傘歯車５２と軸箱４０内の傘歯車４６との間には、第２中間軸５５が配置されている。第２中間軸５５は水平且つ回転同期軸２１に垂直に配置され、両軸箱４０，５０に設けられたベアリング５６，５６によって支持されている。第２中間軸５５の両端にはそれぞれ傘歯車５７，５８が固定されており、一方の傘歯車５７は第１中間軸４３の傘歯車４６に噛み合い、他方の傘歯車５８は回転同期軸２１の傘歯車５２に噛み合っている。
【００２３】
このような歯車機構により、各輪軸１０と回転同期軸２１との間では、歯車４４、歯車４５、第１中間軸４３、傘歯車４６、傘歯車５７、第２中間軸５５、傘歯車５８及び傘歯車５２を介して回転駆動力の伝達が行われる。このため、左右の輪軸１０，１０は回転同期軸２１に対して常に一定の速度比で回転し、左右の車輪１，１の回転速度は常に同期することになる。
【００２４】
本実施形態の台車は、狭軌道用台車と標準軌道用台車との構造の違いによって、第１実施形態の台車とは回転同期軸２１の位置や歯車機構の構造に違いがあるが、その作用効果は第１実施形態と同じである。すなわち、従来の独立車輪台車と同様の車両の低床化と、従来の一体輪軸台車と同様の自己操舵機能の実現とがともに可能である。
【００２５】
（Ｃ）第３実施形態
図３は本発明の第３実施形態としての鉄道用台車の構造を示すものである。なお、図３において第１実施形態或いは第２実施形態と同一の要素については、同一の符号を付している。
図３（ａ）、（ｂ）それぞれに示すように、本実施形態の台車は、第２実施形態と同様、左右の軸箱６０，６０の内側に車輪１，１が配置された狭軌道用台車である。本実施形態の台車も第２実施形態と同様、低床化された車体１２の床下に回転同期軸２１が通されている。回転同期軸２１は、車体１２の床下を通るように輪軸１０よりも下方に軸心位置をずらして配置されるとともに、図３（ｂ）に示すように車輪１と干渉しないように輪軸１０に対して進行方向にも軸心位置をずらして配置されている。
【００２６】
本実施形態の台車の第２実施形態との違いは、各輪軸１０と回転同期軸２１との間で回転駆動力を伝達する歯車機構の構造にある（他の構造は第２実施形態と同じなので説明は省略する）。すなわち、本実施形態では、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、一直線に並べられて噛み合っている４つの歯車６１，６２，６３，６４によって回転駆動力が伝達される。本実施形態では、輪軸１０と回転同期軸２１とは共通の軸箱６０に支持され、歯車６１，６２，６３，６４は全てこの軸箱６０内に収容されている。第１の歯車６１は輪軸１０に固定され、第２，第３の歯車６２，６３は輪軸１０と回転同期軸２１との間に配置された中間軸６５，６６にそれぞれ固定され、第４の歯車６４は回転同期軸２１に固定されている。このような歯車機構により、左右の輪軸１０，１０は回転同期軸２１に対して常に一定の速度比で回転し、左右の車輪１，１の回転速度は常に同期することになる。
【００２７】
本実施形態の台車によっても、第１、第２実施形態と同様に、従来の独立車輪台車と同様の車両の低床化と、従来の一体輪軸台車と同様の自己操舵機能の実現とがともに可能である。
【００２８】
（Ｄ）その他
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変形して実施することもできる。
例えば、各実施形態の台車は、モータを有しない従台車であるが、モータを有する動台車にも本発明を適用することができる。また、各実施形態の台車は、左右車輪を一組のみ備えた１軸台車であるが、左右車輪を前後に二組備えた２軸台車にも本発明を適用することができる。
また、各実施形態では、駆動力伝達機構として歯車機構を用いているが、少なくとも輪軸と回転同期軸との間ですべることなく回転駆動力を伝達することができればよい。したがって、例えば輪軸と回転同期軸の双方にスプロケットを固定し、これらスプロケット間にチェーンを掛け渡すことで、回転駆動力を伝達するようにしてもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の鉄道車両用台車によれば、左右車輪を一体に連結する車軸がないので従来の独立車輪台車と同様に車体の低床化が可能であり、また、左右車輪を回転同期軸を介して常に同速度で回転させることができるので従来の一体輪軸台車と同様の自己操舵機能が得られる。したがって、車両の低床化が可能であると同時に一体輪軸台車と同等の高い信頼性と走行性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態にかかる鉄道車両用台車の構成を示す横断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ方向矢視断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の第２実施形態にかかる鉄道車両用台車の構成を示す横断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＩ−ＩＩ方向矢視断面図である。
【図３】（ａ）は本発明の第３実施形態にかかる鉄道車両用台車の構成を示す横断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ方向矢視断面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ方向矢視断面図である。
【図４】（ａ）は従来の一体輪軸台車の構成を示す横断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＶ−ＩＶ方向矢視断面図である。
【図５】（ａ）は一体輪軸台車の構成を示す横断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＶ−Ｖ方向矢視断面図である。
【図６】（ａ）は従来の標準軌道用の独立車輪台車の構成を示す横断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＶＩ−ＶＩ矢視断面図である。
【図７】（ａ）は従来の狭軌道用の独立車輪台車の構成を示す横断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＶＩＩ−ＶＩＩ方向矢視断面図である。
【符号の説明】
１ 車輪
４ 台車枠
５ 軸ばね
６ 枕ばね
１０ 輪軸
１１，４８ 梁
１２ 車体
２１ 回転同期軸
３０，４０，５０，６０ 軸箱
３３，３４，４４，４５，６１，６２，６３，６４ 歯車
４３，５５，６５，６６ 中間軸
４６，５２，５７，５８ 傘歯車

Claims (4)

1. 独立した輪軸を有する左右車輪と、
   上記左右車輪の各輪軸に対して軸心位置をずらして配置された回転同期軸と、
   上記各輪軸と上記回転同期軸との間ですべることなく回転駆動力を伝達する駆動力伝達機構とを備えたことを特徴とする、鉄道車両用台車。
2. 上記輪軸を支持する軸箱内に上記駆動力伝達機構が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の鉄道車両用台車。
3. 上記輪軸を支持する左右の軸箱が連結部材によって一体に連結されていることを特徴とする、請求項１又は２記載の鉄道車両用台車。
4. 低床化された車体と、
   独立した輪軸を有する左右車輪と、
   上記左右車輪の各輪軸に対して軸心位置を下方にずらして配置され上記車体の床下を通る回転同期軸と、
   上記各輪軸と上記回転同期軸との間ですべることなく回転駆動力を伝達する駆動力伝達機構とを備えたことを特徴とする、低床車両。

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