JP2016536188A - 鉄道車両用台車 - Google Patents

Abstract

１台車の台車枠（１１０）に３つの輪軸を有し、各輪軸では軸箱（１１５）が軸ばね（１１６）を介して台車枠に支持された３軸の鉄道車両用台車（１０１）であって、台車枠は、車体重量が可変である車体（１８０）を支持し、かつ、車体重量の変更にかかわらず各輪軸の軸重のバラツキを規定値以下に維持する構造を有し、この構造は、３軸の両端に位置するそれぞれの輪軸（１２１，１２３）における両端軸ばね（１１６ａ，１１６ｃ）のばね定数を、中間に位置する輪軸（１２２）の中間軸ばね（１１６ｂ）のばね定数よりも大きく設定した。

Description

本発明は、鉄道車両用台車に関し、特には鉄道車両用の３軸台車に関する。

例えば機関車等に用いられ、一台車に３つの輪軸を有する３軸台車が存在する。２軸台車と同様にこの３軸台車においても、各輪軸の軸箱は台車枠の側梁に対して軸ばねを介して上下動可能に支持されており、機関車等の車体荷重は、台車枠、各軸ばね及び各輪軸を通してレールへ分散される。ここで各輪軸における軸ばねは、皆同じものが使用されている。またこの３つの輪軸における各軸重は、以下の理由から同一である必要がある。
即ち、機関車では、各輪軸は基本的に同じ起動力で駆動されることから、３つの輪軸の各軸重が均一でない場合には、軸重の小さい輪軸ではレールに対する粘着力が低いことから空転が発生する。この空転の発生により、機関車の牽引力の低下、並びに車輪踏面及びレール表面に損傷を来す場合があるという問題が生じる。

また、電動機を備えない従台車であって、ブレーキ力が台車にかかる荷重に対して調整するブレーキ力制御を行う貨車の場合も同様の問題が生じる。すなわち、３つの輪軸の各軸重が均一でない場合には、軸重の小さな輪軸ではレールに対する粘着力が低いため、ブレーキ制動時に滑走が発生する。その結果、車輪踏面及びレール表面に損傷を来す場合があるという問題が生じる。

このような問題発生の原因となる軸重の不均一は、３軸台車であり、図５に示すように、台車枠１０の中央部分へ車体荷重Ｆが作用することにより台車枠１０が凹状に撓むことによって生じる。この撓みの結果、３つの輪軸の中間輪軸２における軸重ｒ２が両端の各輪軸１，３における軸重ｒ１よりも大きくなる。

このような問題の解決案の一つとして、３軸台車の両端に位置する各輪軸において、それぞれの軸箱と軸ばねとの間にライナーを挿入して、３つの輪軸の各軸ばねにおける負担荷重を均一化する手法がある。
また、中間輪軸における軸箱と、両端の各輪軸における各軸箱との間に、釣合い梁をそれぞれ設けるという手法も存在する。

実開昭５１−９３５１１号公報 特開昭５９−１０００５１号公報

しかしながら、上述したライナーの挿入による３つの輪軸の各軸ばねの負担荷重を均一化する手法では、３軸台車へ作用する車体荷重が変化した場合、図５を参照して説明したように台車枠の撓み量が変化することから、各軸ばねの負担荷重が変化し均一ではなくなる。よって、車体荷重の変化毎にライナーによる調整が必要になるという問題がある。

一方、釣合い梁を設ける手法では、３軸台車に作用する車体荷重が変化した場合でも各軸ばねの負担荷重は均一にすることができる。しかしながら、釣合い梁を新たに設ける必要があり、３軸台車の構造が複雑化するとともに、部品及び重量の増加、並びにコストの増加という問題がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、車体荷重の変化にかかわらず各軸ばねの負担荷重が均一でありかつ台車構造の複雑化も従来に比べて小さい、鉄道車両用台車を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における鉄道車両用台車は、１台車の台車枠に少なくとも３つの輪軸を有し、各輪軸では軸箱が軸ばねを介して台車枠に支持され、両端に位置するそれぞれの輪軸における両端軸ばねのばね定数を、両端以外の輪軸の軸ばねである中間軸ばねのばね定数よりも大きく設定したことを特徴とする。

上記鉄道車両用台車によれば、少なくとも３つの輪軸の両端に位置する各輪軸における軸ばねのばね定数を、中間の輪軸におけるばね定数よりも大きく設定したことで、車体荷重の変化にかかわらず各軸ばねの負担荷重を均一にすることができる。さらに、ばね定数が異なる軸ばねを用いるという構成であることから、少なくとも３軸台車の構造が複雑化することもない。

また、車体重量が可変である車体を上記鉄道車両用台車で支持する構成であっても、上述のようにばね定数を設定することで、車体重量の変更にかかわらず各輪軸の軸重のバラツキを規定値以下に維持することが可能となる。

本発明の一態様における鉄道車両用台車によれば、車体荷重の変化にかかわらず各軸ばねの負担荷重が均一でありかつ台車構造の複雑化も従来に比べて小さい、鉄道車両用台車を提供することができる。

実施形態における鉄道車両用台車の解析用モデル図である。 図１のモデル図に対応した荷重分布図である。 実施形態における鉄道車両用台車の側面図である。 図３に示す鉄道車両用台車の平面図である。 従来の３軸台車における荷重分布を示すモデル図である。

実施形態である鉄道車両用台車について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明及び添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

図３は、本実施形態における１台の鉄道車両用台車（以下、単に「台車」と記す）１０１を示している。この台車１０１は、３つの輪軸１２１、１２２、１２３を有し、各輪軸１２１、１２２、１２３では、軸箱１１５がコイルばねからなる軸ばね１１６を介して上下動可能に台車枠１１０の側梁に支持されている。また台車１０１の台車枠１１０は、鋼板を溶接して作製される。このような台車１０１は、一例として電気機関車に使用され、輪軸１２１、１２２、１２３は、個々に電動機１２５を有し個々に駆動される。一台の電気機関車には車長方向１９２に沿って２つの台車１０１が配置され、この電気機関車の車体１８０の荷重は、各台車１０１の台車枠１１０において、中間の輪軸１２２付近でコイルばねからなる枕ばね１３０を介して側梁に作用する。

一方、上述の電気機関車は、走行する線区の軌道強度に応じてその車体重量を可変とする構造を採用する場合がある。よって台車１０１は、このような車体重量の変化に対応しなければならない。さらに台車１０１には、車体重量の変更にかかわらず、輪軸１２１、１２２、１２３における軸重間のバラツキが規定値以下、例えば１％以下という仕様が課される場合もある。

本実施形態の台車１０１は、このような条件を満足する構造を有する。具体的には、台車１０１は、車体重量が変化した場合でも軸重同士のバラツキを規定値以下に、つまり各輪軸１２１、１２２、１２３の軸重が均一又はほぼ均一になるように、各輪軸１２１、１２２、１２３におけるそれぞれの軸ばね１１６のばね定数を調整している。
この調整について、図１及び図２を参照して以下に説明する。

図１は、軸ばね１１６のばね定数を設定するための、台車１０１の解析用モデル図であり、各輪軸１２１、１２２、１２３ともに、軸箱１１５と台車枠１１０との間に一つの軸ばね１１６を設けた構造モデルとしている。ここで軸ばね１１６について、輪軸１２１に対して軸ばね１１６ａ、輪軸１２２に対して軸ばね１１６ｂ、輪軸１２３に対して軸ばね１１６ｃをそれぞれ符番する。
本実施形態では、３つの輪軸の中間に位置する輪軸１２２における軸ばね１１６ｂのばね定数ｋ１に比べて、３つの輪軸の両端に位置する各輪軸１２１，１２３における軸ばね１１６ａ，１１６ｃのばね定数ｋ２を大きく設定している。尚、以下では、各輪軸１２１，１２３における軸ばね１１６ａ，１１６ｃを両端軸ばね１１６ａ，１１６ｃと記し、輪軸１２２における軸ばね１１６ｂを中間軸ばね１１６ｂと記す場合がある。

この各軸ばね１１６のばね定数の調整について、図２を参照して以下に説明する。
図２は、図１のモデルに対応した荷重分布図である。ここで、３ｆは、台車１０１の負担荷重であり、台車枠１１０の自重を含む。Ｒ１は、両端に位置する各輪軸１２１，１２３における両端軸ばね１１６ａ，１１６ｃに作用する荷重であり、Ｒ１と軸重等のバネ下荷重からなる荷重は、各輪軸１２１，１２３における各軸重である。Ｒ２は、中間に位置する輪軸１２２における中間軸ばね１１６ｂに作用する荷重であり、ｋ１は、輪軸１２２における中間軸ばね１１６ｂのばね定数である。ｋ２は、各輪軸１２１，１２３における両端軸ばね１１６ａ，１１６ｃのばね定数である。
ここで、台車枠１１０はその側梁で単純化し、車体荷重はこの側梁の中央に、つまり中間に位置する輪軸１２２の上方に作用するものとする。このとき、側梁は撓み量δにて撓む。また、側梁における車体荷重支持点に対するそれぞれの両端軸ばね１１６ａ，１１６ｃの位置における側梁の撓みのばね定数、つまりばね作用を有する側梁におけるばね定数をｋｔとする。

このように車体荷重によって台車枠１１０、上記モデルでは側梁、が撓むと考えることで、上記側梁が有するばね作用、つまり上述の撓みによるばね剛性の分、両端に位置する輪軸１２１，１２３における両端軸ばね１１６ａ，１１６ｃのばね定数を大きくすればよいことがわかる。即ち、両端の輪軸１２１，１２３における両端軸ばね１１６ａ，１１６ｃの各ばね定数を、中間の輪軸１２２における中間軸ばね１１６ｂのばね定数よりも大きく設定する。
他の言い方をすれば、両端の輪軸１２１，１２３における両端軸ばね１１６ａ，１１６ｃの各ばね定数と、中間の輪軸１２２における中間軸ばね１１６ｂのばね定数との差は、台車枠１１０が有するばね剛性に応じて設定される、より詳しくは下記の条件［１］によれば、台車枠１１０のばね剛性が減少すると差は指数的に増加する。

上述のようにｋ２＞ｋ１とすることで、台車枠１１０と軸ばね１１６との合成ばね定数を、両端に位置する輪軸１２１，１２３と、中間に位置する輪軸１２２とにおいて均一にすることが可能となる。その結果、車体荷重が変化した場合でも、各輪軸１２１〜１２３の各軸ばね１１６ａ〜１１６ｃは均一の軸ばね負担荷重を有することができ、各輪軸１２１〜１２３における軸重を均一化することが可能となる。

図２のモデルを参照して、車体荷重にかかわらず、両端の輪軸１２１，１２３の両端軸ばね１１６ａ，１１６ｃに作用する荷重Ｒ１と、中間の輪軸１２２における中間軸ばね１１６ｂに作用する荷重Ｒ２とを同一にする条件を考える。この条件として、各ばね定数ｋ１，ｋ２，ｋｔが以下の条件［１］を満足すればよい。換言すると、各ばね定数ｋ１，ｋ２，ｋｔについて以下の条件［１］を満足するように設定することで、輪軸１２１、１２２、１２３における軸重間のバラツキが規定値以下、例えば１％以下という仕様を満足することが可能になる。
１/ｋ１＝１/ｋ２＋１/ｋｔ よって、
ｋ２＝１／（（１／ｋ１）−（１／ｋｔ）） …［１］
この関係を満たせばよい。

上記条件［１］を満たす一つの具体例としては、ｋ２＝９１２１Ｎ／ｍｍ、ｋ１＝８７４Ｎ／ｍｍ，ｋｔ＝２０９７６Ｎ／ｍｍの場合が考えられる。

以上説明したように、本実施形態の台車１０１によれば、両端の輪軸１２１，１２３における両端軸ばね１１６ａ，１１６ｃのばね定数を、中間の輪軸１２２における中間軸ばね１１６ｂのばね定数よりも大きく設定し、このとき各ばね定数ｋ１，ｋ２，ｋｔが上述の条件［１］を満たすように設定することで、車体荷重が変化した場合でも、各輪軸１２１〜１２３における軸重を均一化することが可能となる。
その結果、各輪軸１２１〜１２３を同じ起動力で駆動した場合でも、輪軸で空転が発生することはなくなる。したがって、機関車等において牽引性能が低下することはなく、また空転による、車輪踏面及びレール表面の損傷を防止することも可能となる。

さらにまた、本実施形態の台車１０１によれば、単にばね定数の異なる軸ばねを用いるだけでよく、台車１０１が支持する車体の重量が変化した場合でもさらなる調整作業は必要なく、また、３軸台車の構造が複雑化することもなく部品及び重量の増加並びにコスト増加という問題も生じない。

本実施形態では上述のように、両端軸ばね１１６ａ，１１６ｃのばね定数は同値に設定したが、異ならせても良い。車体の荷重の負荷点によっては軸ばね１１６ａと軸ばね１１６ｃの各ばね定数が異なる場合もある。

尚、上述の実施形態では、３軸の電気機関車用台車を例に説明したが、本実施形態の台車は、貨車に適用してもよい。また、３軸以上の台車にも適用可能である。

本発明は、３軸以上の電気機関車あるいは貨車用台車に適用可能である。

１０１…鉄道車両用台車、１１０…台車枠、１１５…軸箱、
１１６…軸ばね、１１６ａ，１１６ｃ…両端軸ばね、１１６ｂ…中間軸ばね、
１２１，１２２、１２３…輪軸、１８０…車体。

Claims (3)

1. １台車の台車枠に少なくとも３つの輪軸を有し、各輪軸では軸箱が軸ばねを介して台車枠に支持された鉄道車両用台車であって、
   両端に位置するそれぞれの輪軸における両端軸ばねのばね定数を、両端以外の輪軸の軸ばねである中間軸ばねのばね定数よりも大きく設定した、
   ことを特徴とする鉄道車両用台車。
2. 上記両端軸ばねのばね定数と上記中間軸ばねのばね定数との差は、上記台車枠が有する車体荷重に対するばね作用によるばね定数に応じて設定する、請求項１に記載の鉄道車両用台車。
3. 上記中間軸ばねのばね定数をｋ１、上記両端軸ばねのばね定数をｋ２、車体荷重による上記台車枠のばね作用によるばね定数をｋｔとしたとき、
   ｋ２＝１／（（１／ｋ１）−（１／ｋｔ））
   の関係を有する、請求項１に記載の鉄道車両用台車。

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