JP3102978B2 - 鉄道車両用独立車輪動力台車 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は鉄道車両用独立車輪動力
台車に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の鉄道用二軸車両の構造において
は、車体に取り付けた前後両車軸は車体の縦軸線（車体
の進行方向に沿った軸線）に対して直角の方向に並行に
配置され、車軸を軸端で受けている軸箱は上下方向には
自由度を持つが、前後方向或いは左右方向には殆ど自由
度なく支持されている。また、従来の鉄道車両用二軸ボ
ギー台車においても、台車に取り付けた前後両車軸は台
車の縦軸線（台車の進行方向に沿った軸線）に対して直
角の方向に並行に配置され、車軸を軸端で受けている軸
箱は上下方向には自由度を持つが、前後方向或いは左右
方向には殆ど自由度なく支持されている。

【０００３】上記した従来構造の車両において、直線路
を走行する場合は良いが、曲線を走行する場合には車輪
の回転方向は曲線の接線方向と一致しておらず、このた
め車輪と線路の車輪接触部との間にはある角度が生じて
いる。これに起因する問題は車輪と線路間に発生する横
圧による軌間の拡大、キシミ音の発生、車輪や線路の磨
耗および線路の締結装置の補修等である。これらの理由
で従来から線路の曲線半径ごとに安全面、経済面等を考
慮して列車の最高通過速度を決めてきた。

【０００４】一方目的地までの到達時分の短縮のため、
列車の曲線通過速度の向上が強く望まれてきており、上
記の問題を解決するため、車軸を軸端で前後に移動可能
な構造で支持し、軸端をリンク機構により台車枠や車体
に連結して、曲線路においても車輪の回転方向を曲線の
接線方向を向くよう操舵するいわゆる自己操舵台車の開
発が進められてきた。しかしながら、この様な台車は機
構の複雑さ等の割には走行性能の向上が不十分であって
上記の問題点の解決には至らず、我が国ではいまだに実
用化されていない。

【０００５】以上のような点の改善策として、特開平２
−３４４６５に左右の車輪がそれぞれ別個に独立して回
転できる独立車輪を持った台車において、車輪の回転方
向が常に曲線の接線方向と一致するように車輪の向きを
移動装置を用いて操舵する方法がある。しかしながら、
移動装置の付加にともなう重量増、油圧等動力源の確
保、機構の複雑化等の問題があった。また特開平２−３
４４６５のように左右の車輪の回転数の差から所要の移
動量を演算する方法では、磨耗により左右の車輪の直径
に差が生じた場合には狂いを生じる問題があった。動力
台車の場合には、天候条件により車輪、レール間の粘着
係数が低下した場合には空転を生じる場合があるので上
記の左右の車輪の回転数の差からの演算では脱線のおそ
れがあり適用できない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来の台車の
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
に起こる下記のような諸課題、つまり曲線通過時の車輪
と線路間に発生する横圧による線路、車輪の磨耗、損傷
及び騒音の発生等や、これらの問題を解決する従来の独
立車輪付操舵台車において、操舵のための移動装置を設
けることによる油圧等の動力源の必要性、取り付けスペ
ースの必要性、機構の複雑化および台車重量の増加等の
問題を解消し、更に移動機構のためのエネルギー消費を
節約でき、より簡略な機構で鉄道車両の曲線通過性能を
向上するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
めには、車輪が曲線通過中に、車輪の回転方向を常に曲
線の接線方向に操舵することであり、独立車輪の採用と
合わせて理論上では左右一体になった通常の車輪よりも
理想的な曲線通過性能を得ることができる。つまり通常
の車輪では、車輪の回転方向を曲線の接線方向に操舵し
た場合でも右と左の車輪が同軸で結ばれているため、曲
線の半径等による微小なスリップを発生することがある
が、独立車輪の場合には左右の車輪をそれぞれ個別に駆
動し回転せしめることが可能であるため、この様な現象
は発生しない。また、本発明では車輪の回転方向と曲線
の接線方向との成す角度の差を演算して、その差を補正
するように左右の車輪駆動用電動機の発生トルクを制御
することによって台車の操舵を行うため、操舵のための
移動機構を省略できる。

【０００８】

【作用】本発明においては、台車に取り付けたセンサに
よって計測される車輪とレールの相対変位から、車輪の
回転方向とレール接線方向との間の角度を制御装置で演
算し、その制御装置によって、車輪の回転方向が曲線の
接線方向に一致するようそれぞれの車輪周にて発生すべ
きトルクの演算を行い、それぞれの電動機がその情報を
受けて正確にそれぞれの車輪及びそれらと一体となって
結合している電動機を正確に操舵せしめることによって
目的を達成しうるものである。

【０００９】

【実施例】本発明の１実施例を図１、図２及び図３を用
いて説明する。

【００１０】図１の本発明の１実施例の様態を示す側面
図において、本実施例は車輪３ａを含む固定軸４の一軸
分の車輪を有し、固定軸４にて軸バネ５ａ、軸バネ受皿
６ａを介して車体１１を支持する構造を有する一軸動力
台車のうち、図１の断面図である図２において、原動機
として車輪３ａ及び３ｂのそれぞれと一体になった外側
回転子２ａ及び２ｂと、固定軸４と一体になった固定子
１０ａ及び１０ｂとからなる電動機を用いた一軸電動台
車であり、車輪３ａ及び３ｂは軸受８ａ及び８ｂにて、
外側回転子２ａ及び２ｂは軸受９ａ及び９ｂにてそれぞ
れ固定軸４に支持され、車輪３ａ及び３ｂと外側回転子
２ａ及び２ｂはそれぞれ一体となって固定軸４を中心に
回転する。

【００１１】車体１１を支持する受皿６ａ及び軸バネ５
ａと受皿６ｂ及び軸バネ５ｂは固定軸４とともに、レー
ル７ａ及び７ｂを含む平面と平行な水平面内で回転自由
度を持ち、受皿６ａおよび６ｂは車体１１に対し上下方
向の支持のみを行い、車体１１に対しレール７ａ及び７
ｂを含む平面と平行な水平面内での相対的な回転自由度
を持つ。

【００１２】図３はセンサの取り付けの様態を示す図で
ある。固定軸に取り付けられたセンサ１ａ、１ｃ、は各
々レール７ａとの間の法線１５方向の変位を、センサ１
ｂ、１ｄは各々レール７ｂとの間の法線１５方向の変位
を計測し、これらのセンサで測定したそれぞれの変位の
うちセンサ１ａでの測定値とセンサ１ｃでの測定値の和
は車輪３ａのレール７ａに於ける法線１５方向への偏位
量であり、差は車輪３ａの回転方向とレール７ａの接線
との成す角度となり、センサ１ｃ、１ｄでの測定値から
も同様にしてレール７ａに於ける法線１５方向への偏位
量と車輪３ａの回転方向とレール７ａの接線との成す角
度を算出できる。センサ１は渦電流変化によって計るも
の、超音波によって計るもの、光によって測定するもの
等が考えられる。

【００１３】図４は曲線通過時の動作図である。図４
（ａ）において車両が矢印１６の向きに進行しながら、
車輪３ａ及び３ｂが曲線のレール７ａ及び７ｂにさしか
かったとき、車輪の回転方向１３とレール７ａの接線１
４の間には相対角度が生じ、左右の車輪３ａ及び３ｂが
同時にレール７ａ及び７ｂの法線１５の方向、即ち左右
方向に偏ることがあるが、左右で回転数の異なる独立車
輪構造に起因して車輪３ａ及び３ｂには曲線通過のため
の左右車輪周のトルク差や、それぞれのレール７ａ，７
ｂに対する車輪踏面の左右方向の偏りを是正するような
復元力は発生しない。

【００１４】このとき、センサ１ａはセンサ１ａとレー
ル７ａとの、センサ１ｂはセンサ１ｂとレール７ｂとの
法線１５の成分の変位を測定し、その測定情報を基に制
御装置１２にて、車輪の回転方向１３とレール７ａの接
線１４との相対角度を演算し、このとき車輪３ａの発生
トルクが増えるよう主電動機１７ａのトルクを制御し、
一方、車輪３ｂの周上に発生するトルクが減るよう主電
動機１７ｂのトルクを制御し、矢印１８の向きに台車全
体を操舵し、その結果図４（ｂ）に示すように、車輪の
回転方向１３とレール７ａの接線１４との相対角度をな
くし、かつ車輪３ａ及び３ｂとレール７ａ及び７ｂに対
するそれぞれの左右方向の偏りを是正する。また、曲線
部においてこのような状態を保つよう車輪３ａの発生ト
ルクを増し、車輪３ｂの周上に発生するトルクを減ずる
よう制御し続けるので、車両が旋回して進行するときの
求心力となる車輪３ａと３ｂとのトルク差による旋回ト
ルクが発生し、フランジとレールとの接触圧を生ずるこ
となく滑らかに曲線を通過する。

【００１５】車体１１の有するもう一方の台車１９につ
いても上記と同様な動作を行う。

【００１６】また、直線部で生じる左右のレール面にお
ける車輪の左右方向変位も同様な動作により是正するこ
とが可能である。

【００１７】本発明の別の実施例を図５、図６及び図７
を用いて説明する。

【００１８】本発明の他の実施例の様態を示す図５にお
いて、本実施例は車輪３ａを含む固定軸４ａと、車輪３
ｃを含む固定軸４ｂの２軸分の車輪を有し、固定軸４ａ
及び固定軸４ｂのそれぞれにおいて軸バネ５ａ、受皿６
ａ及び軸バネ５ｂ、受皿６ｂのそれぞれを介して台車枠
２０を支持し、その台車枠２０にて枕バネ２１ａ及び２
１ｂを介して車体１１を支持する構造を有する２軸動力
台車のうち、図５の断面を示す図６において、電動機と
して実施例１と同様の構造の固定子１０ａ及び１０ｂ、
外側回転子２ａ及び２ｂをそれぞれ有する電動機を用い
た２軸電動台車であり、車輪３ａ及び３ｂ、外側回転子
２ａ及び２ｂの支持回転方式についても軸受け８ａ、８
ｂ、９ａ、９ｂによって実施例１と同様に支持され、車
輪３ａ及び３ｂと外側回転子２ａ及び２ｂはそれぞれ一
体となって固定軸４ａを中心に回転する。なお図５にお
ける車輪３ｃを含む固定軸４ｂについても同様の構造を
有する。

【００１９】さらに図６で、車輪３ａ等を含む軸４ａは
軸４ａの中央を中心に台車枠２０に対して水平面内にお
ける回転自由度を有し、更に台車枠２０は車体１１に対
して台車車体間牽引力伝達装置２３を中心として水平面
内での回転自由度を持ち、軸バネ受皿６ａ及び６ｂはそ
れぞれ台車枠２０の支持のみ行い、台車枠２０に対して
固定はなされず、枕バネ受皿２２ａ及び２２ｂについて
も車体１１の支持のみ行い、車体１１に対して固定はな
されない。

【００２０】各軸毎のセンサの取り付けの様態、機能に
ついては実施例１と同一である。

【００２１】図７は曲線通過時の動作図である。図７
（ａ）において車両が矢印１６の向きに進行しながら、
車輪３ａ及び３ｂが曲線のレール７ａ及び７ｂにさしか
かったとき、車輪の回転方向１３とレール７ａの接線１
４の間には相対角度が生じ、左右の車輪３ａ及び３ｂが
同時にレール７ａ及び７ｂの法線１５の方向、即ち左右
方向に偏ることがあるが、左右で回転数の異なる独立車
輪構造に起因して車輪３ａ及び３ｂには曲線通過のため
の左右車輪周のトルク差や、それぞれのレールに対する
車輪踏面の左右方向の偏りを是正するような復元力は発
生しない。

【００２２】このとき、センサ１ａはセンサ１ａとレー
ル７ａとの、センサ１ｂはセンサ１ｂとレール７ｂとの
法線１５の成分の変位を測定し、その測定情報を基に制
御装置１２にて、車輪の回転方向１３とレール７ａの接
線１４との相対角度を演算し、このとき車輪３ａの周上
に発生するトルクを増やすよう電動機１７ａのトルクを
制御し、一方車輪３ｂの周上に発生するトルクを減ずる
よう電動機１７ｂのトルクを制御し、矢印１８の向きに
台車全体を操舵し、その結果図７（ｂ）に示すように、
車輪回転方向１３とレール７ａの接線１４との相対角度
をなくし、かつ車輪３ａ及び３ｂのレール７ａ及び７ｂ
に対する左右方向の偏りを是正する。また、曲線部にお
いてこのような状態を保つよう車輪３ａの発生トルクを
増し、車輪３ｃの周上に発生するトルクを減ずるよう制
御し続けるので、車両が旋回して進行するときの求心力
となる車輪３ａ及び３ｂのトルク差による旋回トルクが
発生し、フランジとレールとの接触圧を生ずることなく
滑らかに曲線を通過する。

【００２３】台車枠２０の有する、車輪３ｃ及び３ｄを
含む固定軸４ｂについても上記と同様な動作を行い、ま
た車体１１の有するもう一方の台車２３の各軸について
も上記と同様の動作を行う。

【００２４】また、直線部で生じる左右のレール面にお
ける車輪の左右方向偏位も同様な動作により是正するこ
とが可能である。上記では２軸台車の例で説明したが、
３軸またはそれ以上の軸数を持つ台車についても同様で
ある。

【００２５】

【発明の効果】 以上説明したように本発明の鉄道車両用
独立車輪動力台車の効果は、車輪の回転方向の向きと曲
線の接線の相対角度をなくすよう、特別な操舵装置を設
けることなく、左右の車輪に発生するトルク差を利用し
て台車の操舵を行うので、操舵のための特別な操舵装置
を必要とせずに車輪の操舵及び独立車輪に固有の問題で
ある車輪がレールに対して左右方向に偏位した場合、左
右の車輪が別個に回転することによって生じる、その復
元力が働かないことを補える、という利点がある。ま
た、車輪にトルクを発生させる原動機としては、電動機
の他、内燃機関等を用いることも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す独立車輪１軸電動台車の
構成を示す側面図である。

【図２】本発明の実施例を示す独立車輪１軸電動台車の
構成を示す断面図である。

【図３】本発明の実施例を示す独立車輪１軸電動台車の
センサの取り付け位置を説明する平面図である。

【図４】本発明の１実施例を示す独立車輪１軸電動台車
の作用を示す動作図である。

【図５】本発明の他の実施例を示す独立車輪２軸電動台
車の構成を示す側面図である。

【図６】本発明の他の実施例を示す独立車輪２軸電動台
車の構成を示す断面図である。

【図７】本発明の他の実施例を示す独立車輪２軸電動台
車の作用を示す動作図である。

【符号の説明】

１ センサ ２ 電動機外側回転子 ３ 車輪 ４ 固定軸 ５ 軸バネ ６ 軸バネ受皿 ７ レール ８ 車輪軸受け ９ 電動機外側回転子軸受け １０ 電動機固定子 １１ 車体 １２ 制御装置 １３ 車輪回転方向 １４ レールの接線 １５ レールの法線 １６ 列車進行方向 １７ 電動機 １８ 台車回転方向 １９ 台車 ２０ 台車枠 ２１ 枕バネ ２２ 枕バネ受皿 ２３ 台車車体間牽引力伝達装置

フロントページの続き (72)発明者 佐々木 君章 東京都国分寺市光町二丁目８番地38 財 団法人鉄道総合技術研究所内 (72)発明者 早勢 剛 東京都国分寺市光町二丁目８番地38 財 団法人鉄道総合技術研究所内 (72)発明者 兎束 哲夫 東京都国分寺市光町二丁目８番地38 財 団法人鉄道総合技術研究所内 (56)参考文献 特開 平２−34465（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B61F 5/44

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉄道車両の曲線通過時に、左右の車輪が
   それぞれ別個に独立して回転することのできる独立車輪
   と、それぞれの車輪を個別に駆動するために設けた電動
   機を持った独立車輪動力台車に於いて、左右の車輪を一
   対とする一軸分を左右の車輪間中心線上を中心に旋回可
   能な構造で車体へ取り付け、左右の車輪周上に発生する
   トルクの差を用いて車輪を操舵することで、車輪の回転
   方向を常に曲線の接線方向と一致させ、また独立車輪構
   造に起因して生ずる車輪とレールの接触面の左右方向偏
   位を是正するよう、左右各車輪の回転方向と左右各レー
   ルの接線方向とのそれぞれの相対変位をセンサにより検
   出し、前記相対変位に基づいて左右の車輪駆動用電動機
   の間に与えるトルク差を演算し、左右の車輪周上に発生
   するトルクの差を、列車の駆動のためのトルク指令に加
   算又は減算する制御装置を有することを特徴とする鉄道
   車両用独立車輪動力台車。
2. 【請求項２】 請求項１記載の鉄道車両用独立車輪動力
   台車において、車体に対して回転可能な構造の台車枠
   に、左右の車輪を一対とする一軸分を左右の車輪間中心
   線上を中心に旋回可能な構造で、複数軸に取り付けるこ
   とを特徴とする鉄道車両用独立車輪動力台車。