JP4060901B2 - ボギー台車用軸箱支持装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両用ボギー台車の軸箱支持装置に関するものであり、特に操舵機能を必要とする台車に用いるのに適した軸箱支持装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の鉄道車両は左右の車輪が車軸に固定され、等しい回転速度で走行するとともに、車輪とレールの接触部にはいわゆる踏面形状と称される勾配がつけてあり、曲線部においては遠心力等の作用により輪軸が曲線の外側へ変位することにより内外輪の回転半径差を生じさせて、レールとの間のすべりを微小範囲に留める仕組みとなっている。また、急曲線の場合、軌道側でスラックと称する軌間拡大を行い、内外輪の回転半径差をさらに大きくとれるようにしている。しかしながら、単体の車輪としてはこのような自己操舵性を保有するものの、従来のボギー台車では直線部を高速走行する際発生の恐れのある蛇行動防止のため台車枠と軸箱との間に前後方向に剛性をもたせた軸箱支持装置を設けるという特徴を有している。また、その機構上車軸の両端を台車枠と弾性締結する結果となり、曲線経過時に各車軸を曲線中心に振り向けようとすると、支持弾性力を越える力を伝達する必要から、例えば特開平05-77730号公報に記載の発明のように各車軸および台車枠間をリンクで結ぶ機構が用いられていた。
【0003】
しかしながら、これらの方式は一般の台車と比較して構造が複雑となり、重量、制作費、保守費の増加を招くことから、例えばJR北海道283 系気動車のように高速運転を必要とする特急列車用等、採用されるのは限られた用途のみである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、各車軸が曲線中心に向かう場合、台車枠に対して車軸の中心間距離を保ちながら、その重心を中心として水平回転変位を起こす特性に着目し、その動きを可能とする軸箱支持装置の提供を目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、ボギー台車で上下方向と共に、操舵角度の範囲内において、台車が走行する軌道面を含む水平面と平行な、輪軸の重心を中心とした輪軸の水平面内回転方向に自由振動を許容する手段として、台車枠と軸箱との間に、輪軸の重心を中心とする回転半径を有して軸箱を垂直に横切る垂直円筒面の一部をガイドとする積層ゴムばね体を取り付けて、曲線通過の際に必要な台車枠に対しての輪軸の水平面内回転を保証し、自己操舵性を付与するようにし、積層ゴムばね体を台車枠と軸箱の間に取り付ける手段として、軸箱側積層ゴムばね体取付け部材と台車枠側積層ゴムばね体取付け部材を備え、前記軸箱側積層ゴムばね体取付け部材は、軸箱の前後方向両側の各側面に取り付けられる平らな取付け面と、前記垂直円筒面の一部を形成する曲面に合わせた曲面とを有し、前記台車枠側積層ゴムばね体取付け部材は、台車枠の下板に取り付けられる水平板と、この水平板に垂直に固定されかつ前記垂直円筒面の一部を形成する曲面に合わせた垂直曲面板と、この垂直曲面板と水平板に垂直にかつ輪軸の重心の方向に向かうように取り付けられかつ上端に台車枠に吊り下げられる吊り耳を有するステーとを有し、これらの両部材を用いて積層ゴムばね体を取り付ける際には、積層ゴムばね体を軸箱側積層ゴムばね体取付け部材の曲面に取り付けたものをその平らな取付け面により軸箱前後方向両側面に取り付け、台車枠に吊り下げられた台車枠側積層ゴムばね体取付け部材の垂直曲面板を前記積層ゴムばね体に向かって回動させて垂直曲面板を積層ゴムばね体に固定すると共に、台車枠側積層ゴムばね体取付け部材の水平板を台車枠の下板に固定するようにしたことと、軸箱と台車枠との間に設けた軸ばねと直列に、輪軸の水平面内回転方向に平行な波形を有する別の積層ゴムばね体を配置して、前記軸ばねが輪軸の水平面内回転変位を拘束しないようにしたことを特徴とする軸箱支持装置により達成される。
この別の積層ゴムばね体により、軸ばねの過大なねじれ変形が防止される。
【0006】
請求項2の発明では、車軸を水平面内回転運動可能としたことによる共振を防止するためにオイルダンパ等の減衰力作用要素を付加することによって安全な走行性能を得る効果がある。
請求項3の発明では、直線部高速走行時や急激な踏面ブレーキ等必要な場合、車軸の水平面内回転をロックする機構を備えることにより蛇行動等を防止する効果がある。
【0007】
請求項4の発明は、強制操舵台車に適用する場合、本発明による軸箱支持装置は、輪軸が台車枠に対して水平回転変位する特性を有するため、減速装置を備えた回転モータを各軸ごとに必要な回転変位量だけ演算装置からの出力によって駆動することにより当該車軸を曲線中心に向けることが可能になる。
以上のように、本発明によれば、従来のボギー台車の問題であった輪軸と台車枠間のヨーイング拘束を開放して、輪軸がその重心を中心として台車枠に対して水平回転により輪軸を曲線の中心方向に振り向けることが可能となり、しかもその機構は従来の台車と比較して特別な機構を付加することなしに実現できるものである。これにより、曲線通過時の横圧の低減と車輪フランジおよびレールの磨耗と車輪のきしり騒音の防止に対して飛躍的な改善効果が達成できる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例を図面により詳細に説明する。
図1の(a) は、請求項1の発明による軸箱支持装置を取り付けた台車の曲線経過時の理想状態を示したものであり、図1(b) は従来台車が曲線を超低速で通過する際の状態を模式的に表している。ちなみに、高速で曲線部に進入すると、フランジが外側レールとの接触による反力により車輪が曲線内側方向に振り向けられるが、軸箱支持装置により軸端部に働く拘束力が、図1の(b) のように両軸が平行を保とうとする力として作用することを表している。
【0009】
両者を比較すると、従来の台車では、図1の(b) に示すように、車軸2の両端部が台車枠1と弾性結合しているために、曲線経過時において両軸2が平行を保とうとする力が働くのに対して、請求項1の本発明の台車では、輪軸の重心を中心とする水平方向回転を許容する機能を具備した軸箱支持装置によりしかも従来の方式に特別な機構を付加することもなく図1の(a) のように車輪が曲線のレールに沿った理想的な状態を実現できる。
【0010】
本発明による輪軸4の水平回転を許容する機構を図2により説明する。軸箱5側と台車枠1側には、輪軸4の重心Oを中心とする、図面の平面に対して垂直な円筒面Aの一部をなす曲面をガイドとして形成するものである。これにより、一定の範囲内において、輪軸4はその重心Oを中心として水平回転運動が保証される。
【0011】
原理的には、軸箱5側と台車枠1側の双方に上記垂直円筒面Aの一部を形成した上でその二曲面を接触摺動により構成する方法もあるが、請求項2の発明においては、図2の軸箱5側と台車枠1側の二曲面の間の空間(輪軸の両側に一つずつ)にそれぞれ図3に示すように同様の曲面加工された金属板11とゴム層12を交互にはさんで積層した積層ゴムばね体10を取り付け、したがってこの積層ゴムばね体10を介して軸箱5と台車枠1が結合される。図3に示す本発明による積層ゴムばね体10は、前述した垂直円筒面Aの一部を形成する軸箱側積層ゴムばね体取付け部材5′の曲面5aに設けた四つの孔に、積層ゴムばね体10の凹型曲面に取り付けられた例えば4本のねじ付きスタッドの、凹型曲面から突出するねじ部分を差し込んでナット9により締め付け固定される。軸箱側積層ゴムばね体取付け部材5′の平らな面5bは図2から明らかなように軸箱5の側面に固定される。軸箱側積層ゴムばね体取付け部材5′と反対側に突出するスタッド7の先端ねじ部は後述するように台車側にナット14により固定される。
【0012】
積層ゴムばね体そのものは種々の形状で台車に伝わる振動を緩衝するために用いられていて周知である。しかしながら、本発明による積層ゴムばね体10は従来技術のものと使用目的、形状および配置において全く異なるものである。
一般に、積層ゴムばね体はゴムの圧縮方向には変形が少なく、せん断方向に大きな変形を許容する特性をもつ。このため、本発明による積層ゴムばね体10はレールの継手やポイント等の上下の動きを吸収し、曲線通過の際台車枠1に対して輪軸4の水平回転変位を許容するとともに、一定の復原力特性をもつ。また、円筒面Aの一部を形成しているために、車両の加減速に対しては積層ゴムばね体10に働く応力のうち、進行方向圧縮成分により牽引力の伝達機能を果たす。
【0013】
次に、本発明の軸箱支持装置を有する台車の作用を説明する。従来の技術の項で述べたように一対の車輪3をもつ輪軸4は曲線部に差しかかると、遠心力により曲線外側に移動し、踏面形状にしたがって内外輪の半径差を生じ、相対的に外側輪は前方へ進むことによりレールとの間の大きなすべりを発生させることなく曲線部を円滑に走行できる。本発明による軸箱支持装置はこのような変位を容易にするように働くのである。図1の(a) はその状態を表したものである。この図によれば、輪軸4は台車枠1に対して水平回転しなければならないことが明らかであり、従来の台車においての車軸2の両端部において、車軸2の水平回転方向への拘束力が軸箱支持装置によって発生していることが分かる。このように、本発明の軸箱支持装置によれば、輪軸4の水平回転方向への変位の容易性が、曲線通過の際に必要な台車枠1に対しての回転を保証し、自己操舵性能を付与する効果をもつ。
【0014】
請求項1の本発明による軸箱支持装置を、いわゆる軸ばね型台車に適用した場合を図2〜6に示す。
図2および4において、軸箱5をはさむ台車枠1の両側に輪軸4の重心Oを通る方向に沿って斜めに延びる(図2参照)リブ板1aを有し、このリブ板1aは台車枠1の上板1b、裏板1c、下板1dに溶接されている。このリブ板1aの突出側下端部に横長孔1eが所定の位置に設けられている。一方、軸箱側積層ゴムばね体取付け部材5′に取り付けた積層ゴムばね体10(図3参照)と台車枠1の間は種々の仕方で結合することができるが、図の例では両者の間に別ブロックとして設けられる台車側積層ゴムばね体取付け部材30を用いており、この部材30は、軸箱側積層ゴムばね体取付け部材5′に固定された積層ゴムばね体10の側と反対側の垂直円筒面の一部を形成する曲面13(図2参照)に合わせた垂直曲面板31と、この垂直曲面板31から水平方向に延びていてかつ台車枠1の下板1dに取り付けられる水平板32と、垂直曲面板31と水平板32との間に固定されかつ前記台車枠1のリブ板1aに隣接して、輪軸の重心に向かう方向に斜めに延びるステー33とからなり、ステー33の上端外縁からさらに水平板32の切欠きおよび台車枠の下板1dの切欠きを通って上方へ吊り耳34が延びている。この吊り耳34には、前記台車枠1のリブ板1aの横長孔1eに対応する位置にねじ孔またはバカ孔が開けられていて、ボルト35によりこの別ブロックとしての台車側積層ゴムばね体取付け部材30を吊り下げることができるようになっている。なお、垂直曲面板31には、積層ゴムばね体10の金属曲面13に取りつけられたスタッド7の、金属曲面から突出する先端ねじ部を通すための四つの貫通孔36が設けられている。
このようにして、台車枠1に吊り下げられた台車側積層ゴムばね体取付け部材30を介して、台車枠1を、軸箱体5′にすでに固定されている積層ゴムばね体10に連結固定するためには、台車側積層ゴムばね体取付け部材30をボルト35を中心として積層ゴムばね体10に向かって回動させ、その際積層ゴムばね体10の金属曲面13から突出するスタッド7のねじ端部が台車側積層ゴムばね体取付け部材30の垂直曲面板31の貫通孔36を通るようにするには、吊り耳34のボルト35を台車枠1のリブ板1aの横長孔1eに沿って手前に引っ張った後に再び前記垂直曲面板31をスタッド7側に押しつければよい。その後、積層ゴムばね体10の曲面13に当接した垂直曲面板31から突出するスタッド7のねじ端部にナット14をねじこんで締め付けるとともに、台車枠1の下板1dと、これに当接している台車側積層ゴムばね体取付け部材30の水平板32とをボルトナット37により締め付け固定する。このようにして、台車の組立解体作業が安全で容易となる効果が達成できる。
【0015】
また、本発明の軸箱支持装置を軸ばね形台車に適用した場合には、輪軸4の水平方向回転変位に、車軸上の軸ばね8がねじれ変形により追随することを容易にするために、さらに図4から明らかなように、輪軸4の水平回転方向に対してのみ変形容易な特性をもつ別個の積層ゴムばね体20を軸ばね8と直列に配置することにより、輪軸4の水平変位を円滑にする効果が達成できる。図6に、別個の積層ゴムばね体20を斜視図で示す。この積層ゴムばね体20は、輪軸の重心0を中心とする水平回転方向に平行な波形を有する金属の波形板21と、この波形板を介して上下に重ねられた二枚の積層ゴム波形体22と、これらの積層ゴム波形体22に適合した波形を内面に有する上下の金属板23、24とからなる。なお、最も上の金属板23には、軸ばね8の下端が入るリング溝またはリング状突起25が設けられている。このように、輪軸の重心を中心とする水平回転方向に平行な波形ガイドにより水平回転方向に変形容易となる。
【0016】
図7は請求項2の発明に関し、本発明の軸箱支持装置は輪軸4の水平回転運動を許容する構成となっていることから、共振現象の発生を防止する必要があるが、輪軸の先端が円弧上で往復運動の形態をとるため、直線近似による減衰力作用要素40としてオイルダンパを台車枠1と軸箱5との間に取り付けてある。オイルダンパ40のシリンダ41が台車枠1にピン42で枢着され、かつロッド側がピン43で軸箱5の突出部44に枢着されている。なお、8は軸ばね、20は前記の別個の波形積層ゴムばね体を示す。
【0017】
図8は請求項3の発明に関するものであり、直線区間高速走行時や急激な踏面ブレーキ作用時等、必要な場合に、輪軸4の水平回転自由度をキャンセルするためのロック機構50の一例を示したもので、戻しばね付きエアシリンダ51に圧縮空気を送りこむことによってロックする方式を示している。しかしながら、戻しばね52を逆方向に使用してエアの圧力を解錠側に用いる場合も考えられる。なお、ロックの噛み合わせ部を図9の(a) の平面図に示すようにはす歯形状とすることにより円滑な鎖錠が可能となる。図の例では、このロックシステムの実施の形態は、軸箱5に取り付けた内側円筒案内53およびこの円筒案内53の外周に上下動可能に嵌まっている外側円筒案内54を含み、この外側円筒案内54の上部にはす歯形ストッパ55が取り付けられ、その直上の台車枠1に固定された戻しばね付きエアシリンダ51によって下降する、同様なはす歯形凹部を有するロック部56に噛み合わせるロック方式を示している。さらに、この円筒案内は、図9の(b) に示すような円筒ゴムによる方式や軸ばね用オイルダンパとすることも可能である。
【0018】
なお、図9の(b) に示す円筒ゴム方式のものを説明すると、円筒ゴム57と金属円筒58を半径方向に交互に積層したもので、上方の円筒ゴム積層体59は外側から中心に向かうにつれて軸方向長さが下方に長くなっており、下方の円筒ゴム積層体59′はその逆になっている。最も外側の円筒ゴムが外側円筒案内54に固定されているとともに、最も内側の円筒ゴムが内側円筒案内53に固定されており、円筒ゴムの弾性により内側円筒案内53が外側円筒案内54に対し相対的に軸方向に上下動可能である。
【0019】
図10は請求項4の発明を説明するものであり、強制操舵台車に本発明による軸箱支持装置を適用した場合の一例を示したものである。軸箱5の先端は輪軸の重心を中心とした円運動をする特性があるため、減速歯車機構を内蔵する回転モータ61を台車枠1に固定して軸箱5の回転を直接駆動制御することが可能である。
【0020】
詳述すれば、図11および12に示すように、台車枠1に固定したモータ61の出力軸62にピニオン63を取り付け、一方輪軸の重心を中心とする水平回転運動をする、円弧状曲線Pをピッチ円として有する円弧状内歯歯車64を前記ピニオン63に噛み合わせ、前記円弧状内歯歯車64を円運動可能にガイドするために、台車枠1に固定されたケーシング65の上下の内壁にそれぞれ相対する円弧状溝66、66′を設けるとともに、円弧状内歯歯車64には、前記ピッチ円と同心の前記円弧状溝66、66′に摺動可能に嵌合する円弧状の突条67、67′を設けてある。そして円弧状内歯歯車64の歯と反対側中央には、L形の突起部68を形成し、その下方に延びる部分を外側円筒案内部材69に固定し、この外側円筒案内部材69を内側円筒案内部材70に上下に摺動可能に嵌合し、その下端を軸箱5から外側へ突出する突起部71に固定する。なお、この円筒案内も図9の(b) に示すような円筒ゴムによる方式や軸ばね用オイルダンパとすることができる。
【0021】
このような構成により、通過曲線に合わせた各軸の変位量を計算し、オンラインで輪軸の回転変位を制御するこが可能となり、高速での曲線走行性能が飛躍的に向上するという効果を達成できる。
【0022】
【発明の効果】
本発明の軸箱支持装置は以上説明したように構成されているので、次に挙げたような顕著な効果を奏する。
イ.請求項1による軸箱支持装置によれば、曲線において台車枠に対して輪軸の水平回転変位が円滑にできるように構成されているので、曲線通過時の横圧の低減と車輪フランジおよびレールの磨耗と車輪のきしり騒音の防止について著しく改善され、自己操舵性が飛躍的に向上する。
【0023】
ロ.また、複雑な機構や多数の部品を必要とせずに、曲線通過性能の向上が実現できる。これにより、車両、軌道の両面で保守費の低減が可能となる。
ハ.請求項2および3による軸箱支持装置によれば、本発明の輪軸の水平回転運動を許容する構成から生じる共振の発生に対してもその減衰力作用要素やロック機構により安定した走行が実現できる。
【0024】
ニ、強制操舵台車に本発明の軸箱支持装置を適用した場合に、請求項4により軸箱の回転を直接駆動制御できるようにすることにより、通過曲線の曲率に合わせた各軸の変位量を計算し、オンラインで輪軸の回転変位を制御することができ、従来のリンク方式と比較して制御の合理性、迅速性において大幅な改善が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)は本発明による軸箱支持装置を取り付けた台車の曲線通過時の理想状態を示したものであり、(b)は従来の台車が曲線を超低速で通過する際の状態を模式的に表したものである。
【図2】 本発明による輪軸の重心を中心とする垂直円筒面Aの一部の曲面をガイドとする軸箱支持装置を軸箱の両側に取り付けた構造を示し、左側半分は台車枠の断面を示し、右側半分は積層ゴムばね体の取付け部のみを断面して示してある。
【図3】 円筒の一部をガイドとする積層ゴムばね体を軸箱体に取り付けた構造を示す。
【図4】 図2の矢印IVの方向から見た正面図である。
【図5】 図4の矢印V の方向から見た側面図である。
【図6】 軸ばねに直列に配置される別個の積層ゴムばね体の形状を示す斜視図である。
【図7】 輪軸の水平回転運動から来る共振現象の発生を防止するための減衰力作用要素を台車枠と軸箱の間に取り付けた構造を示す。
【図8】 直線区間高速走行時や急激な踏面ブレーキ力の作用時等に輪軸の水平回転自由度をキャンセルするロック機構を一部断面して示す部分正面図である。
【図9】 (a)は図8のロック部のメス型のはす歯形を噛み合わせるようになっているオス型を平面図で示したものであり、(b)は円筒案内部を円筒ゴムとした場合の断面(右側半分)を含む正面(左側半分)図である。
【図10】 本発明の軸箱支持装置を強制操舵台車に適用した場合を示し、台車枠に固定した減速機構付きの回転モータにより輪軸重心を中心とする軸箱の回転を直接駆動制御する操舵機構の斜視図である。
【図11】 図10に示した軸箱の回転を駆動制御する機構のうちのケーシング内にある軸箱先端を回転させる構造を示す平面図である。
【図12】 図11の線XII-XII に沿って切断した部分断面図である。
【符号の説明】
1 台車枠
4 輪軸
5 軸箱
5′ 軸箱側積層ゴムばね体取付け部材
7,14,37 連結部材
8 軸ばね
10 積層ゴムばね体
20 別の積層ゴムばね体
30 台車側積層ゴムばね体取付け部材
40 減衰力作用要素
50 ロック機構
60 操舵機構
A 垂直円筒面
Claims (4)
- ボギー台車で上下方向と共に、操舵角度の範囲内において、台車が走行する軌道面を含む水平面と平行な、輪軸(4)の重心を中心とした輪軸(4)の水平面内回転方向に自由振動を許容する手段として、台車枠(1)と軸箱(5)との間に、輪軸(4)の重心を中心とする回転半径を有して軸箱(5)を垂直に横切る垂直円筒面(A)の一部をガイドとする積層ゴムばね体(10)を取り付けて、曲線通過の際に必要な台車枠に対しての輪軸(4)の水平面内回転を保証し、自己操舵性を付与するようにし、積層ゴムばね体(10)を台車枠と軸箱の間に取り付ける手段として、軸箱側積層ゴムばね体取付け部材(5′)と台車枠側積層ゴムばね体取付け部材(30)を備え、前記軸箱側積層ゴムばね体取付け部材(5′)は、軸箱の前後方向両側の各側面に取り付けられる平らな取付け面(5b)と、前記垂直円筒面の一部を形成する曲面に合わせた曲面(5a)とを有し、前記台車枠側積層ゴムばね体取付け部材(30)は、台車枠の下板(1d)に取り付けられる水平板(32)と、この水平板に垂直に固定されかつ前記垂直円筒面の一部を形成する曲面に合わせた垂直曲面板(31)と、この垂直曲面板(31)と水平板(32)に垂直にかつ輪軸の重心の方向に向かうように取り付けられかつ上端に台車枠に吊り下げられる吊り耳(34)を有するステー(33)とを有し、これらの両部材を用いて積層ゴムばね体を取り付ける際には、積層ゴムばね体(10)を軸箱側積層ゴムばね体取付け部材(5′)の曲面(5a)に取り付けたものをその平らな取付け面により軸箱前後方向両側面に取り付け、台車枠(1)に吊り下げられた台車枠側積層ゴムばね体取付け部材(30)の垂直曲面板(31)を前記積層ゴムばね体(10)に向かって回動させて垂直曲面板(31)を積層ゴムばね体(10)に固定すると共に、台車枠側積層ゴムばね体取付け部材(30)の水平板(32)を台車枠(1)の下板(1d)に固定するようにしたことと、
軸箱(5)と台車枠(1)との間に設けた軸ばね(8)と直列に、輪軸(4)の水平面内回転方向に平行な波形を有する別の積層ゴムばね体(20)を配置して、前記軸ばね(8)が輪軸(4)の水平面内回転変位を拘束しないようにしたことを特徴とする軸箱支持装置。 - 輪軸(4)の重心を中心とする水平面内回転方向に自由振動を許容する前記手段を備えるとともに、その減衰力作用要素(40)を台車枠(1)と軸箱(5)の間に備え、前記減衰力作用要素(40)は、台車枠(1)と軸箱(5)にそれぞれ枢着されたダンパからなることを特徴とする、請求項1に記載の軸箱支持装置。
- 輪軸(4)の重心を中心とする水平面内回転方向に自由振動を許容する前記手段を備えるとともに、その機能をロックする機構(50)を備え、このロック機構(50)は、台車枠(1)と軸箱(5)にそれぞれ互いに対して上下動可能な突出部と凹部を有する部材を設け、これらの部材が互いに噛み合ったときにロックされるようにしたことを特徴とする、請求項1または2に記載の軸箱支持装置。
- 輪軸(4)の重心を中心とする水平面内回転方向に自由振動を許容する前記手段を備えるとともに、各軸(4)ごとにその回転角を設定する機能をもつ操舵機構(60)を備え、前記操舵機構(60)は、減速歯車機構を内蔵する回転モータを台車枠に固定して軸箱の回転を直接駆動制御する操舵機構であることを特徴とする、請求項1から3までのいずれか1つに記載の軸箱支持装置。
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