JP4840100B2 - 鉄道車両用台車 - Google Patents

Description

本発明は、特に曲線及び緩和曲線通過の際、車体に対する台車の相対回動変位（以下、ボギー変位という。）に連動して前後２つの輪軸を曲線中心に向けて回動させる操舵装置を有する鉄道車両用台車に関するものである。
本明細書において、「前」「後」とは、車両の進行方向に対する「前」「後」を言う。

曲線通過の際、外軌側の車輪に作用する旋回抵抗力（横圧）を低減して曲線通過性能を改善するために、ボギー変位に連動して動作する操舵装置を取付けた強制操舵台車が提案されている（例えば特許文献１）。
特許第３４４８４４５号公報

この特許文献１で提案された強制操舵台車では、曲線通過時の横圧を低減するために、その操舵装置は、ボギー変位を利用して輪軸を曲線中心に向け、車輪が曲線レールに対して持つ角度（以下、アタック角という。）を低下するようにしている。

その際、特許文献１の強制操舵台車では、操舵装置の抵抗を考慮して理論操舵量の２０〜３５％増加させた動作量を機械的に与えることで、前記抵抗に起因する操舵角不足を補い、迅速かつ確実に車輪軸が曲線軌道中心方向を向くようにしている。

ところで、前後に配置された２つの台車より構成される通常車両では、曲線走行中、ボギー変位は一定値となるが、過渡状態である緩和曲線では、例えば前方の台車が緩和曲線、後方の台車が円曲線に位置する場合がある。

このような場合、特許文献１で提案されたボギー変位型の操舵装置は正常に動作せず、操舵遅れが発生する。これにより輪軸はレールに対してアタック角を持つことになり、大きな横圧が発生する。

また、地下鉄等に多数存在する急曲線（曲率半径Ｒが１００〜２００m）区間では、通常、車輪とレール間にグリース等の潤滑剤が塗布されている。この潤滑剤は、車両の通過に合せて間欠的に塗布されるため、車輪とレール間の摩擦係数は大きく変化する。

地下鉄の測定例では、摩擦係数に相当する内軌側横圧輪重比は、０．３〜０．７程度にまで変化することが知られている（非特許文献１）。
「車輪とレールのトライボロジー」、鉄道車両と技術、No.１０９（１１巻６号）、2005年、３〜９頁

摩擦係数が変化すると、曲線走行時に発生する横圧も変化し、台車の曲線通過性能が変化するので、地下鉄等の台車に操舵機構を適用する場合には、理論操舵量の増加量は摩擦係数が変化した場合にも対応できる量であることが必要になる。

しかしながら、前記特許文献１で提案された技術は、前記摩擦係数の変化に対する強制操舵台車の曲線通過性能についての検討は、全くなされていない。

なお、前記操舵遅れを回避するために、アクチュエータによる補償制御を行うものが、特許文献２で提案されている。
特開２００５−２６２９５７号公報

しかしながら、特許文献２で提案された技術は、操舵装置を構成する機構中にアクチュエータを設置する必要があるので、操舵装置の構成が複雑になるという問題点がある。

本発明が解決しようとする問題点は、従来のボギー変位型の強制操舵台車は、緩和曲線走行時に操舵装置が正常に動作せず、操舵遅れが発生する場合があり、その場合、大きな横圧が発生する。また、摩擦係数の変化に対する曲線通過性能についての検討は、全くなされていなかったという点である。

そこで、本発明の鉄道車両用台車は、
曲線走行時の横圧低減と、緩和曲線走行時の横圧増加の抑制を両立させると共に、変化する摩擦係数にも対応できるようにするために、
台車に対して鉛直軸周りに回動が可能なように設置された前後２つの輪軸を、曲線及び緩和曲線通過の際、台車に対する輪軸の相対回動角度βが、車体に対する台車の相対回動角度αに対応する角度（前後２つの輪軸の中心間距離を２ａ、車体に設置された前後２つの台車の中心間距離を２Ｌとした場合、sin⁻¹（ａsinα／Ｌ））となるように、台車の前後方向中心線に対して対称に前記２つの輪軸を回動させる操舵機構を備えた鉄道車両用台車において、
前記操舵機構による輪軸の操舵角度が、前記相対回動角度βに、０％を超え、１７％以下の割増量Δβを加算した角度となるように構成したことを最も主要な特徴としている。

本発明は、台車に対する輪軸の相対回動角度βに、０％を超え、１７％以下の割増量Δβを加算した角度となるように輪軸を操舵することで、以下のような効果を奏することができるようになり、あらゆる条件下で有効な操舵台車を得ることができる。

1) 曲線走行時の横圧を低減することができる。
2) 緩和曲線走行時の操舵遅れをバランスさせて横圧増加の抑制が可能になる。
3) 摩擦係数が変化しても操舵効果が無くならないようになる。

以下、本発明の着想から課題を解決するに至るまでの経過について説明した後に、本発明を実施するための最良の形態を、図１〜図４を用いて説明する。

曲線出口側の緩和曲線では、車両の進行方向に向かって、曲率と同時にカントも徐々に小さくなっているので、軌道面の捩れによる輪重抜けが生じる。

従って、ボギー変位型の強制操舵台車の場合、緩和曲線の走行時には、前記操舵遅れによる横圧と輪重抜けが同時に発生して輪重・横圧比、脱線係数が大きくなり、車両の走行安全性が損なわれる結果になる。

地下鉄等では緩和曲線を十分にとることができないため、特に地下鉄等の急曲線区間では、この操舵遅れによる横圧増加とカント逓減率が小さいことによる輪重抜けが重畳され、脱線係数が大きくなる。

従って、地下鉄等に適用する場合、摩擦係数が変化しても横圧低減の効果があり、短い緩和曲線でも横圧増加を抑えることが求められるので、特許文献１のように理論操舵量の増加量を決定する際に、操舵装置の抵抗を考慮しただけでは不十分である。

そこで、発明者等は、緩和曲線走行時における操舵遅れや、摩擦係数の変化、輪重抜けを考慮した適正な増加量を得るべく、車両質量が２４トン（輪重は３トン）程度の地下鉄車両が、曲率半径が１００m、緩和曲線の長さが１８mの曲線を通過する状態を模擬したシミュレーションを行った。

シミュレーションは、図１に示すような、車体１に対する台車２の相対回動角度（ボギー角度）αと連動して輪軸３を操舵させる操舵台車の、輪軸３が曲線中心Ｃに向いた状態における台車２に対する輪軸３の相対回動角度βの割増量Δβを各種変化させて行った。

なお、図１において、２ａは前後の輪軸３の中心間距離、２Ｌは車体１に設置した前後２つの台車２の中心間距離、Ｒは曲線路の曲率半径を示す。これらの符号を用いて、前記ボギー角度αと相対回動角度βを表すと、sinα＝Ｌ／Ｒ、sinβ＝ａ／Ｒとなって、βはsin⁻¹（ａsinα／Ｌ）となる。

相対回動角度βの割増量Δβを変化させ、摩擦係数を０．３０および０．７０と想定した場合のシミュレーションの結果を下記表１及び図２〜図４に示す。

上記表１及び図２に示すように、摩擦係数が０．７０と高い場合には、相対回動角度βの割増量Δβを大きくするほど緩和曲線で横圧が増加することになり、脱線の危険性が増加することが分かる（図２（ｂ）参照）。

また、図３（ｂ）に示す曲線部を通過する際の、摩擦係数が０．７０の場合における操舵台車のシミュレーション波形例を図３（ａ）に示すが、外軌側の輪重が減少して最も危険な出口緩和曲線で、太い実線で示した割増量Δβが３０％の横圧が、円曲線中の値に対して２．０４倍増加し、脱線の危険性が高くなっている。

一方、上記表１及び図２（ａ）より、摩擦係数が０．３０と低い場合においては、割増量Δβが０％の場合には、緩和曲線部での横圧低減効果が低く、脱線の危険性が高くなる。

また、摩擦係数の変化による横圧への影響を総合的に評価するために、各条件での横圧の総和（総合横圧）で評価した場合、割増量Δβが１７％を超える領域では，割増量Δβが０％の場合の総合横圧（３７．５kN）を超過し、操舵量を割増しすることによる効果が無くなっている（図４参照）。

発明者等のシミュレーションの結果によれば、総合横圧から見た場合、より望ましい割増量Δβは、５〜１４％である（図４参照）。

本発明の鉄道車両用台車は、上記したシミュレーションの結果に基づいてなされたものであり、
台車に対して鉛直軸周りに回動が可能なように設置された前後２つの輪軸を、曲線及び緩和曲線通過の際、台車に対する輪軸の相対回動角度βが、車体に対する台車の相対回動角度αに対応する角度（前後２つの輪軸の中心間距離を２ａ、車体に設置された前後２つの台車の中心間距離を２Ｌとした場合、sin⁻¹（ａsinα／Ｌ））となるように、台車の前後方向中心線に対して対称に前記２つの輪軸を回動させる操舵機構を備えた鉄道車両用台車において、
前記操舵機構による輪軸の操舵角度が、前記相対回動角度βに、０％を超え、１７％以下の割増量Δβを加算した角度となるように構成したものである。

本発明を適用する強制操舵台車の操舵機構の構成は、台車に対する輪軸の相対回動角度βが、ボギー角度αに対応する角度となるように、台車の前後方向中心線に対して対称に前記２つの輪軸を回動させるもの、例えば特許文献１に記載された構成が採用される。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、操舵機構の構成は特許文献１に記載された構成以外のものでも良い等、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術的思想の範疇において適宜変更可能なことは言うまでもない。

以上の本発明の鉄道車両用台車は、各種形式の台車に適用できる。

操舵台車における操舵量の割増量Δβを説明する図で、（ａ）は全体図、（ｂ）は拡大図である。 操舵台車のシミュレーション結果（横圧）を示した図で、（ａ）は摩擦係数が０．３０の場合、（ｂ）は摩擦係数が０．７０の場合である。 （ａ）は摩擦係数が０．７０の場合における操舵台車のシミュレーション波形例を示した図で、細い実線は割増量Δβが０％の場合、太い実線は割増量Δβが３０％の場合を示した図、（ｂ）は（ａ）図を得た際の曲線路を示す図である。 台車に対する輪軸の相対回動角度βの割増量Δβと総合横圧の関係を示した図である。

符号の説明

１ 車体
２ 台車
３ 輪軸
α ボギー角度
β 台車に対する輪軸の相対回動角度
Δβ βの割増量

Claims (1)

1. 台車に対して鉛直軸周りに回動が可能なように設置された前後２つの輪軸を、曲線及び緩和曲線通過の際、台車に対する輪軸の相対回動角度βが、車体に対する台車の相対回動角度αに対応する角度（前後２つの輪軸の中心間距離を２ａ、車体に設置された前後２つの台車の中心間距離を２Ｌとした場合、sin⁻¹（ａsinα／Ｌ））となるように、台車の前後方向中心線に対して対称に前記２つの輪軸を回動させる操舵機構を備えた鉄道車両用台車において、
   前記操舵機構による輪軸の操舵角度が、前記相対回動角度βに、０％を超え、１７％以下の割増量Δβを加算した角度となるように構成したことを特徴とする鉄道車両用台車。

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