JP5051771B2 - 車輪ユニット、台車、鉄道車両及び鉄道システム - Google Patents

Description

本発明は、車軸と車輪からなる車輪ユニット、この車輪ユニットを組み込んだ台車、この台車と車体からなる鉄道車両および鉄道システムに関し、特にＬＲＴ（Light Rail Transit）車両用など急曲線通過性能に優れた特性が要求されるものに関する。

鉄道車両にあっては、曲線通過性能と走行安定性が要求され、曲線通過性能は車輪の踏面勾配に基づく自己操舵機能により発揮される。この自己操舵機能を高めるには輪軸の旋回動（ヨーイング）を自由にすれば達成されるが、輪軸の旋回動を自由にすると自励振動である蛇行動が発生し走行安定性を阻害する。

この自己操舵機能を高めるには、ボギーフレームの左右に独立回転可能な車輪ユニット（車軸と車輪）を設けた独立回転台車が優れる。このような独立回転台車に関する先行技術として、特許文献１、特許文献２および非特許文献１が知られている。

特許文献１では、コ字状をなす台車枠の左右にそれぞれ２つのリンクを介して軸梁が連結され、この左右の軸梁に左右の車輪が回転自在に支持され、更に左右の軸梁間を幅方向のリンクで連結する構造が開示されている。また、非特許文献１には独立回転台車に関する基礎的な事項が開示されている。
また特許文献２には、特許文献１及び非特許文献１の内容を前提とし、電磁ダンパなどの操舵アシスト用アクチュエータを配置することで、車輪の曲線に対する追従遅れを解消する提案がなされている。

図１６は踏面内側の径が徐々に大きくなる勾配を有する従来の車輪１００を１本の軸１０１の両端に設けた自己操舵台車の模式図であり、この台車にヨー角が発生すると、ヨー角を増大させる方向に逆操舵モーメントが作用するので、倒立振子と同じように不安定になる。そこで、このようなタイプの自己操舵台車にあっては車輪に設けたフランジ部によってヨー角が増大するのを防止し、場合によっては、アクチュエータを用いて強制的に復元方向にモーメントを与えるようにしている。

図１６に示した構造は不安定であり、強制的に復元方向にモーメントを与えなければならないので、特許文献１、特許文献２および非特許文献１にあっては、図１７に示すように、車輪１００のヨー方向回転中心Ｏ_１０を踏面とレールとの接触点Ｏ_１１よりも外側にもってくることで、倒立振子のメカニズムを正立振子のメカニズムに直し、内向きの重力復元力にすることで安定した自己操舵機能を発揮させるようにしている。

特開２００２−３０２０３８号公報 ＷＯ ２００６／０７５７５６ Fritz Frederich，Possibilities as yet unknown or unused regarding the wheel/rail tracking mechanism，Development of modern rolling stock running gear, Rail International，November 1985，ｐ33

特許文献１，２及び非特許文献１に開示される台車は、いずれも回転ジョイントや操舵リンクなどが必要であり、機構の複雑化はコストや保守などの実用化上の観点から見れば好ましくない。

また特許文献１，２及び非特許文献１に開示される台車は、ＬＲＶ(Light Rail Vehicle)など極端に曲率半径が小さくなる路線を旋回する際に、操舵リンク機構の特性により、両側車輪のバックゲージが縮小すること、および内外軌レールの曲線半径の差によるアタック角０の理想的な曲線旋回ができないという不利がある。

上記の課題を解決するため本発明に係る車輪ユニットは、車軸と車輪から構成され、前記車軸は１本で、前記車輪は車軸の両端に互いに独立回転可能に取り付けられ、且つ各車輪のレールと接触する踏面の勾配はレールを基準として外側に向かって徐々に径が大きくなるようにされ、走行中にレールと踏面との接点に発生する横方向の重力復元力がレールを基準として外側に向かって作用する構成とした。

また、本発明に係る車輪ユニットは、車軸と車輪から構成され、前記車軸は同軸上に離間して２本配置され、各車軸に車輪が互いに独立回転可能に取り付けられ、且つ各車輪のレールと接触する踏面の勾配はレールを基準として外側に向かって徐々に径が大きくなるようにされ、走行中にレールと踏面との接点に発生する横方向の重力復元力がレールを基準として外側に向かって作用する構成とした。ここで、同軸上とは車輪ユニットを構成する部材に不均等な力が作用しない中立状態において共通した軸線に２本の軸が一致することをいう。したがって、フレームと軸箱との間にサスペンションを介在させると、走行中に２本の軸の軸芯が一致しなくなる場合が生じるが、このような場合も本発明では同軸上である。

また、上記したように踏面勾配を従来とは逆方向にすることで、横方向の重力復元力がヨー角を減少させる方向に作用する。更に踏面形状を、車輪ユニットが中立位置（左右の車輪が同じ位置でレールに当接している位置）から横方向にずれた際に、中立位置での重心位置よりも横方向にずれた位置での重心位置の方が高くなるように設定することで、中立位置に戻る方向に重力が作用する。

またレールからの脱輪を防止するためのフランジ部は、レールを基準として車輪の内側および外側の何れに設けてもよい。尚、フランジ部を外側に設けた場合には切替ポイントにおけるレールに工夫が必要になる。

また、本発明は上記の車輪ユニットを適用した台車、鉄道車両、鉄道システムも含む。

本発明に係る自己操舵台車は、レールと踏面との接点に発生する横方向の重力復元力が外側に向かって作用し、この重力復元力がヨー角を減少させる方向に作用するので、正立振子のメカニズムで安定した自己操舵機能を発揮できる。
また踏面形状を更に工夫することで、横方向のずれを自動的に修正することができる。

また本発明に係る自己操舵台車は、上記の機能を操舵リンクや回転ジョイントなどの複雑な機構を設けることなく、単純な構造で達成することができる。

以下に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１（ａ）は本発明に係る車輪ユニットの平面図、（ｂ）は中立状態の正面図、（ｃ）は横方向にずれた状態の平面図であり、車輪ユニットは軸１の両端にスリーブ２を介して車輪３、３を独立回転可能に取り付けている。

車輪３のレール４と接触する踏面５の勾配はレールを基準として外側に向かって徐々に回転半径が大きくなるようにされ、内側端にフランジ部６を形成している。本願発明は踏面勾配を従来とは逆方向にするものであり、輪重Ｐ１、Ｐ２によって発生する重力復元力Ｆ１、Ｆ２は図示したようにレールを基準として外側へ向くこととなる。

その結果、図示したようなヨー方向の変位が発生する時、重力復元力Ｆ１、Ｆ２が台車の中心Ｏ１に対し、ヨー方向の変位をなくす方向のモーメントＭを生じる。このモーメントＭは台車をレール４に追従させる自己操舵モーメントとなる。

また、（ｂ）に示す中立位置から車輪ユニットが（ｃ）に示すように左右何れかにずれると、重心位置もＧ１からＧ２に変化する。ここで、重心位置の上下方向の移動は踏面５の形状に依存する。そして、車輪ユニットが中立位置から横方向にずれると重心位置が上方に移動するように踏面形状を決定することで、車輪ユニットが横方向にずれても、重力によって中立位置に戻る。

図２は図１に示した車輪ユニットをフレーム２０に支持した自己操舵台車の平面図であり、この実施例にあっては軸１の両端をフレーム２０の軸箱２１で支持している。

図３（ａ）は別実施例に係る車輪ユニットの平面図、（ｂ）は正面図であり、この実施例にあっては、軸１を１本にせず、中立時に共通の軸線を有する２本の軸１、１としている。このように軸を２本とすることで、台車の中央部に軸がなくなり、その分車両の床面を下げることができるので、低床式車両に好適と言える。

この実施例も前記実施例と同様にヨー方向の変位をなくす方向のモーメントＭを生じる。また、踏面５の形状を車輪ユニットが横方向にずれても、重力によって中立位置に戻るように決定している。

図４は別実施例に係る自己操舵台車の平面図であり、この実施例にあっては車輪のフランジ部６を外側端に設けている。フランジ部６を外側端に設けた場合に脱線防止ガードが必要であれば、図５に示すように曲線部においては外軌側のレールの更に外側に脱線防止ガードレール４１を設けることができる。

またフランジ部６を外側端に設けた場合には、フランジ部６の機能は前記実施例と同じであるが、切り替えポイントの構造は従来のものを採用できず図６または図７に示す構造とする。

即ち、図６に示す構造は、ポイント部には本線用のレール７と分岐線用のレール８とからなるトングレール部９を配置し、またクロッシング部には切替レール１０を配置し、分岐線を走行する場合には図６（ａ）に示すようにトングレール部９を軸Ｏ２を中心として回転させて、レール８を車輪通過位置に移動させ、また切替レール１０を軸Ｏ３を中心として回転させて、切替レール１０を車輪通過位置に移動させる。また、本線を走行する場合には図６（ｂ）に示すようにトングレール部９を軸Ｏ２を中心として回転させて、レール７を車輪通過位置に移動させ、また切替レール１０を軸Ｏ３を中心として回転させて、切替レール１０を車輪通過位置に移動させる。図６に示す構造は、外側フランジタイプに限らず内側フランジタイプにも適用できる。

また図７に示す構造は、左右のトングレール部を１本のレールで構成し、クロッシング部には外側フランジが通過できるギャップを形成し、更にクロッシング部の外側の軌道レールの更に外側にガードレールを配置している。

図８は車輪を自ら操舵することで方向変換する車上分岐の分岐部の平面図であり、（ａ）は分岐する場合、（ｂ）はそのまま直線走行する場合、（ｃ）は外側レールがフランジレールの上に乗っている状態を示す図である。この例にあっては、分岐部のレールの途切れ目の外側に沿ってフランジレールを配置し、ギャップが生じないようにしている。

図９及び図１０は外側フランジタイプ及び内側フランジタイプの何れにも適用できる分岐部の平面図である。
図９に示す分岐部にあっては、左右の軌道レールごとに１本のトングレールを配置し、このトングレールを揺動させることで分岐する構造にしている。
また図１０に示す分岐部にあっては、分岐部全体を平行移動で切り替えるようにしている。

図１１及び図１２の（ａ）は本発明に係る自己操舵台車を取り付けた車両の平面図、（ｂ）は側面図であり、図１１に示す実施例にあっては、車両１１の前後を左右１対の車輪からなる台車にて支持している。また、図１２に示す実施例にあっては、１つの台車の前後にそれぞれ左右１対の車輪を設けている。

図１３（ａ）は本発明に係る別実施例に係る鉄道車両の平面図、（ｂ）は側面図、図１４は図１３に示した車両間の継ぎ目に配置した駆動台車の平面図であり、この鉄道車両は先頭と後尾の台車には上記した自己操舵台車を用いて駆動力を与えず、車両間の連結台車１２を駆動台車としている。

そして、駆動台車１２と車両１１とを油圧シリンダ１３…で連結し、隣接車両の相対ヨー角の半分を駆動台車１２に伝え、強制操舵を行うようにしている。

上記の駆動台車１２によって強制操舵する方式は１両編成の場合は採用できない。そこで、図１５に示す構造が考えられる。図１５（ａ）は駆動輪を設けた場合の平面図、（ｂ）は曲線通過時の状態を示す平面図であり、この台車にあっては、１つの台車に踏面形状を前記同様逆勾配にした操舵輪３を備えた車輪ユニットと駆動輪１４を備えた車輪ユニットを設け、これら車輪ユニットをリンク１５を介して連結している。

（ａ）は本発明に係る車輪ユニットの平面図、（ｂ）は中立状態の正面図、（ｃ）は車輪ユニットが横方向にずれた状態を示す正面図 図１に示した車輪ユニットをフレームに支持した状態の平面図 （ａ）は別実施例に係る車輪ユニットの平面図、（ｂ）は中立状態の正面図 別実施例に係る自己操舵台車の平面図 本発明に係る車輪ユニットが走行する軌道の曲線部を示す図 （ａ）及び（ｂ）は図４に示した自己操舵台車（外側フランジ及び内側フランジ共用）に適用するポイント切替部の平面図 （ａ）及び（ｂ）は自己操舵台車（外側フランジ専用）に適用するポイント切替部の別実施例の平面図 （ａ）及び（ｂ）は外側フランジの台車に適用する車上分岐部の平面図 （ａ）及び（ｂ）は外側フランジ及び内側フランジ共用のポイント切替部の平面図 （ａ）及び（ｂ）は外側フランジ及び内側フランジ共用のポイント切替部の別実施例の平面図 （ａ）は本発明に係る自己操舵台車を取り付けた車両の平面図、（ｂ）は側面図 （ａ）は本発明に係る自己操舵台車を取り付けた車両の平面図、（ｂ）は側面図 （ａ）は本発明に係る鉄道車両の平面図、（ｂ）は側面図 図１３に示した鉄道車両間の継ぎ目に配置した駆動台車の平面図 （ａ）は駆動輪を設けた場合の平面図、（ｂ）は曲線通過時の状態を示す平面図 従来の１軸タイプの自己操舵台車の平面図 従来の独立回転車輪を備えた自己操舵台車の平面図

符号の説明

１…軸、２…スリーブ、３…車輪、４…レール、５…踏面、６…フランジ部、７…本線用のレール、８…分岐線用のレール、９…トングレール部、１０…切替レール、１１…車両、１２…駆動台車、１３…油圧シリンダ、１４…駆動輪、１５…リンク、２０…フレーム、２１…軸箱、４１…脱線防止ガードレール、Ｐ１、Ｐ２…輪重、Ｆ１、Ｆ２…重力復元力、Ｇ１、Ｇ２…重心位置、Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３…回転中心、Ｍ…ヨー方向の変位をなくす方向のモーメント。

Claims (8)

1. 車軸と車輪から構成される車輪ユニットであって、前記車軸は１本で、前記車輪は車軸の両端に互いに独立回転可能に取り付けられ、且つ各車輪のレールと接触する踏面の勾配はレールを基準として外側に向かって徐々に径が大きくなるようにされ、走行中にレールと踏面との接点に発生する横方向の重力復元力がレールを基準として外側に向かって作用することを特徴とする車輪ユニット。
2. 車軸と車輪から構成される車輪ユニットであって、前記車軸は同軸上に離間して２本配置され、各車軸に車輪が互いに独立回転可能に取り付けられ、且つ各車輪のレールと接触する踏面の勾配はレールを基準として外側に向かって徐々に径が大きくなるようにされ、走行中にレールと踏面との接点に発生する横方向の重力復元力がレールを基準として外側に向かって作用することを特徴とする車輪ユニット。
3. 請求項１または請求項２に記載の車輪ユニットにおいて、前記踏面の形状は、車輪ユニットが中立位置から横方向にずれた際に、中立位置での重心位置よりも横方向にずれた位置での重心位置の方が高くなるように設定されていることを特徴とする車輪ユニット。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の車輪ユニットにおいて、前記左右一対の車輪はレールを基準として内側にフランジ部が設けられていることを特徴とする車輪ユニット。
5. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の車輪ユニットにおいて、前記左右一対の車輪はレールを基準として外側にフランジ部が設けられていることを特徴とする車輪ユニット。
6. 請求項１乃至請求項５に記載の車輪ユニットをフレームに支持したことを特徴とする台車。
7. 請求項６に記載の台車上に車体を支持してなることを特徴とする鉄道車両。
8. 請求項７に記載の鉄道車両とレールと分岐装置とからなる鉄道システム。

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