JP5200242B2 - 自己操舵台車 - Google Patents

Description

本発明は、軸箱に車軸を回転自在に支持した車輪ユニットをボギーフレームの左右に一対設けた台車のうち、特にアクティブな動作も可能な自己操舵台車に関する。

鉄道車両を支持する台車としては、特許文献１および非特許文献１に開示されるように、ボギーフレームの左右に車輪ユニットを設けた独立回転可能な台車（以下、一輪独立回転操舵台車とも称する）と、特許文献２〜特許文献４に開示されるように、ボギーフレームに１本の軸を回転自在に支承し、この１本の軸に左右の車輪を取付けた１軸台車（輪軸台車）とがある。

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一輪独立回転操舵台車にあっては、車輪の旋回動（ヨーイング）を自由にすれば達成されるが、車輪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。

一輪独立回転操舵台車は左右の車輪が独立回転するため前記した自己操舵機能が高く、急曲線、構内或いはループ線などに対応でき、また車軸が幅方向に架設されていないため低床化に有利であり、都市部や特殊な区間における利用価値が高い。例えば、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とすることで低床を実現している。

一方、１軸台車は直線軌道の高速走行には適しているが、車輪を支持している軸が１本で水平面内で旋回しないため自己操舵機能はなく曲線通過性能には劣る。そこで、１軸台車において軸を進行方向に対して旋回可能にすることが考えられるが、図１６及び図１７に示すように、軸を水平面内で旋回可能とすると、倒立振り子のダイナミクスと等価な操舵ダイナミクスとなり、モーメントが脱線方向に作用してしまう。そこで、特許文献２〜３にあってはアクチュエータ（特許文献２では移動装置と称している）によっ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。
特開２００２−３０２０３８号公報 特開平２−３４４６５号公報 特開平３−２５８６５５公報 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および非特許文献１に開示される一輪独立回転操舵台車は、左右の車輪が独立回転する構造を基本としているため、蛇行動周波数の振動を減衰せしめる点で劣り、このため高速走行（走行安定性）には不向きとされている。また、速度を上げると限界自己操舵性が低下するため、専ら低速車両にしか適用されていない。

また、特許文献２乃至特許文献３に開示されたものにあっては、いずれも１軸台車であるため、曲線旋回能に限界があり、蛇行動臨界速度が低い。また軸を旋回可能とした結果、モーメントが脱線方向に作用してしまうため、直線軌道や定常曲線軌道を走行中でも常にアクチュエータを駆動して復元方向に強制的に戻しておかなければならないという課題がある。

特許文献１および非特許文献１に開示される一輪独立回転操舵台車に、特許文献２〜４に開示されるアクチュエータを適用しても蛇行動周波数の振動を吸収することはできないので、高速走行での走行安定性を向上させることはできない。

また、一輪独立回転操舵台車にダンパーを設ければ蛇行動周波数の振動を吸収することは可能である。しかしながら、振動吸収のためにダンパーを設けると、直線軌道と円曲線軌道との間に設けられる緩和曲線軌道を通過する際に曲線に対する車輪の追従遅れが発生する。

また、請求項１に係る発明は、上記のダンパーとアクチュエータとを直列に配置した。この構成の場合、アクチュエータは例えば緩和曲線通過時に曲率変化に応じて変位させることで追従遅れを防止するのは前記と同様であるが、それ以外の場合は、アクチュエータは剛体として機能する。尚、実際には完全な剛体とはならず剛体のように振舞うため、正確には剛体と等価に機能すると考えられる。

電磁支持部材は自動車の分野では緩衝器の１つとして提案されているが、操舵用アクチュエータとしての提案はなされていない。また、電磁支持部材の種類としては、ボールネジ機構とモータとを組み合わせた直動型の他に回動型が考えられる。いずれの電磁支持部材もダンパーとして機能する際には外力によってモータの軸が回転せしめられ、モータは発電機として機能し、発生した電力は回路の抵抗において熱として放出される。尚、発生した電力を蓄電してもよい。

本発明は、前記した自己操舵台車を少なくとも車両の前後に設けた鉄道車両を含む。また、前後の自己操舵台車とは別の台車を、前後の自己操舵台車の中間位置またはいずれか一方に寄った位置に設けることで、２階建て鉄道車両にも有効となる。勿論、通常の車両に前後の自己操舵台車とは別の台車を適用してもよい。

即ち、メンテナンスや既存車両との共用から、車体長を従来標準の２０ｍ車両とする場合には、本発明に係る自己操舵台車を車両の前後に設ければよい。一方、２階建て鉄道車両の場合には階段のデッドスペースがあるため、車体長を長くしたいとの要望があるが、車体を長くすると剛性確保のため車体重量増大につながる。このような場合に中間付近に１軸台車ユニットを配置することで剛性低下を防ぎつつ車体重量の大幅な軽量化が図れる。

２階建て車両（例えば新幹線（登録商標））には、１階フロアと２階フロアとの中間高さにプラットフォームとの出入用フロアが位置する構造のものがある。この場合には、前記出入用フロアを左右いずれかに寄った位置に設け、また連結される他の車両の１階フロアとの連結通路を前記自己操舵台車の左右の車輪間のスペースを利用して設ける。また、連結される他の車両の２階フロアとの連結通路を前記出入用フロアとは逆の左右いずれかに寄った位置に設ける。このような構造とすることで隣接する車両への移動が階段を用いることなくウォークスルータイプとなるので、高齢者や身体障害者にも極めて有利になる。

図１８は軌道の始点からの距離と軌道の曲率との関係を示すグラフ、図１９はダンパー及びアクチュエータを設けない場合の軌道の始点からの距離とアタック角（軌道の接線と車輪とのなす角）との関係を示すグラフ、図２０はダンパーのみを設けた場合の軌道の始点からの距離とアタック角との関係を示すグラフ、図２１はダンパー及びアクチュエータ（緩和曲線通過時に制御）を設けた場合の軌道の始点からの距離とアタック角との関係を示すグラフである。

図１９から明らかなように、ダンパー及びアクチュエータを設けない場合には車輪のヨーイングが振動的になっていることが分かる。また、ダンパーを設けた場合には図２０に示すように、振動的なヨーイングは解消するが緩和曲線部分において、車輪が軌道の曲率に追従していないことが分かる。更に、図２１に示すように、ダンパーとアクチュエータを設け、緩和曲線を通過する際にアクチュエータを駆動してアクティブな操舵アシストを行うことで追従遅れも解消することが確認された。

したがって、本発明に係る自己操舵台車によれば、緩和曲線に対する操舵性が向上するだけでなく、高速直線走行の安定性および定常曲線での通過性が向上する。
また、分岐装置の直前でアクティブな操舵アシストを行うことで、トングレールを用いて軌道を切り替えることなく、選択した方向に走行することができ、分岐装置の機構が簡略化されメンテナンスも容易になる。

本発明に係る自己操舵台車のうちダンパーとアクチュエータとを並列に配置した例を示す平面図 本発明に係る自己操舵台車のうちダンパーとアクチュエータとを直列に配置した例を示す平面図 本発明に係る自己操舵台車のうちダンパーとアクチュエータと一体的に組み込んだ直動型電磁支持部材を用いた例を示す平面図 直動型電磁支持部材の断面図 直動型電磁支持部材の回路図 （ａ）は回転型電磁支持部材を適用した別実施例の平面図、（ｂ）は同別実施例の側面図 回転型電磁支持部材の更なる別実施例の平面図 本発明に係る自己操舵台車を適用した鉄道車両の平面図 同自己操舵台車を適用した鉄道車両の側面図 同自己操舵台車を適用した鉄道車両の正面図 別実施例に係る鉄道車両の側面図 別実施例に係る鉄道車両の側面図 本発明に係る自己操舵台車を適用した２階建鉄道車両の連結部の側面図 同連結部の一部切欠平面図 図１４のＡ−Ａ方向矢視図 車輪に作用する重力と重力復元力の関係を示す正面図 （ａ）は車軸が旋回する前の重力復元力の方向を示す平面図、（ｂ）は車軸の旋回後の復元モーメントの方向を示す平面図 軌道の始点からの距離と軌道の曲率との関係を示すグラフ ダンパー及びアクチュエータを設けない場合の軌道の始点からの距離とアタック角との関係を示すグラフ ダンパーのみを設けた場合の軌道の始点からの距離とアタック角との関係を示すグラフ ダンパー及びアクチュエータ（緩和曲線通過時に制御）を設けた場合の軌道の始点からの距離とアタック角との関係を示すグラフ

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る自己操舵台車のうちダンパーとアクチュエータとを並列に配置した例を示す平面図である。

自己操舵台車は平面視でコ字状をなすボギーフレーム１に左右一対の車輪ユニット２，２を独立回転可能に支持している。ここで車輪ユニット２は軸箱３に回転自在に支持される軸４とこの軸４に取付けられる車輪５から構成され、前記軸箱３はボギーフレーム１に水平面内で回転自在に支持されている。

また前記車輪ユニット２，２間はステアリングリンク６にて連結されている。ステアリングリンク６は軸箱３から前方（後方）に延びる前後メンバー７，７とこれら前後メンバー７，７間にピン８を介して連結される横メンバー９からなり、横メンバー９とボギーフレーム１間にブッシュ１０を介してダンパー１１及びアクチュエータ１２が並列に連結されている。

前記ダンパー１１は、蛇行動周波数よりも低い周波数の振動に対しては当該振動を吸収するダンパー作用を発揮し、蛇行動周波数以上の振動に対しては剛体と等価に作用する。このため、振動的なヨーイングは解消する。

一方、アクチュエータ１２は油圧タイプ、電動タイプ、ラックピニオンタイプなど各種アクチュエータを用いることが可能である。予め分かっている軌道の曲率変化に応じてアクチュエータ１２を伸縮動せしめてアクティブ制御することで、車輪の軌道に対する応答遅れを防止することができる。尚、アクティブ制御を行うに当たっては、軌道曲率情報が必要であるが、この情報は振り子車両の制御などで実用化している車両位置検出システムと軌道のテーブルを用いれば容易に取得可能である。

前記アクチュエータ１２が作動している間は前記ダンパー１１はダンパーとして機能しない。また、前記アクチュエータ１２が作動していないときは、アクチュエータは力をまったく発生せずダンパーのみが機能する。

図２は本発明に係る自己操舵台車のうちダンパーとアクチュエータとを直列に配置した例を示す平面図であり、この実施例の場合は、ダンパー１１とアクチュエータ１２とが直列に連結されている。

この実施例の場合もダンパー１１は、蛇行動周波数よりも低い周波数の振動に対しては当該振動を吸収するダンパー作用を発揮し、蛇行動周波数以上の振動に対しては剛体と等価に作用する。

一方アクチュエータ１２は、予め分かっている軌道の曲率変化に応じて伸縮動することでアクティブな操舵アシストを行って車輪の軌道に対する応答遅れを防止する。また、アクチュエータ１２が作動していないときは、アクチュエータは剛体と等価に機能する。

図３は本発明に係る自己操舵台車のうちダンパーとアクチュエータと一体的に組み込んだ直動型電磁支持部材を用いた例を示す平面図、図４は同直動型電磁支持部材の断面図、図５は同直動型電磁支持部材の回路図である。

ステアリングリンク６の横メンバー９とボギーフレーム１間にブッシュ１０を介して連結された直動型電磁支持部材２０は、シリンダ２１内にピストン２２が摺動自在に挿着され、シリンダ２１内にはＤＣモータ２３、減速ギヤ２４、ボールネジ２５、ナット２６が組み込まれている。

ＤＣモータ２３を駆動することで直動型電磁支持部材２０はアクチュエータとして機能する。即ち、ＤＣモータ２３を駆動しボールネジ２５を回転させ、このボールネジ２５と螺合するナット２６を螺進させることで支持部材全体が伸縮動し、これによってステアリングリンク６を介して車輪５が操舵される。この操舵は直動型電磁支持部材２０が有するアクティブ機能であり、このアクティブ機能は前記したように例えば直線から緩和曲線を経て定常曲線にいたる過程での自己操舵動作の応答遅れを解消する。

またＤＣモータ２３の軸を外力よって回転せしめることによって直動型電磁支持部材２０はダンパーとして機能する。即ち、ＤＣモータ２３に通電していないときに、直動型電磁支持部材２０に軸方向の外力が作用すると当該外力に応じてピストン２２が軸方向に移動し、この移動によりナット２６を介してボールネジ２５が回転せしめられ、このボールネジ２５と連結しているＤＣモータ２３の軸が回転し、モータ２３は発電する。この抵抗によってダンパー機能を発揮する。尚、発生した電力は回路の抵抗Ｒの部分で発熱に変えられる。

尚、前記回路の抵抗Ｒの代わりに、例えばソレノイドに生じる電圧が所定値に至るとソレノイドに流れる電流を所定の一定値に制御するような電流制限素子を備えた電流制限回路を設けることで、電磁支持部材のダンパーとしての減衰力特性を任意に調整することができる。

図６（ａ）は回転型の電磁支持部材２７を適用した別実施例の平面図、（ｂ）は（ａ）に示した別実施例の側面図であり、この実施例にあっては一方の車輪ユニット２の上方に回転型の電磁支持部材２７を配置し、前記同様、ステアリングリンク６を介して車輪ユニット２を操舵する。

図７は回転型電磁支持部材の更なる別実施例の平面図であり、この実施例にあってはステアリングリンク６を構成する前後メンバー７の軸箱３との連結点（車輪ユニットの水平回転中心）から車輪５の軸線を台車進行方向を基準として後方にオフセットしている。このようにオフセットすることで走行安定性が向上する。

尚、メカニカルなステアリングリンク６を用いる代わりに、回転型の電磁支持部材２７を両方の車輪ユニット２の上方に配置し、左右の回転型の電磁支持部材２７を電気的に連動せしめることで、前後メンバー７及び横メンバー９を省略することも可能である。

図８は本発明に係る自己操舵台車を適用した鉄道車両の平面図、図９は同自己操舵台車を適用した鉄道車両の側面図、図１０は同自己操舵台車を適用した鉄道車両の正面図であり、この鉄道車両にあっては車両３０の前後に自己操舵台車を配置している。

この車両３０にあっては、車体のブラケット３１に自己操舵台車のボギーフレーム１を連結し、このボギーフレーム１と車体との間に左右方向の振動を吸収するダンパー３２，３２および上下方向の振動を吸収するダンパー３３，３３を配置している。
また、ボギーフレーム１と車体のブラケット３１との間には牽引リンク３４を設け、ボギーフレーム１のヨーを固定している。

図１１及び図１２は別実施例に係る鉄道車両の側面図であり、図１１に示す鉄道車両にあっては、別の自己操舵台車を車両３０の前後方向の中間位置に配置している。このように、３台の台車を用いることで、２階建車両などに適用しても十分に荷重に耐えることができる。尚、この場合中央の自己操舵台車にはアクティブ・ステアリング・ダンパーを付加しなくてもよい。

中間台車の位置としては、前後の台車間の中心が好ましい。この位置にすることで、車輪操舵の必要がなく、複雑な操舵機構を省略できる。ただし左右方向には自在に動けるようにしなければならず、このような変位機構の例としてリニアスライドによる台車支持や、リンク機構を用いた台車支持で容易に実現可能である。このように、中間台車は原則として左右に自在に変位可能な構造であるが、車両の更なる振動特性、走行安定性向上を図るため、左右変位に対してパッシブダンパや本発明のアクティブ機構を組み込むことも可能である。

また、中間台車の位置は必ずしも車体中心である必要はなく、車体の重量バランス、軸重バランス、さらには床下機器配置の自由度向上を図るという目的から、中心よりずらした配置も可能である。ただし、この場合、左右の変位機構と連携したヨーイング機構を付加する対処、例えば、円弧状ガイドスライドや非対称リンク機構が必要である。

図１３は本発明に係る自己操舵台車を適用した２階建鉄道車両の連結部の側面図、図１４は同連結部の平面図、図１５は図１３のＡ−Ａ方向矢視図であり、この実施例にあっては、連結される２階建車両１００，１００の１階フロア１０１と２階フロア１０２との中間高さにプラットフォームとの出入用フロア１０３と出入用ドア１０４が設けられている。

前記出入用フロア１０３は左右いずれかに寄った位置、即ち車両の幅の略半分程度の幅とされ、この出入用フロア１０３から１階フロア１０１への階段１０５と２階フロア１０２への階段１０６が設けられている。

一方、車両１００，１００の連結部には１階通路１０７と２階通路１０８が設けられている。１階通路１０７は自己操舵台車の車輪５，５間のスペースを利用することで、階段などの段差なく車両１００，１００の１階フロア１０１をつなげることができる。

即ち、従来の２階建車両は、ホームの高さが１ｍ程度あるため、台車上方に１階の床面がくるようにすると、１階の床面では隣の車両への移動に階段を強いられるが、本発明の如く構成することで階段を上り下りする必要がなくなり、２階建車両の構成方法が改善される。また、車両毎に設ける前後の出入用ドア１０４の箇所を平面視で点対象、例えば前方の出入用ドア１０４を右側とした場合には後方の出入用ドア１０４を左側とすることで、レイアウト上有利となる。

また、２階通路１０８は出入用フロア１０３との干渉を避けるため、出入用フロア１０３と反対側の２階フロア１０２を残し、この部分に通路を確保するために、二連座席の一方の座席を省き、この部分を通路としている。

このように、１階通路１０７および２階通路１０８に階段などを設けないことで、簡単に車両の移動が可能になり、またキャスター付きの旅行バッグや販売車なども通過することができる。
尚、図示例では本発明に係る自己操舵台車を適用した２階建鉄道車両として説明したが、台車の構造と切り離して、図１３〜図１５に示す構造とすることで、接続車両への移動を階段などの障害物無くして、ウォークスルー効果を発揮する。

Claims (4)

1. 軸箱に車輪の軸を回転自在に支持してなる車輪ユニットと、左右一対となる前記車輪ユニットを水平回転可能に備えたボギーフレームと、前記車輪ユニットを操舵すべく前記左右一対の車輪ユニットのそれぞれに連結される左右一対の前後メンバーとこれら前後メンバー間を連結する横メンバーとからなるステアリングリンクと、前記横メンバーと前記ボギーフレームとの間に設けられる振動吸収用のダンパーと、車輪の曲線に対する追従遅れを解消すべく前記ダンパーと直列に配置され且つ作動しない時は剛体と等価に機能する操舵アシスト用アクチュエータとを備えたことを特徴とする自己操舵台車。
2. 請求項１に記載の自己操舵台車において、前記車輪の軸線と車輪ユニットの水平回転中心とは台車の進行方向を基準としてオフセットされていることを特徴とする自己操舵台車。
3. 請求項１または請求項２に記載の自己操舵台車において、前記振動吸収用ダンパーは、蛇行動周波数よりも低い周波数の振動に対してのみダンパー作用を発揮し、蛇行動周波数の振動に対しては剛体と等価に作用することを特徴とする自己操舵台車。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の自己操舵台車において、前記操舵アシスト用アクチュエータは直線軌道と円軌道との間の緩和曲線軌道の直前で作動させることを特徴とする自己操舵台車。