JP5311414B2

JP5311414B2 - 自己操舵台車

Info

Publication number: JP5311414B2
Application number: JP2009525405A
Authority: JP
Inventors: 義大須田; 文軍王
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2007-07-30
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2028-07-29
Also published as: JPWO2009017114A1; EP2184214B1; WO2009017114A1; EP2184214A4; EP2184214A1

Description

本発明は、鉄道車両を支持する台車のうち、特にＬＲＴ（Light Rail Transit）車両用の台車など急曲線通過性能に優れた自己操舵台車に関する。

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）を設けた一輪独立回転台車が優れる。このような一輪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には一輪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。

また特許文献３には、２つの台車枠を揺動自在に連結して１つの台車とする提案がなされている。この台車は前側台車と後側台車をピンで連結し、それぞれの台車に１本の軸に左右の車輪を取り付けた車輪ユニットを設けている。

特開２００２−３０２０３８号公報ＷＯ２００６／０７５７５６特開平２−２９３２５３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１，２及び非特許文献１に開示される台車は、いずれも駆動輪と操舵輪との関係については明確にしていない。特に、路面車両など極端に曲率半径が小さい路線をスムーズに走行するには、駆動輪と操舵輪とができるだけ近接していることが好ましいと考えられるが、その点の開示がない。

特許文献３は１本の軸に左右の車輪を取り付けた１軸台車を前提とする台車であり、曲線通過性能において限界があり、路面車両など極端に曲率半径が小さくなるＬＲＴなどの路線には不向きである。

上記の課題を解決するため本発明に係る自己操舵台車は、１つの台車をメインフレームとサブフレームで構成し、前記メインフレームには左右の駆動輪が回転自在に支持され、前記サブフレームは前記メインフレームに基端部がヨーイング方向で揺動自在に支持される左右の揺動アームとこれらアームを連結するリンクからなり、前記左右の揺動アームには自己操舵機能を有する独立回転可能な操舵車輪を設けた。

前記サブフレームはメインフレームの前後の一方に設けてもよいが、安定性を考慮すると前後のそれぞれ設けることが好ましい。そしてメインフレームの前後にサブフレームを設けた場合には、前後のサブフレームに取り付けられた操舵車輪が逆位相となるように前後のサブフレームをリンク機構で連結することで、安定性が向上し、小さな曲率半径への対応性が高まる。

メインフレームの１辺とサブフレームとで形成するリンクの形状としては、サブフレームを構成する連結リンクの長さを左右の揺動アームの基端部間の長さと等しくした平行四辺形リンクが基本であるが、連結リンクの長さを左右の揺動アームの基端部間の長さよりも長くすることで、旋回中に外側の車輪よりも内側の車輪の方が回転半径を小さくすることができる。即ち、アッカーマンステアリング機構を形成することも可能である。アッカーマンステアリング機構は極端に曲率半径が小さなカーブに好適な構造である。

また、前記メインフレームとサブフレームとの間にはサブフレームの揺動に減衰を与えるダンパ、或いはサブフレームの揺動をアクティブ制御する機能を兼持する電磁ダンパが設けることも可能である。

本発明によれば、１つの台車に駆動輪と操舵輪を設け、操舵輪については駆動輪を取り付けたメインフレームに対して揺動可能なサブフレームに取り付けたため、曲線通過性能に優れた自己操舵台車を得ることができる。
特に、駆動輪を含めて全ての車輪を一輪独立タイプとすれば、車両の幅方向に１本の車軸が架設されないので、低床式車両にも好適である。

本発明に係る自己操舵台車の平面図図１に示した自己操舵台車の曲線通過時の動きを説明した平面図別実施例に係る自己操舵台車の平面図図３に示した自己操舵台車の曲線通過時の動きを説明した平面図（ａ）及び（ｂ）は別実施例に係る自己操舵台車の平面図別実施例に係る自己操舵台車の平面図（ａ）及び（ｂ）は別実施例に係る自己操舵台車の平面図別実施例に係る自己操舵台車の平面図別実施例に係る自己操舵台車の平面図別実施例に係る自己操舵台車の平面図別実施例に係る自己操舵台車の平面図（ａ）〜（ｃ）は鉄道車両への適用例を示す拡大側面図（ａ）〜（ｄ）は鉄道車両への適用例を示す側面図

符号の説明

１…メインフレーム、２…サブフレーム、３…駆動輪、４…軸、５…軸箱、６…揺動アーム、７…連結リンク、８…操舵輪、９…軸、１０…軸箱、１１…直動式ダンパ、１２…回転式ダンパ、１３，１４…リンク機構、１５…ボルスタレス空気バネ、１６…モノリンク、１７…ウィングバネ、１８…ガイド部材、Ｌ１…駆動輪と揺動アームの基端部との間隔、Ｌ２…操舵輪と揺動アームの基端部との間隔、Ｒ１…外側レール、Ｒ２…内側レール。

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は本発明に係る自己操舵台車の平面図、図２は図１に示した自己操舵台車の曲線通過時の動きを説明した平面図である。

本発明に係る自己操舵台車は平面視で矩形枠状をなすメインフレーム１と、走行方向を基準としてメインフレーム１の前後に設けられるサブフレーム２によって基本骨格が形成される。

前記メインフレーム１には左右の駆動輪３，３の軸４，４が軸箱５，５を介して回転自在に支持されている。左右の駆動輪３，３には直列モータや差動歯車などを用いることで、同じ駆動トルクを加える。
また、駆動輪３，３の踏面形状としては、図示したような独立車輪の場合、或いは後述するフランジなし車輪の場合には円筒踏面とし、軸付一体車輪の場合には円錐または円弧踏面とするのが好ましい。

前記サブフレーム２は前記メインフレーム１に基端部が水平面内で枢支される左右の揺動アーム６，６とこれら揺動アーム６，６の先端部間を連結してリンクを構成する連結リンク７からなる。ここで、連結リンク７の長さは揺動アーム６，６の基端部間の長さと等しくされ、サブフレーム２とメインフレーム１との間で平行四辺形リンクが形成される。

前記揺動アーム６，６のそれぞれに操舵輪８の軸９が軸箱１０を介して回転自在に支持されている。そして、駆動輪３（軸４の中心）と揺動アーム６の基端部（ジョイント部）との間隔Ｌ１と操舵輪８（軸９の中心）と揺動アーム６の基端部との間隔Ｌ２とを等しく設定している。

以上において、車両が曲線線路を通過する際には、図２に示すように、線路のカーブに沿って揺動アーム６が揺動し、操舵輪８に操舵角が生じ、実質的にアタックアングルなしでスムーズに旋回できる。

また、平行四辺形リンクにおいて、間隔Ｌ１＝間隔Ｌ２としたことで、駆動輪３および操舵輪７が同じ円弧上に乗ることになる。この設定は外側レールＲ１と内側レールＲ２の曲率半径が同一視できるような、比較的緩いカーブに好適する。

図３は別実施例に係る自己操舵台車の平面図、図４は図３に示した自己操舵台車の曲線通過時の動きを説明した平面図である。この実施例にあっては、連結リンク７の長さを揺動アーム６，６の基端部間の長さよりも長く設定し、サブフレーム２とメインフレーム１との間で台形リンク、即ちアッカーマンステアリング機構を形成している。

アッカーマンステアリング機構は図４に示すように、旋回中に外側の車輪よりも内側の車輪の方が回転半径が小さくなる機構であり、極端に曲率半径が小さなカーブの場合には外側レールＲ１と内側レールＲ２の曲率半径に大きな差がでるため好適な構造である。

図５（ａ）及び（ｂ）は別実施例に係る自己操舵台車の平面図であり、この別実施例にあっては、メインフレーム１の前後に連結したサブフレーム２の構造として、アッカーマンステアリングリンクを採用しているが、メインフレーム１には駆動輪を設けていない。

図６は別実施例に係る自己操舵台車の平面図であり、この別実施例にあっては、メインフレーム１とサブフレーム２との間に、サブフレーム２の揺動に減衰を与えるダンパを設けている。ダンパとしては油圧式、エア式などの減衰力を発揮する通常のダンパの他に、直動式電磁ダンパ１１または回転式電磁ダンパ１２も考えられる。このように電磁ダンパを適用することで、単にサブフレーム２の揺動に減衰を与えて動作を安定化させるだけでなく、路線のカーブに併せてサブフレームの揺動をアクティブ制御することも可能である。

図７（ａ）及び（ｂ）は別実施例に係る自己操舵台車の平面図であり、図７（ａ）に示す実施例にあっては、前方のサブフレーム２の左側揺動アーム６の前端と、後方のサブフレーム２の右側揺動アーム６の後端とをリンク機構１３で連結し、前方のサブフレーム２の操舵輪８と後方のサブフレーム２の操舵輪８とが逆位相となるようにしている。同様に図７（ｂ）においては、前方のサブフレーム２の左側揺動アーム６をＬ字状とし、後方のサブフレーム２の右側揺動アーム６をＬ字状とし、これらＬ字状アーム間をリンク機構１４で連結し、逆位相となるようにしている。このように前方と後方の操舵輪を逆位相とすることで、極端に曲率半径が小さなカーブもスムーズに走行することが可能になる。

図８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、メインフレーム１の前方または後方のいずれか一方のみにサブフレーム２を設けている。車両の長さが短く、サブフレームを１つしか連結できない場合や一方向運転に有効である。

図９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メインフレーム１に取り付ける軸４を１本とし、この軸４の両端に駆動輪３，３を取り付けている。この構造とした場合には低床式には不利であるが、駆動力の伝達機構は簡略化できる。

図１０（ａ）〜（ｄ）は別実施例に係る自己操舵台車の平面図であり、（ａ）に示す実施例にあっては駆動輪３に脱線を防ぐためのフランジを設けていない。これは前後の操舵輪がフランジを備えているため、駆動輪にフランジを設けなくても足りるからである。
（ｂ）〜（ｄ）に示す実施例では駆動輪３をゴム製若しくは表面にゴム層を形成した構造としている。このうち（ｂ）に示すタイプでは、レール上にゴム製の駆動輪３が乗ることで、レールとの間の摩擦力で走行するようにしている。このようにレールと駆動輪３が接触する場合でも、駆動輪３をゴム製とすることでレールにかかる負担が大幅に軽減され、且つ駆動力を増すことができる。
（ｃ）に示すタイプは、ゴム製の駆動輪３をメインフレーム１の幅方向の中間部に１つ配置するようにしている。このタイプではレールではなく路面との摩擦で走行するため、外側レールと内側レールの間はアスファルト或いはコンクリートを打って平坦にする必要がある。このタイプではレールは操向用としてのみ機能するので、磨耗などは少なくメンテナンスが極めて楽になる。
（ｄ）に示すタイプは、ゴム製の駆動輪３をメインフレーム１の外側に配置したものであり、このタイプの台車では、前記同様レールにかかる負荷が少なくなり且つ左右に駆動輪３が張り出しているため、直線、曲線に拘らず走行安定性が向上する。特にゲージが狭い場合に有効である。

図１１（ａ）〜（ｃ）は鉄道車両への適用例を示す拡大側面図であり、（ａ）及び（ｂ）に示すタイプでは、車両と自己操舵台車の間にはボルスタレス空気バネ１５が配置され、また軸箱の支持方法としては、モノリンク１６、ウィングバネ１７、或いはガイド部材１８などを用いる。また、（ｃ）に示すように、駆動輪を最も大径とし、操舵輪を小径とし、しかも前後の操舵輪の径を異ならせるようにしてもよい。
これらの図に示すように、駆動輪の荷重分担率を大きくすることにより駆動輪の駆動力を増大することができる。

図１２（ａ）〜（ｄ）は鉄道車両への適用例を示す側面図であり、（ａ）に示すタイプにあっては、１つの車両の前後に本発明に係る自己操舵台車を適用し、（ｂ）に示すタイプにあっては、２つの車両の連結箇所に本発明に係る自己操舵台車を適用し、（ｃ）に示すタイプにあっては、３連の車両の個々の車両に本発明に係る自己操舵台車を適用し、（ｄ）に示すタイプにあっては、３連の車両のうち中間の車両を除いた両脇の車両に本発明に係る自己操舵台車を適用している。

Claims

鉄道車両を支持する台車であって、この台車は平面視で矩形枠状をなすメインフレームとサブフレームを有し、前記メインフレームには左右の駆動輪が回転自在に支持され、前記サブフレームは矩形状をなす前記メインフレームの角部に基端部がヨーイング方向で揺動自在に支持される左右の揺動アームとこれらアームを連結するリンクからなり、前記左右の揺動アームには自己操舵機能を有する独立回転可能な操舵車輪を設け、前記駆動輪の軸の中心と揺動アームの基端部との間隔（Ｌ１）と、前記操舵車輪の軸の中心と前記揺動アームの基端部との間隔（Ｌ２）とが等しく設定されていることを特徴とする自己操舵台車。
請求項１に記載の自己操舵台車において、前記サブフレームはメインフレームの前後にそれぞれ設けられることを特徴とする自己操舵台車。
請求項２に記載の自己操舵台車において、前記前後のサブフレームに取り付けられた操舵車輪が逆位相となるように前後のサブフレームをリンク機構で連結したことを特徴とする自己操舵台車。
請求項１に記載の自己操舵台車において、前記サブフレームを構成する連結リンクの長さを左右の揺動アームの基端部間の長さと等しくすることで平行四辺形リンクを形成することを特徴とする自己操舵台車。
請求項１に記載の自己操舵台車において、前記サブフレームを構成する連結リンクの長さを左右の揺動アームの基端部間の長さよりも長くすることで、アッカーマンステアリング機構を形成することを特徴とする自己操舵台車。
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の自己操舵台車において、前記メインフレームとサブフレームとの間にはサブフレームの揺動に減衰を与えるダンパ、或いはサブフレームの揺動をアクティブ制御する機能を兼持する電磁ダンパが設けられていることを特徴とする自己操舵台車。