JP5724711B2 - 鉄道車両用操舵台車 - Google Patents

Description

本発明は、台車枠と操舵する輪軸（以下、操舵軸という。）間の車両進行方向における前後（以下、単に前後方向という。）の結合が、操舵軸の両側部を支持する軸箱と、台車及び車両相当部を、てことリンクで結合する操舵装置のみで行われている鉄道車両用操舵台車に関するものである。特に、このような操舵台車において、操舵装置が破断した場合に備えたストッパ機構に特徴を有するものである。

鉄道車両用操舵台車では、曲線通過時に操舵装置によって操舵軸が車両進行方向の前後に動作する。しかしながら、操舵装置が何らかの異常によって破断した場合、台車枠と輪軸間の前記前後方向の支持剛性が極端に低下する。そこで、操舵装置が破断しても、台車枠と操舵軸の分離を防止する必要があり、従来から、種々の構造の操舵台車が開示されている。

例えば、特許文献１には、操舵装置と並列に軸箱前後支持装置を配置した台車が開示されている。このような台車では、操舵装置が破断した場合は、軸箱前後支持装置によって台車枠と操舵軸の相対位置関係を保持することができる。

しかしながら、特許文献１で開示された台車の場合、操舵装置が正常に作用している場合は、曲線通過時、操舵装置によって操舵軸が前後方向に大きく動かされるので、軸箱前後支持装置は大きな動作範囲を有する機構にする必要がある。

また、特許文献２には、操舵装置と軸箱前後支持装置を一体若しくは並列に配置した台車が開示されている。このような台車では、操舵装置が破断した場合においても、台車枠と操舵軸の相対位置関係を保持することができる。

しかしながら、特許文献２で開示された台車の場合も、操舵装置が正常に作用している場合は、曲線通過時、操舵装置によって操舵軸が前後方向に大きく動かされるので、特許文献１と同様の課題を有している。

特開２００２−２１１３９４号公報 特開平８−２８２４８８号公報

本発明が解決しようとする課題は、従来の操舵台車は、曲線通過時、操舵装置によって操舵軸が前後方向に大きく動かされるので、軸箱前後支持装置は大きな動作範囲を有する機構にする必要があるという点である。

本発明は、操舵装置が正常に動作している間は、操舵軸の前後方向の支持を操舵装置のみで行い、操舵装置が破断した場合は、最大操舵時の前後移動範囲の外側に設けたストッパで台車枠と操舵軸の分離を防止し、かつ影響を最小限に抑制しつつ車体を支持し続けることを目的としている。

すなわち、本発明の鉄道車両用操舵台車は、
操舵軸を回転自在に支持する各軸箱の前後方向の支持を、台車部に回転自在に連結される操舵てこに対して軸箱部に回転自在に連結される操舵リンクと車体部に回転自在に連結される連結リンクをそれぞれ回転自在に連結した操舵装置で行うようにした操舵軸の軸箱支持装置を備えた鉄道車両用操舵台車の場合は、
軸箱の前後移動が最小曲線を通過する際の最大操舵時の前後移動範囲を超えたときに、操舵軸を支持する軸箱部が当接するストッパを、台車部における軸距が伸びる側と縮まる側の両方に設置したことを最も主要な特徴としている。

また、
操舵軸を回転自在に支持する軸箱のうち、車両幅方向の同じ側の前後に配置された軸箱の、前後方向の支持を、台車部に回転自在に連結される操舵てこに対して各軸箱部に回転自在に連結される操舵リンクと車体部に回転自在に連結される連結リンクをそれぞれ回転自在に連結した操舵装置で行うようにした操舵軸の軸箱支持装置を備えた鉄道車両用操舵台車の場合は、
前記軸箱部の台車部に対する前後移動量が、最小曲線を通過する際の最大操舵時の前後移動量より多く前後移動しないように、台車部の軸距が伸びる側と縮まる側の両方に、軸箱部と当接するストッパを設置したことを最も主要な特徴としている。

本発明の操舵台車は、操舵装置が破断した場合も、軸箱の前後方向の移動はストッパにより拘束されるので、操舵装置の破断の影響を最小限に抑制しつつ車体を支持し続けることができる。

本発明によれば、操舵軸の前後方向の支持を操舵装置のみで行っている操舵台車における操舵装置が破断した場合でも、台車枠と操舵軸の分離を防止して、車輪とレールのアタック角を通常台車の曲線通過時のアタック角並みに抑制でき、操舵装置破断時の安全性を高めることができる。

第１の本発明の操舵台車の概略構成を車両の上方から見た図で、（ａ）は直線路走行時、（ｂ）は最小曲線路走行時、（ｃ）は最小曲線路走行時の軸箱とストッパ部の拡大図である。 図１と同様の図で、（ａ）は直線路走行中に操舵装置が破断した時の図、（ｂ）は最小曲線路走行時の図である。 第２の本発明の操舵台車の概略構成を車両の上方から見た図である。 頂上ばね式の軸箱支持装置を説明する図で、（ａ）は非操舵時、（ｂ）は操舵時の状態を示した図である。 本発明の操舵台車に設置するストッパ部の具体例を示した図である。 従来の操舵台車の概略構成を車両の上方から見た図である。

本発明では、操舵軸の前後方向の支持を操舵装置のみで行っている操舵台車における操舵装置が破断した場合でも、台車枠と操舵軸の分離を防止し、かつ影響を最小限に抑制しつつ車体を支持し続けるという目的を、最大操舵時の前後移動範囲の外側にストッパを設けることで実現した。

以下、本発明の着想から課題解決に至る経過を説明した後、本発明の実施例を、図１〜図５を用いて説明する。

従来の操舵台車１は、例えば図６に示すように、操舵軸２を操舵する操舵装置３と、操舵軸２の両端部を回転自在に支持する軸箱４の前後方向の移動を支持する軸箱前後支持装置（前後支持ばね）５を並列に設けていた。従って、操舵装置３による操舵軸２の操舵時に、軸箱前後支持装置５を同時に移動させる状況になっていた。なお、図６中の６は台車枠、７は車体相当のヨーイング動作をするボルスタを示す。

そのため、操舵装置３の操舵リンク３ａには、操舵軸２を操舵するための強度だけでなく、並列に設置されている軸箱前後支持装置５を大きく前後に動かす際に生じる反力に対しても耐えることができる十分な強度を有する必要があった。

また、軸箱前後支持装置５は、曲線走行中に操舵軸２が操舵されるたびに操舵装置３の動きに追従して大きな変形を伴うため、前後方向に大きな許容変位をもち、かつ大変位に対する耐久性が必要であった。

そこで、本発明は、操舵装置３の動作範囲内での軸箱４の進行方向前後の支持剛性を極力小さくすると共に、操舵装置３の動作範囲の外側に、軸箱４との隙間を適切に設定したストッパ１２を設けることで、前記の従来の操舵台車にあった問題点を解決することとした。

すなわち、本発明の操舵台車１１は、操舵装置３の動作範囲内での軸箱４の前後方向の支持剛性を極力小さくするために、図１〜図３に示すように、台車枠６に対する軸箱４の前後支持を行う軸箱前後支持装置を別途設置しないこととしている。

加えて、本発明では、操舵装置３の動作範囲の外側に、軸箱４との隙間量を適切に設定したストッパ１２を設けるが、操舵装置３の設置態様により、ストッパ１２と軸箱４との最適隙間量が相違する。

以下、これらについて図１〜図３を用いて説明する。
（第１の発明：図１及び図２参照）
第１の発明は、操舵する操舵軸２の各軸箱４の前後方向の支持を、台車枠６に回転自在に連結された操舵てこ３ｂに対して、軸箱４に回転自在に連結された操舵リンク３ａとボルスタ７に回転自在に連結された連結リンク３ｃを、それぞれ回転自在に連結した操舵装置３で行うようにする。

そして、操舵軸２の軸箱４が、最小曲線路を通過する際の前後移動量よりもわずかに大きい前後動が生じた場合に、軸箱４又は軸箱４に付属する部品が台車枠６に設置したストッパ１２に当接するようにしたものである。つまり、最小曲線路の通過時には軸箱４とストッパ１２が当接しないようにする。

ストッパ１２は、台車枠６と操舵軸２の分離防止の観点からは、軸距が伸びる側に設置すればよいが、操舵装置３が破断した場合、軸距が縮む側に操舵軸２が動くことも考えられるため、軸距が伸びる側と縮む側の両方に設けることが望ましい。

そして、最小曲線路の通過時における軸箱４とストッパ１２の隙間量Ｙは、最小曲線通過時における操舵軸２の軸箱４の前後移動量をＸ（図１（ｃ）参照）とすると、Ｙ＜Ｘとなる範囲で極力小さい値になるように設定する。

なぜなら、Ｙ＜Ｘであれば、操舵装置３が破断して軸箱４がストッパ１２に当接した場合でも、台車枠６と操舵軸２の間のヨーイング角α1（＝（Ｘ＋Ｙ）／２Ａ rad）を、最大操舵時のヨーイング角α2（＝Ｘ／Ａ rad）よりも小さく抑制できるからである（図１（ｃ）参照）。なお、２Ａは車幅方向のストッパ１２間の中心距離である（図２参照）。

この図１及び図２に示す操舵台車１１の操舵装置３が破断して軸箱４がストッパ１２に当接した状態になった場合の、車輪とレールのアタック角を下記表１に示す。下記表１には操舵を行わない通常台車の場合の車輪とレールのアタック角も併せて示す。

ところで、特許第３４４８４４５号には、曲線通過時の車輪とレールのアタック角がゼロになるときの操舵角は、軸距の半分をａ、曲線半径をＲとした場合、sin⁻¹（ａ／Ｒ）と記載されている。そして、車幅方向のストッパ１２間の中心距離を２Ａ、操舵リンク間隔を２Ａ’、かつＸ，Ｙの大きさに対し、２Ａ≒２Ａ’とみなせる場合（図２参照）、ａ／Ｒ＝Ｘ／Ａとなる。

また、通常台車の場合は、車輪とレールのアタック角は、軸距の半分をａ、曲線半径をＲとした場合、ａ／Ｒとなる。なお、鉄道総研報告RTRI Report vol.15,No4,2001.4 P15〜20では、車輪とレールのアタック角は、ａ／Ｒにスラックやフランジ遊間等を考慮した補正係数を加えている。

表１より、最小曲線路の通過時における軸箱４とストッパ１２の隙間量Ｙを、操舵軸２の軸箱４の車両進行方向の前後移動量Ｘ以下に設定すれば、操舵装置３が破断しても車輪とレールのアタック角を通常台車の最小曲線路を通過する時のアタック角以下に抑制できることが分かる。

（第２の発明：図３参照）
第２の発明は、操舵軸２を回転自在に支持する軸箱４のうち、車両幅方向の同じ側の前後に配置された軸箱４の前後支持を、前記操舵てこ３ｂに対して、前記操舵リンク３ａと前記連結リンク３ｃを、それぞれ回転自在に連結した操舵装置３で行うようにしたものである。

すなわち、前記第１の発明では、操舵軸２のそれぞれの軸箱４に操舵装置３を設置しているが、図３に示すような、車両幅方向の同じ側の前後に配置された軸箱４を一つの操舵装置３で操舵する操舵台車１１では、操舵装置３を構成する操舵てこ３ｂが破断した場合、破断によって２本の操舵軸２が移動して移動量が２倍になる。

この図３に示すような操舵装置３を備えた操舵台車１１の操舵装置３が破断して軸箱４がストッパ１２に当接した状態になった場合の、車輪とレールのアタック角を下記表２に示す。下記表２には表１と同様、通常台車の場合の車輪とレールのアタック角も併せて示す。

表２より、図３に示すような操舵装置３を備えた第２の発明の場合は、前記隙間量Ｙが可能な限り０になるように構成することで、操舵装置３が破断しても車輪とレールのアタック角を通常台車の最小曲線路を通過する時のアタック角並に抑制できることが分かる。

上記構成の第１及び第２の発明では、操舵装置３が破断した時にも台車枠６と輪軸２の分離を防止できて、車輪とレールのアタック角を通常台車並みに抑制することができて、操舵装置が破断した時の安全性を高めることができる。

上記構成の第１及び第２の発明では、操舵時、操舵リンク３ａを前後に動作させる間に台車枠６側から動作反力を受けないようにして軸箱４の前後方向の支持剛性を極力小さくするため、図４に示すような、軸箱４の上部に軸ばね１３を配置した頂上ばね式の軸箱支持装置を採用することが望ましい。この頂上ばね式の軸箱支持装置を採用した場合は、軸箱４の前後支持から受ける外力が無くなるので、操舵装置３の軽量化が可能になる。

ところで、頂上ばね式の軸箱支持装置を採用した場合は、操舵時には軸箱４が傾斜する（図４（ｂ）参照）。従って、頂上ばね式の軸箱支持装置を採用する場合は、ストッパ１２の軸箱４側の面に、当該面が最大操舵時に垂直になるような傾斜を予め設けておけば、積載による軸ばねのたわみが生じた場合においても、より確実にストッパ１２の間隔を維持することができる。

本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

図１〜図３ではストッパ１２の具体的な設置態様についての説明を省略したが、例えば図５に示すように、軸ばね座１４の車両進行方向前後にストッパ１２を立設し、操舵装置の破断時には、このストッパ１２が台車枠６に形成したばね帽部６ａに当たるようにすれば良い。

また、上記では、操舵装置３に作用する荷重の抑制を図るためには、頂上ばね式の軸箱支持装置を用いることが望ましい旨を記載しているが、本発明は、頂上ばね式の軸箱支持装置に限らず、ウイング式の軸ばね支持装置を備えた操舵台車に対して適用可能である。

また、本発明で適用する操舵台車の操舵方式は、アクティブ強制操舵方式、半強制操舵方式の何れの方式にも適用可能である。なお、アクティブ強制操舵方式とは、空圧、油圧或いは電動方式のアクチュエータを使用し、外部からエネルギーを投入して制御しながら能動的に輪軸を操舵する方式である。一方、半強制操舵方式とは、車体・台車・輪軸をリンクなどの機械的機構で繋いで、曲線通過時に車体・台車間に発生するボギー変位を駆動力とする方式である。

２ 操舵軸
３ 操舵装置
３ａ 操舵リンク
３ｂ 操舵てこ
３ｃ 連結リンク
４ 軸箱
６ 台車枠
７ ボルスタ
１１ 操舵台車
１２ ストッパ

Claims (4)

1. 操舵軸を回転自在に支持する各軸箱の車両進行方向における前後支持を、台車部に回転自在に連結される操舵てこに対して軸箱部に回転自在に連結される操舵リンクと車体部に回転自在に連結される連結リンクをそれぞれ回転自在に連結した操舵装置で行うようにした操舵軸の軸箱支持装置を備えた鉄道車両用操舵台車において、
   操舵軸の前記軸箱支持装置を、軸箱の上部に軸ばねを配置した頂上ばね式とし、
   軸箱の前後移動が最小曲線を通過する際の最大操舵時の前後移動範囲を超えたときに、操舵軸の軸箱部が当接するストッパを、台車部における軸距が伸びる側と縮まる側の両方に設置するとともに、
   最大操舵時、ストッパの軸箱との当接面が垂直になるように、ストッパの軸箱との当接面を予め傾斜させたことを特徴とする鉄道車両用操舵台車。
2. 前記ストッパは、前記軸箱の前後移動の最大範囲からの距離がゼロよりも大きく、軸箱の最大前後移動量よりも小さい範囲に設置したことを特徴とする請求項１に記載の操舵台車。
3. 操舵軸を回転自在に支持する軸箱のうち、車両幅方向の同じ側の車両進行方向前後に配置された軸箱の、車両進行方向における前後支持を、台車部に回転自在に連結される操舵てこに対して各軸箱部に回転自在に連結される操舵リンクと車体部に回転自在に連結される連結リンクをそれぞれ回転自在に連結した操舵装置で行うようにした操舵軸の軸箱支持装置を備えた鉄道車両用操舵台車において、
   操舵軸の前記軸箱支持装置を、軸箱の上部に軸ばねを配置した頂上ばね式とし、
   前記軸箱部の台車部に対する前後移動量が、最小曲線を通過する際の最大操舵時の前後移動量より多く前後移動しないように、台車部の軸距が伸びる側と縮まる側の両方に、軸箱部と当接するストッパを設置するとともに、
   最大操舵時、ストッパの軸箱との当接面が垂直になるように、ストッパの軸箱との当接面を予め傾斜させたことを特徴とする鉄道車両用操舵台車。
4. 前記操舵装置と並列に、台車部に対する軸箱部の車両進行方向における前後支持を行う軸箱前後支持装置を設置しないことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の鉄道車両用操舵台車。

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