JP6323762B2 - 鉄道車両の台車装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の台車装置（以下、単に台車装置ともいう。）に関する。

従来の鉄道車両の台車装置としては非特許文献１に示されるものが知られている。非特許文献１に示されるような台車装置は、２軸ボギー台車と称されている。２軸ボギー台車は、台車枠の進行方向に沿って２組の輪軸が設けられており、台車枠と各輪軸とが適切なバネ定数を有するバネにて結合されている。台車枠と２組の輪軸がこのように結合されることにより、２軸ボギー台車は、走行中の輪軸を台車枠に対して適切な位置に保持すると同時に、線路状況によって発生する振動を吸収するようになっている。

また、２軸ボギー台車の車輪のレールに当接する面である踏面は、外側の半径が小さく内側の半径が大きい円錐の一部を切り取った形状をしている。踏面は、このような形状のため、レールとの接触位置によって、１回転したときに左右の車輪の進む距離が異なることになる。車輪の進む距離が左右で異なると、車輪は自己操舵力によって進行する向きを自然に変え、レールの中央に戻ろうとする復元力が働く。この復元力によって、レール中心側に進行方向を変えた車輪は、反対側に少し行き過ぎて同じように戻されるという動きを繰り返す。このようにして、２軸ボギー台車は、全体としてレールに沿って走行する。

鉄道車両工業 ４６０号 ２０１１．１０ 初級講座 鉄道車両用台車の構造と特徴 ｐ.４７

ところで、台車装置の走行を、速度の大小やレールの直線・曲線にかかわらず安定させるためには、台車装置がレールの曲線部分を走行するときの曲線通過性能の向上と、高速でレールの直線部分を走行するときの蛇行動安定性の向上とを両立させる必要がある。しかし、非特許文献１に開示されるような従来の２軸ボギー台車では、以下に述べるように、曲線通過性能の向上と蛇行動安定性の向上とを両立させることができなかった。

まず、台車装置がレールの曲線部分を走行するときの曲線通過性能について説明する。２軸ボギー台車は、レールの曲線部分を通過するときに、台車が曲線の接線に対して外側に向くアンダーステアリング姿勢となる。このとき、進行方向の前方の輪軸にはアタック角が発生し、アタック角により前方の輪軸に外軌側方向の横クリープ力が発生する。一方、後方の輪軸は軌道中心付近に位置するため、輪径差が不足して後方の輪軸に縦クリープ力が発生する。前の輪軸に発生する横クリープ力と後方の輪軸に発生する縦クリープ力が台車に対して反操舵モーメントとして作用して、前方の輪軸の外軌道側に高い横圧を発生させる。このため、２軸ボギー台車では、曲線通過時に、高周波騒音、フランジ摩耗、ゲージコーナー摩耗などの車輪・レール接触に関する問題が発生する。この曲線通過性能の問題は、台車装置の速度の大きさにかかわらず発生するものである。

次に、台車装置が高速でレールの直線部分を走行するときの蛇行動安定性について説明する。２軸ボギー台車は、高速になると、車輪の行き過ぎが徐々に拡大して運動が不安定になる。このような輪軸の不安定な動きを蛇行動という。高速での２軸ボギー台車の蛇行動は、輪軸と台車枠を結合するバネが硬くなると、発生する速度が高くなる。そこで、蛇行動安定性を向上させるために、バネを硬くすることが考えられる。しかし、バネを硬くすると、上述の曲線通過性能がさらに悪化することが知られており、有効な対策にはならない。

以上のように、非特許文献１に開示されるような従来の２軸ボギー台車では、台車装置がレールの曲線部分を走行するときの曲線通過性能の向上と、台車装置が高速でレールの直線部分を走行するときの蛇行動安定性の向上とを両立させることができないという問題があった。

そこで本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、曲線通過性能の向上と蛇行動安定性の向上とを両立させることの可能な、新規かつ改良された鉄道車両の台車装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明によれば、鉄道車両の台車装置であって、車体間連接棒装置を介して連接された２つの車体にまたがって取り付けられる台車枠と、前記台車枠に前記車体の進行方向に沿って設けられる３組の輪軸と、前記台車枠の前後の横ばりの横方向中央位置を中心に旋回する操舵フレームと、を備え、前記台車枠の前後両端に設けられる前記輪軸は、前記輪軸を回転駆動させる動力が伝達される動力輪軸であり、かつ前記操舵フレームに連結されて一体に旋回し、前記台車枠の前記中央に設けられる前記輪軸は、前記輪軸を回転駆動させる動力が伝達されない無動力輪軸であり、かつ旋回が規制されて前記動力輪軸の操舵の起点となることを特徴とする、鉄道車両の台車装置が提供される。

かかる構成によれば、台車枠の前後両端に設けられる輪軸は動力輪軸であり、かつ操舵フレームに連結されて一体に旋回し、台車枠の中央に設けられる輪軸は、無動力輪軸でありかつ旋回が規制されて動力輪軸の操舵の起点となるようにした。このため、中央の固定輪軸を起点として前後両端の動力輪軸が操舵されるため、走行速度がある速度以上になると発生する蛇行動と、曲線通過時におけるアンダーステアリング姿勢が抑制される。よって、曲線通過性能の向上と蛇行動安定性の向上とを両立させることができる。

また、曲線通過性能が向上することによって、高周波騒音、フランジ摩耗、ゲージコーナー摩耗などの車輪やレール接触に関する問題が防止されるため、メンテナンスコストを低減することができる。さらに、中央の固定軸輪は無動力輪であるため、レールからの逸脱防止ガイド機能が期待できる。

本発明は様々な応用が可能である。例えば、さらに、前記操舵フレームに旋回力を付与する操舵緩衝器を備えてもよい。操舵緩衝器で操舵フレームに旋回力を付与することによって、緩和曲線区間での横圧を低減することができるとともに、車輪のフランジ摩耗を防止することができる。

また、前記操舵フレームは、ブレーキキャリパーを介してブレーキ装置に連結されるようにしてもよい。これにより、ブレーキ装置を旋回のためだけに、特別な改造をする必要がない。

また、前記中央輪軸と前記台車枠とは空気バネを介して連結されており、前記空気バネに空気が注入されると、前記空気バネを介して前記中央輪軸に掛かる前記台車枠の重量が増加し、前記空気バネの空気を抜くと、前記中央輪軸に掛かる前記台車枠の重量が軽減するようにしてもよい。これにより、空気バネに圧縮空気を充填・排出すれば、走行中に輪軸の軸重を変更させて、粘着限界が向上させられる。よって、天候などの環境や走行条件に応じて粘着限界が向上させられることによって、最高速度を向上し、かつ、ブレーキ距離を短縮することができる。

また、前記動力輪軸（前記台車枠の前後両端に設けられる前記輪軸）に動力を伝達する主電動機が前記動力輪軸に対して各１台設けられ、前記主電動機は互いに背面合わせで配置されるようにしてもよい。これにより、各主電動機の回転方向が同じであるため、同じ仕様の主電動機を使用できる。

また、前記動力軸輪（前記台車枠の前後両端に設けられる前記輪軸）に動力を伝達する主電動機が前記中央輪軸上に設けられるようにしてもよい。これにより、主電動機を台車枠の中に配置することができるため、大型の電動機を搭載することができる。

また、前記動力輪軸は、前記台車枠に対して、両者間の捩れを吸収する軸箱支持装置を介して連結されており、前記軸箱支持装置は、両端部が球体状に形成された軸と、前記軸の一方の球体状の端部を回転可能に支持する球面状の第１の軸受けと、前記軸の他方の球体状の端部を回転可能に支持する球面状の第２の軸受けと、を備え、前記第１の軸受けは、前記台車枠に支持され、前記第２の軸受けは、前記動力輪軸に支持され、前記軸の前記球体状の両端部が前記第１の軸受け及び前記第２の軸受けで回転して前記動力輪軸と前記台車枠との捩れを吸収するようにしてもよい。このように、軸箱支持装置は、球体状の両端部が球面状の軸受け回転可能に支持されることにより、球体状の両端部が球面状の軸受けで回転することにより、動力輪軸と台車枠との捩じれを吸収する。このような軸箱支持装置の構成は、摩擦抵抗の非常に小さい機構であるため、操舵フレームは、旋回抵抗が小さく、脱線の危険性が小さくなる。

以上の応用例は、任意に組み合わせることが可能である。

本発明によれば、鉄道車両の台車装置において、曲線通過性能の向上と蛇行動安定性の向上とを両立させることが可能である。本発明のその他の効果については、以下の発明を実施するための形態の項でも説明する。

本発明の一実施形態にかかる台車装置を実施した鉄道車両を側面方向から見た図である。 台車装置の構成を説明するための図である。 台車装置を上面方向から見た図である。 前後輪軸を正面方向から見た図である。 中央輪軸を正面方向から見た図である。 台車装置の台車枠より下方の部分を側面方向から見た図である。 台車装置の台車枠より下方の部分を上面方向から見た図である。 台車装置の台車枠より下方の部分における前後輪軸を正面方向から見た図である。 台車装置の台車枠より下方の部分における中央輪軸を正面方向から見た図である。 前後輪軸部分の構成を説明するための図である。 操舵フレームが分解された状態を示す図であり、（ａ）は上面方向から見た図、（ｂ）は正面方向から見た部分断面図、（ｃ）は側面方向から見た部分断面図である。 操舵フレームが台車枠に組み付けられた状態を示す図であり、（ａ）は上面方向から見た図、（ｂ）は正面方向から見た部分断面図、（ｃ）は側面方向から見た部分断面図である。 操舵緩衝器を説明するための図である。 ブレーキ装置を説明するための図である。 ブレーキ装置を説明するための図である。 主電動機を説明するための図である。 動力伝達装置を説明するための図である。 動力伝達装置の構成を説明するための図である。 動力伝達装置が主電動機に連結される状態を正面方向から見た図である。 動力伝達装置が前後輪軸に連結される状態を正面方向から見た図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

まず、本実施形態の台車装置を実施した鉄道車両の全体構成について、図１を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態にかかる台車装置１１０を実施した鉄道車両を側面方向から見た図である。鉄道車両１０は、図１に示したように、レール２０に沿って進行方向に連接され、人や物などを収容する複数の車体１００と、隣り合う２つの車体１００にまたがって取り付けられ、車体１００を移動させる駆動部である台車装置１１０を備えて構成される。なお、図１に示したもののうち、鉄道車両のごく一般的な構成については、詳細な説明を省略する。

以下、本実施形態にかかる台車装置１１０の各構成要素について説明する。
台車装置１１０は、車体間連接棒装置１２０（図２〜図５）と、車体間連接棒装置１２０を介して連接された２つの車体１００の車体フレーム１０１にまたがって取り付けられる台車枠１３０（図６〜図９）と、台車枠１３０に車体１００の進行方向に沿って設けられる３組の輪軸１４１、１４２、１５０（図６〜図９）と、台車枠１３０の前後の横ばり１３１の横方向中央位置を中心に旋回する操舵フレーム１６０（図１０〜図１２）と、操舵フレーム１６０に旋回力を付与する操舵緩衝器２００（図１３）と、操舵フレーム１６０に連結されるブレーキ装置２１０（図１４〜図１５）と、中央輪軸１５０と台車枠１３０とを連結する軸箱支持空気バネ２２１（図１４〜図１５）と、前後の輪軸１４１、１４２に動力を伝達する主電動機２３０（図１６〜図２０）と、主電動機２３０に動力を伝達する動力伝達装置２４０（図１６〜図２０）と、を主に備えて構成される。

以下、台車装置１１０の各構成要素について、以下の図面を参照しながら説明する。
（１）車体間連接棒装置１２０：図２〜図５
（２）台車枠１３０、輪軸１４０（１４１、１４２）、１５０及び軸箱支持空気バネ２２１：図６〜図９
（３）操舵フレーム１６０：図１０〜図１２
（４）操舵緩衝器２００：図１３
（５）ブレーキ装置２１０：図１４、図１５
（６）主電動機２３０及び動力伝達装置２４０：図１６〜図２０

（１）車体間連接装置１２０（図２〜図５）
車体間連接棒装置１２０とその周辺の構成について、主に図２〜図５を参照しながら説明する。車体間連接棒装置１２０は、図２に示したように、１本の連接棒１２１の両端をゴムブッシュ１２２を介してピンで車体フレーム１０１に結合することにより、２つの車体１００を連結する。ピンを外せば２つの車体１００を分離できる。本実施形態にかかる台車装置１１０が取り付けられる車体１００間は、永久連結とされるため、通常運用では、連結や非連結の切り替えはない。

車体フレーム１０１と台車枠１３０とは、図２〜図５に示したように、車体支持空気バネ１７０を介して連結されている。車体支持空気バネ１７０は、台車枠１３０の４隅に設けられている。車体支持空気バネ１７０は、車体１００の荷重を支えながら、車体１００の曲線通過をスムーズに走行するためのものである。車体支持空気バネ１７０は、ゴム製ダイヤフラム内に圧縮空気を使用し、バネ定数を小さく設定し、曲線通過時の車体１００と台車装置１１０のずれを、ゴムのせん断変形を利用することで許容する。１つの車体支持空気バネ１７０の圧力差圧が規定値以上となった場合、差圧弁が開いて２つの車体支持空気バネ１７０の圧力差をなくし、各車体支持空気バネ１７０が支える荷重が均等になるよう調整する。

台車装置１１０は、図２及び図３に示したように、車体フレーム１０１から垂下したけん引棒ブラケット１０２に、けん引棒装置１８０を介して連結されている。これにより、けん引棒装置１８０を介して、台車装置１１０からけん引棒ブラケット１０２に牽引力が伝達される。けん引棒装置１８０は、台車装置１１０の中央から後方に突出する１本の棒によって構成されており、けん引棒装置１８０の両端は、ブッシュ等を介してピンにて結合される。

（２）台車枠１３０（図６〜図９）
台車枠１３０とその周辺の構成について、主に図６〜図９を参照しながら説明する。台車枠１３０は、図６〜図９に示したように、輪軸１４１、１４２、１５０や後述するモータなどの各装置を装備し、台車装置１１０に作用する各荷重を負担する主要フレームである。台車枠１３０は、前述の横ばり１３１と、車体１００の側部に沿って延びる左右の側ばり１３２を備え、前後の横ばり１３１によって左右の側ばり１３２の端部近傍同士を連結することによって枠が構成されている。

左右の側張り１３２の前後の端部付近から側ばりブロック１３３が下方に延びている。側ばりブロック１３３には、後述の操舵緩衝器２００が連結される。台車枠１３０の左右の側ばり１３２から枠内に向かって突出して主電動機受座１３４が形成されている。主電動機受座１３４には、後述する主電動機２３０が取り付けられる。台車枠１３０は、炭素繊維強化プラスチック成型（以下、ＣＦＲＰという）の一体構造である。

輪軸１４１、１４２、１５０は車輪と車軸を組み立てたものであり、図６〜図９に示したように、１つの台車枠１３０に３組の輪軸１４１、１４２、１５０が車体の進行方向に沿って設けられる。なお、前後の輪軸１４１、１４２は同じ構成であるため、以下、これらを区別しないで説明する場合は、端部輪軸１４０という。以下、端部輪軸１４０と中央輪軸１５０について順に説明する。

（端部輪軸１４０）
台車枠１３０の前後の両端部に設けられる前後の輪軸１４１、１４２は、後述する主電動機２３０から回転力が伝達される動力輪軸であり、かつ軸箱１９０を介して操舵フレーム１６０に連結されて、操舵フレーム１６０と一体に旋回する。

軸箱１９０は、特に図８に示したように、端部輪軸１４０の車軸の左右の先端を軸受するものであり、軸箱１９０は軸箱支持装置１９１に支持される。軸箱支持装置１９１は、後述する操舵フレーム１６０が、上部ピン１６２と下部ピン１６３とで構成されるピンを中心に旋回するときに、旋回する角度分だけ台車枠１３０に対して捩れか生じる。したがって、軸箱支持装置１９１は、この捩れを吸収できる機構を必要とする。仮に、軸箱支持装置１９１の捩れを吸収できる機構が摩擦抵抗の大きなものであるとすると、操舵フレーム１６０の旋回抵抗が大きくなる。操舵フレーム１６０の旋回抵抗が大きいと、レール２０の急な曲線の入り口で摩擦抵抗に打ち勝った途端、はずみで操舵フレーム１９１が急旋回する可能性がある。操舵フレーム１９１が急旋回すると、最悪、脱線するなどして、非常に危険である。このため、軸箱支持装置１９１は、摩擦抵抗の非常に小さい機構とされる。以下に、軸箱支持装置１９１の構成を説明する。

軸箱支持装置１９１は、図８に示したように、台車枠１３０に固定され、球面状の受け部が形成された上部軸受け(第１の軸受け）１９２と、上部軸受け１９２に噛み合う球体上部１９３と、球体上部１９３に設けられる上部バネ受け１９４と、軸箱１９０に固定され、球面状の受け部が形成された下部軸受け（第２の軸受け）１９５と、下部軸受け１９５に噛み合う球体下部１９６と、球体下部１９６に設けられる下部バネ受け１９７と、上部バネ受け１９４と下部バネ受け１９７に取り付けられる軸バネ１９８を備えて構成される。

球体上部１９３には、軸心を貫通するカイド孔１９３aが設けられている。このガイド孔１９３aに球体下部１９６の軸心から軸方向に突出するガイド棒（軸）１９６aが嵌め合わされている。これにより、球体下部１９６が球体上部１９３にガイドされる。

軸バネ１９８は、本実施形態では、適切なバネ定数を有するコイルばねである。軸バネ１９８は、球体上部１９３と球体下部１９６よりも外側に配置され、上下の端部が上部バネ受け１９４と下部バネ受け１９７に取り付けられる。軸バネ１９８は、前後の輪軸１４１、１４２が旋回しても捩れることなく上下方向の衝撃を吸収できる。なお、軸バネ１９８をバネとしたが、適切な弾性力を有するものであれば、ゴムなどの他の部材でもよい。

軸箱支持装置１９１の側面には、図６に示したように、軸バネ１９８と並列に配置されるように軸ダンパ１９９が付設される。軸ダンパ１９９は、軸バネ１９８そのものに振動を減衰させる機能がないため、走行によって伸縮する軸バネ１９８の振動を減衰させる。これにより、軸ダンパ１９９は、組み立てた上下の球体１９３、１９６が振動などで外れないように引っ張り方向に作用する。このように、軸箱支持装置１９１は、端部輪軸１４０と台車枠１３０とを適切なバネ定数を有する軸バネ１９８で結合することにより、走行中の端部輪軸１４０を台車枠１３０に対して適切な位置に保持すると同時に、線路状況によって発生する振動を吸収する。

（中央輪軸１５０）
台車枠１３０の中央に設けられる中央輪軸１５０は、回転力が伝達されない無動力輪軸であり、かつ旋回が規制された固定輪軸である。中央輪軸１５０は、図９に示したように、車軸の左右の先端が中央軸箱２２０によって支持されている。そして、中央軸箱２２０と台車枠１３０とが軸箱支持空気バネ２２１を介して連結されている。軸箱支持空気バネ２２１は、中央輪軸１５０に掛かる上下と左右の荷重を支持する。

軸箱支持空気バネ２２１には図示していないレベリングバルブが設けられている。レベリングバルブは、図示していない空気タンクに連通している。レベリングバルブが開かれることにより、空気タンクからレベリングバルブを介して軸箱支持空気バネ２２１内に圧縮空気を入れたり抜いたりすることができる。このようにして、中央輪軸１５０に掛る荷重を変化させることができる。また、レベリングバルブが閉じられることにより、空気タンクと軸箱支持空気バネ２２１の連通が遮断され、軸箱支持空気バネ２２１内の圧縮空気量を一定に保つことができる。このようにして、中央輪軸１５０に掛る荷重を一定に保つことができる。

中央軸箱２２０と左右の側ばりブロック１３３とは、特に図６に示したように、中央軸ダンパ２２２によって連結されている。中央軸ダンパ２２２は、オイルダンパであり、両端にはゴムが装備されている。よって、中央軸ダンパ２２２は、中央軸箱２２０の上下、前後の動きを支えて、中央輪軸１５０の前後方向の荷重を支持している。側ばりブロック１３３には、中央輪軸１５０に当接して、回転を規制する２組の中央ブレーキ装置２２３が取り付けられている。

中央ブレーキ装置２２３は、ブレーキシリンダと制輪子をユニット化したものであり、中央輪軸１５０のレール２０との当接面である車輪踏面１５１に制輪子を押し付けることによって中央輪軸１５０の回転を規制する。また、中央ブレーキ装置２２３は、車両１０が長時間停車する場合のパーキングブレーキとしての機能も兼ね備えている。

軸箱支持空気バネ２２１は空気が注入されると、軸箱支持空気バネ２２１を介して中央輪軸１５０に掛かる台車枠１３０の重量が増加して、端部輪軸１４０に掛かる重量が減少する。これに対して、軸箱支持空気バネ２２１から空気を抜くと、中央輪軸１５０に掛かる台車枠１３０の重量が軽減して、端部輪軸１４０に掛かる重量が増加する。このようにして、動力輪軸である端部輪軸１４０に掛かる重量を変更することができるため、粘着係数を変更することができる。

ここで、端部輪軸１４０に掛かる重量である輪重と粘着係数の関係について説明する。
粘着係数μは、μ＝μｃ（Ｗｃ／Ｗ）＋μｈ（Ｗｈ／Ｗ）と定義される。
各パラメータは以下のとおりである。
μｃ：微小な突起の接触部の境界摩擦係数
Ｗ ：輪重
Ｗｃ：微小な突起同士の接触で分担する輪重
μｈ：水膜のせん断係数
Ｗｈ：水膜で分担する輪重
上式より、輪重を可変にすると、粘着係数を最適領域に調整できると言える。

次に、粘着係数を変更することによる作用について説明する。車輪がレールの上をスムーズに転動して加速や減速をすることができるためには、車輪とレールの接触面で走行方向の接線力、すなわち、粘着力が必要である。最大の接線力である最大粘着力を静止輪重で除した値である粘着係数が低下すると、最高速度向上に障害が発生するとともに、力走時の空転やブレーキ作動時の滑走を起こす可能性がある。

空転は、レール頭頂面に車輪の形状に擦れた空転傷を形成する。また、滑走は、車輪踏面の一部に偏平状の擦傷や熱亀裂を形成し、車輪の転動によって擦傷や熱亀裂が転がり疲れ亀裂へと進展して剥離が生じる。

これらの材料損傷は、乗り心地の低下、騒音や振動の発生に繋がり、さらに衝撃荷重が加わることにより、車軸、軸受け、レールなどの寿命が短縮され、メンテナンスコストを向上させる原因となっている。

実際に鉄道車両を走行させる際には、輪重は、車両完成時の重量と乗客などの積載により変動する重量とを加えた値になる。また、粘着係数は、路線環境条件や車両走行条件がお互いに絡み合って作用する。このため、実用上有効な粘着係数は、輪重、路線環境条件、車両走行条件が変化するため、ばらつきが大きくなる。しかし、従来の２軸ボギー台車では、輪重、路線環境条件、車両走行条件に応じて粘着力を最適に調整できる対応が施されていない。よって、天候など環境や走行条件に応じて最高速度を向上し、かつブレーキ距離を短縮するためには粘着限界を向上する必要がある。

この点、本実施形態では、前述のように、軸箱支持空気バネ２２１の圧縮空気を充填・排出すれば、走行中に端部輪軸１４０の軸重を変更することができる。よって、走行中に粘着限界を向上させることができる。

バルブの開閉は、電子制御装置からの指令により各輪軸１４０、１５０の粘着係数を最適領域に調整するように制御される。各輪軸１４０、１５０の輪重の大きさは、制御指令により線路や運転状況に応じて車両停車中のみならず、走行中でも任意に調整される。

（３）操舵フレーム１６０（図１０〜図１２）
操舵フレーム１６０とその周辺の構成について、主に図１０〜図１２を参照しながら説明する。操舵フレーム１６０は、前述のように、端部輪軸１４０に連結されて、端部輪軸１４０と一体に旋回するものである。操舵フレーム１６０は、図１０及び図１１に示したように、台車枠１３０の前後の横ばり１３２にピン結合されることにより旋回可能に設けられており、操舵フレーム１６０の両端部が端部輪軸１４０に連結されることにより、端部輪軸１４０と一体に旋回する。

以下、操舵フレーム１６０の構成を詳細に説明する。操舵フレーム１６０は、図１１（ａ）〜（ｃ）に示したように、略コ字状のフレーム１６１と、フレーム１６１の外周に上下方向から嵌め合わされる上部ピン１６２及び下部ピン１６３と、上部ピン１６２に取り付けられる上部ピンブラケット１６４と、下部ピン１６３に取り付けられる下部ピンブラケット１６５と、上部ピンブラケット１６４と下部ピンブラケット１６５を台車枠１３０の横ばり１３２に取り付けるブラケット取付けボルト１６６を備えて構成される。操舵フレーム１６０は、ＣＦＲＰ成形の一体品で製造され、これにより、車体支持空気バネ１７０のバネ下荷重が軽減される。

フレーム１６１の左右方向中央部は、他の部分に比べて小径に形成された小径部１６１ａとなっている。上部ピン１６２と下部ピン１６３は、同形状の部材であり、上下対称に配置して用いられる。上部ピン１６２と下部ピン１６３は、略凸状の形状をしており、互いに対向する面に半円溝１６２ａ、１６３ａが形成されている。半円溝１６２ａ、１６３ａはフレーム１６１の小径部１６２ａに嵌め合わされる。上部ピンブラケット１６４と下部ピンブラケット１６５には、凹溝１６４ａ、１６５ａが形成されており、上部ピン１６２と下部ピン１６３の凸部１６２ｂ、１６３ｂが嵌め合わされる。

次に、操舵フレーム１６０の前後の横ばり１３２への組み付け方法を説明する。上部ピン１６２及び下部ピン１６３は、図１２（ａ）〜（ｃ）に示したように、フレーム１６１の小径部１６１ａの上半周に上部ピン１６２を嵌め合わせ、下半周に下部ピン１６３を嵌め合わせる。これにより、フレーム１６１の左右方向への移動が規制される。また、上部ピン１６２の凸部１６２ｂに上部ピンブラケット１６４の凹溝１６４ａを嵌め合わせ、下部ピン１６３の凸部１６３ｂに下部ピンブラケット１６５の凹溝１６５ａを嵌め合わせ、上部ピンブラケット１６４と下部ピンブラケット１６５をブラケット取付けボルト１６６によって台車枠１３０の横ばり１３１に取り付ける。これにより、操舵フレーム１６０が台車枠１３０の横ばり１３１に取り付けられる。

このように、操舵フレーム１６０を台車枠１３０の横ばり１３１に取り付けることにより、操舵フレーム１６０は、操舵のための左右方向の動きを許容するとともに、輪軸１４０、１５０に掛かる上下方向の動きを許容する。

（４）操舵緩衝器２００（図１３）
操舵緩衝器２００とその周辺の構成について、主に図１３を参照しながら説明する。台車装置１１０の操舵は、台車枠１３０の中央の中央輪軸１５０が固定であることから、中央輪軸１５０を起点として台車枠１３０の前後の端部輪軸１４０が自己操舵機能により操舵フレーム１６０が旋回することによって行われる。操舵緩衝器２００は、操舵フレーム１６０が蛇行動によりふらつかないようにするものであり、図６に示したように、前後の各軸箱１９０と側張りブロック１３３の間に設けられる。

操舵緩衝器２００は、図１３（ａ）、（ｂ）に示したように、同一軸状に配置される、サーボモータ２０１、減速機２０２、ボールネジ２０３、噛み合いクラッチ２０４、第１関節球体２０５、操舵バネ２０６、第２関節球体２０７、第１球体受け２０８及び第２球体受け２０９を備えて構成される。

サーボモータ２０１は、図示していない制御装置によって制御された電力が供給されて作動する。減速機２０２は、サーボモータ２０１に連結されており、サーボモータ２０１の回転を減速してトルクを高める。ボールネジ２０３は、減速機２０２に連結されており、減速機２０２から出力される回転力を直線運動に変換する。

噛み合いクラッチ２０４は、サーボモータ２０１に異常が発生した場合は、操舵フレーム１６０に不必要な力が伝達して車輪が脱線しないようにするために作用力を切断する安全装置である。すなわち、噛み合いクラッチ２０４は、ボールネジ２０３に連結されており、サーボモータ２０１が正常に作動しているときには、クラッチが締結してボールネジ２０３と一体に直進運動をする。一方、噛み合いクラッチ２０４は、サーボモータ２０１に異常が発生した場合は、クラッチがスリップしてサーボモータ２０１を即座に停止させて、舵フレーム１６０に不必要な力が伝達しないようにする。

第１関節球体２０５は、操舵緩衝器２００の一端に配置され、噛み合いクラッチ２０４と一体に直進運動する。操舵バネ２０６は、噛み合いクラッチ２０４と第１関節球体２０５との間に設けられ、直線走行時の蛇行動に対して、操舵フレーム１６０が不安定なふらつきを起こさないように作用する。第２関節球体２０７は、操舵緩衝器２００の他端に移動しないように配置されている。

第１関節球体２０５は第１球体受け２０８に軸受され、第２関節球体２０７は第２球体軸受け２０９に軸受される。第１関節球体２０５は第１球体受け２０８を介して軸箱１９０に連結され、第２関節球体２０７は第２球体軸受け２０９を介して側張りブロック１３３に連結される。

操舵緩衝器２００は、通常時には、図１３（ａ）に示したように、噛み合いクラッチ２０４が噛み合っており、サーボモータ２０１の回転力をボールネジ２０３によって直進運動に変換して第１関節球体２０５に伝達する。そして、この際、制御装置は、操舵補助力のターゲットとして外部から与えられた目標値と、実際に発生している力とを比較して、サーボモータ２０１の回転を制御して、必要に応じた適切な補助力を端部輪軸１４０に与える動作を行う。また、操舵緩衝器２００は、操舵と反対方向に何か異常な力が作動した場合、図１３（ｂ）に示したように、噛み合いクラッチ２０４がスリップして、即座にサーボモータ２０１を停止させる。これにより、事故が起こることを防止する。

（５）ブレーキ装置２１０（図１４、図１５）
ブレーキ装置２１０とその周辺の構成について、主に図１４、図１５を参照しながら説明する。ブレーキ装置２１０は、鉄道車両１０のスピードを減じるものであり、図１４及び図１５に示したように、端部輪軸１４０に設けられる。ブレーキ装置２１０は、ブレーキディスク２１１と、ディスクパッド２１２及びブレーキキャリパー２１３から構成される。ブレーキディスク２１１は、端部輪軸１４０に取り付けられて一体に回転する。ディスクパッド２１２は、間にブレーキディスク２１１を挟むように配置され、ブレーキディスク２１１の両面を挟み付けることにより、ブレーキディスク２１１の回転を止めるものである。ブレーキキャリパー２１３は、一端にブレーキパッド２１２が設けられ、他端が操舵フレーム１６０に連結されることにより、ブレーキパッド２１２を操舵フレーム１６０に連結する。

このように、ブレーキ装置２１０はブレーキキャリパー２１３を介して操舵フレーム１６０に取り付ける構成であるため、端部輪軸１４０が旋回する構成であっても、旋回することができない動力輪軸で用いられていた従来のブレーキ装置を、特別な改造をすることなしに用いることができる。

（６）主電動機２３０、動力伝達装置２４０（図１６〜図２０）
主電動機２３０及び動力伝達装置２４０とその周辺の構成について、主に図１６〜図２０を参照しながら説明する。主電動機２３０は、端部軸輪１４０に動力を伝達する電動機であり、図１６及び図１７に示したように、前方の輪軸１４１と後方の軸輪１４２に対して各１台設けられる。前方の輪軸１４１の主電動機２３１と後方の輪軸１４２の主電動機２３２は互いに背面合わせで配置される。なお、２台の主電動機２３１、２３２は同じ構成であるため、互いを区別する必要がない場合は、主電動機２３０として説明する。

主電動機２３１、２３２は互いに背面合わせで配置され、台車枠１３０の主電動機受け座１３４にそれぞれ載置される。主電動機２３１、２３２をこのように配置することにより、電動機の回転方向が同じになるため、同じ仕様の主電動機を使用することができる。また、主電動機２３０を台車枠１３０の中に配置することができるため、大型の電動機を搭載することができる。

主電動機２３０は、図１６及び図１７に示したように、動力伝達装置２４０を介して端部輪軸１４０に連結される。動力伝達装置２４０は、図１６〜図２０に示したように、サイレントチェーン２４１、駆動側ローラ２４２、チェーンテンショナー２４３、非駆動側ローラ２４４、伝動軸２４５、空気ピストン２４６、ストッパーピン２４７、圧縮空気出入栓２４８、たわみ継手２４９、プロペラ軸２５０、ピニオン側スプライン２５１、シリンダ２５２、ハイポイドギア２５３及びハイポイドピニオン２４５を備えて構成される。

サイレントチェーン２４１は、図１８及び図１９に示したように、主電動機２３０の動力を伝動軸２４５に伝達するものであり、伝動軸２４５には、伝動軸２４５の外周に設けられる非駆動側ローラ２４４を介して動力が伝達される。サイレントチェーン２４１の外周には、図１９に示したように、チェーンテンショナー２４３が配置されており、サイレントチェーン２４１の張力は、サイレントチェーン２４１にチェーンテンショナー２４３を接触させることによって調整される。

伝達軸２４５は、端部輪軸１４０の軸１４０ａ（図１９参照）とほぼ同じ高さに配置されている。伝達軸２４５は、たわみ継手２４９を介して伝達軸２４５と同軸に配置されるプロペラ軸２５０に連結されており、プロペラ軸２５０の先端にはピニオン側スプライン２５１が設けられている。ピニオン側スプライン２５１は、端部輪軸１４０に設けられたハイポイドギア２５３とハイポイドピニオン２５４を介して連結されており、端部輪軸１４０に動力を伝達する。動力伝達時における伝達軸２４５の軸方向の曲げに対してはたわみ継手２４９が用いられ、軸方向の移動に対してはピニオン側スプライン２５１が用いられる。

伝達軸２４５は、これの軸方向後方に配置される空気ピストン２４６によって軸方向に移動する。空気ピストン２４６に空気が注入されると、空気ピストン２４６が前進して、伝達軸２４５を前進させる。また、空気ピストン２４６から空気が抜かれると、空気ピストン２４６は後退して、伝達軸２４５も後退する。

ストッパーピン２４７は、空気ピストン２４６が後退したときに、空圧で作動して、空気ピストン２４６の前方に突出するように構成される。突出してストッパーピン２４７はその状態でロックされる。空気ピストン２４６が収納されるシリンダ２５２内の圧縮空気は、シリンダ２５２の前端部に設けられる圧縮空気出入栓２４８を介して出入りする。

動力伝達装置２４０は、これを搭載した台車装置１１０が別の台車装置でけん引される非動力運転時には、空気ピストン２４６から空気が抜かれて伝動軸２４５が後退する。これにより、ピニオン側スプライン２５１が後退して、端部輪軸１４０のスプラインとの連結が解除される。よって、端部輪軸１４０に動力が伝達されなくなる。また、被動力運転時には、ストッパーピン２４７が空圧で作動しロックされるため、空気ピストン２４６の前進が規制される。よって、空気ピストン２４６が不用意に前進して端部輪軸１４０に動力が伝達されてしまうことを防止することができる。

以上、本実施形態の台車装置１１０の構成について説明した。以下、台車装置１１０の操舵方法について説明する。

（台車装置１１０の操舵方法）
レールの直線区間と円曲線区間には、乗り心地を悪化させないために、これらの区間を滑らかに接続する緩和曲線区間が設けられている。車体１００が緩和曲線区間を通過するとき、自己操舵機能を利用して操舵フレーム１６０を旋回させるだけでは、レールに作用する横圧の発生をゼロにすることはできない。そこで、本実施形態では、緩和曲線区間での横圧低減効果を改善するために、電気的な制御システムによって外部から操舵力を補助して曲線通過性能を向上させる。

すなわち、本実施形態では、走行位置毎に線路状態に合わせた操舵力の目標値を事前に作成した操舵パターンを、予め制御装置に保存しておく。そして、車体１００が走行している現在位置を常に検出し、その位置で必要な操舵力の目標値と実際の発生力とを比較してサーボモータ２０１を作動させる。

以上、台車装置１１０の操舵方法について説明した。次に、台車装置１１０の輪重の変更方法について説明する。

（台車装置１１０の輪重の変更方法）
台車装置１１０の輪重は、中央輪軸１５０の中央軸箱２２０に設けられている軸箱支持空気バネ２２１の圧縮空気を充填・排出することによって行われる。軸箱支持空気バネ２２１のバルブの開閉は、電子制御装置からの指令により各輪軸１４０、１５０の粘着係数を最適領域に調整するように制御される。各輪軸１４０、１５０の輪重の大きさは、制御指令により線路や運転状況に応じて車両停車中のみならず、走行中でも任意に調整されるものである。

まず、粘着係数を大きくする場合は、レベリングバルブを開いて空気タンクから軸箱支持空気バネ２２１に圧縮空気を入れる。これにより、軸箱支持空気バネ２２１が拡張し、中央輪軸１５０に台車装置１１０の重量が掛かる。その反力として、軸箱支持空気バネ２２１が台車枠１３０を押し上げる。このため、台車枠１３０の前後に設けられた端部輪軸１４０に掛かる重量は軽減され、動力輪軸である端部輪軸１４０に掛かる輪重は軽くなる。よって、端部輪軸１４０の粘着係数が大きくなる。

次に、粘着係数を小さくする場合は、レベリングバルブを開いて軸箱支持空気バネ２２１から圧縮空気を抜く。これにより、軸箱支持空気バネ２２１が縮小し、中央輪軸１５０がレールから離間する方向に引っ張られる。このため、中央輪軸１５０に掛かる重量が軽減され、その反力として、台車枠１３０の前後に設けられた端部輪軸１４０に掛かる重量は増大する。よって、動力輪軸である端部輪軸１４０に掛かる輪重は重くなり、端部輪軸１４０の粘着係数が小さくなる。

粘着係数を変えない場合は、レベリングバルブを閉じる。これにより、軸箱支持空気バネ２２１から空気が漏れない限り、軸箱支持空気バネ２２１内の空気量が一定に保たれる。よって、各軸に掛かる重量は一定になる。このようにして、粘着係数を変更する必要がない路線や運転状況においては、一定の輪重で走行される。

このように、走行中に輪重を変更することができるため、天候などの環境や走行条件に応じて粘着限界を向上させることができる。よって、最高速度を向上し、かつブレーキ距離を短縮することができる。

（本実施形態の効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、台車枠１３０の中央に設けられた中央輪軸１５０を起点として端部輪軸１４０が操舵されるため、蛇行動安定性と曲線通過性能を向上させることができる。このため、高周波騒音、フランジ摩耗、ゲージコーナー摩耗などの車輪やレール接触に関する問題が防止されるため、メンテナンスコストを低減することができる。また、中央輪軸１５０は、無動力輪軸であることに加え、操舵の機能を有さない固定輪軸であるため、台車装置１１０がレールから逸脱することを防止する逸脱防止ガイドとしての機能も備える。

また、操舵フレーム１６０に旋回力を付与する操舵緩衝器２００が設けられるため、緩和曲線区間での横圧を低減することができるとともに、車輪のフランジ摩耗を防止することができる。

また、操舵フレーム１６０はブレーキキャリパー２１３を介して中央ブレーキ装置２２３に連結されるため、中央ブレーキ装置２２３を旋回のためだけに、特別に改造する必要がない。

また、中央輪軸１５０と台車枠１３０は軸箱支持空気バネ２２１を介して連結されており、軸箱支持空気バネ２２１に空気が注入されると、軸箱支持空気バネ２２１を介して中央輪軸１５０に掛かる台車枠１３０の重量が増加し、軸箱支持空気バネ２２１の空気を抜くと、中央輪軸１５０に掛かる台車枠１３０の重量が軽減するようにしている。このため、軸箱支持空気バネ２２１に圧縮空気を充填・排出すれば、走行中に端部輪軸１４０の輪重を変更させて、粘着限界が向上させられる。よって、天候などの環境や走行条件に応じて粘着限界が向上させられることによって、最高速度を向上し、かつ、ブレーキ距離を短縮することができる。

また、前後の端部輪軸１４１、１４２に動力を伝達する主電動機２３１、２３２が前後の端部輪軸１４１、１４２に対して各１台設けられ、主電動機２３１、２３２は互いに背面合わせで配置されるようにした。このため、各主電動機２３１、２３２の回転方向が同じであるため、同じ仕様の主電動機２３１、２３２を使用できる。

また、前後の端部輪軸１４１、１４２に動力を伝達する主電動機２３１、２３２が中央輪軸１５０の上方に設けられるようにした。これにより、主電動機２３１、２３２を台車枠１３０の中に配置することができるため、大型の電動機を搭載することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、操舵フレーム１６０に旋回力を付与する操舵緩衝器２００が設けたが、本発明は必ずしもこれに限定されない。例えば、操舵緩衝器２００を設けずに操舵フレーム１６０のみを設けた構成としても、蛇行動安定性と曲線通過性能を向上させた台車装置１１０とすることができる。

また、上記実施形態では、操舵フレーム１６０はブレーキキャリパー２１３を介して中央ブレーキ装置２２３に連結したが、本発明は必ずしもこれに限定されない。

また、上記実施形態では、中央軸箱２２０と台車枠１３０とが軸箱支持空気バネ２２１を介して連結されており、軸箱支持空気バネ２２１に空気が注入されると、軸箱支持空気バネ２２１を介して中央輪軸１５０に掛かる台車枠１３０の重量が増加し、軸箱支持空気バネ２２１の空気を抜くと、中央輪軸１５０に掛かる台車枠１３０の重量が軽減するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、軸箱支持空気バネ２２１は中央輪軸１５０の任意の位置に配置することができる。

また、上記実施形態では、前後の端部輪軸１４１、１４２に動力を伝達する主電動機２３１、２３２が前後の端部輪軸１４１、１４２に対して各１台設けられ、主電動機２３１、２３２は互いに背面合わせで配置されるようにしたが、本発明はこれに限定されず、各主電動機２３１、２３２は任意の形態で配置されるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、前後の端部輪軸１４１、１４２に動力を伝達する主電動機２３１、２３２が中央輪軸１５０の上方に設けられるようにしたが、本発明はこれに限定されず、主電動機２３１、２３２は任意の位置に設けられるようにしてもよい。

本発明は、鉄道車両の台車装置に利用可能である。

１０ 鉄道車両
２０ レール
１００ 車体
１０１ 車体フレーム
１０２ けん引棒ブラケット
１１０ 台車装置
１２０ 車体間連接棒装置
１２１ 連接棒
１２２ ゴムブッシュ
１３０ 台車枠
１３１ 横ばり
１３２ 側ばり
１３３ 側ばりブロック
１３４ 主電動機受け座
１４０ 端部輪軸（動力輪軸）
１４０ａ 軸
１４１ 前方の輪軸
１４２ 後方の輪軸
１５０ 中央輪軸（無動力輪軸）
１５１ 車輪踏面
１６０ 操舵フレーム
１６１ フレーム
１６１ａ 小径部
１６２ 上部ピン
１６２ａ、１６３ａ 半円溝
１６２ｂ、１６３ｂ 凸部
１６３ 下部ピン
１６４ 上部ピンブラケット
１６４ａ、１６５ａ 凹溝
１６５ 下部ピンブラケット
１６６ ブラケット取付けボルト
１７０ 車体支持空気バネ
１８０ けん引棒装置
１９０ 軸箱
１９１ 軸箱支持装置
１９２ 上部軸受け（第１の軸受け）
１９３ 球体上部
１９３a カイド孔
１９４ 上部バネ受け
１９５ 下部軸受け（第２の軸受け）
１９６ 球体下部
１９６a ガイド棒（軸）
１９７ 下部バネ受け
１９８ 軸バネ
１９９ 軸ダンパ
２００ 操舵緩衝器
２０１ サーボモータ
２０２ 減速機
２０３ ボールネジ
２０４ 噛み合いクラッチ
２０５ 第１関節球体
２０６ 操舵バネ
２０７ 第２関節球体
２０８ 第１球体受け
２０９ 第２球体受け
２１０ ブレーキ装置
２１１ ブレーキディスク
２１２ ディスクパッド
２１３ ブレーキキャリパー
２２０ 中央軸箱
２２１ 軸箱支持空気バネ
２２２ 中央軸ダンパ
２２３ 中央ブレーキ装置
２３０、２３１、２３２ 主電動機
２４０ 動力伝達装置
２４１ サイレントチェーン
２４２ 駆動側ローラ
２４３ チェーンテンショナー
２４４ 非駆動側ローラ
２４５ 伝動軸
２４６ 空気ピストン
２４７ ストッパーピン
２４８ 圧縮空気出入栓
２４９ たわみ継手
２５０ プロペラ軸
２５１ ピニオン側スプライン
２５２ シリンダ
２５３ ハイポイドギア
２５４ ハイポイドピニオン

Claims (7)

1. 鉄道車両の台車装置であって、
   車体間連接棒装置を介して連接された２つの車体にまたがって取り付けられる台車枠と、
   前記台車枠に前記車体の進行方向に沿って設けられる３組の輪軸と、
   前記台車枠の前後の横ばりの横方向中央位置を中心に旋回する操舵フレームと、
   を備え、
   前記台車枠の前後両端に設けられる前記輪軸は、前記輪軸を回転駆動させる動力が伝達される動力輪軸であり、かつ前記操舵フレームに連結されて一体に旋回し、
   前記台車枠の前記中央に設けられる前記輪軸は、前記輪軸を回転駆動させる動力が伝達されない無動力輪軸であり、かつ旋回が規制されて前記動力輪軸の操舵の起点となることを特徴とする、鉄道車両の台車装置。
2. さらに、前記操舵フレームに旋回力を付与する操舵緩衝器を備えたことを特徴とする、請求項１に記載の鉄道車両の台車装置。
3. 前記操舵フレームは、ブレーキキャリパーを介してブレーキ装置に連結されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の鉄道車両の台車装置。
4. 前記中央輪軸と前記台車枠とは空気バネを介して連結されており、
   前記空気バネに空気が注入されると、前記空気バネを介して前記中央輪軸に掛かる前記台車枠の重量が増加し、前記空気バネの空気を抜くと、前記中央輪軸に掛かる前記台車枠の重量が軽減することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の鉄道車両の台車装置。
5. 前記動力輪軸に動力を伝達する主電動機が前記動力輪軸に対して各１台設けられ、
   前記主電動機は互いに背面合わせで配置されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の鉄道車両の台車装置。
6. 前記動力輪軸に動力を伝達する主電動機が前記中央輪軸上に設けられることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の鉄道車両の台車装置。
7. 前記動力輪軸は、前記台車枠に対して、両者間の捩れを吸収する軸箱支持装置を介して連結されており、
   前記軸箱支持装置は、両端部が球体状に形成された軸と、前記軸の一方の球体状の端部を回転可能に支持する球面状の第１の軸受けと、前記軸の他方の球体状の端部を回転可能に支持する球面状の第２の軸受けと、を備え、
   前記第１の軸受けは、前記台車枠に支持され、
   前記第２の軸受けは、前記動力輪軸に支持され、
   前記軸の前記球体状の両端部が前記第１の軸受け及び前記第２の軸受けで回転して前記動力輪軸と前記台車枠との捩れを吸収することを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の鉄道車両の台車装置。