JP6509571B2 - 鉄道車両用台車 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の台車に関し、詳しくは側梁と横梁とからなる台車の横梁の構造を工夫することで、軌道平面性変位の大きな箇所で輪重減少を抑制して脱線を防ぐ技術に関する。

鉄道車両用台車枠は、レール方向（台車枠の前後方向）に沿って配置された左右２本の側梁と、枕木方向（台車枠の左右方向）に沿って配置された前後２本の横梁とが連結されて構成されている。こうした形状の鉄道車両用台車枠には、従来から様々な構造のものが提案されている。

特許文献１には、鉄道車両用台車に関する技術が開示されている。車両進行方向にほぼ沿って伸びると共に枕木方向に離間して配置された一対の側枠と、側枠に設けられた輪軸の端部を保持する軸箱と、軸バネを介して軸箱を支持する軸箱支持装置と、枕木方向に沿って伸び、一対の側枠の中間部間を連結する横梁とを備える鉄道車両用台車を、左右の側枠を枕木方向にほぼ沿った回転軸回りに相対回転可能とする軸受部が設けられる。こうすることで、車両の乗り心地及び高速走行性能を確保しつつ、軌道に対する車輪の追従性を増している。

特許文献２には、鉄道車両用台車枠に関する技術が開示されている。左右の側梁に一本の横梁が接合され、横梁は前後方向に幅広の扁平形状に形成され、側梁を貫通して接合される左右の接合部と、その左右の接合部の間にあって中央に長円形状の貫通孔が形成された中間部とを有している。この中間部にモータが取付けられる場合には、ブラケットによる前後方向の位置調整が必要ないように前後方向の幅寸法が接合部よりも大きく形成されている。また、左右の側梁の内側にブレーキをそれぞれ取付ける左右方向の寸法を有する。この為、機器取付け性に優れた鉄道車両用台車枠を提供可能となっている。

特開２０１１―１４８３６７号公報 特許第４８８９８３１号公報

しかしながら、特許文献２に記載の技術を用いた台車枠を鉄道車両用台車に用いた場合、平面性捻れが発生した時にそれを吸収できずに車輪の輪重抜けなどが発生する虞がある。例えば、列車の繰り返し通過や自然現象に起因して、レールに予測不可能な不整が生じる場合がある。また、曲線の出入り口には左右レールの高度差が連続的に変化するカント遁減区間が設けられている。この様な箇所では、レールの高さが左右で不均衡となり、台車に捻れが生じる平面性捻れが懸念される。特許文献１に記載の技術は、この平面性捻れに対応するために軸受けを設けているが、軸受けを側梁に設ける構造であるため、側梁の構造が複雑化してメンテナンスが困難となると予想される。

そこで本発明は、簡素な構成で平面性捻れに対応し車輪の輪重抜け防止が可能な鉄道車両用台車を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の一態様による鉄道車両用台車を、以下のような特徴を有する。

（１）レールに沿って前後方向に配置された左側梁及び右側梁と、枕木に沿って左右方向に配置された横梁を有し、前記側梁に前記横梁が接合された鉄道車両用の台車枠と、前記台車枠に備えられて車体を支持する車体支持装置と、前記台車枠に取付けられ車軸を受ける軸受けを備えた軸箱支持装置と、車輪及び車軸を備える鉄道車両用台車において、前記横梁に、ねじり剛性低減部が設けられ、前記左側梁と前記右側梁との位置関係がねじれの関係となった際に、前記左側梁と前記右側梁との相対位置の変位を前記ねじり剛性低減部によって吸収し、前記車輪の輪重抜けを防ぐこと、を特徴とする。

上記（１）に記載の態様によれば、鉄道車両用台車に用いられる台車枠は横梁と側梁とから構成されており、横梁にはねじり剛性低減部が設けられている。ここで横梁に生じるねじり剛性とは、側梁に連結される横梁にねじれ方向に力が加わった際に、これに抗する力のことを言う。例えば左側梁の先端部がＺ軸方向上側に傾いた際に、右側梁の先端部がＺ軸方向下側に傾くことで、左側梁と右側梁が異なる挙動を示し、これに伴って側梁に連結される横梁にはねじれ方向に力が加わる。このように、ねじり剛性低減部が横梁に設けられることで、台車に対して平面性捻れが発生した際に台車枠が追従し易くなる。日本国内においては、レールの継ぎ目等の位置を左右で合わせるよう敷設したり、レールの点検を頻繁に行って整備したりと、平面性捻れの発生は生じにくい。しかし、海外ではこうした配慮が為されていない国もあり、車両からの重量を受け止めるべく設計された台車の剛性が仇となるケースも想定される。

また、課題で示したように、列車の繰り返し通過や自然現象に起因、或いはカント遁減区間など、平面性捻れの発生し易い箇所もある。このため、左右の側梁を繋ぐ横梁のねじり剛性をねじり剛性低減部を設けることで減少させている。この結果、右側のレールと左側のレールの高さが部分的に異なるような、レール側の問題を台車で吸収することが可能となり、列車の乗り心地の改善や安全性の向上に寄与することができる。

（２）（１）に記載の鉄道車両用台車において、前記ねじり剛性低減部が、前記横梁の側面に設けられたスリットであり、前記スリットは、前記横梁の側面であって長手方向に長く形成され、前記スリットの両端部には、前記スリットの高さより大きい直径を有する穴が形成されていること、が望ましい。

（３）（２）に記載の鉄道車両用台車において、前記横梁は、前記左側梁及び前記右側梁に溶接されて固定されており、前記スリットは、前記左側梁と前記右側梁との間の距離より、短く形成されていること、が望ましい。

上記（２）の態様により、ねじり剛性低減部としてスリットを用いることで、横梁の構造を複雑化させずに、簡素な構成で台車のねじり剛性を低減することが可能である。横梁に設けられたスリットは、２本並ぶ側梁の間の距離より短く形成されている、即ちスリットは側梁間に設けられており、その外側に横梁と側梁とを接合する部分が来ることになる。スリットの両端部に設けられた穴は、応力集中を防ぐ為にスリットの高さ（隙間の幅）より直径の大きな穴が形成されている。この結果、結合部分が例えば溶接による接合を用いる場合に、スリット部分の処理などが容易になる。又、上記（３）の態様により、溶接箇所の影響を受けることなくスリットによってねじり剛性低減の効果が得られる。

（４）（１）に記載の鉄道車両用台車において、前記横梁は、前記左側梁又は前記右側梁と接合される両端部に、前記左側梁又は前記右側梁の前後方向に幅広に形成された長円断面を有し、前記左側梁又は前記右側梁の前後方向に幅広に形成された中央部には、長円形状の貫通孔が上下に貫通する様に設けられること、が好ましい。

横梁が接合部の前後方向の幅よりも中間部の前後方向の幅寸法が大きくなるように膨らんだ形状である。この為、中間部ではモータの取付位置が車軸に近くなり、接合部では車輪との間に配置されるユニットブレーキの設置スペースが広くなるなど、機器の取付けに優れた鉄道車両用台車の提供が可能となる。その上で、横梁にスリットが設けられているので、適度にねじり剛性が低減されて、右側のレールと左側のレールの高さが部分的に異なるような、レール側の問題を台車で吸収することが可能となり、列車の乗り心地の改善や安全性の向上に寄与することができる。

第１実施形態の、鉄道車両用台車枠の部分斜視図である。 第１実施形態の、鉄道車両用台車枠の全体斜視図である。 第１実施形態の、鉄道車両用の台車の平面図である。 第１実施形態の、鉄道車両用の台車の側面図である。 第１実施形態の、横梁をＦＥＭ解析した結果を示す斜視図である。 第１実施形態の、横梁の変形を強調したＦＥＭ解析結果を示す斜視図である。 第２実施形態の、鉄道車両用台車枠の斜視図である。 第２実施形態の、横梁の変形を強調したＦＥＭ解析結果を示す斜視図である。 第３実施形態の、鉄道車両用台車枠の斜視図である。 第３実施形態の、横梁の変形を強調したＦＥＭ解析結果を示す斜視図である。 第４実施形態の、横梁の斜視図である。 第５実施形態の、鉄道車両用台車枠の斜視図である。

まず、本発明の第１の実施形態について図面を用いて説明を行う。図１に、第１実施形態の鉄道車両用台車枠１００の部分斜視図を示す。図２に、鉄道車両用台車枠１００の全体斜視図を示す。鉄道車両用台車枠１００は、横梁１１０と側梁１２０とが組み合わされてなる。左側側梁１２０ａと右側側梁１２０ｂとを貫通する様に設けられているのが横梁１１０であり、横梁１１０と側梁１２０とは溶接によって接続されている。横梁１１０は、図１に示すように側梁１２０と接合される横梁端部１１１（左端部１１１ａ及び右端部１１１ｂ）と、左側側梁１２０ａと右側側梁１２０ｂの間に設けられる横梁中央部１１２とを有する。

横梁端部１１１は幅広の長円形状に形成されており、側梁１２０と接合された場合に、側梁１２０の前後方向（即ちレール５０に沿った方向）に幅広となるように配置される。横梁中央部１１２は、横梁端部１１１よりも前後方向に曲線的に拡幅されて幅広に形成され、その横梁中央部１１２に軌道面に対して直交する方向に貫通する貫通孔１１３が設けられている。また、横梁１１０にはスリット１１５が設けられている。スリット１１５は横梁側面、即ちレール５０表面に対して垂直に交わる面に設けられている。スリット１１５は、所定の長さに形成されてその両端に穴１１６が設けられる。つまり、スリット１１５の両端部分はキーホール形状となっている。

スリット１１５の幅は、図１又は図２に示すように横梁中央部１１２の直線部分に両端に設けられる穴１１６が配置できる長さとなっている。図３に、鉄道車両用の台車２００の平面図を示す。図４に、鉄道車両用の台車２００の側面図を示す。鉄道車両に用いる台車２００は、レール５０側から、レール５０の上を走る車輪２０とそれを支える車軸２１、車軸２１を受ける軸受２２、そして軸受２２が支持される軸箱支持装置２３に、台車２００の重量を受ける鉄道車両用台車枠１００、そして軸箱支持装置２３と車体との間で荷重を伝達する車体支持装置４０が備えられる。側梁１２０には、軸箱支持装置２３が取付けられる。これは、台車２００がレール５０上に配置された場合に、ちょうどレール５０と平行に位置する配置である。車体支持装置４０の上には図示しない車体が配置される。

第１実施形態の鉄道車両用台車枠１００を備えた台車２００は上記構成であるので、以下に示すような作用及び効果を奏する。

第１実施形態の台車２００は、平面性捻れが発生した際にも鉄道車両用台車枠１００が追従することで変位を吸収するので、列車の乗り心地の改善や安全性の向上に寄与することができる。これは第１実施形態の鉄道車両用台車枠１００が、レール５０に沿って前後方向に配置された左側側梁１２０ａ及び右側側梁１２０ｂと、枕木に沿って左右方向に配置された横梁１１０を有し、側梁１２０に横梁１１０が接合された鉄道車両用の鉄道車両用台車枠１００と、鉄道車両用台車枠１００に備えられて車体を支持する車体支持装置２３と、鉄道車両用台車枠１００に取付けられ車軸２１を受ける軸受２２を備えた軸箱支持装置４０と、車輪２０及び車軸２１を備える台車２００において、横梁１１０に、ねじり剛性低減部（スリット１１５）が設けられ、左側側梁１２０ａと右側側梁１２０ｂとの位置関係がねじれの関係となった際に、左側側梁１２０ａと右側側梁１２０ｂとの相対位置の変位をねじり剛性低減部（スリット１１５）によって吸収し、車輪２０の輪重抜けを防ぐ構成となっているためである。

軌道の捻れによる車輪２０の輪重抜けを小さくするためには、上下の合成バネ係数Ｋができるだけ小さいことが望ましい。ここで上下の合成バネ係数Ｋは鉄道車両用台車枠１００のねじり剛性Ｋ１と軸箱支持装置２３のバネ係数Ｋ２の直列バネ系である。

よって合成バネ係数Ｋには数式１に示される関係が成り立つ。

そして合成バネ係数Ｋは数式２に示されるように整理され、数式２より輪重抜け防止の観点から合成バネ係数Ｋをできるだけ小さくするには鉄道車両用台車枠１００のねじり剛性Ｋ１はできるだけ小さいことが望ましい事が分かる。

図５に、横梁１１０をＦＥＭ解析した結果を示す。図６に、横梁１１０の変形を強調したＦＥＭ解析結果を示す。図５では、有限要素法による構造解析の結果を示しており、図面左側の左端部１１１ａに捻れの力がかかる想定で解析を行っている。これは、図２に示したように左側側梁１２０ａと右側側梁１２０ｂとに逆向きの力が働いたとの想定である。図５又は図６に示される様に、スリット１１５の両端に設けられた穴１１６の周囲に応力が集中している様子が分かる。解析の結果、スリット無しの横梁に比べて捻れ易くなっている事が確認できた。

このように、鉄道車両用台車枠１００に用いる横梁１１０にスリット１１５を設けることで横梁１１０が捻れ易くなり、左右２本のレール５０の異なるところに継ぎ目があるなどの事情で、鉄道車両用台車枠１００に例えば図２に示すような捻り荷重が生じた場合にも、鉄道車両用台車枠１００がレール５０に追従し易くなるので、輪重抜けを防ぐことができる。つまり、鉄道車両用台車枠１００の捻れ剛性の最適化を図ることが可能となる。

また、図５に示すようにスリット１１５の両端に穴１１６を設けることで、スリット１１５に応力が集中して横梁１１０にダメージを生じることを防ぐことが可能となる。なお、スリット１１５及び穴１１６にはシール材などを用いて水の侵入を防ぐことが好ましい。

なお、図１、図２、図５及び図６には、横梁１１０の横梁中央部１１２の両方にスリット１１５を設けているが、横梁中央部１１２の片側だけにスリット１１５を設けた場合にも、同様の効果が期待出来る。鉄道車両に用いる台車２００には牽引装置受けなど取付けるために、横梁１１０に台座などが設けられる場合がある。このような場合には、スリット１１５を設けると構造上不都合なこともある。前述したような平面性捻れ対策としては一方の横梁１１０にスリット１１５が設けられるだけでも効果が得られるため、２本設けられる横梁中央部１１２の少なくとも一方にスリット１１５が設けられていれば、乗り心地の改善や列車の安全性の向上に寄与することができる。

また、第１実施形態の横梁１１０は、プレス成型した２つの部材を合わせて中空状の横梁１１０が形成される。この為、スリット１１５はその合わせ面に沿って配置される可能性がある。この為、例えばスリット１１５の両端部分、即ち穴１１６が設けられる部分を、横梁１１０の合わせ面を上下に避けて配置されても良い。すなわち、スリット１１５の延長線上を避けて穴１１６を配置する構成であっても良い。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２実施形態は第１実施形態の構成とほぼ同じであるが、横梁１１０Ｂに設けたスリット１１５の幅が異なる。以下にその点について説明する。

図７に、第２実施形態の鉄道車両用台車枠１００の斜視図を示す。図８に、横梁１１０Ｂの変形を強調したＦＥＭ解析結果を示す。図７は第１実施形態の図１に相当し、図８は第１実施形態の図６に相当する。第２実施形態の横梁１１０Ｂは、第１実施形態の横梁１１０に比べてスリット１１５の幅が長く設定されている。第１実施形態では横梁１１０の横梁中央部１１２の直線部分に収まるようにスリット１１５の幅が設定されているのに対して、第２実施形態の横梁１１０Ｂは横梁中央部１１２と横梁端部１１１との接続部分１１４の端部までスリット１１５の幅が広げられている。

なお、スリット１１５の端部には穴１１６が設けられている点は同様である。そして、横梁１１０Ｂに横梁１１０と同様に荷重をかけた場合に、第１実施形態の横梁１１０よりも可撓性が高くなっている。具体的には、図６と図８を比較した場合、横梁１１０の変形具合が高くなっているのに加えて、図中に示すハッチングが濃くなっている。これは、第１実施形態に比べて第２実施形態の横梁１１０に高い応力が発生している事を意味する。また、図６で応力σ１（Ｎ／ｍｍ^２）を中心値として応力を示しているが、図８で示す応力σ２（Ｎ／ｍｍ^２）はσ１に比べて１．５倍程度の値となっている。この結果、より鉄道車両用台車枠１００がレール５０に追従し易くなる。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。第３実施形態は第１実施形態の構成とほぼ同じであるが、横梁１１０Ｃに設けたスリット１１５の幅が異なる。以下にその点について説明する。

図９に、第３実施形態の鉄道車両用台車枠１００の斜視図を示す。図１０に、横梁１１０Ｃの変形を強調したＦＥＭ解析結果を示す。図７は第１実施形態の図１に相当し、図８は第１実施形態の図６に相当する。第３実施形態の横梁１１０Ｃは、第１実施形態の横梁１１０や第２実施形態の横梁１１０Ｂに比べてスリット１１５の幅が長く設定されている。第１実施形態では横梁１１０の横梁中央部１１２の直線部分に収まるようにスリット１１５の幅が設定されているのに対して、第３実施形態の横梁１１０Ｃは、接続部分１１４を超えて横梁端部１１１に達し、側梁１２０の手前までスリット１１５の幅が広げられている。

なお、スリット１１５の端部には穴１１６が設けられている点は同様である。そして、横梁１１０Ｃに横梁１１０と同様に荷重をかけた場合に、第１実施形態の横梁１１０よりも可撓性が高くなっている。具体的には、第１実施形態の解析結果を示す図５の応力σ１に比べて、第３実施形態の解析結果を示す図１０では、中心値として示される応力σ３（Ｎ／ｍｍ^２）は、２．５倍程度の値となっている。この結果、より鉄道車両用台車枠１００がレール５０に追従し易くなる。

次に、本発明の第４の実施形態について説明する。第４実施形態は第１実施形態の構成とほぼ同じであるが、横梁１１０Ｄの構造が異なる。以下にその点について説明する。

図１１に、第４実施形態の横梁１１０Ｄの斜視図を示す。横梁１１０Ｄは、第１横梁部材１３０ａと第２横梁部材１３０ｂの２つを合わせて形成され、鉄道車両用台車枠１００Ｄに用いられる。第１横梁部材１３０ａ及び第２横梁部材１３０ｂは、断面が略Ｕ字状になるようプレス成形されたもので、その内側には仕切部材１３５が設けられている。このような第１横梁部材１３０ａと第２横梁部材１３０ｂには、それぞれスリット１１５が設けられている。スリット１１５の両端には穴１１６が設けられている。

スリット１１５は、第１実施形態同様に横梁中央部１３２に形成され、横梁中央部１３２の左右に形成される接続部分１３４の手前までの幅に形成されている。つまり、横梁中央部１３２の側面の平面部分にスリット１１５が収まるように形成されている。第４実施形態の横梁１１０Ｄはこの様な構成であるので、第１実施形態の横梁１１０と同様の効果が得られる。すなわち、鉄道車両用台車枠１００に用いる横梁１１０Ｄにスリット１１５を設けることで横梁１１０Ｄが捻れ易くなり、左右２本のレール５０の異なるところに継ぎ目があるなどの事情で、鉄道車両用台車枠１００Ｄに例えば図２に示すような鉄道車両用台車枠１００Ｄを捻る方向に荷重が生じた場合にも、鉄道車両用台車枠１００がレール５０に追従し易くなるので、台車２００の輪重抜けを防ぐことができる。

次に、本発明の第５の実施形態について説明する。第５実施形態は第１実施形態の構成と似ているが、横梁１１０Ｅの構造が異なる。以下にその点について説明する。

図１２に、第５実施形態の鉄道車両用台車枠１００Ｅの斜視図を示す。第５実施形態の鉄道車両用台車枠１００に用いる横梁１１０Ｅは、第１実施形態の横梁１１０とは異なり円筒状の鋼材を用いている。横梁１１０Ｅは２本１組で側梁１２０に溶接されており、横梁１１０Ｅの中央部辺りにはスリット１１５が設けられている。スリット１１５の両端には穴１１６が設けられている。

以上、本発明に係る鉄道車両用台車の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、第１実施形態乃至第３実施形態で説明する横梁１１０の構成であるが、スリット１１５を片側だけに設けることを妨げない。上述した様に、本発明は横梁１１０の捻れ剛性を低下させて平面性捻れに対応させる事を目的としている。よって、横梁１１０、１１０Ｂ、１１０Ｃの横梁中央部１１２の何れか一方にスリット１１５を設けた場合でも所定の捻れ剛性低下を実現することが可能である。故に、スリット１１５を片側だけに設ける、両側に設ける、といった構成を選択することを妨げない。又、第１実施形態乃至第３実施形態の構成を組み合わせることを妨げない。

同様に、第４実施形態の横梁１１０Ｄや、第５実施形態の横梁１１０Ｅに関しても片側だけにスリット１１５を設けることを妨げない。また、横梁１１０がこの他の形状をしている場合にも、スリット１１５を設けて捻れ剛性を低下させるといった本発明の適用を妨げない。また、台車２００の形状や構成についても、適宜変更することを妨げない。また、第１実施形態乃至第５実施形態では、図１、図７、図９に示すように、横梁１１０に設けたスリット１１５の長さを調整することにより鉄道車両用台車枠１００のねじり剛性を変化させることが可能であることを示している。すなわち、軌道のねじれが大きい劣悪な条件では、図９のような長いスリット１１５を鉄道車両用台車枠１００の横梁１１０に採用し、逆に軌道のねじれがそれ程大きくない場合は、図１のような短いスリット１１５を横梁１１０に採用することが考えられる。

２０ 車輪
２１ 車軸
２２ 軸受
２３ 軸箱支持装置
４０ 車体支持装置
５０ レール
１００ 鉄道車両用台車枠
１１０、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄ、１１０Ｅ 横梁
１１１ 横梁端部
１１１ａ 左端部
１１１ｂ 右端部
１１２ 横梁中央部
１１３ 貫通孔
１１４ 接続部分
１１５ スリット
１１６ 穴
１２０ 側梁
１２０ａ 左側側梁
１２０ｂ 右側側梁
１３０ａ 第１横梁部材
１３０ｂ 第２横梁部材
１３２ 横梁中央部
１３４ 接続部分
１３５ 仕切部材
２００ 台車

Claims (3)

1. レールに沿って前後方向に配置された左側梁及び右側梁と、枕木に沿って左右方向に配置された横梁を有し、前記側梁に前記横梁が接合された鉄道車両用の台車枠と、前記台車枠に備えられて車体を支持する車体支持装置と、前記台車枠に取付けられ車軸を受ける軸受けを備えた軸箱支持装置と、車輪及び車軸を備える鉄道車両用台車において、
   前記横梁に、ねじり剛性低減部が設けられ、
   前記ねじり剛性低減部が、前記横梁の側面に設けられたスリットであり、
   前記スリットは、前記横梁の側面であって長手方向に長く形成され、
   前記スリットの両端部には、前記スリットの高さより大きい直径を有する穴が形成され、
   前記左側梁と前記右側梁との位置関係がねじれの関係となった際に、前記左側梁と前記右側梁との相対位置の変位を前記ねじり剛性低減部によって吸収し、前記車輪の輪重抜けを防ぐこと、
   を特徴とする鉄道車両用台車。
2. 請求項１に記載の鉄道車両用台車において、
   前記横梁は、前記左側梁及び前記右側梁に溶接されて固定されており、
   前記スリットは、前記左側梁と前記右側梁との間の距離より、短く形成されていること、
   を特徴とする鉄道車両用台車。
3. 請求項１に記載の鉄道車両用台車において、
   前記横梁は、
   前記左側梁又は前記右側梁と接合される両端部に、前記左側梁又は前記右側梁の前後方向に幅広に形成された長円断面を有し、
   前記左側梁又は前記右側梁の前後方向に幅広に形成された中央部には、長円形状の貫通孔が上下に貫通する様に設けられること、
   を特徴とする鉄道車両用台車。

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