JP6747518B2 - 鉄道車両用のヨーイング抑制装置およびそれを含む鉄道車両 - Google Patents

鉄道車両用のヨーイング抑制装置およびそれを含む鉄道車両 Download PDF

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Description

本発明は、鉄道車両用のヨーイング抑制装置、およびそれを含む鉄道車両に関する。
鉄道車両では、進行に伴って、揺動運動などの車体運動が生じる。車体運動としては、たとえば、スウェイングやヨーイングが挙げられる。ヨーイングは、車両の上下方向の軸を中心とする車体の揺動運動である。
上記のような車体運動が生じると、乗り心地が悪化する。そのため、乗り心地を向上させるには、車体運動を抑制する必要がある。車体運動を抑制させる技術として、従来から様々な技術が提案されている。
特開2004−90849号公報(特許文献1)は、鉄道車両の動揺を低減するための技術を開示する。この技術による鉄道車両は、床下を横断する空気流を遮断する部材を備える。特開2007−139100号公報(特許文献2)は、振動の伝達と衝撃とを緩和する緩衝ゴムを有する車両の防振装置を開示している。特開2009−149304号公報(特許文献3)は、鉄道車両のアンチローリング装置を開示している。このアンチローリング装置は、オン/オフ切換え機構を含む。
特開2012−19661号公報(特許文献4)は、リニアアクチュエータを含む鉄道車両用の揺動制御装置を開示している。その揺動制御装置は、リニアアクチュエータと、そのリニアアクチュエータの駆動をアクティブに制御する制御装置とを含む。リニアアクチュエータを用いる揺動制御装置には、リニアアクチュエータを制御するための装置が不可欠である。そのため、そのような揺動制御装置は、高価になる。さらに、そのような揺動制御装置は、車体運動が正しく検知されない場合に機能しない懸念がある。
特開2004−90849号公報 特開2007−139100号公報 特開2009−149304号公報 特開2012−19661号公報
上記の状況から、現在、より安価で電気的な制御に頼らないヨーイング抑制装置が求められている。本発明は、より安価で信頼性が高い、鉄道車両用のヨーイング抑制装置を提供することを目的の1つとする。
本発明の一実施形態によるヨーイング抑制装置は、第1および第2の台車を含む鉄道車両の車体のヨーイングを抑制する、鉄道車両用のヨーイング抑制装置である。この装置は、ねじり棒と、前記第1の台車と前記ねじり棒の第1の部分とを接続する第1の接続部材と、前記第2の台車と前記ねじり棒の第2の部分とを接続する第2の接続部材と、を含む。前記車体の幅方向の中心線に対する前記第1の台車の水平方向における相対位置と前記中心線に対する前記第2の台車の水平方向における相対位置とが異なるときに前記ねじり棒に周方向のねじれが生じるように、前記第1および第2の接続部材は前記ねじり棒と前記第1および第2の台車とを接続する。
本発明の一実施形態による鉄道車両は、車体と、前記車体を支持する第1および第2の台車と、本発明の鉄道車両用のヨーイング抑制装置と、を含む。
本発明によれば、より安価で信頼性が高い、鉄道車両用のヨーイング抑制装置が得られる。
図1は、第1実施形態のヨーイング抑制装置と台車との関係の一例を模式的に示す上面図である。 図2は、第1実施形態のヨーイング抑制装置に含まれる第1の接続部材の一例を模式的に示す斜視図である。 図3は、第1実施形態のヨーイング抑制装置の機能を説明するための上面図である。 図4は、図3の状態における第1の接続部材の機能を模式的に示す斜視図である。 図5は、図3の状態における第2の接続部材の機能を模式的に示す斜視図である。 図6は、第1実施形態のヨーイング抑制装置に含まれる第1の接続部材の他の一例を模式的に示す斜視図である。 図7は、第2実施形態の鉄道車両の一例を模式的に示す側面図である。 図8は、車体のヨーイング加速度の経時変化についての解析結果を示すグラフである。 図9は、車体のヨーイングのパワースペクトル密度(PSD)についての解析結果を示すグラフである。
鋭意検討の結果、本願発明者は、特定の構造によって鉄道車両の車体のヨーイングを特に抑制できることを新たに見出した。本発明は、この新たな知見に基づくものである。
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明では、本発明の実施形態について例を挙げて説明するが、本発明は以下で説明する例に限定されない。以下の説明では、具体的な数値や材料を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の数値や材料を適用してもよい。
本実施形態のヨーイング抑制装置は、鉄道車両用のヨーイング抑制装置である。このヨーイング抑制装置は、第1および第2の台車を含む鉄道車両の車体のヨーイングを抑制する。このヨーイング抑制装置は、ねじり棒と、第1の台車とねじり棒の第1の部分とを接続する第1の接続部材と、第2の台車とねじり棒の第2の部分とを接続する第2の接続部材と、を含む。以下では、車体の幅方向の中心線に対する第1の台車の水平方向における相対位置を「相対位置P1」と称する場合があり、車体の幅方向の中心線に対する第2の台車の水平方向における相対位置を「相対位置P2」と称する場合がある。相対位置P1と相対位置P2とが異なるときにねじり棒に周方向のねじれが生じるように、第1および第2の接続部材はねじり棒と第1および第2の台車とを接続する。
車体の幅方向の中心線とは、上方から見たときに、車体の幅方向(車体の長手方向に垂直な方向)の中心を通る線である。以下では、車体の幅方向の中心線を「中心線CT」と称する場合がある。また、第1の台車の幅方向の中心線を「中心線C1」と称し、第2の台車の幅方向の中心線を「中心線C2」と称する場合がある。相対位置P1は、中心線CT(車体の中心線)に対する、水平方向における中心線C1(第1の台車の中心線)の位置で求めることができる。同様に、相対位置P2は、中心線CT(車体の中心線)に対する、水平方向における中心線C2(第2の台車の中心線)の位置で求めることができる。
相対位置P1と相対位置P2との差が大きくなると、車両のヨーイングも大きくなる。上記のヨーイング抑制装置では、相対位置P1と相対位置P2とが異なる場合に、ねじり棒に周方向のねじれが生じる。このとき、ねじり棒による反力によって、ねじれを解消するように第1および第2の台車に力が加わる。すなわち、相対位置P1と相対位置P2との差が大きくなった場合に、その差を小さくするような力がねじり棒によって生じる。そのため、本実施形態の装置によれば、車両のヨーイングを抑制できる。本実施形態の装置は、電気的な制御装置を必要としないため、信頼性が高く安価であるという特徴を有する。
ねじり棒は、典型的には円柱状であるが、角柱状であってもよいし、一部のみが円柱状であってもよい。あるいは、ねじり棒は、円筒状であってもよいし、一部のみが円筒状であってもよい。たとえば、周方向に回転可能な状態でねじり棒が支持部材によって支持される場合、支持部材によって支持される部分のみが円柱状または円筒状であってもよい。
本実施形態のヨーイング抑制装置では、ねじり棒に加えられる力に対する反力によってヨーイングを抑制する。そのため、ねじり棒には、ヨーイングを抑制可能な反力が生じるねじり棒が用いられる。そのようなねじり棒の一例としては、たとえば、直径が100mm以上(たとえば100mm〜200mmの範囲)にあり、JIS規格のSUP9(横弾性係数78450N/mm2)の丸棒が挙げられる。ただし、本実施形態で用いられるねじり棒はこれに限定されない。たとえば、ねじり棒の材質としては、ばね鋼(JIS規格のSUP3、SUP6、SUP7、SUP9、SUP10、SUP12など)が挙げられる。
本発明の効果が得られる構成である限り、第1および第2の台車の構成に特に限定はない。第1および第2の台車は、公知の台車と同様に、構造部材(側はり、横はり、その他の構造部材)、懸架装置(牽引装置、支持装置、バネ装置、その他の装置)、およびその他の部材や装置を含んでもよい。通常、第1および第2の接続部材はそれぞれ、第1および第2の台車の構造部材に接続されている。たとえば、第1および第2の台車がそれぞれ横はりを備え、それらの横はりに第1および第2の接続部材が接続されてもよい。
第1の接続部材は、第1の部分(ねじり棒)に固定された第1のアームと、第1のアームと第1の台車とを接続する機構の少なくとも一部を構成する軸受(たとえば球面軸受)とを含んでもよい。同様に、第2の接続部材は、第2の部分(ねじり棒)に固定された第2のアームと、第2のアームと第2の台車とを接続する機構の少なくとも一部を構成する軸受(たとえば球面軸受)とを含んでもよい。第1の接続部材および第2の接続部材はそれぞれ、ゴムブッシュなどを含んでもよい。
本実施形態のヨーイング抑制装置では、第1の接続部材は、第1の部分(ねじり棒)に固定された第1のアームと、第1のアームに配置された第1の軸受と、第1の軸受に支持された第1の連結部材と、第1の連結部材と第1の台車とを接続する第2の軸受と、を含んでもよい。第2の接続部材は、第2の部分(ねじり棒)に固定された第2のアームと、第2のアームに配置された第3の軸受と、第3の軸受に支持された第2の連結部材と、第2の連結部材と第2の台車とを接続する第4の軸受と、を含んでもよい。この構成によれば、相対位置P1と相対位置P2とが異なるときに、ねじり棒に周方向のねじれを生じさせることができる。この構成において、第1および第2の軸受から選ばれる少なくとも1つの軸受が球面軸受であってもよく、第3および第4の軸受から選ばれる少なくとも1つの軸受が球面軸受であってもよい。たとえば、第1および第3の軸受に球面軸受を用いてもよい。あるいは、第2および第4の軸受に球面軸受を用いてもよい。
なお、第1〜第4の軸受は、それらによって接続する2つの部材がなす角度のうち、車体の中心線CTの方向に垂直な面内で角度を変化させる軸受であればよい。軸受の例には、すべり軸受、転がり軸受、およびその他の軸受が含まれる。ただし、2つの台車間の距離が変化した場合に対応するため、第1〜第4の軸受のうちの少なくとも1つは球面軸受であることが好ましい。
第1および第2の連結部材には、台車の移動運動をねじり棒に伝達可能な部材が用いられ、たとえば鋼材(例:JIS G 3101で規定される一般構造用圧延鋼材(例:SS400))からなる棒状部材が用いられる。第1および第2のアームも同様である。
本実施形態のヨーイング抑制装置では、第1および第2の連結部材の少なくとも1つがダンパーを含んでもよい。たとえば、第1および第2の連結部材はそれぞれダンパーを含んでもよい。ダンパーを用いることによって、ヨーイングをより抑制できる。ダンパーに特に限定はなく、公知のダンパーを用いてもよい。
本実施形態のヨーイング抑制装置では、ねじり棒が、周方向に回転可能な状態で車体に支持されていてもよい。この場合、ヨーイング抑制装置は、周方向に回転可能な状態でねじり棒を車体に支持させるための1つ以上の支持部材(たとえば複数の支持部材)を含む。支持部材は、たとえば、ねじり棒が貫通する貫通孔を有する支持部材であってもよい。その貫通孔には、ベアリング等が配置されてもよい。
本実施形態の鉄道車両は、車体と、車体を支持する第1および第2の台車と、本実施形態のヨーイング抑制装置と、を含む。この構成によれば、車体のヨーイングを抑制できる。鉄道車両は、車体と、その車体を支持する複数(たとえば2つ)の台車とを含む。台車は、軌道に沿って走行する。車体によって、乗客や貨物が運搬される。
本発明の実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。
(第1実施形態)
第1実施形態では、本発明のヨーイング抑制装置の一例について説明する。図1は、第1実施形態のヨーイング抑制装置および台車を模式的に示す上面図である。
第1実施形態のヨーイング抑制装置100(以下では「装置100」と称する場合がある)は、鉄道車両の車体のヨーイングを抑制する装置である。鉄道車両は、第1の台車11、第2の台車12、車体13(図7参照)、および装置100を含む。
装置100は、ねじり棒101と、第1の接続部材110と、第2の接続部材120とを含む。第1の接続部材110は、第1の台車11(具体的には台車枠)とねじり棒101の一方の端部101a(第1の部分)とを接続する(図2参照)。第2の接続部材120は、第2の台車12(具体的には台車枠)とねじり棒101の他方の端部101b(第2の部分)とを接続する(図5参照)。相対位置P1と相対位置P2とが異なるときにねじり棒101に周方向のねじれが生じるように、第1および第2の接続部材110および120はそれぞれ、ねじり棒101と第1および第2の台車11および12とを接続する。なお、上述したように、相対位置P1は、車体の幅方向の中心線に対する第1の台車11の水平方向における相対位置であり、相対位置P2は、車体の幅方向の中心線に対する第2の台車12の水平方向における相対位置である。
図1では、車両の進行方向Fw(矢印Fw)側の台車を第1の台車11としている。第1の台車11および第2の台車12はそれぞれ、複数(たとえば2つ)の車軸Axを有する。それぞれの車軸Axには、2つの車輪Whが配置される。車軸Axは、側はりSb、横はりCb、および懸架装置(図示せず)などを介して車体の構造部材に接続されている。図1には、台車11および12の構造部材(台車枠)が、側はりSbおよび横はりCbを含む一例について示しているが、本発明はこれに限定されない。
第1の台車11および第2の台車12はそれぞれ、レール1上を走行する。第1の台車11および第2の台車12は、懸架装置などを介して車体を支持および牽引する。
第1の接続部材110の斜視図を、図2に模式的に示す。第1の接続部材110は、ねじり棒101の端部101aに固定された第1のアーム111と、第1のアーム111に配置された第1の軸受111aと、第1の軸受111aに支持された第1の連結部材112と、第1の連結部材112と第1の台車11とを接続する第2の軸受112aとを含む。図2に示す一例では、第1の連結部材112は、第2の軸受112aを介して台車11の横はりCbに接続されている。
第1のアーム111は、ねじり棒101の端部101aに固定されている。そのため、進行方向に垂直な面内で第1のアーム111の角度が変化すると、第1のアーム111はねじり棒101の中心軸を中心に回転する。すなわちその場合、第1のアーム111には、ねじり棒101の中心軸を回転中心とする回転運動が生じる。
一方、第1のアーム111と第1の連結部材112とは、第1の軸受111aによって、回転可能に支持される。具体的には、第1のアーム111は、第1の連結部材112に対して、進行方向に垂直な面内で回転可能に支持される。さらに、第1の連結部材112は、第2の軸受112aによって、台車11(横はり)に対して回転可能に支持される。具体的には、第1の連結部材112は、台車11に対して、進行方向に垂直な面内で回転可能に支持される。
装置100の機能について、図3を参照して説明する。図3は、台車11および12を上方から見た上面図である。なお、図3には、車体13の輪郭、および、車体13の中心線CTを示す。図3に示すように、ねじり棒101の中心軸と、車体の中心線CTとは平行であることが好ましい。さらに、図3に示すように、ねじり棒101は、車体の中心線CT上にあることが好ましい。
図3に示すように、台車11が進行方向Fwに向かって右側に移動し、台車12が進行方向Fwに向かって左側に移動する場合を考える。図3には、車体13の幅方向の中心線CT、第1の台車11の幅方向の中心線C1、および、第2の台車12の幅方向の中心線C2を示す。この場合、車体13の中心線CTと台車11の中心線11Cとの水平方向における差が、台車11の相対位置P1となる。同様に、車体13の中心線CTと台車12の中心線12Cとの水平方向における差が、台車12の相対位置P2となる。図3の場合、相対位置P1と相対位置P2とは異なる。なお、図3では、中心線CTに対する台車11の相対位置P1を矢印P1’で示し、中心線CTに対する台車12の相対位置P2を矢印P2’で示している。
図3の場合の第1のアーム111の角度とねじり棒101の回転との関係を、図4に模式的に示す。台車11の移動とともに、横はりCbは実線矢印の方向に移動する。この場合、第1のアーム111は図4に示すように角度が変化し、それに伴ってねじり棒101に、矢印R1の向きにねじれが加わる。具体的には、進行方向Fwに向かって反時計回りに回転するようにねじり棒101に力が加わる。
図3の場合の第2の接続部材120の動作を図5に模式的に示す。第2の接続部材120は、ねじり棒101の端部101bに固定された第2のアーム123と、第2のアームに配置された第3の軸受123aと、第3の軸受123aに支持された第2の連結部材124と、第2の連結部材124と第2の台車12とを接続する第4の軸受124aとを含む。図5に示す一例では、第2の連結部材124は、第4の軸受124aを介して台車12の横はりCbに接続されている。第3の軸受123aおよび第4の軸受124aはそれぞれ、第1の軸受111aおよび第2の軸受112aと同じ機能を有する。
図5を参照して、図3に示すように台車12が移動した場合、台車12の移動に伴って台車12の横はりCbは実線矢印の方向に移動する。この場合、第2のアーム123は図5に示すように角度が変化し、それに伴ってねじり棒101に、矢印R2の向きにねじれが加わる。具体的には、進行方向Fwに向かって時計回りに回転するようにねじり棒101に力が加わる。
第1の接続部材110の構成と第2の接続部材120の構成とを全く同じ構成としてもよい。それらの構成によれば、相対位置P1と相対位置P2とが同じ場合に、ねじり棒101にねじれが生じることを簡単に防止できる。ただし、その場合、第1の接続部材110と第2の接続部材120との取り付けの向きを、逆にする。具体的には、第2の接続部材120は、第1の接続部材110を、車体の上下方向の軸を中心として180°回転させた配置とすることが好ましい(図1参照)。このように配置することによって、台車11と台車12とが中心線CTに対して逆方向に移動したときに、ねじり棒101にねじれを生じさせることができる。
なお、軸受111a、112a、123a、および124aは、上記の回転が可能である限り特に限定されず、公知の軸受を適用してもよい。なお、それらの軸受の少なくとも1つに球面軸受を用いてもよく、たとえば、軸受112aおよび124aに球面軸受を用いてもよい。球面軸受を用いることによって、台車11と台車12との間の距離が変化する場合に容易に対応できる。
以上のように、第1の台車11と第2の台車12とが中心線CTに対して逆方向に移動した場合、第1の接続部材110によってねじり棒101に与えられる回転の方向と、第2の接続部材120によってねじり棒101に与えられる回転の方向とが逆になる。そのため、ねじり棒101には、周方向にねじれが生じる。この場合、ねじり棒101には、ねじれに対する反力が生じる。この反力は、相対位置P1と相対位置P2との差を小さくするように働く。その結果、本発明のヨーイング抑制装置によれば、相対位置P1と相対位置P2との差が大きくなることが抑制される。
なお、第2の台車12が第1の台車11と同じ量だけ進行方向に向かって右側に移動した場合、相対位置P1と相対位置P2とは同じになる。この場合、第1のアーム111によってねじり棒101に加えられる回転の方向および角度と、第2のアーム123によってねじり棒101に加えられる回転の方向および角度とは、同じになる。そのため、その場合にはねじり棒101にねじれが生じず、ねじり棒101のねじれによる反力も生じない。すなわち、ヨーイング抑制装置100では、相対位置P1と相対位置P2との差が大きいほど、ねじり棒101による反力が大きくなる。その結果、ヨーイングが有効に抑制される。
第1および第2の接続部材110および120はそれぞれ、ダンパーを含んでもよい。たとえば、第1の連結部材112および第2の連結部材124がそれぞれダンパーを含んでもよい。第1の連結部材112がダンパーを含む第1の接続部材110の一例を図6に示す。図6に示す第1の接続部材110は、第1の連結部材112がダンパー112dを含むことを除き、図2に示した接続部材110と同じである。図6に示す第1の接続部材110と同様に、第2の接続部材120もダンパーを含んでよい。
(第2実施形態)
第2実施形態では、本発明のヨーイング抑制装置を含む鉄道車両の一例について説明する。第2実施形態の鉄道車両を図7に模式的に示す。図7の鉄道車両10は、第1の台車11、第2の台車12、車体13、および本発明のヨーイング抑制装置100を含む。本発明のヨーイング抑制装置100は、図7に示すように、ねじり棒101を回転可能に車体13に取り付けるための支持部材102を含んでもよい。支持部材102は、車体の構造部材13aに固定される。ねじり棒101は、支持部材102によって回転可能に支持される。第2実施形態の鉄道車両10は、本発明のヨーイング抑制装置を含む。そのため、車体13のヨーイングが抑制される。
本発明について、実施例によってさらに詳細に説明する。この実施例では、本発明のヨーイング抑制装置の効果を検証するために、鉄道車両用の動解析ツール(Simpack Rail)を用いて解析を行った。この解析において、台車質量は、5684kgと仮定した。また、ねじり棒101として、直径150mmの丸棒を仮定した。丸棒としては、SUP9(横弾性係数78450N/mm2)を仮定した。
この実施例では、本発明のヨーイング抑制装置を用いた場合(本発明例)と用いない場合(比較例)とについて、車体のヨーイング加速度の経時変化、および、車体のヨーイングのパワースペクトル密度(PSD)を求めた。それらの結果を図8および図9に示す。
図8および図9に示すように、本発明例のヨーイング加速度およびPSDは、比較例のそれらよりも大幅に小さかった。この結果は、本発明のヨーイング抑制装置によってヨーイングが効果的に抑制されることを示している。
本発明は、鉄道車両用のヨーイング抑制装置およびそれを用いた鉄道車両に利用できる。
10 鉄道車両
11 第1の台車
12 第2の台車
13 車体
100 ヨーイング抑制装置
101 ねじり棒
102 支持部材
101a 端部(第1の部分)
101b 端部(第2の部分)
110 第1の接続部材
111 第1のアーム
111a 第1の軸受
112 第1の連結部材
112a 第2の軸受
112d ダンパー
120 第2の接続部材
123 第2のアーム
123a 第3の軸受
124 第2の連結部材
124a 第4の軸受
CT 車体の幅方向の中心線
P1’ 相対位置を示す矢印
P2’ 相対位置を示す矢印

Claims (6)

  1. 第1および第2の台車を含む鉄道車両の車体のヨーイングを抑制する、鉄道車両用のヨーイング抑制装置であって、
    ねじり棒と、
    前記第1の台車と前記ねじり棒の第1の部分とを接続する第1の接続部材と、
    前記第2の台車と前記ねじり棒の第2の部分とを接続する第2の接続部材と、を含み、
    前記車体の幅方向の中心線に対する前記第1の台車の水平方向における相対位置と前記中心線に対する前記第2の台車の水平方向における相対位置とが異なるときに前記ねじり棒に周方向のねじれが生じるように、前記第1および第2の接続部材は前記ねじり棒と前記第1および第2の台車とを接続する、鉄道車両用のヨーイング抑制装置。
  2. 前記第1の接続部材は、前記第1の部分に固定された第1のアームと、前記第1のアームに配置された第1の軸受と、前記第1の軸受に支持された第1の連結部材と、前記第1の連結部材と前記第1の台車とを接続する第2の軸受と、を含み、
    前記第2の接続部材は、前記第2の部分に固定された第2のアームと、前記第2のアームに配置された第3の軸受と、前記第3の軸受に支持された第2の連結部材と、前記第2の連結部材と前記第2の台車とを接続する第4の軸受と、を含む、請求項1に記載の、鉄道車両用のヨーイング抑制装置。
  3. 前記第1および第2の軸受から選ばれる少なくとも1つの軸受が球面軸受であり、
    前記第3および第4の軸受から選ばれる少なくとも1つの軸受が球面軸受である、請求項2に記載の、鉄道車両用のヨーイング抑制装置。
  4. 前記第1および第2の連結部材はそれぞれダンパーを含む、請求項2または3に記載の、鉄道車両用のヨーイング抑制装置。
  5. 前記ねじり棒が、周方向に回転可能な状態で前記車体に支持されている、請求項1〜4のいずれか1項に記載の、鉄道車両用のヨーイング抑制装置。
  6. 車体と、
    前記車体を支持する第1および第2の台車と、
    請求項1〜5のいずれか1項に記載の鉄道車両用のヨーイング抑制装置と、を含む、鉄道車両。

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