JP6985945B2 - 鉄道車両用台車 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両用台車に関する。

鉄道車両が曲線軌道を円滑に走行する性能を高めることは、車両開発において重要な技術課題である。特に、曲率の大きい（曲線半径の小さい）曲線区間を通過する鉄道車両に対しては、ここで述べた曲線軌道を円滑に走行すること、言い換えれば、対脱線安全性能を高めることに対する要求が高い。

鉄道車両が曲線区間を走行する場合、特に曲率の大きな曲線（以下、急曲線と呼ぶ）では、輪軸と台車枠との間が弾性支持されている事で、輪軸が台車枠に対してヨー方向に変位できるものの、輪軸の姿勢として、曲線軌道の接線方向に完全に追従はできない。その結果、輪軸の進む方向と、曲線軌道の接線方向との間に角度（アタック角）が生じ、これに伴って、車輪とレールとの間で左右方向に力（横圧）が発生する。著大な横圧は、脱線の要因にもなるため、この横圧を小さく抑えることが重要となる。ここで、輪軸と台車枠との間の弾性支持部の剛性を軸箱支持剛性と呼び、一般的に、急曲線通過時に発生する横圧を小さくするためには、軸箱支持剛性を小さく設定する必要がある。また、この弾性支持部の構造を、軸箱支持装置と呼ぶ。

軸箱支持装置には、従来からの実績や信頼性を考慮して、ウイング式、軸梁式、モノリンク式等の様々な方式が実用化されている。これらの方式の１つとして、ウイング式軸箱支持方式がある（特許文献１、特許文献２）。

特開２００８−２４７２２９号公報 特開２００６−０９６１３７号公報

特許文献１、および、特許文献２で記載されたウイング式軸箱支持装置では、台車枠に対して輪軸を回転可能に保持した軸箱体を、円筒積層ゴムと呼ばれる弾性体を介して弾性支持する構成である。更に特許文献１では、円筒積層ゴムを、コイルばねのコイル内径の内側に配置せずに、軸箱体ないしは台車枠側に固定する構造である。これにより、円筒積層ゴムの外径寸法をコイルばね内径より小さくする制約が無くなるため、円筒積層ゴムの外径を大きくでき、円筒積層ゴムの剛性を小さく（軸箱支持剛性を小さく）できる。これにより、曲線通過時の横圧を低減し、対脱線安全性能を高めることを狙った発明である。しかし、上記の構成では、円筒積層ゴムを固定するために、台車枠と軸箱体構造の構造変更が必要となる。

本発明の目的は、軸箱支持装置周りの構造変更をすることなく優れた曲線通過性能を備え得る鉄道車両用台車を提供することにある。

上記課題を解決するために、鉄道車両を支持する台車の軸箱体の前側および後側の少なくとも１つに支持ゴムを有する軸箱支持装置を有する鉄道車両用台車において、該支持ゴムの平面視において、該支持ゴムの剛性が高くなる軸線（該支持ゴムの圧縮方向に沿った仮想的な軸線）の向きが、車両前後方向に対して傾いている（軸線の向きが車両前後方向に対して角度を設ける）ことを特徴とする。

本発明によれば、軸箱支持装置周りの構造変更をすることなく急曲線通過時の横圧を低減でき、以って、対脱線安全性能を高めることができる。

図１は、実施例１の鉄道車両の側面の模式図である。 図２は、実施例１の軸箱支持装置の側断面の模式図である。 図３は、図２のＫ−Ｋ断面における円筒積層ゴムを示す図である。 図４は、図２のＫ−Ｋ断面の模式図である。 図５は、実施例１の軸箱支持装置を有する台車が曲率の大きな曲線軌道を走行した際の台車挙動の模式図である。 図６は、実施例２の軸箱支持装置を有する台車の挙動の模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の幾つかの実施例を説明する。

以下に本発明の実施例１を図１〜図４に基づいて説明する。

図１において、本実施例に係る鉄道車両１０は、車体１、および、台車１６を有する。なお、本実施例では、１つの車体１の前後方向（車体１の長手方向）に沿って２つの台車１６が備えられているため、実際には、図示されている前側の台車１６（第１の台車の一例）と、図示していないもう片方の台車１６である後側の台車（第２の台車の一例）が備えられる。車体１と台車枠３の間は、空気ばね３０、および、図示していない牽引装置やヨーダンパ等を介して、弾性支持されている。台車１６は、台車枠３、輪軸４ａ、および輪軸４ｂで主に構成される。輪軸４（４ａ、４ｂ）は軸箱体２に対して回転可能に保持されており、その軸箱体２と台車枠３との間は、軸箱支持装置５により弾性支持されている。

図２を用いて、本実施例の軸箱支持装置５の構成要素を説明する。

軸箱支持装置５は、台車枠３、軸箱体２（第１の輪軸体の一例）、台車枠３と軸箱体２を鉛直方向に接続する支持棒３１、コイルばね１２、および、円筒積層ゴム２２（円筒ゴムの一例）で主に構成される。

コイルばね１２は、軸箱体２と台車枠３との間に配置され、主に鉛直方向の弾性支持を担う構成となっている。また、軸箱体２における車体１の前後方向の両端部（または一端部）に、円筒積層ゴム２２が配置される。円筒積層ゴム２２は、その外周部Ａがゴム受け座３２に圧入されており、ゴム受け座３２は軸箱体２の下方よりボルト等で固定されている。円筒積層ゴム２２の内周部Ｂは、支持棒３１の下端部とすきま嵌めで固定されている。支持棒３１の上端部は台車枠３と固定されている。従って、円筒積層ゴム２２は、軸箱体２と台車枠３との間における、主に水平方向の弾性支持を担う構成となっている。

図２において、一点鎖線であるＫ−Ｋ断面線（Ｋ−Ｋ切断線）は、軸箱支持装置５の中心線を含む。図３に、図２のＫ−Ｋ断面を模式的に示す。図３を用いて、円筒積層ゴム２２の構成要素を説明する。

図２のＫ−Ｋ断面図のうちの円筒積層ゴム２２の断面図によれば、円筒積層ゴム２２の水平断面（円筒積層ゴム２２の内周部Ｂが延びる方向と垂直平面での断面）は、円環状のゴム層２２ｂと円環状の金属層２２ｃとが交互に半径方向に沿って積層された構成となっている。中心の金属層２２ｄと最外側の金属層２２ｆとの間にある各ゴム層２２ｂおよび各金属層２２ｃは半円状である。中心の金属層（最内側の金属層）２２ｄ、および、最外側の金属層２２ｆは、円状である。中心の金属層２２ｄから半径方向に沿って最外側の金属層２２ｆにかけて積層したゴム層２２ｂおよび金属層２２ｃの各々は、その円周方向に欠けている。この欠けた部分２２ｅを間隙部２２ｅと呼ぶ。間隙部２２ｅおよび２２ｅは、金属層２２ｄを中心にして対向している（直径に沿って並んでいる）。中心の金属層２２ｄ厚さ（外半径と内半径との差である幅）は、金属層２２ｃおよび２２ｆと比べて、大きくて良い。各金属層２２ｃの厚さは同じで良い。金属層２２ｆの厚さは金属層２２ｃの厚さと同じで良い。各ゴム層２２ｂの厚さは同じで良い。

一般的に、ゴムは圧縮方向で変形させた時には剛性が高く、せん断方向で変形させた時には剛性が低くなる。従って、円筒積層ゴム２２のＫ−Ｋ断面の平面視において、円筒積層ゴム２２のばね特性としては、図３のＣ−Ｃ方向は、ゴムを圧縮方向であるので剛性が相対的に高く（例えば最も高く）、図３のＤ−Ｄ方向は、ゴムをせん断方向であるので剛性が相対的に低く（例えば最も低く）なる。本明細書で、図３に示すように、円筒積層ゴム２２のＫ−Ｋ断面の平面視において、円筒積層ゴム２２で、剛性が相対的に高くなるＣ−Ｃ方向に沿った仮想的な軸線（太い点線で図示）を、以降は「剛性が高くなる軸線」と呼ぶ。「剛性が高くなる軸線」は、典型的には、円筒積層ゴム２２のＫ−Ｋ断面の平面視において、円筒積層ゴム２２のせん断方向と平行な直径と垂直の直径と平行の仮想的な線である。

以上、図３の説明を基に、円筒積層ゴム２２を、例えば下記のように説明することができる。
・円筒積層ゴム２２は、同心状に交互に配置された金属製の筒（以下、金属筒）とゴム製の筒（以下、ゴム筒）とで構成される。最内側および最外側の筒は、例えば金属筒である。
・最内側および最外側の筒以外の全ての筒である中間筒群に、水平断面（例えば、円筒積層ゴム２２の高さ方向における中心での水平断面）において、最内側の層の外周から最外側の層の内周にかけた間隙が設けられる。円筒積層ゴム２２の水平断面において、複数の間隙が設けられる。
・複数の間隙は、円筒積層ゴム２２の水平断面において、最内側の筒を対称の中心として、対称的に設けられる（例えば、複数の間隙が、円筒積層ゴム２２のＫ−Ｋ断面の直径に沿って並ぶ）。

図４（図２のＫ−Ｋ断面の模式図）を用いて、本実施例の軸箱支持装置５について、輪軸４ａに対する円筒積層ゴム２２の配置を説明する。

図４において、図４の右側は車体１の車端側を意味する。車両１０には各台車１６に２本ずつの輪軸（１つの車両１０につき合計４本の輪軸）が搭載されており、図４に示す配置は、車端側の輪軸に適用する。

図４に示すように、車端側の輪軸においては、輪軸４ａに対して、車両１０の前後方向の両端部において、進行方向の前側（進行方向側）に配置した円筒積層ゴム２２の「剛性が高くなる軸線（Ｃ１−Ｃ１）」、進行方向の後側（進行方向反対側）に配置した円筒積層ゴム２２の「剛性が高くなる軸線（Ｃ２−Ｃ２）」の交点が、点線で図示する輪軸中心線１１１よりも、車両前後方向で言えば車端部よりも内側（図４では左側）寄り（輪軸中心線１１１よりも車両中心側）となるように配置されている。この交点を、以降は「仮想回転中心１１０」と呼ぶ。

以上、図４の説明を基に、軸箱支持装置５を、例えば下記のように説明することができる。
・車両１０の平面視において、車両前後方向の前側および後側の少なくとも１つの円筒積層ゴム２２（支持ゴムの一例）の圧縮方向が、車両前後方向（車両長手方向）に対して傾いている。
・例えば、軸箱支持装置５の平面視において、前側の円筒積層ゴム２２の剛性が高くなる第１の軸線と、後側の円筒積層ゴム２２の剛性が高くなる第２の軸線とのいずれも、車両前後方向に対して傾いている。軸箱支持装置５の平面視において、第１の軸線と第２の軸線との交点が、輪軸中心線よりも車両後側に設けられる。

図５を用いて、本実施例の鉄道車両が、曲率の大きな曲線軌道を通過する際に対脱線安全性指標である横圧（車輪とレールの左右方向の力）が低減する時の動作を説明する。

図５は、曲率の大きな曲線軌道に鉄道車両が進入した際の台車挙動を模式的に示した図である。図５に示すように、進行方向の前側（つまり進行方向側）に位置する輪軸４ａ（以降「前輪軸４ａ」と呼ぶ）は、曲線軌道の接線方向に対して、角度（アタック角）３５をなして進入していく。このアタック角３５が大きくなると、前輪軸４ａが軌道に対してヨー方向に角度をもつことになるので、前輪軸４ａのフランジ部１００が軌道と接触しながら走行する。このアタック角３５が大きな状態では、フランジ部１００と軌道との接触部位１０１では、台車全体を、曲線軌道の接線方向に沿わせる（操舵する）ためのモーメントを生じさせるように、図５に灰色矢印で図示する向きに、車輪とレールの左右方向に反力（以下、横圧１０２）が作用する。一方、この状態において、台車の進行方向の後側に位置する輪軸４ｂ（以降「後輪軸４ｂ」と呼ぶ）は、軌道中心に近いところに位置し、フランジ部１００と軌道との接触はしないため、車輪とレールの左右方向の反力である、横圧はさほど大きな値とはならない。

軸箱支持装置５は、この図５で説明した姿勢に推移しようとする際に効果を発揮する。前述の通り、前輪軸４ａでは、フランジ部１００と軌道との接触部位１０１において、横圧１０２が発生する。この横圧１０２は、軌道から前輪軸４ａに対して、前輪軸４ａを軌道中心に向かって押し戻す力と、解釈することもできる。横圧１０２の作用位置と、前述の「仮想回転中心１１０」との間には、車両の前後方向においてモーメントのリーチＨ（前輪軸４ａの中心線１１１と、仮想回転中心１１０との距離）があるため、横圧１０２が作用しはじめると同時に、図５に黒矢印で図示するように、前輪軸４ａを時計回りの方向（操舵する方向）に回転させるモーメントが作用する。これにより、前輪軸４ａは、曲線軌道の接線方向に沿うように姿勢が変わるので、アタック角３５を減らすことができる。このアタック角３５の減少に伴って、前輪軸４ａのフランジ部１００は、曲線軌道から離れようとする方向に姿勢になろうとするので、接触部位１０１で作用する力である、横圧１０２を低減することができる。これにより、車両１０の対脱線安全性能を高めることができる。

なお図５において、車両１０の平面視において、右側（車両左右方向一方）かつ前側の円筒積層ゴム２２の剛性が高くなる軸線（第１の軸線）と右側かつ後側の円筒積層ゴム２２の剛性が高くなる軸線（第２の軸線）との交点と、左側（車両左右方向他方）かつ前側の円筒積層ゴム２２の剛性が高くなる軸線（第３の軸線）と左側かつ後側の円筒積層ゴム２２の剛性が高くなる軸線（第４の軸線）との交点が重なる。

また図５において、進行方向の後輪軸４ｂ側の軸箱支持装置５については、前述の通り、横圧はさほど大きくならないため、後輪軸４ｂ側では円筒積層ゴム２２の「剛性が高くなる軸線」を、前輪軸４ａ側のように斜めとする必要がない。図５の後輪軸４ｂ側に示すような円筒積層ゴム２２の配置とした場合は、「剛性が高くなる軸線」の交点が存在しないため、後輪軸４ｂに横圧が作用した際の、輪軸のヨー方向の運動に対する仮想回転中心も存在しない。従って、後輪軸４ｂではレールからの反力として横圧が作用しても、前輪軸４ａ側のように、仮想回転中心周りのモーメントは発生しない。言い換えれば、横圧に起因する輪軸のヨー方向の運動（ふらつき）も発生しにくいため、後輪軸４ｂの直線安定性は維持されやすい。これに伴い、台車１６全体としての直進安定性も維持でき、更には車両１０全体としての直進安定性も維持できる。

一般的に、急曲線通過時に横圧が最も大きくなるのは、車両１０の進行方向の先頭寄りの第１輪軸（進行方向側から進行方向反対側にかけて第１〜第４輪軸と呼ぶ）である。図５には図示しない、もう片方の台車１６においても、車端側に図５の前輪軸４ａ側を向ける構成となっているため、車両１０が逆方向に走行した場合にも、上述と同様の効果が得られる。図５の構成は、直進安定性だけでなく、対脱線安全性能も高い水準で求められる、新幹線と在来線区間を直通運転するような鉄道車両等に適用できる。

本実施例では、図３で円筒積層ゴムの構造を説明したが、層の数（つまり筒の数）や間隙部２２ｅの切欠量は必要に応じて変えても良い。また、円筒積層ゴム以外の別形態でも「剛性が高くなる軸線」を実現できる場合、支持ゴムとして、円筒積層ゴム以外のゴム部品を用いても良い。

本発明の実施例２を説明する。その際、実施例１との相違点を主に説明し、実施例１との共通点については説明を省略または簡略する。

実施例２の鉄道車両２０に関し、図６に示すように、円筒積層ゴム２２の配置が異なる。具体的には、実施例２では、図６に示すように、図５の前輪軸４ａ側の構造を、台車１７の進行方向の前側、および、後側の両側に適用した構成となっている。

一般的に、地下鉄等の曲率が非常に大きい（曲線半径が非常に小さい）区間を走るような車両の場合、車両進行方向の先頭寄りから第３輪軸においても、第１輪軸ほどではないが大きな横圧が発生する。実施例２では、車両が、どちらの向きに走行しても、台車１６の進行方向の前側の輪軸では、実施例１で説明したメカニズムで横圧を低減できる。これにより、車両がどちらの向きに走行しても、車両進行方向の先頭寄りの第１輪軸だけでなく、第２輪軸においても横圧を低減でき、車両全体としての対脱線安全性を高めることができる。図６の構成は、曲線通過性能を重視する在来線や地下鉄等の車両に適用できる。

以上、幾つかの実施例を説明したが、これらは本発明の説明のための例示であって、本発明の範囲をこれらの実施例にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、他の種々の形態でも実行することが可能である。

例えば、上述の説明を基に、次のような表現がされてもよい。すなわち、支持ゴムの平面視において、支持ゴムの圧縮方向が、鉄道車両の進行方向（前後方向）に対して傾いていてよい。支持ゴムは、例えば、円筒形であり、平面視（例えば支持ゴムの水平断面の平面視）において、支持ゴムの中心を対称の中心として、支持ゴムの直径に沿って複数の間隙が対称的に設けられてもよい。圧縮方向は、複数の間隙が並ぶ直径に沿った方向と垂直の方向である。

１…車体、２…軸箱体、３…台車枠、４…輪軸、４ａ…前輪軸、４ｂ…後輪軸、５…軸箱支持装置、１０…鉄道車両、１２…コイルばね、１６…台車、２０…鉄道車両、２２…円筒積層ゴム、２２ｂ…ゴム層、２２ｃ…金属層、２２ｄ…金属層、２２ｅ…間隙部、３１…支持棒、３２…ゴム受け座、１００…フランジ部、１０１…接触部位、１０２…横圧、１１０…仮想回転中心、１１１…輪軸中心線

Claims (3)

1. 鉄道車両を支持する台車の軸箱体の前側および後側の少なくとも１つに支持ゴムを有する軸箱支持装置を有する鉄道車両用台車において、
   該支持ゴムの平面視において、該支持ゴムの剛性が相対的に高くなる仮想的な軸線の向きが、前記鉄道車両の前後方向に対して傾いており、
   前記進行方向に沿って前記軸箱体の前側および後側に支持ゴムが配置されており、
   前記軸箱体における輪軸の中心を含んだ水平断面の平面視において、前側の支持ゴムに関する前記軸線である第１の軸線と、後側の支持ゴムに関する前記軸線である第２の軸線との交点である仮想回転中心が、前記輪軸の中心よりも前記台車の中心側に位置し、
   前記軸箱体における輪軸の中心を含んだ水平断面の平面視において、前記仮想回転中心は、第１の交点と第２の交点とが重なった点であり、
   前記第１の交点は、前記鉄道車両の右側かつ前側の支持ゴムに関する前記軸線である前記第１の軸線と、前記鉄道車両の右側かつ後側の支持ゴムに関する前記軸線である前記第２の軸線との交点であり、
   前記第２の交点は、前記鉄道車両の左側かつ前側の支持ゴムに関する前記軸線である第３の軸線と、前記鉄道車両の左側かつ後側の支持ゴムに関する前記軸線である第４の軸線との交点であり、
   前記台車は、前記鉄道車両の前記前後方向に沿った前側の軸箱体と、前記鉄道車両の前記前後方向に沿った後側の軸箱体とを有し、
   前記前側の軸箱体に適用されている構成は、前記仮想回転中心を、前記台車の前側の前記輪軸の中心よりも前記台車の中心側に位置するが当該台車の中心を超えず当該台車の中心よりも前側に位置するように前記支持ゴムを配置する構成である、
   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、
   前記後側の軸箱体に適用されている構成は、前記仮想回転中心を、前記台車の後側の前記輪軸の中心よりも前記台車の中心側に位置するが当該台車の中心を超えず当該台車の中心よりも後側に位置するように前記支持ゴムを配置する構成である、
   ことを特徴とする鉄道車両用台車。
3. 請求項１または２に記載の鉄道車両用台車において、
   前記支持ゴムは、円筒ゴムであり、
   前記円筒ゴムの前記平面視において、前記軸線と直交する直径に沿って、前記円筒ゴムの中心を対称の中心として複数の間隙が対称的に設けられている
   ことを特徴とする鉄道車両用台車。

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