JPWO2009028415A1 - 鉄道車両用二軸台車及び鉄道車両 - Google Patents

Abstract

コストの上昇をできるだけ抑制しながら、曲線軌道を走行する際に前輪軸に発生する横圧を低減する。第１の踏面勾配を有する車輪を備える前輪軸と、第１の踏面勾配とは異なる第２の当面勾配を有する車輪を備える後輪軸とを備える鉄道車両用二軸台車である。後輪軸の車輪の踏面勾配が前輪軸の車輪の踏面勾配よりも大きい。

Description

本発明は、鉄道車両用二軸台車、及びこの鉄道車両用二軸台車を備える鉄道車両に関する。

図７は、鉄道車両用二軸台車１が曲線軌道を走行する状況を示す説明図である。
図７に示すように、台車１が曲線軌道を走行する際には、進行方向の前側の輪軸（以下、「前輪軸」という。）２ｆの外側の車輪３と曲線軌道の外側のレール５との間の左右方向の力Ｆ１（本明細書では「横圧」という）が高まる。

図８は、曲線軌道を走行時の前輪軸２ｆの車輪３と、曲線軌道のレール５との関係を示す説明図である。
図８に示すように、曲線軌道の走行時には、前輪軸２ｆとレール５との相対ヨー角であるアタック角α（図８中に示すように曲線軌道では輪軸が外側のレールに向く方向を正の値とする）が大きくなる。このため、車輪３に過大な横方向すべり（「横クリープ」ともいう）が生じ、図７に矢印で示すように台車１にヨーイングを生じさせ、台車１の前輪軸２ｆにおける横圧Ｆ１が発生する。

一方、進行方向の後側の輪軸（以下、「後輪軸」という。）２ｒでは、後輪軸２ｒの横変位は殆ど発生せず、左右の車輪３の回転半径の差も殆ど生じない。このため、内外のレール５の間で必要となる車輪半径差（「純転がり径差」ともいう）を得ることができず、過大な縦方向すべり（「縦クリープ」ともいう）が生じる。このようにして生じる縦クリープ力Ｆ２は、前輪軸２ｆの横圧Ｆ１を増加させる要因にもなる。

非特許文献１には、後輪軸での縦クリープ、ついで前輪軸での横クリープが、急な曲線軌道の内側のレールに発生する波状摩耗の主な原因である可能性が高いことが記載されている。すなわち、前輪軸の横クリープ（横圧）、および後輪軸の縦クリープを低減できればこの波状摩耗の発生を抑制できると考えられる。

特許文献１には、この横圧を低減するために、前輪軸、後輪軸を回転自在に支持する前後の軸箱支持装置の剛性を変化させる発明や、後輪軸を独立車輪にする発明が開示されている。
特許第２７３８１１４号公報 平成７年鉄道技術連合シンポジウム（Ｊ−Ｒａｉｌ’９５）「急曲線通過時における台車・軌道の特性と波状摩耗発生への影響」

しかし、特許文献１により開示された発明を実施するには、既存の台車の軸箱支持装置や輪軸を改造する必要があり、莫大なコストを要する。

図１は、基本円錐形状の踏面６を有する車輪７の一例を拡大して示す説明図である。図１に示すように、車輪７の踏面６には、直線軌道を走行する際の直進性と、曲線軌道を走行する際の旋回性とを両立するために踏面勾配が設けられている。踏面勾配は、図１において、車輪半径Ｒを測定するために車輪７の幅方向の略中央付近に車輪毎に設定される基準線Ｌと踏面６との交点である車輪基準点Ｚにおいて踏面６が水平面に対してなす角度θを用いて踏面勾配γ＝ｔａｎθとして、定められる。踏面勾配γは、通常、０．０３〜０．０６の範囲に設定される。鉄道車両用二軸台車では４つの車輪の踏面勾配は全て同じ値に設定される。

本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、一方の輪軸の車輪に設けられる踏面勾配と、他方の輪軸の車輪に設けられる踏面勾配とを異ならせることにより、上述した課題を解決することができることを知見して、本発明を完成した。

本発明は、第１の踏面勾配を有する車輪を備える第１の輪軸と、第１の踏面勾配とは異なる第２の踏面勾配を有する車輪を備える第２の輪軸とを備えることを特徴とする鉄道車両用二軸台車である。この本発明にかかる鉄道車両用二軸台車によれば、既存の台車の軸箱支持装置や輪軸の構造を変更することなく、曲線軌道を走行する際に前輪軸に発生する横圧を低減することができる。

この本発明にかかる鉄道車両用二軸台車を使用する際には、第１の輪軸または第２の輪軸のうちで踏面勾配が大きい車輪を備える輪軸が、進行方向の後側に配置されるようにする。この本発明にかかる鉄道車両用二軸台車によれば、前輪軸の車輪が、上述したγが０．０３〜０．０６の範囲にある通常の踏面勾配を有することにより直線軌道での走行安定性を確保しながら、後輪軸における車輪の踏面勾配を前輪軸における車輪の踏面勾配よりも大きくすることにより過大な縦方向すべりを低減して、曲線軌道を走行する際に前輪軸に発生する横圧を低減することができる。

別の観点からは、本発明は、前後に二軸台車を備えた鉄道車両であって、進行方向の後側に位置する後台車よりも横圧が大きくなる進行方向の前側に位置する前台車、又は、前台車および後台車の双方として、進行方向の後側に踏面勾配が大きい車輪を有する輪軸を備える上述した本発明にかかる鉄道車両用二軸台車を用いるものである。この本発明によれば、最も前側の輪軸の車輪が上述した通常の踏面勾配を有することから直線軌道での走行安定性を確保しながら、前台車の後輪軸における車輪の踏面勾配を、前輪軸における車輪の踏面勾配よりも大きくすることにより、曲線軌道を走行する際に前輪軸に発生する横圧を低減することができる。

また、本発明は、前後に二軸台車を備えた鉄道車両であって、進行方向の前側に位置する台車が、進行方向の後側に車輪の踏面勾配が大きい輪軸を有する上述した本発明にかかる鉄道車両用二軸台車であるとともに、進行方向の後側に位置する台車が、進行方向の前側の輪軸の車輪の踏面勾配が、進行方向の後側の輪軸の車輪の踏面勾配よりも大きいことを特徴とする鉄道車両である。これにより、車両の進行方向が変更された場合であっても、直線軌道での走行安定性を確保しながら曲線軌道を通過する際に前輪軸に発生する横圧を低減することができる。

本発明は、既存の台車をそのまま使用して車輪の踏面勾配を変更することだけで実施できることから、コストの上昇をできるだけ抑制しながら、曲線軌道を走行する際に前輪軸に発生する横圧を低減することが可能になる。これにより、前輪軸の横圧と後輪軸の縦クリープ力とがいずれも減少することから、急な曲線軌道の内側のレールに発生する波状摩耗を抑制することが可能になる。

基本円錐形状の踏面を有する車輪の一例を抽出して示す説明図である。 本発明にかかる鉄道車両用二軸台車が曲線軌道を走行する状況を示す説明図である。 シミュレーションを行った後車輪の踏面を示す説明図であり、図３（ａ）は踏面勾配が０．０５である場合を示し、図３（ｂ）は踏面勾配が０．１０である場合を示し、図３（ｃ）は踏面勾配が０．２０である場合を示し、図３（ｄ）は踏面勾配が０．３３である場合を示す。 各種の踏面勾配を有する車輪を組み合わせた場合における前輪軸の外側の車輪に発生する横圧を比較して示すグラフである。 各種の踏面勾配を有する車輪を組み合わせた場合における後輪軸に発生する縦クリープ力を比較して示すグラフである。 各種の踏面勾配を有する車輪を組み合わせた場合における総合クリープ力を比較して示すグラフである。 鉄道車両用二軸台車が曲線軌道を走行する状況を示す説明図である。 曲線軌道を走行時の前輪軸の車輪と、曲線軌道のレールとの関係を示す説明図である。

符号の説明

１ 従来の鉄道車両用二軸台車
２ｆ 前輪軸
２ｒ 後輪軸
３ 車輪
４ 本発明にかかる鉄道車両用二軸台車
５ レール
６ 踏面
７ 車輪
８ 踏面
９ 車輪

図１〜６を参照しながら、本発明の着想から課題を解決するに至るまでの経緯と、本発明を実施するための最良の形態とを説明する。
図２は、本発明にかかる鉄道車両用二軸台車４が曲線軌道を走行する状況を示す説明図である。

鉄道車両用二軸台車４が曲線軌道を通過する際、後輪軸２ｒに発生する縦クリープ力Ｆ２を小さくするには、内外のレール５の間での必要な車輪半径差が得られるようにすればよい。そのため、後輪軸２ｒにおける車輪３の踏面３ｒの踏面勾配γ_３ｒを大きく設定することによって後輪軸２ｒを外側にわずかに変位させるようにすれば、純転がり径差に近くなって縦クリープ力Ｆ２を低減することができる。また、後輪軸２ｒの車輪３の踏面３ｒの踏面勾配γ_３ｒをさらに大きく設定すると、純転がり径差以上の車輪半径差を得ることができる。このとき、縦クリープ力Ｆ２は前輪軸２ｆの外側の車輪３に発生する横圧をさらに低減する効果を有する。

ただし、後輪軸２ｒにおける車輪３の踏面３ｒの踏面勾配γ_３ｒのみならず、前輪軸２ｆにおける車輪３の踏面３ｆの踏面勾配γ_３ｆをも大きく設定すると、直線軌道での走行安定性が低下する。このため、後輪軸２ｒの車輪３の踏面３ｒの踏面勾配γ_３ｒのみを大きく設定するとともに前輪軸２ｆの車輪３の踏面３ｆの踏面勾配γ_３ｆは、γが０．０３〜０．０６の範囲にある通常の踏面勾配とすることにより、直線軌道での走行安定性をも確保することができる。

この本発明にかかる鉄道車両用二軸台車１によれば、前後の輪軸２ｆ、２ｒの車輪３、３の踏面３ｆ、３ｒの踏面勾配γ_３ｆ、γ_３ｒをいずれも大きく設定する場合よりも、直線軌道における走行安定性が増加するとともに、曲線軌道を走行する際には図２に示すように後輪軸２ｒがわずかでも外側に変位するようになり、これにより前輪軸２ｆの外側の車輪３に発生する横圧が低減される。これにより、直線軌道での走行安定性の維持と、曲線軌道を通過する際における横圧の低減とをともに図ることができる。

本発明は、以上の着想に基づいてなされたものである。次に、本発明の効果を説明する。
本発明の効果を確認するため、半径３００ｍ、カント１０５ｍｍの曲線軌道を、近郊通勤車両が７５ｋｍ／ｈで走行する状態を模擬したシミュレーションを行った。シミュレーションを行った前車輪の踏面勾配γは０．０５で一定とした。

図３は、このシミュレーションを行った後車輪９の踏面８を示す説明図であり、図３（ａ）は踏面勾配γが０．０５である場合を示し、図３（ｂ）は踏面勾配γが０．１０である場合を示し、図３（ｃ）は踏面勾配γが０．２０である場合を示し、さらに図３（ｄ）は踏面勾配γが０．３３である場合を示す。

図３（ａ）〜図３（ｄ）では、図１と同様に、符号Ｌは基準線を示すとともに符号Ｚは車輪基準点を示す。また、図３（ａ）〜図３（ｄ）に示す各種の寸法は、車輪の仕様等により変動するものであり、あくまでも一例を示すものである。

このシミュレーションでは、前輪軸の外側の車輪に発生する横圧Ｆ１と、後輪軸に発生する縦クリープ力Ｆ２とともに、波状摩耗の発生に影響する外側の車輪に発生する横圧Ｆ１と縦クリープ力Ｆ２との和Ｆ１＋Ｆ２（以下、これを「総合クリープ力」という。）を調べた。この総合クリープ力（Ｆ１＋Ｆ２）が小さいことは、波状摩耗が発生し難いことを意味する。

シミュレーションの結果を、表１及び図４〜図６に示す。図４は、各種の踏面勾配を有する車輪を組み合わせた場合における前輪軸の外側の車輪に発生する横圧Ｆ１（ｋＮ）を比較して示すグラフであり、図５は、この場合における後輪軸に発生する縦クリープ力Ｆ２（ｋＮ）を比較して示すグラフであり、さらに、図６は、この場合における総合クリープ力（Ｆ１＋Ｆ２）を比較して示すグラフである。

後輪軸の車輪の踏面勾配γが０．１０、０．２０または０．３３である本発明例では、図２に示すように台車４が曲線軌道を走行する際に、表１及び図４に示すように、前輪軸の外側の車輪に発生する横圧Ｆ１が減少する。すなわち、後輪軸の車輪の踏面勾配を前輪軸の車輪の踏面勾配よりも大きく設定することにより、後輪軸がわずかに外側に位置するようになり、後輪軸の左右の車輪での転がり半径差の不足量が減少する。

この半径差の不足量が減少することによって、表１及び図５に示すように、縦クリープ力Ｆ２も小さくなり、半径差が過多になると反対方向の縦クリープ力となる。この縦クリープによるモーメントが前輪軸の外軌側レールに発生する横圧Ｆ１の原因であるため、その縦クリープを減少できるために横圧Ｆ１を低減することができる。

また、本発明により横圧Ｆ１及び縦クリープ力Ｆ２が低減されるので、表１及び図６に示すように総合クリープ力（Ｆ１＋Ｆ２）も減少し、これにより、急な曲線軌道の内側のレールに発生する波状摩耗を抑制することができる。

本発明は、通常の二軸台車のみならず、連結される二つの車両の連結部分に配置される連接二軸台車に対しても、適用することができる。
さらに、本発明にかかる台車を、車体と結ぶ装置には、揺れ枕つり方式やボルスタレス方式等の各種の方式を適用することができる。

波状摩耗が発生する急な曲線軌道を走行する車両の台車に用いることができる。

Claims (5)

1. 第１の踏面勾配を有する車輪を備える第１の輪軸と、前記第１の踏面勾配とは異なる第２の踏面勾配を有する車輪を備える第２の輪軸とを備えることを特徴とする鉄道車両用二軸台車。
2. 前記第１の輪軸または前記第２の輪軸のうちで前記踏面勾配が大きい車輪を備える輪軸が、進行方向の後側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用二軸台車。
3. 前後に二軸台車を備える鉄道車両であって、進行方向の前側に位置する台車は、請求項２に記載の鉄道車両用二軸台車であることを特徴とする鉄道車両。
4. 前後に二軸台車を備える鉄道車両であって、進行方向の前側および後側に位置する台車は、いずれも、請求項２に記載の鉄道車両用二軸台車であることを特徴とする鉄道車両。
5. 前後に二軸台車を備えた鉄道車両であって、進行方向の前側に位置する台車は、請求項２に記載の鉄道車両用二軸台車であるとともに、進行方向の後側に位置する台車は、進行方向の前側の輪軸の車輪の踏面勾配が、進行方向の後側の輪軸の車輪の踏面勾配よりも大きいことを特徴とする鉄道車両。

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