JPWO2013061641A1 - 鉄道車両用台車の操舵方法及び装置並びに台車 - Google Patents

Abstract

出口直線部での過操舵状態を解決するだけでなく、前後の車輪軸をラジアル操舵角に設定する場合よりも曲線通過性能を更に向上させる。
鉄道車両に搭載される台車１２の台車枠に対して、車両進行方向前後に配置された２本の車輪軸１１ａ，１１ｂを意図的に回動させる操舵装置の操舵方法において、車両進行方向前側の車輪軸１１ａの操舵角α1を、車両進行方向後側の車輪軸１１ｂの操舵角α2よりも大きくなるように操舵する。

Description

本発明は、鉄道車両に搭載される台車の台車枠に対して、車両の進行方向前後に配置された２本の車輪軸を意図的に回動させる操舵装置の操舵方法、及びこの操舵方法を実施する操舵装置、並びにこの操舵装置を設けた台車、特にリニアインダクションモータにより走行するリニア台車に関するものである。以下、車両の進行方向前側を単に「前側」又は「前方」と、車両の進行方向後側を単に「後側」又は「後方」という。

鉄道車両用台車の操舵装置は、車両が曲線路を通過する際、車輪に作用する旋回抵抗力（横圧）を低減するために、前後に配置された２本の車輪軸をヨーイング方向に回動させるものである。

現在実用化されている操舵装置は、２本の車輪軸を前後対称に回動させるものであり、幾何学上の最も理想的な操舵角（以下、ラジアル操舵角という。）となるように操舵角を設定している。

この車輪軸の車輪が曲線に沿う最も理想的な操舵状態での操舵角であるラジアル操舵角は、図１４に示すように、操舵角をβ、曲線半径をＲ、台車２の中心と車輪軸３の中心との距離をａとすると、下記数式１の関係式となる。なお、図１４中の１は車体、４は軌道を示す。

しかしながら、曲線通過時には、車体や台車の回動に対する抵抗によって実際の操舵角が不足する。従って、ラジアル操舵角となるように操舵角を設定した場合は、車輪軸が軌道曲線の曲率中心Ｃに向くまで回動しない。

そこで、車体と台車間や操舵装置、軸箱支持装置等の各部の抵抗に起因する操舵角不足を補うために、特許文献１では、ラジアル操舵角よりも大きい操舵角を付与する技術を提案している。

この特許文献１で提案された技術のように、設定操舵角をラジアル操舵角よりも大きくした場合は、曲線中央部で、車両の前側台車における前方車輪軸の外軌側の横圧は減少する。以下、車両の前後にそれぞれ配置した２軸台車の車輪軸を、前側から順に第１車輪軸、第２車輪軸、第３車輪軸、第４車輪軸という。

しかしながら、特許文献１で提案された技術も、車輪軸を前後対称に回動させる構造であることに変わりはない。従って、曲線出口の直線部（以下、出口直線部という。）に進入すると、図１５に示すように過度に操舵した姿勢となって、第１車輪軸の内軌側の横圧が増加する。なお、図１５中の、２ａは前側の台車、２ｂは後側の台車、３ａは第１車輪軸、３ｂは第２車輪軸、３ｃは第３車輪軸、３ｄは第４車輪軸、４ａは内軌側の軌道、４ｂは外軌側の軌道を示す。

特開平１０‐２０３３６４号公報

本発明が解決しようとする問題点は、車輪軸を前後対称に回動させる構造の操舵装置の場合、更なる性能向上を目的として操舵角を増加させても、出口直線部に進入すると過度に操舵した姿勢となって第１車輪軸の内軌側の横圧が増加するという点である。

本発明の鉄道車両用台車の操舵方法は、
出口直線部での過操舵状態を解決するだけでなく、前後の車輪軸をラジアル操舵角に設定する場合よりも曲線通過性能を更に向上させるために、
鉄道車両に搭載される台車の台車枠に対して、前後に配置された２本の車輪軸を意図的に回動させる操舵装置の操舵方法において、
前側の車輪軸の操舵角を、後側の車輪軸の操舵角よりも大きくなるように操舵することを最も主要な特徴としている。

本発明の鉄道車両用台車の操舵方法では、前側の車輪軸の操舵角を、後側の車輪軸の操舵角よりも大きくなるように操舵することで、台車姿勢をアンダーステア方向に変化させ、曲線出口での過操舵状態を緩和させて内軌側の横圧の増大を抑制する。一方で、前側の車輪軸を大きく操舵することにより、前側の車輪軸の外軌側の横圧に関しては低減効果が得られる。

本発明によれば、円曲線では前側の車輪軸の外軌側の横圧を低減させて曲線通過性能を更に向上させつつ、曲線出口の直線部における過操舵姿勢を緩和して前側の車輪軸の内軌側の横圧増加を抑制できる。

（ａ）は前側の車輪軸の操舵角を後側の車輪軸の操舵角よりも増加させた場合の挙動を説明する図、（ｂ）は（ａ）図の場合における前後の車輪軸の操舵反力を説明する図である。 ラジアル操舵角に設定した後側の車輪軸に対し、前側の車輪軸の操舵角をラジアル操舵角、ラジアル操舵角より２０％，３０％，４０％，５０％増加させた場合の、円曲線走行中の台車枠のヨーイング角を示した図である。 出口直線部における前側の車輪軸の内軌側の横圧を比較した図で、（ａ）は従来技術と本発明と特許文献１の技術を比較した図、（ｂ）はラジアル操舵角に設定した後側の車輪軸に対し、前側の車輪軸の操舵角をラジアル操舵角、ラジアル操舵角より２０％，３０％，４０％，５０％増加させた場合を比較した図である。 従来技術と本発明と特許文献１の技術の、円曲線中の前側の車輪軸の外軌側の横圧を比較した図である。 後側の第２，４車輪軸をラジアル操舵角とし、前側の第１，３車輪軸をラジアル操舵角より２０％，３０％，４０％増加させた場合の第３車輪軸の踏面摩耗指標を比較した図である。 前側の第１，３車輪軸をラジアル操舵角より２０％増加させ、後側の第２，４車輪軸をラジアル操舵角、ラジアル操舵角より１０％，２０％増加させた場合の第３車輪軸の踏面摩耗指標を比較した図である。 前側の第１，３車輪軸をラジアル操舵角より３０％増加させ、後側の第２，４車輪軸をラジアル操舵角、ラジアル操舵角より５％，１０％増加させた場合の第３車輪軸の踏面摩耗指標を比較した図である。 第１，３車輪軸の操舵角を第２，４車輪軸の操舵角よりも大きくした場合に、本発明の効果がより大きく得られる範囲を示す図である。 第２，３車輪軸をラジアル操舵角とし、第１，４車輪軸をラジアル操舵角より２０％，３０％，４０％増加させた場合の第３車輪軸の踏面摩耗指標を比較した図である。 第１，４車輪軸をラジアル操舵角より２０％増加させ、第２，３車輪軸をラジアル操舵角、ラジアル操舵角より５％，１０％増加させた場合の第３車輪軸の踏面摩耗指標を比較した図である。 第１，４車輪軸をラジアル操舵角より３０％増加させ、第２，３車輪軸をラジアル操舵角、ラジアル操舵角より５％，１０％，１５％増加させた場合の第３車輪軸の踏面摩耗指標を比較した図である。 第１，４車輪軸の操舵角を第２，３車輪軸の操舵角よりも大きくした場合に、本発明の効果がより大きく得られる範囲を示す図である。 本発明の操舵方法を実施する操舵装置の好ましい例を示した図で、（ａ）は側面から見た図、（ｂ）は（ａ）図を背面側から見た平面図である。 操舵角の概念を示した図である。 特許文献１で提案された技術において、出口直線部に進入した場合の第１車輪軸の内軌側の横圧が増加することを説明する図である。

本発明は、出口直線部における過操舵状態を解決するだけでなく、円曲線では前側の車輪軸の外軌側の横圧を低減させて曲線通過性能を更に向上させるという目的を、前側の車輪軸の操舵角を、後側の車輪軸の操舵角よりも大きくなるように操舵することで実現した。

以下、本発明を実施するための実施例を、図１〜図１３を用いて説明する。
前後２本の車輪軸を対称に回動させる操舵装置を備えた従来台車において、ラジアル操舵角に設定して円曲線を走行する場合（以下、従来技術という。）は、実際の操舵角が不足する。

一方、前記従来台車において、ラジアル操舵角より大きい操舵角を付与する場合（以下、特許文献１の技術という。）は、出口直線部における台車姿勢がオーバーステアになって前側の車輪軸の内軌側の横圧が増加するため、更なる性能向上が難しい。

そこで、発明者らは、この問題に対して操舵角を前後非対称にすることを考えた。特開２０００‐２７２５１４号公報には、後側の車輪軸の操舵角を増加させると台車姿勢がオーバーステアとなる技術が開示されている。しかしながら、本発明において着目した問題は、このオーバーステアによって起こるものであり、後側の車輪軸の操舵角を増加させる技術によって解決することはできない。

本発明では、前側の車輪軸の操舵角を後側の車輪軸の操舵角よりも大きくすることで、操舵装置に前後で相違した操舵反力が発生することを利用する。すなわち、台車１１に配置した前側の車輪軸１２ａの操舵角α1を後側の車輪軸１２ｂの操舵角α2よりも増加させてα1＞α2とした場合（図１（ａ）参照）、前側の車輪軸１２ａの操舵反力Ｆ1と後側の車輪軸１１ｂの操舵反力Ｆ2は、Ｆ1＞Ｆ2となる（図１（ｂ）参照）。

図１（ｂ）に示すように、操舵反力Ｆ1とＦ2が不釣合いになったことにより、台車１１には反力の不釣合い分であるＦSが伝達される（図１（ａ）参照）。これにより、Ｍ1なるモーメントが発生するため、円曲線走行中の台車１１の姿勢がアンダーステア方向に変化する。この姿勢変化は、曲線出口での過操舵状態を緩和させるため、内軌側の横圧の増大を抑制することができる。一方で、前側の車輪軸１２ａを大きく操舵していることにより、前側の車輪軸１２ａにおける外軌側の横圧に関しては低減効果が得られる。これが請求の範囲第１項の発明である。

この請求の範囲第１項の発明によって、出口直線部の走行時における前側の車輪軸１２ａの内軌側の横圧を抑制しつつ、曲線走行中における前側の車輪軸１２ａの外軌側の横圧の低減を図ることが出来る。

車輪軸を前後対称に回動させる従来技術及び特許文献１の技術と、前記本発明の性能をシミュレーションによって比較した。

シミュレーション条件として、半径Ｒが１００mの曲線を、３５km／hrの速度Ｖで車輪式リニア車両が走行した場合を想定した。安全性の評価値として、円曲線での前側の車輪軸の外軌側横圧、曲線出口の直線部における前側の車輪軸の内軌側横圧を用いた。

図２は、ラジアル操舵角に設定した後側の車輪軸に対し、前側の車輪軸の操舵角α1を、ラジアル操舵角、ラジアル操舵角より２０％，３０％，４０％，５０％増加させて、円曲線を走行させた場合の台車枠のヨーイング角を示したものである。なお、図２における縦軸は、アンダーステア方向を正としている。

図２より、後側の車輪軸の操舵角α2よりも前側の車輪軸の操舵角α1を増加させると、台車枠のヨーイング角が反操舵方向に増加し、台車がよりアンダーステア姿勢になることが分かる。

これは、前述のように、操舵反力の不釣合い分が台車に伝達され、モーメントＭ1が発生したことに起因する（図１参照）。後側の車輪軸の操舵角α2よりも前側の車輪軸の操舵角α1を増加させると、前側の車輪軸の操舵反力Ｆ1のみが増加してモーメントＭ1も大きくなるため、台車の姿勢はよりアンダーステア姿勢となるのである。

車輪軸を前後対称に回動させる従来技術及び特許文献１の技術の場合、操舵角の増加により出口直線部での前側の車輪軸の内軌側の横圧は増大していた（図３（ａ）の従来技術と特許文献１の技術を参照）。

しかしながら、後側の車輪軸の操舵角α2よりも前側の車輪軸の操舵角α1を増加させる本発明の場合は、上記の姿勢変化により出口直線部での過操舵状態が緩和されるので、前側の車輪軸の内軌側の横圧は、従来技術とほとんど変化しない（図３（ａ）従来技術と本発明を参照）。前側の車輪軸の操舵角α1をラジアル操舵角より２０％から５０％増加させても、前側の車輪軸の内軌側の横圧はほとんど変化しなかった（図３（ｂ）参照）。

一方で、前側の車輪軸を大きく操舵しているので、円曲線での前側の車輪軸の外軌側の横圧は、本発明の場合でも、特許文献１の技術に比べて若干劣るものの、従来技術に比べて低減効果が得られる（図４参照）。

以上、説明したように、請求の範囲第１項の発明では、出口直線部における前側の車輪軸の内軌側の横圧を抑制した状態で、曲線の通過性能の向上が可能となる．

実走行での運用を考えた場合、１車両すなわち２台車で考える必要があり、第１車輪軸〜第４車輪軸それぞれの傾向から曲線通過性を評価しなければならない。

１車両で考えた場合、特許文献１の技術では、操舵角の増加により後側の台車がよりオーバーステア姿勢となる傾向にある。これにより、第３車輪軸ではアタック角が負となって輪径差は不足するなど、曲線通過性能は悪化する。

そこで、第３車輪軸に関して踏面摩耗指標（Elkins&Eickoffの摩耗指標を使用）の評価を加えることにより、安全性とメンテナンス性の両面から本発明の優位点を説明する。

第１，３車輪軸の操舵角が第２，４車輪軸の操舵角より大きくなるように、台車を配置した場合、円曲線中の第１車輪軸の外軌側の横圧、出口直線部での第１車輪軸の内軌側の横圧は、前述と同様な傾向を示し、安全性への効果は同様に得られる。これが請求の範囲第２項の発明である。

一方、第３車輪軸の摩耗指標に関しては、前側の第１，３車輪軸の操舵角を後側の第２，４車輪軸の操舵角よりも大きくしたために、後側の台車でのオーバーステア姿勢も緩和され、摩耗指標の増加も抑制できる範囲が存在する。

図５は、後側の第２，４車輪軸をラジアル操舵角とし、前側の第１，３車輪軸をラジアル操舵角より２０％，３０％，４０％増加させた場合の第３車輪軸の踏面摩耗指標を示した図である。

この図５より、後側の第２，４車輪軸をラジアル操舵角とした場合の、前側の第１，３車輪軸をラジアル操舵角より増加させる割合の最大限界値は、踏面摩擦指標が特許文献１の技術と同等の値である３５．３％であることが分かる。

また、図６は、前側の第１，３車輪軸をラジアル操舵角より２０％増加させ、後側の第２，４車輪軸をラジアル操舵角、ラジアル操舵角より１０％，２０％増加させた場合の第３車輪軸の踏面摩耗指標を比較した図である。

また、図７は、前側の第１，３車輪軸をラジアル操舵角より３０％増加させ、後側の第２，４車輪軸をラジアル操舵角、ラジアル操舵角より５％，１０％増加させた場合の第３車輪軸の踏面摩耗指標を比較した図である。

この図７より、前側の第１，３車輪軸をラジアル操舵角より３０％増加させた場合の、後側の第２，４車輪軸をラジアル操舵角より増加させる割合の最大限界値は、踏面摩擦指標が特許文献１の技術と同等の値である８．８％であることが分かる。

図５〜図７の結果より、第３車輪軸の摩耗指標に関して、特許文献１の技術を超えない限界値を求め、特許文献１の技術より第３車輪の摩耗指標が減少する条件を○、増加する条件を×として図示したものが図８である。

第１，３車輪軸の操舵角α1が第２，４車輪軸の操舵角α2より大きくなるようにした場合、本発明の効果がより得られるのは図８中に○を付した範囲である。すなわち、α1＞α2、第２，４車輪軸がラジアル操舵角以上であり、かつ第２，４車輪軸がラジアル操舵角の場合に第１，３車輪軸がラジアル操舵角より３５．３％増加させた値と、第１，３車輪軸がラジアル操舵角より３０％増加させた場合に第２，４車輪軸がラジアル操舵角より８．８％増加させた値を結ぶ直線で囲まれる範囲である。これが請求の範囲第３項の発明である。

ところで、鉄道車両は進行方向が逆方向になる場合もある。進行方向が逆になる場合は、第１，４車輪軸の操舵角を、第２，３車輪軸の操舵角よりも大きくすることで対応することができる。その場合においても、円曲線中の第１車輪軸の外軌側の横圧、出口直線部での第１車輪軸の内軌側の横圧の傾向は変わらず得られ、第３車輪軸の踏面摩耗指標は減少する。

図９は、第２，３車輪軸をラジアル操舵角とし、第１，４車輪軸をラジアル操舵角より２０％，３０％，４０％増加させた場合の第３車輪軸の踏面摩耗指標を比較した図である。

この図９より、第２，３車輪軸をラジアル操舵角とした場合の、第１，４車輪軸をラジアル操舵角より増加させる割合の最大限界値は、踏面摩擦指標が特許文献１の技術と同等の値である３９．３％であることが分かる。

また、図１０は、第１，４車輪軸をラジアル操舵角より２０％増加させ、第２，３車輪軸をラジアル操舵角、ラジアル操舵角より５％，１０％増加させた場合の第３車輪軸の踏面摩耗指標を比較した図である。

また、図１１は、第１，４車輪軸をラジアル操舵角より３０％増加させ、第２，３車輪軸をラジアル操舵角、ラジアル操舵角より５％，１０％，１５％増加させた場合の第３車輪軸の踏面摩耗指標を比較した図である。

この図１１より、第１，４車輪軸をラジアル操舵角より３０％増加させた場合の、第２，３車輪軸をラジアル操舵角より増加させる割合の最大限界値は、踏面摩擦指標が特許文献１の技術と同等の値である１０．８％であることが分かる。

図９〜図１１の結果より、第３車輪軸の踏面摩耗指標に関して、特許文献１の技術を超えない限界値を求め、特許文献１の技術より第３車輪軸の踏面摩耗指標が減少する条件を○、増加する条件を×として図示したものが図１２である。

第１，４車輪軸の操舵角が第２，３車輪軸の操舵角より大きくなるようにした場合、本発明の効果がより得られるのは図１２中に○を付した範囲である。すなわち、第１，４車輪軸の操舵角＞第２，３車輪軸の操舵角、第２，３車輪軸がラジアル操舵角以上であり、かつ第２，３車輪軸がラジアル操舵角の場合に第１，４車輪軸がラジアル操舵角より３９．３％増加させた値と、第１，４車輪軸がラジアル操舵角より３０％増加させた場合に第２，３車輪軸がラジアル操舵角より１０．８％増加させた値を結ぶ直線で囲まれる範囲である。これが請求の範囲第４項の発明である。

上記本発明の鉄道車両用台車の操舵方法を実施する操舵装置としては、前側の車輪軸の操舵角を後側の車輪軸の操舵角よりも大きくできるものであれば、その構成は特に問わないが、例えば図１３に示すようなリンクを用いた操舵機構を採用することが望ましい。

すなわち、２１は、台車枠２２に一方端側を回転自在に取り付けたてこである。そして、このてこ２１の前記回転の支点２３を挟む等間隔位置と前後の車輪軸２４ａ，２４ｂの軸箱２５ａ，２５ｂの間を第１のリンク２６ａ，２６ｂで回転自在に連結する一方、てこ２２の他方端部とボルスタ２７の間を第２のリンク２６ｃで回転自在に連結する。

このような構成の本発明の操舵機構の場合、曲線通過時には、台車枠２２に対するボルスタ２７の回転により、第２のリンク２６ｃによりてこ２１が支点２３を中心として回転する。そして、てこ２１の始点２３を中心とする回転により、第１のリンク２６ａ，２６ｂ・軸箱２５ａ，２５ｂを介して前後の車輪軸２４ａ，２４ｂをそれぞれ所定の操舵角で操舵する。

この本発明の操舵機構を搭載する、例えばモータを駆動源とする鉄道車両用台車では、図１３の黒塗り矢印のように操舵した場合は、歯車装置やユニットブレーキが車輪軸の回転に対応することが困難である。

従って、本発明の操舵機構を搭載する鉄道車両用台車としては、モータを駆動源とする通常の鉄道車両用台車よりも、図１３に示したような、歯車装置がなく、ディスクブレーキ２８であるために対応が容易な、リニアインダクションモータ２９により走行するリニア車両用が望ましい。

本発明は上記した例に限らないことは勿論であり、請求の範囲に記載の技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

１１ 台車
１２ａ 前側の車輪軸
１２ｂ 後側の車輪軸
２１ てこ
２２ 台車枠
２３ 支点
２４ａ，２４ｂ 車輪軸
２６ａ，２６ｂ 第１のリンク
２６ｃ 第２のリンク

Claims (7)

1. 鉄道車両に搭載される台車の台車枠に対して、車両進行方向前後に配置された２本の車輪軸を意図的に回動させる操舵装置の操舵方法において、
   車両進行方向前側の車輪軸の操舵角α1を、車両進行方向後側の車輪軸の操舵角α2よりも大きくなるように操舵することを特徴とする鉄道車両用操舵台車の操舵方法。
2. 鉄道車両の車両進行方向前後にそれぞれ配置された２軸台車を構成する台車枠に対して、車両進行方向前後に配置された２本の車輪軸を意図的に回動させる操舵装置の操舵方法において、
   車両進行方向前後にそれぞれ配置された２軸台車の、車両進行方向前側の第１，３車輪軸の操舵角α1を、車両進行方向後側の第２，４車輪軸の操舵角α2よりも大きくなるように操舵することを特徴とする鉄道車両用操舵台車の操舵方法。
3. 請求の範囲第２項に記載の鉄道車両用操舵台車の操舵方法において、
   車両進行方向後側の第２，４車輪軸の操舵角α2がラジアル操舵角以上であり、かつ車両進行方向後側の第２，４車輪軸の操舵角α2がラジアル操舵角の場合に車両進行方向前側の第１，３車輪軸の操舵角α1がラジアル操舵角より３５．３％増加させた値と、車両進行方向前側の第１，３車輪軸の操舵角α1がラジアル操舵角より３０％増加させた場合に車両進行方向後側の第２，４車輪軸の操舵角α2がラジアル操舵角より８．８％増加させた値を結ぶ直線で囲まれる範囲で操舵することを特徴とする鉄道車両用操舵台車の操舵方法。
4. 鉄道車両の車両進行方向前後にそれぞれ配置された２軸台車を構成する台車枠に対して、車両進行方向前後に配置された２本の車輪軸を意図的に回動させる操舵装置の操舵方法において、
   第１，４車輪軸の操舵角が第２，３車輪軸の操舵角よりも大きく、第２，３車輪軸がラジアル操舵角以上であり、かつ第２，３車輪軸がラジアル操舵角の場合に第１，４車輪軸がラジアル操舵角より３９．３％増加させた値と、第１，４車輪軸がラジアル操舵角より３０％増加させた場合に第２，３車輪軸がラジアル操舵角より１０．８％増加させた値を結ぶ直線で囲まれる範囲で操舵することを特徴とする鉄道車両用操舵台車の操舵方法。
5. 請求の範囲第１〜４項の何れかに記載の操舵方法を実施する操舵装置が、リンクを用いた操舵機構であることを特徴とする鉄道車両用操舵台車の操舵装置。
6. 請求の範囲第５項に記載の操舵装置を設けたことを特徴とする鉄道車両用台車。
7. 請求の範囲第５項に記載の操舵装置を設けたことを特徴とする鉄道車両用リニア台車。

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