WO1998017520A1 - Dispositif support de boite d'essieu pour bogie - Google Patents

Description

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ボギー台車用軸箱支持装置 技術分野

本発明は、 鉄道車両用ボギー台車の軸箱支持装置に関するものであり、 特に操 舵機能を必要とする台車に用いるのに適した軸箱支持装置に関する。 背景技術

従来の鉄道車両は左右の車輪が車軸に固定され、 等しい回転速度で走行すると ともに、 車輪とレールの接触部にはいわゆる踏面形状と称される勾配がつけてあ り、 曲線部におし、ては遠心力等の作用により輪軸が曲線の外側へ変位することに より内外輪の回転半径差を生じさせて、 レールとの間のすべりを微小範囲に留め る仕組みとなっている。 また、 急曲線の場合、 軌道側でスラックと称する軌間拡 大を行い、 内外輪の回転半径差をさらに大きくとれるようにしている。 しかしな がら、 単体の車輪としてはこのような自己操舵性を保有するものの、 従来のボギ 一台車では直線部を高速走行する際発生の恐れのある蛇行動防止のため台車枠と 軸箱との間に前後方向に剛性をもたせた軸箱支持装置を設けるという特徴を有し ている。 また、 その機構上車軸の両端を台車枠と弾性締結する結果となり、 曲線 経過時に各車軸を曲線中心に振り向けようとすると、 支持弾性力を越える力を伝 達する必要から、 例えば特開平 05- 77フ30号公報に記載の発明のように各車軸およ び台車枠間をリンクで結ぶ機構が用いられていた。

しかしながら、 これらの方式は一般の台車と比較して構造が複雑となり、 重量 、 制作費、 保守費の増加を招くことから、 例えば J R北海道 2S3 系気動車のよう に高速運転を必要とする特急列車用等、 採用されるのは限られた用途のみである そこで、 本発明は、 各車軸が曲線中心に向かう場合、 台車枠に対して車軸の中 心間距離を保ちながら、 その重心を中心として水平回転変位を起こす特性に着目 し、 その動きを可能とする軸箱支持装置の提供を目的とする。 発明の開示

上記の目的を達成するために、 請求項 1の発明は、 各車軸を台車枠に対して輪 軸の重心を中心とする垂直円筒面内に閉じ込めることにより、 軸全体の前後動を 防止しつつ、 車軸を水平面内回転方向の変位を可能する軸箱支持装置としたもの 乙、'ある。

請求項 2の発明は、 台車枠と軸箱との間に輪軸の重心を中心とする垂直円筒の 一部をガイ ドとする積層ゴムばねを設置するとともに、 牽引力の伝達を合わせ行 なうことが可能である。

なお、 この場合、 軸ばね部にねじれ応力が働くことになるが、 輪軸の水平回転 方向に波形断面に形成された別の積層ゴムばね体を軸ばねと直列に挿入すること により軸ばねの過大なねじれ変形を防止する構成としてある。

請求項 3の発明では、 車軸を水平面内回転運動可能としたことによる共振を防 止するためにオイルダンパ等の減衰力作用要素を付加することによつて安全な走 行性能を得る効果がある。

請求項 4の発明では、 直線部高速走行時や急激な踏面ブレーキ等必要な場合、 車軸の水平面内回転をロックする機構を備えることにより蛇行動等を防止する効 果がある。

請求項 5の発明は、 強制操舵台車に適用する場合、 本発明による軸箱支持装置 は、 輪軸が台車枠に対して水平回転変位する特性を有するため、 減速装置を備え た回転モータを各軸ごとに必要な回転変位量だけ演算装置からの出力によって駆 動することにより当該車軸を曲線中心に向けることが可能になる。

以上のように、 本発明によれば、 従来のボギー台車の問題であった輪軸と台車 枠間のョーィング拘束を開放して、 輪軸がその重心を中心として台車枠に対して 水平回転により輪軸を曲線の中心方向に振り向けることが可能となり、 しかもそ の機構は従来の台車と比較して特別な機構を付加することなしに実現できるもの である。 これにより、 曲線通過時の横圧の低減と車輪フランジおよびレールの磨 耗と車輪のきしり騒音の防止に対して飛躍的な改善効果が達成できる。 図面の簡単な説明

図 1は （a ) 及び （b ) から成り、 （a ) は本発明による軸箱支持装置を取り 付けた台車の曲線通過時の理想状態を示したものであり、 （b ) は従来の台車が 曲線を超低速で通過する際の状態を模式的に表したものである。

図 2は本発明による輪軸の重心を中心とする垂直円筒面 Aの一部の曲面をガイ ドとする軸箱支持装置を軸箱の両側に取り付けた構造を示し、 左側半分は台車枠 の断面を示し、 右側半分は積層ゴムばね体の取付け部のみを断面して示してある o

図 3は円筒の一部をガイ ドとする積層ゴムばね体を軸箱体に取り付けた構造を 示す。

図 4は図 2の矢印 I Vの方向から見た正面図である。

図 5は図 4の矢印 Vの方向から見た側面図である。

図 6は軸ばねに直列に配置される別個の積層ゴムばね体の形状を示す斜視図で める。

図 7は輪軸の水平回転運動から来る共振現象の発生を防止するための減衰力作 用要素を台車枠と軸箱の間に取り付けた構造を示す。

図 8.は直線区間高速走行時や急激な踏面ブレーキ作用時等に輪軸の水平回転自 由度をキャンセルするロック機構を一部断面して示す部分正面図である。

図 9は （a ) 及び （b ) から成り、 （a ) は図 8のロック部のはす歯形を嚙み 合わせ才ス型の平面図で示したものであり、 （b ) は円筒案内部を円筒ゴムとし た場合の断面 （右側半分） を含む正面 （左側半分） 図である。

図 1 0は本発明の軸箱支持装置を強制操舵台車に適用した場合を示し、 台車枠 に固定した減速機構付きの回転モータにより輪軸重心を中心とする軸箱の回転を 直接駆動制御する操舵機構の斜視図である。

図 Γ 1は図 1 0に示した軸箱の回転を駆動制御する機構のうちのケ一シング内 にある軸箱先端を回転させる構造を示す平面図である。

図 1 2は図 1 1の線 Π - Ι に沿って切断した部分断面図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の実施の形態の一例を図面により詳細に説明する。

図 1の（a) は、 請求項 1の発明による軸箱支持装置を取り付けた台車の曲線経 過時の理想状態を示したものであり、 図 1 (b) は従来台車が曲線を超低速で通過 する際の状態を模式的に表している。 ちなみに、 高速で曲線部に進入すると、 フ ランジが外側レールとの接触による反力により車輪が曲線内側方向に振り向けら れるが、 軸箱支持装置により軸端部に働く拘束力が、 図 1の（b) のように両軸が 平行を保とうとする力として作用することを表している。

両者を比較すると、 従来の台車では、 図 1の（b) に示すように、 車軸 2の両端 部が台車枠 1と弾性結合しているために、 曲線経過時において両軸 2が平行を保 とうとする力が働くのに対して、 請求項 1の本発明の台車では、 輪軸の重心を中 心とする水平方向回転を許容する機能を具備した軸箱支持装置によりしかも従来 の方式に特別な機構を付加することもなく図 1の ） のように車輪が曲線のレー ルに沿った理想的な状態を実現できる。

本発明による輪軸 4の水平回転を許容する機構を図 2により説明する。 軸箱 5 側と台車枠 1側には、 輪軸 4の重心 0を中心とする、 図面の平面に対して垂直な 円筒面 Aの一部をなす曲面をガイ ドとして形成するものである。 これにより、 一 定の範囲内において、 輪軸 4はその重心 0を中心として水平回転運動が保証され る ο

原理的には、 軸箱 5側と台車枠 1側の双方に上記垂直円筒面 Aの一部を形成し た上でその二曲面を接触摺動により構成する方法もあるが、 請求項 2の発明にお いては、 図 2の軸箱 5側と台車枠 1側の二曲面の間の空間 （輪軸の両側に一つず つ） にそれぞれ図 3に示すように同様の曲面加工された金属板 1 1とゴム層 1 2 を交互にはさんで積層した積層ゴムばね体 1 0を取り付け、 したがつてこの積層 ゴムばね体 1 0を介して軸箱体 5 ' と台車枠 1が結合される。 図 3に示す本発明 による積層ゴムばね体 1 0は、 前述した垂直円筒面 Aの一部を形成する軸箱体 5 ' の曲面 5 aに設けた四つの孔に、 積層ゴムばね体 1 0を貫通する例えば 4本の ねじ付きスタツ ド 7の、 凹型曲面から突出するねじ部分を差し込んでナツ 卜 9に より締め付け固定される。 軸箱体 5 ' の平らな面 5 bは図 2から明らかなように 軸箱 5の側面に固定される。 軸箱体 5 ' と反対側に突出するスタッ ド 7の先端ね じ部は後述するように台車側にナツ ト 1 4により固定される。

積層ゴムばね体そのものは種々の形状で台車に伝わる振動を緩衝するために用 いられていて周知である。 しかしながら、 本発明による積層ゴムばね体 1 0は従 来技術のものと使用目的、 形状および配置において全く異なるものである。 一般に、 ¾層ゴムばね体はゴムの圧縮方向には変形が少なく、 せん断方向に大 きな変形を許容する特性をもつ。 このため、 本発明による積層ゴムばね体 1 0は レールの継手やボイント等の上下の動きを吸収し、 曲線通過の際台車枠 1に対し て輪軸 4の水平回転変位を許容するとともに、 一定の復原力特性をもつ。 また、 円筒面 Aの一部を形成しているために、 車両の加減速に対しては積層ゴムばね体 1 0に働く応力のうち、 進行方向圧縮成分により牽引力の伝達機能を果たす。 次に、 本発明の軸箱支持装置を有する台車の作用を説明する。 従来の技術の項 で述べたように一対の車輪 3をもつ輪軸 4は曲線部に差しかかると、 遠心力によ り曲線外側に移動し、 踏面形状にしたがって内外輪の半径差を生じ、 相対的に外 側輪は前方へ進むことによりレールとの間の大きなすべりを発生させることなく 曲線部を円滑に走行できる。 本発明による軸箱支持装置はこのような変位を容易 にするように働くのである。 図 1の（a) はその状態を表したものである。 この図 によれば、 輪軸 4は台車枠 1に対して水平回転しなければならないことが明らか であり、 従来の台車においての車軸 2の両端部において、 車軸 2の水平回転方向 への拘束力が軸箱支持装置によって発生していることが分かる。 このように、 本 発明の軸箱支持装置によれば、 輪軸 4の水平回転方向への変位の容易性が、 曲線 通過の際に必要な台車枠 1に対しての回転を保証し、 自己操舵性能を付与する効 果をもつ。

請求項 2の本発明による軸箱支持装置を、 いわゆる軸ばね型台車に適用した場 合を図 2〜 6に示す。

図 2および 4において、 軸箱 5をはさむ台車枠 1の両側に輪軸 4の重心 0を通 る方向に沿って斜めに延びる （図 2参照） リブ板 l aを有し、 このリブ板 l aは 台車枠 1の上板 1 b、 裏板 1 c、 下板 1 dに溶接されている。 このリブ板 1 aの 突出側下端部に横長孔 1 eが所定の位置に設けられている。 一方、 軸箱体 5 ' に 取り付けた積層ゴムばね体 1 0 (図 3参照） と台車枠 1の間は種々の仕方で結合 することができるが、 図の例では両者の間に別プロックとして設けられる台車側 積層ゴムばね体取付け部材 3 0を用いており、 この部材 3 0は、 軸箱体 5 ' に固 定された積層ゴムばね体 1 0の側と反対側の垂直円筒面の一部を形成する曲面 1 3 (図 2参照） に合わせた垂直曲面板 3 1と、 この垂直曲面板 3 1から水平方向 に延びていてかつ台車枠 1の下板 1 dに取り付けられる水平板 3 2と、 垂直曲面 板 3 1と水平板 3 2との間に固定されかつ前記台車枠 1のリブ板 1 aに隣接して 、 輪軸の重心に向かう方向に斜めに延びるステー 3 3とからなり、 ステ一 3 3の 上端外縁からさらに水平板 3 2の切欠きおよび台車枠の下板 1 dの切欠きを通つ て上方へ吊り耳 3 4が延びている。 この吊り耳 3 4には、 前記台車枠 1のリブ板 1 aの横長孔 1 6に対応する位置にねじ孔またはバカ孔が開けられていて、 ボル 卜 3 5によりこの別プロックとしての台車側積層ゴムばね体取付け部材 3 0を吊 り下げることができるようになつている。 なお、 垂直曲面板 3 1には、 積層ゴム ばね体 1 0から突出するスタッ ド 7の先端ねじ部を通すための四つの貫通孔 3 6 が設けられている。 このようにして、 台車枠 1に吊り下げられた台車側積層ゴ ムばね体取付け部材 3 0を介して、 台車枠 1を、 軸箱体 5 ' にすでに固定されて いる積層ゴムばね体 1 0に連結固定するためには、 台車側積層ゴムばね体取付け 部材 3 0をボルト 3 5を中心として積層ゴムばね体 1 0に向かって回動させ、 そ の際積層ゴムばね体 1 0の突出するスタツ ド 7のねじ端部が台車側積層ゴムばね 体取付け部材 3 0の垂直曲面板 3 1の貫通孔 3 6を通るようにするには、 吊り耳 3 4のボルト 3 5を台車枠 1のリブ板 1 aの横長孔 1 eに沿って手前に引っ張つ た後に再び前記垂直曲面板 3 1をスタツ ド 7側に押しつければよい。 その後、 積 層ゴムばね体 1 0の曲面 1 3に当接した垂直曲面板 3 1から突出するスタツ ド 7 のねじ端部にナツ ト 1 4をねじこんで締め付けるとともに、 台車枠 1の下板 1 d と、 これに当接している台車側積層ゴムばね体取付け部材 3 0の水平板 3 2とを ボルトナツ ト 3 7により締め付け固定する。 このようにして、 台車の組立解体作 業が安全で容易となる効果が達成できる。

また、 本発明の軸箱支持装置を軸ばね形台車に適用した場合には、 輪軸 4の水 平方向回転変位に、 車軸上の軸ばね 8がねじれ変形により追随することを容易に するために、 さらに図 4から明らかなように、 輪軸 4の水^ F回転方向に対しての み変形容易な特性をもつ別個の積層ゴムばね体 2 0を軸ばね 8と直列に配置する ことにより、 輪軸 4の水平変位を円滑にする効果が達成できる。 図 6に、 別個の 積層ゴムばね体 2 0を斜視図で示す。 この積層ゴムばね体 2 0は、 輪軸の重心 0 を中心とする水平回転方向に平行な波形を有する金属の波形板 2 1と、 この波形 板を介して上下に重ねられた二枚の積層ゴム波形体 2 2と、 これらの積層ゴム波 形体 2 2に適合した波形を内面に有する上下の金属板 2 3、 2 4とからなる。 な お、 最も上の金属板 2 3には、 軸ばね 8の下端が入るリング溝またはリング状突 起 2 5が設けられている。 このように、 輪軸の重心を中心とする水平回転方向に 平行な波形ガイ ドにより水平回転方向に変形容易となる。

図 7は請求項 3の発明に関し、 本発明の軸箱支持装置は輪軸 4の水平回転運動 を許容する構成となっていることから、 共振現象の発生を防止する必要があるが 、 輪軸の先端が円弧上で往復運動の形態をとるため、 直線近似による減衰力作用 要素 4 0としてオイルダンパを台車枠 1と軸ばね 5との間に取り付けてある。 ォ ィルダンバ 4 0のシリンダ 4 1が台車枠 1にピン 4 2で枢着され、 かつロッ ド側 がピン 4 3で軸箱 5の突出部 4 4に枢着されている。 なお、 8は軸ばね、 2 0は 前記の別個の波形積層ゴムばね体を示す。

図 8は請求項 4の発明に関するものであり、 直線区間高速走行時や急激な踏面 ブレーキ作用時等、 必要な場合に、 輪軸 4の水平回転自由度をキャンセルするた めのロック機構 5 0の一例を示したもので、 戻しばね付きエアシリンダ 5 1に圧 縮空気を送りこむことによってロックする方式を示している。 しかしながら、 戻 しばね 5 2を逆方向に使用してエアの圧力を解錠側に用いる場合も考えられる。 なお、 ロックの嚙み合わせ部を図 9の（a) の平面図に示すようにはす歯形状とす ることにより円滑な鎖錠が可能となる。 図の例では、 実施の形態として軸箱 5に 取り付けた内側円筒案内 5 3およびこの円筒案内 5 3の外周に上下動可能に嵌ま つている外側円筒案内 5 4の上部にはす歯形ストッパ 5 5を取付け、 その直上の 台車枠 1に固定された戻しばね付きエアシリンダ 5 1によって下降する、 同様な はす歯形凹部を有するロック部 5 6に嚙み合わせる方式を示している。 さらに、 この円筒案内は、 図 9の（b) に示すような円筒ゴムによる方式や軸ばね用オイル ダンバとすることも可能である。

なお、 図 9の（b) に示す円筒ゴム方式のものを説明すると、 円筒ゴム 5 7と金 属円筒 5 8を半径方向に交互に積層したもので、 上方の円筒ゴム積層体 5 9は外 側から中心に向かうにつれて軸方向長さが下方に長くなっており、 下方の円筒ゴ ム積層体 5 9 ' はその逆になつている。 最も外側の円筒ゴムが外側円筒案内 5 4 に固定されているとともに、 最も内側の円筒ゴムが内側円筒案内 5 3に固定され ており、 円筒ゴムの弾性により内側円筒案内 5 3が外側円筒案内 5 4に対し相対 的に軸方向に上下動可能である。

図 1 0は請求項 5の発明を説明するものであり、 強制操舵台車に本発明による 軸箱支持装置を適用した場合の一例を示したものである。 軸箱 5の先端は輪軸の 重心を中心とした円運動をする特性があるため、 減速歯車機構を内蔵する回転モ 一夕 6 1を台車枠 1に固定して軸箱 5の回転を直接駆動制御することが可能であ る。

詳述すれば、 図 1 1および 1 2に示すように、 台車枠 1に固定したモータ 6 1 の出力軸 6 2にピニオン 6 3を取り付け、 一方輪軸の重心を中心とする水平回転 運動をする、 円弧状曲線 Pをピッチ円として有する円弧状内歯歯車 6 4を前記ピ 二オン 6 3に嚙み合わせ、 前記円弧状内歯歯車 6 4を円運動可能にガイ ドするた めに、 台車枠 1に固定されたケ一シング 6 5の上下の内壁にそれぞれ相対する円 弧状溝 6 6、 6 6 ' を設けるとともに、 円弧状内歯歯車 6 4には、 前記ピッチ円 と同心の前記円弧状溝 6 6、 6 6 ' に摺動可能に嵌合する円弧状の突条 6 7、 6 7 ' を設けてある。 そして円弧状内歯歯車 6 4の歯と反対側中央には、 L形の突 起部 6 8を形成し、 その下方に延びる部分を外側円筒案内部材 6 9に固定し、 こ の外側円筒案内部材 6 9を内側円筒案内部材 7 0に上下に摺動可能に嵌合し、 そ の下端を軸箱 5から外側へ突出する突起部 7 1に固定する。 なお、 この円筒案内 も図 9の（ b) に示すような円筒ゴムによる方式や軸ばね用オイルダンバとするこ とができる。

このような構成により、 通過曲線に合わせた各軸の変位量を計算し、 オンライ ンで輪軸の回転変位を制御するこが可能となり、 高速での曲線走行性能が飛躍的 に向上するという効果を達成できる。 産業上の利用可能性

本発明の軸箱支持装置は以上説明したように構成されているので、 特に操舵機 能を必要とする台車に用いるのに適している。 詳述すれば、 請求項 1および 2に よる軸箱支持装置によれば、 曲線において台車枠に対して輪軸の水平回転変位が 円滑にできるように構成されているので、 曲線通過時の横圧の低減と車輪フラン ジおよびレールの磨耗と車輪のきしり騒音の防止について著しく改善され、 自己 操舵性が飛躍的に向上する。

また、 複雑な機構や多数の部品を必要とせずに、 曲線通過性能の向上が実 現できる。 これにより、 車両、 軌道の両面で保守費の低減が可能となる。

請求項 3および 4による軸箱支持装置によれば、 本発明の輪軸の水平回転 運動を許容する構成から生じる共振の発生に対してもその減衰力作用要素ゃロッ ク機構により安定した走行が実現できる。

強制操舵台車に本発明の軸箱支持装置を適用した場合に、 請求項 5により 軸箱の回転を直接駆動制御できるようにすることにより、 通過曲線の曲率に合わ せた各軸の変位量を計算し、 オンラインで輪軸の回転変位を制御することができ 、 従来のリンク方式と比較して制御の合理性、 迅速性において大幅な改善が実現 できる。

Claims

請求の範囲

1 . ボギー台車で上下方向と共に操舵角度の範囲内において、 輪軸の重心を中心 とした水平回転方向のみに自由振動を許容する手段を備えたことを特徴とする軸 箱支持装置。

2 . 前記輪軸の重心を中心とした水平回転方向のみに自由振動を許容する手段と して、 台車枠と軸箱との間に、 輪軸の重心を中心とする垂直円筒の一部をガイ ド とする積層ゴムばね体を取り付けて操舵機能を付与するとともに、 軸ばねと直列 に、 輪軸の水平回転方向に変形可能に形成された別の積層ゴムばね体を配置して 軸ばねの回転変位追随性を高めることを特徴とする請求項 1の軸箱支持装置。

3 .輪軸の重心を中心とする水平回転方向に自由振動を許容する前記手段を備え るとともに、 その減衰力作用要素を備えることを特徴とする請求項 1または 2の 軸箱支持装置。

4 . 輪軸の重心を中心とする水平回転方向に自由振動を許容する前記手段を備え るとともに、 その機能をロックする機構を備えたことを特徴とする請求の範囲 1 から 3までのうちのいずれか一つによる軸箱支持装置。

5 . 輪軸の重心を中心とする水平回転方向に自由振動を許容する手段を備えると ともに、 各軸ごとにその回転角を設定する機能をもつ操舵機構を備えたことを特 徴とする、 請求の範囲 1から 4までのうちのいずれか一つによる軸箱支持装置。