WO2006075756A1

WO2006075756A1 - 自己操舵台車

Info

Publication number: WO2006075756A1
Application number: PCT/JP2006/300511
Authority: WO
Inventors: Yoshihiro Suda; Yohei Michitsuji
Original assignee: The University Of Tokyo; Tokyo University Of Agriculture And Technology
Priority date: 2005-01-17
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2006-07-20
Also published as: JPWO2006075756A1; JP5200242B2

Description

明細書

自己操舵台車

技術分野

[0001] 本発明は、軸箱に車軸を回転自在に支持した車輪ユニットをボギーフレームの左右に一対設けた台車のうち、特にアクティブな動作も可能な自己操舵台車に関する背景技術

[0002] 鉄道車両を支持する台車としては、特許文献 1および非特許文献 1に開示されるように、ボギーフレームの左右に車輪ユニットを設けた独立回転可能な台車（以下、一輪独立回転操舵台車とも称する）と、特許文献 2〜特許文献 4に開示されるように、ボギーフレームに 1本の軸を回転自在に支承し、この 1本の軸に左右の車輪を取付けた 1軸台車 (輪軸台車）とがある。

[0003] 鉄道車両にあっては、曲線通過性能と走行安定性が要求され、曲線通過性能は車輪の踏面勾配に基づく自己操舵機能により発揮される。この自己操舵機能を高めるには一輪独立回転操舵台車にあっては、車輪の旋回動（ョーイング）を自由にすれば達成されるが、車輪の旋回動を自由にすると自励振動である蛇行動が発生し走行安定性を阻害する。

[0004] 一輪独立回転操舵台車は左右の車輪が独立回転するため前記した自己操舵機能が高ぐ急曲線、構内或いはループ線などに対応でき、また車軸が幅方向に架設されていないため低床下に有利であり、都市部や特殊な区間における利用価値が高レ、。例えば、特許文献 1では、コ字状をなす台車枠の左右にそれぞれ 2つのリンクを介して軸梁が連結され、この左右の軸梁に左右の車輪が回転自在に支持され、更に左右の軸梁間を幅方向のリンクで連結する構造とすることで低床を実現している。

[0005] 一方、 1軸台車は直線軌道の高速走行には適しているが、車輪を支持している軸力本で水平面内で旋回しないため自己操舵機能はなく曲線通過性能には劣る。そこで、 1軸台車において軸を進行方向に対して旋回可能にすることが考えられるが、図 16及び図 17に示すように、軸を水平面内で旋回可能とすると、倒立振り子のダイナミタスと等価な操舵ダイナミクスとなり、モーメントが脱線方向に作用してしまう。そこで、特許文献 2〜3にあってはァクチユエータ（特許文献 2では移動装置と称している )によって強制的に復元方向にモーメントを与えるようにしている。

特許文献 1 :特開 2002— 302038号公報

特許文献 2：特開平 2— 34465号公報

特許文献 3：特開平 3 _ 258655公報

^^特許乂 ffl^l： Fritz rredench, Possibilities as yet unknown or unused regard ng the wheel/ rail tracking mechanism, Development of modern rolling stock running gear, Rail International, November 1985, p33

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] 特許文献 1および非特許文献 1に開示される一輪独立回転操舵台車は、左右の車輪が独立回転する構造を基本としているため、蛇行動周波数の振動を減衰せしめる点で劣り、このため高速走行（走行安定性）には不向きとされている。また、速度を上げると限界自己操舵性が低下するため、専ら低速車両にしか適用されていない。

[0007] また、特許文献 2乃至特許文献 3に開示されたものにあっては、いずれも 1軸台車であるため、曲線旋回能に限界があり、蛇行動臨界速度が低い。また軸を旋回可能とした結果、モーメントが脱線方向に作用してしまうため、直線軌道や定常曲線軌道を走行中でも常にァクチユエータを駆動して復元方向に強制的に戻しておかなければならないという課題がある。

[0008] 特許文献 1および非特許文献 1に開示される一輪独立回転操舵台車に、特許文献

2〜4に開示されるァクチユエータを適用しても蛇行動周波数の振動を吸収することはできないので、高速走行での走行安定性を向上させることはできない。

[0009] また、一輪独立回転操舵台車にダンパーを設ければ蛇行動周波数の振動を吸収することは可能である。し力ながら、振動吸収のためにダンパーを設けると、直線軌道と円曲線軌道との間に設けられる緩和曲線軌道を通過する際に曲線に対する車輪の追従遅れが発生する。

課題を解決するための手段 [0010] 上記の課題、つまり一輪独立回転操舵台車の高速走行安定性を確保しつつ追従遅れを解消するため、請求項 1に係る発明は、一輪独立回転操舵台車の左右一対の車輪ユニット間に連結されるステアリングリンクとボギーフレームとの間に振動吸収用のダンパーを設け、更にこのダンパーと並列して車輪の曲線に対する追従遅れを解消する操舵アシスト用ァクチユエータを設けた。

[0011] 上記構成の場合、ァクチユエータは例えば緩和曲線通過時に曲率変化に応じて変位させることで追従遅れを防止し、それ以外はァクチユエータは作動せず力をまったく発生せずダンパーのみが機能する。このようにァクチユエータを軌道走行の一部区間だけ作用させればコスト的に有利であるが、全区間で作用させてもよい。

[0012] また、請求項 2に係る発明は、上記のダンパーとァクチユエ一タとを直列に配置した。この構成の場合、ァクチユエータは例えば緩和曲線通過時に曲率変化に応じて変位させることで追従遅れを防止するのは前記と同様であるが、それ以外の場合は、ァクチユエータは剛体として機能する。尚、実際には完全な剛体とはならず剛体のように振舞うため、正確には剛体と等価に機能すると考えられる。

[0013] また、請求項 3に係る発明は、前記ダンパーとァクチユエ一タとを一体的に組み込んだ電磁支持部材をステアリングリンクとボギーフレームとの間に設けた。この構成の場合は、例えば緩和曲線通過時或いは分岐装置通過時には電磁支持部材をァクチユエータとして機能させて曲率変化に応じて変位させ、それ以外の場合は電磁支持部材はダンパーとしての機能のみを発揮する。

[0014] 電磁支持部材は自動車の分野では緩衝器の 1つとして提案されているが、操舵用ァクチユエータとしての提案はなされていない。また、電磁支持部材の種類としては、ボールネジ機構とモータとを組み合わせた直動型の他に回動型が考えられる。いずれの電磁支持部材もダンパーとして機能する際には外力によってモータの軸が回転せしめられ、モータは発電機として機能し、発生した電力は回路の抵抗において熱として放出される。尚、発生した電力を蓄電してもよい。

[0015] 本発明は、前記した自己操舵台車を少なくとも車両の前後に設けた鉄道車両を含む。また、前後の自己操舵台車とは別の台車を、前後の自己操舵台車の中間位置またはレ、ずれか一方に寄った位置に設けることで、 2階建て鉄道車両にも有効となる。勿論、通常の車両に前後の自己操舵台車とは別の台車を適用してもよい。

[0016] 即ち、メンテナンスや既存車両との共用から、車体長を従来標準の 20m車両とする場合には、本発明に係る自己操舵台車を車両の前後に設ければよい。一方、 2階建て鉄道車両の場合には階段のデッドスペースがあるため、車体長を長くしたいとの要望があるが、車体を長くすると剛性確保のため車体重量増大につながる。このような場合に中間付近に 1軸台車ユニットを配置することで剛性低下を防ぎつつ車体重量の大幅な軽量化が図れる。

[0017] 2階建て車両 (例えば新幹線）には、 1階フロアと 2階フロアとの中間高さにプラットフオームとの出入用フロアが位置する構造のものがある。この場合には、前記出入用フロアを左右いずれかに寄った位置に設け、また連結される他の車両の 1階フロアとの連結通路を前記自己操舵台車の左右の車輪間のスペースを利用して設ける。また、連結される他の車両の 2階フロアとの連結通路を前記出入用フロアとは逆の左右いずれかに寄った位置に設ける。このような構造とすることで隣接する車両への移動が階段を用いることなくウォークスルータイプとなるので、高齢者や身体障害者にも極めて有利になる。

発明の効果

[0018] 図 18は軌道の始点からの距離と軌道の曲率との関係を示すグラフ、図 19はダンパ一及びァクチユエータを設けなレ、場合の軌道の始点からの距離とアタック角（軌道の接線と車輪とのなす角）との関係を示すグラフ、図 20はダンパーのみを設けた場合の軌道の始点からの距離とアタック角との関係を示すグラフ、図 21はダンパー及びァクチユエータ（緩和曲線通過時に制御）を設けた場合の軌道の始点からの距離とァタツク角との関係を示すグラフである。

[0019] 図 19から明らかなように、ダンパー及びァクチユエータを設けない場合には車輪のョーイングが振動的になっていることが分かる。また、ダンパーを設けた場合には図 2 0に示すように、振動的なョーイングは解消するが緩和曲線部分において、車輪が軌道の曲率に追従していないことが分かる。更に、図 21に示すように、ダンパーとァクチユエータを設け、緩和曲線を通過する際にァクチユエータを駆動してアクティブな操舵アシストを行うことで追従遅れも解消することが確認された。 [0020] したがって、本発明に係る自己操舵台車によれば、緩和曲線に対する操舵性が向上するだけでなぐ高速直線走行の安定性および定常曲線での通過性が向上する。また、分岐装置の直前でアクティブな操舵アシストを行うことで、トングレールを用いて軌道を切り替えることなぐ選択した方向に走行することができ、分岐装置の機構が簡略化されメンテナンスも容易になる。

図面の簡単な説明

[0021] [図 1]本発明に係る自己操舵台車のうちダンパーとァクチユエ一タとを並列に配置した例を示す平面図

[図 2]本発明に係る自己操舵台車のうちダンパーとァクチユエ一タとを直列に配置した例を示す平面図

[図 3]本発明に係る自己操舵台車のうちダンパーとァクチユエータと一体的に組み込んだ直動型電磁支持部材を用いた例を示す平面図

[図 4]直動型電磁支持部材の断面図

[図 5]直動型電磁支持部材の回路図

[図 6] (a)は回転型電磁支持部材を適用した別実施例の平面図、（b)は同別実施例の側面図

[図 7]回転型電磁支持部材の更なる別実施例の平面図

[図 8]本発明に係る自己操舵台車を適用した鉄道車両の平面図

[図 9]同自己操舵台車を適用した鉄道車両の側面図

[図 10]同自己操舵台車を適用した鉄道車両の正面図

[図 11]別実施例に係る鉄道車両の側面図

[図 12]別実施例に係る鉄道車両の側面図

[図 13]本発明に係る自己操舵台車を適用した 2階建鉄道車両の連結部の側面図 [図 14]同連結部の一部切欠平面図

[図 15]図 14の A— A方向矢視図

[図 16]車輪に作用する重力と重力復元力の関係を示す正面図

[図 17] (a)は車軸が旋回する前の重力復元力の方向を示す平面図、（b)は車軸の旋回後の復元モーメントの方向を示す平面図 [図 18]軌道の始点からの距離と軌道の曲率との関係を示すグラフ

[図 19]ダンパー及びァクチユエータを設けない場合の軌道の始点からの距離とァタツク角との関係を示すグラフ

[図 20]ダンパーのみを設けた場合の軌道の始点からの距離とアタック角との関係を示すグラフ

[図 21]ダンパー及びァクチユエータ（緩和曲線通過時に制御）を設けた場合の軌道の始点からの距離とアタック角との関係を示すグラフ

発明を実施するための最良の形態

[0022] 以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図 1は本発明に係る自己操舵台車のうちダンパーとァクチユエ一タとを並列に配置した例を示す平面図である。

[0023] 自己操舵台車は平面視でコ字状をなすボギーフレーム 1に左右一対の車輪ュニット 2， 2を独立回転可能に支持している。ここで車輪ユニット 2は軸箱 3に回転自在に支持される軸 4とこの軸 4に取付けられる車輪 5から構成され、前記軸箱 3はボギーフレーム 1に水平面内で回転自在に支持されてレ、る。

[0024] また前記車輪ユニット 2， 2間はステアリングリンク 6にて連結されている。ステアリングリンク 6は軸箱 3から前方（後方）に延びる前後メンバー 7， 7とこれら前後メンバー 7 , 7間にピン 8を介して連結される横メンバー 9からなり、横メンバー 9とボギーフレーム 1間にブッシュ 10を介してダンパー 11及びァクチユエータ 12が並列に連結されている。

[0025] 前記ダンパー 11は、蛇行動周波数よりも低い周波数の振動に対しては当該振動を吸収するダンパー作用を発揮し、蛇行動周波数以上の振動に対しては剛体と等価に作用する。このため、振動的なョーイングは解消する。

[0026] 一方、ァクチユエータ 12は油圧タイプ、電動タイプ、ラックピニオンタイプなど各種ァクチユエータを用いることが可能である。予め分かってレ、る軌道の曲率変化に応じてァクチユエータ 12を伸縮動せしめてアクティブ制御することで、車輪の軌道に対する応答遅れを防止することができる。尚、アクティブ制御を行うに当たっては、軌道曲率情報が必要であるが、この情報は振り子車両の制御などで実用化している車両位置検出システムと軌道のテーブルを用いれば容易に取得可能である。

[0027] 前記ァクチユエータ 12が作動している間は前記ダンパー 11はダンパーとして機能しない。また、前記ァクチユエータ 12が作動していないときは、ァクチユエ一タはカをまったく発生せずダンパーのみが機能する。

[0028] 図 2は本発明に係る自己操舵台車のうちダンパーとァクチユエ一タとを直列に配置した例を示す平面図であり、この実施例の場合は、ダンパー 11とァクチユエータ 12とが直列に連結されている。

[0029] この実施例の場合もダンパー 11は、蛇行動周波数よりも低い周波数の振動に対しては当該振動を吸収するダンパー作用を発揮し、蛇行動周波数以上の振動に対しては剛体と等価に作用する。

[0030] 一方ァクチユエータ 12は、予め分かっている軌道の曲率変化に応じて伸縮動することでアクティブな操舵アシストを行って車輪の軌道に対する応答遅れを防止する。また、ァクチユエータ 12が作動していないときは、ァクチユエータは剛体と等価に機能する。

[0031] 図 3は本発明に係る自己操舵台車のうちダンパーとァクチユエータと一体的に組み込んだ直動型電磁支持部材を用いた例を示す平面図、図 4は同直動型電磁支持部材の断面図、図 5は同直動型電磁支持部材の回路図である。

[0032] ステアリングリンク 6の横メンバー 9とボギーフレーム 1間にブッシュ 10を介して連結された直動型電磁支持部材 20は、シリンダ 21内にピストン 22が摺動自在に挿着され、シリンダ 21内には DCモータ 23、減速ギヤ 24、ボールネジ 25、ナット 26が組み込まれている。

[0033] DCモータ 23を駆動することで直動型電磁支持部材 20はァクチユエータとして機能する。即ち、 DCモータ 23を駆動しボールネジ 25を回転させ、このボールネジ 25と螺合するナット 26を螺進させることで支持部材全体が伸縮動し、これによつてステアリングリンク 6を介して車輪 5が操舵される。この操舵は直動型電磁支持部材 20が有するアクティブ機能であり、このアクティブ機能は前記したように例えば直線力緩和曲線を経て定常曲線にいたる過程での自己操舵動作の応答遅れを解消する。

[0034] また DCモータ 23の軸を外力よつて回転せしめることによって直動型電磁支持部材 2 0はダンパーとして機能する。即ち、 DCモータ 23に通電していないときに、直動型電磁支持部材 20に軸方向の外力が作用すると当該外力に応じてピストン 22が軸方向に移動し、この移動によりナット 26を介してボールネジ 25が回転せしめられ、このボ一ルネジ 25と連結している DCモータ 23の軸が回転し、モータ 23は発電する。この抵抗によってダンパー機能を発揮する。尚、発生した電力は回路の抵抗 Rの部分で発熱に変えられる。

[0035] 尚、前記回路の抵抗 Rの代わりに、例えばソレノイドに生じる電圧が所定値に至るとソレノイドに流れる電流を所定の一定値に制御するような電流制限素子を備えた電流制限回路を設けることで、電磁支持部材のダンパーとしての減衰力特性を任意に調整すること力 Sできる。

[0036] 図 6 (a)は回転型の電磁支持部材 27を適用した別実施例の平面図、（b)は（a)に示した別実施例の側面図であり、この実施例にあっては一方の車輪ユニット 2の上方に回転型の電磁支持部材 27を配置し、前記同様、ステアリングリンク 6を介して車輪ユニット 2を操舵する。

[0037] 図 7は回転型電磁支持部材の更なる別実施例の平面図であり、この実施例にあつてはステアリングリンク 6を構成する前後メンバー 7の軸箱 3との連結点（車輪ユニットの水平回転中心）から車輪 5の軸線を台車進行方向を基準として後方にオフセットしてレ、る。このようにオフセットすることで走行安定性が向上する。

[0038] 尚、メカニカルなステアリングリンク 6を用いる代わりに、回転型の電磁支持部材 27 を両方の車輪ユニット 2の上方に配置し、左右の回転型の電磁支持部材 27を電気的に連動せしめることで、前後メンバー 7及び横メンバー 9を省略することも可能である。

[0039] 図 8は本発明に係る自己操舵台車を適用した鉄道車両の平面図、図 9は同自己操舵台車を適用した鉄道車両の側面図、図 10は同自己操舵台車を適用した鉄道車両の正面図であり、この鉄道車両にあっては車両 30の前後に自己操舵台車を配置している。

[0040] この車両 30にあっては、車体のブラケット 31に自己操舵台車のボギーフレーム 1を連結し、このボギーフレーム 1と車体との間に左右方向の振動を吸収するダンパー 3 2, 32および上下方向の振動を吸収するダンパー 33, 33を配置している。また、ボギーフレーム 1と車体のブラケット 31との間には牽引リンク 34を設け、ボギ一フレーム 1のョーを固定している。

[0041] 図 11及び図 12は別実施例に係る鉄道車両の側面図であり、図 11に示す鉄道車両にあっては、別の自己操舵台車を車両 30の前後方向の中間位置に配置している。このように、 3台の台車を用いることで、 2階建車両などに適用しても十分に荷重に耐えること力できる。尚、この場合中央の自己操舵台車にはアクティブ 'ステアリング' ダンパーを付加しなくてもょレ、。

[0042] 中間台車の位置としては、前後の台車間の中心が好ましい。この位置にすることで、車輪操舵の必要がなぐ複雑な操舵機構を省略できる。ただし左右方向には自在に動けるようにしなければならず、このような変位機構の例としてリニアスライドによる台車支持や、リンク機構を用いた台車支持で容易に実現可能である。このように、中間台車は原則として左右に自在に変位可能な構造であるが、車両の更なる振動特性、走行安定性向上を図るため、左右変位に対してパッシブダンパゃ本発明のァクティブ機構を組み込むことも可能である。

[0043] また、中間台車の位置は必ずしも車体中心である必要はなぐ車体の重量バランス、軸重バランス、さらには床下機器配置の自由度向上を図るという目的から、中心よりずらした配置も可能である。ただし、この場合、左右の変位機構と連携したョーイング機構を付加する対処、例えば、円弧状ガイドスライドや非対称リンク機構が必要である。

[0044] 図 13は本発明に係る自己操舵台車を適用した 2階建鉄道車両の連結部の側面図、図 14は同連結部の平面図、図 15は図 13の A— A方向矢視図であり、この実施例にあっては、連結される 2階建車両 100， 100の 1階フロア 101と 2階フロア 102との中間高さにプラットフォームとの出入用フロア 103と出入用ドア 104が設けられている

[0045] 前記出入用フロア 103は左右いずれかに寄った位置、即ち車両の幅の略半分程度の幅とされ、この出入用フロア 103から 1階フロア 101への階段 105と 2階フロア 10 2への階段 106が設けられている。

[0046] 一方、車両 100， 100の連結部には 1階通路 107と 2階通路 108が設けられている。 1階通路 107は自己操舵台車の車輪 5, 5間のスペースを利用することで、階段などの段差なく車両 100, 100の 1階フロア 101をつなげることができる。

[0047] 即ち、従来の 2階建車両は、ホームの高さが lm程度あるため、台車上方に 1階の床面がくるようにすると、 1階の床面では隣の車両への移動に階段を強いられるが、本発明の如く構成することで階段を上り下りする必要がなくなり、 2階建車両の構成方法が改善される。また、車両毎に設ける前後の出入用ドア 104の箇所を平面視で点対象、例えば前方の出入用ドア 104を右側とした場合には後方の出入用ドア 104 を左側とすることで、レイアウト上有利となる。

[0048] また、 2階通路 108は出入用フロア 103との干渉を避けるため、出入用フロア 103と反対側の 2階フロア 102を残し、この部分に通路を確保するために、二連座席の一方の座席を省き、この部分を通路としている。

[0049] このように、 1階通路 107および 2階通路 108に階段などを設けないことで、簡単に車両の移動が可能になり、またキャスター付きの旅行バッグや販売車なども通過すること力 Sできる。

尚、図示例では本発明に係る自己操舵台車を適用した 2階建鉄道車両として説明したが、台車の構造と切り離して、図 13〜図 15に示す構造とすることで、接続車両への移動を階段などの障害物無くして、ウォークスルー効果を発揮する。

Claims

請求の範囲

[1] 軸箱に車輪の軸を回転自在に支持してなる車輪ユニットと、左右一対となる前記車輪ユニットを水平回転可能に備えたボギーフレームと、前記車輪ユニットを操舵すベく左右一対の車輪ユニット間に連結されるステアリングリンクと、このステアリングリンクと前記ボギーフレームとの間に設けられる振動吸収用のダンパーと、車輪の曲線に対する追従遅れを解消すべく前記ダンパーと並列に配置された操舵アシスト用ァクチュエータとを備えたことを特徴とする自己操舵台車。

[2] 軸箱に車輪の軸を回転自在に支持してなる車輪ユニットと、左右一対となる前記車輪ユニットを水平回転可能に備えたボギーフレームと、前記車輪ユニットを操舵すベく左右一対の車輪ユニット間に連結されるステアリングリンクと、このステアリングリンクと前記ボギーフレームとの間に設けられる振動吸収用のダンパーと、車輪の曲線に対する追従遅れを解消すべく前記ダンパーと直列に配置された操舵アシスト用ァクチュエータとを備えたことを特徴とする自己操舵台車。

[3] 軸箱に車輪の軸を回転自在に支持してなる車輪ユニットと、左右一対となる前記車輪ユニットを水平回転可能に備えたボギーフレームと、前記車輪ユニットを操舵すベく左右一対の車輪ユニット間に連結されるステアリングリンクと、このステアリングリンクと前記ボギーフレームとの間に設けられる電磁支持部材とからなり、この電磁支持部材は振動吸収用ダンパーおよび車輪の曲線に対する追従遅れを解消する操舵ァシスト用ァクチユエ一タの両機能を有することを特徴とする自己操舵台車。

[4] 請求項 3に記載の自己操舵台車にぉレ、て、前記電磁支持部材は、ボールネジ機構を組み込んだ直動型電磁支持部材であることを特徴とする自己操舵台車。

[5] 請求項 3に記載の自己操舵台車において、前記電磁支持部材は、モータ兼発電機の軸に前記ステアリングリンクを連結した回動型電磁支持部材であることを特徴とする自己操舵台車。

[6] 請求項 1乃至請求項 5のいずれかに記載の自己操舵台車において、前記車輪の軸線と車輪ユニットの水平回転中心とは台車の進行方向を基準としてオフセットされてレ、ることを特徴とする自己操舵台車。

[7] 請求項 1乃至請求項 6のいずれかに記載の自己操舵台車において、前記振動吸収用ダンパーは、蛇行動周波数よりも低い周波数の振動に対してのみダンパー作用を発揮し、蛇行動周波数の振動に対しては剛体と等価に作用することを特徴とする自己操舵台車。

請求項 1乃至請求項 7のいずれかに記載の自己操舵台車において、前記操舵ァシスト用ァクチユエータは直線軌道と円軌道との間の緩和曲線軌道の直前で作動させることを特徴とする自己操舵台車。