WO2014007162A1

WO2014007162A1 - 鉄道車両用台車

Info

Publication number: WO2014007162A1
Application number: PCT/JP2013/067820
Authority: WO
Inventors: 須田　義大; 世彬林; 浩司藪野; 拓実細谷
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2014-01-09
Anticipated expiration: 2015-01-03
Also published as: JP5943739B2; JP2014008941A

Description

鉄道車両用台車

　本発明は駆動モータなどの回転体を備えた駆動装置をジャイロダンパとして組み込んだ鉄道車両用台車に関する。

　鉄道車両用台車に従来から応用されるジャイロ機構としては、特許文献１に開示されるように、外力が加わらない限り回転軸の向きが台車の向きに拘わらず常に一定となる性質を利用した角度センサとして利用されている。

一方、ジャイロ効果（加えた外力とは直角（垂直）方向に回転軸が移動する性質）を角度センサに応用するのではなく、車両の走行安定に利用する提案が特許文献２及び特許文献３に開示されている。

特許文献２は建築現場などで使用する走行作業車両のピッチングやローリングを抑えるために車両の床にジャイロ機構を配置し、外力モーメントと逆方向にこれと釣り合うジャイロモーメントを受動的に発生させるようにしたものである。また、特許文献３では自転車の荷台部分にジャイロ機構を配置して走行安定性を図る提案がなされている。

一方、鉄道車両では曲線走行時の操舵機能をもたせるために、車輪に踏面勾配を設け、曲線走行時の外側車輪の走行距離が内側車輪の走行距離よりも長くなるようにしている。しかしながら、この踏面勾配は直線走行時には却って左右の車輪の走行距離が一致せず一方の車輪にすべりが発生する原因となり、蛇行が発生する。
そこで、本発明者らは上記のジャイロ機構を鉄道車両に応用して、直線走行時の蛇行動を抑制するダンパーとしての提案を非特許文献１において行っている。

特開平９－２３３６１３号公報特開平８－２９７０２７号公報特開２０１１－０８８５９４号公報

Proceedings of the First International Conference on Railway Technology, Reserch, Developmant and Maintenance, Civil-Comp Press, 2012

　非特許文献１に開示されるように、鉄道車両にジャイロ機構を設けることで、直線走行時の蛇行動を抑制することができる。しかしながら、ジャイロ機構を別途台車に設けなければならず、重量増加の不利となり、更にジャイロの回転体を回転させるための個別の制御が必要となる。

　上記の課題を解消するため、本発明に係る鉄道車両用台車は、フレームに取付けた軸受間に車輪を固着した車軸が回転自在に支持され、この車軸を減速ギヤ列を介して駆動モータ等の回転体を備えた駆動装置によって回転せしめるようにした鉄道車両用台車であり、前記フレームは車軸の中間位置を通る垂直軸を中心として回動可能な外側ジンバルとして機能し、この外側ジンバルの内側に前記垂直軸と直交する水平軸を備えた内側ジンバルが設けられ、この内側ジンバルの水平軸に前記駆動装置がジャイロダンパとして機能するように鉛直面内で揺動可能に支持され、この駆動装置の軸にはジャイロ効果を発揮する回転体及び駆動ギヤが取り付けられ、この駆動ギヤ及びこれと噛合する減速ギヤ列を構成する被動ギヤの少なくとも一方は前記回転体を備えた装置の揺動に追従する形状とした構成とした。

　上記において、前記回転体を備えた装置の駆動軸は前記内側ジンバルの水平軸と直交するとともにニュートラル位置、即ち外力が作用しない状態において前記車軸と平行とすることが好ましい。

　また前記回転体を備えた装置の駆動ギヤまたはこの駆動ギヤと噛合する減速ギヤ列を構成する被動ギヤの少なくとも一方を球面歯車とすることで、駆動モータが揺動しても確実に動力を伝達することができる。
　前記球面歯車以外にもノンバックラッシュギアを使用したもの、ユニバーサルジョイントなど、揺動を許容しつつ回転動力を伝達できる他の機構も考えられる。

　本発明によれば駆動モータ自体がジャイロ機構の一部を構成するため、特別な部材を追加する必要がない。したがって台車の重量増加を招かない。また、駆動モータは従来からある車両駆動用モータとして機能させるため、個別の制御は行う必要がない。また、駆動モータ以外の駆動装置も回転体を備えるものであればジャイロ機構を構成することができる。

ジャイロ機構の概略図ジャイロ機構を搭載した台車の概略を説明した正面図ジャイロ機構を搭載した台車の概略を説明した側面図本発明に係る台車の正面図本発明に係る台車の側面図駆動ギヤの別実施例を示す斜視図（ａ）及び（ｂ）は本発明に係る台車の作用を説明した正面図本発明と従来例との蛇行動の開始速度を比較したグラフ

以下に本発明の実施例を説明する。
先ずジャイロ機構について図１に基づき説明する。図１において１は外側ジンバルであり、この外側ジンバル１は垂直軸Ｙを中心として回動可能となっている。そして、外側ジンバル１内に内側ジンバル２が設けられている。この内側ジンバル２は水平軸Ｘを中心として揺動可能に前記外側ジンバル１に支持されている。

そして、内側ジンバル２に前記水平軸Ｘ及び垂直軸Ｙに直交する支持軸３を介して回転体４が取り付けられている。尚、内側ジンバル２と外側ジンバル１との間にはニュートラル位置即ち内側ジンバル２（支持軸３）を水平状態に復帰させるためのスプリング５を配置している。このスプリング５以外にも振り子を用いることも考えられる。

上記のジンバル機構に外力が作用し、例えば外側ジンバル１をａ方向に回転させる外力が作用すると、この力とは逆方向にこれと釣り合うｂ方向のジャイロモーメントが発生し、台車を安定化させる。

次に、上記のジャイロ機構を鉄道車両台車に適用した状態を図２及び図３に基づき説明する。尚、図２及び図３は本発明に係る鉄道車両台車ではなく、その基礎となるものである。

鉄道車両台車はフレーム(ボギーフレーム）１０に車軸１１が回転自在に支持され、この車軸１１に車輪１２が取り付けられている。車輪１２のレール１３との接触面には踏面勾配が形成されている。

フレーム１０上にはジャイロ機構が設けられている。このジャイロ機構ではフレーム１０上に垂直軸Ｙを介して外側ジンバル１が支持され、この外側ジンバル１内に支持片を介して内側ジンバル２が設けられ、この内側ジンバル２が水平軸Ｘを中心として揺動自在に支持され、この内側ジンバル２に支持軸３を介して回転体４が支持され、更に水平軸Ｘの外側ジンバル１から突出した一端には錘１４が垂下されている。外力が作用しない状態では前記支持軸３と車軸１１とは平行になっており、錘１４は真下に垂れ下がっている。

以上において、車両の走行に伴う振動により外力が作用し外側ジンバル１が垂直軸Ｙを中心として回動し、この回動により回転体４を支持している内側ジンバル２が水平軸３を中心に揺動する。この結果回転体４の軸が移動する。するとジャイロ効果によりこの移動をキャンセルするモーメントが発生し、前記外力が打ち消され振動が抑えられる。

次に、上記のジャイロ機構を実際の鉄道車両用台車に組み込んだ本発明に係る実施例を図４～図７に基づいて説明する。
本発明に係る鉄道車両用台車はフレーム(ボギーフレーム）１０を外側ジンバルとしている。このフレーム１０には軸受１５、１５を取付け、これら軸受１５、１５間に車輪１２を取付けた車軸１１を回転自在に掛け渡している。尚、鉄道車両用台車上には車両が支持される。この車両は台車に対し垂直軸Ｙを介して回動自在に支持され、また、台車に外力が作用すると台車は垂直軸Ｙを中心として回動可能である。

前記外側ジンバルとして機能するフレーム１０には支持片２６を取付け、この支持片２６に水平軸Ｘを介して駆動モータＭを垂直面内で揺動可能に支持している。駆動モータＭは水平軸Ｘと一体化した外部ケーシング１６で駆動軸１７を回転自在に支持しており、この外部ケーシング１６が前記内部ジンバル２に相当する。
前記水平軸Ｘの一端には錘１４が垂下しており、駆動モータＭが揺動した場合に錘１４が斜めになり、錘１４の重さにより駆動モータＭが水平状態(ニュートラル位置）に戻るようにしている。

駆動モータＭの駆動軸１７は前記水平軸Ｘに対し直交しており、また前記ニュートラル状態での駆動軸１７は車軸１１と平行になるように設定され、駆動軸１７の中央には駆動ギヤ１８が固着され、両脇にはジャイロ効果を発揮する回転体１９が固着されている。

前記駆動ギヤ１８の回転は減速ギヤ列２０を介して車軸１１に伝達される。前記駆動ギヤ１８は駆動モータ１６が揺動した場合でも動力を確実に伝達できるように球面ギヤを採用している。尚、球面ギヤ以外にも図６に示す多数のロッド２１をギヤの歯の代わりにした籠状のギヤやユニバーサルジョイントなど、揺動を許容しつつ回転動力を伝達できる他の機構も考えられる。

前記減速ギヤ列２０は前記駆動ギヤ１８と噛合する大径ギヤ２２、この大径ギヤ２２の軸２３に設けられた小径ギヤ２４およびこの小径ギヤ２４と噛合する車軸１１に設けられた大径ギヤ２５から構成される。この実施例では軸２３と車軸１１は平行に設定している。

以上において、例えば直線走行時に踏面勾配に起因して一方の車輪に滑りが発生すると、フレーム１０が垂直軸Ｙを中心として回動する。この回動に起因して駆動モータ１６が図７（ａ）、（ｂ）に示すように水平軸Ｘ廻りに垂直面内で揺動する。この揺動により錘１４は斜めに移動し、錘１４の重量により駆動モータ１６はニュートラル位置に復帰しようとする。この時に発生するモーメントは台車の横方向のズレを修正する方向に作用するため、蛇行動が抑制される。

ここで、ジャイロ効果自体により、蛇行動が抑制され、蛇行動が発生する限界速度が上昇するため、直線において錘は絶対必要ではない。しかしながら、外乱、及び曲線通過において、遠心力など一方向の力が継続的に働くと、駆動モータＭが図７（ａ）、（ｂ）に示すように水平軸Ｘ廻りに垂直面内で大きく揺動するばあいがあり、動揺角がある程度大きくなるとジャイロ効果が減る。そのため動揺角が大きくなった場合、動揺角を戻す作用をさせるため、錘１４を付加することが好ましい。なお、錘１４に代えて復元力を発生するスプリングなどを用いてもよい。

図８は本発明と従来例との蛇行動の開始速度を比較したグラフであり、このグラフからジャイロ機構を設けない場合、即ち、駆動モータＭのＸ軸周りの自由度を、スペーサなどを入れて殺した場合には、２．９ｍ／ｓで蛇行動が始まったが、本発明のジャイロ機構を設けた場合、即ち、駆動モータＭのＸ軸周りの自由度を生かした場合)には、３．５ｍ／ｓまで蛇行動は始まらなかった。したがって、走行時の安定性が向上することが確認できた。

以上は本発明の一例であり本発明は上記の実施例には限定されない。例えば図示例では、ジャイロ機構を構成する駆動モータの駆動軸と車軸とを平行としたが、駆動モータの駆動軸と車軸とを直交させてもよい。

　本発明に係る台車は走行安定性が要求される鉄道車両の台車として利用することができる。

１…外側ジンバル、２…内側ジンバル、３…支持軸、４…回転体、５…スプリング、１０…フレーム(ボギーフレーム）、１１…車軸、１２…車輪、１３…レール、１４…錘、１５…軸受、１６…駆動モータの外側ケーシング、１７…駆動軸、１８…駆動ギヤ、１９…回転体、２０…減速ギヤ列、２１…ロッド、２２…大径ギヤ、２３…小径ギヤ、２５…大径ギヤ、２６…支持片、Ｍ…駆動モータ、Ｘ…水平軸、Ｙ…垂直軸。

Claims

　フレームに取付けた軸受間に車輪を固着した車軸が回転自在に支持され、この車軸を減速ギヤ列を介して駆動モータ等の回転体を備えた駆動装置によって回転せしめるようにした鉄道車両用台車において、前記フレームは車軸の中間位置を通る垂直軸を中心として回動可能な外側ジンバルとして機能し、この外側ジンバルの内側に前記垂直軸と直交する水平軸を備えた内側ジンバルが設けられ、この内側ジンバルの水平軸に前記回転体を備えた駆動装置が垂直面内で揺動可能に支持され、この回転体を備えた駆動装置の駆動軸にはジャイロ効果を発揮する回転体及び駆動ギヤが取り付けられ、この駆動ギヤ及びこれと噛合する減速ギヤ列を構成する被動ギヤの少なくとも一方は前記回転体を備えた駆動装置の揺動に追従する形状とされていることを特徴とする鉄道車両用台車。
　請求項１に記載の鉄道車両用台車において、前記駆動モータの駆動軸は前記内側ジンバルの水平軸と直交するとともにニュートラル位置において前記車軸と実質的に平行とされていることを特徴とする鉄道車両用台車。
　請求項１または２に記載の鉄道車両用台車において、前記駆動モータの駆動ギヤまたはこの駆動ギヤと噛合する減速ギヤ列を構成する被動ギヤの少なくとも一方が球面ギヤであることを特徴とする鉄道車両用台車。