JP2013523515A - 可変の車軸ジオメトリを有するレール車両 - Google Patents

Abstract

少なくとも２つの車軸（Ａ１，Ａ２）を備え、各車軸（Ａ１，Ａ２）の水平方向の角度位置（α）が車両枠に対して変更可能である、可変の車軸ジオメトリを有するレール車両（Ｓ）であって、各車軸の前記角度位置（α）は、所定の横方向シフト量（ｄｙ）および所定の車軸角度（ｄα）が得られるように、前記レール車両（Ｓ）の運転中に連続的に調節されるようになっている。

Description

本発明は、可変の車軸ジオメトリを有するレール車両に関する。

従来技術
軌道案内のために必要とされる力は、車輪とレール（軌条）との接触領域において、つまり車輪・レール接触において生じる。しかしこの力は、レールおよび車輪における不都合な影響の原因でもある。したがって、すべり（クリープ）作用、ひいては摩擦損失を常に伴う接線力が、材料除去によるプロフィール摩耗もしくは断面摩耗（Profilverschleiss）を引き起こす。さらに、車輪およびレールにおいて作用する力は、力レベルが十分に高い場合に、材料を疲労させ、転がり疲労（rolling contact fatigue:ＲＣＦ）を起こす。これによって、たとえば微小な亀裂がレールおよび／または車輪内に形成される。レール表面において微小な亀裂により引き起こされる典型的な損傷形態は、きしみ割れ（Head Check）である。車輪では亀裂が表面の下側で生じて、外方に向かって成長し、より大きなクラック（割れ）をもたらし得る。しかし亀裂は、表面上にも生じて、深部へと成長し、ヘリングボーンパターンの公知の現象で生じるように、材料破壊をもたらし得る。表面で開始した亀裂の場合、上述の断面摩耗により亀裂が部分的に取り除かれるという効果があり、結果として、或る程度の量の断面摩耗は時には好都合である。上述の踏面損傷の他にも、たとえば車輪フラット（Flachstelle）、材料沈着、踏面横断亀裂等のような多数の別の損傷形態が生じる。

したがって、車輪・レール接触は、たとえば高速列車でも特に安全に関して重要である。車輪・レール接触における、たとえば車輪の重大な破損によるむらは、脱線に至るまでの著しい損傷につながり得る。しかし、微小亀裂のような軽度の破損も、大きな障害を引き起こし得る。なぜならば、微小亀裂は、保守作業を必要とし、したがって高いコストと列車運行における遅延を引き起こし得るからである。

したがって、レール車両の軌道案内に用いられる多数の機械的な装置が知られている。公知のシステムの多くは、曲線走行時に軌道における車輪の半径方向位置が最適であることを起点としていて、これにより台車または車両のルーズ輪軸または輪軸に作用する力を減じることができる。これによって、摩擦損失、ひいては車輪・レール接触部における断面摩耗を減じることができると論証されている。

たとえば欧州特許第０６００１７２号明細書は、レール車両に用いられる車台（Fahrwerk）を開示している。この車台では、輪軸が、曲線走行時に、力調節された作動部材によって、ボギー台車枠に対して回転される。しかしその際に、軌道に対して相対的な輪軸の半径方向位置は実現されず、輪軸と車台枠との間の角度だけが、半径方向位置に相応して調節される。したがって、たしかに多くの運転状態において有利な摩耗特性が生じるが、この摩耗特性は最適ではない。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第４４１３８０５号明細書は、レール車両に用いられる自己操舵式の３軸式車台を開示している。この車台では、外側の２つの輪軸が半径方向制御部を備えていて、内側の１つの輪軸が、能動的な作動部材によって走行方向に対して直交する横方向に可動である。これによって、外側輪軸にかかる横圧が回避される。能動的な作動部材が適切に作用した場合、各輪軸には遠心力の１／３が作用する。これによって、３つの全ての輪軸が、曲線走行時に制御に使用されて、曲線中心点に対する輪軸の位置調節が改善される。

このような種類の別の方法は、本出願人の欧州特許第１６０９６９１号明細書に記載されている。

上記全ての方法に共通しているのは、これらの方法が、車輪・レール接触における摩擦損失、ひいては踏面摩耗を最小限にすることを目的としていることである。これらの方法では、接点におけるすべり作用が阻止されるか、もしくは減じられように、軌道に対して相対的な車輪の位置に影響が与えられる。しかし、転がり疲労によっても、レールおよび車輪における損傷は生じる。この損傷を除去するために、或る程度の摩擦損失は十分に好都合であり得る。なぜならば、材料内に生じた亀裂を、摩擦損失によって表面において取り除くことができるからである。したがって、摩擦損失の減少は、車輪・レール接触における最適な荷重特性に常に一致するわけではない。

本出願人による未公開のオーストリア特許出願第Ａ９４２／２００７号明細書「レール車両の車輪の踏面損傷および断面摩耗を最小限にする方法」に基づき、レール車両の車輪の摩耗特性を最適化する、モデルベースの（モデルに基づく）方法が公知である。この方法では、アクチュエータにより制御されたシフトもしくは移動（ルーズ輪軸もしくは輪軸の車軸の横方向シフトまたは車軸間の角シフト）によって、求められた測定量に基づいて、踏面摩耗が最適化される。

この場合、車軸の角シフトおよび横方向シフトを可能にする種々の走行車両ジオメトリが設定されている。このために必要となるいわゆる横方向アクチュエータは、車台の構造を著しく重くする。

発明の開示
したがって、本発明は、モデルに基づく方法により規定される、車軸の互いに対する任意の位置（角度位置および横方向シフト量）をレール車両の走行中に調節することができ、そのために必要となるアクチュエータにおける手間を最小限にする、可変の車軸ジオメトリを有するレール車両を提供することである。

この課題は、本発明の請求項１の特徴部に記載の特徴を有するレール車両および請求項６に記載の特徴を有するボギー台車により解決される。本発明の有利な実施の形態は、請求項２以下に記載されている。

本発明の基本的思想によれば、レール車両に設けられた各車軸は、車両枠に対して水平方向に角シフト可能に支承されていて、かつ対応配置されたアクチュエータによってレール車両の運転中に連続的に、他の車軸とは無関係に、その水平方向の角度位置を変更され得る。この場合、各車軸の角度位置は、最適化の方法により所定される。

本発明によるレール車両もしくは本発明によるボギー台車は、未公開のオーストリア特許出願第Ａ９４２／２００７号明細書に記載の、摩耗特性を最適化する方法を実施するために特に適している。なぜならば、構造的な手間が、本発明によって極めて簡略化されるからである。特に重要なのは、構造的に極めて手間のかかる「横方向アクチュエータ」の省略である。本発明はまた、構造的に簡単なアクチュエータ（たとえばハイドロリックシリンダ、ニューマチックシリンダまたは電気的なアクチュエータ）の使用を可能にする。特許出願Ａ９４２／２００７号明細書に記載の方法は、出発量として、２つの車軸間の角度位置ｄαと、いわゆる横方向シフト量とを提供する。これらの２つの量は、本発明によるレール車両では、専ら、車両枠に対する、車軸の規定された水平方向の角度を生ぜしめることによって生ぜしめられる。これによって、レール車両の静かな走行と、車輪の最適な摩耗特性とが得られる。

本発明により、角度位置の最適な値ｄαおよび横方向シフト量のそれぞれ最適な値を生ぜしめることができるという利点が得られ、その際に、車両枠に対する各車軸の水平方向の角度だけを可変として設定することができる。特に、本発明は、構造的に極めて手間の掛かる横方向アクチュエータを省略することを可能にする。本発明による、いわゆる非対称の制御は、２つの車軸間の角度ｄαを互いに異なる２つの角度α１およびα２に非対称に分配することによって、横方向シフト量の意図的な調節を、横方向シフト量のためのアクチュエータを設ける必要なしに可能にすることを実現する。

本発明の有利な実施の形態によれば、各車軸の固定点（鉛直方向の回転点）を、車軸の一方の端部に設け、車軸の他方の端部に作用するアクチュエータを対応配置することが規定されている。アクチュエータは、本発明によれば、一方の側では車両枠の固定点に支承されて取り付けられていて、第２の側ではレール車両の、対応配置された車軸の、水平方向に角シフト可能な支承部に取り付けられていてよい。したがって、アクチュエータの長さの変更により、各車軸の水平方向の任意の角度位置を得ることが達成される。

本発明の有利な別の実施の形態では、相前後する車軸において、該車軸に対応配置されたアクチュエータが交互に車軸の反対の側に位置する端部に作用するので、たとえばアクチュエータがレール車両の一方の側に配置されている１つの車軸に、アクチュエータがレール車両の反対の側に位置する側に配置されている車軸が続いていてよい。これによって、レール車両の車台内に存在する場所を最適に使用することができるという利点が得られる。

たとえば全ての車軸のアクチュエータが、レール車両の一方の側に設けられている別の実施の形態も同じく考えられる。

本発明の特に有利な別の実施の形態では、レール車両の車軸を、いわゆるルーズ（空転）輪軸として形成することが規定されている。ルーズ輪軸では、２つの車輪は、シャフト（車軸）上に支承されていて、互いに関係なく回転することができる。

本発明による有利な別の形態では、いわゆる「輪軸」の使用が規定されている。輪軸では、２つの車輪は車軸に堅固に結合されている。

本発明は、レール車両のボギー台車における使用に適している。

可変の車軸ジオメトリを有するレール車両を例示的に示す図である。 踏面損傷および断面摩耗を最小限にする、モデルベースの方法の出発量を示す図である。 各車軸の水平方向の角度の定義を示す図である。 アクチュエータの変位の定義を示す図である。

本発明の説明
図１は、可変の車軸ジオメトリを有するレール車両の原理的な構造を例示的かつ概略的に示している。レール車両Ｓは、２つの車軸Ａ１，Ａ２を有していて、これらの車軸Ａ１，Ａ２は、各車軸Ａ１，Ａ２の一方の端部における回転点を中心として、それぞれ水平方向に旋回可能に支承されている。各車軸Ａ１，Ａ２の、回転点とはそれぞれ反対に位置する側で、各車軸Ａ１，Ａ２の端部には、それぞれ１つのアクチュエータＡＫＴ１，ＡＫＴ２が作用する。これらのアクチュエータＡＫＴ１，ＡＫＴ２の他方の端部は、レール車両Ｓの枠に結合されている。したがって、アクチュエータＡＫＴ１，ＡＫＴ２の長さの変更によって、各車軸Ａ１，Ａ２のために適切に規定された水平方向の角度α１，α２が調節され得る。相前後する車軸に対して互いに異なる水平方向の角度α１，α２が調節されると、これらの車軸間で横方向シフト量ｄｙと、α１＋α２である車軸角度ｄαとが生じる。車軸角度ｄαと並んで、横方向シフト量ｄｙは車両の摩耗特性もしくは損傷特性への重大な影響を有していることが判った。

この横方向シフト量ｄｙは、車軸の中心点における法線Ｎ１，Ｎ２がボギー台車の対称平面Ｓ内で交わらず、この対称平面Ｓ内で距離を有していることによって幾何学的に規定されている。

本発明によれば、横方向シフト量ｄｙは、車軸の半径方向位置と共に、両車軸の車軸角度α１，α２を意図的に調節することによって得られる。したがって、横方向シフト量ｄｙの、単純かつ信頼性のよい調節可能性が、アクチュエータにおける小さな手間で与えられている。

図２は、踏面損傷および断面摩耗を最小にする、モデルベースの方法の出発量を例示的かつ概略的に示している。２つの車軸Ａ１およびＡ２を有するレール車両が示されている。これらの車軸Ａ１およびＡ２は、互いに対して任意の水平方向の角度（車軸角度ｄα）を占めることができ、互いに対する横方向シフト量ｄｙを有している。車軸Ａ１およびＡ２の中心点の間の間隔は、軸距Ｌに相当する。実際の軸距は、通常は極めて小さな車軸角度ｄαしか生ぜしめないので、ほぼ軸距Ｌと同一視され得る。車軸角度ｄαおよび横方向シフト量ｄｙの両値は、特に、走行車輪およびレール形鋼の最適な摩耗特性が達成されるように、モデルベースの所定の方法により規定される。

図３は、各車軸の水平方向の角度の規定を例示的かつ概略的に示している。この場合、車軸角度ｄαおよび横方向シフト量ｄｙの所定の値から、第１の車軸の水平方向の角度α１および第２の車軸の水平方向の角度α２との組合せが規定され得る。

α１＋α２＝ｄαと、
ｄｙ＝Ｌ／２（ｓｉｎα２−ｓｉｎα１）、小さな角度の場合には近似的にｄｙ＝Ｌ／２（α２−α１）とから、
第１の車軸の水平方向の角度α１：すなわち、α１＝ｄα／２−ｄｙ／Ｌと、
第２の車軸の水平方向の角度α２：すなわち、α２＝ｄα／２＋ｄｙ／Ｌとが求められる。

図４は、図１によるレール車両におけるアクチュエータの変位量の規定を例示的かつ概略的に示している。図１に示したレール車両は、各車軸Ａ１，Ａ２において、それぞれ１つのアクチュエータＡＫＴ１，ＡＫＴ２を具備している。これらのアクチュエータＡＫＴ１，ＡＫＴ２の端部は、各車軸Ａ１，Ａ２に作用している。図３により規定された個別の角度α１およびα２により、所定の車軸長さＡにおいて、各アクチュエータの必要とされる変位量が、ｓ１＝Ａ・ｔａｎα１およびｓ２＝Ａ・ｔａｎα２により求められ得る。

Ｓ レール車両
Ａ１ 第１の車軸
Ａ２ 第２の車軸
ＡＫＴ アクチュエータ
ＡＫＴ１ 第１の車軸のアクチュエータ
ＡＫＴ２ 第２の車軸のアクチュエータ
α 水平方向の角度
α１ 第１の車軸の水平方向の角度
α２ 第２の車軸の水平方向の角度
ｄα 車軸角度
ｄｙ 横方向シフト量
Ｌ 車軸間隔
Ａ 車軸長さ
Ｓ１ 第１の車軸のアクチュエータの変位
Ｓ２ 第２の車軸のアクチュエータの変位

α１＋α２＝ｄαと、
ｄｙ＝Ｌ／２（ｔａｎα２−ｔａｎα１）、小さな角度の場合には近似的にｄｙ＝Ｌ／２（α２−α１）とから、
第１の車軸の水平方向の角度α１：すなわち、α１＝ｄα／２−ｄｙ／Ｌと、
第２の車軸の水平方向の角度α２：すなわち、α２＝ｄα／２＋ｄｙ／Ｌとが求められる。

Claims (10)

1. 少なくとも２つの車軸（Ａ１，Ａ２）を備え、各車軸（Ａ１，Ａ２）の水平方向の角度位置（α）が車両枠に対して変更可能である、可変の車軸ジオメトリを有するレール車両（Ｓ）であって、
   各車軸の前記角度位置（α）は、所定の横方向シフト量（ｄｙ）および所定の車軸角度（ｄα）が得られるように、前記レール車両（Ｓ）の運転中に連続的に調節されるようになっていることを特徴とする、可変の車軸ジオメトリを有するレール車両。
2. 前記横方向シフト量（ｄｙ）および車軸角度（ｄα）は、モデルベースの方法により決定される、請求項１記載のレール車両。
3. 前記車軸は、ルーズ輪軸として形成されている、請求項１または２記載のレール車両。
4. 前記車軸は、輪軸として形成されている、請求項１または２記載のレール車両。
5. 相前後する２つの車軸（Ａ１，Ａ２）のアクチュエータ（ＡＫＴ）は、前記車軸のそれぞれ反対に位置する側に取り付けられている、請求項１または２記載のレール車両。
6. 少なくとも２つの車軸（Ａ１，Ａ２）を備えるレール車両（Ｓ）に用いられる可変の車軸ジオメトリを有するボギー台車であって、
   各車軸の角度位置は、所定の横方向シフト量（ｄｙ）および所定の車軸角度（ｄα）が得られるように、レール車両の運転中に連続的に調節されるようになっていることを特徴とする、レール車両に用いられる可変の車軸ジオメトリを有するボギー台車。
7. 前記横方向シフト量（ｄｙ）および車軸角度（ｄα）は、モデルベースの方法により規定される、請求項６記載のボギー台車。
8. 前記車軸は、ルーズ輪軸として形成されている、請求項６または７記載のボギー台車。
9. 前記車軸は、輪軸として形成されている、請求項６または７記載のボギー台車。
10. 相前後する２つの車軸（Ａ１，Ａ２）のアクチュエータ（ＡＫＴ）は、前記車軸のそれぞれ反対に位置する側に取り付けられている、請求項６または７記載のボギー台車。

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