JPWO2005007480A1 - 自己操舵台車及びこの自己操舵台車を適用した鉄道車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 走行安定性と曲線通過性能を向上させた自己操舵台車とこの自己操舵台車適用した鉄道車両を提供する。【解決手段】 アクティブ・ステアリング・ダンパー１０は、ＤＣモータ１３を駆動しボールネジ１５を回転させ、このボールネジ１５と螺合するナット１６を螺進させることで全体が伸縮動し、これによってステアリングリンク６を介して輪軸２が操舵される。この操舵はアクティブ・ステアリング・ダンパー１０が有するアクティブ機能によって行われる。このアクティブ機能は直線から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。また、アクティブ・ステアリング・ダンパー１０は、パッシブ機能も有する。このパッシブ機能は直線走行時などに発生する蛇行動周波数の振動に対しては剛体として作用し、それ以外の周波数の振動に対しては非剛体として緩衝作用を発揮する機能であり、直線での高速走行性と定常曲線部での通過性が向上する。

Description

本発明は、左右一対の輪軸（車軸と車輪）を独立回転可能にボギーフレームに支持した台車に関する。

鉄道車両を支持する台車としては、１本の軸をボギーフレームに回転自在に支承し、この１本の軸に左右の車輪を取付けた１軸台車と、ボギーフレームの左右に車軸と車輪とからなる輪軸を取付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）とがある。

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輪軸の旋回動（ヨーイング）を自由にすれば達成されるが、輪軸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。
一輪独立回転操舵台車は左右の輪軸が独立回転するため自己操舵機能が高く、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い。（非特許文献１）

また、パッシブ機能による走行安定性の確保とアクティブ機能による補助制御について記載された台車枠アクティブ操舵台車が提案されている。
（特許文献１）
Ｆｒｉｔｚ Ｆｒｅｄｅｒｉｃｈ，Ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｉｅｓ ａｓ ｙｅｔ ｕｎｋｎｏｗｎ ｏｒ ｕｎｕｓｅｄ ｒｅｇａｒｄｉｎｇ ｔｈｅ ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｏｄｅｒｎ ｒｏｌｌｉｎｇ ｓｔｏｃｋ ｒｕｎｎｉｎｇ ｇｅａｒ，Ｒａｉｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｎｏｖｅｎｎｂｅｒ １９８５，ｐ３３ 特開２００２−３２８６５３

一輪独立回転操舵台車は左右の輪軸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。

またパッシブ機能とアクティブ機能を備えた特許文献１に開示されたものにあっては、車軸を有する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という課題がある。

本発明は一輪独立回転操舵台車が抱える課題、即ち中速、高速車両には適用されず、専ら低速車両にしか適用されないという課題を解決することを目的としてなしたものである。

上記課題を達成するため本発明に係る自己操舵台車は、ボギーフレームに独立回転可能に支持される左右一対の輪軸と、これら輪軸を操舵すべく左右一対の輪軸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アクティブ・ステアリング・ダンパーとを備えた構成とした。
ここで、アクティブ・ステアリング・ダンパーは緩和曲線に合わせて輪軸を操舵するアクティブ機能と、高速走行安定性及び定常曲線通過性向上を図るパッシブ機能を有する。

前記アクティブ・ステアリング・ダンパーは蛇行動周波数の振動に対しては剛体として作用し、また定常曲線通過に対してはダンパー作用を発揮するものが好適である。具体的な構成の一例としては、ＤＣモータとこのＤＣモータによって回転せしめられるボールネジ機構を備えた直動型のダンパー、或いは回転型のいずれでもよい。

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い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。
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。

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ォ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輪軸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。

図１５はアクティブ・ステアリング・ダンパーを設けない場合の、直線部、緩和曲先部及び定常曲線部のアタック角と左右変位量を示した図、図１６はアクティブ・ステアリング・ダンパーを設けた場合の、直線部、緩和曲先部及び定常曲線部のアタック角と左右変位量を示した図である。
これらの図から、自己操舵台車にアクティブ機能とパッシブ機能を有するアクティブ・ステアリング・ダンパーを付加することで、緩和曲線に対する操舵性が向上するだけでなく、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ことがわかる。

本発明に係る自己操舵台車の平面図 （ａ）は直動型アクティブ・ステアリング・ダンパーの断面図、（ｂ）は直動型アクティブ・ステアリング・ダンパーの機能を説明した模式図 別実施例に係る自己操舵台車の平面図 回転型アクティブ・ステアリング・ダンパーを適用した別実施例の平面図 図４に示した別実施例の側面図 別実施例に係る自己操舵台車の平面図 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 同自己操舵台車を適用した鉄道車両の側面図 同自己操舵台車を適用した鉄道車両の正面図 別実施例に係る鉄道車両の側面図 別実施例に係る鉄道車両の側面図 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 同連結部の一部切欠平面図 図１２のＡ−Ａ方向矢視図 アクティブ・ステアリング・ダンパーを設けない場合の、直線部、緩和曲先部及び定常曲線部のアタック角と左右変位量を示した図 アクティブ・ステアリング・ダンパーを設けた場合の、直線部、緩和曲先部及び定常曲線部のアタック角と左右変位量を示した図

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平面図、図２（ａ）は直動型アクティブ・ステアリング・ダンパーの断面図、（ｂ）は直動型アクティブ・ステアリング・ダンパーの機能を説明した模式図である。

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に左右一対の輪軸２，２を独立回転可能に支持している。ここで輪軸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いる。

また前記輪軸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間に直動型のアクティブ・ステアリング・ダンパー１０を架設している。

アクティブ・ステアリング・ダンパー１０はシリンダ１１内にピストン１２が摺動自在に挿着され、シリンダ１１内にはＤＣモータ１３、減速ギヤ１４、ボールネジ１５、ナット１６が組み込まれ、またシリンダ１１とピストン１２の端部には連結部１７が設けられ、この連結部１７内にはラバーブッシュ１８が嵌め込まれている。

アクティブ・ステアリング・ダンパー１０は、ＤＣモータ１３を駆動しボールネジ１５を回転させ、このボールネジ１５と螺合するナット１６を螺進させることで全体が伸縮動し、これによってステアリングリンク６を介して輪軸２が操舵される。この操舵はアクティブ・ステアリング・ダンパー１０が有するアクティブ機能によって行われる。このアクティブ機能は直線から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。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。

また図２（ｂ）に示すように、アクティブ・ステアリング・ダンパー１０は、パッシブ機能も有する。このパッシブ機能は直線走行時などに発生する蛇行動周波数の振動に対しては剛体として作用し、それ以外の周波数の振動に対しては非剛体として緩衝作用を発揮する機能であり、直線での高速走行性と定常曲線部での通過性が向上する。このパッシブ機構はＤＣモータの制御系で実現することができる。

図３は別実施例に係る自己操舵台車の平面図であり、前記実施例にあってはアクティブ・ステアリング・ダンパー１０として電磁ダンパー（電動アクチュエータ）を用いたが、この実施例にあってはアクティブ機構とパッシブ機構とを直列にするとともに電動アクチュエータ以外の一般的なアクチュエータをアクティブ機構に用いている。

図４は回転型のアクティブ・ステアリング・ダンパーを適用した別実施例の平面図、図５は図４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輪軸２の上方に回転型のアクティブ・ステアリング・ダンパー２０を配置し、前記同様、ステアリングリンク６を介して輪軸２を操舵する。

図６は別実施例に係る自己操舵台車の平面図であり、この実施例にあっては、メカニカルなステアリングリンク６を用いる代わりに、回転型のアクティブ・ステアリング・ダンパー２０，２０を両方の輪軸２の上方に配置し、左右のアクティブ・ステアリング・ダンパー２０，２０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を省略している。

図７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８は同自己操舵台車を適用した鉄道車両の側面図、図９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。

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３２，３２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、ボギーフレーム１のヨーを固定している。

図１０及び図１１は別実施例に係る鉄道車両の側面図であり、図１０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ができる。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よい。

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く、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や本発明のアクティブ機構を組み込むことも可能である。
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く、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ヨ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。

図１２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１１は同連結部の平面図、図１３は図１２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。

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１０２への階段１０６が設けられている。

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は自己操舵台車の輪軸２，２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。
即ち、従来の２階建車両は、ホームの高さが１ｍ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を左側ととすることで、レイアウト上有利となる。

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。
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ができる。

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１２〜図１４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 (7)

1. ボギーフレームに独立回転可能に支持される左右一対の輪軸と、これら輪軸を操舵すべく左右一対の輪軸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アクティブ・ステアリング・ダンパーとを備えた自己操舵台車。
2. 請求項１に記載の自己操舵台車において、前記アクティブ・ステアリング・ダンパーは、蛇行動周波数の振動に対しては剛体として作用し、また定常曲線通過に対しては駆動源を制御することでダンパー作用を発揮することを特徴とする自己操舵台車。
3. 請求項１または請求項２に記載の自己操舵台車において、前記アクティブ・ステアリング・ダンパーは、直動型または回転型のいずれかとしたことを特徴とする自己操舵台車。
4. 請求項１乃至請求項３に記載の自己操舵台車を少なくとも車両の前後に設けることを特徴とする鉄道車両。
5. 請求項４に記載の鉄道車両において、前記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いずれか一方に寄った位置に設けることを特徴とする鉄道車両。
6. 請求項４または５に記載の鉄道車両において、この車両は２階建とし、１階フロアと２階フロアとの中間高さで左右いずれかに寄った位置にプラットフォームとの出入用フロアが設けられ、また連結される他の車両の１階フロアとの連結通路が前記自己操舵台車の左右の輪軸間のスペースを利用して設けられていることを特徴とする鉄道車両。
7. 請求項４または５に記載の鉄道車両において、この車両は２階建とし、１階フロアと２階フロアとの中間高さで左右いずれかに寄った位置にプラットフォームとの出入用フロアが設けられ、また連結される他の車両の２階フロアとの連結通路が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られていることを特徴とする鉄道車両。

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