(57)【要約】【課題】車輪と軌道との間の摩擦係数や、車輪や軌道の摩耗の状況を詳細に模擬することができる台車試験装置を提供する。【解決手段】台車２００の軌道上での走行状態を模擬する台車試験装置１であって、台車２００を支持し、台車２００に変位を与えるとともに車輪２０２に作用する荷重を測定する本体部１０と、測定された荷重に基づいて、台車２００が軌道上で走行するときの仮想の走行状態をシミュレーションして変位を算出するシミュレーション部５０とを備える。【選択図】図１
2014016201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
台車枠に対して基準軸線に平行な軸線周りに４つの車輪がそれぞれ回転可能に支持された台車の軌道上での走行状態を模擬する台車試験装置であって、
前記台車を支持し、前記台車に変位を与えるとともに前記車輪に作用する荷重を測定する本体部と、
測定された前記荷重に基づいて、前記台車が前記軌道上で走行するときの仮想の走行状態をシミュレーションして前記変位を算出するシミュレーション部と、
を備え、
前記本体部は、
基台と、
前記基台に設けられた支持面の上方に配置基準面を設定し、前記配置基準面に平行であって互いに直交する第一の基準方向および第二の基準方向を規定し、前記配置基準面に直交する方向から見たときに、前記第一の基準方向、前記第二の基準方向に平行な辺を有し前記配置基準面上に設けられた矩形の４隅に配置され、前記基準軸線が前記第一の基準方向と平行になるように前記車輪を支持する４つの支持部材と、
前記配置基準面に直交する直交方向を規定したときに、それぞれの前記支持部材に支持される前記車輪に作用する力の前記第一の基準方向、前記第二の基準方向、および前記直交方向の分力およびモーメントである６分力を前記荷重として測定する４つの支持側６分力測定部と、
前記基台に設けられ、それぞれの前記支持部材を、前記第一の基準方向、前記第二の基準方向、および前記直交方向に移動させるとともに、前記直交方向に平行な軸線周りにそれぞれ回転させる支持側移動部と、
前記台車枠に設けられたバネ部に取り付け可能とされ、前記バネ部に作用する前記６分力を前記荷重として測定する枠側６分力測定部が設けられた枠部材と、
前記基台に設けられ、前記枠部材を前記第一の基準方向および前記直交方向に移動させるとともに、前記第二の基準方向に平行な軸線周りに回転させる枠側移動部と、
前記支持側移動部および前記枠側移動部を制御する本体制御部と、
を有し、
前記シミュレーション部は、
それぞれの前記支持側６分力測定部で前記６分力が測定され、かつ、前記枠側６分力測定部で前記６分力が測定された基準時刻から一定時間後のそれぞれの前記車輪および前記枠部材の前記軌道上での位置および向きを、前記基準時刻において前記支持側６分力測定部により測定された前記６分力、および前記枠側６分力測定部により測定された前記６分力に基づいて算出し、
前記本体制御部は、前記シミュレーション部で算出されたそれぞれの前記車輪および前記枠部材の前記位置および前記向きに基づいて、前記支持側移動部および前記枠側移動部を駆動させて、前記基準時刻から前記一定時間後に、それぞれの前記車輪および前記枠部材が前記位置および前記向きに配置されるように前記変位を与えることを特徴とする台車試験装置。
【請求項２】
前記基台は、
基台本体と、
上部に前記支持面が設けられ、前記基台本体に対して前記直交方向に平行な軸線周りに回転可能に支持された回転台と、
を有し、
前記基台本体に対して前記回転台を回転させる回転台移動部を備え、
前記本体制御部は、前記回転台移動部を制御することを特徴とする請求項１に記載の台車試験装置。
【請求項３】
前記本体制御部は、
前記支持側移動部により前記配置基準面が水平面に対して角度φをなすように４つの前記支持部材を移動させ、
前記シミュレーション部は、測定された前記配置基準面に直交する方向の前記分力の値に代えて、前記分力の値をｃｏｓφで除した値を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の台車試験装置。
【請求項４】
前記シミュレーション部が、前記支持側６分力測定部により測定された前記６分力、および前記枠側６分力測定部により測定された前記６分力に基づいて、それぞれの前記車輪および前記枠部材の前記軌道上での位置および向きを算出することと、
前記本体制御部が、前記シミュレーション部で算出されたそれぞれの前記車輪および前記枠部材の前記位置および前記向きに基づいて、前記支持側移動部および前記枠側移動部を駆動させて、それぞれの前記車輪および前記枠部材が前記位置および前記向きに配置されるように前記変位を与えることと、
を組みにして前記一定時間ごとに繰り返すことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の台車試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、台車試験装置に関し、特に、鉄道車両の走行状態における台車の挙動を模擬し、その特性を試験するための台車試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
軌道上での鉄道車両の走行状態を簡単かつ正確に模擬するために、様々な試験装置が検討されている。
その種の試験装置の１つとして、直線状の軌道の上を車輪が回転するという状況を、軌道と同一の断面をもつ回転円盤である軌条輪の上で車輪を回転させることによって再現させるものが知られている（例えば、非特許文献１、２参照）。
【０００３】
このうち例えば、非特許文献１に記載された試験装置では、実際の軌道と軌条輪との物理的特性の違いなどによって、鉄道車両の実際の走行状態を模擬できないことが多い。また、あらゆる走行状態に対応できるようにすると、軌条輪を用いた試験装置では極めて複雑な構造となるため、一般的には直線状の基本レールからなる軌道上での走行状態（直線走行）のみを模擬することを前提として設計されることが多い。
一方で、非特許文献２に記載された試験装置のように、軌条輪を用いて曲線状の基本レールを含む軌道上での走行状態（曲線走行）を模擬できるものもある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】日本機械学会編集、「鉄道車両のダイナミクス・最新の台車テクノロジー」、株式会社電気車研究会、１９９４年１２月。
【非特許文献２】松本ほか、「都市内鉄軌道用台車試験設備の開発  第１報」、交通安全公害研究所研究発表会講演概要、１９８９年。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献２に記載された試験装置では、鉄道車両の挙動にとって重要な因子である車輪と軌道との間の摩擦係数やそれぞれの摩耗状況を細かく制御することはできないため、あらゆる条件で鉄道車両の挙動を模擬することはできない。
また、供試体となる鉄道車両は、上部の車体と、この車体を下方で支持する台車とで構成される。車体および台車のうち、鉄道車両の走行状態に大きな影響を及ぼすのは台車であるため、供試体として台車のみを用いて鉄道車両の走行状態を模擬する場合が多い。
【０００６】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、車輪と軌道との間の摩擦係数や、車輪や軌道の摩耗の状況を詳細に模擬することができる台車試験装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の台車試験装置は、台車枠に対して基準軸線に平行な軸線周りに４つの車輪がそれぞれ回転可能に支持された台車の軌道上での走行状態を模擬する台車試験装置であって、前記台車を支持し、前記台車に変位を与えるとともに前記車輪に作用する荷重を測定する本体部と、測定された前記荷重に基づいて、前記台車が前記軌道上で走行するときの仮想の走行状態をシミュレーションして前記変位を算出するシミュレーション部と、を備え、前記本体部は、基台と、前記基台に設けられた支持面の上方に配置基準面を設定し、前記配置基準面に平行であって互いに直交する第一の基準方向および第二の基準方向を規定し、前記配置基準面に直交する方向から見たときに、前記第一の基準方向、前記第二の基準方向に平行な辺を有し前記配置基準面上に設けられた矩形の４隅に配置され、前記基準軸線が前記第一の基準方向と平行になるように前記車輪を支持する４つの支持部材と、前記配置基準面に直交する直交方向を規定したときに、それぞれの前記支持部材に支持される前記車輪に作用する力の前記第一の基準方向、前記第二の基準方向、および前記直交方向の分力およびモーメントである６分力を前記荷重として測定する４つの支持側６分力測定部と、前記基台に設けられ、それぞれの前記支持部材を、前記第一の基準方向、前記第二の基準方向、および前記直交方向に移動させるとともに、前記直交方向に平行な軸線周りにそれぞれ回転させる支持側移動部と、前記台車枠に設けられたバネ部に取り付け可能とされ、前記バネ部に作用する前記６分力を前記荷重として測定する枠側６分力測定部が設けられた枠部材と、前記基台に設けられ、前記枠部材を前記第一の基準方向および前記直交方向に移動させるとともに、前記第二の基準方向に平行な軸線周りに回転させる枠側移動部と、前記支持側移動部および前記枠側移動部を制御する本体制御部と、を有し、前記シミュレーション部は、それぞれの前記支持側６分力測定部で前記６分力が測定され、かつ、前記枠側６分力測定部で前記６分力が測定された基準時刻から一定時間後のそれぞれの前記車輪および前記枠部材の前記軌道上での位置および向きを、前記基準時刻において前記支持側６分力測定部により測定された前記６分力、および前記枠側６分力測定部により測定された前記６分力に基づいて算出し、前記本体制御部は、前記シミュレーション部で算出されたそれぞれの前記車輪および前記枠部材の前記位置および前記向きに基づいて、前記支持側移動部および前記枠側移動部を駆動させて、前記基準時刻から前記一定時間後に、それぞれの前記車輪および前記枠部材が前記位置および前記向きに配置されるように前記変位を与えることを特徴としている。
【０００８】
また、上記の台車試験装置において、前記基台は、基台本体と、上部に前記支持面が設けられ、前記基台本体に対して前記直交方向に平行な軸線周りに回転可能に支持された回転台と、を有し、前記基台本体に対して前記回転台を回転させる回転台移動部を備え、前記本体制御部は、前記回転台移動部を制御することがより好ましい。
また、上記の台車試験装置において、前記本体制御部は、前記支持側移動部により前記配置基準面が水平面に対して角度φをなすように４つの前記支持部材を移動させ、前記シミュレーション部は、測定された前記配置基準面に直交する方向の前記分力の値に代えて、前記分力の値をｃｏｓφで除した値を用いることがより好ましい。
【０００９】
また、上記の台車試験装置において、前記シミュレーション部が、前記支持側６分力測定部により測定された前記６分力、および前記枠側６分力測定部により測定された前記６分力に基づいて、それぞれの前記車輪および前記枠部材の前記軌道上での位置および向きを算出することと、前記本体制御部が、前記シミュレーション部で算出されたそれぞれの前記車輪および前記枠部材の前記位置および前記向きに基づいて、前記支持側移動部および前記枠側移動部を駆動させて、それぞれの前記車輪および前記枠部材が前記位置および前記向きに配置されるように前記変位を与えることとを組みにして前記一定時間ごとに繰り返すことがより好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の台車試験装置によれば、車輪と軌道との間の摩擦係数や、車輪や軌道の摩耗の状況を詳細に模擬することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態の台車試験装置を模式的に示す正面図である。
【図２】図１中の切断線Ａ１−Ａ１の断面図である。
【図３】同台車試験装置のブロック図である。
【図４】台車の輪軸に関する座標を説明する図である。
【図５】横圧および接線力を計算する手順を示すフローチャートである。
【図６】ηと、ｍおよびｎとの関係を示す図である。
【図７】クリープ率を求める手順を説明する図である。
【図８】合力を法線力とクリープ力とに分解した説明図である。
【図９】合力を輪重と横圧とに分解した説明図である。
【図１０】同台車試験装置で曲線状の軌道を模擬する状態を模式的に示す平面図である。
【図１１】軌道上を走行する鉄道車両に作用する遠心力を説明する図である。
【図１２】同台車試験装置で試験を行う状態を模式的に示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る台車試験装置の一実施形態を、図１から図１２を参照しながら説明する。この台車試験装置は、鉄道車両における台車の軌道上での走行状態を模擬するものである。
まず、図１および図２を用いて、供試体となる台車２００について説明する。
台車２００は、台車枠２０１に対して４つの車輪２０２がそれぞれ回転可能に支持されるとともに、台車枠２０１上にバネ部２０４が設けられたものである。４つの車輪２０２は、同一平面上に配置されるとともに、図２に示す平面視において、矩形Ｒ１の四隅となる位置にそれぞれ配置されている。４つの車輪２０２は、矩形Ｒ１の一辺に重なる基準軸線Ｃ１に平行な軸線周りに回転可能となっている。
【００１３】
それぞれの車輪２０２と台車枠２０１とは、車輪支持バネ２０３により支持されている。車輪２０２と台車枠２０１とは、車輪支持バネ２０３により車輪２０２と台車枠２０１とが互いに接離する方向だけでなく、互いに直交する３軸方向にそれぞれ弾性力を生じるように支持されている。
この例では、バネ部２０４は、３つのバネ要素２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃから構成されていて、各バネ要素２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃの一端部が台車枠２０１の天面に固定されている。バネ部２０４としては、台車枠２０１と車体荷重枠１６との間で後述する６分力が伝達可能であるものであれば、特に限定されることなく用いることができる。具体的には、バネ部２０４として、例えば空気バネや板バネなどが用いられる。
【００１４】
図１から図３に示すように、本台車試験装置１は、台車２００を支持し、台車２００に変位を与えるとともに車輪２０２に作用する荷重を測定する本体部１０と、本体部１０で測定された荷重に基づいて、台車２００が不図示の軌道上で走行するときの仮想の走行状態をシミュレーションして台車２００に与える変位を算出するシミュレーション部５０とを備えている。
本体部１０は、基台１１と、基台１１の後述する支持面２２ａの上方に配置され、車輪２０２を支持する４つの支持部材１２と、それぞれの支持部材１２に設けられた支持側６分力測定器（支持側６分力測定部）１３と、それぞれの支持部材１２を移動させる支持側移動部１４と、バネ部２０４が取り付け可能とされた車体荷重枠（枠部材）１６と、基台１１に設けられ車体荷重枠１６を移動させる枠側移動部１７と、支持側移動部１４および枠側移動部１７を制御する本体制御部１８とを有している。
【００１５】
基台１１は、基台本体２１と、略円板状に形成されて上部に支持面２２ａが設けられ、基台本体２１に対して鉛直方向（直交方向）Ｚに平行な軸線Ｃ２周りに回転可能に支持された回転台２２とを有している。
基台本体２１は、例えば鉄鋼などの金属を用いて形成することができ、支持部材１２などを収容する収容部２１ａが形成されている。
回転台２２は、収容部２１ａの底面上に、ベアリング２３を介して回転可能に支持されている。回転台２２の支持面２２ａにおいて、中央部に壁部２２ｂが形成され、縁部に４つの壁部２２ｃが形成されている。回転台２２の底面には、下方に向けて突出する凸部２２ｄが形成されている。基台本体２１と凸部２２ｄとには、油圧などで駆動される回転台移動アクチュエータ（回転台移動部）２４の端部がそれぞれ取り付けられている。回転台移動アクチュエータ２４が伸縮することで、基台本体２１に対して回転台２２を軸線Ｃ２周りの所望の向きに回転させることができる。
回転台移動アクチュエータ２４は本体制御部１８に接続されていて、本体制御部１８に制御される。
【００１６】
この例では、それぞれの支持部材１２は、天面が開口する箱状に形成されている。それぞれの支持部材１２は１つの車輪２０２を支持するが、従来の軌条輪とは異なり、支持部材１２は、車輪２０２を車輪２０２の軸線周りに回転させる駆動力を作用させることはない。
ここで、支持面２２ａの上方に支持面２２ａに対して平行に配置基準面Ｓを規定し、配置基準面Ｓに平行であって互いに直交する第一の基準方向Ｘおよび第二の基準方向Ｙを規定する。前述の鉛直方向Ｚは、配置基準面Ｓに直交する方向、すなわち、第一の基準方向Ｘ、第二の基準方向Ｙにそれぞれ直交する方向となる。
鉛直方向Ｚに見たときに、それぞれの支持部材１２は、第一の基準方向Ｘ、第二の基準方向Ｙに平行な辺を有し、配置基準面Ｓ上に設けられた矩形Ｒ２の４隅に配置されている。基準軸線Ｃ１が第一の基準方向Ｘと平行になるようにそれぞれの支持部材１２に車輪２０２を支持させたときに、鉛直方向Ｚに見て、矩形Ｒ２は前述の矩形Ｒ１に一致するように構成されている。なお、第一の基準方向Ｘは、鉄道車両における幅方向となり、第二の基準方向Ｙは、鉄道車両における前後方向となる。
支持部材１２は、支持した車輪２０２との間で第一の基準方向Ｘおよび第二の基準方向Ｙにガタつきがないものを用いることが好ましい。
【００１７】
支持側６分力測定器１３は、自身が設けられた支持部材１２が支持する車輪２０２に作用する力の第一の基準方向Ｘ、第二の基準方向Ｙ、および鉛直方向Ｚの分力、および、第一の基準方向Ｘ、第二の基準方向Ｙ、および鉛直方向Ｚ周りのモーメントである６分力を前述の荷重として測定する。このような支持側６分力測定器１３としては、公知の６分力ロードセルなどを適宜選択して用いることができる。
車輪２０２をガタつき無く支持する支持部材１２に支持側６分力測定器１３を設けることで、車輪２０２に対して支持側６分力測定器１３が滑るのを防止し、車輪２０２に作用する力を正確に測定することができる。
【００１８】
それぞれの支持部材１２には、支持側移動部１４が取り付けられている。
支持側移動部１４は、回転台２２に対して支持部材１２を、支持部材１２を通り鉛直方向Ｚに平行な軸線Ｃ３に平行に移動させるとともに軸線Ｃ３周りに回転（ヨーイング）させる支持部材上下アクチュエータ２７と、第一の基準方向Ｘに移動させる支持部材左右アクチュエータ２８と、第二の基準方向Ｙに移動させる支持部材前後アクチュエータ２９とを備えている。
支持部材上下アクチュエータ２７は、回転台２２の支持面２２ａと支持部材１２とに接続されている。支持部材左右アクチュエータ２８は、回転台２２の壁部２２ｃと支持部材１２とに接続されている。支持部材前後アクチュエータ２９は、回転台２２の壁部２２ｂと支持部材１２とに接続されている。
アクチュエータ２８、２９としては、前述の回転台移動アクチュエータ２４と同一の構成のものを用いることができる。支持部材上下アクチュエータ２７は、例えば、油圧シリンダと電動モータとを組み合わせることで構成することができる。すなわち、電動モータの回転軸を軸線Ｃ３上に配置し、この電動モータを駆動することで支持部材１２を軸線Ｃ３周りに回転させる。
この例では、支持側移動部１４は、１つの支持部材１２に対して３つのアクチュエータ、すなわち、全部で４つの支持部材１２に対して１２のアクチュエータを備えている。アクチュエータ２７〜２９は本体制御部１８に接続されていて、本体制御部１８に制御される（図３参照。）。
【００１９】
なお、台車２００において基準軸線Ｃ１上に配置された一対の車輪２０２は基準軸線Ｃ１に対して回転対称となっているため、この車輪２０２をピッチングさせるためのアクチュエータを備える必要はない。
また、一般的に、台車２００の車輪支持バネ２０３は硬いので、この一対の車輪２０２のうちの一方を上下させることで、車輪支持バネ２０３および台車枠２０１を介して一対の車輪２０２がローリングすることになる。このため、支持部材上下アクチュエータ２７を備えていれば、台車試験装置１に車輪２０２をローリングさせるための専用のアクチュエータを備える必要はない。
【００２０】
車体荷重枠１６は、鉄道車両の車体に相当する部材である。車体荷重枠１６の底面には、バネ部２０４の各バネ要素２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃの他端部が取り付け可能となっている。車体荷重枠１６における後述するアクチュエータ３５〜３８に接続される部分（天面）には、バネ部２０４に作用する６分力を前述の荷重として測定する枠側６分力測定器（枠側６分力測定部）３２が設けられている。
枠側６分力測定器３２としては、前述の支持側６分力測定器１３と同一のものを用いることができる。
枠側６分力測定器３２、および前述の支持側６分力測定器１３が測定した６分力は、本体制御部１８に送信される（図３参照。）。
【００２１】
枠側移動部１７は、基台本体２１に対して車体荷重枠１６を、第一の基準方向Ｘに移動させる枠部材左右アクチュエータ３５、３６と、鉛直方向Ｚに移動させるとともに、第二の基準方向Ｙに平行な軸線周りに回転（ローリング）させる枠部材上下アクチュエータ３７、３８とを備えている。アクチュエータ３５〜３８の端部は、基台本体２１と車体荷重枠１６とにそれぞれ接続されている。
アクチュエータ３５〜３８としては、前述の回転台移動アクチュエータ２４と同一の構成のものを用いることができる。枠部材左右アクチュエータ３５、３６は、下方に向かうにしたがって互いに離間するように配置されている。枠部材上下アクチュエータ３７、３８は、それぞれが鉛直方向Ｚに平行になり、かつ、第一の基準方向Ｘに並べて配置されている。
枠部材左右アクチュエータ３５、３６に代えて、第一の基準方向Ｘに平行に配置され端部が基台本体２１と車体荷重枠１６とに接続された１つのアクチュエータを用いても基台本体２１に対して車体荷重枠１６を第一の基準方向Ｘに移動させることができる。しかし、この例では、車体荷重枠１６の動きをより安定させるためにこのような構成としている。
アクチュエータ３５〜３８は本体制御部１８に接続されていて、本体制御部１８に制御される（図３参照。）。
【００２２】
本体制御部１８は、図３に示すように、バス４１に接続されたＣＰＵ４２、記憶部４３、および入出力部４４を有している。
バス４１には、６分力測定器１３、３２、アクチュエータ２４、２７〜２９、３５〜３８が接続されている。記憶部４３には、シミュレーション部５０で算出された変位に基づいて、アクチュエータ２４、アクチュエータ２７〜２９を有する支持側移動部１４、およびアクチュエータ３５〜３８を有する枠側移動部１７を駆動させて、それぞれの支持部材１２、および車体荷重枠１６を介して台車２００を移動させるためのプログラムが記憶されている。また、記憶部４３には、枠側６分力測定器３２による６分力の測定結果を記憶することができる。
ＣＰＵ４２は、６分力測定器１３、３２が測定した６分力を受信し、バス４１を介してシミュレーション部５０に送信する。本体部１０が起動されたときに、記憶部４３から前述のプログラムを読み込む。そして、このプログラムに基づいて、後述するように、シミュレーション部５０で算出されたそれぞれの車輪２０２および車体荷重枠１６の軌道上での位置および向きに基づいて、アクチュエータ２４、移動部１４、１７を駆動し、それぞれの車輪２０２および車体荷重枠１６が前記位置および向きに配置されるように変位を与える。
入出力部４４は、例えばキーボードや表示パネルである。使用者は表示パネルで本体部１０の操作状態を確認しながら、キーボードから指示を入力する。入力された指示はＣＰＵ４２に送信される。
【００２３】
シミュレーション部５０は、バス５１に接続されたＣＰＵ５２、記憶部５３、および入出力部５４を有している。
バス５１は、本体制御部１８のバス４１に接続されている。
記憶部５３には、公知のシミュレーションプログラム、および、走行状態を模擬したい台車２００の形状、質量、慣性モーメントなどの物性、軌道の形状、摩擦係数などが記憶されている。
ＣＰＵ５２は、シミュレーション部５０が起動されたときに記憶部５３からプログラムを読み込む。そして、このプログラムに従い、支持側６分力測定器１３が所定の基準時刻に測定した車輪２０２に作用する力６分力、および、枠側６分力測定器３２が前記基準時刻に測定した車体荷重枠１６に作用する力６分力である荷重に基づいて、台車２００が軌道上で走行するときの仮想の走行状態をシミュレーションして、前記基準時刻から一定時間後の軌道上での台車２００のうちの車輪２０２および車体荷重枠１６の位置および向き（ヨー角、ロール角、およびピッチ角。）となる変位を算出する。
入出力部５４は、入出力部４４と同様の構成を用いることができる。使用者はモニタで操作状態を確認しながら、キーボードから、軌道の形状や、シミュレーション条件などの指示を入力する。入力された指示はＣＰＵ５２に送信され、必要に応じて記憶部５３に記憶される。
【００２４】
ここで、シミュレーション部５０の記憶部５３に記憶されているシミュレーションプログラムについて説明する。
荷重が作用されたときの鉄道車両の車輪や車体（車体荷重枠）などの位置および向きを求めるシミュレーション方法としては、公知の方法を適宜選択して用いることができることは、当業者であれば当然に理解できることである。ここでは、本発明の内容を具体的に説明するために、それらの方法の一例について説明する。
【００２５】
鉄道車両に関する運動方程式は、例えば、藤本らが示した文献１（「車両運動シミュレーションによる曲線通過特性の解析」、日本機械学会論文集（Ｃ編）、平成４年、第５８巻、第５４８号、ｐ７３−８０。）に示されている。
図４に示すように円曲線中の座標軸をとり、カント面に対してｙ軸は水平に、ｚ軸は垂直にとる。鉄道車両における車輪、そして車輪が回転可能に支持されている輪軸に関する運動方程式は、（３）式を用いて（１）式および（２）式のようになる。
【００２６】
【数１】
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【００２７】
ただし、ｉ＝１を前軸、ｉ＝２を後軸、ｊ＝１を前台車、ｊ＝２を後台車、複号は前軸が負、後軸が正とし、以下のように記号を定義している。すなわち、輪軸の質量をｍｗ、輪軸のヨー慣性モーメントをＪｗｚ、１軸当たりの台車が輪軸を支持する左右支持減衰定数をＣ１ｙ、１軸当たりの台車枠が輪軸を支持する前後支持減衰定数をＣ１ｘ、１軸当たりの台車枠が輪軸を支持する左右支持剛性をｋ１ｙ、１軸当たりの台車枠が輪軸を支持する前後支持剛性をｋ１ｘ、台車枠重心から輪軸（軸箱左右支点ばね作用点）高さ差をｈ１、輪軸の重心と台車枠の重心との前後の距離をａ、一対の車輪が軌条輪に接触する左右間隔を２ｄ、輪軸中心から左右の一方の車輪の接触点までの距離をｂ１ｉｊ、輪軸中心から左右の他方の車輪の接触点までの距離をｂ２ｉｊ、左右の一方の車輪の横圧をＱ１ｉｊ、ｘ軸の他方の車輪の横圧をＱ２ｉｊ、左右の一方の車輪の前後の接線力をＦ１ｉｊ、左右の他方の車輪の前後の接線力をＦ２ｉｊ、輪軸の左右変位をｙｗｉｊ、台車枠の左右方向の変位をｙｉｊ、台車枠のｙ軸方向の変位をｙｉｊ、台車枠のロール角度をφｉｊ、台車枠のヨー角度をψｉｊ、輪軸のヨー角度をψｗｉｊ、水準狂い角度をφ０ｉｊ、走行速度をｖ、カント角をθ、重量定数をｇとする。
なお、軌道が曲線状の場合には、一方を内側、他方を外側とする。
【００２８】
（１）式および（２）式は輪軸の運動方程式であるが、ここで、車輪２０２〜軌道間の力である横圧Ｑ１ｉｊ、Ｑ２ｉｊ、接線力Ｆ１ｉｊ、Ｆ２ｉｊ（以下、「横圧Ｑ１ｉｊ等」と総称する。）を計算する手順について説明する。輪軸に働く力のうち、横圧Ｑ１ｉｊ等以外の力は、支持側６分力測定器１３における６分力の測定値から求めることができる。
図５は、横圧および接線力を計算する手順を示すフローチャートである。
【００２９】
図５に示すステップＳ１０において、車輪２０２と軌道とのある時点（基準時刻）での変位量と、車輪２０２と軌道断面の幾何学的形状（以上は、全てシミュレーション部５０内で求められる。）によって、接触点および接触角が決定するので、これを求める。すると、接触点での車輪２０２、軌道双方の曲率半径が、予めシミュレーション部５０の記憶部５３に記憶された車輪２０２および軌道の断面形状から求まる。求められた曲率半径を下記のように規定する。
Ｒｗｘ：接触点における車輪２０２の前後方向の曲率半径。
Ｒｗｙ：接触点における車輪２０２の左右方向の曲率半径。
Ｒｒｘ：接触点における軌道の前後方向の曲率半径。
Ｒｒｙ：接触点における軌道の左右方向の曲率半径。
なお、前後方向の位置により軌道の断面形状が変化する場合には、各瞬間の軌道の断面形状を考慮すればよい。これにより、車輪２０２や軌道の摩耗の状況を模擬することができる。
【００３０】
次に、ステップＳ２０において、車輪２０２と軌道とが１点で接触する場合、６分力測定器１３、３２の測定値と、ステップＳ１０で求められた接触角とから、接触点に働く法線力を求める。
なお、例えば、分岐器のように車輪と軌道とが２点以上で接触する場合は、この条件だけでは法線力が求められないため、例えば、石田らが示した文献２（「鉄道車両の高周波輪重変動下における走行安全性評価に関する研究」、日本機械学会論文集（Ｃ編）、平成１７年、第７１巻、第７０２号、ｐ１００−１０７。）に示された方法によって、法線力を求める。
【００３１】
続いて、ステップＳ３０において、以下の手順でクリープ力を算出する。
まず、接触点においてＨｅｌｔｚの弾性接触を仮定すると、接触楕円の長径の半分ａ、および短径の半分ｂは、（４）式で求められる。
【００３２】
【数２】
2014016201.tif 000004
【００３３】
ただし、車輪２０２および軌道の縦弾性係数をＥ、車輪２０２および軌道のポアソン比をν、接触面に働く法線方向の力をＮとし、さらに、（５）式および（６）式で定義されたＡ、Ｂ、そして（７）式により定まるηを用いて、図６の線図からｍ、ｎが定まる。ｍ、ｎが定まると、（４）式からａ、ｂも定まる。
【００３４】
【数３】
2014016201.tif 000005
【００３５】
次に、クリープ率を定義するために、下記および図７に示すように記号を定義する。
走行速度をｖ、軌道の通り不整をｙＲ、輪軸の幅方向の変位ｙ、輪軸のヨー角変位をψ、輪軸のロール角度変位をφ、中立位置での車輪の半径をｒ０、中立位置での接触点の幅方向の間隔の半分をｄ０、一方の車輪の接触点での半径をｒ１、他方の車輪の接触点での半径をｒ２、一方の車輪の接触点での接触角をα１、他方の車輪の接触点での接触角をα２とする。
そして、図７に示すように、通り不整ｙＲと幅方向の変位ｙとにより、接触点がＡ、ＢからＡ’、Ｂ’に移動し、車輪の半径がｒ０からｒ１、ｒ２となり、接触点勾配がα０からα１、α２となり、車輪のロール角度が０からφとなったとする。
このとき、（８）式から（１３）式に示すようにクリープ率が求められる。なお、ｘ軸方向（前後）のクリープ率について、一方の車輪における値をν１２、他方の車輪における値をν１１、ｙ軸方向（左右）のクリープ率について、一方の車輪における値をν２２、他方の車輪における値をν２１、スピンクリープ率について、一方の車輪における値をω３２、他方の車輪における値をω３１とする。
【００３６】
【数４】
2014016201.tif 000006
【００３７】
一般的によく使用されるのは、これらのクリープ率と接触楕円（車輪と軌道とが接触する接触楕円。）の径ａ、ｂ、法線力Ｎ、車輪と軌道との摩擦係数μとから、ＦＡＳＴＳＩＭ（Kalker.J.J: A Fast Algorithm for the Simplified Theory of Rolling Contact, Vehicle System Dynamics ,11,pp.1-13,1982）と呼ばれるプログラムによって、クリープ力（縦クリープ力、横クリープ力）を求める方法である。
ＦＡＳＴＳＩＭ以外による方法としては、文献３（日本機械学会：鉄道車両のダイナミクス、電気車研究会、平成６年）に記載されている方法などがある。
なお、車輪と軌道とが２点以上で接触する場合は、それぞれの接触点でクリープ力を足し合わせればよい。
【００３８】
ここで求められたクリープ力と、目的である横圧Ｑ１ｉｊ等との関係は、図８および図９に示した通りである。図８および図９には軌道Ｒ１０を示していて、縦クリープ力は、紙面に垂直方向、すなわち、軌道Ｒ１０の長手方向に作用する力となる。
図８で横クリープ力と法線力とを合成することで求めた合力Ｒを、図９に示すように鉛直、水平方向に分解すると、横圧Ｑ１ｉｊ、Ｑ２ｉｊが求まる。さらに、接線力Ｆ１ｉｊ、Ｆ２ｉｊは縦クリープ力と一致する（図８参照。）。
以上の手順をそれぞれの車輪２０２に対して行うことにより、各車輪２０２に対する横圧Ｑ１ｉｊ等が求まる。
【００３９】
また、前述の文献１によれば、鉄道車両の車体についての左右方向、ヨー、ロールに関する運動方程式は、（１７）式を用いて（１４）式から（１６）式のように表される。
【００４０】
【数５】
2014016201.tif 000007
【００４１】
ただし、ｉ＝１を前軸、ｉ＝２を後軸、ｊ＝１を前台車、ｊ＝２を後台車、複号は前台車が正、後台車が負とし、（１）式および（２）式で定義した記号に加えて、以下のように記号を定義している。
すなわち、車体の重心位置での左右変位をｙｂ、車体のヨー角変位をψｂ、車体のロール角変位、輪軸のロール角変位をφｂ、φｗｉｊ、空気ばねの絞り減衰作用部上面と台車枠間の相対ロール角変位をφｓｊ、車体、台車枠の質量をｍｂ、ｍｔ、１軸当たりの軸箱上下支持剛性をｋ１ｚ、空気ばね１個当たりの前後、左右、上下剛性、有効受圧面積変化に相当する上下剛性をｋ２ｘ、ｋ２ｙ、ｋ２、ｋ３、１輪軸当たりの軸箱上下支持減衰定数をＣ１ｚ、１台車枠当たりの左右動ダンパの減衰定数を２Ｃ２ｙ、車体、台車枠のヨーイング慣性モーメントをＪｂｚ、Ｊｔｚ、車体、台車枠のローリング慣性モーメントをＪｂｘ、Ｊｔｘ、軸ばね、空気ばねの左右間隔を２ｂ１、２ｂ２、台車枠の中心間距離を２ａ、台車枠の重心から空気ばね中心、左右動ダンパ中心までの高さをｈ２、ｈ２ｄ、空気ばね中心、左右動ダンパ中心から車体重心までの高さをｈ３、ｈ３ｄ、台車の重心から振り子ばり中心までの距離（高さ）をｈ４、台車枠の旋回モーメントをＭｔｊ、振り子ばりのロール傾斜角をφｐ、振り子ばりの中心から振り子中心までの距離（高さ）をｈｐとする。
【００４２】
次に、ステップＳ４０において、求めた横圧Ｑ１ｉｊ等や枠側６分力測定器３２が測定した６分力を（１）式および（２）式に代入し、数値積分を行う。
このように、６分力測定器１３、３２が６分力を測定した基準時刻に対し、６分力測定器１３、３２で測定された６分力に基づいて、シミュレーション部５０では、基準時刻から一定時間後の車輪２０２および車体荷重枠１６の軌道上での位置および向きを前述の変位として算出する。
一定時間（刻み時間）としては、シミュレーションの精度を向上させるためには短く設定することが望ましいが、一定時間が短いほどシミュレーションに要する時間が長くなる。このため、一定時間は、ＣＰＵ５２の処理能力、シミュレーションモデルの大きさなどに応じて、例えば、０．１〜数秒程度に設定する。
【００４３】
なお、枠側６分力測定器３２は、測定された６分力から車体荷重枠１６に働く重力および慣性力を引くことで、バネ部２０４に作用する６分力を求めることができる。車体荷重枠１６に働く重力は、車体荷重枠１６が静止しているときの枠側６分力測定器３２の測定値から求めることができる。車体荷重枠１６に働く慣性力は、車体荷重枠１６の加速度と車体荷重枠１６の質量から求めることができる。車体荷重枠１６の加速度はアクチュエータ３５〜３８の変位量から、車体荷重枠１６の質量は車体荷重枠１６が静止しているときの枠側６分力測定器３２の測定値から求めることができる。
【００４４】
次に、以上のように構成された台車試験装置１の動作について説明する。以下では、軌道が直線状に形成された基本レールのみからなる場合について説明する。
使用者は、供試体となる台車２００を選択する。
本体部１０を起動すると、ＣＰＵ４２は、記憶部４３に記憶された支持部材１２および車体荷重枠１６を移動させるためのプログラムを読み込む。
シミュレーション部５０を起動すると、ＣＰＵ５２は、記憶部５３に記憶されたシミュレーションプログラムを読み込む。使用者は、必要に応じて入出力部５４から、模擬させたい軌道の形状などを入力する。
本体部１０の支持部材１２に、台車２００の各車輪２０２を取り付け、車体荷重枠１６の底面に各バネ要素２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃの他端部を取り付ける。
【００４５】
入出力部４４を操作して台車試験装置１による模擬を開始させると、本体部１０は、基準時刻において以下の６分力測定工程を行う。６分力測定工程では、支持側６分力測定器１３によりそれぞれの車輪２０２に作用する６分力を測定するとともに、枠側６分力測定器３２によりバネ部２０４に作用する６分力を測定する。ＣＰＵ４２は、これら測定した６分力の値を、シミュレーション部５０のＣＰＵ５２に送信する。
６分力の測定値が送信されたシミュレーション部５０では、前述のステップＳ１０からＳ４０で構成される変位算出工程を行う。このとき、運動方程式を解くことで、基準時刻から一定時間後におけるそれぞれの車輪２０２および車体荷重枠１６の軌道上での位置および向きを算出する。ＣＰＵ５２は、これらの算出結果を本体部１０のＣＰＵ４２に送信する。
【００４６】
車輪２０２および車体荷重枠１６の軌道上での位置および向きの算出結果が送信されたＣＰＵ４２は、以下の台車移動工程を行う。すなわち、移動部１４、１７を駆動して、基準時刻から一定時間後においてそれぞれの車輪２０２および車体荷重枠１６が送信された位置および向きに配置されるように移動させる（車輪２０２および車体荷重枠１６に変位を与える）。
これと同時に、すなわち、この一定時間後において、ＣＰＵ４２は６分力測定工程を行う。
【００４７】
すなわち、６分力測定工程、変位算出工程、および台車移動工程を組みにした工程を一定時間ごとに繰り返す。これにより、記憶部５３に記憶された直線状の軌道上を走行する台車２００の走行状態が模擬される。
軌道上の所定の長さ分の模擬が終了したら、必要な情報を記憶部４３に記憶し、本体部１０、シミュレーション部５０の運転を終了する。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態の台車試験装置１によれば、記憶部５３に記憶されたシミュレーションプログラムにより、車輪２０２と軌道との摩擦係数や、車輪２０２や軌道の摩耗の状況を考慮したシミュレーションを行うことで、摩擦や磨耗の状況に応じて台車２００の軌道上での走行状態を、支持部材１２上で模擬することができる。分岐器が設けられている場合など、軌道の断面形状が変化する場合でも、台車２００の走行状態を模擬することができる。
供試体である台車２００の各車輪２０２に作用する６分力を支持側６分力測定器１３で測定することで、車輪２０２に作用する力を全て把握し、車輪２０２の位置および向きを正確に算出することができる。同様に、車体荷重枠１６に作用する６分力を枠側６分力測定器３２で測定することで、車体荷重枠１６に作用する力を全て把握し、車体荷重枠１６の位置および向きを正確に算出することができる。
支持側移動部１４は、各回転台２２を第一の基準方向Ｘ、第二の基準方向Ｙ、および鉛直方向Ｚに移動させるとともに軸線Ｃ３周りに回転（ヨーイング）させる構成となっている。したがって、支持側移動部１４に回転台２２をピッチングやローリングさせる構成を備えていない。これにより、支持側移動部１４が大型化するのを抑制することができる。
また、従来の試験装置のように軌条輪を用いることなく、台車試験装置１の構成を簡単にすることができる。
【００４９】
６分力測定工程、変位算出工程、および台車移動工程を組みにした工程を一定時間ごとに繰り返すことで、より長い軌道上を走行する台車２００の仮想の走行状態を模擬することができる。
【００５０】
なお、軌道が曲線状に形成された基本レールを含む場合は、シミュレーション部５０のＣＰＵ５２は、記憶部５３に記憶された曲がった軌道の形状を用いてシミュレーションを行う。
一方で、本体制御部１８のＣＰＵ４２は、軌道の形状に応じてアクチュエータ２４を駆動し、図１０に示すように、回転台２２および支持部材１２を介して台車２００の４つの車輪２０２を軸線Ｃ２周りに回転させる。基台本体２１に取り付けられた車体荷重枠１６に対して回転台２２を回転させることで、車体荷重枠１６に対する台車枠２０１のヨーイング方向の可動範囲が大きく取れるようになる。
【００５１】
アクチュエータ２４を駆動して回転台２２を回転させることで、軌道が曲線状であっても、台車２００の軌道上の仮想の走行状態を模擬し、曲線通過に伴う台車２００のボギー角（車体荷重枠１６と台車２００との相対ヨー角。）を再現することができる。
このように、軌道が直線状、曲線状であるかを問わず、様々な形状の軌道に対して台車２００の挙動を模擬することが可能となるため、台車２００の総合的な性能を短期間で調べることができ、台車開発の効率化に役立つ。また、さまざまな要因が競合して発生する競合脱線の解明にも資することができる。
本台車試験装置１では、車体荷重枠１６の絶対的な左右、前後、ヨー方向の変位を実現することはできないが、これらの変位が台車２００の運動に与える影響は、図１０に示すように、車体荷重枠１６と車輪２０２との間の相対的な左右変位、前後変位、ヨー角変位を再現することで評価することができる。これらの変位は、回転台移動アクチュエータ２４および支持側移動部１４によって再現することができる。これによって車体荷重枠１６に必要な運動の自由度を削減することができ、台車試験装置１の構成の簡素化を図ることができる。
【００５２】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更なども含まれる。
たとえば、図１１に示すように、軌道Ｒ１０上を走行する鉄道車両２５０（後述する台車２００Ａに車体を取り付けたものに相当する。）には、鉄道車両２５０に対する重力Ｇ１以外に、遠心力Ｇ２が作用する。このため、台車試験装置１において曲線通過を模擬する場合は、台車に遠心力を付与しなければならない。
本台車試験装置１においては、前述の遠心力を付与するために、以下の手順をとる。なお、以下では、一対の車輪２０２が輪軸２０５周りに回転可能に支持された台車２００Ａが供試体である場合で説明する。
すなわち、模擬対象となる鉄道車両２５０の実走行条件で働く遠心力をシミュレーションなどにより求めておく。なお、この遠心力が作用する方向は、車輪２０２、台車枠２０１、車体のそれぞれに対して全て同一方向となる。
【００５３】
次に、台車試験装置１において試験を行う際には、図１２に示すように、本体制御部１８は、支持側移動部１４により支持部材１２を上下させて、各支持部材１２が配置される配置基準面Ｓが水平面Ｓ２に対して（１８）式により求められる角度φをなすように移動させる。
【００５４】
【数６】
2014016201.tif 000008
【００５５】
台車２００Ａには、前述の重力Ｇ１が作用する。重力Ｇ１の配置基準面Ｓに直交する方向への分力は分力Ｇ５となり、矩形Ｒ１に平行な方向への分力は分力Ｇ６となる。
この状態で、台車試験装置１を動作させると、分力Ｇ６の大きさと前述の遠心力Ｇ２の大きさが等しくなる。一方、分力Ｇ５の大きさと重力Ｇ１の大きさとが異なるため、輪重および横圧（図９参照。）が実走行条件と模擬試験とで異なるものとなる。しかしながら、図１２における重力Ｇ１の大きさと図１１における重力Ｇ１の大きさとは等しいため、分力Ｇ５の大きさをｃｏｓφで除した値が重力Ｇ１の大きさとなる。
シミュレーション部５０は、測定された分力Ｇ５の値に代えて、この分力Ｇ５の値をｃｏｓφで除した値を用いる補正をすることで、重力Ｇ１の大きさを実走行条件と同一にして、鉄道車両２５０に遠心力Ｇ２が作用する状態を、より正確にシミュレーションすることができる。
【００５６】
これに対して、前述の非特許文献２に記載された従来の試験装置では、軌条輪という比較的重い部材を用いているために、本変形例のように台車試験装置１を傾けることが簡単にはできない。さらに、軌条輪を用いた試験では、輪重が変化することによるクリープ力の変化を補償する手段がないという問題がある。
【００５７】
前記実施形態では、曲がった軌道の走行状態を模擬しない場合には、回転台２２およびアクチュエータ２４は備えられなくてもよい。このように構成することで、台車試験装置の製造に要するコストを低減させることができる。
台車試験装置１は、台車２００以外にも、輪軸２０５を備える台車２００Ａなどを供試体として、走行状態を模擬する試験を行うことができる。
【符号の説明】
【００５８】
１    台車試験装置
１０  本体部
１１  基台
１２  支持部材
１３  支持側６分力測定器（支持側６分力測定部）
１４  支持側移動部
１６  車体荷重枠（枠部材）
１７  枠側移動部
１８  本体制御部
２１  基台本体
２２  回転台
２２ａ  支持面
２４  回転台移動アクチュエータ（回転台移動部）
３２  枠側６分力測定器（枠側６分力測定部）
５０  シミュレーション部
２００、２００Ａ  台車
２０１  台車枠
２０２  車輪
２０４  バネ部
Ｃ１  基準軸線
Ｃ２  軸線
Ｓ    配置基準面
Ｓ２  水平面
Ｒ１０  軌道
Ｘ    第一の基準方向
Ｙ    第二の基準方向
Ｚ    鉛直方向（直交方向）
【図１】
2014016201.tif 000009
【図２】
2014016201.tif 000010
【図３】
2014016201.tif 000011
【図４】
2014016201.tif 000012
【図５】
2014016201.tif 000013
【図６】
2014016201.tif 000014
【図７】
2014016201.tif 000015
【図８】
2014016201.tif 000016
【図９】
2014016201.tif 000017
【図１０】
2014016201.tif 000018
【図１１】
2014016201.tif 000019
【図１２】
2014016201.tif 000020