(57)【要約】      （修正有）【課題】走行安定性と曲線通過性能を向上させ鉄道車両用台車、鉄道車両及び鉄道システムを提供する。【解決手段】車軸６は正面から見て外側が高く内側が低くなるように傾斜し、また、車軸６に回転自在に支持される車輪７は円筒状をなす踏面７ａとこの踏面７ａの外側端に連続するフランジ７ｂからなる。レールに車輪７の円筒状踏面７ａが接触している状態で、踏面７ａとレールとの間に垂直面内の接触角θが発生する。この接触角θによって重力復元力が外側に向かって発生し、この重力復元力によってヨー角を減少させる方向の操舵モーメントが発生し走行安定性が図られる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車軸と車輪からなる車輪ユニットを左右に設けた鉄道車両用台車において、前記車輪ユニットを構成する左右の車軸は正面から見て内側が高く外側が低くなるように傾斜し、これら車軸に回転自在に支持される左右の車輪は正面から見て外側にフランジが形成されるとともに上部が外側に傾いていることを特徴とする鉄道車両用台車。
【請求項２】
車軸と車輪からなる車輪ユニットを左右に設けた鉄道車両用台車において、前記車輪ユニットを構成する左右の車軸は正面から見て外側が高く内側が低くなるように傾斜し、これら車軸に回転自在に支持される左右の車輪は正面から見て内側にフランジが形成されるとともに上部が内側に傾いていることを特徴とする鉄道車両用台車。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の鉄道車両用台車において、前記車輪は円筒形状であることを特徴とする鉄道車両用台車。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の鉄道車両用台車において、前記車軸は車輪ユニットごとに設けられ、夫々の車軸はリンクで連結されて垂直軸を中心として個別に回動可能とされていることを特徴とする鉄道車両用台車。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載の鉄道車両用台車において、前記車軸は車輪ユニットごとに設けられ、これら車軸は一体化されていることを特徴とする鉄道車両用台車。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５に記載の鉄道車両用台車上に車体を支持してなることを特徴とする鉄道車両。
【請求項７】
請求項６に記載の鉄道車両とレールとを備えた鉄道システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車軸と車輪からなる車輪ユニットを左右に設けた鉄道車両用台車、この台車と車体からなる鉄道車両および鉄道システムに関し、例えばＬＲＴ（Light Rail Transit）車両用など急曲線通過性能に優れた特性が要求されるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
この自己操舵機能に関しては、台車の台車枠の左右に独立回転可能な車輪ユニット（車軸と車輪）を設けた独立回転台車が優れる。
しかしながら、台車にヨー角が発生すると、ヨー角を増大させる方向に逆操舵モーメントが作用するので、倒立振子と同じように不安定になる。そこで、このようなタイプの自己操舵台車にあっては車輪に設けたフランジ部によってヨー角が増大するのを防止し、場合によっては、アクチュエータを用いて強制的に復元方向にモーメントを与えるようにしたり、車輪のヨー方向回転中心を、踏面とレールとの接触点よりも外側にもってくることで、倒立振子のメカニズムを正立振子のメカニズムに直し、内向きの重力復元力にすることで安定した自己操舵機能を発揮させるようにしている。
【０００４】
しかしながら、ＬＲＶ(Light Rail Transit)など極端に曲率半径が小さくなる路線を旋回する際に、操舵リンク機構の特性により、両側車輪のバックゲージが縮小すること、および内外軌レールの曲線半径の差によるアタック角ゼロの理想的な曲線旋回できないという不利を解消することができないため、本発明者らは先に特許文献１及び非特許文献１を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５０５１７７１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】The International Journal of Railway Technology Vol.1 2012 p1-26
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１及び非特許文献１に開示される逆踏面車輪ユニットによれば、従来の独立回転可能な車輪ユニットに比較して曲率半径が小さくても、スムーズな曲線走行が実現でき、脱線の危険性も極めて少なくなりレールや車輪の摩耗も低減できる。
しかしながら、路面電車の営業速度（４０ｋｍ／ｈ）付近で車輪がヨーイングしやすく走行安定性の面で改善の余地があることが判明した。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため請求項１に係る台車は、車軸と車輪からなる車輪ユニットを左右に設け、前記車輪ユニットを構成する左右の車軸は正面から見て内側が高く外側が低くなるように傾斜し、これら車軸に回転自在に支持される左右の車輪は正面から見て外側にフランジが形成されるとともに上部が外側に傾いた構成である。
即ち、請求項１に係る台車の左右の車輪は、自動車の分野で用いるポジティブキャンバーとなっている。
【０００９】
上記の課題を解決するため請求項２に係る台車は、車軸と車輪からなる車輪ユニットを左右に設け、前記車輪ユニットを構成する左右の車軸は正面から見て外側が高く内側が低くなるように傾斜し、これら車軸に回転自在に支持される左右の車輪は正面から見て内側にフランジが形成されるとともに上部が内側に傾いた構成である。
即ち、請求項２に係る台車の左右の車輪は、自動車の分野で用いるネガティブキャンバーとなっている。
【００１０】
前記した鉄道車両用台車では車軸が傾斜しているのでレール表面との間に接触角が発生し重力復元力が大きくなるが、車輪の形状を円筒形状とすることでレール表面との接触角は更に明確に形成され、大きな重力復元力が得られる。
【００１１】
また、左右の車軸をリンクで連結し、このリンクを操作することで復元力を高めることも可能であり、左右の車軸を分離せずに一体化した構成、例えば車輪を回転自在に支承する両端部が傾斜した１本の車軸としてもよい。
【００１２】
更に上記の鉄道車両用台車を組み込んだ鉄道車両およびこの鉄道車両とレールを含んだ鉄道システムも本願の対象である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る鉄道車両用台車は車輪を回転自在に支持する車軸を、垂直面内において傾斜させることでレール表面との間に接触角が形成され、この接触角によって重力復元力が発生する。
【００１４】
その結果、従来の独立回転車輪を備えた台車は勿論のこと、逆踏面の独立回転車輪を備えた台車と比較しても、走行安定性が大幅に改善される。
【００１５】
特に、逆踏面の独立回転車輪を備えた台車の課題とされた営業速度（４０ｋｍ／ｈ）付近での走行安定性が大幅に改善される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施例に係る鉄道車両用台車を適用した鉄道車両の側面図
【図２】第１実施例に係る鉄道車両用台車の正面図
【図３】第１実施例に係る鉄道車両用台車の平面図
【図４】アタック角の実験に用いた線路の平面図
【図５】第１実施例に係る鉄道車両用台車と特許文献１に開示された台車とのアタック角に関する性能を比較したグラフ
【図６】（ａ）は第１実施例に係る鉄道車両用台車のヨー減衰係数と臨界速度との関係を示すグラフ（ｂ）は特許文献１に開示された台車のヨー減衰係数と臨界速度との関係を示すグラフ
【図７】第２実施例に係る鉄道車両用台車の正面図
【図８】第２実施例に係る鉄道車両用台車の平面図
【図９】第２実施例に係る鉄道車両用台車の速度と振動数との関係を示すグラフ
【図１０】（ａ−１）は第２実施例に係る鉄道車両用台車の時間と左右変位との関係を示すグラフ（ｂ−１）は第２実施例に係る鉄道車両用台車の時間とヨー角との関係を示すグラフ（ａ−２）は特許文献１に開示される鉄道車両用台車の時間と左右変位との関係を示すグラフ（ｂ−２）は特許文献１に開示される鉄道車両用台車の時間とヨー角との関係を示すグラフ
【図１１】第３実施例に係る鉄道車両用台車の正面図
【図１２】第３実施例の速度と振動数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】
【００１７】
以下に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、前後の台車１，１は台車枠２を備え、台車枠２上にボルスタレス空気バネ３を介して鉄道車両４が支持されている。
【００１８】
台車枠２には車輪ユニット５が支持されている。車輪ユニット５は車軸６と左右の車輪７、７から構成され、車軸６を支持する軸箱８と台車枠２との間にはコイルばね９が配置されている。
【００１９】
図２及び図３に示すように、車輪７、７を回転自在に支持する車軸６は左右に配置され、これら左右の車軸６、６は連結部１０にて一体的に結合されている。尚、左右の車軸６、６及び連結部１０を１本の軸にて構成してもよい。
【００２０】
車軸６の外側端部と台車枠２の前部との間にはヨーイング（蛇行動）を抑制するためのダンパー１１、１１が、その軸が前後方向となるように配置されている。
【００２１】
更に左右の車軸６は正面から見て外側が低く内側が高くなるように傾斜し、また、車軸６に回転自在に支持される車輪７は円筒状をなす踏面７ａとこの踏面７ａの外側端に連続するフランジ７ｂを備える。
【００２２】
レールＲに車輪７の円筒状踏面７ａが接触している状態で、踏面７ａとレールＲとの間に垂直面内の接触角θが発生する。この接触角θによって重力復元力が外側に向かって発生し、この重力復元力によってヨー角を減少させる方向の操舵モーメントが発生し走行安定性が図られる。
【００２３】
図４はアタック角の実験に用いた線路の平面図であり、この実験装置を用いて第１実施例に係る鉄道車両用台車の曲線通過性能を測定した。
測定結果は図５に示すように、曲がり導入部を除いてアタック角がゼロの理想的な曲線走行が実現できている。また曲がり導入部のアタック角も従来の台車に比較すれば飛躍的に向上しており、特許文献１に開示される逆踏面の独立回転台車と匹敵する結果が得られた。
【００２４】
図６（ａ）は第１実施例に係る鉄道車両用台車のヨー減衰係数と臨界速度との関係を示すグラフ、（ｂ）は特許文献１に開示された台車のヨー減衰係数と臨界速度との関係を示すグラフであり、特許文献１に開示される逆踏面の独立回転台車と比較して本発明に係る台車は一桁以上速い走行速度まで、ヨーイング振動が発生しないことが分かる。
【００２５】
図７は第２実施例に係る鉄道車両用台車の正面図、図８は第２実施例に係る鉄道車両用台車の平面図であり、この実施例にあっては、１本の車軸６と１つの車輪７で車輪ユニット５を構成している。
【００２６】
即ち、台車枠２の左右に軸箱８を垂直軸廻りに回動自在に設け、この軸箱８に車軸６の外端部を取付けている。
この第２実施例にあっては車軸６は正面から見て外側が高く内側が低くなるように傾斜し、これら車軸６、６に回転自在に支持される左右の車輪７、７は円筒状をなす踏面７ａと、この踏面７ａの内側端に連続するフランジ７ｂを備える。
【００２７】
また、前記軸箱８、８には車軸６と水平面内で９０°の角度をなすレバー１２、１２が取付けられ、これらレバー１２、１２間をリンク１３で連結している。その結果、左右の車軸５のヨー角は等しくなる。
【００２８】
第２実施例にあっても、レールＲに車輪７の円筒状踏面７ａが接触している状態で、踏面７ａとレールＲとの間に垂直面内の接触角θが発生する。この接触角θによって重力復元力が内側に向かって発生し、この重力復元力によってヨー角を減少させる方向の操舵モーメントが発生し走行安定性が図られる。
【００２９】
車輪ユニットで力学上考慮すべきファクターとして、縦クリープ力、重力復元力及びジャイロ効果が挙げられる。以下の（表１）は第２実施例に関しての縦クリープ力、重力復元力及びジャイロ効果を示している。
【００３０】
【表１】
2015016709.tif 000003
【００３１】
独立回転車輪が発生する縦クリープ力は車輪の半径が変化する場合に、車輪の回転による慣性を一定に保とうとして発生する力であり、例えば、車輪ユニット（輪軸）の横方向の移動速度に比例して車輪半径が変化する場合に発生する。尚、独立回転車輪が発生する縦クリープ力は車輪半径の変化から少し時間が経過すると回転数が変化するので無くなる。
瞬間的な縦クリープ力がヨー角を増大させる方向（反操舵）に発生すると走行の安定性が阻害される。
表から明らかなように、第２実施例では円筒状踏面７ａとしているため、車輪ユニットが横方向に移動しても車輪半径は変化しないので、縦クリープ力は発生しない。
【００３２】
また図９は踏面の傾斜γＯが１／１０、０（円筒）及び−１／１０（逆踏面）の場合の速度と振動数の関係を示すグラフであり、実線部分は安定な振動、点線部分は不安定な振動を表す。円筒踏面は、縦クリープ力による操舵モーメントが発生しないが、軸が傾斜していることでジャイロ効果によって速度上昇に伴い操舵―モーメントによる復元力で振動数が若干上昇する。通常の傾斜の踏面の場合は、縦クリープ力及びジャイロ効果によって速度上昇に伴い操舵モーメントによる復元力が大きくなるため振動数がより上昇することが分かる。
【００３３】
特許文献１に示された逆踏面台車にあっては、走行速度の上昇に伴って反操舵方向の縦クリープ力が影響し、振動数が減少しながらやがて不安定になる性質が現れる。このため車輪が中立位置を走行できず、フランジを常にレールに接触させた状態で走行することになる。
これを改善するには振動数をダンパーが機能する程度まで高めることが好ましい。
【００３４】
図１０はシミュレーションソフト（ＳＩＭＰＡＣＫ）を用いて、第２実施例に係る鉄道車両用台車と特許文献１に開示される鉄道車両用台車の時間と左右変位との関係及び時間とヨー角との関係を示すグラフであり、第２実施例に係る鉄道車両用台車は、バネによる支持剛性なし、ヨーダンパ５００Ｎｍｓ、速度４５ｍ／ｓの条件とし、特許文献１に開示される鉄道車両用台車は、バネによる支持剛性なし、ヨーダンパ５００Ｎｍｓ、速度１０ｍ／ｓの条件とした。
これらを比較すれば、本発明に係る台車が従来の逆踏面独立回転台車に比較して大幅に走行安定性が向上していることが分かる。
【００３５】
図１１は第３実施例に係る鉄道車両用台車の正面図であり、この第３実施例は第１実施例と基本構成は同じであるが、円筒状踏面の代わりに、順勾配踏面７ｃと逆勾配踏面７ｄを形成している。
この実施例に関しての縦クリープ力、重力復元力及びジャイロ効果を以下の（表２）に示す。
【００３６】
【表２】
2015016709.tif 000004
【００３７】
この実施例にあってはジャイロ効果によってヨー角を増大する方向の力が発生するが、順踏面クリープ力によって上記の力をキャンセルできる。したがって図１２に示すように、速度上昇に応じて振動数がアップし、ヨーダンパと組み合わせることで高速での走行安定性が図れる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明に係る鉄道車両用台車はＬＲＶ(Light Rail Transit)に好適に適用できるが、これに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００３９】
１…台車、２…台車枠、３…バネ、４…鉄道車両、５…車輪ユニット、６…車軸、７…車輪、７ａ…円筒状踏面、７ｂ…フランジ、７ｃ…順勾配踏面、７ｄ…逆勾配踏面、８…軸箱、９…コイルばね、１０…連結部、１１…ダンパー、１２…レバー、１３…リンク。
θ…接触角
Ｒ…レール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2015016709.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
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