(57)【要約】【課題】本出願人らが先に提案した台車枠旋回装置付鉄道車両に走行安定性を付加する。【解決手段】車体２と車体２に対して旋回できる一軸台車の台車枠３ａ間に緩和曲線区間の通過時のみ作動させるアクチュエータ１ａを設置する。車両の走行位置情報により緩和曲線区間への車両の進入を検知した後、緩和曲線半径に応じて台車枠３ａが自己操舵するのを補助して、緩和曲線半径に応じた旋回作動力を前記アクチュエータ１ａに付与する制御装置４を備える。前記アクチュエータ１ａに、アクチュエータ１ａと並列作用するダンパー１ｂ機能を付加する。【効果】アクチュエータに、このアクチュエータと並列作用するダンパー機能を付加したので、高速走行での安定性が高くなる。【選択図】        図１
2004161115.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体と車体に対して旋回できる一軸台車の台車枠間に介設されて緩和曲線区間の通過時のみ作動させるアクチュエータと、車両の走行位置情報により緩和曲線区間への車両の進入を検知した後、緩和曲線半径に応じて台車枠が自己操舵するのを補助して、緩和曲線半径に応じた旋回作動力を前記アクチュエータに付与する制御装置を備え、前記アクチュエータに、アクチュエータと並列作用するダンパー機能を付加したことを特徴とする台車枠旋回装置付鉄道車両。
【請求項２】
車体と車体に対して旋回できる二軸台車の台車枠間に介設されて全曲線区間の通過時に作動させるアクチュエータと、車両の走行位置情報により曲線区間への車両の進入を検知した後、曲線半径に応じて台車枠が自己操舵するのを補助して、曲線半径に応じた旋回作動力を前記アクチュエータに付与する制御装置を備え、前記アクチュエータに、アクチュエータと並列作用するダンパー機能を付加したことを特徴とする台車枠旋回装置付鉄道車両。
【請求項３】
車体と車体に対して旋回できる台車の台車枠間に介設されるアクチュエータと、走行時に車輪とレール間に発生する横圧を測定する装置と、この装置により測定した横圧を入力され、入力された測定横圧に基づき、全曲線区間の通過時に横圧を減少させるように前記アクチュエータを作動させる制御装置を備えたことを特徴とする台車枠旋回装置付鉄道車両。
【請求項４】
一軸台車を備えた請求項３記載の台車枠旋回装置付鉄道車両において、アクチュエータには、アクチュエータと並列作用するダンパー機能を付加し、アクチュエータは緩和曲線区間の通過時のみ作動させるようにしたことを特徴とする台車枠旋回装置付鉄道車両。
【請求項５】
二軸台車を備えた請求項３記載の台車枠旋回装置付鉄道車両において、アクチュエータには、アクチュエータと並列作用するダンパー機能を付加し、アクチュエータは全曲線区間の通過時に作動させるようにしたことを特徴とする台車枠旋回装置付鉄道車両。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に急曲線区間における鉄道車両のスムーズな運行と高速走行での安定性を同時に満足するために、鉄道車両用台車を曲線区間の半径に応じて進行方向に向けて旋回させる装置を備えた鉄道車両に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両が曲線区間を通過する時、車輪の踏面勾配に基づく輪軸の自己操舵機能により、台車は曲線方向に回転しようとする。この際、曲線半径が小さくなると、車輪径差が十分にとれなくなるので、台車前輪の外軌側車輪のフランジはレール肩部と激しく接触しながら走行する状態となる。この時、台車の前軸はレールに対してアタック角を持つことになって、車輪とレール間に大きな横圧が発生するのと同時に、横方向に大きな滑りを発生する。その結果、きしり音の発生や、横圧によるレールや車輪フランジの摩耗などを引き起こす原因となる。また、横圧の増大による脱線の危険を回避するために、走行速度に制限が加えられる場合もある。
【０００３】
上記の曲線区間通過時における問題を解決するための対策として、地上側と車両側の対策がある。
このうち、地上側の対策としては、曲線区間の入口に地上塗油装置を設置し、車両の通過を検知してレール肩部（コーナ部）に潤滑油を噴射することで、車輪が前記潤滑油の上を通過する際の車輪とレール間の摩擦係数を小さくし、横圧を減少させるもの等がある。
【０００４】
しかしながら、このような地上から塗油する対策では、▲１▼曲線区間毎に装置を設置する必要があるので、設置台数が非常に多くなって、塗油装置や塗油補給等のメンテナンスに人手と時間がかかる。▲２▼塗油にブレーキの火花が引火する可能性があり危険である。▲３▼塗油量の設定が難しい。すなわち、塗油量が多いと車輪の踏面にまで潤滑油が回って車輪が滑走したり、ブレーキ性能を阻害して停止距離が増加する危険がある。反対に、塗油量が少ないと、その効果が無い。という欠点がある。
【０００５】
これに対し、車両側の対策としては、
１）  車輪の踏面形状を円弧状として左右の車輪径差を大きくしながら、直線での輪軸蛇行動を抑えつつ、曲線路をスムーズに通過するのに必要な車輪径差を得て自己操舵を行うもの。
２）  曲線半径に応じて輪軸を強制的に操舵してアタック角を小さくすることにより横圧を減少させるもの（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−  ８７４４６号公報（段落００１１、図３）
【０００７】
３）  軸箱の支持剛性を柔らかくして輪軸の自己操舵性を向上させ、アタック角を小さくして横圧を減少させるもの。
４）  輪軸ヨー角の制御を台車枠から輪軸へのアクチュエータの取り付けによって行い、車両の振動を防止するもの（例えば、特許文献２参照。）。
５）  台車側に塗油装置を設置し、曲線を検知してレールの肩部に油を噴射し、摩擦係数を下げることにより、横圧を減少させるもの。
などがある。
【０００８】
【特許文献２】
特開平３−２５８６５５号公報（第２頁左上欄）
【０００９】
これら車両側の対策では、５）の台車側に塗油装置を設置するものを除いて前述した地上側の対策にあった欠点を解決することができる。なお、５）の台車側に塗油装置を設置するものでも、地上側に塗油装置を設置するものに比べて設置台数が大幅に減少するので、設置台数が多いことに起因する欠点は解決できる。
【００１０】
しかしながら、１）及び３）の車両側の対策にあっても以下のような欠点がある。
１）の車輪の踏面形状を円弧状として自己操舵を行うものは、踏面を円錐状にしたものと比較すると車輪径差は大きくなるものの、それには限界があるので急曲線路の場合には効果が少ない。また、３）の軸箱の支持剛性を柔らかくして輪軸の自己操舵性を向上させるものは、直線路での高速走行時に走行安定性が低下するので、蛇行動が発生しやすくなる。このように、１）のものは曲線旋回性能の向上に限界があり、また、３）のものは曲線旋回性能の向上と相反して走行性能が低下する現象を有するという問題がある。
【００１１】
これに対して、輪軸の操舵をリンクによって行うものでは、リンクのピンジョイント部が摩耗したり抉りが発生したりした場合には、操舵性能が悪くなるという欠点もある。加えて、輪軸を操舵させるためのリンク構成が複雑で、メンテナンスが増加するという問題もある。さらに、輪軸毎の制御のためアクチュエータの数が多くなる欠点もある。また、２）４）の輪軸を強制的に操舵するものは、１）及び３）のような欠点は無いものの、台車（台車枠）に対して輪軸を旋回させる構成であるので、曲線路走行中は駆動装置の歯車の噛み合い状態が変化して走行性能が悪化したり、曲線路走行中にブレーキ力を作用させた場合に、車輪踏面やディスクに対するブレーキシューの当り面が変化し、ブレーキが均等に作用しなくなったり、ブレーキを作用させた時に台車枠に対して輪軸の位置が決められるため、操舵力が弱くなったりするという欠点がある。
【００１２】
すなわち、上記の何れの対策も夫々に車両運行や台車設計の上での限界があり、急曲線区間のスムーズな運行と高速走行での安定性を同時に満足することは困難であった。
【００１３】
そこで、本出願人らは、上記の問題点や限界をさらに超えるものとして、車体と台車枠間に設置したアクチュエータを曲線半径に対応して最適に制御し台車枠を旋回させることで、横圧を劇的に減少させることができる台車枠旋回装置付鉄道車両を提案した（特許文献３参照。）。
【００１４】
【特許文献３】
特開２００２−８７２６２号公報（第２頁、図１）
【００１５】
本出願人らが提案した台車枠旋回装置付鉄道車両は、台車枠に対して輪軸を旋回するのではなく、車体に対して台車枠が自己操舵方向に旋回するのを補助するようにしたので、輪軸を強制操舵するものと同様の作用効果を奏することに加えて、曲線路の通過中に、駆動装置の歯車の噛み合い状態や、車輪踏面又はブレーキディスクとブレーキシューとの当り面が変化することが無い等、輪軸を強制操舵する装置が有していた欠点も無く、走行性能を低下させること無く曲線旋回性能の向上を図り、しかも、簡単な装置構成で、メンテナンスも容易に行うことができるという長所を有する。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本出願人らが提案した台車枠旋回装置付鉄道車両において、通常曲線区間においては、曲線半径に対応した必要量を計算し、車体と台車枠の間に設置したアクチュエータの伸縮量を制御することで、台車枠を最適量旋回させて横圧を減少させることから、アクチュエータのストロークは曲線の半径によって決定される。
【００１７】
しかし、レールの分岐部のように直線区間から急に折れ曲る（曲線から直線の場合も同様）  ような軌道外乱が発生する場合においては、十分に機能することが難しい。
【００１８】
本発明は、本出願人らが先に提案した台車枠旋回装置付鉄道車両に、更にダンパー機能を付加して走行安定性を高め、しかも、メンテナンスも容易な台車枠旋回装置付鉄道車両を提供することを目的としている。この本発明により鉄道車両の曲線路走行時における安全性は更に高まり、装置の簡単な構成からその信頼性及び経済性も先に提案した台車枠旋回装置付鉄道車両に比較して優れたものとなる。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係る台車枠旋回装置付鉄道車両は、例えば車両の走行位置情報により緩和曲線区間への車両の進入を検知した後、制御装置から車体と車体に対して旋回できる一軸台車の台車枠間に介設された、並列作用するダンパー機能が付加されているアクチュエータに、緩和曲線半径に応じて台車枠が自己操舵するのを補助して緩和曲線半径に応じた旋回作動力を付与するようにしている。そして、このようにすることで、軌道外乱による一軸台車の蛇行動を防止することができ、不必要なアクチュエータの動作を防止できるようになるのと共に、高速走行での安定性を高めることができるようになる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る第１の台車枠旋回装置付鉄道車両は、車体と車体に対して旋回できる台車の台車枠間に介設されたアクチュエータと、車両の走行位置情報により、一軸台車の場合には緩和曲線区間への車両の進入を検知した後、緩和曲線半径に応じて台車枠が自己操舵するのを補助して、緩和曲線区間の通過時のみ、緩和曲線半径に応じた旋回作動力を前記アクチュエータに付与する制御装置を、また、二軸台車の場合には曲線区間への車両の進入を検知した後、曲線半径に応じて台車枠が自己操舵するのを補助して、全曲線区間の通過時、曲線半径に応じた旋回作動力を前記アクチュエータに付与する制御装置を備え、前記アクチュエータに、アクチュエータと並列作用するダンパー機能を付加したものである。このダンパーは、車体と台車間のヨーイング変位に対して有効に働き、高速走行時に発生する台車蛇行動の発生を抑制し、走行安定性を高める機能を有する。車両の走行位置情報としては、検知器によって緩和曲線区間或いは曲線区間の進入を検知するものや、車両の走行位置情報と軌道管理情報から車両の緩和曲線区間或いは曲線区間への進入を計算するもの等がある。
【００２１】
本発明に係る第１の台車枠旋回装置付鉄道車両は、アクチュエータに、このアクチュエータと並列作用するダンパー機能を付加したので、高速走行での安定性が高くなる。
【００２２】
本発明に係る第１の台車枠旋回装置付鉄道車両の内、二軸台車に適用した場合に、アクチュエータの作動を、緩和曲線区間だけでなく曲線区間全てとしたのは、二軸台車の場合には、曲線区間の通過時、進行方向後側の車輪の影響によって進行方向前側の車輪に横圧が発生するからである。
【００２３】
ところで、本発明に係る台車枠旋回装置付鉄道車両の本来の目的は、曲線区間での横圧を減少させることである。
そこで、上記本発明に係る第１の台車枠旋回装置付鉄道車両のように、アクチュエータに、このアクチュエータと並列作用するダンパー機能を付加するのに代えて、走行時、車輪とレール間に発生する横圧を、測定装置により直接測定しながら、この測定した横圧に基づき、前記車輪とレール間に発生する横圧を減少させるように、制御装置で前記アクチュエータを作動させるようにしたのが、本発明に係る第２の台車枠旋回装置付鉄道車両である。この場合、アクチュエータの作動制御区間に一軸台車、二軸台車の区別はない。
【００２４】
この本発明に係る第２の台車枠旋回装置付鉄道車両によれば、本発明に係る第１の台車枠旋回装置付鉄道車両のように、車両の走行位置情報を必要とすることなく、曲線区間全域に亘って最適な操舵力をアクチュエータに与えることが可能になり、しかも、車輪とレール間の摩擦係数に関係なく、最適な制御を簡単に行えるようになる。また、直線路での走行安定性も向上する。
【００２５】
また、上記の本発明に係る第２の台車枠旋回装置付鉄道車両において、アクチュエータに、このアクチュエータと並列作用するダンパー機能を付加し、一軸台車に適用した場合にはアクチュエータは緩和曲線区間の通過時のみ、また、二軸台車に適用した場合にはアクチュエータは曲線区間全ての通過時に作動させるようにした場合には、上記の理由により更に最適な制御が行なえるようになる。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明の台車枠旋回装置付鉄道車両を図１〜図７に示す実施例に基づいて説明する。
図１は本発明に係る第１の台車枠旋回装置付鉄道車両の概略説明図、図２はステアリングダンパの具体的な実施例を示す図、図３は先頭台車のボギー角より各台車の旋回作動力を制御する場合の説明図、図４は本発明に係る第２の台車枠旋回装置付鉄道車両の横圧検知装置の概略説明図、図５は横圧検知装置の他の例を示す概略説明図、図６及び図７はステアリングダンパのシミュレーション結果を示す図である。
【００２７】
図１は一軸台車の例を示したもので、１は車体２と台車３の台車枠３ａ間に介設されたステアリングダンパであり、図１に示した例では、アクチュエータ１ａと、このアクチュエータ１ａと並列に配置したダンパー１ｂと、これらアクチュエータ１ａ及びダンパー１ｂと直列に配置したばね１ｃを一体としたものを示している。
【００２８】
図１に示したステアリングダンパ１は、ダンパー１ｂとばね１ｃを直列に配置したパッシブ構造と、ダンパー１ｂに対して並列に配置したアクチュエータ１ａの３つの要素で構成されているので、このステアリングダンパ１の両端に定常的な力（低い周波数の振動）が作用した場合には、ステアリングダンパ１の両端間の長さは、ダンパー１ｂの作用によって容易に変位することになる。つまり、この機能により、定常曲線路を走行中の車輪が生成する縦クリープ力がなくなるように支持構造が伸縮する。
【００２９】
一方、高速走行時の輪軸蛇行動のように、前後支持構造の間で発現する高い周波数の振動に対しては、ダンパー１ｂが剛に作用することで、ばね１ｃの剛性で剛支持した状態を実現することができる。
つまり、ばね１ｃの剛性の自由な設定により、所望の蛇行動臨界速度を実現することができる。
このようなパッシブ系の機能によって車輪が純粋転がりする理想的な定常曲線旋回能力と、高い走行安定性を実現することができる。
【００３０】
しかしながら、高い走行安定性を実現するためには、ダンパー１ｂをある程度剛に設定しなければならず、車両が直線路から定常曲線路に進入する過程でダンパー１ｂの粘性が輪軸７の純粋転がり線（図１（ｃ）に実線で示す）への追従機能（自己操舵機能）の邪魔をすることになる。
【００３１】
そこで、このダンパー１ｂの粘性による過渡特性悪化を補償するために、本発明ではアクチュエータ１ａを付加し、緩和曲線区間のみでアクチュエータ１ａを適切に作動させることで、曲線路通過全域で踏面の滑りが最小となる理想的な曲線旋回を実現できるようにしている。
【００３２】
ところで、前述のステアリングダンパ１のパッシブ部分であるばね１ｃやダンパー１ｂは、車両の走行安定性のみを考慮したパッシブな車両設計法によって決定することができる。定性的には、ばね剛性、ダンパー粘性共に大きな値であればよい。ここでは、緩和曲線通過に伴うアクチュエータ１ａの制御則について説明する。
【００３３】
簡単に言えば、アクチュエータ１ａは、輪軸７が曲線通過に際して純粋転がりをするときに、支持構造（ステアリングダンパ１）の伸縮に伴い、ダンパー１ｂが干渉する力と逆向きの力を生成させればよい。制御に関しては、車両の位置情報を取得することができ、それに基づいて曲線の推定値を観測できるものとすれば、この情報を用いて支持構造が発生すべき目標変位がＺｄとして幾何学的に算出される。
【００３４】
この目標変位Ｚｄを目標速度に変換することで、輪軸７が純粋転がりをしようとするのに対して発生するダンパー１ｂの干渉力が算出される。従って、アクチュエータ１ａによってこれと逆向きの力を加えることで、曲線区間の通過全域で輪軸７を純粋転がりさせることができる。なお、後軸のアクチュエータ１ａの駆動は、軸距と走行速度で決定する時間差を考慮した遅れを与えて動作させればよいことは言うまでもない。
【００３５】
次に、ステアリングダンパ１の理論を具体的に実現するハードウェアについて説明する。
ステアリングダンパ１を設けることによって輪軸７は概ね理想的な曲線旋回を実現できることになるが、図１に示したような構成のステアリングダンパ１では、ダンパー機能とアクチュエータ機能を実現する際、デバイスを別々に用意しなければならなくなる。そこで、ダンパー機能とアクチュエータ機能を一体とした機構を取り入れたものを、図２を用いて説明する。
【００３６】
図１のダンパー１ｂとアクチュエータ１ａの並列機構部分として、図２に示すように、ＤＣモータ１ｄ、電気抵抗１ｅ、制御電圧発生装置１ｆから構成される機構を導入する。このような構成により、磁気ダンピングによるダンパーとアクチュエータを並列にした機構を実現することができる。
【００３７】
図２に示したものでは、両側のゴムブッシュ１ｇ部分の剛性が、図１に示したステアリングダンパ１のばね１ｃ部に対応し、また、図１に示したステアリングダンパ１のアクチュエータ１ａの作動部の構造は、ＤＣモータ１ｄによって歯車装置１ｈを介したボールスクリュー１ｉの正逆回転によりロッド相当部分１ｊが出退移動する構造となっている。これは、いわゆる電磁ダンパーであるが、制御手法の特徴、機能から、ここではパワー・  ステアリング・ヨーダンパ（以下、「ＰＳＹＤ」という。）と称する。
【００３８】
このＰＳＹＤにおけるアクティブ制御の概念は基本的に前述のステアリングダンパと同じである。ＰＳＹＤ単体を目標変位Ｚｄだけ変位させるには、ステアリングダンパのようなアクチュエータ入力ではなく、駆動電源の電圧を入力とした制御則になる。
【００３９】
目標変位Ｚｄを実現する駆動電圧Ｖｃの制御則は、ＰＳＹＤの内部慣性のダイナミクスを考慮すると、下記数式１のように表すことができる。下記数式１より判るように、電圧制御則は目標変位Ｚｄの一階及び二階微分を含んだ形で記述でき、ステアリングダンパと同様、定常曲線ではこれらの微分値は零になるため、制御電圧も零になる。下記数式１において、一階の微分が制御電圧に現れるのは、電磁ダンパーの粘性に対する補償であり、二階微分の部分がＤＣモータの慣性に対する補償である。
【００４０】
【数１】
2004161115.tif 000003
【００４１】
ところで、車体２に対する台車枠３ａの旋回を、図１に示した例では、前記ステアリングダンパ１を、例えば各台車枠３ａ毎にレールの方向に２基ずつ並列に設け、アクチュエータ１ａのロッドを同調して出退移動させることで、車体２に対して台車枠３ａを所要角度だけ旋回させるように構成したものを示している。
【００４２】
なお、このステアリングダンパ１の取付けは、枕木の方向に取付けても良い。また、台車枠３ａの回転中心の定まった心皿方式の台車では、このステアリングダンパ１は１基でも良い。
【００４３】
緩和曲線区間において例えばアクチュエータ１ａを適切に作動させるための手段として、図３に示した実施例では、以下のような構成を採用している。
４は先頭車両５ａに積載される制御装置であり、緩和曲線区間の曲線半径を求める手段として、先頭車両５ａのＮｏ．１台車３Ａａのボギー角度を取り込むと、例えばその取り込んだボギー角度に比例した旋回作動力を、それぞれ先頭車両５ａのＮｏ．１台車３Ａａ、Ｎｏ．２台車３Ｂａ、…最後尾車両５ｎのＮｏ．１台車３Ａｎ、Ｎｏ．２台車３Ｂｎの各台車枠３ａを旋回するアクチュエータ１ａに出力する。
【００４４】
すなわち、先頭車両５ａのＮｏ．１台車３Ａａが緩和曲線区間に進入したことを検知すると、制御装置４では、先頭車両５ａのＮｏ．１台車３Ａａのボギー角度を、その距離補正回路４ａに取り込む。距離補正回路４ａでは、先頭車両５ａのＮｏ．１台車３Ａａから各車両５ａ…５ｎの各台車までの距離に基づいて、旋回作動力演算器４ｂに補正値βを出力する。
【００４５】
旋回作動力演算器４ｂでは、この各台車毎の補正値βを考慮して各アクチュエータ１ａに緩和曲線半径に比例した旋回作動力を出力し、緩和曲線半径に応じて各台車３の台車枠３ａが緩和曲線の方向に沿って自己操舵するのを補助する。なお、図３に示した実施例では、先頭車両５ａのＮｏ．１台車３Ａａの速度も同時に取り込んで前記補正値βを求めるものを示している。
【００４６】
そして、各台車３が緩和曲線区間を通過したならば、制御装置４は通過した台車３を旋回させるアクチュエータ１ａの旋回作動力を無くするように制御する。
【００４７】
上述のように、図１〜図３に示した本発明に係る第１の台車枠旋回装置付鉄道車両では、ばね・ダンパー機能により、直線区間での高速安定性が図れるようになるのと共に、定常曲線走行中での優れた旋回性能を発揮する。加えて、アクチュエータ１ａ（ＰＳＹＤ）によって緩和曲線区間の通過時のみ適正な制御力によるアシスト機能を付加することにより、曲線全域における通過時に輪軸の自己操舵機能を最大限発揮できるようになる。
【００４８】
ところで、車両が緩和曲線区間に進入したことを検知する検知器や、緩和曲線区間の曲線半径を検知する検知器の構成は特に限定されるものではなく、既存の構造のものを採用すればよい。例えば、▲１▼緩和曲線区間通過時の車体と台車間の回転角度（回転角度は曲線の曲率に比例する）を測定するものや、▲２▼曲線路の入口と出口の軌道側に設置したＩＤタグを車上のトランスポンダで検知することで緩和曲線区間を検知するものなどである。
【００４９】
また、検知器による緩和曲線区間の進入検知や緩和曲線半径の検知に代えて、先頭車両５ａに搭載した制御装置４に、予め走行路線の軌道管理情報（地点、曲線半径、曲線の方向など）を記憶させておき、実際の走行距離から走行位置情報を取り出し、車両が現在走行している位置の緩和曲線区間の半径、走行方向を計算し、その計算結果に基づいて各アクチュエータ１ａ（ＰＳＹＤ）への旋回作動力を制御するものでも良い。
【００５０】
また、例えば図４に示したように、軸箱６の内面と輪軸７の端面との間に横圧を検知するセンサー（例えばロードセル）８を設置し、このセンサー８によって、走行時に車輪９に作用する横圧を常時計測することで、曲線区間を検知するものでも良い。
【００５１】
この場合、例えば図１に示したステアリングダンパ１や図２に示したＰＳＹＤに代えて、車体２と台車３の台車枠３ａ間にアクチュエータ１ａのみを介設した台車枠旋回装置付鉄道車両を使用し、曲線区間の通過時には、前記センサー８によって計測した横圧を制御装置にフィードバックして制御量を調整し、横圧の大きさに応じて横圧が減少するように前記アクチュエータ１ａの作動を制御するようにしても良い。これが本発明に係る第２の台車枠旋回装置付鉄道車両である。
【００５２】
ところで、図４に示したように、軸端で測定する横圧は、走行する曲線路の曲線方向によって検知できる向きと、できない向きがある。更に、二軸台車の場合には、進行方向に対して前軸と後軸とで横圧の発生は全く異なる。このため、図４に示したように、軸端で横圧を測定する装置を採用する場合には、２対の輪軸の左右の軸箱に各々センサー８（計４か所）を設置し、各々のセンサー８で検出した横圧の値を用いて進行方向外軌側の車輪の横圧をゼロに近づけるように制御する。また、横圧値は定常曲線通過時においても一定ではなく、常に変動しているため、測定した横圧値はフィルターを通して衝撃的な横圧を無視するようにすることで、過度な制御を防ぐことができる。
【００５３】
また、図５は横圧を計測する他の例として、軸箱６と台車枠３ａの軸ばね座との左右変位を測定することにより、横圧を計測する装置を示す。曲線通過時には車体２と台車３間でボギー変位が発生する。ボルスタレス台車において、車体２と台車３間でボギー変位が発生すると、台車３の左右に設置されている車体荷重を支持する空気ばね１０は前後方向に大きく変位する。この時、空気ばね１０の前後剛性により、空気ばねは元の位置に戻ろうとする復元力が発生する。
【００５４】
この力により台車枠３ａはボギー角が小さくなろうとする方向に動く。しかしながら、台車枠３ａに支持された輪軸７は外軌側車輪９のフランジ部がレール１１と接触した状態になってこれ以上左右方向には移動できなくなる。このため、特に曲線半径が小さくなると、横圧が増大し、それに伴って軸箱６と軸ばね座間の左右変位が増加する。つまり、横圧と左右変位との間には相関がある。そこで、軸箱６の左右変位を測定することにより、横圧を推定することが可能となる。
【００５５】
ところで、横圧は曲線半径のみで決まるのではなく、車輪９とレール１１間の摩擦係数に大きく影響される。このことは、横圧を減少させるために台車枠３ａを操舵させるに際し、アクチュエータ１ａを曲率半径に対応して制御するのみでは、車輪９とレール１１間の摩擦係数を全く考慮していないことになって、適正な操舵が行われていないことを意味する。これに対し、直接測定した横圧には当然に前記摩擦係数も加味されていることから、横圧を直接測定し、この横圧に基づいてアクチュエータ１ａを制御することが、適正な操舵を行うために望ましいことが判る。
【００５６】
この際も、前記センサー８によって横圧を計測する場合と同様、横圧値は定常曲線通過時においても一定ではなく常に変動しており、測定した軸箱左右変位も横圧の変動に応じて変動するため、測定値はフィルターを通して衝撃的な横圧を無視するようにすることにより、過度な制御を防ぐことができる。
【００５７】
以下、数値シミュレーションによってＰＳＹＤによる車両の運動性能向上について説明する。
車両のモデルには、一軸台車を備えた１７自由度一車両モデルを使用した。
曲線条件は曲線半径が２００ｍ、緩和曲線長は９０ｍの軌道条件で均衡カントの状態を想定している。この時、曲線半径が１５０ｍまで純粋転がりが可能な車輪を装着したものを使用している。ＰＳＹＤは車輪の自己操舵能力を最大限高める作用を有するため、自己操舵の限界が高まるようにフランジ遊間、踏面勾配を設計しておく。
【００５８】
通常のばね支持した一軸台車を備えた車両モデルのシミュレーション結果を図６に示すが、非制御時の車輪アタック角は、（ａ）に示すように、後軸（破線）に比べ、特に前軸（実線）が大きくなっていることが判る。また、輪軸の左右動変位を（ｂ）に示すが、前軸、後軸共にフランジ接触していることが判る。このことにより、踏面、フランジ、レールの摩耗やきしり音といった騒音、さらに走行抵抗によるエネルギー損失を伴っているのが通常の車両の運動特性であることが判る。
【００５９】
これに対して、車両、台車間の前後支持ばねをＰＳＹＤによって置き換え、適切な電圧制御を行った場合におけるＰＳＹＤのシミュレーション結果を図７に示す。適切な電圧制御を行った場合には、（ａ）に示すように、車輪アタック角は前軸（実線）、後軸（破線）共に曲線通過全域で零となっていることが判る。
【００６０】
同時に、（ｂ）に示すように、輪軸の左右動変位は、純粋転がり変位１１ｍｍに一致した挙動を描いている。これは、輪軸単体が純粋転がりしている状態であり、フランジ接触をせず、かつ、縦・横クリープ力は発生していない状態が実現できていることを意味している。この時の横圧は、車輪接触点における踏面勾配による重量復元力であり、非常に小さいものである。なお、レールに作用する横力、輪重比の値は車輪接触点における踏面勾配の値そのものとなる。
【００６１】
ところで、前記制御時のＰＳＹＤの制御電圧はフィードフォワード制御でＤＣモータに印加される曲率半径によって決定する特定のパターンをもった入力である。今回の入力では、図７（ｃ）に示したように、緩和曲線の中間地点で最大となり（曲率の微分が最大となるところ）、電圧値で最大１．８Ｖである。なお、実装したＰＳＹＤは原理上、アクチュエータが定常的な力を発生する必要がないため、非常に小型のＤＣモータで実現できる。
【００６２】
ＰＳＹＤは静的に無支持であるという性質から、車輪に定常的な縦クリープ力は発生しない。超過遠心力Ｆｃｅｎ  が作用する時の車輪踏面のクリープ力のベクトルを図７（ｄ）に示すが、前軸と後軸の横クリープ力ＦＬ  、ＦＲ  の総和が超過遠心力Ｆｃｅｎ  と釣り合うような状態になる。
【００６３】
輪軸ははじめ超過遠心力Ｆｃｅｎ  に応じて一旦は左右変位し、縦クリープ力が発生するが、縦クリープ力が零となるまでＰＳＹＤが変位する。そして、最終的には、輪軸が純粋転がり軌道よりも内側に切り込む形で超過遠心力Ｆｃｅｎ  と釣り合うように横クリープ力ＦＬ  、ＦＲ  のみを発生するのである。このように超過遠心力Ｆｃｅｎ  の存在下でも、輪軸は必要最小限のクリープ力を発生し、踏面摩耗、騒音の低減といったことに大きな効果を有すると考える。
【００６４】
本発明の台車枠旋回装置付鉄道車両は図１や図４に示したような一軸台車を備えたものに限らず、図５に示したような二軸台車を備えたもの、或いは、図示省略したが連接台車を備えたものでも良いことは言うまでもない。
但し、図１に示した本発明に係る第１の台車枠旋回装置付鉄道車両において、二軸台車を備えたものでは、前述のように、進行方向後側の車輪の影響によって進行方向前側の車輪に横圧が発生することから、緩和曲線の通過時だけでなく、曲線の全域においてアクチュエータ１ａやＰＳＹＤの制御を行う必要がある。
【００６５】
また、図１で説明したステアリングダンパ１のばね１ｃや、図２で説明したＰＳＹＤのゴムブッシュ１ｇを省略した場合でも、曲線区間のスムーズな運行は可能であり、本発明の技術的範囲であることは言うまでもない。
更に、本発明に係る第２の台車枠旋回装置付鉄道車両において、アクチュエータ１ａのみに代えてステアリングダンパ１やＰＳＹＤを設置したものでも良い。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の台車枠旋回装置付鉄道車両は、
▲１▼  横圧が減少する。
▲２▼  きしり音や振動、騒音等の発生が大幅に減少する。
▲３▼  車輪踏面、フランジの摩耗、レール頭頂面摩耗、騒音等の諸問題が解決する。
といった輪軸を強制操舵するものと同様の作用効果を、
ａ）  レールの分岐部のように直線区間から急に折れ曲るような軌道外乱が発生する場合においても脱線の危険性なく、
ｂ）  直線区間でも曲線区間と錯覚してアクチュエータを誤動作させることなく、
ｃ）  レールが乾燥していても、雨であっても、地上塗油区間であっても、必要以上の旋回力を与えたり、逆に旋回力が不足したりして、走行性が不安定になることなく、
奏することができるようになる。
【００６７】
しかも、本発明の台車枠旋回装置付鉄道車両は、簡単な装置構成で、メンテナンスも容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係る第１の台車枠旋回装置付鉄道車両の概略説明図、（ｂ）はステアリングダンパの構成を拡大して示した図、（ｃ）は本発明に係る第１の台車枠旋回装置付鉄道車両が曲線を通過する際の台車枠の制御を説明する図である。
【図２】ステアリングダンパの具体的な実施例を示す図である。
【図３】先頭台車のボギー角より各台車の旋回作動力を制御する場合の説明図で、（ａ）は本発明の台車枠旋回装置付鉄道車両を側面方向から見た概略図、（ｂ）は制御装置の説明図である。
【図４】本発明に係る第２の台車枠旋回装置付鉄道車両の横圧検知装置の構成を拡大して示した図である。
【図５】横圧検知装置の他の例を示す説明図である。
【図６】通常一軸台車を備えた車両モデルのシミュレーション結果を示す図で、（ａ）はアタック角、（ｂ）は輪軸の左右変位である。
【図７】ＰＳＹＤの電圧制御を適切に行った場合におけるのシミュレーション結果を示す図で、（ａ）はアタック角、（ｂ）は輪軸の左右変位、（ｃ）は制御電圧、（ｄ）は超過遠心力が作用する時の車輪踏面のクリープ力を示した図である。
【符号の説明】
１      ステアリングダンパ
１ａ    アクチュエータ
１ｂ    ダンパー
１ｃ    ばね
１ｄ    ＤＣモータ
１ｅ    電気抵抗
１ｆ    制御電圧発生装置
１ｇ    ゴムブッシュ
２      車体
３      台車
３ａ    台車枠
４      制御装置
５ａ    先頭車両
６      軸箱
７      輪軸
８      センサー
【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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