Annual Review No.25

CFRP 材料を用いた台車部品の構造の研究【2022 年度

KR-091】

明星大学 理工学部 総合理工学科 機械工学系 准教授

小山 昌志

１．調査研究の背景た。それぞれの部品については目標性能を設定し、構造が性能に及ぼす影響を調査し、目標性能を実現

鉄道車両の中でも台車の構造体およびサスペンするための設計方法をまとめる。試作し、性能測定

ション部品には、一部のアルミ材料を除いて、主するのは縮尺模型レベルで行うものであるが、FEMに鉄系材料が用いられてきた。2015 年に熊本電鉄

解析の妥当性を確認しつつ、可能な範囲で実物大ので 実 用 化 さ れ た 台 車（ 川 崎 重 工 製 efWING） で は試設計を行い、その質量や性能を示すことを目標と台車枠のうち、側はりに炭素繊維強化プラスチッする。この調査研究は、あくまでも基礎的な研究でク（CFRP）を用いることで台車の大幅な軽量化をあり、CFRP 台車部品の開発に足がかりを掴むため実現するとともに、CFRP の特性を活かした構造での研究になるものと考えられる。

走行安全性の向上も図っている。この台車はその後（1）アンチローリング装置 2)3)

JR 四国も導入し、運用実績を積上げている。しかし、台車部品に限って見ると、CFRP 材の適用範囲従来から車体のアンチローリング装置として、が広まっているとは言えない。CFRP 材料は、鉄系トーションバーが用いられることがある。トーショ材料に比べて、軽量化を図るために優れた材料であンバーを用いることで、上下方向の車体支持剛性とることが知られ、また、振動減衰性能も高い。加えて、は独立に車体ローリング剛性を高めることができ材料の特性に方向性を持たせる材料設計が可能である。金属材料によるトーションバーに比較して、軽るという特徴を有する。CFRP 材料の特徴を活かし量・コンパクトに、高いねじり剛性を持つ CFRP 製た台車部品の実現可能性を検討している。昨年度のトーションバーの実現性を検討している。昨年度は、調査研究「鉄道車両の台車部品に CFPR 材料を適用

トーションバーと横腕を、独立に性能設計・製作し1)する可能性の研究」 では、CFRP 材の特徴と課題た。今年度、明星大学では、トーションバーと横腕を考慮して、数多くの台車部品の中から、車体・台を一体成形した。製作した一体型 CFRP 製トーショ車間のヨーダンパの移動はり式構造、アンチローリンバーを図 1 に写真を、表 1 に寸法を示す。一体型ング装置、貨車用まくらばねへ CFRP 材の適用可能

CFRP 製トーションバー試験体を製作するにあたっ

性について、FEM 解析あるいは小型模型を設計・試て熱硬化性樹脂プリプレグで製作する場合、アーム作し、試作品について、荷重試験機で実証的に耐荷部は曲げ、トーションバーはねじりとそれぞれ要求重性能などを測定し、基本的な実現可能性を確かめた。

２．調査研究の概要
今年度は、アンチローリング装置と、貨車用まくらばねについて、CFRP 材で製作する構造を発展さ
図１せ、より実現性のある部品模型の設計・試作を行っ
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製作した一体型 CFRP 製トーションバー部位表１幅 (mm)

一体型 CFRP 製トーションバーの諸元
長さ (mm)
厚さ (mm)トーションバー

202002[0°]16

横腕201002[ ± 45°]4S

CFRP 積層構成性能が異なり、同一の繊維配向で各部材の要求をみ択することにより、図 4 に示すような、ばね剛性たすのは困難である。トーションバーと横腕を別々の設定方法を確立した。縮尺 1/8.27 の低床化用模のプリプレグで製作し交互に重ね合わせることで一型車体と台車を製作し CFRP 模型まくらばねを取付体型 CFRP 製トーションバーを製作した。供試材とけ、三次元振動台を用い、加振試験を行った。比較して一方向プリプレグ ( 東レ株式会社製 P3252-S)

対象の金属製コイルばねも併せて、試験結果の一例を用い、縮尺 1/8。27 の模型ばねとして表 1 に示を図 4 に示す。CFRP 製模型まくらばねはコイルばす繊維配向で積層中立面に対してミラー対称積層しねと比較し振動減衰性に優れていることが分かった。

真空バッグ成形法によって製作した。一体型 CFRP製作した CFRP 製模型まくらばねはストローク / ば製トーションバーの幅とねじり剛性を測定した結果ね自由長の比 0.57(8.8mm ／ 15.5mm) であり、スを図２に示す。この結果から得られたねじりばね定トロークを確保したままばね高さを低くできること

数は 6,555(Nm/rad) であり、同時に良好な線形性がから、垂直方向に省スペースなばねであると言える。

確認できた。なお、一体形 CFRP 製トーションバー

また、別の実験では製作した CFRP 製模型まくらばの質量 26g であった。

ねの破断荷重が想定最大荷重の 1.9 倍であることを確認した。

（２）貨車用まくらばね

4)5)

３．調査を終えて大型の海上コンテナであるハイキューブコンテナの国内鉄道輸送には、一部の狭隘なトンネルなどの制約があり、貨車の低床化にはニーズがある 6)。低ここではアンチローリング装置と、貨車用まくら床化を実現するためには、コンパクトなまくらばねばねについて、各部品に CFRP 材を適用した構造をが必要になるものと考えられる。

より発展させ、より実現性のある部品模型の設計・

明星大学では、上下方向のばねストロークを維持試作を行った。その結果、アンチリーリング装置にしつつ、セット長の短い省スペースばね構造を図 3

ついては、トーションバーと横腕を異なる積層構成のような構成で考えた。この提案構造は、曲率を持った CFRP 製板ばねを向かい合わせに重ねた構造としている。CFRP 製板ばねは、熱硬化性樹脂プリプレグで製作し、ばね構造内の諸部品の形状・性質を選(a) 提案ばね装置の構成(b) 製作した CFRP ばねの荷重試験
図２

一体型 CFRP 製トーションバーのねじり剛性

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図３17提案する省スペースばね構造

荷重 (N)

振幅比

減衰比(CFRP) = 0.0257
減衰比(Coil spring) = 0.0203

変位 (mm)図4

加振周波数 (Hz)

CFRP 製模型まくらばねのばね剛性

図5

CFRP 材を一体成形することで、目標とした線形なCFRP 製模型まくらばねを装備した車両模型の振動台加振実験（上下方向の応答振幅倍率）2) 平 山 翔 大、 宮 本 岳 史、 小 山 昌 志： 模 型 台 車 用

ばね定数を有する軽量なトーションバーを実現した。

CFRP トーションバーの開発、JRAIL2021、PS2-

貨車用まくらばねについては、CFRP 製模型まくら7、WEB、2021.12

ばねを製作し、ストロークを確保したままばね高さ

3) 平山翔大、宮本岳史、小山昌志：模型実験に基づを低くできることから、目標とした非線形なばね定いた鉄道用 CFRP 製アンチローリング装置の提数を有する垂直方向に省スペースなばねを実現した。

案、TRANSLOG2022、TL10-2、東京大学生産技

なお、構造設計により、非線形なばね剛性を選択的術研究所、2022.11に設定することが可能である。さらに、CFRP 製模4) 草間悠允、宮本岳史、小山昌志：ストローク /型まくらばねを装備した模型車体と台車の振動台上セット長の比が大きい省スペースばねの開発、の加振実験により、有意な振動減衰性能を確認した。

JRAIL2021、PS2-1、WEB、2021.12

今後は、それぞれの CFRP 製車両部品を模型から

5) 草間悠允、宮本岳史、小山昌志：低床化用台車

実物大に展開するにあたっての問題点あるいは設計に搭載した鉄道貨車の低床化を目的とした縮尺方法を検討したいと考えている。□

模型用 CFRP ばねの性能評価、TRANSLOG2022、TL1-3、東京大学生産技術研究所、2022.11

参考文献

6) 渡辺富博、二田義規、柴崎隆一、赤倉康寛：コンテナサイズに視点をおいた国際海上コンテナ輸

1) 小山昌志：鉄道車両の台車部品に CFPR 材料を送に関する基礎的分析、国土交通省国土技術政適用する可能性の研究、研友社 Annual Review、

策総合研究所資料 No.478、p.2、2008

No.23、KR-080、2022.5

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