Annual Review No.24

鉄道車両の台車部品に CFRP 材料を適用する可能性の研究【2021 年度

KR-080】

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

能を実現する部品としての可能性を模索する。例えば、金属材料に比べて、CFRP 材では振動減衰機能鉄道車両の中でも台車の構造体およびサスペンを付加できる可能性が考えられる。もう 1 点の課題

ション部品には、一部のアルミ材料を除いて、主として、金属材料と CFRP 材の接合には技術的な課に鉄系材料が用いられてきた。2015 年に熊本電鉄

題があり、ここでは接合方法も考慮しながら対象部で 実 用 化 さ れ た 台 車（ 川 崎 重 工 製 efWING） で は品を選定する。

台車枠のうち、側はりに炭素繊維強化プラスチッ

前述の特徴と課題を念頭において、具体的な選定

ク（CFRP）を用いることで台車の大幅な軽量化を対象は、台車内でボルト締結されている単体部品の実現するとともに、CFRP の特性を活かした構造でうち、荷重あるいは作用力の方向が明確でシンプル走行安全性の向上も図っている。この台車はその後な部品に対する CFRP 材の適用を検討する。このよJR 四国も導入し、運用実績を積上げている。しかうな先例として、牽引装置の一種である一本リンクし、台車部品に限って見ると、CFRP 材の適用範囲は、主たる荷重方向は進行方向であり、部品の前後が広まっているとは言えない。CFRP 材料は、鉄系はゴム部材を介して車体中心ピンと台車枠に締結さ材料に比べて、軽量化を図るために優れた材料であれることから、CFRP 材適用部品としての検討が鉄ることが知られ、また、振動減衰性能も高い。加えて、道総研によって進められた 1)。

材料の特性に方向性を持たせる材料設計が可能であるという特徴を有する。CFRP 材料の特徴を活かし（1）車体・台車間のヨーダンパの移動はり式構造た台車部品の実現可能性を検討する。

車体・台車間のヨーダンパは、減衰力作用方向が主に前後方向であり、車体・台車とは受座を介して２．調査研究の概要

ボルト締結されるものであることから、このヨーダンパ受座に着目した。ヨーダンパ受座の中でも、図CFRP 材料は、金属に比べて比強度が高く、CFRP

1 に示す鉄道総研が提案した移動はり式ヨーダンパ部品を採用することで台車の軽量化に貢献できる可能性がある。また、CFRP 材は異方性の強度を有するため、金属部品を同形のままで置き換えることはできない。強度の異方性は炭素繊維の配向によって意図的に設定することができる点が CFRP 材の大きな特徴である。つまり、部材に求められる作用力あるいは荷重方向が明確であれば、CFRP 材では荷重方向に合わせた材料強度を確保できる。
一方で、CFRP 材の大きな課題は、金属に比較したコスト高であり、CFRP 採用のメリットが軽量化ひとつでは、CFRP 採用の動機を得られない場合も多い。そこで、ここで検討する CFRP 部品は、新機Annual Review 2022.5 No.24

図13鉄道総研の移動はり構造のヨーダンパ支持 2)

支持構造、台車ピッチ運動による振動を車体に伝えきの構造体を CFRP で、SS400 と同一形状で製作すないための新たな機能を有するものの、重量増加がることはできない。今後は実際の CFRP 成形方法も2)含めて適切な移動はりの構造と形状の解析・検討を課題であるとされている 。
明星大学では、軽量化の一案として、移動はりの進める必要がある。

試作品における材質である SS400 に対して、比重が（2）アンチローリング装置

約 1/4 以下である炭素繊維強化プラスチック (CFRP)

従来から車体のアンチローリング装置として、への変更策を検討しており、これによって 60％程度トーションバーが用いられることがある。トーショの軽量化が可能であることを FEM 解析により確認

ンバーを用いることで、上下方向の車体支持剛性とした 3)。そこで、本研究では提案している構造の妥は独立に車体ローリング剛性を高めることができる。

当性の検証のため、図 2 に示すような FEM 解析モ

金属材料によるトーションバーに比較して、軽量・デルを作成し、移動はりに生じる変位と応力に着目

コンパクトに、高いねじり剛性を持つ CFRP 製トーし、構造の変形抑制が応力と変位に与える影響を明ションバーの実現性を検討することとする。

らかにすることを目的とした研究を実施した 4)。そ提案するアンチローリング装置の構成を図 4 にの結果、リニアガイドとの接続部分に対して、移動示す 5)。トーションバーと横腕をジョイントで組みはりのねじれ変形が発生応力と発生位置に大きな影合わせることで、それぞれを独立した部品とする響を与えることが確認された。CFRP 製移動はり内ことができれば、当然ながら、トーションバーはね部にリブによる補強を施すことによって図 3 に示す

じり主体、横腕は曲げ主体、縦腕は伸縮主体としてように移動はりに生じる変位及び最大応力を SS400

材料強度として求められる機能・性能が一方向に限と同程度に低減できることが確認された。また、リ定される。そこで、トーションバーと横腕についてブによる補強を含めても十分な軽量化の可能性を確

CFRP で製作することとした。

認した。一方で、この移動はり構造あるいはリブ付

明星大学では新たな貨車用台車のサスペンションシステムを構想して縮尺 1/8.27 の模型台車製作を目指し、図 5 に示す実験装置と FEM 解析モデルを作成した。ここで得られた結果のうち、CFRP 棒の断面形状と繊維配向の関係を図 6 に示す。目標設

図2（上図）全体構成（下図）内部リブ補強
移動はり構造の FEM 解析モデル

図3リブ補強による最大応力低減効果

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図4図54

提案する CFRP アンチローリング装置

アンチローリング装置の FEM 解析モデル

図6CFRP 棒の断面形状と繊維配向によるねじり剛性定したねじり剛性を実現するために適切な CFRP 積層構造、繊維配向を見いだすことができた。今後は、模型台車搭載可能なアンチローリング装置を設計・開発する。また、この模型台車用の装置開発の知見をもって実物大のアンチローリング装置を構想し、性能と共に、軽量化メリットなどを具体的に示

図7したいと考えている。

提案する省スペースばね構造

表1（3）貨車用まくらばね

試験片

大型の海上コンテナであるハイキューブコンテナ製作した CFRP 板ばね形状の国内鉄道輸送には、一部の狭隘なトンネルなどのFlat制約があり、貨車の低床化にはニーズがある 6)。今も低床貨車の開発は続けられている。低床化を実現するためには、コンパクトなまくらばねが必要になるものと考えられる。例えば、現行 100 系形式の台R40S

車のまくらばねにはコイルバネが用いられているが、旅客車で用いられる空気ばねに比べると、コイルバネのばね高さは大きい。空気ばねの自動高さ調整機能は大きなメリットであるものの、一方で作動空気R40Dを必要とするため、高コストである。そこで、空気ばねより低コストに、空気ばね寸法程度のコンパクトまくらばねをターゲットにした CFRP ばねを検討した。

ばね定数を測定した結果を図 8 に示す。図 8 から、明星大学では、上下方向のばねストロークを維持

平板や曲板に比べて、重ねた曲板を用いたばねでは、しつつ、セット長の短い省スペースばね構造を図 7

ばね変位が大きくなると、ばね定数が大きくなる非のような構成で考えた 7)。この提案構造は、曲率を線形特性が得られた。鉄道貨車用台車にとって、軽持った CFRP 板ばねを向かい合わせに重ねた構造と荷重時には柔らかく、重荷重時に硬い上下剛性となしている。縮尺 1/8.27 の模型ばねとして、表 1 にることで、前述の非線形特性は有意なものとなる。

示す平板、曲板、重ねた曲板を CFRP で製作した。

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今後は、模型台車に搭載可能な CFRP 省スペースば5

図8

CFRP 板ばねの変位とばね定数の関係

参考文献・引用文献等

ねによるまくらばね装置を設計・開発する。この模型台車用の装置を開発する際の知見をもって、実物

1) Sho YAMANAKA,Yoshihiro MASUDA and Mikiya

大の貨車用台車のまくらばね装置を構想し、ばね性

ITO：Fundamental evaluation for application of

能と共に、軽量化メリットなどを具体的に示したい

CFRP to rolling stock of railway,JISSE-14,2015.と考えている。

Dec.
2)

３．調査を終えて相田健一郎ほか：鉄道車両の車体上下振動に対するヨーダンパの影響と新たな取り付け構造のここでは CFRP の適用可能性のある台車部品を選効果検証、日本機械学会第 26 回交通・物流部門

ぶにあたって、台車内でボルト締結されている単体

大会、2017

部品のうち、荷重あるいは作用力の方向が明確でシ

3) 七海勇輝、小山昌志、宮本岳史、相田健一郎：ンプルな部品を検討した。その結果、車体・台車間移動はり式ヨーダンパ支持構造の CFRP 化によのヨーダンパの移動はり構造、車体アンチローリンる軽量化案、日本設計工学会 2021 年度秋季大グ装置、貨車用台車のまくらばねに着目した。鉄道会研究発表講演会講演論文集

総研が提案している移動はり構造は、SS400 で試作

4) 七海勇輝、小山昌志、宮本岳史、相田健一郎：された実績があり、同型のものを CFRP で置き換え

CFRP を 用 い た 移 動 は り 式 ヨ ー ダ ン パ 支 持 構

た場合には質量を 60％程度に小さくできる可能性

造 の 構 造 体 形 状 の 研 究、JRAIL2021、PS2-13、を確認した。ただし、具体的な成形方法は未解決で2021.12.1 ～ 3、WEBあり、今後の課題である。アンチローリン装置のトー

5) 平 山 翔 大、 宮 本 岳 史、 小 山 昌 志： 模 型 台 車 用ションバーと横腕を独立した部品として扱い、模型CFRP トーションバーの開発、JRAIL2021、PS2-台車への装備を念頭において、CFRP トーションバー

7、2021.12.1 ～ 3、WEBの形状と繊維配向を検討した。低床貨車用まくらば

6) 渡辺富博、二田義規、柴崎隆一、赤倉康寛：コンねの実現を目指して、より寸法条件の厳しい模型台テナサイズに視点をおいた国際海上コンテナ輸車で CFRP 製の省スペースばねを試作して、軽荷重送に関する基礎的分析、国土交通省国土技術政時に柔、重荷重時に剛な非線形ばねの実現可能性を

策総合研究所資料 No.478、p.2 (2008)確認した。当面、明星大学では縮尺模型で実証的に

7) 草間悠允、宮本岳史、小山昌志：ストローク /開発・試験を行い、CFRP 部品の設計・成形方法のセット長の比が大きい省スペースばねの開発、検討・性能確認を実施する。その上で、実物大につJRAIL2021、PS2-1、2021.12.1 ～ 3、WEBいては構想設計を行いたいと考えている。□

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