鉄道車両の台車

鉄道車両の台車（てつどうしゃりょうのだいしゃ）とは、鉄道車両において、車体に直結されていない、自由度のある走り装置のことである。
概要.
車両の走行のための装置の総称は走り装置（または走行装置）であり、台車とは、車体に直結されていない、自由度のある走り装置のことである。
蒸気機関車の動輪やワム80000のような二軸貨車の走り装置は台車とは呼ばない。これらの走り装置は固定軸受もしくは固定車軸と呼ばれる、一方旧式の電気機関車（EF58など）の足回りはボギー台車とかなり異なった形だが、動輪部を含めれっきとした台車（通常は1両につき先台車と主台車を2組で構成される）である。国鉄においてはボギー台車、一軸台車、機関車の主台車、先台車、従台車には台車形式を付与しているが、固定軸受には台車形式は付与していない。
また熊本市交通局9700形電車のような超低床電車（いわゆるライトレール）には、1車体4輪としつつ車軸を持たない独立車輪を、それぞれ旋回可能な4つの台車で保持しているものもある。
現在最も多く用いられている2軸ボギー台車は、右図のように1車両あたり4軸を2軸ずつの小さな単位に分割し、車体に対して回転できる（一部に3軸ボギー台車や4軸ボギー台車、あるいはそれらを複数組み合わせて一まとまりとして使用するケースもある）。
鉄道車両の車輪は車軸に固定されており（輪軸という）、初期の蒸気機関車・客車・貨車は4輪、すなわち2軸であった。車体の長大化、重量の増大につれより多くの車輪・車軸が必要となるが、2軸以上を車体に固定すると曲線の通過が困難になる。また、2軸であっても、固定された状態でその間隔（固定軸距）が長くなると、理想的には輪軸がレールと直角になるべきところ、その角度のずれ（アタック角）が大きくなるため、走行抵抗が大きくなり曲線通過が困難になる。
ボギー台車は曲線に追従して回転できるため、曲線の通過が容易となる。また、乗り心地や走行性能についても、縦の揺動をボギーの2軸間で一旦平準化するので揺れが少なくなり、ばね装置を2段階にできる点でも固定軸車に比べて有利である。ばね装置を台車構造の内部で完結する構造としたものが多く、車体と台車の機能の切り離しが行われる形になっていたが、近年は、枕ばね（後述）を車体との間に持たせる形のものが増えている。
特に古い機関車の台車については、旅客車のボギー台車とは大きく異なるものが用いられた。これについては機関車の台車を参照されたい。
台車の役割.
台車の役割は次のようなものである。
このうちばね機能と回転機能の概要を図示すると右のとおりで、ばね機能は一般に二種類のばねで分担される。
台車の種類.
基本的な分類.
機関車の台車.
機関車でとくに旧形のものは、旅客車のボギー台車とは様相が大きく異なる。蒸気機関車の場合、動輪は軸ばねを介して台枠に直接取り付けられるが、先輪・従輪で台枠に対して回転可能なものは、先台車・従台車と呼ばれる。国鉄では形式にLTを付する。これらのうち、2軸で心皿（後述）を中心に回転するものは、ボギー台車の一種である。（元来、旅客車のボギー台車は歴史的には蒸気機関車のそれにならったものである。鉄道車両の台車史#ボギー台車の誕生を参照）。これに対して1軸のものは一般に外の1点を中心に回転して動輪との位置関係でカーブに沿うようにされている。
また、日本ではEH10形以降の電気機関車は、頑丈な台枠を持つ車体に連結器が取り付けられ、ボギー台車で駆動する形であるが、それ以前の旧形電気機関車は、蒸気機関車と同様の台車枠（台枠）に動輪が付けられ、連結器はその台車枠に設けられていた。多くの場合、蒸気機関車と同様に先台車が設けられるが、これに対して動輪の部分の台車は主台車と呼ばれ、国鉄では形式にHTを付する。また、多くの形式は前後の台車が中央で中間連結器と呼ばれる連結器によって連結され、牽引力もこの連結器を介して伝達する形になっていた。先台車は、主台車の先端にさらに回転するように取り付けられ、カーブでガイドする役割を担った。
6動軸をもつF形機関車で、2軸ボギー台車3組を用いるものは、カーブを曲がるときに線路への横圧が大きくならないよう、中間台車が横動しやすい特殊な構造が用いられる。動輪のない中間台車 が、軸重調整のために設けられる場合もある。また固定した3軸ボギー台車とすると中央の軸の横圧が大きくなるので、DE10形ディーゼル機関車などでは1軸ごとに可動の特殊な形が用いられている。古いタイプの機関車には、3軸台車も多く用いられ、うち2軸のみ動輪など、さまざまなタイプがあった。
全体構造.
多くの旅客車で使用されている台車ではおおむね右図のようになっている。通常1では回転機構と、車体・台車枠間の上下・左右動を受けるばねとその振動を減衰させるダンパーの機構、3では軸箱・台車枠間の上下動を受けるばねおよびダンパーの機構を設ける。1を車体支持装置、3を軸箱支持装置とよぶ。両者は、多くの種類が考案・実用化されてきた。なお車体支持装置には一般に前後の牽引力を伝達する装置も組み込まれる。また、列車を止める制動装置（ブレーキ）や、動力台車では、駆動装置が搭載される。
台車の前後方向は固定され、車体と台車の間の牽引力・ブレーキ力を伝達する。（なお前後・左右はそれぞれ列車の進行方向と、それに直交する枕木方向。上下は垂直方向とし、回転はこの垂直軸の回りの回転とする）。
輪軸がレールに沿って進行するため、基本的に左右方向の動きが拘束され、車体の揺れや曲線で生じる左右の相対移動を台車が大きく負担・吸収すること、操舵のために自ら回転させる必要がないことが、自動車のサスペンションと大きく異なる点として挙げられる。
ばね下重量・ばね間重量.
右図のように模式的に車体 - ばね - 輪軸が垂直に並んでいるとして、レールにより上下動が生じた状態では、一般にはばねより下の重量が軽いほど、車輪が容易にレールに追随することになり、またばねを介して車体に与える振動衝撃も少なくなる。一般には鉄道車両の台車では通常台車枠と軸箱間にある軸ばねの下に相当する。また、軸箱以下のばね下重量ほどではないが軸ばねと枕ばねの間、つまり台車枠などの質量も軽いことが望ましく、ばね下重量とばね間重量の軽量化にはさまざまな工夫がされてきた。
車体支持装置.
車体支持装置の構成要素.
主要な車体支持機構ごとに、車体と台車枠の間で荷重を伝達する構成要素を右表に示す。略号はそれぞれ、次の運動を行なうことを示す。
前後方向の力の伝達.
車体と台車（具体的には台車枠）との間の相対運動に関して、枕ばねは上下や左右方向の運動を吸収するが、前後方向については相対的に固定して輪軸と車体の間に生じる前後方向の力、すなわち牽引力やブレーキ力を伝達する必要がある。（なお輪軸と台車枠との間の伝達は下記の軸箱支持装置が行う）。
スイングハンガー方式、インダイレクトマウント方式においては車体と上揺れ枕または枕ばり（ボルスタ）の間は心皿・中心ピンで伝達されるが、そこから台車枠の間には枕ばねが介在する。またダイレクトマウント方式においては車体とボルスタの間に、ボルスタレス台車では車体と台車枠の間に枕ばねが介在する。しかし枕ばねは一般に横方向の剛性が低く、力の伝達には適しない。そのため以下のように様々な方式が用いられてきた。
ばね・ダンパーの種類.
ダンパー.
ダンパーの種類には次のようなものがある。
台車枠.
構造概要.
台車枠とは、車体支持装置と軸箱支持装置の中間に位置する構造物を指す。車体重量を均等に各車輪に配分し、各輪軸を平行に保つ。イコライザーのない台車ではイコライザーの作用も分担するが、3軸ボギーでは正しく釣合梁の作用にはならない。台車を進行方向においてみた場合、両側に縦に側梁があり、横に横梁でそれらを結合する。横向きの梁の本数や形態は種類によりさまざまで、端部に設けられる端梁があることもある。車輪は一般に両側の側梁の内側に位置する（下記インサイドフレームの場合は外側になる）。軸箱支持装置の荷重は側梁の真下からかかるのが望ましいが、国鉄TR10形などイコライザー台車では構造上釣り合いばねの中心が側梁の中心とずれることもあり、これを解消するためイコライザーを側梁の内外に設けるなどの策もとられる。
その他、主電動機やブレーキなどさまざまな装置を取り付けるためにも用いられる。
台車枠の種類.
台車枠の構造としては、古くは形鋼や板材をリベット締結により組み立てる構造、鋳物を使用した構造、プレス成形された鋼材を溶接組立する構造などがある。
台車枠の構成要素.
上から見ると「H」の形をしているのが特徴であり、レールと平行で左右外側に位置する2本の側梁と、この側梁を繋ぐ中心部の横梁から構成される。
軸箱支持装置.
構造概要.
軸箱支持装置とは、輪軸・軸箱を台車枠に対して保持する機構または装置のことを指す。自動車のサスペンションに相当するもので、軸箱を上下にコイルばねなどを介して十分に可動できるようにする一方、前後・左右には対しては固く抑制することで、一般に高速安定性を重視するもの（新幹線用など）は前後をより固く、曲線通過性を重視するものは前後をやや柔らかく抑制する。また1台車中の前後の車軸をレールに直角になるよう積極的に操舵させる構造の台車もある。
前述のように車体支持装置が車体・台車枠間の変位を受けるのに対し、軸箱支持装置は台車枠と各軸箱（2軸ボギーでは4つ）間の変位を受け、軌道不整、レール継ぎ目、カーブ入り口などで前後輪の高さが違ったり4輪が同一平面から外れたりする場合には、まずその変位を受けることになる。これは車両が高速で安全に走行する際には、台車に装備された輪軸が常に平行を保ちながら、刻々と変化する線路状況において正確に追従する必要があるためである。なお枕ばねと軸ばねの分担関係については鉄道車両の台車史も参照。
以前は、上下の案内にスライドレールの役割をする軸箱守（ペデスタル）を設けて軸箱を滑らせ台車枠との間に軸ばねを介する方式や、ばね支持にイコライザーを介して軸箱を支える方式が多く用いられたが、軸箱守が磨耗すると騒音や蛇行動が発生しやすくなり、強度の摩擦部分のため保守に手が掛かる問題があった。その後軸箱守を用いず、上下案内とばね支持を上下にたわむ高剛性の板ばねで行うものや、リンクを用いるものなど、様々な形が出てきている。
軸箱支持方式.
上述のとおり、きわめて多岐に亘るため、構造の詳細は、可能な場合代表的な形式を挙げてそれへのリンクをもってかえる。
軸箱守式（ペデスタル式）.
比較的古い様式の軸箱支持方式。後述のイコライザー式でも一般に軸箱の案内には軸箱守を用いるが、軸箱守式（ペデスタル式）と称するときには、イコライザーを用いない方式の中での名称として使うことがしばしばある。ただ、軸箱守と軸箱の間にすり板を設ける必要があるため、定期的にすり板の交換が必要である。その中でもばねの種類や配置により種類が分かれる。
イコライザー式.
釣り合い梁式ともいう。ボギー台車の軸箱の上にそれぞれ支点を設けて軸距の方向にそれぞれの軸箱を抑えるように釣り合い梁を設け、その中央にばね上荷重をかけたもの。軸箱上に直接ばねがないので軸箱の前後運動を抑えて輪軸相互の平行度を保ち、軸箱にかかる荷重の釣り合いがよく行われる強みがあるが、釣り合い梁が外からの点検・ブレーキ調整などの邪魔になる他、重い釣り合い梁がばね下重量となる点では軌道保守上不利であるため国鉄では昭和初期まで、大手私鉄では1950年ころまでの台車に多く用いられた（アメリカではかなり後年まで多用）。
イコライザーのないタイプでは台車枠がイコライザーの代理をすることになるが、劣悪な軌道では負担もある。
ブレーキ装置.
鉄道車両で使用されるブレーキ装置は多種多様なものがあるが、ここでは、台車に搭載され、空気圧や油圧によって生じた力をてこ機構により増幅し、車輪やブレーキディスクに摩擦機械的なブレーキ力を伝えて輪軸を抑止する基礎ブレーキ装置について説明する。
基礎ブレーキ装置の種類.
制輪子が車輪の踏面を押える踏面ブレーキ式と、制輪子が輪軸に搭載されるブレーキディスクを押えるディスクブレーキ式がある。
駆動装置.
電車の動力源による回転力を輪軸へ伝える装置を駆動装置と呼ぶ。
軸箱組立.
軸箱組立とは、軸受と車軸が収められている所であり、車体の荷重を枕ばねと台車枠から軸箱支持装置を介して受け取り、また車輪で発生した駆動力を軸箱支持装置を介して台車枠に伝え、さらに、心皿・中心ピン・枕梁（ボルスタ）・ボルスタアンカを介するかまたは牽引装置を介して車体に伝える部分である。単に軸箱とも呼ぶ。基本構成要素は軸箱体と軸受。
輪軸.
輪軸とは、車輪と車軸を組み立てたもので、駆動装置による動力が伝えられ、レールを走行する部分である。
その他の装置.
その他の台車に装備される装置類としては、以下のようなものがある。
特殊な台車.
操舵台車・ラジアル台車（輪軸操舵機構つき台車）.
操舵台車は輪軸操舵機構により輪軸の方向を変えて曲線をスムーズに通過できるようにした台車である。普通の台車は車体に対して回転することにより曲線区間を滑らかに通過することができるが、それでもなお1台車の2輪軸は一定間隔（ホイールベース）を保って平行に支持されているため、輪軸とレールが完全に直角にはならず、車輪とレールとの間にアタック角（攻撃角とも。レールの円弧の接線と車輪の進行方向のなす角度。）が発生して車輪のフランジやレールを磨耗させるだけでなく騒音（きしり音やゴロゴロ音）を発生させる。もし、各々の車軸の延長線がレールの曲線の中心（曲線半径の中心）を通るように変位させることができればアタック角が0となり、車輪のフランジやレールの磨耗が一層少なくなり騒音の発生を抑え、さらにスムーズに通過することができるようになる。
このため、単台車において、2つの輪軸のそれぞれ左右に備わる軸箱をクロスアンカーリンクでたすき掛けに結合し、台車枠と軸箱の位置関係を可変させることで曲線通過時の横圧低減を目指すラジアル台車が研究開発されるなど、比較的早期から自己操舵のアイデアは注目されていた。だが、この方式はラジアル台車の機構をボギー台車に応用して1970年代に実用化された南アフリカのシェッフェル台車などを含め、一般に軸箱の前後方向の支持剛性を意図的に低下させることになる。この点は1980年代にカナダのバンクーバーで実用化されたスカイトレイン用Mark Iの操舵リンク方式でも同様で、高速走行時には支持剛性が決定的に不足し蛇行動が発生しやすくなるという、致命的な弱点を抱えていた。
そのため、1台車の中で完結する自己操舵機構を高速鉄道向けとして実現するにあたっては、直進時の軸箱について前後支持剛性の確保と、曲線通過時の前後支持剛性低減による操舵性能の確保という、矛盾した要素の両立が強く求められた。さらに、日本では自然振り子式車両の導入の本格化に伴い、曲線区間での横圧の軽減が軌道保守の観点から特に強く要求されるようになり、自然振り子式と組み合わせることを主眼とした自己操舵台車の研究開発が本格化した。この点についてある程度解決が見られるようになったのは1980年代中盤に入って以降のことで、まず1986年に日本の国鉄がDT953形台車として、制御付き自然振り子と同様に軌道の曲線情報をあらかじめ制御装置に記録し、ATS地上子による位置情報と速度情報から曲線進入を検知、油圧により強制自己操舵を行うという方式を開発、381系電車に装着して本線走行試験が行われた。
この方式はただちに実用化されることはなかったが、こうした実験データの蓄積とその後の研究の進展で、1台車に2組ずつ備わる輪軸のいずれか一方の軸箱と台車枠の水平面における位置関係を固定とし、一方のみを操舵可能とすることで曲線と直線の双方での特性の両立が可能な見通しが立ち、1990年代以降、JR東海の383系電車を皮切りに日本のJR各社を中心に制御付き自然振り子車と組み合わせる形で自己操舵台車を導入するケースが増えている。
このほか、リニアモーター地下鉄の車両ではその構造上、一般的な回転式電動機と駆動装置の接合部が不要であることから操舵機構を用いた台車が採用されており、軸箱に積層ゴムを用いることで自己操舵機構を持つ台車が使用されている。
現在実用化されているのは以下の各種である。
マキシマム・トラクションボギー.
2軸ボギー台車のうち片側だけを動輪とする場合に使用され、車輪径を前後で違えて動輪となる一方を大径とし、心皿位置をも動軸側に偏倚させた構造で粘着力の強化を図った台車である。ブリル社が特許を取った「Eureka Maximum-Traction Truck 22E」（ユーリカ・マキシマム・トラクション・トラック 22E）は、台車中心ピンの無い「仮想心皿方式」や、曲線区間で従輪（小径輪）の荷重を増して脱線を防ぐ「スプリングコンプレッサー」の採用を特徴とする。
マキシマム・トラクション台車はオタマジャクシのように頭を振りながら走るため、高速走行すると脱線の危険が大きくなるという問題がある。
偏心台車.
気動車用の1軸駆動の2軸ボギー台車の車体支持装置を軸間中央ではなく動軸側に偏らせることにより動軸にかかる軸重を増大させ粘着性能を向上させた台車。1930年代の日本の車輌技術では実用的な1台車2軸駆動や2個エンジン連動制御が開発できなかったため気動車の走行性能確保のため偏心台車や片ボギー車が開発された。マキシマム・トラクション台車も偏心台車の一種であるが、気動車用の偏心台車は日本独自のものとされ、日本車輌製造が製造した大隅鉄道むけ気動車を嚆矢とする。採用車の多くは1930年代製だが、1台車1軸駆動のままで一定の粘着性能が確保できることから戦後製の気動車にも大分交通や熊延鉄道をはじめいくつかの私鉄・第三セクター向け気動車で採用例があり、2015年の時点での日本国内における最終製造事例は1988年製造の由利高原鉄道YR1000形YR1005（新潟鐵工所製）となる。
台車の形式名.
通常、鉄道車両の形式名とは別に、台車に対しても形式名が付与される。
国鉄では、1929年に実施された台車の形式称号の整理に基づき、ボギー台車をTRの後に形式ごとに数字を付けて呼んでいたが、1949年に実施された台車形式命名基準改正により、動力台車についてはDTと数字の形式に改めた。TRはTruckの略であるが、（MTは主電動機の形式に使われていたため）電動のDを付してDTとした。私鉄用の台車は、メーカーの形式をそのまま使うことが多いが、鉄道事業者で独自に付けることもある。