鉄道車両の台車史
幾多の議論や基礎研究の積み重ねを経て、従来の381系用DT42を基本としつつ曲線通過時の横圧対策としての軸箱柔剛性支持、回転抵抗を低減するためのころ式側受+側受ヨーダンパなどを採用したTR906(川崎重工業・近畿車輛製)、同じくDT42の軸箱支持機構をシェブロン式に変更し、制御付き振り子やアクティブサスペンションなどを組み込んだTR907(住友金属工業・東急車輛製造製)、やはりDT42を基本とするが、ロールゴム式軸箱支持機構、低横剛性空気ばねによる枕ばねとこれを利用したボルスタレス車体支持、中空車軸+波打ち車輪など徹底的なばね間・ばね下重量の軽減に努め、制御付き自然振り子式としたTR908(日本車輌製造・日立製作所製)と試作台車3形式が1983年にそれぞれ1両分ずつ製作され、中央西線で381系に装着し走行試験が行われた。
その結果、ボルスタレス振り子構造を採用したTR908が曲線での横圧低減、左右乗り心地改良、車内騒音低減にいずれも優れていることが判明し、一気にボルスタレス化の機運が高まった。
このTR908の系譜では改良型のTR908Aが翌年に試作され、さらに翌々年の1985年にはDT51X・TR236Xとして量産先行としての形式を与えられた試作台車が日本車輌製造と日立製作所で製作され、湖西線と中央西線で同年11月から12月にかけて実施された高速走行試験に供せられた。この際、これらの試作台車を装着した381系は湖西線にて179.5 km/hの日本国内における狭軌鉄道車両の最高速度記録を更新している。
もっとも、財政難かつ分割民営化が差し迫っていた国鉄ではこれらの台車を装着した新型特急車両を量産することは叶わず、その本格量産化は形を変え、JR四国が開発した初の制御付き自然振り子式気動車である2000系用のS-DT56が量産されるのを待つ必要があった。
もっとも、この問題は小田急電鉄の場合、パイオニアIII装着車とDT13装着車を併結しない限り発生しなかったため、事故発生後は4000形を他系列と混用せず限定運用とし(ただ1回の例外を除き)、編成一端の制御車の台車を軸ばね式の一般型と振り替えた上で線路や車輪の踏面管理などを徹底するという対策を講じることで、回避が図られた。これにより、4000形は機器更新の完了でパイオニアIII台車が全数淘汰された1988年まで無事故でこの台車を使用し続けることができた。
また、南海電気鉄道においても、やはりばね特性が線路方向に硬い板ばねを軸箱の弾性支持と案内に用いるミンデンドイツ台車を装着する車両を併用していたため、この競り上がり脱線の発生が警戒されたため、これら2種の台車の装着車が完全に分離されるように車両運用管理が徹底された。その甲斐あって、こちらも機器更新でパイオニアIIIが全数廃却される2009年まで、同種の脱線事故を発生させることなくこの台車を使用し続けることができた。
もっとも、それは車両運用の制約が生じ、結果として予備車確保などの点、ひいてはコスト面でかえって不利になるということであり、本来1自由度系台車に期待された経済性の点では本末転倒であって、増して1990年代に入っても一部形式で国鉄型台車を使用していた西武鉄道など採用のしようもなく、日本におけるパイオニアIII台車の系譜はここで途絶えた。
こうした中、空気ばね開発の進展で1960年代後半には大径のダイアフラム形空気ばねが実用化され、これを用いたダイレクトマウント形空気ばね台車が一般化されるようになると、仮想心皿台車開発で得られたZリンク式等の牽引機構に加え、空気ばねの横剛性を活用することで枕梁を省略したシンプルな構造の台車を開発することが各国で模索されるようになった。
つまり、台車において動的な左右・上下・前後荷重・静的な垂直荷重・牽引力・旋回力という異なった力を伝達していた枕梁と心皿を排し、動的な左右・上下・前後荷重・静的な垂直荷重・旋回力を空気ばねで、牽引力を牽引装置で、それぞれ分担することで代替し、重い枕梁や心皿を省略し軽量化を実現しよう、というコンセプトが提案されるようになったのである。
通常のボルスタ付台車では、ボギーの回転は心皿と側受の摩擦により規制され、車両が旋回に入るときにこれらの摺動摩擦により車輪に横圧が加わり、摺動による摩擦音や軋み音が発生する。また、摩擦部分は定期的に点検、交換する必要がある。しかし安定した旋回中には心皿や側受による摩擦が働かず車輪の横圧は低下する。さらに心皿や側受の摩擦は高速走行時のボギーの蛇行動を規制する働らきががある。
いっぽうボルスタレス台車では大変位を許容する空気ばねに依存するためボギーの回転に摩擦要素がなく、旋回に入る車輪の横圧の立ち上がりが小さい。しかし、旋回中は空気ばねが戻る力による車輪の横圧が持続してかかるため、旋回半径が小さい場合、各車輪の荷重や軸バネ定数にムラがある場合、また軌道変位が大きい場合に低速度であっても乗り上げ脱線を起こしやすい。
そればかりか、通勤車であっても空積差を自動調整可能な空気ばねを採用することの有利さが徐々に認識されるようになり、DT21系のコイルばね台車を1980年代半ばになるまで普通車向け標準台車として墨守した国鉄を除くと、1970年代中盤までには日本では通勤車でも空気ばね台車を装着するのが当然、という状況になってゆく。
汽車製造以外の各社による空気ばね台車の研究開発は1957年以降本格化し、国鉄でのDT21Yの試作や東急車輛製造と日立製作所を皮切りに、日本の台車メーカー各社およびそれらと取引のある各鉄道で、試作台車の研究開発が進められた。この中で、汽車・京阪コンビ以外でもっとも積極的にその開発を進めたのは、汽車がKS-51に採用したシンドラー式円筒案内台車と同様の機構を備えるシュリーレン式円筒案内台車の開発を進めていた近畿車輛と、その親会社であり同社製台車の大口顧客でもある近畿日本鉄道(近鉄)である。
1955年当時、近鉄は競合路線である国鉄東海道本線及び関西本線との対抗の必要性から、特急列車の高速化と併せて冷房化や乗り心地の改善などのサービス改善施策を積極的に推進しており、1957年頃には画期的な高性能車であり、かつ以後の日本の有料特急電車の基本形を確立することにもなる、新型特急車(大阪線用10000系ビスタカー)の設計を進めていた。
近隣の汽車・京阪による空気ばね台車の成功を目の当たりにした同社は、1958年に高性能車の試作車である1450形の装着していたKD-6の枕ばね周辺を改造して短腕リンク式揺れ枕に空気ばね装備としたKD-25で運用データを採取後、KD-26・KD-27・KD-27A(10000系用)・KD-28・KD-28A(6431系用)として同年6月に製造した特急電車全てに一気に空気ばね台車を装着するという積極性を示した。
こうして、高速台車振動研究会での蛇行動の研究が進んだことで高速台車に要求される特性が次第に明らかとなり、直進安定性の向上と、ばね下重量の軽減の2つが特に強く求められるようになった。後者については電車における主電動機装架方法の変更、つまり駆動システムをスプレーグ以来の吊り掛け駆動方式からカルダン駆動方式へ変更することで大きな成果が得られたが、同時に台車側でも対処が求められ、台車メーカー各社は先を争うように新型の軸箱支持機構開発に邁進することとなった。
高速台車で必要となる軸箱の支持には、台車枠から左右の下方にペデスタル(軸箱守)を出し、軸箱がその間に挟まって上下に摺動する形式が基本だが、摺動部が摩擦により消耗するので摺動部を定期的に交換する必要がある。一方、円筒案内式や軸梁式、リンク式では摺動部がないため管理が容易になる。円筒案内式にはオイルダンパー作用を持たせた湿式と、それを持たない乾式がある。ゴム支持は主として路面電車等に利用されている。
軸バネの設定については主として標準軌を採用し乗り心地と曲線通過特性のために柔らかく設定する会社(京急など)と、曲線通過特性の有利な狭軌のために安定性を重視して堅めに設定する会社(JR各社等)がある。
もっともこの種の台車では、車軸の位置関係がハの字あるいは逆ハの字に変化すると言ってもその変化量はごく僅かで、軸箱と台車枠の間の支持機構の複雑さの割に得られるメリットは少なく、むしろ高速走行時の直進安定性に重要な車軸の前後支持剛性が著しく低下するため1軸蛇行動を抑制できず、比較的低速度でも直進安定性が阻害されて乗り心地が著しく悪化する、という問題を抱えていた。そのため、例えば日本でラジアル台車を導入した事業者はその多くが複雑な軸箱支持部の摺動部品の保守に辟易し、また直進安定性の悪さに悩んだ末に曲線通過性能の著しい低下を承知でラジアル機構をロックして通常の2軸単台車相当として使用し、さらに以後の増備を一般的な2軸ボギー台車装着車に切り替えており、他国でも概ね同様の傾向を示した。
こうして一度は技術発達の本流から外れた自己操舵台車であるが、この機構が急曲線通過におけるアタック角の減少による軌条横圧やフランジ摩耗、それにきしり音の低減に大きな効果を持つことには変わりはなかった。
そのため、1970年代に入り南アフリカのハーバート・シッフェル(Herbert Scheffel)によって急曲線区間での使用を目的とするシッフェル式台車として、ラジアル台車のメカニズムをほぼそのまま2軸ボギー台車に適用した台車が開発された。もっとも、これは同じ原理に基づくラジアル台車が抱えていた、軸箱の前後支持剛性の低さ故の直進安定性の悪さをそのまま継承しており、高速運転に適するものではなかった。このため、この種のクロスアンカーリンクを使用した自己操舵台車は、その歴史の古さの割に広く普及するには至っていない。
高速走行時にはボギーの回転に対する摩擦要素がなく蛇行の収束が悪い特性があるため、速度を出す車両ではボギーの回転動を抑制するヨーダンパー類を設置している。
このように、ボルスタ付台車とボルスタレス台車では、ボギーの回転中にかかわる弾性要素と摩擦要素による車輪の横圧の立ち上がりやその持続等の過渡特性に違いがあることを理解する必要がある。
空気ばねの場合、上面板と下面板の前後左右方向の剛性を規定するのは空気ばねダイヤフラムの有効長とダイヤフラム自体の横剛性と面板の傾きであった。ダイヤフラムの有効長を長く取るタイプはいわゆるMANタイプとして実用化されたが、空気ばねダイヤフラム有効長が長いため、上下方向寸法が大きくなる傾向にあった。一方ダイヤフラムの横剛性をコードのバイアス角を小さくして低くして空気ばねの横剛性を下げるタイプ、いわゆる低横剛性タイプ空気ばねの場合、低い空気ばね高さでも横剛性を下げることが出来、台車構成の簡素化(例えば側梁を弓型に曲げることなく、直線形状の側梁でも台車構成が出来る)車体の床面の低床化などのメリットが多くあり、次第に主流となって行く。
ただ、余りに柔らかい空気ばね横剛性は車体―台車間の横変位が大きくなりすぎることや、空気ばね左右ストッパーが当たった状態での左右乗り心地などの悪化という問題があり、空気ばねの上面板に左右方向のみ傾斜をつけてダイヤフラムの変形を抑制するなどと言う手法(異方性空気ばね)がとられるようになった。