鉄道車両の台車史
ドイツでは、早くからルール地方で製鉄が発達していたこともあり、良質のばね鋼の供給には不自由しない状況にあった。このこともあって同国ではドイツ連邦の下で各邦国が独自の鉄道経営を行っていた時代から、重ね板ばねの特性を最大限に生かした台車の開発が模索され続けており、重ね板ばねとリンクを巧妙に組み合わせた軸箱支持機構が20世紀初頭の段階で既に実用化されるなど、世界をリードする研究開発が行われていた。
ドイツ帝国成立後、1920年に新たに成立したドイツ帝国鉄道(Deutsche Reichsbahn)は、統合後D-zug向けとして最初の制式客車シリーズを設計するに当たり、ドイツ国内の有力車両メーカー各社へ呼びかけ、高速運転に適した台車の設計コンペティションを実施した。
ここで長期にわたる検討の結果選択されたのが1923年にWUMAG(Waggon- und Maschinenbau AG Görlitz:ゲルリッツ客車機械製造所)が設計した、長軸距と長大な重ね板ばねを組み合わせたばね機構を特徴とする、ゲルリッツ式と呼ばれる高速台車である。
この台車は、荷重負担を担当する重ね板ばねと微振動吸収を目的とした2本のコイルばねを組み合わせた、門形のばね群による軸箱支持機構に加え、非常に長大かつ高剛性の重ね板ばねを2段リンク式で側梁から線路と平行に吊り下げ、これらに直交するように枕梁を直接板ばね上に乗せることで揺動周期の長周期化と蛇行動の引き金となる不安定速度領域の引き下げを実現するものである。
元のパイオニアIII台車は標準軌向けのため、軌道中心から軸端へ順に駆動装置、側枠、車輪、ブレーキディスクとなっている。これを狭軌向けに、駆動装置、車輪、側枠、ブレーキディスクに変更する。
この台車はメンテナンスフリーと軽量化を重視して設計されている。摺動部品がほぼ心皿の側受に限られ、それさえ低摩擦係数のテフロン材を摺動面に貼り付けて注油の必要性を排除しており、各車輪に基礎ブレーキ装置をユニット化して実装するディスクブレーキの採用と合わせ、極力保守の手のかからない設計とされている。この台車はTS-701で自重が4.5 tと非常に軽いため、その構造からばね間重量が実質的にばね下重量に近い扱いとなることを考慮しても、軌道保守面において十分メリットのある設計であった。
もっとも、高速走行時の蛇行動に対する研究がアメリカにおいてもまだ不十分な状況で設計されたため、ブレーキユニットを避けるように高い位置に取り付けられたボルスタアンカーが蛇行動を抑えられないという重大な問題が、導入各社での高速運転時に表面化した。アメリカの一部の鉄道ではボルスタアンカーの支持腕を継ぎ足して作用点を引き下げるという対応をとっており、東京急行電鉄でも試験的にデハ7042において同様の改造を実施した。しかし、蛇行動抑止に効果がある一方で継ぎ足したボルスターアンカーに生じる応力が過大になることが判ったため、この1両に留まっている。
なお、この蛇行動については小田急電鉄4000形向けTS-706で設計の改善が図られた。
この後の東急7200系では、電動車については大出力化した主電動機の装架の困難さを理由として通常の片押し式ブレーキシューを備えた軸ばね台車(TS-802)への変更が行われたが、付随台車については廉価かつ軽量なパイオニアIII(PIII-707)の採用を継続した。この構成は続く8000系にも踏襲された。
加えて決定的な問題となったのが、軸重抜けによる競り上がり脱線であった。この現象はパイオニアIIIを装着する車両のみで編成を組んで走行する場合には表面化しなかったが、ばね特性の硬い軸箱支持機構を備えた台車を装着した車両と併結した特定条件下で惹起し、脱線事故が小田急電鉄で繰り返し発生した。具体的には、パイオニアIII (TS-706) を装着する4000形と、軸距が2,500 mmと長く乗車率300 %を前提にばねを意図的に硬くした軸ばね台車である国鉄DT13を装着する1800形を併結した場合で、1973年4月19日と5月2日に続けて発生したことから深刻な問題であると見なされた。
これらの脱線事故については、事故時と条件を揃えて実際の車両を用いた再現実験が行われ、小田急電鉄社外の識者による脱線事故調査委員会での検証・原因究明作業が行われた。その結果、これらの事故は低速時におけるパイオニアIIIの浮き上がりによる脱線が原因と判断された。これにより、事実上欠陥台車の烙印を押された形となったパイオニアIII台車の発展の道は閉ざされることになり、以後、南海電鉄6100系用PIII-710(1968年設計)を最終形式として日本におけるパイオニアIII台車の各私鉄での新規採用は途絶えた。
この台車は当時大阪市が建設を進めていた4号線(現在の中央線)の一部が脆弱な地盤上の高架線となり、この区間では車両の軽量化が特に強く求められることを視野に入れて計画されたものであった。
だが、メーカー側でのばね下応力評価が過小であったことが原因で、この台車は就役開始直後から台車枠に亀裂が入るトラブルが頻発した。当初はその都度補強を加えるなどの対応を取っていたが、最終的にメーカーである住友金属工業側が信用に関わるとして台車枠の修理を拒否、無償での通常型2自由度系軸箱支持機構を備えた新設計の台車枠への全数交換を申し出るという事態に陥った。
そのため、このFS332は短期間で全てが通常の一体鋳鋼製軸ばね台車であるFS332Aへ改造され、消滅している。
もっとも、ここで試行されたコイルばねの横剛性を利用したインダイレクトマウント・ノースイングハンガー式金属ばね台車、という設計コンセプトは続く6000形(FS339)・6100形(FS359)、それに日本万国博覧会の大量輸送を支えた30系(FS366)へ継承され、この時代に大阪市交通局が製造した地下鉄車両を特徴づける機構の一つとなった。
この輪軸もまた実用化には至っていないが、駆動系が輪軸に依存しないリニアモーター方式の場合、ディファレンシャルギアによる差動機構も不要であるためその採用に当たっての技術的なハードルは一般の鉄道車両に比較して低く、1990年代以降も研究が続いている。
このように技術的なハードルの高さなどから独立回転車輪方式が限られた分野でのみ実用化される一方で、自己操舵台車は比較的古くから実用に供されていたことで知られている。
自己操舵台車の発端は、ボギー台車と同様、蒸気機関車の先台車にあった。
蒸気機関車を高速で円滑に曲線を通過させるための案内装置として実用化された先台車では、高速安定性などの点で有利とされた2軸先台車とは別に、クラウス・ヘルムホルツ式、ツァラ式など1軸の先輪と第1動輪をリンクなどで結合しその位置関係を機械的に変化させることで、転向性能の点で不利だがコスト面や全長短縮の点では有利な1軸先台車において曲線通過時の動輪のフランジ摩耗を軽減する機構が19世紀から実用に供されていた。
ボギー台車の導入前の一時期、次第に大型化する路面電車やインターアーバンにおいて、2軸のまま長軸距・大型車体を実現する必要に迫られた車両メーカーが、こうした機構を2軸単台車に援用することに思い至ったのは、ごく自然な展開であった。世界最大の機関車メーカーとして知られたボールドウィン・ロコモティブ・ワークスがラジアル台車と呼んで製品化したこの機構は、2つの輪軸の左右それぞれの軸箱をX字状にクロスアンカー・リンクで結合し、曲線区間で2つの輪軸の位置関係を平行だけでなく自由にハの字、あるいは逆ハの字に変化できるようにしたものであった。
20世紀前半のアメリカ合衆国(以下アメリカ)では、ペンシルバニア鉄道をはじめとする一部の先進的な鉄道会社でウィングばね式台車や新設計の軸ばね式台車の導入が始まっていたが、一般的にはフランスと同様に軌道条件の問題から、その後も長くイコライザー式台車を主力とせざるを得なかった。
だが、そうした機構面での技術的停滞の一方で、1920年代以降、アメリカでは台車の一体鋳鋼化による、組み立て工数の削減と剛性の向上、つまり構造面での技術開発が急速に進展した。
鋳造技術の進歩は、気候面で空気が乾燥していて鋳造に有利な条件が揃っていたことによる製造コスト削減の容易化がその背景にあり、同時にメンテナンスフリーによる保守経費削減を特に重視するアメリカの鉄道会社各社の伝統的方針と、台車枠全体の一体鋳鋼化で得られる高剛性がもたらす直進安定性の向上や設計上の自由度確保を狙う設計サイドの思惑とが合致したことによるところも大きかったとされる。
その性質上多数の台車が必要となる貨車用には、調達・維持の両コストを低く抑えられる一体鋳鋼製台車枠は特に好適であり、軸箱をトラス構造の側枠に軸ばねを介さず直接結合したアーチバー台車をそのまま一体鋳造したようなベッテンドルフ型と、更なる組み立ての簡素化を狙ったその亜種が多数出現し、大きな成功を収めた。
その一方で、後述するように曲線通過性能を改善するための車体傾斜式車両(ペンドリーノ)の開発が1940年代から精力的に行われた。もっとも、当時の技術では応答性の点で満足な性能のものが完成せず、これは最終的に電子回路技術が急速に発展した1970年代に入り、イギリス国鉄のAPTプロジェクトで開発された技術を導入することで問題の解決が図られた。
こうして完成したペンドリーノだが、1975年に試作車であるETR401が完成したものの量産車となるETR450は高速新線建設計画を巡る紆余曲折から営業運転への投入が著しく遅れ、ETR401完成から13年を経た1988年よりようやく営業運転を開始している。
なお、これらETR401・450は強制車体傾斜式による曲線通過性能の向上に加え、在来線では最高200 km/h、高速新線では最高250 km/hでの運転を可能としている。これらの台車はいずれも直進安定性の点で有利な軸梁式軸箱支持機構を採用し、軸ばね・枕ばねはコイルばねとなっている。
Brill 76E・77Eのレベルで、つまり20世紀初頭の技術水準のままで長らく留まっていた日本の路面電車の低床化への取り組みであるが、それを改善しようという動きが最初に具体化したのは、1955年のことであった。
この年、東急車輛製造が親会社である東京急行電鉄の玉川線用として設計した、画期的な超軽量構造の新型車であるデハ200形で、最小時510 mm径の超小型車輪を使用するTS-302・501が採用され、これにより従来の一般的な低床車よりも50 mmから60 mm程度低い、床面高590 mmを実現したのである。
この車両自体は技術的な未成熟や運用面の不都合などから、決して成功作とはいえない存在であるが、当時日本へ紹介が始まったばかりの最新技術をどん欲に取り込んだその設計は、将来の超低床電車に多大なサジェスチョンを与えうる非常に斬新なものであった。
だが、このデハ200形が製造された1950年代後半以降、日本の路面電車は急速にモータリゼーションの渦の中に飲み込まれ、画期的な低床車の開発を行うばかりか、通常構造の新造車を投入することさえ困難な状況へと追い込まれていった。このため、以後の日本の路面電車でのバリアフリー施策は、東京都交通局荒川線で1977年に実施されたホーム高さ引き上げによる対応が目立つ程度で、1997年の外国技術の導入による熊本市交通局9700形電車の竣工まで、超低床化に対する取り組みはほとんどなされないまま、実に40年以上もの長期にわたってそのまま推移する結果となった。
この「タルゴ」シリーズはフランコ政権末期に設計された3世代目の「タルゴIII」でほぼ完成の域に達した。さらに派生モデルである「タルゴIII-RD」で軌間可変機構が実用化されたこともあり、このシリーズとその改良・発展型は以後長らくスペイン国鉄の代表的車種の一つとして使用されることとなった。
だが、「タルゴ」が一定の成功を収めたにもかかわらず、タルゴ社からライセンス供与を受けて製作された車両を除き、この「タルゴ」を追って独立回転車輪方式の採用に踏み切る鉄道は、その後しばらくの間現れなかった。一般的なボギー台車を備える鉄道車両、例えば電車などの動力車においては左右の車輪の回転数差を吸収するために何らかの装置を組み込む必要があるなど駆動装置の複雑化が避けられず、この方式を採用することによる曲線通過時の負担低減などのメリットよりも、そうした機構の複雑化がもたらすデメリットの方が大きかったためである。
ただし、この時期に独立回転車輪方式を通常の2軸ボギー台車に適用しよう、という動きが全く存在していなかった訳ではない。例えば1959年には、日本の京阪神急行電鉄が蛇行動対策と走行抵抗の軽減を目的として「自由回転車輪」と称する通常の台車に組み込み可能で左右の車輪が独立回転する輪軸を製作、これを同社京都線の1500形1528の4軸全てに組み込み、1959年4月から約1年にわたって長期試験を実施した。この実験では独立回転車輪の走行特性について、常に一方の車輪のフランジが軌条側面に接触して走行しようとする、つまり片寄って走行しようとする性質があることなど、貴重な知見が得られた。