(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-12-19
(45)【発行日】2023-12-27
(54)【発明の名称】鉄道車両用台車、及びその台車を備えた鉄道車両
(51)【国際特許分類】
B61F 5/44 20060101AFI20231220BHJP
B61F 5/46 20060101ALI20231220BHJP
【ＦＩ】
B61F5/44 A
B61F5/46
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2020022224
(22)【出願日】2020-02-13
(65)【公開番号】P2021126975
(43)【公開日】2021-09-02
【審査請求日】2022-10-06
(73)【特許権者】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001553
【氏名又は名称】アセンド弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】山崎 陽介
(72)【発明者】
【氏名】下川 嘉之
(72)【発明者】
【氏名】水野 将明
【審査官】大宮 功次
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２００７／００７９３０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００６－１０３４２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１２４７４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１２６８３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－２８２０６０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１３／０６１６４１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開平０３－２５８６５６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ６１Ｆ ５／４４
Ｂ６１Ｆ ５／４６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
台車枠と、ボルスタと、
前記台車枠に設けられた前側の輪軸及び後側の輪軸と、
前記前側の輪軸及び前記後側の輪軸それぞれの左側及び右側にそれぞれ設けられた軸箱と、
前記台車枠の左の側部及び右の側部にそれぞれ設けられた操舵装置であって、各々が前記前側の輪軸及び前記後側の輪軸を操舵する前記操舵装置と、を備え、
前記各操舵装置は、
前記台車枠に支持された梃子と、
前記ボルスタと前記梃子とを接続する第１のリンクであって、前記第１のリンクと前記ボルスタとの接続部、及び前記第１のリンクと前記梃子との接続部を有する前記第１のリンクと、
前側の前記軸箱と前記梃子とを接続する第２のリンクであって、前記第２のリンクと前記前側の前記軸箱との接続部、及び前記第２のリンクと前記梃子との接続部を有する前記第２のリンクと、
後側の前記軸箱と前記梃子とを接続する第３のリンクであって、前記第３のリンクと前記後側の前記軸箱との接続部、及び前記第３のリンクと前記梃子との接続部を有する前記第３のリンクと、を含み、
前記第２のリンクと前記軸箱との接続部、及び前記第２のリンクと前記梃子との接続部のうち、少なくとも１つの接続部は弾性部材を有し、
前記前側の輪軸のヨーイング剛性が１．１６×１０5［Ｎｍ／ｒａｄ］以上３．００×１０6［Ｎｍ／ｒａｄ］以下である、鉄道車両用台車。
【請求項2】
請求項１に記載の鉄道車両用台車であって、さらに、前記第１のリンクと前記ボルスタとの接続部、及び前記第１のリンクと前記梃子との接続部のうち、少なくとも１つの接続部が弾性部材を有する、鉄道車両用台車。
【請求項3】
請求項１又は請求項２に記載の鉄道車両用台車であって、前記各接続部は、断面が円形の軸と、前記軸が挿入された穴と、を含み、
前記弾性部材を有する前記各接続部は、前記軸と前記穴との隙間に前記弾性部材としてゴムブッシュを備える、鉄道車両用台車。
【請求項4】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の台車と、車体と、を備えた鉄道車両。
【請求項5】
車体と、台車と、を備え、
前記台車は、
台車枠と、
前記台車枠に設けられた前側の輪軸及び後側の輪軸と、
前記前側の輪軸及び前記後側の輪軸それぞれの左側及び右側にそれぞれ設けられた軸箱と、
前記台車枠の左の側部及び右の側部にそれぞれ設けられた操舵装置であって、各々が前記前側の輪軸及び前記後側の輪軸を操舵する前記操舵装置と、を備え、
前記各操舵装置は、
前記台車枠に支持された梃子と、
前記車体と前記梃子とを接続する第１のリンクであって、前記第１のリンクと前記車体との接続部、及び前記第１のリンクと前記梃子との接続部を有する前記第１のリンクと、
前側の前記軸箱と前記梃子とを接続する第２のリンクであって、前記第２のリンクと前記前側の前記軸箱との接続部、及び前記第２のリンクと前記梃子との接続部を有する前記第２のリンクと、
後側の前記軸箱と前記梃子とを接続する第３のリンクであって、前記第３のリンクと前記後側の前記軸箱との接続部、及び前記第３のリンクと前記梃子との接続部を有する前記第３のリンクと、を含み、
前記第２のリンクと前記軸箱との接続部、及び前記第２のリンクと前記梃子との接続部のうち、少なくとも１つの接続部は弾性部材を有し、
前記前側の輪軸のヨーイング剛性が１．１６×１０5［Ｎｍ／ｒａｄ］以上３．００×１０6［Ｎｍ／ｒａｄ］以下である、鉄道車両。
【請求項6】
請求項５に記載の鉄道車両であって、さらに、前記第１のリンクと前記車体との接続部、及び前記第１のリンクと前記梃子との接続部のうち、少なくとも１つの接続部が弾性部材を有する、鉄道車両。
【請求項7】
請求項５又は請求項６に記載の鉄道車両であって、前記各接続部は、断面が円形の軸と、前記軸が挿入された穴と、を含み、
前記弾性部材を有する前記各接続部は、前記軸と前記穴との隙間に前記弾性部材としてゴムブッシュを備える、鉄道車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、鉄道車両用台車（以下、単に「台車」ともいう）に関し、特に、前後に設けられた輪軸の操舵が可能な台車、及びその台車と車体とを備えた鉄道車両に関する。
【背景技術】
【0002】
鉄道車両は、車体と台車から構成され、レール上を走行する。鉄道車両が曲線路を通過する際、車輪がレールを左右方向に押す力、いわゆる横圧が発生する。特に、曲線路の出口では、横圧が大きくなりやすい。軌道が出口緩和曲線区間から出口直線区間に移行し、その軌道に輪軸が追従しにくいからである。横圧が大きいと脱線の危険性が高まる。そのため横圧を抑制することが望ましい。
【0003】
曲線路の出口で横圧を低減する技術として、例えば国際公開ＷＯ２０１３／０６１６４１号パンフレット（特許文献１）は、前後の輪軸が操舵する台車（以下、「操舵台車」ともいう）を開示する。特許文献１に記載の操舵台車では、台車枠の左右の側部にそれぞれ操舵装置が設けられる。各操舵装置は、台車枠に支持された梃子と、３つのリンクと、を含む。１つ目のリンクは、ボルスタと梃子とを接続する。２つ目のリンクは、前側の輪軸の軸箱と梃子とを接続する。３つ目のリンクは、後側の輪軸の軸箱と梃子とを接続する。
【0004】
操舵台車を備えた鉄道車両が曲線路を通過する際、車体と一体化されたボルスタの回転により、１つ目のリンクを介して、梃子が回転する。梃子の回転により、２つ目のリンクと３つ目のリンクとが相互に逆向きで前後方向に移動する。２つ目のリンクの前後方向移動によって前側の輪軸の操舵角が操作され、３つ目のリンクの前後方向移動によって後側の輪軸の操舵角が操作される。特許文献１に記載の操舵台車では、前側の輪軸の操舵角が後側の輪軸の操舵角よりも大きくなるように、輪軸の操舵角が操作される。鉄道車両が曲線路を通過した直後において、輪軸の操舵角が軌道に対して過剰に大きくなる状態（過操舵状態）が抑制され、横圧が低減される、と特許文献１には記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】国際公開ＷＯ２０１３／０６１６４１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献１に記載の操舵台車では、１つ目のリンクとボルスタとの接続部は、断面が円形の軸と、その軸が挿入された穴と、から構成される。そのリンクとボルスタのうちの一方にその軸が設けられ、他方にその穴が設けられる。その軸とその穴とは、相互にその軸回りの回転のみ許容される。つまり、その軸とその穴との間に隙間はない。そのため、そのリンクとボルスタとの接続部は、前後方向の剛性が剛である。これと同様に、１つ目のリンクと梃子との接続部、２つ目のリンクと軸箱との接続部、２つ目のリンクと梃子との接続部、３つ目のリンクと軸箱との接続部、及び３つ目のリンクと梃子との接続部はいずれも、前後方向の剛性が剛である。
【0007】
上記の操舵装置では、全ての接続部の前後方向の剛性が剛であるため、各リンクと梃子との間で力の伝達が直になされる。そのため、操舵の応答性が高いと言える。しかしながら、実際には、軌道が出口緩和曲線区間から出口直線区間に移行する曲線路の出口において、内軌側で、横圧が過大に急上昇することがわかった。
【0008】
本発明は上記の実情に鑑みてなされたものである。本発明の一つの目的は、曲線路の出口の内軌側で横圧の過大な急上昇を抑制できる、操舵が可能な鉄道車両用台車及び鉄道車両を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の実施形態による鉄道車両用台車は、台車枠と、ボルスタと、台車枠に設けられた前側の輪軸及び後側の輪軸と、前側の輪軸及び後側の輪軸それぞれの左側及び右側にそれぞれ設けられた軸箱と、台車枠の左の側部及び右の側部にそれぞれ設けられた操舵装置と、を備える。各操舵装置は、前側の輪軸及び後側の輪軸を操舵する。各操舵装置は、台車枠に支持された梃子と、ボルスタと梃子とを接続する第１のリンクと、前側の軸箱と梃子とを接続する第２のリンクと、後側の軸箱と梃子とを接続する第３のリンクと、を含む。第１のリンクは、第１のリンクとボルスタとの接続部、及び第１のリンクと梃子との接続部を有する。第２のリンクは、第２のリンクと前側の軸箱との接続部、及び第２のリンクと梃子との接続部を有する。第３のリンクは、第３のリンクと後側の軸箱との接続部、及び第３のリンクと梃子との接続部を有する。第２のリンクと軸箱との接続部、及び第２のリンクと梃子との接続部のうち、少なくとも１つの接続部は弾性部材を有する。前側の輪軸のヨーイング剛性が１．１６×１０5［Ｎｍ／ｒａｄ］以上３．００×１０6［Ｎｍ／ｒａｄ］以下である。
【0010】
本発明の実施形態による鉄道車両は、上記の台車と、車体と、を備える。
【0011】
また、本発明の実施形態による鉄道車両は、車体と、台車と、を備える。台車は、台車枠と、台車枠に設けられた前側の輪軸及び後側の輪軸と、前側の輪軸及び後側の輪軸それぞれの左側及び右側にそれぞれ設けられた軸箱と、台車枠の左の側部及び右の側部にそれぞれ設けられた操舵装置と、を備える。各操舵装置は、前側の輪軸及び後側の輪軸を操舵する。各操舵装置は、台車枠に支持された梃子と、車体と梃子とを接続する第１のリンクと、前側の軸箱と梃子とを接続する第２のリンクと、後側の軸箱と梃子とを接続する第３のリンクと、を含む。第１のリンクは、第１のリンクと車体との接続部、及び第１のリンクと梃子との接続部を有する。第２のリンクは、第２のリンクと前側の軸箱との接続部、及び第２のリンクと梃子との接続部を有する。第３のリンクは、第３のリンクと後側の軸箱との接続部、及び第３のリンクと梃子との接続部を有する。第２のリンクと軸箱との接続部、及び第２のリンクと梃子との接続部のうち、少なくとも１つの接続部は、弾性部材を有する。前側の輪軸のヨーイング剛性が１．１６×１０5［Ｎｍ／ｒａｄ］以上３．００×１０6［Ｎｍ／ｒａｄ］以下である。
【発明の効果】
【0012】
本発明の鉄道車両用台車及び鉄道車両は、操舵が可能であり、曲線路の出口の内軌側で横圧の過大な急上昇を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【発明を実施するための形態】
【0014】
上記の課題を解決するため、本発明者らは、５つの区間（入口直線区間、入口緩和曲線区間、定常曲線区間、出口緩和曲線区間及び出口直線区間）からなる曲線路を鉄道車両が走行することを想定した数値解析を行い、鋭意検討を重ねた。その結果、下記の知見を得た。なお、本明細書において、前後方向とは、鉄道車両が走行する方向を意味する。つまり、前とは、鉄道車両の走行状態における前を意味し、後ろとは、鉄道車両の走行状態における後ろを意味する。
【0015】
軌道が出口緩和曲線区間から出口直線区間に移行する曲線路の出口では、レールから車輪に作用する力によって、輪軸自身が元の姿勢（操舵角が０（ゼロ））に自然と戻ろうとする。このように輪軸自身がレールに沿って自然に移動する現象は、輪軸の自己操舵と称される。
【0016】
ここで、上記のとおり、特許文献１に記載の台車における操舵装置では、全ての接続部の前後方向の剛性が剛である。つまり、前側の輪軸及び後側の輪軸それぞれのヨーイング剛性が極めて大きい。そのため、輪軸が元の姿勢に戻ろうとしても、車体と一体化されたボルスタから梃子及びリンクを介して輪軸（軸箱）に抵抗力が与えられ、輪軸の移動が拘束される。つまり、操舵装置がかえって輪軸の自己操舵を阻害する。この場合、特に、先行する前側の輪軸が元の姿勢に戻らずに、通過した曲線路の内軌側を向いたままの状態となる。その結果、前側の輪軸の車輪が内軌レールと接触し、内軌側の横圧が過大に急上昇する。
【0017】
以上のことから、曲線路の出口で横圧の過大な急上昇を抑制するには、前側の輪軸の自己操舵が有効に発現すればよい、と言える。したがって、曲線路の出口で前側の輪軸の適度なヨーイングを許容できればよい。具体的には、操舵装置における接続部のうち、前側の輪軸のヨーイングに直接関与する接続部において、前後方向の剛性が剛ではなくて柔であればよい。台車枠の左右の側部にそれぞれ設けられた各操舵装置において、前側の輪軸のヨーイングに直接関与する接続部は、車体又は車体と一体のボルスタと、梃子と、を接続するリンクにおける２つの接続部、及び前側の軸箱（輪軸）と、梃子と、を接続するリンクにおける２つの接続部である。これらの４つの接続部のうち、前側の軸箱と梃子とを接続するリンクにおける２つの接続部の少なくとも１つの接続部において、前後方向の剛性が柔であればよい。剛性が柔の接続部は弾性部材によって実現できる。これにより、前側の輪軸のヨーイング剛性が、小さくもなくて大きくもない、適度な大きさになる。
【0018】
本発明は上記の知見に基づいて完成されたものである。
【0019】
本発明の実施形態による鉄道車両用台車は、台車枠と、ボルスタと、前側の輪軸と、後側の輪軸と、４つの軸箱と、２つの操舵装置と、を備える。前側の輪軸及び後側の輪軸は台車枠に設けられる。軸箱は、前側の輪軸及び後側の輪軸それぞれの左側及び右側にそれぞれ設けられる。操舵装置は、台車枠の左の側部及び右の側部にそれぞれ設けられる。各操舵装置は、前側の輪軸及び後側の輪軸を操舵する。
【0020】
各操舵装置は、梃子と、第１のリンクと、第２のリンクと、第３のリンクと、を含む。梃子は、台車枠に支持される。第１のリンクは、ボルスタと梃子とを接続する。第１のリンクは、第１のリンクとボルスタとの接続部、及び第１のリンクと梃子との接続部を有する。第２のリンクは、前側の軸箱と梃子とを接続する。第２のリンクは、第２のリンクと前側の軸箱との接続部、及び第２のリンクと梃子との接続部を有する。第３のリンクは、後側の軸箱と梃子とを接続する。第３のリンクは、第３のリンクと後側の軸箱との接続部、及び第３のリンクと梃子との接続部を有する。第２のリンクと軸箱との接続部、及び第２のリンクと梃子との接続部のうち、少なくとも１つの接続部は、弾性部材を有する。そして、前側の輪軸のヨーイング剛性が１．１６×１０5［Ｎｍ／ｒａｄ］以上３．００×１０6［Ｎｍ／ｒａｄ］以下である。
【0021】
典型的な例では、ボルスタは台車枠の上に支持される。軸箱は、台車枠に弾性的に支持される。例えば、軸箱は、輪軸における車輪の外側に配置される。この場合、軸箱は、輪軸の端部に設けられる。また、軸箱は、輪軸における車輪の内側に配置されてもよい。この場合、軸箱は、輪軸の端部よりも輪軸の長手方向中央寄りの位置に配置される。
【0022】
本発明の実施形態による鉄道車両は、上記の台車と、車体と、を備える。
【0023】
典型的な例では、左右に一対の空気ばねがボルスタ上に配置されて車体を支持する。
【0024】
また、本発明の実施形態による鉄道車両は、車体と、台車と、を備える。台車は、台車枠と、前側の輪軸と、後側の輪軸と、４つの軸箱と、２つの操舵装置と、を備える。軸箱は、前側の輪軸及び後側の輪軸それぞれの左側及び右側にそれぞれ設けられる。操舵装置は、台車枠の左の側部及び右の側部にそれぞれ設けられる。各操舵装置は、前側の輪軸及び後側の輪軸を操舵する。
【0025】
各操舵装置は、梃子と、第１のリンクと、第２のリンクと、第３のリンクと、を含む。梃子は、台車枠に支持される。第１のリンクは、車体と梃子とを接続する。第１のリンクは、第１のリンクと車体との接続部、及び第１のリンクと梃子との接続部を有する。第２のリンクは、前側の軸箱と梃子とを接続する。第２のリンクは、第２のリンクと前側の軸箱との接続部、及び第２のリンクと梃子との接続部を有する。第３のリンクは、後側の軸箱と梃子とを接続する。第３のリンクは、第３のリンクと後側の軸箱との接続部、及び第３のリンクと梃子との接続部を有する。第２のリンクと軸箱との接続部、及び第２のリンクと梃子との接続部のうち、少なくとも１つの接続部は、弾性部材を有する。そして、前側の輪軸のヨーイング剛性が１．１６×１０5［Ｎｍ／ｒａｄ］以上３．００×１０6［Ｎｍ／ｒａｄ］以下である。
【0026】
典型的な例では、軸箱は、台車枠に弾性的に支持される。左右に一対の空気ばねが台車枠上に配置されて車体を支持する。例えば、軸箱は、輪軸における車輪の外側に配置される。この場合、軸箱は、輪軸の端部に設けられる。また、軸箱は、輪軸における車輪の内側に配置されてもよい。この場合、軸箱は、輪軸の端部よりも輪軸の長手方向中央寄りの位置に配置される。
【0027】
本実施形態の台車及びその台車を備えた車両によれば、ボルスタを有するボルスタ付きの操舵台車の場合、各操舵装置において、第２のリンクと軸箱との接続部、及び第２のリンクと梃子との接続部のうちの、少なくとも１つが弾性部材を有する。これにより、前側の輪軸のヨーイング剛性が適度な大きさになる。車両が曲線路の出口に至ったとき、ボルスタから梃子及びリンク（第１及び第２のリンク）を介して輪軸（軸箱）に抵抗力が与えられたとしても、弾性部材の圧縮変形によって、前側の輪軸の適度なヨーイングが許容される。これにより、前側の輪軸はスムーズに自己操舵して元の姿勢に戻る。その結果、内軌側で横圧の過大な急上昇を抑制できる。
【0028】
ボルスタを有さないボルスタレスの操舵台車の場合、各操舵装置において、第２のリンクと軸箱との接続部、及び第２のリンクと梃子との接続部のうちの、少なくとも１つが弾性部材を有する。これにより、前側の輪軸のヨーイング剛性が適度な大きさになる。車両が曲線路の出口に至ったとき、車体から梃子及びリンク（第１及び第２のリンク）を介して輪軸（軸箱）に抵抗力が与えられたとしても、弾性部材の圧縮変形によって、前側の輪軸の適度なヨーイングが許容される。これにより、前側の輪軸はスムーズに自己操舵して元の姿勢に戻る。その結果、内軌側で横圧の過大な急上昇を抑制できる。
【0029】
上記の台車及び車両において、前側の輪軸のヨーイング剛性が１．１６×１０5［Ｎｍ／ｒａｄ］以上３．００×１０6［Ｎｍ／ｒａｄ］以下である。ヨーイング剛性Ｒｙは下記の式（１）で表わされる。
Ｒｙ＝２×Ａ×Ｂ2 （１）
Ｒｙ＝２×Ａ×Ｂ2 （１）
【0030】
式（１）中のＡは、操舵装置の剛性を意味する。具体的には、操舵装置の剛性Ａは、梃子、第１のリンク、第２のリンク、及び第３のリンクの各剛性、ならびに上記全ての接続部（弾性部材が存在する場合は弾性部材を含む）の剛性の総和である。弾性部材の剛性は、弾性部材のばね定数である。
【0031】
また、式（１）中のＢは、腕の長さを意味する。具体的には、腕の長さＢは、台車（車両）の幅方向（左右方向）において、前側の輪軸の長手方向中心から、操舵装置が配置された位置までの距離である。
【0032】
前側の輪軸のヨーイング剛性Ｒｙが１．１６×１０5［Ｎｍ／ｒａｄ］以上であれば、曲線路の出口直線区間内で前側の輪軸の左右方向の変位が０（ゼロ）になる。つまり、前側の輪軸が曲線路通過前の元の姿勢に戻る。もっとも、前側の輪軸のヨーイング剛性が１．１６×１０5以上であれば、操舵装置による本来の操舵機能を十分に発揮することができ、しかも走行中に輪軸の位置が安定する。
【0033】
一方、前側の輪軸のヨーイング剛性Ｒｙが３．００×１０6以下であれば、曲線路の出口直線区間内で内軌側の横圧を十分に抑制できる。ヨーイング剛性Ｒｙがあまりに大きければ、特許文献１に記載の台車の場合と同じ傾向になるからである。
【0034】
各操舵装置において、弾性部材は、上記２つの接続部のうちの一方に設けられてもよいし、両方に設けられてもよい。前側の輪軸のヨーイング剛性Ｒｙが上記の範囲内である限り、弾性部材が設けられる接続部は任意であり、弾性部材のばね定数も任意である。ただし、前側の輪軸のヨーイング剛性Ｒｙを確実に上記の範囲内に設定するためには、弾性部材は、上記２つの接続部の両方に設けられることが好ましい。
【0035】
上記のボルスタ付きの操舵台車の場合、第１のリンクとボルスタとの接続部、及び第１のリンクと梃子との接続部のうち、少なくとも１つの接続部が弾性部材を有してもよい。また、上記のボルスタレスの操舵台車の場合、第１のリンクと車体との接続部、及び第１のリンクと梃子との接続部のうち、少なくとも１つの接続部が弾性部材を有してもよい。これらの接続部も前側の輪軸のヨーイングに直接関与するからである。
【0036】
弾性部材は、後側の軸箱（輪軸）と梃子とを接続する第３のリンクにおける２つの接続部のうちの一方又は両方に設けられても構わない。つまり、第３のリンクと軸箱との接続部、及び第３のリンクと梃子との接続部のうちの、少なくとも１つが弾性部材を有しても構わない。典型的な例では、上記全ての接続部が弾性部材を有する。この場合、後側の輪軸のヨーイング剛性も１．１６×１０5［Ｎｍ／ｒａｄ］以上３．００×１０6［Ｎｍ／ｒａｄ］以下にすれば、車両の走行する向きが変わったとしても、すなわち台車の前後方向が逆向きになったとしても、確実に横圧の過大な急上昇を抑制できる。
【0037】
典型的な例では、接続部は、断面が円形の軸と、その軸が挿入された穴と、を含む。弾性部材を有する接続部は、その軸とその穴との隙間に弾性部材としてゴムブッシュを備える。例えば、第２のリンクと梃子との接続部がゴムブッシュ（弾性部材）を有する場合、第２のリンクと梃子のうちの一方にその軸が設けられ、他方にその穴が設けられる。さらに、その軸とその穴の隙間にゴムブッシュが設けられる。この接続部では、その軸とその穴とは、相互にその軸回りの回転を許容され、且つゴムブッシュの圧縮変形域の分だけ前後移動を許容される。このような状況は、第２のリンクと軸箱との接続部がゴムブッシュを有する場合でも同様である。またこのような状況は、第３のリンクと軸箱との接続部がゴムブッシュを有する場合、及び第３のリンクと梃子との接続部がゴムブッシュを有する場合でも同様である。さらにこのような状況は、第１のリンクと梃子との接続部がゴムブッシュを有する場合でも同様である。ボルスタ付き台車では、第１のリンクとボルスタとの接続部がゴムブッシュを有する場合でも同様であり、ボルスタレス台車では、第１のリンクと車体との接続部がゴムブッシュを有する場合でも同様である。
【0038】
弾性部材（ゴムブッシュ）を有さない接続部では、その軸とその穴とは、相互にその軸回りの回転のみ許容される。つまり、その軸とその穴との間に隙間はなく、その接続部の前後方向の剛性は剛である。
【0039】
以下に、本発明の鉄道車両用台車及び鉄道車両について、その実施形態を詳述する。
【0040】
図１は、本発明の実施形態による台車を備えた鉄道車両の一例を模式的に示す上面図である。図２は、図１に示される鉄道車両の右側面図である。図３は、図１に示される鉄道車両の左側面図である。なお、図１～図３には、車両の進行方向が矢印Ｆｗで示され、左右方向が矢印Ｌ及びＲで示される。車体の図示は省略される。
【0041】
図１～図３を参照して、本実施形態の台車１は、ボルスタ７を有するボルスタ付きの操舵台車である。ボルスタ７の上に、左右に一対の空気ばね８Ａ、８Ｂが配置される。空気ばね８Ａ、８Ｂは、図示しない車体を支持する。これにより、車体はボルスタ７と一体化される。車両は、車体の前後に台車１を１台ずつ備える。
【0042】
台車１は、台車枠２と、ボルスタ７と、２つの輪軸３Ａ、３Ｂと、４つの軸箱５Ａ～５Ｄと、２つの操舵装置１０Ａ、１０Ｂと、を備える。台車枠２は、２つの側ばり２ａＡ、２ａＢと、これらの側ばり２ａＡ、２ａＢを結合する横ばり２ｂを備える。ボルスタ７は、台車枠２の上に支持される。具体的には、横ばり２ｂの左右方向の中心部に心皿受け（図示省略）が設けられ、左右の側ばり２ａＡ、２ａＢそれぞれの前後方向の中心部に側受け２ｃＡ、２ｃＢが設けられる。ボルスタ７は、自身の左右方向の中心部を横ばり２ｂの心皿受けによって支持される。また、ボルスタ７は、自身の左右の端部を左右の側ばり２ａＡ、２ａＢの側受け２ｃＡ、２ｃＢによって支持される。これにより、ボルスタ７は、台車枠２に対し、心皿受けを中心にして水平面内で回転可能である。
【0043】
台車枠２の前後にそれぞれ、輪軸３Ａ、３Ｂが配置される。前側の輪軸３Ａは、左右に車輪４Ａ、４Ｂを備える。後側の輪軸３Ｂは、左右に車輪４Ｃ、４Ｄを備える。前側の輪軸３Ａの左右の端部には、それぞれ軸箱５Ａ、５Ｂが取り付けられる。後側の輪軸３Ｂの左右の端部には、それぞれ軸箱５Ｃ、５Ｄが取り付けられる。右前の軸箱５Ａは、右側の側ばり２ａＡに対し、軸箱支持装置６Ａによって弾性的に支持される。右後の軸箱５Ｃは、右側の側ばり２ａＡに対し、軸箱支持装置６Ｃによって弾性的に支持される。左前の軸箱５Ｂは、左側の側ばり２ａＢに対し、軸箱支持装置６Ｂによって弾性的に支持される。左後の軸箱５Ｄは、左側の側ばり２ａＢに対し、軸箱支持装置６Ｄによって弾性的に支持される。軸箱支持装置６Ａ～６Ｄは、コイルスプリング、積層ゴム、板ばね、ゴムブッシュ等のばね要素を含む。
【0044】
左右の側ばり２ａＡ、２ａＢそれぞれの側部に操舵装置１０Ａ、１０Ｂが設けられる。右側の操舵装置１０Ａは、梃子１１Ａと、第１のリンク１２Ａと、第２のリンク１３Ａと、第３のリンク１４Ａと、を含む。梃子１１Ａは、右側の側ばり２ａＡに支持される。具体的には、側ばり２ａＡの外側面に軸１１ａＡが設けられる。梃子１１Ａの長手方向のほぼ中心に穴１１ｂＡが形成される。その穴１１ｂＡに側ばり２ａＡの軸１１ａＡが挿入される。これにより、梃子１１Ａは、軸１１ａＡを支点にして鉛直面内で回転可能である。
【0045】
第１のリンク１２Ａは、ほぼ前後方向に延び出しており、ボルスタ７と梃子１１Ａとを接続する。具体的には、ボルスタ７の外側面に軸１５ａＡが設けられる。第１のリンク１２Ａの前端部に穴１５ｂＡが形成される。その穴１５ｂＡにボルスタ７の軸１５ａＡが挿入される。このような第１のリンク１２Ａとボルスタ７との接続部１５Ａでは、その軸１５ａＡとその穴１５ｂＡとは、相互にその軸１５ａＡ回りの回転のみを許容される。つまり、その軸１５ａＡとその穴１５ｂＡとの間に隙間はない。
【0046】
また、梃子１１Ａの上端部に軸１６ａＡが設けられる。第１のリンク１２Ａの後端部に穴１６ｂＡが形成される。その穴１６ｂＡに梃子１１Ａの軸１６ａＡが挿入される。このような第１のリンク１２Ａと梃子１１Ａとの接続部１６Ａでは、その軸１６ａＡとその穴１６ｂＡとは、相互にその軸１６ａＡ回りの回転のみを許容される。つまり、その軸１６ａＡとその穴１６ｂＡとの間に隙間はない。
【0047】
第２のリンク１３Ａは、ほぼ前後方向に延び出しており、右前の軸箱５Ａと梃子１１Ａとを接続する。具体的には、軸箱５Ａの外側面に軸１７ａＡが設けられる。第２のリンク１３Ａの前端部に穴１７ｂＡが形成される。その穴１７ｂＡに軸箱５Ａの軸１７ａＡが挿入される。このような第２のリンク１３Ａと軸箱５Ａとの接続部１７Ａでは、その軸１７ａＡとその穴１７ｂＡとは、相互にその軸１７ａＡ回りの回転のみを許容される。つまり、その軸１７ａＡとその穴１７ｂＡとの間に隙間はない。
【0048】
また、梃子１１Ａの下端部に軸１８ａＡが設けられる。第２のリンク１３Ａの後端部に穴１８ｂＡが形成される。その穴１８ｂＡに円筒状のゴムブッシュ２１Ａが挿入される。そのゴムブッシュ２１Ａに梃子１１Ａの軸１８ａＡが挿入される。これにより、その軸１８ａＡとその穴１８ｂＡの隙間にゴムブッシュ２１Ａが設けられる。このような第２のリンク１３Ａと梃子１１Ａとの接続部１８Ａでは、その軸１８ａＡとその穴１８ｂＡとは、相互にその軸１８ａＡ回りの回転を許容され、且つゴムブッシュ２１Ａの圧縮変形域の分だけ前後移動を許容される。
【0049】
第３のリンク１４Ａは、ほぼ前後方向に延び出しており、右後の軸箱５Ｃと梃子１１Ａとを接続する。具体的には、軸箱５Ｃの外側面に軸１９ａＡが設けられる。第３のリンク１４Ａの後端部に穴１９ｂＡが形成される。その穴１９ｂＡに軸箱５Ｃの軸１９ａＡが挿入される。このような第３のリンク１４Ａと軸箱５Ｃとの接続部１９Ａでは、その軸１９ａＡとその穴１９ｂＡとは、相互にその軸１９ａＡ回りの回転のみを許容される。つまり、その軸１９ａＡとその穴１９ｂＡとの間に隙間はない。
【0050】
また、梃子１１Ａには、その上端部と支点（軸１１ａＡ）との間に軸２０ａＡが設けられる。第３のリンク１４Ａの前端部に穴２０ｂＡが形成される。その穴２０ｂＡに梃子１１Ａの軸２０ａＡが挿入される。このような第３のリンク１４Ａと梃子１１Ａとの接続部２０Ａでは、その軸２０ａＡとその穴２０ｂＡとは、相互にその軸２０ａＡ回りの回転のみを許容される。つまり、その軸２０ａＡとその穴２０ｂＡとの間に隙間はない。
【0051】
左側の操舵装置１０Ｂは、右側の操舵装置１０Ａと同様に、梃子１１Ｂと、第１のリンク１２Ｂと、第２のリンク１３Ｂと、第３のリンク１４Ｂと、を含む。左側の操舵装置１０Ｂは右側の操舵装置１０Ａと左右対称であるため、左側の操舵装置１０Ｂに関する具体的な構成の説明は省略する。
【0052】
このような操舵台車１を備えた鉄道車両が曲線路を通過する際、台車枠２に対するボルスタ７の回転、すなわち車体の回転により、第１のリンク１２Ａ、１２Ｂに前後方向の力が加わる。右側の第１のリンク１２Ａに加わる力の方向と、左側の第１のリンク１２Ｂに加わる力の方向とは、相互に逆向きである。これにより、梃子１１Ａ、１１Ｂが回転する。
【0053】
梃子１１Ａ、１１Ｂの回転により、第２のリンク１３Ａ、１３Ｂと第３のリンク１４Ａ、１４Ｂとが相互に逆向きで前後方向に移動する。第２のリンク１３Ａ、１３Ｂの前後方向移動によって前側の輪軸３Ａの操舵角が操作され、第３のリンク１４Ａ、１４Ｂの前後方向移動によって後側の輪軸３Ｂの操舵角が操作される。
【0054】
鉄道車両が曲線路の出口に至ったとき、先行する前側の輪軸３Ａは自己操舵により元の姿勢に戻ろうとする。この場合、第２のリンク１３Ａ、１３Ｂが前後方向に移動する。これにより、梃子１１Ａ、１１Ｂが回転し、第１のリンク１２Ａ、１２Ｂが前後方向に移動する。その際、ボルスタ７から抵抗力が与えられたとしても、ゴムブッシュ２１Ａ、２１Ｂ（弾性部材）の圧縮変形によって、第２のリンク１３Ａ、１３Ｂの前後方向の移動が許容される。つまり、前側の輪軸３Ａのヨーイングが許容される。これにより、前側の輪軸３Ａはスムーズに自己操舵して元の姿勢に戻る。その結果、横圧の過大な急上昇を抑制できる。
【実施例】
【0055】
本発明による効果を確認するため、数値シミュレーション解析を実施した。具体的には、１台の車体と２台の操舵台車を備えた車両のモデルを種々作製し、このモデルを用いて曲線路の走行状況を数値解析により模擬した。曲線路として、５つの区間（Ａ：入口直線区間、Ｂ：入口緩和曲線区間、Ｃ：定常曲線区間、Ｄ：出口緩和曲線区間、及びＥ：出口直線区間）からなる曲線路を採用した。定常曲線区間Ｃの曲率半径は２００ｍ（曲率：０．００５）とした。各モデルにおいて、前側の輪軸のヨーイング剛性を変更した。各モデルの変更した条件は下記表１のとおりである。
【0056】
【表1】
【0057】
比較例１のモデルは、特許文献１に記載の台車を用いたモデルであった。つまり、このモデルでは、操舵装置における全ての接続部がゴムブッシュ（弾性部材）を有さずに、ヨーイング剛性が極めて大きかった。
【0058】
これに対し、本発明例１～３のモデルは、図１～図３に示されるボルスタ付き台車を用いたモデルであった。つまり、これらのモデルでは、第２のリンクと梃子との接続部がゴムブッシュ（弾性部材）を有した。この接続部以外の接続部はゴムブッシュを有さなかった。本発明例１～３のモデルは、上記したヨーイング剛性の範囲を満たした。つまり、これらのモデルでは、ゴムブッシュの剛性が適度に剛であった。これらのうちで本発明例３のモデルのヨーイング剛性が最も低かった。
【0059】
比較例２～３のモデルは、上記したヨーイング剛性の範囲を満たさなかった。具体的には、比較例２のモデルのヨーイング剛性は、上記したヨーイング剛性の範囲を上回った。比較例３のモデルのヨーイング剛性は、上記したヨーイング剛性の範囲を下回った。
【0060】
各モデルについて、横圧の変動を評価するため、前側の輪軸の内軌側の車輪に作用する横圧を調査した。
【0061】
図４～図８は、曲線路での内軌側横圧の変動を示す図である。これらの図のうち、図４は本発明例１及び比較例１の結果を示す。図５は本発明例２及び比較例１の結果を示す。図６は本発明例３及び比較例１の結果を示す。図７は比較例２及び比較例１の結果を示す。図８は比較例３及び比較例１の結果を示す。
【0062】
図４を参照して、本発明例１では、出口緩和曲線区間Ｄにおける横圧の最大値が定常曲線区間Ｃにおける横圧の最大値を下回った。つまり、本発明例１では、比較例１と比較して、出口緩和曲線区間Ｄにおける横圧の過大な急上昇が抑制された。ただし、横圧の僅かな急上昇が認められた。これは、ヨーイング剛性がやや大きかったことによる。
【0063】
図５を参照して、本発明例２では、比較例１と比較して、出口緩和曲線区間Ｄにおける横圧の急上昇が一切認められなかった。しかも、出口直線区間Ｅ内で横圧が早期になくなった。
【0064】
図６を参照して、本発明例３では、比較例１と比較して、出口緩和曲線区間Ｄにおける横圧の過大な急上昇が抑制された。ただし、出口直線区間Ｅ内での横圧の消滅が本発明例２よりも遅れた。これは、ヨーイング剛性がやや小さかったことによる。
【0065】
図７を参照して、比較例２では、比較例１と同様に、出口緩和曲線区間Ｄにおける横圧の最大値が定常曲線区間Ｃにおける横圧の最大値を超えた。つまり、比較例２では、比較例１と同様に、横圧の著しい急上昇が認められた。
【0066】
図８を参照して、比較例３では、比較例１と比較して、出口緩和曲線区間Ｄにおける横圧の過大な急上昇が抑制された。ただし、出口直線区間Ｅ内で低い横圧が残ったままとなった。この現象は、輪軸の左右方向の変位が軌道中心に戻らなかった表れである。
【0067】
図９及び図１０は、実施例の結果をまとめた図である。図９には、ヨーイング剛性と横圧減少率との相関が示される。図１０には、ヨーイング剛性と出口直線区間における輪軸の左右変位との相関が示される。これらの図において、白抜きのプロットは本発明例を示し、塗り潰しのプロットは比較例を示す。なお、これらの図には、上記の本発明例１～３及び比較例１～３それぞれのモデルのみならず、さらにヨーイング剛性を変化させたモデルの結果も示される。
【0068】
図９に示される横圧減少率Ｄ（単位：％）は下記の式（２）で表わされる。
Ｄ＝（１－（Ｐ÷ＰＢ））×１００ （２）
Ｄ＝（１－（Ｐ÷ＰＢ））×１００ （２）
【0069】
式（２）中のＰは、各モデルにおいて、出口直線区間Ｅにおける横圧の最大値を意味する。式（２）中のＰＢは、比較例１のモデルにおいて、出口直線区間Ｅにおける横圧の最大値を意味する。つまり、式（２）で表わされる横圧減少率Ｄは、比較例１のモデルに対して、各モデルの横圧が減少した度合いを示す。比較例１の横圧減少率Ｄは０％であり、横圧減少率Ｄが大きいほど、比較例１に対して横圧が小さくなる。
【0070】
図９を参照して、ヨーイング剛性が３．００×１０6［Ｎｍ／ｒａｄ］以下であれば、横圧減少率Ｄが１６．５％以上となる。したがって、ヨーイング剛性が３．００×１０6［Ｎｍ／ｒａｄ］以下であれば、曲線路の出口直線区間Ｅ内で内軌側の横圧を十分に抑制できる、と言える。
【0071】
図１０を参照して、ヨーイング剛性が１．１６×１０5［Ｎｍ／ｒａｄ］以上であれば、曲線路の出口直線区間Ｅ内で前側の輪軸の左右方向の変位が０（ゼロ）ｍｍになる。したがって、ヨーイング剛性が１．１６×１０5［Ｎｍ／ｒａｄ］以上であれば、前側の輪軸が曲線路通過前の元の姿勢に戻る、と言える。
【0072】
以上の結果から、本実施形態の台車及び車両は、曲線路の出口の内軌側で横圧の過大な急上昇を抑制できることが明らかになった。
【0073】
その他、本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能であることは言うまでもない。
【0074】
例えば、上記の図１～図３に示す実施形態では、ボルスタ付き台車を備えた車両に操舵装置を適用した例が示されるが、ボルスタレス台車を備えた車両に操舵装置を適用することも可能である。具体的には、ボルスタレス台車を備えた車両の場合、台車枠の上に配置された左右に一対の空気ばねが車体を支持する。車体は、台車枠に対し、中心ピンを中心にして水平面内で回転可能である。この車両に適用される操舵装置は、第１のリンクの接続対象が異なる以外は、上記の図１～図３に示すものと同じである。つまり、第１のリンクは車体に接続される。このようなボルスタレス台車を備えた車両であっても、上記と同様の効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【0075】
本発明は、あらゆる鉄道車両に利用することができ、特に、曲線路の多い地下鉄等の鉄道車両に有効に利用できる。
【符号の説明】
【0076】
１ 台車
２ 台車枠
２ａＡ、２ａＢ 側ばり
２ｂ 横ばり
２ｃＡ、２ｃＢ 側受け
３Ａ、３Ｂ 輪軸
４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ 車輪
５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ 軸箱
６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ 軸箱支持装置
７ ボルスタ
８Ａ、８Ｂ 空気ばね
１０Ａ、１０Ｂ 操舵装置
１１Ａ、１１Ｂ 梃子
１１ａＡ、１１ａＢ 軸
１１ｂＡ、１１ｂＢ 穴
１２Ａ、１２Ｂ 第１のリンク
１３Ａ、１３Ｂ 第２のリンク
１４Ａ、１４Ｂ 第３のリンク
１５Ａ、１５Ｂ 接続部
１５ａＡ、１５ａＢ 軸
１５ｂＡ、１５ｂＢ 穴
１６Ａ、１６Ｂ 接続部
１６ａＡ、１６ａＢ 軸
１６ｂＡ、１６ｂＢ 穴
１７Ａ、１７Ｂ 接続部
１７ａＡ、１７ａＢ 軸
１７ｂＡ、１７ｂＢ 穴
１８Ａ、１８Ｂ 接続部
１８ａＡ、１８ａＢ 軸
１８ｂＡ、１８ｂＢ 穴
１９Ａ、１９Ｂ 接続部
１９ａＡ、１９ａＢ 軸
１９ｂＡ、１９ｂＢ 穴
２０Ａ、２０Ｂ 接続部
２０ａＡ、２０ａＢ 軸
２０ｂＡ、２０ｂＢ 穴
２１Ａ、２１Ｂ ゴムブッシュ（弾性部材）
２ 台車枠
２ａＡ、２ａＢ 側ばり
２ｂ 横ばり
２ｃＡ、２ｃＢ 側受け
３Ａ、３Ｂ 輪軸
４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ 車輪
５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ 軸箱
６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ 軸箱支持装置
７ ボルスタ
８Ａ、８Ｂ 空気ばね
１０Ａ、１０Ｂ 操舵装置
１１Ａ、１１Ｂ 梃子
１１ａＡ、１１ａＢ 軸
１１ｂＡ、１１ｂＢ 穴
１２Ａ、１２Ｂ 第１のリンク
１３Ａ、１３Ｂ 第２のリンク
１４Ａ、１４Ｂ 第３のリンク
１５Ａ、１５Ｂ 接続部
１５ａＡ、１５ａＢ 軸
１５ｂＡ、１５ｂＢ 穴
１６Ａ、１６Ｂ 接続部
１６ａＡ、１６ａＢ 軸
１６ｂＡ、１６ｂＢ 穴
１７Ａ、１７Ｂ 接続部
１７ａＡ、１７ａＢ 軸
１７ｂＡ、１７ｂＢ 穴
１８Ａ、１８Ｂ 接続部
１８ａＡ、１８ａＢ 軸
１８ｂＡ、１８ｂＢ 穴
１９Ａ、１９Ｂ 接続部
１９ａＡ、１９ａＢ 軸
１９ｂＡ、１９ｂＢ 穴
２０Ａ、２０Ｂ 接続部
２０ａＡ、２０ａＢ 軸
２０ｂＡ、２０ｂＢ 穴
２１Ａ、２１Ｂ ゴムブッシュ（弾性部材）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】