JP2014091360A - 鉄道用車両 - Google Patents

Abstract

【課題】走行時の車輪の空転を抑えながら車両側の車輪、軸受や軌道側のレールの磨耗も抑えることができる鉄道用車両を提供すること。
【解決手段】車両本体と、車両本体の前端側を支持する前車輪構造４と、車両本体の後端側を支持する後車輪構造６とを具備した鉄道用車両。前車輪構造４及び後車輪構造６は、駆動源によって回転駆動される駆動軸と、この駆動軸に対して前後方向に間隔を置いて配置された前軸及び後軸とを備え、駆動軸に一対の駆動輪３８が装備され、前軸に一対の前従動輪５８が回転自在に装着され、後軸に一対の後従動輪７２が回転自在に装着され、一対の駆動輪３８の車輪径は、一対の前従動輪５８及び一対の後従動輪７２の車輪径よりも大きい。
【選択図】図２

Description

本発明は、レール上を走行する鉄道用車両に関する。

鉄輪式鉄道では軌道にレールが敷かれており、このレール上を車輪が転がって鉄道用車両が走行する。一般に、レールは鋼鉄から形成され、このレール上を鋼鉄製車輪が転がることで、転がり抵抗を少なくして走行することができるが、軌道側のレール及び車両側の車輪が共に鉄輪製のために滑りやすいという欠点もある。

一方、鉄道の高速化が進むと空気抵抗が増大するため、より大きな加速力が必要となる。この要求を満たすためには、駆動用モータの出力を上げればよいが、駆動用モータの出力を大きくすると、駆動用モータからの回転力が車両側の車輪と軌道側のレールとの粘着限界に達し、車両側の車輪が空転を起こして加速できなくなり、車両の高速走行に限界が生じる。

このような空転を防ぐには車輪とレールとの粘着限界を引き上げればよく、この粘着限界は、一般に、輪重（車輪に作用する重量）と粘着係数（車輪とレールとの粘着係数）との積で表される。この粘着限界の一つのパラメータである粘着係数を向上させるために、一般的に増粘着材が用いられるが、この粘着係数のみを増加させても波状磨耗やきしり音の原因となるため、輪重とのバランスを保つことが求められる。また、粘着限界の他のパラメータである輪重を大きくする、例えば車両重量を重くして輪重を大きくすることも考えられるが、このように輪重を大きくすると、軸受やレールを傷めてしまうという問題が生じる。このようなことから、鉄輪式鉄道の高速化においては、鉄道用車両の軽量化を図った上で車輪の空転を抑えることが望ましい。

鉄道用車両の車軸及び車輪また軌道側のレールの磨耗を低減するには、車両自体の軽量化以外に、車輪構造の一軸あたりの負荷を低減することも考えられる。このようなことから、現在の高速鉄道の車両では、二軸ボギー台車方式が一般的である（例えば、特許文献１参照）が、一台車あたりの軸数を二軸より多くすれば一軸あたりの負荷が減少し、車軸、車輪、レールなどの摩耗の低減を図ることができる。

特開平６−２１９２７３号公報

しかしながら、上述した構造では、鉄道用車両の輪重を減少させることができるが、単に輪重を小さくしただけでは上記粘着限界が小さくなって車輪の空転が発生しやすくなる。このため、輪重を小さくすることは、大型車両の輸送では磨耗低減として有効であっても、通常の鉄道用車両での高速化には適していない。

本発明の目的は、走行時の車輪の空転を抑えながら車両側の車輪、軸受や軌道側のレールの磨耗も抑えることができる鉄道用車両を提供することである。

本発明の請求項１に記載の鉄道用車両は、車両本体と、前記車両本体の前端側を支持する前車輪構造と、前記車両本体の後端側を支持する後車輪構造とを具備した鉄道用車両において、
前記前車輪構造及び前記後車輪構造は、駆動源によって回転駆動される駆動軸と、前記駆動軸に対して前後方向に間隔を置いて配置された前軸及び後軸とを備え、前記駆動軸に一対の駆動輪が装備され、前記前軸に一対の前従動輪が回転自在に装着され、前記後軸に一対の後従動輪が回転自在に装着され、前記一対の駆動輪の車輪径は、前記一対の前従動輪及び前記一対の後従動輪の車輪径よりも大きいことを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の鉄道用車両では、前記前軸及び前記後軸の両端部は、軸方向外方に向けて上方に傾斜して延び、前記前軸の両傾斜端部に前記一対の前従動輪が回転自在に装着され、前記後軸の両傾斜端部に前記一対の後従動輪が回転自在に装着され、前記一対の前従動輪及び前記一対の後従動輪は、上端側が下端側よりも内側となるように配置されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載の鉄道用車両では、前記一対の前従動輪及び前記一対の後従動輪は、垂直方向を基準に内側に３〜１０度傾斜して配置されていることを特徴とする。

更に、本発明の請求項４に記載の鉄道用車両では、前記一対の駆動輪の車輪直径（Ｄ）は、前記一対の従動輪及び前記一対の後従動輪の車輪直径（ｄ）の１．２〜１．５倍〔Ｄ＝（１．２〜１．５）×ｄ〕であることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の鉄道用車両によれば、車両本体を支持する前車輪構造及び後車輪構造は、駆動源によって回転駆動される駆動軸と、この駆動軸に対して前後方向に配置された前軸及び後軸とを備えているので、前車輪構造及び後車輪構造はそれぞれ三軸支持構造となる。そして、駆動軸に装着された一対の駆動輪の車輪径は、前軸及び後軸に装着された一対の前従動輪及び後従動輪の車輪径よりも大きくなっているので、三軸支持構造でありながら前車輪構造及び後車輪構造の重量を小さくすることができ、この場合、一対の駆動輪として従来から一般的に使用されている車輪が用いられる。

このような前車輪構造及び後車輪構造では、通常時には、中央の駆動輪には大きな荷重が作用するが、両側の前従動輪及び後従動輪には大きな荷重が作用しないようにし、このようにして駆動輪に荷重が集中するようにして粘着限界を引き上げ、レールの状況などにより一時的に車両本体の荷重が増大したときには、駆動軸、前従動軸及び後従動軸の三軸に荷重が分散され、このようにして一軸に過大な負荷が作用するのを防止するようにするのが好ましい。

また、本発明の請求項２に記載の鉄道用車両によれば、前車輪構造及び後車輪構造の前軸及び後軸の両端部は、軸方向外方に向けて上方に傾斜して延び、前軸及び後軸の両傾斜端部に一対の前従動輪及び後従動輪が回転自在に装着されているので、一対の前従動輪及び後従動輪は、上端側が下端側よりも内側となるように配置され、このように配置することにより、カーブ走行時などにおける前従動輪及び後従動輪のレールからの脱輪を防止することができる。

また、本発明の請求項３に記載の鉄道用車両によれば、一対の前従動輪及び後従動輪が垂直方向を基準に内側に３〜１０度傾斜して配置されているので、カーブ走行時などにおける前従動輪及び後従動輪のレールからの脱輪をより確実に防止することができる。

更に、本発明の請求項４に記載の鉄道用車両によれば、一対の駆動輪の車輪直径（Ｄ）は、一対の従動輪及び一対の後従動輪の車輪直径（ｄ）の１．２〜１．５倍〔Ｄ＝（１．２〜１．５）×ｄ〕であるので、三軸支持構造を確保しながら前車輪構造及び後車輪構造の重量を低減することができる。

本発明に従う鉄道用車両の一実施形態を簡略的に示す側面図。 図１の鉄道用車両の前車輪構造を示す正面図。 図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線による断面図。 図２におけるＩＶ−ＩＶ線による断面図。 車両本体の荷重と前車輪構造の駆動軸に作用する荷重との関係を示す図。 車両本体の荷重と前車輪構造の駆動軸、前軸及び後軸に作用する負荷の負荷率を示す図。

以下、添付図面を参照して、本発明に従う鉄道用車両の一実施形態について説明する。図１において、図示の鉄道用車両は、乗客などが乗り込む車両本体２を備え、この車両本体２の前部に前車輪構造４が設けられ、その後部に後車輪構造６が設けられ、車両本体２は、前車輪構造４及び後車輪構造６により支持され、これら前車輪構造４及び後車輪構造６を介して軌道に敷設されたレール８上を走行する。

前車輪構造４及び後車輪構造６は実質上同一の構成であり、以下前車輪構造４について説明する。図１とともに図２〜図４を参照して、前車輪構造４（後車輪構造６）は、車両本体２の左側部に配設された左台枠１２及びその右側部に配設された右台枠１４を備え、左台枠１２及び右台枠１４が連結部材１６により連結されている。左台枠１２及び右台枠１４は、台枠本体部１８と、この台枠本体部１８の一端部から前方に延びる前延長部２０と、その他端部から後方に延びる後延長部２２とを有し、台枠本体部１８、前延長部２０及び後延長部２２とが一体的に形成されている。

この実施形態では、左台枠１２及び右台枠１４（具体的には、それらの台枠本体部１８）に支持ピン２４，２６が取り付けられ、これら支持ピン２４，２６に車両本体２（例えば、その横梁）が取り付けられ、車両本体２は、支持ピン２４，２６を介して台車１０に支持される。

台車１０の左台枠１２及び右台枠１４（具体的には、それらの台枠本体部１８）には、左軸箱２８及び右軸箱３０が上下方向に移動自在に装着され、左軸箱２８には駆動軸３２の一端部が軸受３４を介して回転自在に支持され、右軸箱３０には駆動軸３２の他端部が軸受３６を介して回転自在に支持されている。この駆動軸３２の一端部には左駆動輪３８が固定され、その他端部には右駆動輪４０が固定され、一対の駆動輪３８，４０は、駆動軸３２及び軸受３４，３６を介して左軸箱２８及び右軸箱３０に回転自在に支持される。駆動軸３２には、駆動源としての駆動モータ４２が駆動連結され、駆動モータ４２が所定方向（又は所定方向と反対方向）に回動されると、駆動軸３２及び一対の駆動輪３８，４０が正転（又は逆転）され、車両本体２はレール８上を矢印４４（又は４６）（図１参照）で示す方向に前進（又は後進）走行する。尚、一対の駆動輪３８，４０の内側端部には、径方向外方に突出する環状フランジ４１が設けられている。

左台枠１２側においては、台枠本体部１８と左軸箱２８との間に、また右台枠１４側においては、台枠本体部１８と右軸箱３０との間に一対の駆動軸ばね４８，５０が設けられている（右台枠１４側において一つのみ示す）。一対の駆動軸ばね４８，５０は実質上同一の構成であり、所定ばね定数の一つのコイルばねから構成されている。

左台枠１２及び右台枠１４の前延長部２０には、左支持体５２及び右支持体５４が上下方向に移動自在に装着され、左支持体５２には前軸５６の一端部が固定され、右支持体５４には前軸５６の他端部が固定されている。この前軸５６の一端部には左前従動輪５８が軸受６０を介して回転自在に支持され、その他端部には右前従動輪６２が軸受６４を介して回転自在に支持されている。これら一対の前従動輪５８，６２の内側端部にも、径方向外方に突出する環状フランジ６３が設けられている。

左台枠１２側においては、前延長部２０と左支持体５２との間に、また右台枠１４側においては、台枠本体部１８と右支持体５４との間に一対の前軸ばね６６，６８が設けられている（右台枠１４側において一つのみ示す）。一対の前軸ばね６６，６８は、実質上同一の構成であり、ばね定数の異なる一対のコイルばねから構成され、これら一対のコイルばねが同心状に配設されている。車両本体２の荷重が小さいときには、一方のコイルばねの一方（ばね定数の小さい方のコイルばね）が圧縮されてその荷重を支持し、その荷重が大きくなると、他方のコイルばねも圧縮されて双方のコイルばねでその荷重を支持する。

左台枠１２及び右台枠１４の後延長部２２には、それらの前延長部２０と同様に、左支持体７０及び右支持体（図示せず）が上下方向に移動自在に装着され、左支持体７０には後軸７１（図２参照）の一端部が固定され、右支持体には後軸７１の他端部が固定されている（左台枠１２に関連する構成のみを図２に示す）。この後軸７１の一端部には左後従動輪７２（図２参照）が軸受（図示せず）を介して回転自在に支持され、その他端部には右後従動輪（図示せず）が軸受（図示せず）を介して回転自在に支持されている。これら後従動輪７２の内側端部にも、径方向外方に突出する環状フランジ（図示せず）が設けられている。

これら後軸７１並びに左後従動輪７２及び右後従動輪（図示せず）に関する構成は、上述した前軸５６並びに左前従動輪５８及び右前従動輪６２に関する構成と実質上同一であり、左台枠１２側においては、後延長部２２と左支持体（図示せず）との間に、また右台枠１４側においては、後延長部２２と右支持体（図示せず）との間に一対の後軸ばね７４，７６が設けられている（左台枠１２側のもののみ示す）。一対の後軸ばね７４，７６は実質上同一の構成であり、一対の前軸ばね６６，６８と同様に、ばね定数の異なる一対のコイルばねから構成され、車両本体２の荷重が小さいときには、一方のコイルばね（ばね定数が小さいコイルばね）が圧縮されてその荷重を支持し、その荷重が大きくなると、他方のコイルばねも圧縮されてその荷重を支持する。

この鉄道用車両においては、前車輪構造４（後車輪構造６）が駆動軸３２（一対の駆動輪３８，４０）、前軸５６（一対の前従動輪５８，６２）及び後軸７１（一対の後従動輪７２）による三軸支持構造となり、車両本体２からの荷重が駆動軸３２、前軸５６及び後軸７１に分散して作用し、これ駆動軸３２，前軸５６及び後軸７１に作用する負荷を低減させることができる。

この実施形態では、前車輪構造４（後車輪構造６）に関連して、更に、次の通りに構成されている。主として図２〜図４を参照して一対の前従動輪５８，６２（左前従動輪５８及び右前従動輪６２）の車輪径（車輪直径：ｄ）は、一対の後従動輪７２〔左後従動輪７２及び右後従動輪（図示せず）〕の車輪径（車輪直径：ｄ）と実質上等しくなるように構成され、中央に位置する一対の駆動輪３８，４０（左駆動輪３８，及び右駆動輪４０）の車輪径（車輪直径：Ｄ）は、一対の前従動輪５８，６２及び一対の後従動輪７２の車輪径よりも大きくなる（Ｄ＞ｄ）ように構成され、これら一対の駆動輪５８，６２として一般的な鉄道用の車輪が用いられる。このように構成されているので、三軸支持構造でありながら一対の前従動輪５６，６２及び一対の後従動輪７２の重量を低減することができ、前車輪構造４（後車輪構造６）の軽量化を図ることができる。

一対の駆動輪３８，４０の車輪径（Ｄ）は、一対の前従動輪３８，４０及び一対の後従動輪７２の車輪径８ｄ）の１．２〜１．５倍〔（１．２〜１．５）×ｄ〕であるのが好ましく、このように構成することによって、三軸支持構造の特徴を維持しながら一対の前従動輪５６，６２及び一対の後従動輪７２に関連して前車輪構造４（後車輪構造６）の軽量化を図ることができる。

また、一対の前従動輪５８，６２（及び一対の後従動輪７２）に関連して、次の通りに構成されている。主として図４を参照して、前軸５６（及び後軸７１）の両端部（具体的には、軸受６０，６４が装着される部位）には、軸方向外方に向けて上方に傾斜して延びる傾斜端部５６ａ，５６ｂが設けられ、傾斜端部５６ａ，５６ｂの外側端部が左支持体５２及び右支持体５４に固定支持され、一方の傾斜端部５６ａに軸受６０を介して左従動輪５８が回転自在に支持され、他方の傾斜端部５６ｂに軸受６４を介して右従動輪６２が回転自在に支持されている。このように構成されているので、図４に示す通り、前軸５６（及び後輪７１）に装着された一対の前従動輪５８，６２（及び一対の後従動輪７２）は、それらの上端側がそれらの下端側よりも前軸５６（及び後軸）の軸方向内側となって八字状に配置され、このように配置することによって、カーブ走行時などにおける一対の前従動輪５８，６２（及び一対の後従動輪７２）のレール８からの脱輪を防止することができる。

この前軸５６（及び後軸７１）の傾斜端部ａ，５６ｂの水平軸線に対する外側への傾斜角度、即ち一対の前従動輪５８，６２（及び一対の後従動輪７２）の垂直方向を基準とする内側への傾斜角度α（図４参照）は、３〜１０度であるのが好ましく、このような角度範囲に設定することによって、一対の前従動輪５８，６２（及び一対の後従動輪７２）のレールからの脱輪をより確実に防止することができる。

更に、前車輪構造４（及び後車輪構造６）の駆動軸ばね４８，５０、前軸ばね６６，６８及び後軸ばね７４，７６に関連して、次のように構成するのが望ましい。一対の駆動軸ばね４８，５０（コイルばね）のばね定数（Ａ）は、一対の前軸ばね６６，６８及び一対の後軸ばね７４，７６のうち強い方のコイルばね（一対のコイルばねのうちばね定数の大きいコイルばね）のばね定数（Ｂ）よりも小さく、それらのうち弱い方のコイルばね（一対のコイルばねのうちばね定数の小さいコイルばね）のばね定数（Ｃ）よりも大きくなるように設定する（Ｂ＞Ａ＞Ｃ）のが望ましい。そして、最も大きいばね定数（Ｂ）の前軸ばね６６及び後軸ばね７４（ばね定数の大きいコイルばね）は、過大な荷重が作用しないように、通常（乗っている乗客が少なくて車両本体２の重量が軽いとき）僅かに左台枠１２及び右台枠１４に接触する程度にばね長さが調整され、このように調整することによって、通常時には車両本体２からの荷重が主として駆動軸３２、即ち一対の駆動輪３８，４０に集中するようになり、その結果、粘着限界を引き上げて一対の駆動輪３８，４０の空転を抑えて車両本体２を高速で走行させることが可能となる。

また、上述したように構成することによって、車両本体２への荷重と駆動軸３２（即ち、一対の駆動輪３８，４０）への荷重との関係は、図５に示す通りとなり、この駆動軸３２への荷重は、車両本体２への荷重が大きくなるに従い増加するが、ある程度増加するとそれ以上は増えずにほぼ一定となる。また、車両本体２への荷重と駆動軸３２（即ち、一対の駆動輪３８，４０）、前軸５６（即ち、一対の前従動輪５８，６２）及び後軸７１（即ち、一対の後従動輪７２）への負荷率との関係は、図６に示す通りとなり、車両本体２への荷重が増えて駆動軸３２への荷重がほぼ一定になった後は、その後の荷重の増加分は前軸５６及び後軸７１に作用し、これら前軸５６及び後軸７１に分配され、駆動軸３２への負荷率が相対的に減少する一方、前軸５６及び後軸７１の負荷率が相対的に増加するようになる。従って、車両本体２への荷重が大きくなったときには、駆動軸３２、前軸５６及び後軸７１の負荷率がほぼ等しくなるように近づいて三軸支持状態となり、大きい負荷を三つの軸に分配して支持するようになり、特定の軸に大きな負荷が作用するのを回避することができる。

以上、本発明に従う鉄道用車両の一実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されず、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更乃至修正が可能である。

例えば、上述した実施形態では、乗客用車両にてきようして説明したが、荷物を運搬する貨物用車両などの各種の鉄道用車両にも同様に適用することができる。

２ 車両本体
４ 前車輪構造
６ 後車輪構造
８ レール
１２ 左台枠
１４ 右台枠
３２ 駆動軸
３８，４０ 駆動輪
５６ 前軸
５８，６２ 前従動輪
７１ 後軸
７２ 後従動輪

Claims (4)

1. 車両本体と、前記車両本体の前端側を支持する前車輪構造と、前記車両本体の後端側を支持する後車輪構造とを具備した鉄道用車両において、
   前記前車輪構造及び前記後車輪構造は、駆動源によって回転駆動される駆動軸と、前記駆動軸に対して前後方向に間隔を置いて配置された前軸及び後軸とを備え、前記駆動軸に一対の駆動輪が装備され、前記前軸に一対の前従動輪が回転自在に装着され、前記後軸に一対の後従動輪が回転自在に装着され、前記一対の駆動輪の車輪径は、前記一対の前従動輪及び前記一対の後従動輪の車輪径よりも大きいことを特徴とする鉄道用車両。
2. 前記前軸及び前記後軸の両端部は、軸方向外方に向けて上方に傾斜して延び、前記前軸の両傾斜端部に前記一対の前従動輪が回転自在に装着され、前記後軸の両傾斜端部に前記一対の後従動輪が回転自在に装着され、前記一対の前従動輪及び前記一対の後従動輪は、上端側が下端側よりも内側となるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の鉄道用車両。
3. 前記一対の前従動輪及び前記一対の後従動輪は、垂直方向を基準に内側に３〜１０度傾斜して配置されていることを特徴とする請求項２に記載の鉄道用車両。
4. 前記一対の駆動輪の車輪直径（Ｄ）は、前記一対の従動輪及び前記一対の後従動輪の車輪直径（ｄ）の１．２〜１．５倍〔Ｄ＝（１．２〜１．５）×ｄ〕であることを特徴とする請求項１に記載の鉄道用車両。
   
   
   

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