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鉄道車両用台虹 五旦K操 舵系ダイナミクスの制御の動向
46巻 4号 研 究 解 生 (1994.4) 産 研 究 UDC 629.4.05ノ 説 鉄道車両用台虹 /.06 五旦K操 舵系 ダイナ ミクスの制御 の動向 Dynamics and Control of Steering Mechanics on Railway Trucks 須 田 義 大 * Yoshihiro SUDA 省 エネルギー性 ,安 全性に優 れた高速大量輸送 システムである鉄道システムの技術革新 は重要である. 車両の走行 とい う基本機能 をつかさどる台車のダイナ ミクスの制御が近年注 目されている。その うち, 高速走行安定性 と曲線での操舵性能の両立を目指 した台車の操舵系の改善について,研 究開発の動向 を概説する。さらに,筆 者 の提案するセ ミアクティブ制御 の考 えを取 り入れた前後非対称方式操舵台 車の コンセプ ト,お よび操舵性能 について,計 算結果 と実際に試作 された台車の走行試験 と基に紹介 する。 1.は じ め に 鉄道車両 にお いて も,運 動 や姿勢 の制御 にア クテ イブ コ ン トロ ールやセ ミアクテ イブ コ ン トロー ルが 実用化 して き た。車両 の運動 は,大 き く分 けて次 の 3つ に分類 で きる。 ひ とつ は,車 両 の前後方 向 の運 動 で あ り,駆 動,制 動力 の 市1御が 問題 になる もので あ る.2番 目は,路 面 や軌道 の不 整 に よって引 き起 こ され る強制振動 を主体 と した運動 であ る。主 と して上下方 向 の運動力り寸象 で あ るが ,車 体 が 台車 の上 にサ スペ ンシ ョンを介 して支 え られて い る構 造 を持 つ ー 通常 の鉄道車両 で は,左 右運動 や ヨ イ ング運動 もこれ ら に含 まれ る.最 後 が ,車 両 の操舵 に関す る運動 で あ る.直 線運動 だ けで はな く,平 面 上 を走行 す るため には,左 右 と ヨー イ ングを伴 う運動 が必要で あ る. この よ うに分類 す る と,鉄 道車両 の分野 で は,制 御技術 は この順番 で 開発 され,実 用化 が進 んで きた よ うに考 え ら れ る。鉄道車両 の前後方 向運動制御 ,す なわち,列 車 の 自 動停 止装置 ,自 動制御装置,さ らに 自動運転 は,か な り以 前 か ら実用化 されて い る。 自動車 で 実用化 して い るア ンチ ロ ックブ レーキ もこの範疇 にはい る。 2番 目の運動 に対 す る制御 は,い わゆ るア クテ イブサ ス .ら ペ ンシ ョンカジロ当 し,鉄 道車両 にお いて は,早 くか 開発 が進 め られ,最 近実用化 の 目処 が た って きた とい えよう. 本論 で 言及す るの は,最 後 の操舵系 の制御 につ い てであ る. 2.操 舵 系 の制御 の 問題点 車両 の操舵系 にお け るア クテ イブ市1御の適用 は,自 動車 *東 京大学生産技術研究所 第 2部 一 にお いて も,鉄 道 にお いて も 番立 ち遅 れて きた よ うに見 受 け られ る。 そ の理 由 は,自 動車 にお い て は,人 間が操舵 をす るため,勝 手 に機械任せ の制御 を行 う訳 には行 か ない こ とであ ろ う。鉄道 にお い て は,人 間が操縦 しない代 わ り に,軌 道 に拘 束 されて走行す るため,車 輪 の 自己操舵機 能 が重要 な役害Jを果 た して きた.す なわち,元 来 メカニ カル な 自動市1御が行 われて きた こ とに よる と,考 え られ る。 ー 操 舵 系 の 制 御 で は,列 車 の運 転 制 御 の ような シ ケ ン ー シ ャル制御 で はな くリアル タイ ムの フ イ ドバ ック制律pが 本来要求 され る.さ らに制御 の 目標 が防振 の よ うに単純 で はない。 人間や軌道 に よって与 え られ る望 みの運動 を実現 し,元 か らあ る制御機 能 と うま く協調 しなけれ ばな らない。 鉄道車両 につ いて は,作 用す る力が大 きい こ と,運 動 す る構 成要素 の質量 が大 きい こ とも障害 にな って きた。 アク チ ュエ ー タにパ ワー が 嚇 要 とな り,制 御 に要 す るエ ネ ル 一 ギ ー消費 も大 き くな るか らであ る.さ らに,万 が 制御 が フェイル した ときには,脱 線 に結 び付 くこ とか ら,市1御の 信頼性 ,安 全性 の 問題 を解決 しなけれ ばな らない点 も見過 ごせ ない。 3.鉄 道車両 の車輪 レール 系 の ダイナ ミクス ・ ー 鉄道車両 の操舵系 の制御 を考 える とき,車 輪 レ ル系 のメカニズム,ダ イナ ミクス を理解 す る必要が あ る.通 常 の鉄道車両 で は,輪 軸 と呼 ばれ る左右 の車輪 力綱1に結合 し た もの を用 い る (図 1).こ れ は,メ カ ニ カル に 自己操舵 ー (セル フステ ア リ ン グ)す る機 能 を持 って い る。 レ ル と 車輪 が接触す る部分 ,踏 面 とよばれて い る所 は円錐状 (厳 密 には複雑 な曲面 で あ るが)に な ってい る.そ のため ,曲 線 区間で は,輪 軸 カウト側 にシフ トして,内 側 の車輪 の 回転 46巻 4号 (1994.4) 生 産 研 究 ｇ ︲ ［＝ ︲ ｂ ０ 改 “ 車輪 ・レール の 按触機構 (a)輪軸 の 自己操舵機能 ￨l truCkfrome 図 1 従 来 の鉄道車両台車 (b)'輸 軸 のアクテ ィブ操舵 半径 は小 さ く,外 側 の 曲線半径 は大 き くなる。 この ため輪 軸 は レール に沿 って 自動 的 に旋 回す る. この機械 的 自動 制御 システム をブ ロ ック線 図で示す と, 図 2(a)の よ うに な る.車 輪 の変位 と相対滑 りに応 じて 車 輪 とレール 間 には, ク リー プカ と呼 ばれ る接触 力が進行 方 向お よび左 右方 向 に作用 す る。 この力 は,車 輪 が輪軸 を構 成す るこ とに よ り,輪 軸 を レール 中心線上 に絶 えず保 つ よ うに作 用 す る.す な わ ち,輪 軸位 置 を検 出 し,フ ィー ド バ ック制御 を して い るこ とに相 当す る。 台車の ナスペ ンション (c)操舵:リンクによる誘導操舵 電 磁 ク ラ ッチ ところが ,こ の システ ム は速度が高 くなる と不安定 にな る.こ れが蛇行 動 と呼 ばれ る自励振動現 象 で あ る。 ク リー プカ による減衰力 は速 度 の 向上 とともに減少 して しま う. これ を防 ぐため に,輪 軸 だ けで な く,台 車 と言 う 2つ の輪 軸 をサ スペ ンシ ョンで結合 した装置 を用 い て車体 に結合 す る.輪 軸 と台車枠 間 の前後 ・左 右方 向 のサ スペ ンシ ョンは, システム を安 定化 す る働 きがあ る. (d)クリー プ制御 輪軸 4.制 御 の 考 え 方 前述 の よ うに,台 車 は,元 来持 つ メカニ カルな 自動制御 機 能,す なわち曲線軌 道 に沿 ってセル フス テ ア リング し, かつ ,輪 軸 や台車 に外 乱が作用 して も, レ ール 中心位置 に 復 元 させ る機 能 を持 って い る.ク リー プカ は,制 御機 能 を つ か さどるが ,台 車 のサ スペ ンシ ョンは,シ ス テ ムの安定 化 のため に作用 し,操 舵機 能 は妨 げて しま う。そのため, (e)セミアクティブサスペ ンシ ョン 図 2 鉄 道車両の操舵系制御の考え方 (各種制御方法のブロ ック 線図による比較) この機械式制御 システ ムで は,サ スペ ンシ ョンのため に必 ず しもス テ ア リング性 能 は良好 で はない。 そ のため,制 御 シ ョン を改 善 し,輪 軸 の運 動 を制 御 す る手 法 で あ る (ブ ロ ック線 図 は 図 2(b),概 要 は 図 3).輪 軸 の 運 動, レ ー 性 能 向上 を 目指 した制御 システ ム の改善 が望 まれ るので あ ル と車輪 の相対変位 を渦電流 式 セ ンサ ーで検 出 し,油 圧 ア クチ ュエ ー タで輪軸 の運動 を直接 コ ン トロ ールす るフ ィー ドバ ック方式 が フ ラ ンスで 試作 されて い る1).セ ンサ ー と レー ル 間 の 距 離 は 30± 10mmに 保 て ば よ く,曲 線 半 径 る。 今 まで に検討 され開発 されて きた各種 制御 方法 をま とめ る と表 1 の よ うになる. 5.鉄 道車両 の操舵系の制御 5。1 輸 軸 のア クテ ィブ操舵 最 も直感 的 な方法 は,操 舵性 能悪化 に寄与す るサ スペ ン 10 2 3 m と い う急 曲線 も問題 な く通過で きる性能 を持 って い るとい う。高速運転や信頼性が問題であると考 えられる. 走行試験 は行 われたが, い まだ実用化 されてい ない ようで ある. 46巻 4号 生 (1994.4) 産 研 227 究 表 1 操 舵系 の各種制御手法 手法 制御 目的 制御対象 検 出量 具体的手法 制御手法 輪軸のアクテ イブ操lt 操舵 輸軸の運動 輪軸の位置 油圧 ア クチ ュエー タな ど アクテ ィブ 輸軸の誘導操舵 操舵 ード ィ 輪軸の運動 (フ ・ ート制御) フォ ワ 曲線状況 草体 ・台車枠結合操舵 リンク メカ ニ カル 4 クリープ制御輪軸 安定化 速度 左右車輪間の電磁 クラッチ セ ミアクテイブ 5 進行 方 向 齢 箱 す持 岡ll性の切 り替 え セ ミアクテ イブ 6 前後非対称化台車 操舵 ク リー プカ サスペ ンシ ヨン 図 この台車 で は小 さい踏面勾配 にお い て, 台 車 の運動 が不安 定 とな りうる. このボギ ー角連動方式 は詳細 にみ る と二 つ の方式 に分 け られ る. 輪 軸 の操 舵 に よって軸 箱 支持 の ため の サ ス ペ ン シ ョンが 変形す るか ど うかであ る. 通 常 の台車 に操舵 リ ン クを組 み込 んだ場合 は, 操 舵 に よ リサ スペ ンシ ョンは変形 図 3 輪 軸 のアクテ イブ操舵方式 2 操 舵 リンクによ る輪軸 の 誘導操舵 5。 セ ンサ ー とア クチ ュエ ー タに よる制御が理想 的 な姿 で は あ ろ うが,こ れ と同等 な こ とをメカニ カル に行 う方式 も提 ・ 案 され,実 用化 されて い る.カ ナ ダ等 で 開発 され た車体 台 車 ・輪 軸 を結 合 す る操 舵 リ ン ク を用 い た誘 導 操 舵 方 の'ので あ る (図 4).輪 軸 の位 置 を検 出す る変 わ りに, 式 ー ー 図 2(c)の よ うに,曲 線 を検 出す るフ イ ドフ ォワ ド方 ー ・ 式 で ある.曲 線 の存在 は,車 体 台車 間 のボギ 角 で検 出 し, リ ンクで輪軸 を操舵 させ る.確 実 な制御効果 と信頼性 ー か ら実用化 が なされ,1986年 に 開業 したバ ンク バ の リニ アモ ー タ推進車両 に本格 的 に採用 され てい る. 一方,´この方式 の弱 点 と して ,ボ ギ ー角 で は検 出 の遅 れ が あ るこ と,台 車 が複雑 にな るこ と,新 たな不安定現 象 が あ る こ とな どの 問題 点 も抱 えて い る。 この不 安 定現 象 は の Weinstock効果 と呼 ばれて お り 1通 常 の台車 で は車輪 の 2昨 向上す の に対 し, 踏面勾配 が小 さいほ ど台車 の安 定 !ま る し, 抵 抗 力が発 生す る。 この よ うな タイプは強市1 操舵方式 と呼 ぶ こ ともあ る. 一 方, 図 4 の よ うな タイプで は, サ ス ペ ンシ ョンの変形 は生 じない よ うな構造 にな って い る。 こ の よ うな タイプを誘導操舵方式 と区別す る. 我 が 国 にお い て も, 近 年, この よ うなボギ ー角 を連動 させ る方式 の台車 が試作 されて い るが , 上 記 の定義 で は強制操舵方式 で あ る. なお , リ ンク装置 を用 い た台車 として二 つ の輪 軸 をク ロ スア ンカ 。リ ンクで結合 したシェ ッフェル台車 が有名 で あ 一 るが , こ の台車 で は輪軸 の運動 モ ー ドを 部拘束 した にす ぎず, 制 御 の考 え方 は入 って い ない. 5 . 3 ク リー プカ制御輪軸 ー サ スペ ンシ ョンはい じらず に, ク リ プカ を制御す る考 ー え方 もあ る ( 図 5 ) . こ の手 法 で は, 操 舵機 能 は ク リ プ カ で維持 し, 超 高速 にお け るシステ ムの安 定性 を向上 させ るこ とをね らった もので, ド イ ツの新 幹 線 I C E 開 発 に伴 い試作 された゛.左 右 の車輪 を岡1に結合せず,電 磁 クラッ チを用 いて結合す る.左 右 の車輪 の相対回転 自由度 は適度 ー に与 える ことにより,車 輪 に作用するクリ プカが制御 で croop fom cnol whoolset lqt€|olsflttness 図 4 操 舵 リンク方式 図 5 ク リープ制御輸軸方式 228 46巻 4号 (19944) 生 産 研 究 きる.図 2(d)の ように速度に応 じてクラッチ を動作 させ 性 を得 る方式 が考 え られ る。後者 の方が,ダ ンピング作用 を得 られ るメ リ ッ トが あ るが ,前 者 の方が フェイルセ イフ れば安定性 は向上 し,そ のため台上 試験で は,500km/h を超す走行が可能であったが,実 用化 はされてい ない.輪 軸 に制御力 を新たに加 えるのではな く,輪 軸 に作用す る力 ― の伝遣を市1御するの で勧 弩 「 こも 方式は セ ー ― 性が 良 い 。そのため,前 者 の方式 を用 い た試作 台車が我が 1の ,15),実 国 で試作 され '1° 用化 日前 で あ る。 そ こで ,次 節 でそ の原 理硼 ブ制 御 と考 え られ る. 罰― 田て 解説す る : 6 . 前 後非対称式操舵台車 5。 4 サ スベ ンシ ョンのセ ミアクテ ィブ制御 このセ ミア クテ ィブ制御 は,エ ネル ギ ー の消 費が少 ない とい う長所 のため に,サ スペ ンシ ョンに適用 す る こ とも当 然考 え られ る。 ク リー プカ に よる操舵機 能 を最大 限引 き出 し,サ スペ ンシ ョンに よる操舵性 能 阻害 をで きるだけ打 ち 消す よ うに,サ スペ ンシ ョンの力 の伝達 を制御 す る考 えで 6。 1 前 後非対称 台車 の考 え方 従 来 の鉄道車 両で は, 一 部 の例外 を除 いて前後両方 向 に 同等 の走行性 能が要求 され るため, 車 両 は前後対称 に設計 されてい る. セ ミアクテ ィブ制御 の考 え方 を取 り入 れ, 状 況 に応 じてサ スペ ンシ ョンの切 り替 えを前提 とすれ ば, 何 も前後対称 に定 数 を設定す る必要 はない。 す なわち, 最 適 あ る。 図 2(e)の よ うに,検 出 の 困難 な輪軸変位 で はな く, な剛性 を前 後 の輪軸 にそれぞれ与 えるこ とがで きる。支持 検 出の容易 な速度 に よってサ スペ ンシ ョンの定数 を制御 す 岡1 性の選択 の幅 は広 が り, そ れだけ性 能向上 の可能性 が出 るのが現 実 的であ る. もっ と も単純 で まず思 い付 く方式 として,操 舵性 能 を犠 牲 に して も構 わな い高速直線走行 時 には,軸 箱支持 岡J性を て くる。 硬 くして安定性 を確保 し,比 較 的低 速で走行 す る急 曲線旋 軸 のみ に独 立 回転車輪 を配置 した前 後非対称輪軸台車,こ れ ら双方 の非対称性 を持 つ 前後非対称輪軸 ・支持台車 の 3 つ が あ るの。 前述 の実用性 を考 え る と,最 も構 造 が簡単 で 回時 には,軸 箱支持 岡l性を柔 らか くして操舵性 能 を向上 さ せ るや り方が あ る.こ の考 えを取 り入 れた試作 台車 はす で に製作 されて い る よ うで あ る①.こ の方式 で は,走 行 時 に 輪軸 が運動 して い る最 中 に軸箱支持 剛性 を切 り替 える必要 が生 じる.ま た,曲 線走行 時 に操舵 と緩衝 す るモ ー タの装 架 を切 り替 える台車 も検討 されて い る. 一 方,図 6に は ,筆 者 の 提 案 す る前 後 非対 称 化 制 御 台 ①∼1つを示 .こ れ は,進 行 方 向 に応 じて前 軸 の 支持 剛 車 す 性 を前 後 で非対 称 とな るよ うに切 り替 える方式 で あ る.支 持 岡1性の切 り替 えは停 止時 に一度行 えば よい 。理 想 的 な操 舵性 能力γ尋られ る最適 な支持 剛性比が ,曲 線半径 には よら ず , ク リー プカ と台車 パ ラメ ー タの 関数 で定 まるので あ る. 支 持 岡1性 の 切 り替 え 方 式 と して は,(a)の よ うな ア ク チ ュエ ー タを用 い て 直列 に結 合 した 柔 ばね を殺 す こ とに よって 高 剛性 を得 る方式,(b)の よ うに,減 衰 力可変 ダ ン パ を用 い て並 列 に結合 した剛 ばね を殺 す ことに よって柔 岡1 Equlvalent softstltfness Equlvalent hardstlffness (o) 前後非対称 台車 と して,台 車 内 の支持 岡1性, リ ンク機構 な どの非対称性 のみ を考慮 した前後非対 称支持台車,後 輪 あ る前後非対称支持台車が好 ま しく,さ らにその うち軸箱 支持 剛性 のみ に非対称性 を取 り入 れ,そ の他 の構造 は通常 の台車 と同一 で あ る もの となる. 6.2 非 対称性 パ ラメ ー タとパ ー フェク トステア リング 条件 前後非対称支持 台車 で リ ンク機 構 を考 えない とき,輪 軸 の操舵 (すな わち台車枠 と輪軸 の相対 ヨー イ ング運動 )に 作用す る前後方向 の軸箱 支持 岡1性に着 目 し,前 軸 の剛性 を 41,後 軸 の それ を た 2と 表 す と,サ スペ ンシ ョンの 前後 非対 称 性 を示 す指 標 が 次式 で 定 義 で きる (αは軸 距 の半 分). ・= α 続 0 ら が , 等 価 曲げ岡1 性 たι , 車 輪半径 4 車 輪 の等価 踏面勾配 λ, 左 右 車 輪 接 触 点 間 距 離 ( ほぼ ゲ ー ジ) の 半 分 ら, 車 輪 ・レー ル 間 の 接 触 力 特 性 を表 す 定 数 ( 縦ク リー プ係 数) κl l に よって 定 まる次 の 条件 を満 たせ ば, 線 形 理論上 , サ スペ ンシ ョンの前後非対称化 に よって, 理 想 的 な操舵性 actuator trolllng -----t/vbe€b€t 能が得 られ る. こ の条件 は, 曲 線 の 曲率 には依存 しない。 ら=2κ ′ 々ι l l λι (2) 図 8 に 提案す る前後非対称 方式操舵台車 の 曲線旋 回時 の truckfome 図 6 4t\7r,47t7,\>-)=>fitt 概念 図 を示す 。前軸が柔支持 で あ るため, 輪 軸 の持 つ 自己 操舵機 能 に よ リア タ ックア ングルが理 論 上 ゼ ロ となる理想 的な操舵が前後両輪軸 につ い て得 られ る。( 2 ) 式 の条件 は, 生 産 研 究 46巻 4号 (1994.4) 輪軸 の持 つ 自己操 舵機 能が最大 限生 か される よ うな条件 で あ る. 輪 軸 の左 右変位 も減少 しフラ ンジ接触 防止 も期待 で きる。 - 6■ ― 曲線旋 回 シ ミュ レー シ ョン結果 ― ― 一 ― 図 7 に , 曲 線 半 径 6 0 0 m の 曲線 半径 を 1 0 0 k m / h で 走行 した と きの シ ミュ レー シ ョン結 果 を示 す 。緩和 曲線 長 は 8 0 m , カ ン トに よ り遠心力 が バ ラ ンスす る条件 で あ る。 車 ー 両 のばね特性 は線形 モ デ ル を仮 定 して い るが , 車 輪 とレ ル の接 触 幾何 に つ い て は, 実 際 の 非 線 形 形 状 を用 い, ク リー プカ の 計 算 につ い て は, カ ル カ ー の F A S T S I M ア ル ゴ リズム を用 いて非線形特性 を考慮 して い る. 車 輪 の踏面 形状 につ い て は, 円 錐 踏面 と円弧踏面 形状 の2 通 りを想 定 して い る。 シ ミュ レー シ ョンで は, 比 較 のため に前軸 の軸 Curys Rsdlus:600m,Spced',27,7rn1. 箱 支 持 岡1性が 後軸 と等 しい と想 定 した対 称 台車 の シ ミュ レ=シ ョン結果 も合せ て示 して あ る. 両輪軸 の左右変位 とア タ ックア ング ル を示 した のが 図 7 (a),(b)で あ る.対 称 台車 で は,前 軸 の ステ ア リ ン グ ア り ングルは小 さ く,十 分 な]米 ガヒが4● を tい 4ξVl. ごり￨‐/__ 一 ラ ンジ接触 が生 じて い る。 方,提 案 す る前 後非対称方式 操舵台車 で は,ア タ ックア ングル は,緩 和 曲線 区間 を含 め ー て ほぼゼ ロ を保 ってお り,予 想通 どお リパ フェク トス テ ア リ ングの状態が得 られて い るこ とが理解 で きる。 フラ ン ジ接触 も避 け られ,理 想 的 な操舵性 能 を持 って い るこ とが わか る。 図 7(c)は 前 後輪 軸 の ス テ ア リ ング ア ング ル (操舵 角) の変化 を示 す 。後輪軸 の前後方 向軸箱 支持 岡l性が硬 い ため, ， ０ ■，Ｓ 官 Ｅ︶︶ ｂＥ８ “一 後軸 はほ とん どステ ア リ ング しない 。 そ の代 わ り,台 車枠 は後軸 が操舵 す る よ うに ヨー イ ング し,さ らに前軸 は大 き く操舵す る。 そ の結果 ,図 8に 示 した よ うな状態 で ,理 想 ′ 的 なス テ ア リ ング特 性が ほt端 られて い るこ とが わか る. 在 来台車 で は,円 弧踏面 を用 い るこ とに よ り,操 舵性能 は若干改善 され る.円 弧踏面 で は,円 錐 踏面 とは異 な り, 一 等価 踏 面勾 配 が輪 軸 の左 右 変位 に対 して 定 で は な く, 一 徐 々 に大 き くな る特性 を持 って い るか らで あ る。 方,提 _ ヽ 229 案す る前 後非対称方式操舵 台車 で は,円 弧踏面 を用 い る と, ア タ ックア ングルが完全 に零 にはな らな くな る。 その理 由 _ _ _ 1 1 1 ∬ は次 のように説明で きる.式 (2)の 非対称指数 の計算 では, ー 円錐踏面 に線形クリ プカ を仮定 したが,円 弧踏面 では前 ー 述 の非線形特性 のために,す べ ての状態でパ フェク トス ー テアリング条件 を満たせない。 また,実 際 にはクリ プカ 一 にも非線形性が存在す ることが 因であ る。 しか し,そ の 現れ る縦 クリープ定数 の不確定性 を考 差 は小 さく,式 (2)に えれば,大 きな問題 とはならない と考 えられる. 0 にi a n c ● (m) (a)輪軸左右変位 Curvo Rndius:000m.Sp00d:277m 咄 ０ 。 ■ ¨ ｍ ● ９しくｙｏ■て ＾０１ Ｖ 一 咄 ■ 卜、 叫 ● “＼ 二Ⅷ∬ 、》 If二′ 渕 ￨ 6.4 試 作台車 と曲線走行試験 軸箱支持岡1性の前後非対称化 のアイデアを取 り入れた試 作台車 が,在 来線 の特急用振 り子式 ボル スタ レス台車 を ●31anCO(ml 瞳白 ( b ) アタックアングル 剛 ξl朧s CuⅣo Rndh■ 000m,Sp●Bd:277"8 // メ イニ ″ ′ ′ 二 蘇T耐 澁 呵 ●● llno● (m) 図 7 偏 鵬 ― TE n珈 ・ょ (c)ステアリングアングル シ ミュレーシ ョン結果 (曲線半径 600m) 熙鼎 ss 図 8 提 案する前後非対称方式操舵台車 の概念図 230 46巻 4号 (1994.4) 生 産 研 究 ベ ー ス に東海旅客鉄道 と住 友金属 工 業 にお いて製作 された (図 9).走 行安定性確保 のため に, ヨ ー ダ ンパ装置 を用 い て い る.前 後 非対 称 を表 す 指標 ら は, もち ろん線 形 理論 上 パ ー フェク トス テア リ ングを実現す る よ うに,式 (21を 満 野 m 図 10に走行 試験結果 の一例 と して,測 定 され た前 台車 , 側 車輪 に作用す る横圧 (▲)を 示す 。 曲線 半径 前輪軸,タト 420mの カ ー ブ を速度 を変 えて走行 した場合 で あ る。 前後 対 称 な従 来 の 台車 の測定結 果 もプ ロ ッ トして あ る (■). ― ― 円弧 踏面 で あ り,等 価 踏面勾 配 は約 1/7で あ る.フ ェイ ルセ イフ を考慮 して,支 持 剛性 の切 り替 え装置 は空気圧 シ に比 べ て 約 1/3に 減 少 して い る。 この こ とは,曲 線 旋 回 時 に車輪 とレー ル に作用す る力 が大 幅 に減少 で きる こ とに リンダを用 い た方式 が採用 されて い る。 その詳細 な機構 に つ い て は,文 献 (14)に詳 しい 。試作 台車 の蛇行動安定性 に 関 して は台上試験 に よ り確認 され,加 振試験 にお いて は, な り,操 舵性 能が期待通 りに向上 された こ とになる. 臨界速度 は 220km/h(61 lm/s),加 振 を しな い場合 で は, 224km/h(62.2m/s)で あ り,在 来線 用 台車 と して十分 な 安 定性 を もって い る. 本線走行試験 は,中 央線 の名古屋 ・春 日井 間お よび申津 川 。木 曽福 島間で行 われた。最高速度 は 130km/hで あ り, 走行 安 定性 につ い て何 等 問題 はなか った。試験車両 は 381 系電車 を用 い, 1編 成 の うちの1両に前後非対称方式操舵 台車 2セ ットを,前 後台車 とも同一 向 きに装着 した.そ の 他 の車両 の台車 は,従 来の台車 (支持岡1性が両軸 とも硬 い 対称台車)で あ り,試 験結果 の比較 に用 いた。曲線半径 は 最小 300mで あ り,走 行 速度 は通常 の 速度 よ りも最 大 25km/h高 い速度 まで設定 した。 6.5 ま とめ 走行安 定性 を犠牲 とす ることな く,操 舵性能 を大幅 に向 上 させ るこ とを 目標 に,操 舵系 の制御 の考 えを取 り入 れた, 前後非対称 方式 の操舵 台車 を提 案 した。本方式 は,通 常 の 台車 にお いて,台 車 内 の前後方 向軸箱支持 岡l性を進行方 向 に応 じて前後 非対称 に岡J性値 を設定す る もので あ る。 よっ て, リ ンク装 置 な どの必要 が な く,従 来 の台車 と構成 上大 きな変化 は無 い 。前後非対称性 を適切 に選択す る事 に よっ て,理 論上,両 輪軸 ともに ラジアル方 向ヘ ス テ ア リ ングす るパ ー フェク トス テ ア リ ング特性 が得 られ る. この優 れた操舵性能 は,試 作 台車 に よる走行試験 とコ ン ピュー タに よる走行 シ ミュ レー シ ョンに よって確 認 した. 一 試験結果 とシ ミュ レー シ ョン結果 には よ く 致 し,良 好 な 操舵性 能力V早られ るこ とが わか った。測定 された横圧 は, 在 来 台車 に比 べ て 最 大 1/3程 度 まで減 少 させ る こ とが で きた。 なお,本 台車 は来 年 度 中 に,「 しなの」用 383系 新 型特 急車両 で 実用化 され る予定であ る. 7.結 鉄道車両台車 の操舵系 の制御 に よ り, 操 舵性 能 の改善 に つい て, そ の研 究 開発動 向 を解説 した。 いずれ の方式 も, い まだ本格 的 に実用化 されて い ないが , セ ンシ ング とアク チュエ ー タによる変位の制御が必要ない とい うメ リットか ら,セ ミアクテ イブ方式が現在の所 ,最 も有力な方式 と考 えられる。そのうち,サ スペ ンシ ョンを進行方向 に応 じて 図 9 試 作 台車 ▲U n s y i n m ect ‖ suspension Truck ■C o n v e n t i o n a l T r u c k 切 り替える前 後非対称方式操舵台車 は,実 用化が間近 く有 望な方式 と考 えられる。 ロバス ト性や応答性 の観点か ら, アクティブ操舵方式 にもメリットがあ り,今 後 のさらなる ２３８﹂ ０﹂ ＥＯ 一 コ 展開を期待 してい る. なお,筆 者 の提案す る前後非対称方式操舵台車 において, 実際 の台車 の設計製作,試 験 ,解 析 など,多 くの諸氏 のご 協力頂 いた.末 筆 なが ら謝意 を表 します. 1 2月15日受理) (1993年 参 70 図 10 80 90 Veloolty(km′ h) 1o0 110 走行試験 により測定 された前輪軸外側車輪 に作用する 平均横圧 (曲線半径 420m) 考 文 献 Aknin,P,et aL Proc of 12th IAVSD Sympo,(1991), p147 Smith,R E and Anderson,R」 ,Vehicle System Dyna‐ 46巻 4号 (1994.4) 産 生 mics,17(1988),pl SyStem‐ 3) Smith,RE,Vehicle System Dynamics,18(1989),p45 究 231 ",DSC‐ 1992‐ 44(1992),p65 11) Suda,Y,Anderson,R 」 4) Geuenich,W,et al,Railway Gazette lnt,19854,p279 研 "Yamada,K,Proc of 13th 1AVSD Sympo,(1993),p175 5)Hodl,H and Higermoser,A,SGP Verkehrstechnik, 1 2 ) S u d a , Y , V e h i c l e S y s t e m D y n a m i c s , 2 2 ( 1 9 9 3 )載予定 掲 HiOhlichrs 13) Suda、 Y, Anderson、 R J, Proc of Stech'93,(1993), ― ―― 一―― ― -6) Sd可 ― ― ― 2 Ser IH(1990),p176 Vol:2p:389 - 一 Y jJSME Int」 ち33・ 7)須 田 ・和 田,機 論,57534,C(1991),p586 14)Yamada K,HinO,K,Proc of Stecr93,(1993),Vo12 8)須 田 ・和 田,機 論,57-540,C(1991),p2633 P407 田 ・山 田 ・日野 ・椎 葉,機 講 論,93081,(1993), 9)Suda,Yっ Anderson,R」 ,CSME Forum'Transport 1992 15)須 十 ",IⅡ (1992),p688 10)Suda,Y,Anderson,R」 p239 ,ASME WAM"Transportation