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1 まえがき
鉄道車両にとって、直線での高速走行を可能にする蛇行度安定性能と、曲線でのスムーズな走行性能とは、一般的にいって矛盾する性質を持つ。
たとえば高速走行性能が必要な新幹線電車の台車は、車輪の踏面勾配を小さくし、二本の車軸間の距離である軸距を長くして蛇行度安定性能を高めている。また板ばね式の車輪の軸箱支持方式を用いて、上下には柔らかく、前後、左右には硬く輪軸を支持し、かつ車体の心皿を中心とした台車の回転抵抗を大きくして、台車や輪軸の不要な動きを抑えて、蛇行度安定性能を確保している。
しかしこれらは曲線通過時には逆作用となり、分岐器の分岐側や車両基地内の急曲線では大きな横圧が発生し、車輪のフランジやレールの摩耗が大きくなる問題がある。
このように蛇行度安定性と曲線通過性能は矛盾する性質をもつので、従来はその車両の最高速度に対して蛇行度安定性を満足する台車が用いられてきた。
しかし最近、この二つの性能をより良く調和させ、さらには両性能とも改善しようとする研究が行なわれつつある。
その一つが操舵台車である。これは国鉄時代から研究が行なわれており、当時クロスアンカを用いたシエッフェル式の操舵台車の走行試験も実施された。
試験の結果曲線通過時の横圧は顕著に低下したが、高連城での蛇行度安定性は、なお改善の必要があるとされた。そしてこの研究を引き継いだＪＲ総研は、曲線でのボギー角に連動させてリンクの作用で舵を取り、かつ軸箱の前後方向の支持に弾性をもたせて車輪の踏面勾配の自己操舵機能を作用させる操舵台車の研究を進めているという。
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２ 四軸操舵台車の原理
以上はすべて通常の二軸台車に関する特性であり、また操舵台車は曲線でその二つの輪軸を曲率に合わせてハの字型にする台車であるが、この報告の四軸操舵台車は図一１に示すように二軸台車を前後に二台並べ、その台車枠をクロスアンカでつないで台車の操舵を行ない、かっ軸箱の前後方向の支持に適度の弾性を与えたまったく新しい考えによる台車である。
もちろんクロスアンカを用いなくても、おのおのの二軸台車はそれ自身で自己操舵作用を持っている。
それではなせクロスアンカを用いるのか。すでにのべたように、軸距の短い台車は曲線通過性能は良いが蛇行度安定性が悪くなる。四軸操舵台車は、軸距が極端に短いため１台では蛇行度安定性に問題のあるような台車を二台前後に並べ、クロスアンカでつないでお互いに動きを抑制しあうことで、蛇行度を防止しようとするものである。
この四軸操舵台車では二つの台車の心皿を両端に心皿ピンをもつ連結ばりで連結し、連結ばりの中心には車体との結合用の心皿を設けている。曲線ではクロスアンカの作用で二つの台車枠がハの宇型になり、一定の台車中心間距離に対しクロスアンカの取付ピン間距離にはわずかな偏差が生じるが、その値は半径100m以上の曲線であれば零に近い値である。
３ 低床貨車への利用
国鉄時代に、床面高さを500mm以下にして大型トラックを積載できる低床貨車の開発が行なわれてきた。この車両は台車を三軸式として各車輪への荷重分担を減らし、車輪径を通常の半分以下の350mmの小径車輪にして低床化を図った車両である。
そして1964年に大型トラックを積んだこの貨車の走行試験が行なわれ、このように車輪が小さくても105km/hまでの走行安定性は満足すべきものであり、心配された分岐器のレール欠線部の通過にも特に問題のないことが確認された。しかし空車の場合、緩和曲線区間で大きな輪重変動が見られた。緩和曲線区間では左右のレールが同一面上でなくなるが、このとき６車輪のうちの３点で荷重を支持してしまう傾向がでたためと推定され、さらに台車の改良方法の検討がなされているという。
ここではこの三軸台車を発展させて四軸操舵台車にして、車輪の荷重責務を３／４に減らした低床貨車を考える。
図１、図２は四軸操舵台車の低床貨車への応用例の側面図、図３はボルスタレス式台車の車体へ結合法を示す平面図である。これらの図で、台車枠の側ばり中心の両脇に揺れまくら吊りをぶら下げる。そして二台の台車のその先端を揺れまくらで結ぶ。揺れまくら吊りには前後方向の振れに加えて捩れも生じるので、この結合ピンには球面軸受を用いる。揺れまくらの中央には空気ばねを取り付け、その上に車体を載せる。このようにして車体は前後左右方向の力は連結ばりで、上下方向の荷重は空気ばねで支える。
なお空気ばねについては最近のボルスタレス台車用に開発された、大きな横たわみの可能なタイプを使用する。
曲線では車体の心皿を中心とした車体の回転変位と台車の心皿を中心とした二軸台車の回転変位が生じる。この角度はそれぞれ車体心皿間距離と、台車心皿間距離に比例する。前者の大きな回転変位は空気ばねの横たわみと揺れまくら吊りの振れて、後者の小さな回転変位は、揺れまくら吊りの振れでカバーされる。
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４ 二階建車両への応用
二階建車両はフランスの通勤客車や近鉄のビスタカーで以前から用いられてきている。筆者は過去に本誌に二階建新幹線電車を提案したが、ＪＲ東海では1985年に100系新幹線電車で二階建のグリーン車と食堂車が初めてデビューし、さらに今年、ＪＲ西日本で二階建が４両に増え「グランドひかり」と、ＪＲ東日本で通勤電車の二階建グリーン車が登場している。
二階建車両は台車間の車体中央部の床を下げて二階建にする構造になっているため、車体の半分程度しか二階建にできない。そこで二階建部分を増やす方法として、図４に示すように、四軸操舵台車を連接台車として応用する方法が考えられる。車輪径は従来と同じとすれば、二軸台車の軸距はモータがなければ寸法上は従来の半分程度まで短縮でき、また連接台車なので二台の二軸台車は前後の車両の車端ぎりぎりまで寄せうる。このように台車が車端に寄り長さが短くなることで、車体の３／４程度まで二階建にすることが可能になる。
台車の車体への結合方法としては、二軸台車の心皿とボルスタの心皿を一致させて連結ばりの心皿ピンで両者を貫通させ、ボルスタの両端はボルスタアンカで車体に結んでいる。そしてこれらを大きな前後力に耐えられるものにして、連結ばりを車両間の連結器として用いている。なお、曲線での車体の偏寄は心皿間距離に比例するので、急曲線のホームがある場合は配慮が必要である。
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5 鉄車輪支持りニアモータ車両への応用
鉄車輪支持リニアモータ車両は急曲線、急勾配の走行が可能で、また偏平なリニアモータ駆動のため低床車両となり、トンネル断面が小さく出来ることから、新しい都市鉄道として注目されており実用化も進められている。
これは二軸台車の車軸に装荷された一次側のリニアモータを、地上に敷設した二次側のリアクションプレートに対向させて、二次側に誘導電流を誘起させて推力を得る方式である。しかし一次側と二次側のエアーギャップをあまり小さく出来ないことと、リニアモータの端効果のため、その効率は従来の回転式モータに比べ低くなっている。
九州大学の野中教授の研究によれば、このタイプのリニアモータの効率を上げるには、ポールピッチを大きくして、細長く薄い形状にするのが良く、また、長いリニアモータの鉄心を分割して連続に並べれば、性能はほとんど変わらないと報告されている。
しかしリニアモータの前後を支持する二本の車軸の間隔からその長さの制約を受ける。そこでリェアモータの鉄心を二分割して、図５、図６に示すように四軸操舵台車の前後二台の二軸台車に分けて装荷することが考えられる。これで端効果が小さく効率の改善を図った細長く薄いリニアモータの出現が期待できる。なおリニアモータは分割側の先端の両隅をわずかに斜めにカットして微小ギャップで並べ、曲線で台車が回転変位しても互いに接触しないようにしておく。
二軸台車では分岐器のレール欠線部での異線進入防止の面から、車輪の小径化に限界があるが、四軸操舵台車では後台車で先頭車輪が案内されるので、一層の車輪の小径化か可能である。そして、このシンプルな操舵機構と併せて構成すれば、効率が高く、急曲線を走行でき、かつ低床化の限界を図った都市交通用として理想的なリニアモータ車両が実現できるかもしれない。
上記の例に示したような車両を具体化するには、シミュレーションや実験等により四軸操舵台車の走行性能の研究を行なう必要かある。そこで、車両への応用例から四軸操舵台車の効用を示しその重要性を明らかにすることで、この研究がさらに深度化されるようになればと願っている。
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