本研究は、鉄道車両の高速走行安定性と曲線通過性能を両立させる台車として、ボギー角連動操舵台車および独立車輪台車の運動特性を解明し、これらを組み合わせた操舵機構付き独立車輪台車の理論解析および設計上の指針を示したものである。本論文では先ず、車輪・軌条輪の接触幾何の解析を行う。次に曲線における横圧を低減するためにボギー角連動操舵台車を、高速走行安定性を高めるために独立車輪台車を研究対象とし、これらの運動特性の理論解析を行い、試験台試験、走行試験等により検証する。そして、これらを応用して、新幹線なみの高速走行安定性と在来線の急曲線をより小さな横圧で走行できる「操舵機構付き独立車輪台車」の運動特性の理論解析結果を示す。

　この研究により、ボギー角連動操舵台車、独立車輪台車および操舵機構付き独立車輪台車の基本的な運動特性が明らかとなり、これらの台車を解析、設計する際の指針が得られる。また、操舵機構付き独立車輪台車は、その運動特性から新幹線と在来線の直通運転が可能であり、独立車輪の構造を生かし、「軌間可変台車」としての応用も可能であることから、新在直通車両、軌間可変車両としての応用が期待できる。

　車輪・軌条輪の接触情報を正確に求めるために、車輪・軌条輪3次元接触プログラムを開発し、車輪・レールの接触状態と比較した。

　試験台(軌条輪上)での台車の運動を予測したり、試験結果から、レール上での運動を適切に推定するには、車輪・レールだけでなく、車輪と軌条輪の接触点に関する情報が必要となる。これまで、車輪・軌条輪の接触幾何に関しては厳密に求めたものがなかったため、車輪・軌条輪の3次元接触幾何の解析を行うこととした。その結果、車輪・軌条輪と車輪・レールの接触状態を、軌条輪とレールとも同じ車輪径で比較した場合、接触点位置に関しては違いがほとんどないが、軌条輪は長手方向に曲率を持つため、接触楕円が小さくなって、クリープ係数が小さく、接触圧力が大きくなること、また軌条輪が回転するためスピンが大きくなることが分かった。また、軌条輪とレールの長手方向の影響をなくすために、車輪径を補正して比較した結果、フランジ接触付近およびヨー角3°で違いがあることが分かった。本研究における試験台の運動解析には、本章で開発した車輪・軌条輪3次元接触プログラムによる接触情報を用いた。

　従来の一体輪軸台車にボギー角連動方式の操舵機構を組み込んだ場合の、走行安定性や曲線横圧の理論解析を行い、操舵台車(RT-X4台車)を試作して走行試験を行い検証した。貨車では積車の場合、積載重量が大きいため曲線通過時の横圧が大きく、より横圧の小さい台車が求められている。このため、先ず一体輪軸を用いたボギー角連動操舵機構を貨車台車に応用し、その効果を確認することとした。ボギー角連動操舵台車の場合、等価踏面勾配の増加とともに走行安定性が向上するという『Weinstock効果』が既に発表されているが、本研究における計算でもこれを確認した。解析の結果、ボギー角連動操舵台車は、走行安定性と横圧低減効果を得るために、操舵リンク支持剛性と軸箱支持剛性の適値を得る必要があること、積車より空車は走行安定性が低いことがわかった。また曲線の定常横圧は大幅に減少する結果を得た。これらの理論解析をもとに、貨車用の操舵台車(RT-X4台車)を試作し、試験台試験、本線走行試験を行い、走行安定性や曲線における横圧低減効果を実車で確認した。

　第3章と同じボギー角連動操舵方式を、特急旅客車用の操舵台車(DC283台車)に応用し、実用化に結び付けるまでに行った理論解析と走行試験から、ボギー角連動操舵台車の運動特性を明らかにした。

　理論解析および走行試験の結果、円曲線における操舵台車の平均横圧は従来台車の1/2〜1/3に減少し、操舵による横圧低減効果が明白であることを確認した。さらに横圧低減効果は緩和曲線も含めて評価する必要があること、緩和曲線での操舵遅れを小さくし、効果的な横圧低減効果を得るための操舵比や、横圧は第1軸に注目して評価すればよいこと、円曲線における横圧低減効果は踏面形状の違いによる差が小さいが、円弧踏面は緩和曲線での横圧をより小さくできること等を明らかにした。

　独立車輪台車についての運動特性の理論解析を行い、独立車輪台車(RT-X4台車)を試作して走行試験を行い検証した。

　まず、1輪軸としての独立車輪と一体輪軸の運動特性の違いを明らかにした。そして独立車輪台車と一体輪軸台車の走行安定性の比較を、車輪回転自由度を考慮したモデルや、一体輪軸で縦クリープ係数を0とした単純化独立車輪モデル、試験台半車体モデルとレール上の1車両モデル等のモデル別で行った。また独立車輪台車と一体輪軸台車の曲線通過横圧をシミュレーションにて比較した。これらの検討をもとに独立車輪台車(RT-X1台車)を試作し、試験台試験、本線走行試験を行い、さらに同台車を駆動台車とした運動特性も確認した。その結果、独立車輪台車は走行安定性が高いこと、曲線通過時の横圧が大きいこと、偏り走行が生じやすいこと、接触角度差の大きい踏面形状を採用することで偏り走行を防止できること、駆動装置としてノースピンデフを用いた場合、片輪駆動が生じやすいこと等がわかった。

　5章までの研究成果を合同する形で、ボギー角連動操舵機構と独立車輪を組み合わせ、新幹線なみの高速走行安定性と在来線の急曲線をより小さな横圧で走行できる、『操舵機構付き独立車輪台車』の運動特性を理論的に解析した。

　これまで解析、開発がなされたボギー角連動操舵台車は一体輪軸との組合であり、本研究で検討した独立車輪との組合せは世界的にも例がない。独立車輪の偏り走行を防止するため、接触角度差を大きくした新独立車輪踏面形状を開発し、台車構造を単純化するために、ボルスタレスとした操舵機構付き独立車輪台車を考えた。固有値解析の結果、独立車輪を用いた操舵機構付き独立車輪台車でも、Weinstock効果によるdivergent(正の実根)が確認された。そして、操舵比、操舵リンク剛性、横クリープ係数を小さくするとdivergentがなくなること、輪軸の重力復元力がdivergentを安定化させることがわかった。なお、同台車のクリープ力の飽和特性や接触幾何を非線形とした非線形シミュレーションでは、divergentに相当する偏り走行の現象はみられなかった。固有値解析およびシミュレーションの結果、操舵機構付き独立車輪台車は、高速で車体蛇行動の安定性が低下する可能性があること、接触角度差による重力復元力は輪軸の復元機能とともに、車体蛇行動の安定性を高める効果を持つことがわかった。また独立車輪の片輪駆動時の挙動も検討した。想定した駆動力の範囲では、片輪駆動により横圧、脱線係数が大きくなることはなく、走行安全性への影響は小さい。しかし、一方の車輪が固渋した場合は横圧が大きくなり、走行安全性に影響を及ぼすことがわかった。

　簡易な台車モデルにより、静的なつり合いから操舵比を求める式を導いた。この式は台車諸元が操舵比に及ぼす影響を概観できる。この式から台車がラジアル位置をとるには、操舵比の割り増しが必要であり、台車回転抵抗が大きい場合、また輪軸の自己操舵機能が不足する場合は、操舵比を1.0以上とする必要があることがわかった。また、一体輪軸と独立車輪における、ボギー角連動操舵のメカニズムをシミュレーションで比較した結果、独立車輪の挙動は操舵比がある値以内では鈍感、ある値以上では鋭敏に変化すること、一体輪軸、独立車輪とも過剰操舵になると横圧が大きくなること等から、適切な操舵比の選定が重要であることがわかった。

　本研究により、ボギー角連動操舵台車、独立車輪台車、そしてこれらを組合せた操舵機構付き独立車輪台車の走行安定性、曲線通過特性を明らかにすることができた。