新製品と新技術新型次世代台車「efWING」の開発 1.efWING の概要レーションによる輪重横圧の計算を求められ川崎重工業は、世界で初めて CFRP 製のる。リーフスプリングを持つ次世代の鉄道車両用 2011 年に主要構造部に CFRP を使用した *1 台車「efWING 」を開発した。efWING は、民間航空機が旅客運行を開始し、航空機業界従来の台車では鋼製であった台車枠の主構造では日本が誇る新素材 CFRP が注目を浴びてに CFRP を採用し、更にこの CFRP 製フレーいる。鉄道車両でも、新幹線の先頭部やカバームにサスペンション機能を持たせて 1 次サスにも採用が拡大しており、台車への採用にもペンションを不要としている。これにより、弾みがついた。台車枠の重量を従来比で 1 両当たり約 900 ㎏の軽量化を達成し、ランニングコストの低減 3. 基本構造と CO2 排出量の削減に貢献できる。従来台車においては、1 台車内には 4 つの車輪が車軸に組み込まれ、前後 2 セットの輪 2. 開発のいきさつ軸となる。1 次サスペンションを介して台車鉄道車両には厳しい重量制限があり、台車枠があり、台車枠にモータ・ギアやブレーキも軽量化を要求される。しかし近年、センサーなどが組み込まれる。その上に一対の空気バなどの保安部品も多く装着され、台車の重量ネが配置され、その上部に車体が乗る構造では増加する傾向にある。有限要素法 (FEA) にある。今回、図 1 に示す通り、台車枠の両サよる強度解析や板厚最適化計算を行い、板厚イドにある側バリと軸バネを廃して CFRP 製を最少とする設計や軽量穴をあけて軽量化をのバネに置き換える配置とした。図ることも限界となっている。従来の延長上ではこれ以上の軽量化は容易に達成できないので、設計思想そのものを変える必要がある。更に、走行安全性の要求も高まり、静的・動的な輪重変動の厳しい要求、車両運動シミュ川崎重工業株式会社車両カンパニー技術本部台車設計部図1 西村武宏 CFRP バネは 3 層構造であり、上下の層が CFRP で曲げ荷重を負担し、中間層の GFRP 21 鉄道車両工業　470 号　2014.4 新製品と新技術がせん断荷重を支えるよう設計した。CFRP また、材料として鉄道車両に採用する以上、バネはボルトやピンで固定することの無い構難燃性の試験が必項となり、使用する材料で造であり、CFRP のバネの両端は軸箱上に車材燃試において不燃性の結果が出た。商品乗っているだけである。円弧形状の中央圧子化への大きな道が開けた。は、ゴムを介して別体とし横バリ下面に固定されている。CFRP バネの中央に中央圧子を乗せ台車枠を構成する。CFRP バネは軸箱、横バリの両方共に固定されず、乗っているだけの簡素な構造となっている。そのため、前後の車輪に線路不整に起因する高さの差が発生しても、CFRP バネが半円の中央圧子に対して回転し、線路不整差を吸収することに寄与する。重量は 1 本当たり 50 ㎏であり、1 台車で約 450 ㎏の軽量化 ( 従来比 ) を達成し図2 た。 ========================================= 2012( 平成 24) 年 5 月、次の試作台車の 2 *1: environmentally　friendly　Weight-Saving 台車を完成させた。その写真を図 3 に示す。 Innovative　New　Generation Truck 完成後には、静荷重試験や別途単品での疲労 *2: Transportation Technology Center, Inc. 試験を実施し性能を確認している。 ========================================= 4. 開発の経緯 2011( 平成 23) 年から CFRP バネの開発を進めた。在来線の荷重条件を基に軸距2,100㎜の軸箱上に乗るように両端支持の 3 点曲げをベースに設計を展開した。また、軸箱の前後・左図3 右剛性は従来通り軸ハリ式の軸箱支持装置とし、この部分においては大きな開発要素は入 2012( 平成 24) 年 6 月、アメリカのコロれず、将来の商品化の段階で受け入れやすいラド州にあるアメリカ鉄道協会運輸技術セン構成とした。ター（TTCI*2）にて走行試験を実施した。試作台車は在来線向け狭軌のボルスタレス図 4 に走行試験を実施した車両編成写真を台車であり、図 2 に示す形状となった。弊社示す。内の回転試験器で試験を実施し、200 ㎞ /h 1 両目が牽引する機関車、2 両目が計測器まで回転させて引張加振など外乱を与えてもを積んだ測定車、3 両目が比較対象の既存車問題なく走行できることを確認した。と既存台車、4 両目が既存車体と efWING 台更に、バネ単体は満車荷重の 2.7 倍相当の車の組み合わせである。efWING を装着した静荷重に耐えることも荷重試験で実証した。状態を図 5 に示す。鉄道車両工業　470 号　2014.4 22 けないことを要求するアメリカでの厳しい試験基準に従った試験である。本試験において、 efWING は、輪重の抜け量を従来台車の半分以下であることを実証できた。これは、前述の円弧上の中央圧子と CFRP バネの接触部でシーソーのように荷重バランスをとるためである。この高い輪重抜け性能が efWING の大きな特徴と言える。その試験結果を図 6 に示す。図4 走行試験は全 20 日間にわたり、全走行距離 4,469 ㎞を達成した。TTCI には複数のループ線があり、1 番大きな高速路線は全周が 21.7 ｋｍある。最高速度は機関車の限界速度である 160 ㎞ /h で走行を繰り返した。また、最少カーブが R145 であり、8 番分岐もある。更に、左右のレールの上下不整を合わせている Pitch and Bounce、半波長ずれている Twist and Roll、左右不整を合わせている Yaw and Sway があり、それらすべての区間を走行し、輪重と横圧を測定できる PQ 輪軸で動的な測定を行った。図5 一連の試験の結果、efWING がアメリカ連邦運輸局の鉄道車両の走行安全性に対する規走行試験の前に輪重抜け試験を実施した。定 49CFR213.333 の全ての要求を満足し、これは、1 台車内の任意の 1 車輪が線路不整アメリカの鉄道において安全に走行できるこにより、落ち込んだり伸び上がったりした場とが証明された。これら試験結果の代表デー合、車輪とレールの間の上下荷重 ( 輪重 ) が抜タを図 7 に示す。図6 23 鉄道車両工業　470 号　2014.4 図7 新製品と新技術 5. デザインの追及　ン賞に応募し、栄えある金賞を受賞した。今開発当初より、バネに赤いラインを入れる回、審査委員からは「日本が誇る新素材技術などバイクをイメージしたデザインを目指しと構造開発によって、高性能で機能的な美した。車輪の円周に同じく赤いリングマークをさをもった台車が生まれたことを高く評価し入れて意匠性を高め、台車の存在をアピールたい。」など、コメントをいただいた。従来、できるデザインとした。従来にない台車を設車両の先頭形状やカラーリング、室内のデザ計したからこそ、従来にないカラーリングでインにおいては数々のデザイン賞を頂いた鉄印象付けるように配慮した。道車両であるが、今回の台車でのデザイン関更に、CFRP バネの露出部には飛石防止対連の受賞は初めての快挙である。策や保護を目的としてカバーを設ける設計としている。折角のバネのカラーリングが見え 6. 今後の展開　なくなるので、カバーにそのデザインを転写 efWING (2 台車 ) が熊本電鉄殿で 3 月 14 するだけではなく、複数のデザイン案を検討日から営業運転に使用されている。その写真した。車種の違いや客先の違いによってデザを図 8 に示す。インを変えて対応できるよう考慮している。熊本電鉄殿で営業運転に使用できるまでご色も黒と赤の 1 セットではなく、緑や青など支援・ご協力頂いた皆様にこの場を借りて感の複数の色を準備し、客先のカンパニーカ謝を述べるとともに、efWING が鉄道車両技ラーとマッチングしたデザインを提案してい術の革新となり、日本及び世界の鉄道事業者きたい。に普及できるよう取り組んでいく。更に、当初から計画していたグッドデザイ図8 平成26年4月9日、日刊工業新聞社主催「第43回日本産業技術大賞」の表彰式が開催され、川崎重工業株式会社の「鉄道車両用新型台車『efWING』」が、文部科学大臣賞を受賞されました。誠におめでとうございました。鉄道車両工業　470 号　2014.4 24