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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
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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。
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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。
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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。
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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
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図7
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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。
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