振子車両とは？

　普通の人に「振子車両」と言っても、そのメカニズムについてはよく解らないと思うので、ここで簡単に説明します。

　鉄道フリークな方でよく解っている人は読み飛ばしてね(^^;
　つっこみ、揚げ足取りも歓迎します（笑）

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端から見ても倒れそうなほど車体を傾けて走行する振子式車両

１．なぜ振子か？ ２．制御付振子の仕組み ３．「振子気動車」の課題 ４．８０００系電車の新技術 ５．空気ばね強制車体傾斜との相違 ６．現状 ７．振子式気動車開発秘話（半分宣伝ｗ

図(1) 図(2) 図(3)

まず、多くの人が勘違いしているのだが、振子式というのは本来「カーブを高速で通過するための技術ではない」ことを知っていただきたい。 　カーブを通過する際に発生する遠心力の作用によって乗り心地が悪化するため、「遠心力の作用を相殺することでカーブでの乗り心地の向上を図る技術」である。 　鉄道の曲線通過速度は、乗り心地を基準にして決められており、乗り心地を測る数値として、遠心力（超過遠心力）の作用による横Ｇの大きさが使われる。 　この横Ｇの大きさが一定値（通常は０．０８Ｇ）以上にならないように、一定の安全余裕を見込んだ上で、曲線通過速度が設定されているわけである。 　つまり曲線通過速度を上げるためには、この横Ｇを小さくしてやればいいわけで、それを振子の作用によって相殺する（横Ｇを小さくする）ことによって乗り心地を向上を図るのが、振子式の本来の目的であり、曲線通過速度の向上はそれによって得られる結果に過ぎない。 　要するに振子式車両は他の車両に比べて、「同じ乗り心地で、より高速にカーブを通過できる」わけで、一般的にはこの「高速にカーブが通過できる」という点だけが振子式のメリットとして一人歩きし、それが振子式の目的であるかのように錯覚されているのである。 　特に振子式車両は効果的な振子作用を得るため、通常の車両よりも車高を低くするなど、低重心化が図られており、その意味では別に振子が無くても通常の車両よりもより高速でカーブを通過することができる。 　日本は山国で複雑な地形をしている。また四方を海に囲まれて複雑な海岸線を持つことでも知られている。 　そこを走る鉄道も、平野部を除けばその地形故にカーブや勾配が多く、普通の車両ではせっかく最高速度を上げてもカーブでは今までと同じ速度で走らざるを得ず、最高速度向上の効果はあまりないのが実状である。 　そこでカーブをより高い速度で走行することが出来れば、所要時分短縮の効果が得られるが、そこで問題になるのが遠心力による乗り心地の悪化である。 　通常カーブでは、列車が曲がりやすくするために外側のレールと内側のレールに高低差が設けられており、これを「カント」という。このカントはある一定の速度以下では効果を発揮し、速度を落とさずに安全にカーブが曲がれる（左図(1)）。 　しかしある程度以上の速度では、車体にかかる遠心力の方が重力を上回り、超過遠心力がかることによって車体は外側に膨らみ（傾き）、乗り心地を大きく阻害する（左図(2))。 　だがカントが大きすぎれば、速度が低い場合には逆に車両が内側に転覆するおそれがあり、カントの大きさはその路線の実状に合わせて設定されている。ＪＲの場合は他に特に定めがない限りは、狭軌在来線における最大カント量は１０５ｍｍ、標準軌の新幹線では１８０ｍｍとなっている。 　では、カーブでの乗り心地をよくするためには、意図的に車体をカーブの内側に傾け、超過遠心力を相殺してやればよいことになる（左図(3)）。 　一般的に振子車両は、その振子の効果を引き出すため（曲線での走行安定性を高めるため）に一般の車両より車体が低くなっており、また傾く車体が車両限界に抵触しないように、車体上下の絞り込みが大きいのが特徴である。 　以下に、通常の車両と一般的な振子車両の、曲線通過速度のおまかな違いを表にしてみた。 曲線半径 　　一般車　　 　自然振子　 制御付自然振子 200ｍ 50km/h 65km/h 70km/h 250　 60　　 75　　 80　　 300　 65　　 80　　 85　　 400　 75　　 95　　 100　　 500　 85　　 105　　 110　　 600　 90　　 110　　 120　　 700　 95　　 115　　 125　　 800　 100　　 120　　 130　　 1,000　 105　　 ｜　　 ｜　　 1,200　 110　　 ｜　　 ｜　　 1,400　 115　　 ｜　　 ｜　　 1,600　 120　　 ↓　　 ↓　　 　半径３００ｍの曲線は地方の幹線には結構多く存在するし、６００ｍ程度なら幹線系でもごろごろある。 　例えば、線区（列車）の最高速度が１２０ｋｍ／ｈで半径６００ｍのカーブを通過する場合、一般の車両では通過速度が９０キロに制限されるが、自然振子車なら１１０キロでＯＫ、制御付振子車なら１２０キロ（つまり速度制限無し）で通過できるわけである。 　以上のような発想に基づき、１９７３年に中央本線特急「しなの」に登場したのが３８１系電車である。 　当時はまだ制御振子の技術が確立しておらず、車体の傾斜は遠心力の力のみを利用（自然振子）していた。 　そのため、曲線に進入した際の急激な揺れと、曲線を出たあとの「揺れ戻し」の問題が残り、これを改善すべく制御付振子の開発が進められることになった（以下次項）。

蛇足であるが、「振子式の方がカーブで安定する」というのも、よく見受けられる大変な誤解である。 　通常振子式車両は、振子が動作しやすいように車両重心よりも振子中心を上に設定している。 　振子が作用すると、車体の重心が通常よりも外側に移動することになり、力学的に見た場合のカーブでの挙動は、振子式車両の方が通常の車両よりも不安定となる。 　また、通過速度が上がると言うことは車両にかかる遠心力そのものはその分大きくなるわけであり、早い話、振子式車両の方が通常の車両よりもカーブでは脱線しやすいのである。それでも脱線しないのは、もともとの曲線通過速度が、実際の脱線速度よりも遙かに低く設定されているためである。 　さらに言えば曲線通過速度が上がる分、車輪にかかる力、すなわち車輪がレールを外に押そうとする力は増えるわけであり、軌道に与える負担も大きくなることから、（振子を使用する前提で）振子式車両が導入された路線では、特に曲線区間での線路改良（強化）工事が必ず実施されている。 　逆に言えば、軌道側を強化しなければ振子式車両の性能を発揮できないわけであり、実際に、振子式車両が走行する路線であっても曲線改良が行われていない区間では、振子を止めて通常の車両と同じ速度で走行している（山口線・因美線など）。 　四国でも振子式車両の導入当初は、直線区間はバラストも控え目で木製枕木である一方、曲線区間は分厚いバラストにＰＣ（コンクリート）枕木という状況も多かった。 　なお、脱線しにくくする（脱線係数を低くする）台車側の技術のひとつが、「操舵台車（ラジアル台車）」である。 　実際、これを搭載しているＪＲ東海３８３系やＪＲ北海道キハ２８３系では、曲線通過速度のさらなる向上が可能となった。 ※この、振子中心に対する車両重心の動きが振子に似ているのが「振子式」の名称の由来である。

↓中央本線特急「ワイドビューしなの（３８３系）」の例

	直線走行状態
	先頭車両が緩和曲線入口にさしかかり、振子指令により傾斜を開始。
	先頭車両はさらに大きく傾斜。さらに２両目が時間をずらして傾斜を開始。 　３両目はまだ直線走行状態で、１〜３両目がそれぞれ異なる角度で傾斜している。

Ｎ２０００系の「うずしお」
４両全てがそれぞれ異なる角度で傾いているのが判る

予讃線　鬼無〜端岡間
１９９８年９月１６日


塩入駅に進入する２７００系の「南風１４号」
２０００系よりもさらに洗練された振子制御で、見事な「順次傾斜」を見ることが出来る

土讃線　塩入駅
２０１９年１０月７日

※「ＡＴＳ」とは「自動列車停止装置 (Automatic Train Stop)」の略で、列車が赤信号を無視して通過すると警報を発したり自動的に非常ブレーキを掛けたりする安全装置で、ＪＲでは全線に装備されている。その動作方法等の細部の違いによって、「ＡＴＳ−Ｓ型」「ＡＴＳ−Ｐ型」「ＡＴＳ−ＳＳ型」「ＡＴＳ−ＳＰ型」などいくつか種類ある。

　位置情報の算出には、先に述べたようにＡＴＳ地上子を基準にしているが、ＡＴＳ車上子からのこの情報を基に、車輪の回転数から走行距離を演算し、曲線入口を検知している。この場合、累積誤差を極力少なくするため、ＡＴＳ地上子を通過する毎に演算値をクリア（０に戻す）している。また、車輪が滑走（空転）する場合があるので、その誤差をなくすために複数の速度発電機を使用し、回転数の多い方の数値を優先するようになっている。

　これら、曲線の大きさ・長さ・向き・カント量の情報は、その曲線番号（全ての曲線に各々番号が付与されている）とともに走行開始前に設定スイッチの操作によって予めＣＣ装置からＴＣ装置に電送され、ＴＣ装置にも記憶される。


　走行中は、基準となるＡＴＳ地上子を検知すると、ＣＣ装置は先に述べた方法で曲線入口手前５０ｍの位置を演算し、編成の先頭車両から順次時間をずらして（どの程度ずらすかは、その時の列車の速度から演算される）各車に搭載されたＴＣ装置に振子司令を伝送（曲線番号・車両番号）する。

　各ＴＣ装置は、予めメモリーされている次の曲線のデータに、現在の列車の走行速度を加味した上で所定の制御指令を演算し、曲線手前χｍに近づくと、台車に搭載された振子シリンダの制御装置に指令を出し、車体を傾斜させる。

　その後円曲線出口ｙｍの位置を算出し、今度は車体傾斜を引き戻す。

　各台車に取り付けられた振子角度変位計からは、車体の傾斜角度の情報が約５０ミリ秒（１ミリ秒は１秒の１／１００）毎にＴＣ装置にフィードバックされ、列車の現在速度の変化に合わせて傾斜角度が修正される仕組みになっている。


　これら地上側の情報（曲線情報やＡＴＳ地上子の位置情報）は、実際に試験走行を行って、そこから得られた実測値が入力されている。
　地上設備はしばしば変更され（特にＡＴＳ地上子の移設）、その度に実測値を測定し直してはデータを入力し直すという作業が必要になる。


　ちなみにこの振子制御は、２０００系気動車の場合は列車の速度が５０ｋｍ／ｈ以上で尚かつ曲線半径が１２００ｍ以内の場合のみ作用するようになっており、それ以外（列車の速度が３０キロ程度の場合など）では台車に取り付けられた振子抑止シリンダによって振子をロック（振子が動作しないように）し、不用意な車体の動揺で乗り心地が悪化するのを防止している。



　山間部を走行する土讃線の場合、次から次へと曲線が連続するようなところを９０キロ以上もの高速で走行するために、現代のコンピューター技術をもってしても演算が追いつかず、ＣＣ装置が列車位置を見失ってしまう場合がままある。
　その筋ではこれを「振子が飛ぶ」と言うが、私も実際に何度か経験があり、直線区間を走っているのに車体が傾いたまま。という場面に出くわしたこともあった。しかしこれも、プログラムの改良などによって最近ではほとんど無くなったようである。


　と、電車であればここまでの話で済むのであるが、「気動車」にはまだクリアしなければならない問題がいくつかあり、それが、２０００系以前に「振子気動車」が実用化に至らなかった最大の要因でもある。

　なお、ＪＲ四国では１９８８年の９月頃から、翌８９年３月ダイヤ改正での試作車投入に備えて、瀬戸大橋線・予讃線・土讃線に於いて実際に試験列車を運転して、地上データの実測を行っている。

　実は、振子気動車「のようなもの」自体は過去に於いて存在したことがあった。下のイラストの車両がそれで、「キハ３９１系」と呼ばれていた。

ワイヤ固定式 ＪＲ四国８０００系／８６００系	剛体固定式 ＪＲ九州８８３／８８５系、ＪＲ東日本Ｅ３５１系
ＪＲ四国８０００系のパンタグラフと、 台車側のワイヤ固定部位	ＪＲ九州８８３系（１０００番台）のパンタグラフと、 台車とパンタグラフ固定装置のリンク部分

曲線通過中の８０００系のパンタグラフ

なお、パンタグラフの撤去された８５００形については パンタ基台は固定されて動かないようになっている （制御用のワイヤーも撤去されている）

８６００系の固定部位 　恐らくは、ワイヤにかかる負荷を減らすために、曲線通過時の台車の「首振り」の影響を受けない構造にしているものと思われる。

振子式 ※図はころ式の場合で、ベアリングガイド式も車体の動作自体は同じ

空気ばね強制車体傾斜式 ※曲線内側のばねは縮めない場合も多い

車体断面の比較

一般車 （キハ１８５系キハ１８５形）	振子式車両 （２０００系２１５０形）	空気ばね車体傾斜式車両 （８６００系８７５０形）
幅広車体なので裾が絞られているが、側面は垂直となっている。	一般車比で上下とも絞られているのが判る。	振子式車両に比べると、裾の絞りが小さいのが判る。 　ホームとの隙間の違いに注目。

【振子気動車に懸けた男たち】 (2016年　交通新聞社新書) 福原 俊一氏著