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振り子式車両(ふりこしきしゃりょう)とは、曲線通過時に車体を傾斜させることにより、通過速度の向上と乗り心地の改善を図った鉄道車両のうち、リンク、コロ、ベアリング等を使ったもの。車体を傾斜させる時の回転軸が床面上にあり、重心を回転軸の下に下げることにより、遠心力で車体を傾斜させる。日本と欧州で幅広く採用されている。

◆ 概要

車両が曲線を通過するときには遠心力がかかる。これを打ち消すために、曲線の線路には内側に向けて傾斜(カント)が付けられている。それでも速度が速すぎると乗り心地を悪化させたり、さらには車両の転倒につながる。そこで遠心力が規定量を超過しないよう、曲線半径とカント量に応じて曲線を通過する速度には制限速度が設けられている。

蒸気機関車牽引で列車の最高速度が遅かった時代はあまり問題とされなかった制限速度が、電車となり最高速度が向上すると、スピードアップのための障害となった。より高速で曲線を走行しようとする場合、増加する遠心力への対策が必要になる。転倒の危険については、車両の内装や屋根上を軽くするなどして車重を減らし、重心を下げることで対処できる。一方、乗り心地についてはスピードアップに応じてカントの傾斜角を増やすことになるが、列車が曲線で停止した時に車体が傾きすぎないよう、増やせる角度には限度が規定されている。特に曲線半径が小さい場合はカント不足となる。

平坦な場所を走行する幹線では元々曲線半径は大きめに取られているが、山岳路線やローカル線では敷設条件から半径の小さい曲線が小刻みに連続する。根本的な解決には大トンネルを掘るなど線形を改良することになるが、それが困難なケースについてはカントの不足分を車体自体を傾斜させることで補う「振り子式車両」を実用化することが検討された。なお、車体傾斜は乗り心地を維持したままスピードを上げるための仕組みであり、軌道への衝撃などを減らすためのものではない。そのため、振り子車両で高速化する場合は曲線の軌道強化が必要となる。振り子の動作自体は車体の重心位置を変動させるので高速走行には悪影響となるが、車体の重心下げと併せて悪影響のない範囲にすることで解決している。

◇ 自然振り子と強制振り子

振り子式車両は遠心力をリンク、コロ(=ローラー)等を通じて伝達することによって傾斜させる自然振り子と、先頭車両(通常は機関車)に搭載された加速度センサーの情報から最適な傾斜角を計算し、リンクや油圧などにより傾斜させる強制振り子に大別される。前者はかつての日本の国鉄で実用化され、後者は主に欧州で研究が進められてイタリアなどで普及した。

◇ 乗り心地と車酔い

自然振り子は実用化されたものの、営業を開始すると乗り物酔いを起こす乗客が続出し、対応に追われることになった。最大の原因は曲線を通過後、左右の揺り戻しが継続して起こるためであることが判明し、揺り戻しの左右揺動を抑止する機構が追って追加された。また、自然振り子式からさらなる性能向上を図るべく、線路の位置情報をATS車上子が検知、曲線進入前から徐々に車体を傾斜させ、通過後に復元させる制御付き自然振り子式が1990年代には実用化され、JR各社がこぞって採用した。

これらの改善によって乗り心地は改善されたが、それでも通常車両であれば身体が曲線の外側に振り出されるように遠心力を受けるのに対し、振り子式車両では床面全体が左右に変位し、下向きに遠心力を受けるという生理感覚と異なる感覚が(特に立席時に)生じる。このため大部分の車両では各座席の枕の上や横に握り手を備えるが、依然乗り物酔いを起こす乗客もいる。

◇ 車体傾斜制御装置

振り子式は、軌道の強化(振り子の方式によっては架線の張り替え工事も)が必要である上、車両重量やコスト面で問題を抱えていたため、私鉄での採用例はJRと乗り入れをしているという特殊な事情がある時だけであった。そのため、振り子式に代わって空気バネ台車の枕バネの空気圧を左右で変えることにより車体傾斜を行う車体傾斜制御装置が登場した。振り子式(最大約6-8度)と比べると車体傾斜能力は劣る(最大約2度)。しかし専用の振り子装置を搭載しなくて済むため軽量かつ安価であることと、傾斜角度2度の場合でも初期の自然振り子式車両(381系)とほぼ同等の速度向上が期待できることから、2度前後の車体傾斜でも速達効果の改善が十分期待できる路線を対象に、コスト面優先の私鉄やローカル線用の新型特急向けに採用されている。ちなみに、簡易振り子装置と呼ばれることもあるが、振り子装置は装備されていないので厳密にはこの呼び名は間違いである。N700系とE5系にもこの技術が採用されている。

◆ 日本

1960年代、小田急電鉄と三菱電機が共同で空気バネの圧力差を利用した上記の空気バネ圧制御式に相当する車体傾斜装置の実用化試験を行うが、当時は技術そのものが未熟で、実用化は見送られた。ちなみに、これと同等のシステムは下記のJR北海道キハ201系気動車でようやく実用化された。

その後、国鉄時代の1969年に、コロ軸支持式の自然振り子式を採用した591系試験電車が試作され、そこで得られたデータを基に特急形車両の381系電車が量産され、中央西線・紀勢本線・伯備線の順でそれぞれの電化とともに投入された。

民営化後は、JR四国が鉄道総合技術研究所とともに世界初の制御付き自然振り子式気動車を実用化し、普及に弾みをつけた。

速度向上は、半径600m(本則90km/h)の曲線を基準とした場合、制御付き自然振り子式で本則+25km/h〜35km/h、簡易振り子式で本則+20km/h〜+25km/h、低重心化のみで本則+15km/h〜+20km/h程度となっている。

◇ 自然振り子式

・ 591系試験電車:1969年。前後非対称・アルミ製車体・最高速度は130km/h・傾斜角度は6度でパンタグラフは架線追従式・操舵装置付き台車を装備した3両編成の連接車として誕生した。ところが、テスト中に操舵装置に問題がある事が判明し、1971年にメリットが薄くなった連接車から2両編成のボギー車へと改造される。東北本線への投入を前提として交直流電車としていたが、東北新幹線の建設が決まり、後年は中央本線・信越本線などで試験を実施。晩年は岡谷駅構内に留置され、1980年に長野工場で解体。

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