鉄道の車輪がレールに接する面は、単純な円筒ではない。左右方向へ接触位置が変わると、転がる部分の半径も変わる形になっている。このわずかな違いが、左右の車輪を同じ軸で回しながら曲線を走ることに関わっている。
外側の車輪は、長い道のりを進む
曲線では外側のレールの方が長い。左右の車輪が軸に固定され、同じ回数だけ回る場合、両方の転がり半径が同じなら、進める距離も同じになってしまう。そこで、接触する場所を変えることで左右の有効な半径に差を作る。
円錐形を単純化した例では、輪軸が曲線の外側へ寄ると、外側の車輪は大きい半径の場所で、内側は小さい半径の場所で接触する。同じ回転数でも、外側の車輪が長い距離を進める。この幾何学的な仕組みが、曲線を通る助けになる。
中央へ戻る動きが、揺れにもつながる
直線上でも輪軸が片側へずれると、左右の半径差によって進む向きが変わる。これが軌道の中央へ向かう動きを生む。中央へ来たところで完全に止まらず反対側へ行けば、左右へ振れる動きになる。車輪形状は、この蛇行動にも関係する。
鉄道総研では、踏面形状や車両の諸元から、蛇行動が発生する条件を調べている。曲線を通りやすくすることと、高速で安定して走ることは、同じ指標を大きくすれば両方よくなる関係ではない。車輪、台車、ばねや減衰装置を合わせて設計する必要がある。
フランジだけで道案内をしているわけではない
車輪の内側の出っ張りをフランジという。模型を見ると、これが常にレールへ強く当たり、進行方向を決めているように思える。通常の走行では、踏面とレールの接触で生じる力や、接触位置の変化が重要な役割を担う。急な曲線などではフランジの接触も生じる。
実物の踏面には、円錐だけでなく円弧などを組み合わせた形が使われる。摩耗すれば接触の仕方も変わるため、車輪を削って形を整える保守が必要になる。小さな傾斜は、製造上の誤差ではない。走行と保守を含めた設計の一部なのである。
本文の説明は、左右の車輪が一体に回る一般的な輪軸を単純化している。独立回転車輪など、異なる構造の車両にはそのまま当てはまらない。
参考資料
参考資料確認日：2026年10月14日。