カント (路線)
カント (cant) とは、軌道や道路の曲線部において、外側のレールまたは路面を内側よりも高くすること、またはその高低差のことである。道路の場合には横断勾配（おうだんこうばい）や片勾配（かたこうばい）、バンク (bank) とも呼ばれる。
カントを設けることにより、通過車両に作用する重力と遠心力の合力が軌道面の線路中心に対して垂直に近い角度で指すように作用することで超過遠心加速度を打ち消すようになっている。これにより曲線を安定して通過できるようになり、また乗り心地が向上する。カントの量は曲率半径と通過する車両の速度によって決められ、半径が小さいほど、また速度が大きいほど大きなカント量が必要となる。また、半径の小さい曲線では最大限のカントを設けても高速で通過する列車に対してカント不足が生じる。特殊な機構により車体を傾斜させることのできる振り子式車両を導入することでカントの不足を補い、曲線区間の通過速度を向上させる例も見られる。
カント量は連続的に変化させなければならないので、直線区間と曲線区間の境界や曲率半径が変化する場所では緩和曲線区間で徐々にカントを大きくする。S字カーブなど、緩和曲線を十分にとれない場合はカントの不足や超過が発生し、走行安定性や乗り心地が損なわれる。
鉄道
線路におけるカント
速度の異なる列車の走る路線では、通過する列車の平均速度を算定して、それに見合うカントを設定している。そのため、この平均速度を上回る高速の列車に対してはカント不足、この平均速度を下回る低速の列車に対してはカント超過となる。古くからある路線では昔の低速の列車にあわせてカントが設定されており、列車の通過速度向上に伴ってカント不足となることがあるため、カント量を引き上げて路線の最高速度を上昇させる工事が行われることがある。
カントには、設定カント量とカント不足量があり、設定カント量とは、曲線を通過する列車の平均速度で設定されたカント量であり、その上限である最大カント量は、車両が曲線を低速で通過する際、曲線の外側からの強風による転覆防止と車体の傾斜で乗客が不快感及び不安感を覚えない乗り心地の面から限界があり、JRの場合、新幹線（標準軌）では180 mm（実際はそれ以下の方が多い）、在来線（狭軌）では105 mm、標準軌私鉄では150 mmとされており、西欧の標準軌の場合は150 - 160 mmとしている。カント不足量とは、曲線での最高速度に対応したカント量と曲線での平均速度で設定された設定カント量の差であり、設定カント量の平均速度以上を超過すると、カント不足による超過遠心加速度が働いて、安全性や乗り心地に影響を与えるため、上限があり、曲線での遠心力と重力の合力の作用点を、軌道中心から軌道間（線路の間の長さ）の1/8以内（安全比率[1]4）とした場合では、在来線の狭軌で100 mm、標準軌で150 mmとなり、新幹線で90 mmとしている。
乗り心地による左右加速度の限界は0.08 G（2.8km/h/sec)が目安としているため、これを元に、カント不足量を算定した場合では、車両の枕バネなどのたわみを考慮した余裕を見込む必要があるため、現行規程では、狭軌在来線での一般車両で60 mm、一般の特急形車両で70mm、振り子式特急形車両で110 mm、新幹線で90 mmとしており、安全性の制約により、低めの数値となっている。
その他にも、カントによって車両が傾くため、風による車両の転覆の危険が高まる。カント不足の場合では内側の風、カント超過の場合には外側の風により安全比率が低下するが、後者の方が危険になる場合が多い。また、カント超過の場合の外側の風による車両を転覆させようとする力は、超過遠心力と重力分力の差の項、振動慣性力の項、風圧力の項の合成力になる。また、転覆に対する危険の限界値は、停止時では安全比率で1.5、通過時には安全比率で1.2となる。
カントつきの曲線では、直線区間と比べ車両から線路にかかる力が大きくなるため、より多くの枕木やバラストが必要になる。
また、何らかの理由でカント量の高い区間に列車が停止した場合に、つり革などを掴めていない立ち席客が倒れたりするトラブルも時々ある。
緩和曲線とカントとの関係
曲線に設定されたカントは、曲線外での緩和曲線では徐々に減少させるととも緩和曲線の曲線半径を徐々に大きくさせる必要がある。それにより、車両に働く曲線での遠心力をカントと釣り合わせることができる。また、在来線の場合の曲線のカント量は、規定の制限速度に対応したカント量より低めが多い。これは、直線から曲線までに至る緩和曲線によりカントが抑えられ、曲線でのカント量を大きくできないためである。緩和曲線の長さは線路等級により異なるが、軸重抜け（輪重抜け）を避けるためと乗り心地の悪化防止のため、カント量の400 - 1000倍としているが[2]、この倍率は車軸の軸距（固定軸距）が長い二軸貨車での場合であり、車軸の軸距が短いボギー台車を使用している電車専用線では、この倍率は低く抑えられる。
ローラーコースター
ローラーコースターは重力で動くため、その車体は動力が不要で軽く、レールをローラーが挟み込む構造が可能となっている。そのため脱線・横転の起きないローラーコースターは、カントを増やして曲線を高速走行することができる[3]。
一方、スリルを求めるローラーコースターでは逆カントを取り入れたものも現れている[4]。
自転車競技場
自転車競技場では、ロール軸の角躍度を最小化するために、横断勾配の規定を含むマッコーネル曲線[5]等の緩和曲線が使われている。
脚注
- ↑ カントを0とした場合での、曲線の外側に働く遠心力と重力との合力が、線路中心から離れる度合いであり、線路中心から離れる度合いをDとし、レールの軌間をGとし、安全比率をαとすると、α=G/2Dで算定される。安全比率の値が小さいと曲線での遠心加速度による車両転覆の可能性が高まり、安全比率1の場合では、遠心力と重力との合力の作用点が曲線軌道の外側のレール上に働くこと意味しており、その場合でのカント不足は、在来線の狭軌の重心高さ1､300 mmの特急形車両で350 mm、重心高さ1､650 mmの特急形車両で275 mmとなる。
- ↑ カントが大きくなると、緩和曲線が長くなる。
- ↑ RRR 2008.7 安全で快適に曲がるための曲線線形 鉄道総合技術研究所 2008年7月
- ↑ よみうりランドに新コースター「ツイスターコースター ロビン」誕生! 毎ナビ 2014年3月19日
- ↑ Highway Curves and Test Track Design 米国科学アカデミー K. A. Stonex、William A. McConnell 1957年
参考文献
- 『鉄道工学ハンドブック』グランプリ出版 1995年 ISBN 4-87687-163-9