(57)【要約】【課題】構造を簡単にして安価に振動の低減が可能な鉄道車両の低振動化方法を提供すること。【解決手段】横梁１１に対して吊り下げるようにして床下機器５を取り付ける場合に、その床下機器５から発生した複数の振動が伝わって車内の上床１５に生じる振動を、その上床１５の所定箇所において低減させる鉄道車両の低振動化方法であり、床下機器５が横梁１１に対して取り付けられる複数の固定部７ａ，７ｂから上床１５の所定箇所Ｘまでの複数の振動伝達経路を見た場合に、所定の振動経路において振動位相を変化させることにより、所定箇所Ｘに伝わる振動同士の干渉を調整する鉄道車両の低振動化方法。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
横梁に対して吊り下げるようにして床下機器を取り付ける場合に、その床下機器から発生した複数の振動が伝わって車内の上床に生じる振動を、その上床の所定箇所において低減させる鉄道車両の低振動化方法であり、
前記床下機器が前記横梁に対して取り付けられる複数の固定部から前記上床の所定箇所までの複数の振動伝達経路を見た場合に、所定の振動経路において当該振動の振動位相を変化させることにより、前記所定箇所に伝わる振動同士の干渉を調整することを特徴とする鉄道車両の低振動化方法。
【請求項２】
請求項１に記載する鉄道車両の低振動化方法において、
前記床下機器の固定位置を変化させることにより、その固定部から前記所定箇所までの振動伝達経路の距離を変化させて、前記所定箇所に伝わる振動同士の干渉を調整することを特徴とする鉄道車両の低振動化方法。
【請求項３】
請求項１に記載する鉄道車両の低振動化方法において、
前記床下機器が横梁に対して取り付けられる複数の固定部において、その一又は二以上に振動の位相を変化させる位相可変部材を設けたことを特徴とする鉄道車両の低振動化方法。
【請求項４】
請求項３に記載する鉄道車両の低振動化方法において、
前記位相可変部材は、ダンパーや積層ゴムであることを特徴とする鉄道車両の低振動化方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載する鉄道車両の低振動化方法を用いて、床下機器を横梁に対して取り付けたものであることを特徴とする鉄道車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乗客の感じる振動を低減させる鉄道車両の低振動化方法に関し、特に、特別な装置を用いることなく振動を低減させる低振動化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両の走行中に乗客が感じる振動は、車輪から台車を通して伝えられる振動の他、車体の床下に取り付けられた床下機器を発振源とした振動が梁を通して床に伝えられるものなどがある。最近は快適な移動空間の提供が求められ、その実現のため乗客への振動低減が主要課題の一つであり、特に、台車や床下機器から伝達される振動に対して、本出願人も下記特許文献１にてアクティブ制振装置を提案している。図７は、同文献に記載された床下機器の支持構造の部分拡大断面図である。
【０００３】
横梁１１０は、左右の側梁を車体幅方向に結合し、図示するように断面Ｉ字状の板材であって、その下端部には吊下溝１１１が形成されており、その吊下溝１１１にはボルト１２１のヘッドが挿入されている。吊下溝１１１内にヘッドを引っ掛けられたボルト１２１は真下を向き、そこにはアクチュエータ装置１３１と床下機器１００を支えるブラケット部材１３２とが重ねて貫かれ、その下からボルト１２１の雄ネジにナット１２２が締められている。そして、台車や床下機器１００から発生した振動が不図示の振動センサで収集され、アクチュエータ装置１３１から制御振動が出力され、振動を打ち消すことで横梁１１０を介して上床へ伝達される振動が低減される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−９４３２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来は、前述した装置のように自ら振動を発生させ、乗客が直接接する上床などの振動を低減させる方法が採用されていた。しかし、その装置には、前述したアクチュエータ装置１３１や振動センサの他に演算装置などの構成が必要であるため、全体の構成が大掛かりになり、鉄道車両の重量を増加させるとともに、製造コストがかかってしまっていた。
【０００６】
そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、構造を簡単にして安価に振動の低減が可能な鉄道車両の低振動化方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る鉄道車両の低振動化方法は、横梁に対して吊り下げるようにして床下機器を取り付ける場合に、その床下機器から発生した複数の振動が伝わって車内の上床に生じる振動を、その上床の所定箇所において低減させる鉄道車両の低振動化方法であり、前記床下機器が前記横梁に対して取り付けられる複数の固定部から前記上床の所定箇所までの複数の振動伝達経路を見た場合に、所定の振動経路において当該振動の振動位相を変化させることにより、前記所定箇所に伝わる振動同士の干渉を調整することを特徴とする。
また、本発明に係る鉄道車両の低振動化方法は、前記床下機器の固定位置を変化させることにより、その固定部から前記所定箇所までの振動伝達経路の距離を変化させて、前記所定箇所に伝わる振動同士の干渉を調整することが望ましい。
【０００８】
また、本発明に係る鉄道車両の低振動化方法は、前記床下機器が横梁に対して取り付けられる複数の固定部において、その一又は二以上に振動の位相を変化させる位相可変部材を設けるようにしたことが好ましい。
また、本発明に係る鉄道車両の低振動化方法は、前記位相可変部材がダンパーや積層ゴムであることが好ましい。
一方、本発明の鉄道車両は、こうしたいずれかの鉄道車両の低振動化方法を用いて、床下機器を横梁に対して取り付けたものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
よって、本発明では、床下機器の固定部に位相可変部材を用いたり、固定部自身を位置変えすることにより、床下機器の固定部から上床の所定箇所までの振動伝達経路において振動位相を調節することで、所定箇所で干渉し合った振動の振動レベルを低減させることができる。本発明によれば、こうして構造を簡単にして安価に振動の低減が可能な鉄道車両の低振動化方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】鉄道車両を長手方向に見た床下構造の断面を示した簡略図である。
【図２】固定位置を変化させた場合のシミュレーションによって得られた振動の大きさ（ｄＢ）を表現したレベルマップを示した図であり、一つの座席周りの振動状態を示したものである。
【図３】位相を変化させた振動実験の結果であるレベルマップを示した図であり、線支持防振材を使用した場合の図である。
【図４】位相を変化させた振動実験の結果であるレベルマップを示した図であり、点支持防振材を使用した場合の図である。
【図５】位相可変部材に積層ゴムを使用した床下機器の固定部を示した拡大図である。
【図６】位相可変部材にダンパーを使用した床下機器の固定部を示した拡大図である。
【図７】従来の床下機器の支持構造の部分拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、本発明に係る鉄道車両の低振動化方法について、その一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。
鉄道車両では、台枠の下に強度部材である横梁が設置され、その横梁に床下機器が吊下げ設置されている。床下機器には、例えば換気装置や空調装置の他、主変圧装置や冷却ブロアなどがある。ここで、図１は、鉄道車両を長手方向に見た床下構造の断面を示した簡略図である。
【００１２】
鉄道車両の床下構造は、図示するように横梁１１の上に気密床１２が張られ、その上に床受１３を介して上床１５が張られている。そして、その上床１５が車内の床となって座席が設置されている。床受１３と上床１５との間にはゴム材などによる防振材１４が設置されている。床下には複数の横梁１１が車体幅方向（枕木方向）に設けられているが、その横梁１１に対して床下機器５が取り付けられる。図示する床下機器５は、横梁１１に沿って車体幅方向に配置され、１本の横梁１１に対して固定部７ａ，７ｂの２箇所で固定されている。
【００１３】
従って、床下機器５から発生する振動は、こうした２箇所の固定部７ａ，７ｂから横梁１１に伝わり、気密床１２、複数の床受１３及び防振材１４を介して上床１５へと振動が伝達される。なお、床下機器５は図面を貫く車体長手方向（レール方向）において、別の横梁１１にも固定されているが、ここでは説明を省略する。
こうして伝わる床下機器５から発せられた振動は、防振材１４などによって抑えられるものの、上床１５の振動として乗客の足裏から感じ取れるものとなる。特に、車両全体が制振性に優れた現状の車両では、より微妙な振動でも感じやすくなっており、振動への要求が高まっている。
【００１４】
本実施形態では、こうした床下機器５による振動を抑えることを目的とした鉄道車両の低振動化方法を提案するものであるが、特に乗客の足裏から伝わる振動を低下させる場合について説明する。
本実施形態の低振動化方法は、前記従来例のような制振装置を備えてアクティブ制御することなく、振動のバランスを変化させることによって特定箇所の振動低下をねらったものである。従って、床下機器５によって発生する上床１５の振動全体のエネルギを低減させるのではなく、目標とする乗客の足下をねらって振動を低減させるようにしたものである。そのため、却って目標とする場所以外では振動が以前よりも大きくなることもあるが、特に気になることはない範囲で調整する。例えば、車体中央の通路や、座席下であってクッションによって乗客には特に気になる振動として伝わらないような場所である。
【００１５】
床下機器５は、前述したように１本の横梁１１に対し、２箇所の固定部７ａ及び固定部７ｂで固定されている。本実施形態では、この２箇所から発振される振動の位相をコントロールすることによって目標とする場所Ｘの振動を低減させることを考えた。
そこで先ず、固定部７ａ及び固定部７ｂによる床下機器５の吊支持点を変化させた場合のシミュレーションを行った。なお、今回のシミュレーションでは、床下機器５の重心が変わらないように、固定部７ａ及び固定部７ｂの位置を対称的に変化させた。
【００１６】
図２は、シミュレーションによって得られた振動の大きさ（ｄＢ）を表現したレベルマップを示した図であり、一つの座席周りの振動状態を示している。図２の（ａ）〜（ｃ）は、図面上下方向が車体の幅方向であって、その半分を示しており、上が通路側であり、下が窓側である。四角の破線２１が座席を固定した位置を示している。また長さの異なる複数の長方形は、床受１３と上床１５の間に設けられた防振材１４（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）を示している。通路側には短い線支持防振材１４ａがあり、座席の下には連続した長い線支持防振材１４ｂがあり、そして窓側には一定の長さで分離した所定長さの線支持防振材１４ｃがそれぞれ設けられている。
【００１７】
車体幅方向に距離をとって取り付けられた床下機器５は、車体幅方向の固定部７ａ及び固定部７ｂで固定され、図２の各図にはその１点が図面上に示されている。今回、シミュレーションを行った図２の３パターンは、パターン２の図（ｂ）が現状の車両におけるスパンであって、パターン１の図（ａ）がより広いスパンであり、パターン３の図（ｃ）はより狭いスパンで固定した場合を示している。具体的には、固定部７ａ及び固定部７ｂの位置を、パターン２の現車に対し、パターン１では左右幅方向に３００ｍｍずつ広くする方向に移動させ、パターン３では左右幅方向に３００ｍｍずつ狭くする方向に移動させている。
【００１８】
ところで、鉄道車両の上床１５に伝わる振動のうち座席に座った乗客が足裏から感じる振動は、１２０Ｈｚの周波数成分が大半であることが分かっている。そこで、シミュレーションでは１２０Ｈｚの振動によるレベルマップを作成し、図２には８０ｄＢ〜１２０ｄＢの振動の大きさについて分布が示されている。このレベルマップで注目すべきは、座席位置２１の周りであって、特に乗客の足が位置する前方すなわち座席位置２１の図面左側部分の振動の大きさである。
【００１９】
今回のシミュレーションでは、単純に一定の距離（３００ｍｍ）だけ移動させた場合、すなわち床下機器５の固定間隔を現状のものから広げた場合と、狭めた場合について比較を行った。その結果、図２に示すように、パターン１，２，３においてそれぞれ異なる結果が得られた。現状のパターン２に比べ、パターン１，３のいずれについても座席位置２１の辺りで色が濃くなり、振動レベルが小さくなる結果となった。床下機器５の２つの固定部７ａ，７ｂから上床１５に伝わった振動の波が干渉しあい、或いは共鳴しあって場所によって振動が小さくなり、或いは大きくなっている。これにより、例えばパターン１のように固定部７ａ，７ｂの距離を広くした場合には、乗客の足下において１０ｄＢ程の振動レベルの低下が見込まれることが分かった。
【００２０】
固定部７ａ，７ｂの位置を変化させると、床下機器５から発生した目標箇所Ｘまでの距離がそれぞれ変化したことにより、目標箇所Ｘにおける固定部７ａ，７ｂからの振動の位相が変化したことによると考えられる。従って、特別な装置を用いることなく、床下機器５からの振動の伝達条件を変えて目標箇所Ｘでの位相を変化させることによって、任意に設定した目標箇所Ｘでの振動の大きさをコントロールできると考えられる。なお、本実施形態の方法では、上床１５に伝わる振動のエネルギーを積極的に低減させるものではない。そのため、目標箇所Ｘの振動が小さくなる反面、場所によっては振動が大きくなることもあるが、例えばそれが通路のような乗客が振動を感じない場所や、クッションが介在する座席位置などであればよい。
【００２１】
続いて、前述した位相変化による振動低減を検証するため、床下機器５の固定部７ａ，７ｂの位置を一定にしたまま、その固定位置から伝わる振動の位相を変化させた場合について振動装置を用いた実験を行った。図３及び図４は、当該実験結果を示したレベルマップの図である。図２の場合と同様に、図面上下方向が車体の幅方向であって、その半分を示しており、上が通路側であり、下が窓側である。四角の破線が座席を固定した位置であって座席位置２１を示している。図３と図４の相違点は、支持防振材１４，１６による上床１５の支持構造が、図３では線支持であり、図４では点支持である。線支持防振材１４（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）は、角材のように断面四角形のゴム材であって、位置によって長さが異なっている。また、点支持防振材１６は、円柱状のゴム材を起立した状態で均等配置している。
【００２２】
図３及び図４に示した上床１５の支持構造による実験では、位相変化０°と２１０°の場合を示している。位相変化０°は、現在取り付けられている床下機器５から伝達される振動そのままを再現したものである。実験では、床下機器５の固定部７ａ，７ｂの一方から伝達される振動の一方を３０°間隔で位相が変化させた。２１０°は、そうして位相を変化させたなかで、目標箇所Ｘにおける振動の大きさが最も低減したと評価できたものである。目標箇所Ｘは破線で示した座席位置２１の前方（図面左側）である、乗客の足下である。
【００２３】
先ず、図３に示す線支持防振材１４では、位相変化が０°のレベルマップでは、座席位置２１の前方や通路側の色が薄く、振動レベルが大きく、座席位置２１において振動レベルが小さいことが分かる。そのため、乗客が振動を感じる足下の振動が大きい一方で、影響の小さい座席位置の振動が小さく、上床１５の振動バランスが良くなかった。そこで、位相を変化させていったところ、２１０°のレベルマップでは、座席位置２１前方の縦１〜３、横１〜３の範囲や縦３〜５、横１〜２の範囲において色が濃くなり、座席位置２１の前方で振動が小さくなったことが分かった。その一方で、座席位置２１やその通路側の振動が多少大きくなっていた。
【００２４】
次に、図４に示す点支持防振材１４の場合は、全体的に図３の場合に比べて上床１５に伝わる振動が大きかった。よって、振動低減には点支持防振材１６よりも線支持防振材１４が効果が大きいことが分かった。そして、点支持防振材１６では、位相変化が０°のレベルマップでは、座席位置２１の前方部分も含めて通路側での振動が大きかった。そこで、位相を段階的に変化させたところ、２１０°のレベルマップでは、特に座席位置２１前方の縦１〜６、横２〜４の範囲において色が濃くなり、振動が小さくなったことが分かった。その一方で、座席位置２１やその通路側の振動が多少大きくなった。
【００２５】
以上の結果から、伝達される振動の位相を変化させることで、目標箇所Ｘでの振動の大きさを低減させることが可能であることが分かった。振動位相をコントロールする方法としては、図１に示したように、床下機器５の固定部７ａ，７ｂを変化させることが考えられるが、その他には図１に示す振動Ａと振動Ｂから横梁１１へ伝達される振動位相を変化させことによって目標箇所Ｘでの振動低減が実現できる。
【００２６】
図１に示す床下機器５の場合、固定部７ａからの振動Ａ（不図示）起因で起振された上床１５は、ある振動モードが形成される一方、固定部７ｂからの振動Ｂ（不図示）起因でも上床１５はある振動モードが形成される。そして、上床１５において最終的に発生する振動は、振動Ａ起因での振動モードａと振動Ｂ起因での振動モードｂの重ね合わせである。振動Ａ起因での振動モードａの目標箇所Ｘの振動位相角αとし、振動Ｂ起因での振動モードｂの目標箇所Ｘの振動位相角をβとする。振動位相角がα＝βの場合、目標箇所Ｘでの振動の大きさはそのまま足し算になってしまう。そこで、例えば固定部７ｂに振動位相を変化させるものを介在させることによって目標箇所Ｘでの振動を低減させる。振動位相を変化させる手段としては、積層ゴムやダンパーなどを使用する。
【００２７】
図５及び図６は、床下機器５の固定部を示した拡大図である。床下機器５は、前述したように台枠の下に強度部材である横梁１１が設置され、その横梁１１に対して床下機器５が直接或いは取付治具を介して間接的に固定される。横梁１１は、図５及び図６に示すように、例えば下端部分に断面が逆Ｙ字形の締結部１１ａが形成されており、図５の取り付け構造では、その締結部１１ａに対して床下機器５側の取付フランジ５１が固定されている。
【００２８】
横梁１１は、Ｙ字断面の両先端に受け部１１ｂが形成され、横梁１１の締結部１１ａの空間内に入れられたボルト５５のヘッド５５ａが引っ掛かるように形成されている。ボルト５５は、床下機器５側の取付フランジ５１を真下に貫き、その先端部にナット５６が締められている。この図５に示す実施形態では、ヘッド５５ａと受け部１１ｂの間、そして受け部１１ｂと取付フランジ５１との間には、それぞれに位相可変部材として積層ゴム５７，５８が挟み込まれている。
【００２９】
従って、床下機器５から発する振動は、取付フランジ５１を介して横梁１１に直接伝わることなく、必ず積層ゴム５７，５８を介して伝わることとなる。そのため、固定部７ａ（又は固定部７ｂ）では積層ゴム５７，５８を通って振動が伝わることによって位相が変化する。このとき、積層ゴム５７，５８の厚さや材質を変えることによって、伝わる振動の位相を調節することができる。そこで、２箇所の固定部７ａ，７ｂから伝わった振動が目標箇所Ｘで干渉し合うように、積層ゴム５７，５８の厚さや材質を変化させた調整が行われる。
【００３０】
次に、図６に示す取り付け構造では、横梁１１から床下機器５を切り離し、横梁１１に吊す代わりに位相可変部材であるダンパー６０を介して床下機器５を吊り下げる構成となっている。横梁１１の固定フランジ１１ｃには、その横梁１１を挟んだ左右には図示するようにダンパー６０，６０が垂設され、その下端側が取付フランジ５１に固定されている。従って、床下機器５から発生する振動は、取付フランジ５１を介して横梁１１に伝わることなく、ダンパー６０，６０を介して伝達され、その結果、目標箇所Ｘでの振動位相が変化することになる。
【００３１】
よって、本実施形態では、積層ゴム５７，５８やダンパー６０などの位相可変部材を用いることにより、床下機器５の固定部７ａ，７ｂから目標箇所Ｘまでの振動伝達経路において、振動位相を調節することができる。そして、その調節によって目標箇所Ｘで干渉し合った振動の振動レベルを低減させることができる。本実施形態によれば、こうした位相可変手段の他、固定部７ａ，７ｂの位置を変化させるなどの方法によって、構成を簡単にして安価に目標箇所Ｘでの振動を抑えることが可能になった。
【００３２】
以上、本発明に係る鉄道車両の低振動化方法について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、分かりやすいように床下機器５の取り付けを２箇所の固定部７ａ，７ｂだけで考えたが、４箇所やそれ以上であってもよい。
前記実施形態では、固定部７ａ，７ｂで振動を変える場合を説明したが、振動伝達経路の途中で有ればよく、例えば支持防振材の変更なども考えられる。
【符号の説明】
【００３３】
５    床下機器
７ａ，７ｂ  固定部
１１  横梁
１３  床受
１４  防振材
１５  上床
５５  ボルト
５６  ナット
５７，５８  積層ゴム
Ｘ    目標箇所
【図１】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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