(57)【要約】【課題】煩雑な調整を行うことなしに良好な振動抑制効果を得られる鉄道車両、及び、鉄道車両用車体の振動抑制方法を提供する。【解決手段】車体１０と、車体に対してばね要素及び減衰要素を介して取り付けられ、車体に対して相対振動する質量体とを備える鉄道車両１を、質量体の固有振動数を車体の弾性振動における固有振動数に対して低くするとともに、質量体の減衰能を車体の弾性振動における減衰能に対して大きく設定した構成とする。【選択図】図１３
2011201476.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体と、
前記車体に対してばね要素及び減衰要素を介して取り付けられ、前記車体に対して相対振動する質量体と
を備える鉄道車両であって、
前記質量体の固有振動数を前記車体の弾性振動における固有振動数に対して低くするとともに、前記質量体の減衰能を前記車体の弾性振動における減衰能に対して大きく設定したこと
を特徴とする鉄道車両。
【請求項２】
複数の前記質量体を分散させて前記車体に取り付けたこと
を特徴とする請求項１に記載の鉄道車両。
【請求項３】
前記質量体は、前記車体の床下に吊り下げられる機器であること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の鉄道車両。
【請求項４】
車体に対して相対振動可能な質量体をばね要素及び減衰要素を介して取り付けるとともに、前記質量体の固有振動数を前記車体の弾性振動における固有振動数に対して低くしかつ前記質量体の減衰能を前記車体の弾性振動における減衰能に対して大きく設定したこと
を特徴とする鉄道車両用車体の振動抑制方法。
【請求項５】
複数の前記質量体を分散させて前記車体に取り付けること
を特徴とする請求項４に記載の鉄道車両用車体の振動抑制方法。
【請求項６】
前記質量体は、前記車体の床下に吊り下げられる機器であること
を特徴とする請求項４又は請求項５に記載の鉄道車両用車体の振動抑制方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両、及び、鉄道車両用車体の振動抑制方法に関し、特に、車体に対して弾性支持された付加系を用いて振動を抑制するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
旅客用の鉄道車両用車体は、屋根構、床構、側構、妻構からなるほぼ六面体状に形成され、軌道の進行方向に沿って長く伸びた形状となっていることが一般的である。このような車体は、走行時に台車からの上下加振力等によって、それ自体が一本のはりに類似した上下曲げ振動や、車体断面のせん断変形を伴う振動等の様々な振動モードを示すことが知られている。このような車体の弾性振動は、旅客が乗り心地の悪さとして感じることから、抑制することが要望されている。
【０００３】
従来、弾性振動を抑制する技術として、制振対象となる振動体にばね要素及び減衰要素を介して質量を連結した動吸振器（ダイナミックダンパ）を用いることが知られている。
例えば、非特許文献１には、鉄道車両の床下機器をばねで吊り、チューニングを行うことによりダイナミックダンパとして作用させることが記載されている。
また、特許文献１には、走行中の鉄道車両に生じる曲げ振動を抑制する動吸振器として、鉄道車両の長手方向の中央部を含み、鉄道車両の床上又は床よりも上方の位置に、所定の質量を有するおもりを弾性体を介して取り付けることが記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「ダイナミックダンパによる車体曲げ振動の低減」石川龍太郎他著  日本機械学会第６８期通常総会講演会講演論文集（Ｖｏｌ．Ｃ）１９９１年３月４日
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−０２９４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般に、動吸振器の設計法として、２自由度系の定点理論が広く知られている。すなわち、動吸振器を取り付けた主系の応答曲線には２つの定点が存在することを利用し、応答曲線がその２つの定点で極大値をとり、かつ、その高さが等しくなるように設計する。あるいは、より簡便には、付加系の固有振動数が制振対象の固有振動数（ピーク振動数）と一致するように設定し、さらに減衰を調整して制振効果が最適となるようにする。いずれの場合も付加系の質量に応じてばね定数と減衰定数の細かい調整を必要とする。
しかし、鉄道車両の場合には、軌道高低不整などの入力が広範な周波数帯域に分布した特性を有し、また乗り心地に影響の大きい２０Ｈｚ以下の周波数に限定してもその範囲に複数の固有振動数をもつ。このため、上述の定点理論に基づいて設計した同調型動吸振器によってピーク周波数近傍だけ周波数応答（ＦＲＦ）の大きさが低下しても、それ以外の周波数で増大すると、結果として全体の振動低減にならない場合がある。また複数のモードが乗り心地に影響することがあるため、１つのモードだけを制振しても全体として乗り心地向上につながらないこともある。さらに、制振効果が最適となるように動吸振器の減衰を調整することは煩雑である。また、使用中に様々な原因で付加系の固有振動数や減衰が変化することが考えられるが、上述の動吸振器ではそれにより制振性能が大幅に悪化する。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、煩雑な調整を行うことなしに良好な振動抑制効果を得られる鉄道車両、及び、鉄道車両用車体の振動抑制方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するため、本発明の鉄道車両は、車体と、前記車体に対してばね要素及び減衰要素を介して取り付けられ、前記車体に対して相対振動する質量体とを備える鉄道車両であって、前記質量体の固有振動数を前記車体の弾性振動における固有振動数に対して低くするとともに、前記質量体の減衰能を前記車体の弾性振動における減衰能に対して大きく設定したことを特徴とする。
【０００８】
上述したように、通常の動吸振器の設計手法においては、周波数応答特性におけるピーク高さを低くすることはできるが、その両側に新たなピークが形成されて乗り心地が悪化するなど、鉄道車両への適用を考慮した場合には必ずしも最適な結果を得ることはできない場合があった。
また、付加系の固有振動数を制振対象の固有振動数と一致させた動吸振器においては、付加系の支持剛性や減衰特性によって制振効果が大きく変化するため、制振対象の特性に応じた剛性や減衰能の調整が必要であり、設計や製作が煩雑である。
これに対し、本発明によれば、付加系を構成する質量体の固有振動数を車体の弾性振動における固有振動数に対して低く設定するとともに、その減衰能（減衰比）を車体の弾性振動における減衰能（減衰比）に対して大きく設定したことによって、固有振動数以外の振動に対しても良好な制振効果を発揮することができ、さらに付加系の剛性や減衰能を厳密に調整しなくても最適な場合と大差ない制振効果を確保することができる。
【０００９】
本発明において、複数の前記質量体を分散させて前記車体に取り付けた構成とすることができる。
これによれば、複数の振動モードを効果的に制振することができ、鉄道車両の乗り心地をより改善することができる。
【００１０】
また、本発明において、前記質量体は、前記車体の床下に吊り下げられる機器である構成とすることができる。
これによれば、動吸振器として専用の重りを追加する従来技術のように車両の重量を増加させることがなく、既存の機器の支持部におけるばね特性及び減衰特性を調節することによって本発明の制振効果を得ることができる。
【００１１】
また、本発明の鉄道車両用車体の振動抑制方法は、車体に対して相対振動可能な質量体をばね要素及び減衰要素を介して取り付けるとともに、前記質量体の固有振動数を前記車体の弾性振動における固有振動数に対して低くしかつ前記質量体の減衰能を前記車体の弾性振動における減衰能に対して大きく設定したことを特徴とする。
本発明において、複数の前記質量体を分散させて前記車体に取り付ける構成とすることができる。
また、本発明において、前記質量体は、前記車体の床下に吊り下げられる機器である構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明によれば、煩雑な調整を行うことなしに良好な振動抑制効果を得られる鉄道車両、及び、鉄道車両用車体の振動抑制方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】主系及び付加系をそれぞればねと粘性減衰で支持された単純質点とした場合のモデル図である。
【図２】図１のモデルにおける質量比０．０６、主系減衰比０．０３、付加系と主系の固有振動数比０．６の場合の周波数応答を示すグラフである。
【図３】図１のモデルにおける質量比０．０６、主系減衰比０．０３、付加系と主系の固有振動数比０．８の場合の周波数応答を示すグラフである。
【図４】図１のモデルにおける質量比０．０６、主系減衰比０．０３、付加系と主系の固有振動数比１．０の場合の周波数応答を示すグラフである。
【図５】図１のモデルにおける質量比０．０６、主系減衰比０．０３、付加系と主系の固有振動数比１．２の場合の周波数応答を示すグラフである。
【図６】図１のモデルにおける質量比０．２０、主系減衰比０．０３、付加系と主系の固有振動数比０．６の場合の周波数応答を示すグラフである。
【図７】図１のモデルにおける質量比０．２０、主系減衰比０．０３、付加系と主系の固有振動数比０．８の場合の周波数応答を示すグラフである。
【図８】図１のモデルにおける質量比０．２０、主系減衰比０．０３、付加系と主系の固有振動数比１．０の場合の周波数応答を示すグラフである。
【図９】図１のモデルにおける質量比０．２０、主系減衰比０．０３、付加系と主系の固有振動数比１．２の場合の周波数応答を示すグラフである。
【図１０】図１のモデルにおける主系の固有振動数に対する付加系の固有振動数、及び、主系の減衰比に対する付加系の減衰比をパラメータとした場合における周波数応答関数の面積比を示すコンター図であって、質量比０．０６、主系減衰比０．０３の場合のデータを示すものである。
【図１１】図１のモデルにおける主系の固有振動数に対する付加系の固有振動数、及び、主系の減衰比に対する付加系の減衰比をパラメータとした場合における周波数応答関数の面積比を示すコンター図であって、質量比０．２０、主系減衰比０．０３の場合のデータを示すものである。
【図１２】２軸の１位台車、２位台車を有するボギー車である鉄道車両の車両振動解析モデルを示す図である。
【図１３】図１２のモデルにおける輪軸加振時の車体中央における加速度の周波数応答を示すグラフである。
【図１４】図１２のモデルにおける輪軸加振時の台車直上における加速度の周波数応答を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を適用した鉄道車両、及び、鉄道車両用車体の弾性振動抑制方法について説明する。
先ず、本発明の発明者が行った動吸振器の基本特性に関する検討について説明する。
検討に用いた動吸振器のモデル図を図１に示す。
図１に示すように、このモデルは、制振対象となる主系、及び、動吸振器として機能する付加系からなる。主系は、質量ｍ０の質量体を、ばね定数ｋ０のばね要素、及び、減衰係数ｃ０の減衰要素によって支持したものである。付加系は、この主系に質量ｍ１の質量体を、ばね定数ｋ１のばね要素、及び、減衰係数ｃ１の減衰要素を介して取り付けたものである。
【００１５】
図２から図９は、図１のモデルを用いて主系に力加振を与え、主系の質量ｍ０で付加系の質量ｍ１を除した質量比（ｍ１／ｍ０）、主系の固有振動数で付加系の固有振動数を除した振動数比ｋｆ、及び、主系の減衰比で付加系の減衰比を除した減衰能比ｋｚをパラメータとして変化させた場合における無次元振動数に対する周波数応答関数（ＦＲＦ）ゲインを示すグラフである。
各図において、横軸は主系の固有振動数で正規化した無次元振動数を示し、縦軸は主系の応答倍率（ＦＲＦゲイン）を示している。この応答倍率とは、主系の変位Ｘを主系単体の静変位Ｘｓｔ＝Ｆ／ｋ０で除したものである。ここで、Ｆは主系に作用する加振力である。
【００１６】
図２から図９の各図においては、付加系なしの場合、減衰能比ｋｚが１，２，４，８，１０の場合の周波数応答をそれぞれ異なった線種により図示している。
図２から図５は、主系に対する付加系の質量比が０．０６、主系の減衰比が０．０３である場合を示しており、それぞれ付加系の固有振動数の主系の固有振動数に対する振動数比ｋｆを０．６，０．８，１．０，１．２とした場合のＦＲＦゲインを示している。
図６から図９は、主系に対する付加系の質量比が０．２０、主系の減衰比が０．０３である場合を示しており、それぞれ付加系の固有振動数の主系の固有振動数に対する振動数比ｋｆを０．６，０．８，１．０，１．２とした場合のＦＲＦゲインを示している。
【００１７】
図４及び図８に示すように、付加系の固有振動数を主系の固有振動数と一致させた場合（振動数比＝１）の場合には、主系の固有振動数（無次元振動数＝１）におけるピーク高さは低くなるが、その両側に振動が増幅される周波数領域があることがわかる。
また、制振効果の付加系の減衰比に対する依存度が大きく、減衰比が最適値から乖離すると振動低減効果は悪化するため、減衰の調整を行うことが必要となる。
また、図５及び図８に示すように、付加系の固有振動数を主系の固有振動数に対して高くした場合にも、振動低減効果が悪化する場合が見られる。
【００１８】
これに対し、付加系の固有振動数を主系の固有振動数に対して低くした場合、とりわけ図２、図６に示すように、振動数比ｋｆを０．６程度まで小さくした場合には、主系の固有振動数を含む広範な周波数帯域において制振効果を発揮することができ、ピーク周波数の両側に新たなピークが形成されるといった弊害もほとんど生じないことがわかる。また、この場合には、付加系の剛性や減衰比を変化させた場合であっても制振効果に及ぼす影響が軽微であることから、厳密な剛性や減衰比の調整が必要ないことがわかる。
【００１９】
図１０及び図１１は、図１のモデルにおける付加系非適用時のＦＲＦゲイン線図面積に対する付加系適用時のＦＲＦゲイン線図面積の面積比を示すコンター図である。この面積を算出する根拠となる面積は、図２乃至図９における無次元振動数が０から３までの範囲における面積である。
図１０及び図１１において、横軸は主系の固有振動数に対する付加系の固有振動数の比である振動数比ｋｆを示し、縦軸は主系の減衰比に対する付加系の減衰比の比である減衰能比ｋｚを示している。また、図１０は主系の質量に対する付加系の質量の比である質量比が０．０６の場合を示し、図１１は質量比が０．２０の場合を示している。
【００２０】
図１０及び図１１のいずれにおいても、主系の固有振動数よりも付加系の固有振動数を低くしたほうが、面積比が所定値以下（例えば０．８５以下、０．９以下等）となる範囲が広いことがわかる。
さらに、図１０及び図１１のいずれにおいても、付加系の減衰比を大きくしたほうが、面積比が所定値以下の範囲が広いことがわかる。
これらのことから、広い振動数範囲にわたって良好な制振効果を得るためには、制振対象よりも低い固有振動数をもつ高減衰能の振動体を動吸振器として付加することが有効であることがわかる。
【００２１】
次に、制振対象に対して固有振動数が低く高減衰能である付加系（動吸振器）の鉄道車両への適用について説明する。
図１２は、２軸の１位台車、２位台車を有するボギー車である鉄道車両の車両振動解析モデルを示す図である。
図１２に示すように、このモデルにおける鉄道車両１は、車体１０、１位台車２０、２位台車３０等を備えて構成されている。
【００２２】
車体１０は、上下方向（図のｙ軸方向）の弾性変形および上下・前後方向の剛体変位を考慮した長さＬの一様なはりとしてモデル化されている。
１位台車２０及び２位台車３０は、車両１の進行方向に沿って配置された２軸の台車である。
１位台車２０は、台車枠２１、第１輪軸２２、第２輪軸２３等を備えて構成されている。
【００２３】
台車枠２１は、第１輪軸２２及び第２輪軸２３が軸箱支持装置を介して取り付けられる枠状の構造体である。
第１輪軸２２及び第２輪軸２３は、車軸の両端部に車輪を固定したものであって、進行方向前方側から順次配列されている。第１輪軸２２及び第２輪軸２３の両端部には、軸受及び潤滑装置等を有する軸箱が設けられている。
【００２４】
第１輪軸２２の軸箱と台車枠２１との間、及び、第２輪軸２３の軸箱と台車枠２１との間には、軸ばね２４及び軸ダンパ２５からなる１次ばね系が設けられている。
軸ばね２４は、第１輪軸２２及び第２輪軸２３の台車枠２１に対する上下方向（軌道面と直交方向）の相対変位に応じてばね反力を発生する。
軸ダンパ２５は、 第１輪軸２２及び第２輪軸２３の台車枠２１に対する上下方向の相対速度に応じて減衰力を発生する。
【００２５】
台車枠２１と車体１０の床構との間には、２次ばね系を構成する枕ばねである空気ばね２６が設けられている。
空気ばね２６は、台車枠２１の車体１０に対する上下方向の相対変位に応じてばね反力を発生する。また、空気ばね２６は、台車枠２１の車体１０に対する上下方向の相対速度に応じて減衰力を発生する。このため、空気ばね２６は、図１２に示すモデルにおいては、並列に配置されたばね要素及び減衰要素として表現することができる。
【００２６】
さらに、台車枠２１と車体１０との間には、牽引装置２７及びヨーダンパ２８が設けられている。
牽引装置２７は、台車枠２１と車体１０との間で前後力を伝達するリンク装置を備え、このリンクの両端部には、防振のため所定の粘弾性特性を有する緩衝ゴムが設けられている。
ヨーダンパ２８は、実車においては、車体１０に対する台車枠２１のヨーイング（鉛直軸回りの揺動）を抑制するものである。本車両モデルでは台車と車体のヨーイングは考慮していないため、車体と台車の前後方向の相対速度に応じた減衰力を発生するものとしてモデル化している。また、ヨーダンパ２８の両端部には、防振のため所定の粘弾性特性を有する緩衝ゴムが設けられている。
【００２７】
２位台車３０は、１位台車２０に対して進行方向後方側に配置されている。
２位台車３０は、１位台車２０の台車枠２１、第１輪軸２２、第３輪軸２３、軸ばね２４、軸ダンパ２５、空気ばね２６、牽引装置２７、ヨーダンパ２８と実質的に同様の台車枠３１、第３輪軸３２、第４輪軸３３、軸ばね３４、軸ダンパ３５、空気ばね３６、牽引装置３７、ヨーダンパ３８等を備えて構成されている。
【００２８】
また、図１２における符号の意味は以下の通りである。
ｚ１〜ｚ４：第1輪軸〜第４輪軸への加振入力（軌道上下不整）
ｕｗ１〜ｕｗ４：第1輪軸〜第４輪軸の軌道方向（進行方向）応答変位
ｕｔ１，ｕｔ２：１位台車の台車枠、２位台車の台車枠の軌道方向応答変位
ｗｔ１，ｗｔ２：１位台車の台車枠、２位台車の台車枠の上下方向応答変位
θｔ１，θｔ２：１位台車の台車枠、２位台車の台車枠のピッチング角度
ｕｃ：車体の軌道方向応答変位
ｗｃ（ｘ，ｔ）：車体のｘ軸（軌道方向）上の所定の位置における時相ｔにおける上下方向応答変位
【００２９】
図１３及び図１４は、図１２のモデルにおいて、全輪軸に同時に同じ大きさの変位加振（４軸同相加振）を与えたときの加振変位に対する車体加速度の周波数応答を示すグラフである。図１３は車体中央のデータを示し、図１４は台車直上のデータを示している。図１３及び図１４において、横軸は周波数を示し、縦軸は周波数応答関数ゲインを示している。
なお、このような４軸同相加振は、実際の走行とは異なるが、車体曲げ振動のピークが明確になるため採用した。
ここで、車体１０の質量は２５．４トン、図１２に示すような１次の曲げ振動の固有振動数は１０Ｈｚとした。
【００３０】
また、図１３及び図１４において、各線種はそれぞれ以下のデータを表している。
実線    ：付加質量なし
点線    ：付加質量の固有振動数１０Ｈｚ、減衰比０．３
一点鎖線：付加質量の固有振動数１０Ｈｚ、減衰比０．５
二点鎖線：付加質量の固有振動数６Ｈｚ、減衰比０．３
三点鎖線：付加質量の固有振動数６Ｈｚ、減衰比０．５
なお、付加質量はいずれも車体中央部の床構下面部にばね要素及び粘性減衰要素を介して支持された９００ｋｇのものである。
このような付加質量として、鉄道車両の運行に必要な各種機器等を用いることができる。これによれば、動吸振器を構成するために新たな重りを搭載する必要がなく、車両の重量を増加させることなく制振効果を得ることができる。
このような機器として、例えば、各種制御機器、電気機器、空圧機器、油圧機器、空調装置、その他の機器を用いることができる。
【００３１】
図１３及び図１４を見ると、一般的な動吸振器の設計で行われるように、付加質量の固有振動数を制振対象ピークと同調する１０Ｈｚに設定した場合（点線及び一点鎖線）には、ピーク高さの低減量は大きいが、付加質量を取り付けない場合に比べ、ピーク周波数の両側に振動増大する周波数領域がある。また、振動低減量が最大となる減衰比が存在し、減衰比がその値と異なると振動低減効果は悪化するため、減衰の調整が必要となる。
例えば、図１３及び図１４の例においては、０．２〜０．３の間に最適な減衰比が存在し、減衰比０．３（点線）に比べて減衰比０．５（一点鎖線）のピーク高さが増大している。
また、図１３及び図１４では図示していないが、０．２よりも小さい減衰比の場合には、制振対象ピークである１０Ｈｚの両側に２つのピークが生じ、減衰比が小さくなるほどそのピークが高くなるため、やはり振動低減効果は小さくなる。
【００３２】
これに対し、付加質量の固有振動数を制振対象ピーク周波数（１０Ｈｚ）に対して小さい６Ｈｚに設定した場合（二点鎖線及び三点鎖線：本発明の実施形態）には、減衰比を大きくするとピーク高さは低下するが、ピーク周波数の両側の周波数領域に目立った振動増大は見られない。また、図１３及び図１４では図示していないが、減衰比が０．７程度までの範囲では、減衰比の増大とともにピーク高さはほぼ単調に低下し、減衰比が０．４程度ではピーク高さの変化は小さくなる。したがってある程度（例えば０．４以上など）減衰比を大きくしておけば、特に減衰比を調整しなくても最適な場合と大差ない振動低減効果が期待できる。
【００３３】
鉄道車両の走行時に対応する加振条件では、例えば軌道高低不整などの入力が周波数特性を持つため、ピーク周波数の近傍だけ周波数応答関数ゲインが低下しても、それ以外の周波数で増大すると、結果として全体としての振動低減にならず、乗り心地が悪化する場合がある。周波数応答関数のゲインは入力に対する車体の応答しやすさを表すが、特に新幹線においては１０から２０Ｈｚの周波数領域において軌道からの入力が大きくなる場合があるため、その周波数領域における振動の増大は好ましくない。
この点、本発明のように制振対象である車体に対して固有振動数が低くかつ高減衰の付加系を用いると、制振対象ピーク付近の狭い周波数領域における制振効果は通常の同調型動吸振器より劣るものの、広い周波数帯域にわたって良好な制振効果を発揮し、全体としての振動低減効果を向上することができる。
また、付加系にある程度以上の減衰比を持たせておけば、特に剛性や減衰を調整しなくても最適な場合と大差のない制振効果を得ることができる。
【００３４】
（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態のみに限定されるものではなく、種々の応用や変形が考えられる。
例えば、上述した実施形態においては、動吸振器として機能する付加系を、車体中央に一箇所のみ設けているが、複数の付加系を分散させて設けてもよい。これによれば、複数の振動モードの制振が可能となる。その場合も本発明によれば個々の付加系の剛性や減衰を特に調整せずに複数モードの制振効果を得ることができる。
また、付加系を取り付ける位置も床構下部に限定されず、床構上部や屋根構、側構、妻構などに取り付けてもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１    鉄道車両              １０    車体
２０    １位台車              ２１    台車枠
２２    第１輪軸              ２３    第２輪軸
２４    軸ばね                ２５    軸ダンパ
２６    空気ばね              ２７    牽引装置
２８    ヨーダンパ
３０    ２位台車              ３１    台車枠
３２    第３輪軸              ３３    第４輪軸
３４    軸ばね                ３５    軸ダンパ
３６    空気ばね              ３７    牽引装置
３８    ヨーダンパ
【図１】
2011201476.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2011201476.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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