(57)【要約】【課題】車体重量の大幅な増加を伴わずに車体弾性振動を低減することのできる方法等を提供する。【解決手段】本発明は、乗客Ｈの座る腰掛１５の配列された床１３を備える鉄道車両における振動低減方法である。この方法は、床１３と腰掛１５との間に弾性体又は粘弾性体からなる弾性支持体（バネ）２５を介在させ、腰掛１５の質量を利用した動吸振効果により鉄道車両の車体１０の弾性振動を低減する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
乗客の座る腰掛の配列された車体床を備える鉄道車両における振動低減方法であって、
前記床と前記腰掛との間に弾性体又は粘弾性体からなる弾性支持体を介在させ、前記腰掛の質量を利用した動吸振効果により前記鉄道車両の車体の弾性振動を低減することを特徴とする鉄道車両の振動低減方法。
【請求項２】
乗客の座る腰掛の配列された車体床を備える鉄道車両であって、
前記床と前記腰掛との間に介在された、弾性体又は粘弾性体からなる弾性支持体と、
前記腰掛に乗客が着座した場合に前記弾性支持体の動きがロックされるロック機構と、
を備えることを特徴とする鉄道車両。
【請求項３】
鉄道車両における振動低減方法であって、
前記鉄道車両の車体と、該車体に複数分散配置されている装架物との間に、弾性体又は粘弾性体からなる弾性支持体を介在させ、前記装架物の質量を利用した動吸振効果により前記車体の弾性振動を低減することを特徴とする鉄道車両の振動低減方法。
【請求項４】
前記装架物やその配置部位に応じて、前記弾性支持体の剛性を変化させることを特徴とする請求項３記載の鉄道車両の振動低減方法。
【請求項５】
前記車体の各部位において発生する振動の振動数に対応させて、前記装架物の質量もしくは前記弾性支持体の剛性を変化させることにより、動吸振器の固有振動数を選択することを特徴とする請求項３又は４記載の鉄道車両の振動低減方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両の車体の弾性振動を低減する方法等に関する。特には、車体重量の大幅な増加を伴わずに車体弾性振動を低減することのできる方法等に関する。
【０００２】
【背景技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、鉄道車両の軽量化が進んでおり、これに伴って鉄道車両車体の剛性が低下する傾向がある。車体の剛性が低下すると、車体の弾性振動（上下曲げ振動）の発生が顕著となる。このような弾性振動は、乗客数の増減によって発生具合が変化するが、人間が最も敏感な周波数帯域において発生する場合も多く、乗り心地悪化の原因にもなっている。
【０００３】
これに対し、現状では、車体に粘弾性層と拘束層からなる制振材を貼付したり、アクティブあるいはセミアクティブ制御を行なう等をして、車体の弾性振動を低減することが提案されており、現在も研究が進められている。なお、車体に制振材を付加して弾性振動の低減を図る事例は、既に新幹線で実用化されている（鈴木康文らによる『鉄道車両の車体曲げ振動の制振法』、Ｎｏ．９７−１、日本機械学会第７４期通常総会講演会講演論文集（Ｉ）、ｐｐ．６９１〜６９２参照）。
【０００４】
あるいは、鉄道車両車体の弾性振動低減方法の一種として、付加質量と支持バネからなる動吸振器による制振効果を利用するものが知られている。その一例としては、石川龍太郎らによる『ダイナミックダンパによる車体曲げ振動の低減』、Ｎｏ．９１０−１７、日本機械学会第６８期通常総会講演会講演論文集（Ｖｏｌ．Ｃ）、ｐｐ．５３１〜５３３を挙げることができる。
【０００５】
この石川らによる論文においては、車体質量の５％程度の付加質量ダイナミックダンパ（動吸振器）を用いて車体上下曲げ振動を１／３〜１／４に低減できるという理論解析の結果、並びに、約１０００ｋｇのダイナミックダンパを用いて車体曲げ振動を半減できるという実車試験の結果が報告されている。しかしながら、この方法ではダイナミックダンパ分の大幅な付加質量が必要となる。
【０００６】
本発明は、前述の課題を解決するためになされたものであって、車体重量の大幅な増加を伴わずに車体弾性振動を低減することのできる方法等を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の第１の鉄道車両の振動低減方法は、乗客の座る腰掛の配列された車体床を備える鉄道車両における振動低減方法であって、
前記床と前記腰掛との間に弾性体又は粘弾性体からなる弾性支持体を介在させ、前記腰掛の質量を利用した動吸振効果により前記鉄道車両の車体の弾性振動を低減することを特徴とする。
本発明によれば、乗客の座る腰掛の質量を利用した動吸振効果により車体の弾性振動を低減する。そのため、車体重量の大幅な増加を伴わずに車体弾性振動を低減することができる。
【０００８】
本発明の鉄道車両は、乗客の座る腰掛の配列された車体床を備える鉄道車両であって、　前記床と前記腰掛との間に介在された、弾性体又は粘弾性体からなる弾性支持体と、　前記腰掛に乗客が着座した場合に前記弾性支持体の動きがロックされるロック機構と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、空席時の腰掛を利用して動吸振効果を実現できる。そのため、もっとも乗客に不快な振動の起き易い空車状態において、車体の振動低減効果を得ることができる。一方、着席時には腰掛を支持する弾性支持体がロックされることにより、乗客の違和感はない。
【０００９】
本発明の第２の鉄道車両の振動低減方法は、鉄道車両における振動低減方法であって、　前記鉄道車両の車体と、該車体に複数分散配置されている装架物との間に、弾性体又は粘弾性体からなる弾性支持体を介在させ、前記装架物の質量を利用した動吸振効果により前記車体の弾性振動を低減することを特徴とする。
【００１０】
本発明における装架物とは、車体内に設置される腰掛や棚、車体天井に設置されるエアコンユニット、あるいは、車体床下に設置される各機器（コンプレッサやトランス等）等、鉄道車両に装備される各種装架物を指す。本発明によれば、このような装架物を利用した動吸振効果により車体の弾性振動を低減できるので、車体重量の大幅な増加を伴わずに車体弾性振動を低減することができる。
【００１１】
本発明の第２の鉄道車両の振動低減方法においては、前記車体の各部位において発生する振動の振動数に対応させて、前記装架物の質量もしくは前記弾性支持体の剛性を変化させることにより、動吸振器の固有振動数を選択することができる。
この場合、車体の複数の弾性振動モード（特に乗り心地に悪影響を与えると考えられる主要な固有振動モード）に応じた振動低減を図ることができる。
【００１２】
鉄道車両の車体では、天井や床、側の各面が独立に振動する場合があり、それぞれの弾性振動モードが異なる場合がある。本発明のこの態様によれば、装架物やその配置部位に応じて弾性支持体の剛性を変化させることで、複数の弾性振動モードに応じた振動低減を図ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る鉄道車両の車体及び腰掛を示す模式的側面図である。
図２は、同鉄道車両の車体及び腰掛を示すモデル図である。
図３は、同鉄道車両の床―腰掛接続部の構造（空席時）を示す拡大図である。
図４は、同鉄道車両の床―腰掛接続部の構造（着席時）を示す拡大図である。
【００１４】
図１及び図２に示す鉄道車両の車体１０は、屋根１１、床１３、及び、これらの間の側板を備えている。車体１０内において、床１３の上には、乗客Ｈの座る腰掛１５が複数配列されている。なお、特に図示されないが、床１３の前後下面に設けられる台車や、車体１０前後に設けられる連結器等の機器は、従来より使用されているものと同様である。
【００１５】
図３及び図４に示すように、腰掛脚部材１５Ｘの下面部１５Ａには脚部１６が設けられている。この下面部１５Ａには、ボルト２１が固定されている。このボルト２１の軸部２１Ａは、腰掛脚部材１５Ｘの下面部１５Ａよりも下方に延び出ており、車体１０の床１３に上下方向に摺動可能に挿通されている。ボルト２１の軸部２１Ａの下端には、ナット２３が固定されている。このナット２３は、ボルト２１の上方向への抜け止めの役割を果たす（図３参照）。そして、腰掛脚部材１５Ｘの下面部１５Ａと車体１０の床１３との間において、ボルト２１の軸部２１Ａにはバネ２５が外嵌している。
【００１６】
図３に示す空席時においては、腰掛脚部材１５Ｘはバネ２５に付勢されて、車体１０の床１３上面よりも上方に変位する。このとき、腰掛脚部材１５Ｘは、バネ２５に支持されて浮く形となる。この空席時においては、腰掛１５はバネ２５に付勢されつつ上下方向に振動可能である。
なお、バネ２５は、弾性体としては板バネや皿バネ、コイルバネ等を用いることができ、粘弾性体としてはゴム等を用いることができる。
【００１７】
図４に示す着席時においては、腰掛脚部材１５Ｘに乗員の体重が加わる。すると、腰掛脚部材１５Ｘに固定されたボルト２１が車体１０の床１３に支持されつつ下方に摺動し、腰掛脚部材１５Ｘの下面部１５Ａと車体１０の床１３上面との間でバネ２５が縮まる。最終的に、腰掛脚部材１５Ｘは、下面部１５Ａの脚部１６が床１３上面に接することで拘束される。
【００１８】
次に、主に図２のモデル図を参照しつつ、鉄道車両の腰掛の弾性振動のシミュレーションについて説明する。
腰掛１５の質量をｍ１とし、乗員Ｈの質量をｍ２とする。腰掛１５と床１３間のバネ２５は、バネ定数をｋ１、減衰係数をｃ１とする。さらに乗員Ｈ自体のバネ定数をｋ２、減衰係数をｃ２とする。このシミュレーションでは、腰掛１５の質量ｍ１を用いて、バネ２５に適切な弾性（ｋ１、ｃ１）を与えることで、動吸振効果が得られることを確認する。さらに、乗員（ｍ２、ｋ２、ｃ２）が腰掛１５に腰掛けた場合は、バネ２５が潰れて図４に示す着席時の状態となり、腰掛１５が床１３にロックされる場合の振動低減効果も確認する。なお、バネ２５は、腰掛１５及び乗員の質量（ｍ１＋ｍ２）が３０ｋｇ程度で潰れて変形しなくなるものとする。
【００１９】
このシミュレーションでは、車体１０の前端（図２の左端）から車体１０全長の５％の位置を、実際の走行時と同程度の振幅となるような力で加振し、車体１０中央の振動を測定した。その結果、空席時（図３参照）の腰掛１５の振動ストロークが１〜２ｍｍ程度であり、着席時（図４参照）のバネ変位が１０ｍｍ程度であった。したがって、バネ２５のストロークが３〜８ｍｍ程度であれば、空席時（図３参照）及び着席時（図４参照）の腰掛１５の状態を実現することが可能であることがわかった。
【００２０】
前述のシミュレーションの結果について述べる。
図５は、本発明に係る鉄道車両の弾性振動低減のためのシミュレーションの結果を示すグラフである。図５は、縦軸が加振力に対する振動加速度の周波数応答（ＦＲＦ）ゲイン（単位（ｍ／ｓ２）／Ｎ）を表し、横軸が振動周波数（単位Ｈｚ）を表す。
図中のグラフα（実線）は、従来の通常の車両であって、腰掛が最初から床に完全に固定されている場合を示す。
図中のグラフβ（破線）は、本実施例で述べた腰掛の空席時の場合を示す。
図中のグラフγ（一点鎖線）は、本実施例で述べた腰掛の着席時（満席状態）で、仮にロック機構がない場合を示す。
図中のグラフδ（二点鎖線）は、本実施例で述べた腰掛の着席時（満席状態）の腰掛ロックの場合を示す。
【００２１】
図５のグラフからわかるように、従来の腰掛のグラフαは、１２Ｈｚ程度において大きい振動のピークがある。一方、本実施例で述べた腰掛のグラフγは、１３Ｈｚ程度においてグラフαよりも振動のピークが小さく、グラフδは１２〜１３Ｈｚ程度においてグラフγよりもさらに振動のピークが小さくなっている。そして、グラフβは、振動のピークがほぼなくなり、グラフαに比べてゲインが半分以下になっている。
【００２２】
結局、本実施例で述べた腰掛（グラフβ、γ、δ）は、いずれも従来の腰掛の場合（グラフα）よりも曲線のピークが減少している。これは、空席時（グラフβ）には腰掛及びこれを支持するコイルバネの質量で動吸振効果が得られることと、着席時（グラフγ、δ）には腰掛上部のクッションと乗客の体の相互作用で振動が低減されていることを示している。このように、本発明によれば、空車あるいは満車のいずれの状態においても、車体の振動低減効果が得られることがわかる。
【００２３】
次に、本発明の第２の実施の形態について述べる。
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る鉄道車両の車体及び装架物を示す模式的側面図である。
図６に示す鉄道車両の車体１０は、屋根１１、床１３、及び、これらの間の側板を備えている。この車体１０の屋根１１上面側には、エアコンユニット３０がバネ４０を介して弾性支持されている。さらに、屋根１１下面側（車体１０内）には、棚３２がバネ４２を介して弾性支持されている。一方、車体１０の床１３下面側には、トランス３１ａ、３１ｂがそれぞれバネ４１ａ、４１ｂを介して吊り下げられている。車体１０内において、床１３の上には、乗客Ｈの座る腰掛１５がバネ４５を介して複数配列され、分散型の動吸振器を形成している。各腰掛１５下のバネ４５のバネ剛性はそれぞれ異なっており、動吸振器の固有振動数は、各腰掛１５の配置位置において車体１０に生じる主な振動の周波数と一致させている。
【００２４】
次に、第２の実施の形態について、ＦＥＭ（有限要素法）モデルを用いて行なったシミュレーションの結果について述べる。
ここで述べるシミュレーションでは、車体の複数の振動モード（一次曲げ以上の高次の曲げ振動）を取り扱い、走行中の車両の乗り心地に対する振動モードの影響を調べる。そのため、図７あるいは図８に示すような、特急車両の先頭車部分のＦＥＭモデルを作製した。このＦＥＭモデルでは、車体幅方向の１／２の部分のみ（半車体：図中符号ｔ＝全車幅の１／２）を対象としている。ＦＥＭモデルの節点数は凡そ２６００であり、要素数は約５０００である。
【００２５】
まず、このような車体単体のＦＥＭモデルを、腰掛のない車体単体に相当するものと考え、固有振動モード解析と周波数応答解析を行った。その結果、車両の乗り心地に対して影響を与えると考えられる主要な固有振動モードとして、図７（Ｂ）に示すモード１（モードの固有振動数ｆ１＝８．９Ｈｚの場合）と、図８（Ｂ）に示すモード２（モードの固有振動数ｆ２＝１５．３Ｈｚの場合）が得られた。なお、これら各図において、（Ａ）は車体変形前のモデルの状態を表し、（Ｂ）は車体変形後のモデルの状態を表す。
【００２６】
さらに、このシミュレーションでは、腰掛を固定した車体（現状の車体）と、腰掛を弾性支持した車体（本発明に係る動吸振器を有する車体）とについて、それぞれのモデルを作成した。このモデルで用いた腰掛は、１列当たり（２人掛×２脚）の質量ｍｓが約７２ｋｇであり、車体の前後の出入り台間（図７及び図８の白抜き部分間：図中符号Ｄ）に全部で１２列設置されている。ＦＥＭモデル上において、各腰掛は質点で表されている。腰掛を固定した車体のモデル（これをモデル０とする）では、質点（腰掛）と車体床上の最も近い節点との間が剛結合されている。一方、腰掛を弾性支持した車体のモデル（これを後述するモデル１及びモデル２とする）では、質点（腰掛）と車体床上の最も近い節点との間が、上下方向のみの成分をもつバネで結合されており、分散型の動吸振器を構成している。
【００２７】
本シミュレーションは、車体の複数の振動モードが乗り心地に影響を与えている場合に、動吸振器が分散型であることを利用して局所的にチューニング周波数を変化させ、複数の振動モードの振動低減効果を調べることを目的の一つとしている。そこで、腰掛を弾性支持した車体に関しては、以下の（モデル１）及び（モデル２）の場合に分けてチューニングを行なった：
（モデル１）全ての腰掛の共振点をモード１（すなわちモードの固有振動数ｆ１＝８．９Ｈｚ）にチューニングする。
（モデル２）モード１の振幅が比較的大きい車体中央部（４〜９列目）の腰掛を８．９Ｈｚにチューニングするとともに、モード２の振幅が比較的大きい前部（１〜３列目）及び後部（１０〜１２列目）の腰掛を１５．３Ｈｚにチューニングする。
【００２８】
なお、動吸振器をチューニングする際には、
ｆ＝（２π）−１（ｋ／ｍｓ）１／２
に基づき、バネ定数ｋを決定した。今の場合、モード１ではｆ＝８．９であり、モード２ではｆ＝１５．３である。さらに、前述したように、腰掛の質量ｍｓ＝７２である。
【００２９】
図９に本シミュレーションの結果を示す。図９のグラフは、前述した３つのＦＥＭモデル、すなわち、
（モデル０）腰掛を固定した現状の車体のモデル（図中一点鎖線のグラフ：動吸振器なし）、
（モデル１）全ての腰掛の共振点をモード１にチューニングしたモデル（図中点線のグラフ：モード１を制振対象とした場合）、
（モデル２）車体中央部（４〜９列目）の腰掛を８．９Ｈｚにチューニングするとともに、前部（１〜３列目）及び後部（１０〜１２列目）の腰掛を１５．３Ｈｚにチューニングしたモデル（図中実線のグラフ：モード１とモード２を制振対象とした場合）、
について、輪軸位置からの変位加振に対する床上の振動加速度についてＦＲＦを求めた結果が示されている。なお、実際のシミュレーションでは、最前列、中央列及び最後列の腰掛が取り付けられている位置の床面上を加速度の観測点としたが、図９では中央列のみの結果が示されている。
【００３０】
図９に示す結果から、前述の（モデル１）のチューニングを行なった場合（図９中点線のグラフ）は、前述の（モデル０）の動吸振器のない現状の場合（図９中一点鎖線のグラフ）と比較して、ＦＲＦの９Ｈｚ付近のピークが押し下げられ、振動低減効果が得られている。一方、前述の（モデル２）のチューニングを行なった場合（図９中実線のグラフ）は、ＦＲＦの９Ｈｚ付近の低減幅は（モデル１）の場合よりも小さいが、ＦＲＦの１５Ｈｚ付近の大きさが大幅に低下していることがわかる。したがって、今回提案した分散型の動吸振器を用いて、複数の振動モードをターゲットとした制振を行なうことにより、単一モードのみのときよりもさらに乗り心地の改善を図ることができる可能性があると考えられる。
【００３１】
なお、動吸振器が設置されていない箇所においても同様の確認を行なった。その結果、車体中心線上（通路上）の前後台車直上及び中央の位置においても、腰掛が取り付けられている位置とほぼ同様の傾向が見られた。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、車体重量の大幅な増加を伴わずに車体弾性振動を低減することのできる方法を提供することができる。あるいは、空席時の腰掛を利用して動吸振効果を実現できる鉄道車両を提供することができる。
車体の各部位において発生する振動の振動数に対応させて、装架物の質量もしくは弾性支持体の剛性を変化させることにより、動吸振器の固有振動数を選択する場合は、車体の複数の弾性振動モード（特に乗り心地に悪影響を与えると考えられる主要な固有振動モード）に応じた振動低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る鉄道車両の車体及び腰掛を示す模式的側面図である。
【図２】同鉄道車両の車体及び腰掛を示すモデル図である。
【図３】同鉄道車両の床―腰掛接続部の構造（空席時）を示す拡大図である。
【図４】同鉄道車両の床―腰掛接続部の構造（着席時）を示す拡大図である。
【図５】本発明に係る鉄道車両の弾性振動低減のためのシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る鉄道車両の車体及び装架物を示す模式的側面図である。
【図７】本実施の形態に係る鉄道車両の車体のＦＥＭモデル（周波数ｆ１＝８．９Ｈｚの場合）を示す図である。（Ａ）は変形前の形状を示すモデル図であり、（Ｂ）は変形後の形状を示すモデル図である。
【図８】本実施の形態に係る鉄道車両の車体のＦＥＭモデル（周波数ｆ２＝１５．３Ｈｚの場合）を示す図である。（Ａ）は変形前の形状を示すモデル図であり、（Ｂ）は変形後の形状を示すモデル図である。
【図９】本実施の形態に係るＦＥＭモデルを用いたシミュレーションの結果を示すグラフである。
【符号の説明】
Ｈ　乗客
１０　車体　　　　　　　　　　　　　　　　１１　屋根
１３　床　　　　　　　　　　　　　　　　　１５　腰掛
１５Ｘ　腰掛脚部材　　　　　　　　　　　　１５Ａ　腰掛脚下面部
１６　脚部　　　　　　　　　　　　　　　　２１　ボルト
２１Ａ　軸部　　　　　　　　　　　　　　　２３　ナット
２５　バネ　　　　　　　　　　　　　　　　３０　エアコンユニット
３１ａ、３１ｂ　トランス　　　　　　　　　３２　棚
４０、４１ａ、４１ｂ、４１、４２、４５　バネ
【図１】
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【図２】
2004001686.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004001686.tif 000008
【図７】
2004001686.tif 000009
【図８】
2004001686.tif 000010
【図９】
2004001686.tif 000011