(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
台車の主電動機から台車枠、牽引リンク、牽引リンク受、車体台枠を経て車内に放射される固体伝播音を減少させる鉄道車両の室内防音装置において、該牽引リンクに前後方向の振動を検知する加速度センサを設けるとともに牽引リンク受に慣性マス型の加振手段を設け、該加速度センサからの振動加速度に基づいて牽引リンクから牽引リンク受への伝達力を打ち消す反力を演算して該反力を加振手段が発生するように指令する制御装置を備えたことを特徴とする鉄道車両の室内防音装置。
【請求項２】
台車の主電動機から台車枠、牽引リンク、牽引リンク受、車体台枠を経て車内に放射される固体伝播音を減少させる鉄道車両の室内防音装置において、該牽引リンクに前後方向の振動を検知する加速度センサを設けるとともに一端を台車枠に他端を牽引リンク受に連結された電磁アクチュエータを設け、該加速度センサからの振動加速度に基づいて牽引リンクから牽引リンク受への伝達力を打ち消す反力を演算して該反力を電磁アクチュエータが発生するように指令する制御装置を備えたことを特徴とする鉄道車両の室内防音装置。
【請求項３】
主電動機の回転数から騒音対象の周波数を特定することにより、演算処理を簡素化したことを特徴とする請求項１ないし請求項２記載の鉄道車両の室内防音装置。
【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室内防音装置に関し、特に、台車に設けられている主電動機から車両室内へ伝達される振動を減少させる装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両の走行中における車内騒音は、台車、床下機器、車体各部の空力騒音などの騒音源から固体伝播と空気伝播によってもたらされるが、中でも台車の主電動機から発生する振動による固体伝播音が大きな要素となっており、これを減少させることが車内騒音を低減させる上で大きな効果がある。
【０００３】
従来から室内騒音を低減させる手段として、振動を絶縁した床構造としたり、床に質量を付加したり、床板や構体へ制振材を配置し床下へ防音板を取り付けるといった手段が採られているが、鉄道車両の高速化や環境騒音問題などに伴う車両の軽量化が進む中でこれらの対策は限界に来ている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示すように鉄道車両の走行装置である台車は、台車枠１、主電動機２、軸継手３、歯車装置４、輪軸５、車輪６、牽引リンク７から構成されており、車両が走行中は台車枠１に取り付けられた主電動機２の回転が軸継手３を介し歯車装置４、輪軸５、車輪６へと伝達される。
【０００５】
また、図８に示すように、台車枠１は車体台枠１０に固設された牽引リンク受９と牽引リンク７によって連結され、台車の牽引力を車体へ伝えている。なお、８はゴムブッシュである。
主電動機２の回転は、軸継手３において重心が偏心した状態で回転することにより、比較的低周波の振動が発生する。そして、この振動による固体伝播音が、図７および図８で太線の矢印で示すように、台車枠１、ゴムブッシュ８、牽引リンク７、ゴムブッシュ８、牽引リンク受９と経由して車体台枠１０、車体の床１１に伝達され、車内に騒音となって放射される。
【０００６】
この固体伝播音を車体側で減少させようとすると、対策を施す部所が広範囲になるばかりでなく、車体重量が大幅に増加してしまう。したがって、車体に伝達される前である牽引リンクや牽引リンク受で振動を減少させることが望ましい。しかし、牽引リンクに取り付けられたゴムブッシュは振動絶縁の効果はあるが、駆動力や制動力を伝達するので、たわみ量を大きく取れず、ゴムブッシュのばね定数は必然的に大きくなり、低周波の振動に対しては絶縁することは困難である。
【０００７】
そこで、本発明は、車両の重量が増加せず簡素な手段によって、台車の主電動機からの固体伝播音を減少する装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では次の手段を採った。即ち、請求項１の発明では、台車の主電動機から台車枠、牽引リンク、牽引リンク受、車体台枠を経て車内に放射される固体伝播音を減少させる鉄道車両の室内防音装置において、該牽引リンクに前後方向の振動を検知する加速度センサを設けるとともに牽引リンク受に慣性マス型の加振手段を設け、該加速度センサからの振動加速度に基づいて牽引リンクから牽引リンク受への伝達力を打ち消す反力を演算して該反力を加振手段が発生するように指令する制御装置を備えたことを特徴としている。
【０００９】
本発明は、台車の主電動機の回転により発生した振動が室内へ騒音として伝達される固体伝播音を減少させるもので、車両の走行中に牽引リンクの振動加速度を測定し、牽引リンクからゴムブッシュを介して牽引リンク受が受ける伝達力を演算によって求め、この伝達力に対する反力を牽引リンク受へ与えることにより、固体伝播音を完全に遮断するようにしたものである。
【００１０】
すなわち、本発明は振動を減衰させるものではなく、固体伝播音の伝達力と全く同じ大きさの反力を与えて固体伝播音を打ち消すようにしたものである。
牽引リンクに伝達される振動の周波数は広範囲であるので、予め騒音低減対象の周波数を限定すれば、反力を演算する処理量を大幅に軽減することができる。
【００１１】
簡便で効果のある手段は、請求項３に記載したように、主電動機の回転数から騒音低減対象の周波数を特定することである。
主電動機の軸継手の回転振動による騒音は３〜４次までの高調波からなる狭帯域の振動が主体であり、その基本周波数は主電動機の回転数に一致する。
【００１２】
したがって、主電動機の回転数を知ることにより、これを整数倍することで、騒音低減の対象を決めることができる。
なお、主電動機の回転数は、車両の速度信号から車輪径と歯車装置の歯車比を用いて演算して知ることもできるが、車輪径は保守時の切削などによって変わるので、制御システムに車輪径を入力する必要がある。
【００１３】
また、主電動機の回転数や速度信号を制御システムに取り込むことができない場合は、牽引リンクの振動加速度を予め測定して周波数分析して決めればよい。周波数分析では、周波数スペクトルに該高調波の著しいピークが現れるので、比較的容易に該高調波を検知できる。
【００１４】
加振手段は、種々のものが適用でき特に限定しないが、例えば、圧電素子（ピエゾ素子）の両端に正負の電圧を交互に供給して、素子を膨張・収縮させ、引加する電圧に比例した反発力・吸引力を利用するものや、コイルを巻設した鉄心を永久磁石に係合させて設け、該コイルに通電して振動する電磁式のものが、コンパクトで制御も容易である。
【００１５】
なお、上記台車の駆動系から発生する回転振動による固体伝播音成分だけについてみると、牽引リンク受が牽引リンクから受ける振動伝達力の大きさは、１０［ｋｇｆ（ｒｍｓ）］程度と比較的小さく、小型の電磁加振機で反力を出すことが十分可能である。
【００１６】
次に、請求項２の発明では、台車の主電動機から台車枠、牽引リンク、牽引リンク受、車体台枠を経て車内に放射される固体伝播音を減少させる鉄道車両の室内防音装置において、該牽引リンクに前後方向の振動を検知する加速度センサを設けるとともに一端を台車枠に他端を牽引リンク受に連結された電磁アクチュエータを設け、該加速度センサからの振動加速度に基づいて牽引リンクから牽引リンク受への伝達力を打ち消す反力を演算して該反力を電磁アクチュエータが発生するように指令する制御装置を備えたことを特徴としている。
【００１７】
主電動機の回転による固体伝播音を牽引リンク受において、伝達力を打ち消す反力を加える点において請求項１の発明と同じであるが、電磁アクチュエータを用いる点において相違する。慣性マスを使用しないので構造を簡素にできるばかりでなく、高出力に対応し易いという効果がある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面に示す実施形態例に基づいて説明する。
まず、請求項１に記載の発明の実施形態例を図１および図２に基づいて説明する。
【００１９】
本発明における台車の構成は上記図７で説明したものと同じであり、この説明は省略する。図１は、本発明の鉄道車両の室内防音装置の機器構成を示すもので、  上記図８と同じものは同一符号を付している。
すなわち、台車枠１に主電動機２が取り付けられており、台車枠１は車体台枠１０に固設された牽引リンク受９と牽引リンク７によって連結されている。
【００２０】
そして、牽引リンク７には加速度センサ１２が設けられ、その端部の牽引リンク受９に加振手段１４が設けられ、加速度センサ１２から信号を得て、牽引リンク７から牽引リンク受９への伝達力を打ち消す反力を演算して、この反力を加振手段１４へ指令する制御装置１５が設けられている。
【００２１】
加振手段１４は、慣性マス型の電磁加振機で、牽引リンク受９に対し牽引リンク７と同軸線上に取り付けられており、その内部には、電線をらせん状に巻いたコイル、永久磁石、質量体である慣性マスが組み込まれている。そして、該コイルに電流を流すことによって発生する磁界と、該永久磁石による磁界との相互作用による引力・斥力を牽引リンク７の長手方向に発生させて、この力を該慣性マスの質量で支えて牽引リンク受９に与えるものである。
【００２２】
制御装置１５は、加速度センサ１２の信号から牽引リンク７から牽引リンク受９への伝達力を打ち消す反力を演算して、加振手段１４が所定の発生力を出すように電流を発生させる電流発生部を備えている。
図１において１６は、必要により外部入力信号として速度信号または主電動機２の回転数を使用する場合を示すもので、処理対象の周波数を速度信号などで変える場合に用いる。なお、車輪径の変化により変わる速度信号より主電動機の回転数を用いるのがよい。
【００２３】
図２は上記構成の等価運動モデルを表した図であり、台車枠１を振動源と見立て、強制変位をχ1、牽引リンク７の変位をχ2、牽引リンク７の両端のゴムブッシュ８の複素ばね定数をＫ1, Ｋ2、牽引リンク受９の変位をχ3、車体を含めた牽引リンク受９の等価複素ばね定数をＫ3、加振手段１４の電磁加振機による加振力をｆa, 慣性マスをｍ4，牽引リンク７の質量をｍ1、牽引リンク受９の質量をｍ3とする。また、台車枠１からの強制力をｆ1、牽引リンク受９にかかる外力をｆ3＝ｆaと置く。
【００２４】
ここで複素ばね定数Ｋnとは、実ばね定数ｋn と粘性項ｃnを含めたばね定数Ｋn ＝ ｋn＋ｉωｃnを想定している。なお、ωは角周波数、すなわち、周波数ｆ（ヘルツ）に対し、ω＝２πｆである。
時間領域で定義されるｆn（ｔ），χn（ｔ）について、それぞれ周波数領域に変換した関数をＦn（ω）, Ｘn（ω）とすれば、上記モデルの運動マトリクス式は次式（１）のように表すことができる。
【００２５】
【式１】
0003967865.tif 000002
【００２６】
（１）式において、牽引リンク受９の振動を止めるため、Ｘ3を０と仮定すれば、Ｆ3に関する定常解が求められ、（２）式を得る。
【００２７】
【式２】
0003967865.tif 000003
【００２８】
実際に測定される牽引リンク７の振動は変位χ2（ｔ）ではなく、加速度ａ2（ｔ）であるので、この周波数領域を表すＡ2（ω）を用いて（２）式を書き直すと、（３）式のようになる。
【００２９】
【式３】
0003967865.tif 000004
【００３０】
（３）式を用いて制御装置１５内部の演算手段によって反力を求め、加振手段を駆動制御する。
このようにして制御状態にあるときの牽引リンク受９の挙動を調べるため、（２）式を（１）式に代入して牽引リンク受９の振動についてマトリクスを解くと次式（４）を得る。
【００３１】
【式４】
0003967865.tif 000005
【００３２】
（４）式は、牽引リンク受９には外力は働かず、自由振動のみとなるため、やがて減衰して振動は０に収束することを示す。
次に、制御装置１５内の演算処理について説明する。
制御システムは、利得・位相制御が容易であるディジタル信号処理を用いており、次式（５）に示すように、信号ｓ（ｔ）について、サンプリング周波数ｆsによって一定時間間隔Δtの瞬間ごとの値を抽出し、数列ｓnとして扱っている。
【００３３】
【式５】
0003967865.tif 000006
【００３４】
制御の手順は、先ず車両の主電動機回転数か速度信号を入力することにより、または牽引リンク７の振動をＦＦＴ（高速フーリエ変換）分析してピーク周波数ｆ1, ｆ2, ｆ3, ... を検出し、処理制御を簡素化するため、騒音低減の対象とする周波数を有限個の狭帯域に特定する。
【００３５】
次ぎに、牽引リンク７の振動加速度信号からこの周波数成分を抽出し、振幅と位相を制御して、反力を求める。なお、この処理にはＦＩＲ（有限インパルス応答）フィルタを用いている。
ＦＩＲフィルタは、そのインパルス応答が有限の時間で収束するフィルタを指し、系の安定性が保証されることと、直線位相であり帯域フィルタを構成しても、波形の歪みが少ないという特徴がある。
【００３６】
ＦＩＲフィルタでは、次式（６）に示すように、入力信号を表す数列ｓnと、フィルタのインパルス応答関数を表す要素数Ｋの数列ｈkとの畳み込みによって出力信号ｒnが表され、ｈkを定義することで任意の特性のフィルタを実現できる。
【００３７】
【式６】
0003967865.tif 000007
【００３８】
ＦＩＲフィルタで帯域フィルタを構成する場合のｈkは、その周波数特性を逆フーリエ変換してインパルス応答関数に展開することで設計でき、角周波数ωm ＝ ２πｆmを中心周波数とする帯域を通過するＦＩＲフィルタの伝達関数ｈmkは、次式（７）のように表される。
【００３９】
【式７】
0003967865.tif 000008
【００４０】
ここでｗkは窓関数であり、フィルタの遮断特性を向上させる適切な関数を選んでいる。なお、ＦＩＲフィルタを通過する帯域は有限の帯域幅を持つため、厳密には単一周波数として考えることはできないが、近似的に単一周波数と考える。
【００４１】
（７）式をインパルス応答関数とするＦＩＲフィルタに牽引リンク７の振動加速度ａ2（ｔ）を入力して、出力ｒ（ｔ）が得られる時、ａ2（ｔ）とｒ（ｔ）それぞれの周波数領域関数Ａ2（ω）とＲ(ω）の関係は、角周波数ωm＝２πｆmにおいて次式（８）で表される。
【００４２】
【式８】
0003967865.tif 000009
【００４３】
これが（３）式と等価となるように次式（９）を解いて、さらに式（１０）によってｑとτを決定すると、ＦＩＲフィルタの出力として、牽引リンク受９に与えるべき反力ｆ3（ｔ）が得られる。
【００４４】
【式９】
0003967865.tif 000010
【００４５】
【式１０】
0003967865.tif 000011
【００４６】
なお、（１０）式では、制御系の遅延時間ｔdも考慮しており、τが正になる範囲でιも適切に設定する。
複数の帯域ｍ＝１，２，３...についても同様にして伝達関数を求め、次式（１１）のように重ね合わせれば良い。ただし、制御装置１５の能力によって処理可能な帯域数の上限が制限される。
【００４７】
【式１１】
0003967865.tif 000012
【００４８】
上記のように演算して、特定周波数の固体伝播音が牽引リンク受９に伝達される過程で、固体伝播音の伝達力に対し、反力が加振手段によって与えられるので、ここで固体伝播音が遮断される。したがって、車内騒音が減少されることになる。
【００４９】
なお、走行中の車両では過渡状態など振動が定常的ではなく、また、制御の遅延によって加振源の波形と反力の波形が一致しない場合が生ずる。そして、これによって室内騒音を減少させる効果が損なわれることも考えられる。
そこで、制御遅延が生じた場合にも、上記の制御によって騒音減少の効果が得られるかどうかについて、最小限の１／２周期遅延の場合について試算してみた。
【００５０】
図５（ａ）は、実際の車両の走行試験で測定された牽引リンク受９の振動の時間波形を示すもので、その周波数スペクトルを図６（ａ）に示す。
図５（ａ）では、２６０Ｈｚにピークがあることがわかる。
図５（ａ）の振動波形から、ピーク周波数である２６０Ｈｚ成分をＦＩＲフィルタを用いて抽出し、抽出した波形を最小限の１／２周期遅延して、元の波形に加算した結果の時間波形が図５（ｂ）であり、その周波数スペクトルが図６（ｂ）である。
【００５１】
この図から、２６０Ｈｚの振動成分について、２０ｄＢ低減され、遅延があっても十分な効果が得られることが解る。
次に請求項２に記載の発明の実施形態例について図３および図４に基づいて説明する。
【００５２】
図３はこの実施形態例の機器構成を示すもので、上記の実施形態例（図１）におけるものと同じものは同一符号を付している。
主電動機２が取り付けられた台車枠１は車体台枠１０に固設された牽引リンク受９と牽引リンク７によって連結されている。
【００５３】
そして、牽引リンク７には加速度センサ１２が設けられ、牽引リンク７と対をなすように、すなわち、一端を台車枠１に他端を牽引リンク受９に連結した電磁アクチュエータ１７が設けられ、反力を演算して電磁アクチュエータ１７へ指令する制御装置１５が設けられている。なお、１６は主電動機２の回転数または車両の速度信号である。
【００５４】
電磁アクチュエータ１７は、コイルに電流を流すことにより電流に比例した電磁気を発生させ、これによって反発力と吸引力を発生させて牽引リンク７の長手方向に反力を与えるものである。
制御装置１５は、加速度センサ１２の信号から牽引リンク７から牽引リンク受９への伝達力を打ち消す反力を演算して、電磁アクチュエータ１７が所定の発生力を出すように指令する。
【００５５】
図４は、上記の構成における等価運動モデルを表しており、上記の実施形態例（図２）と違って、加振力発生手段ｆaの一端が慣性マスでなく、台車枠に接続されていることが特徴である。
ここで、台車枠１は加振力発生手段による反力を受けるが、台車枠１の振動エネルギは非常に大きく、該反力の影響を受けないため、台車枠１は上記実施例と同様に強制変位と見立てて支障ない。また、加振力発生手段は、理論上はその両端の間に働く力のみを決めるため、台車枠１の振動変位に影響されることなく加振力を牽引リンク受９に与えられる。
【００５６】
したがって、この等価モデルにおいても、牽引リンク受に与えられる加振力は上記の実施形態例の場合と同じであり、与える反力は上記と同じように演算され、上記の実施形態例と同様な作用効果が得られることになる。
なお、この実施形態例の場合は、上記の慣性マスが不要となり、軽量化、高出力化が可能となる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の鉄道車両の室内防音装置は、請求項１の発明では、牽引リンクに前後方向の振動を検知する加速度センサを設けるとともに牽引リンク受に慣性マス型の加振手段を設け、該加速度センサからの振動加速度に基づいて牽引リンクから牽引リンク受への伝達力を打ち消す反力を演算して該反力を加振手段が発生するように指令する制御装置を備えたので、簡素な構成で主電動機からの固体伝播音を遮断でき室内騒音を減少できる。また、請求項２の発明では、上記の慣性マス型の加振手段に代えて、電磁アクチュエータを設けたので、装置が簡素で高出力を必要とされる場合にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の鉄道車両の室内防音装置の実施形態例の機器構成を示す図である。
【図２】同  牽引リンクを経由する固体伝播音が牽引リンク受けを経由し、車両床面から音として放出される系の等価運動モデルを表した図である。
【図３】請求項２の発明の鉄道車両の室内防音装置の実施形態例の機器構成を示す図である。
【図４】同  等価運動モデルを表した図である。
【図５】（ａ）は実際の車両が走行中の牽引リンク受の振動の時間波形で、（ｂ）はその振動の周波数スペクトルである。
【図６】（ａ）は本発明による車両が走行中の牽引リンク受の振動低減した結果を試算した時間波形で、（ｂ）はその振動の周波数スペクトルである。
【図７】鉄道車両の台車の平面図である。
【図８】牽引リンクの配置を示す側面図である。
【符号の説明】
１…台車枠              ２…主電動機
３…軸継手              ４…歯車装置
５…輪軸                ６…車輪
７…牽引リンク          ８…ゴムブッシュ
９…牽引リンク受      １０…車体台枠
１１…（車体の）床      １２…加速度センサ
１４…加振手段          １５…制御装置
１６…速度信号          １７…電磁アクチュエータ
【図１】
0003967865.tif 000013
【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】
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【図８】
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