(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道車両用車体の構造体に付設され、前記車体の振動を受けて弾性変形するピエゾ素子と、該ピエゾ素子の電気出力を散逸させる受動電気回路と、を具備し、
前記車体の床及び／又は屋根構造体に、タイル状の小ピースピエゾ素子が、長手方向、幅方向に並べて貼り付けられており、梁の単純な曲げ振動とはみなせないような複雑な振動形状の車体振動も低減することを特徴とする鉄道車両。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両用車体の振動エネルギを散逸させて振動低減を図るようにした鉄道車両に関する。
【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、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。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）。
【０００３】
一方、最近になって、パッシブ制振の手法を用いて、車体の弾性振動の低減を図る研究が注目されている。パッシブ制振の一種には、ピエゾ素子の振動エネルギを電気エネルギに変換し、この電気エネルギ（電力）を外部回路で散逸させて機械的なダンピングを得る制振法がある。
本発明は、比較的簡易な装置によって振動低減を図ることのできる鉄道車両を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の鉄道車両は、車体の構造体に付設され、前記車体の振動を受けて弾性変形するピエゾ素子と、該ピエゾ素子の電気出力を散逸させる受動電気回路と、を具備し、前記車体の床及び／又は屋根構造体に、タイル状の小ピースピエゾ素子が、長手方向、幅方向に並べて貼り付けられており、梁の単純な曲げ振動とはみなせないような複雑な振動形状の車体振動も低減することを特徴とする。
【０００５】
本発明のピエゾ素子及び受動電気回路は、弾性変形によるひずみが大きくなる個所に用いることにより、梁の単純な曲げ振動とはみなせないような複雑な振動形状（局所的な振動を含む）にも適用することができる。そのため、本発明を鉄道車両用車体に適用することで、車体の弾性振動の低減を図ることができ、車両の乗り心地悪化を低減できる。さらに、本発明は、通常の制振材と比較して質量当たりの制振効果が高い、あるいは、電気回路の調整によって容易に周波数変化に対応できるといった利点もある。
【０００６】
本発明の鉄道車両においては、前記車体の床及び／又は屋根構造体に、タイル状の小ピースピエゾ素子が貼り付けられているので、ピエゾ素子の製作性や取り扱い性を向上できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。
まず、図１を参照して、本発明の基本的な構成について説明する。
図１は、本発明の基本的構成を示す概念図である。
図１の左側には、鉄道車両用車体の構造体Ｓが示されている。この構造体Ｓには、ピエゾ素子Ｐが付設されている。ピエゾ素子Ｐは、構造体Ｓの振動を受けて弾性変形し、この弾性変形によって電圧を発生する。構造体Ｓの外部において、ピエゾ素子Ｐには受動電気回路Ｃが接続されている。この受動電気回路Ｃは、ピエゾ素子Ｐの電気出力を散逸させる。
【０００８】
次に、図２を参照して、本発明のモデルについて説明する。
図２は、本発明の一実施例に係る鉄道車両のモデル図である。
図２に示すように、本実施例の鉄道車両車体のモデルは、全長Ｌb＝３ｍ、肉厚ｔb＝２ｍｍ、一辺ｂb＝９８ｍｍ（外寸）の正方形断面のアルミニウム合金製の角筒１０である。角筒１０の質量は約７．０ｋｇである。この角筒１０は、吊り紐１１を介して天井から吊り下げられている。吊り紐１１は、角筒１０の全長に対して、両端部から２２．４％の位置（６７２ｍｍ）に取り付けられている。この位置は、角筒１０を両端自由梁とみなした場合の、一次曲げ振動モード形状の節の位置である。なお、実際の空気バネ支持された鉄道車両は、両端自由支持に近いものとして考えることができる。
【０００９】
角筒１０の下面には、ロードセル１２が取り付けられている。このロードセル１２は、角筒１０の左端部から５１ｃｍの位置に取り付けられている。ロードセル１２は、基台上に配置された動電型加振器１３に接続されている。一方、角筒１０の上面には、複数（図２では７個）の加速度ピックアップ（加速度センサ）１４が取り付けられている。動電型加振器１３による角筒１０の加振力はロードセル１２で検知され、この際の角筒１０の振動加速度が加速度センサ１４で検知される。
【００１０】
角筒１０の長手方向中央部（一次曲げ振動のひずみが最も顕著に現れると考えられる位置）には、ピエゾセラミック（ピエゾ素子）１５がエポキシ樹脂接着剤で貼り付けられている。このピエゾ素子１５の性状は、全長Ｌp＝１５５ｍｍ、幅ｂp＝４０ｍｍ、厚さｔp＝１ｍｍであり、質量は４８ｇである。ピエゾ素子１５は、角筒１０の上下面に、厚さ方向に重ねて２枚ずつ貼り付けられている。但し、ピエゾ素子は、１枚のみ、角筒片側に１枚ずつ計２枚、角筒片側のみ２枚、全４枚（図の場合）と、貼り付ける枚数を変えることができる。なお、実際の車両に適用する場合は、スペースに応じて厚さ方向のみではなく、長手方向、幅方向に並べて貼付することもできる。
【００１１】
ピエゾ素子１２の電極に取り付けられたリード線は、インピーダンスＺの受動電気回路（図１参照）に接続されている。この受動電気回路は、例えば純抵抗Ｒのみの回路（これをＲ回路という）、もしくは、純抵抗ＲとインダクタンスＬを直列結合した回路（これをＬ−Ｒ回路という）等がある。
【００１２】
次に、前述の図２のモデルを用いて行なった制振性能の確認のためのシミュレーションについて述べる。
ここで述べるシミュレーションは、角筒１０の左端部から５１ｃｍの位置を動電型加振器１３で垂直に加振し、ピエゾ素子１５が弾性変形して発する電圧をＬ−Ｒ回路で散逸させた。
【００１３】
図３は、図２のモデルを用いて行なった制振性能の確認のためのシミュレーションの結果を示すグラフである。
このグラフは、縦軸が入力が加振力（単位Ｎ）、出力が角筒１０の中央点における加速度（単位ｍ／ｓ2）としたときのＦＲＦゲイン（単位（ｍ／ｓ2）／Ｎ）を示し、横軸が周波数（単位Ｈｚ）を示す。グラフＡは、ピエゾ素子を貼り付けず、受動電気回路を設けない場合を示す。グラフＢは、ピエゾ素子を角筒片側に１枚ずつ計２枚貼り付け、受動電気回路をＬ−Ｒ回路とした場合を示す。グラフＣは、ピエゾ素子を角筒片側に２枚ずつ計４枚貼り付け、受動電気回路をＬ−Ｒ回路とした場合を示す。
【００１４】
グラフＡの場合は、短絡時（すなわち回路のインピーダンスＺ＝０）の状態である。このとき、角筒１０の運動は、機械的な運動法則にのみしたがう。以下、この場合のピークの値（角筒１０の振動）を１００％の基準とする。
【００１５】
グラフＢ及びグラフＣの場合、Ｌ−Ｒ回路のインダクタンスＬについては、ピエゾ素子のキャパシタンスＣpと共振回路を構成するように、
Ｌ＝１／（Ｃp・ω12）、ω1＝（１／（Ｒ・Ｃp））
に基づき求めた。この際、使用するピエゾ素子の枚数に応じて、キャパシタンスＣpの値が変化するため、それに応じてインダクタンスＬも変化させる。
【００１６】
このようにしてインダクタンスＬを求める根拠は、次の通りである。すなわち、対象物（角筒１０）に減衰を与えるためには、機械的な振動エネルギを効率的に電力として散逸させる必要がある。インダクタンスＬやピエゾ素子のキャパシタンスＣpでは電力を消費しないため、抵抗Ｒに流れる電流が極大のとき、最も多くのエネルギが散逸されていると考えられる。そのためには、ＬとＣpの直列剛性インピーダンスは小さいほうが好ましく、上式を満たす場合は理論的にゼロとなる。この条件は、共振回路を構成する条件に他ならない。
なお、Ｌ−Ｒ回路の純抵抗Ｒについては、明確な決定基準がないことから、ＦＲＦゲインの最大値が最も小さくなる値を探索して、それを用いた。
【００１７】
図からわかるように、グラフＢはグラフＡに比べてＦＲＦゲインのピーク値が著しく低く、グラフＣではグラフＢよりもさらにピーク値が低くなっている。グラフＢの振動低減性能は、グラフＡの１００％に対して３８％まで向上し、グラフＣはの振動低減性能は、グラフＡの１００％に対して３０％まで向上している。つまり、本シミュレーションの結果から、角筒１０の一次曲げ振動は、最大約７割減少させることができる。
【００１８】
次に、実際に行った加振試験の結果に基づいて、本実施例のピエゾ素子・受動電気回路を用いた場合の制振性能と、従来の制振材（ゴム・ＣＦＲＰ）を用いた場合の制振性能との比較について述べる。
図４は、本実施例のピエゾ素子・受動電気回路を用いた場合の制振性能と、従来の制振材（ゴム・ＣＦＲＰ）を用いた場合の制振性能とを示すグラフである。このグラフは、横軸のピエゾ素子又は制振材の質量（単位ｋｇ）に対する縦軸の損失係数の値を表している。グラフＸが本実施例の場合、グラフＹが従来の制振材の場合を示す。
【００１９】
本試験に用いた制振材は、角筒の上に粘弾性層としてのゴムを貼り付け、このゴムの上に拘束層としてのＣＦＲＰを重ねて貼り付けたものである。この制振材の性状は、長さがＬr＝０．３ｍ、０．９ｍ、１．５ｍ及び２．１ｍの４種類であり、幅がｂr＝８０ｍｍであり、厚さがｔr＝３ｍｍ（粘弾性層が２ｍｍ、拘束層が１ｍｍ）であり、合計の質量は１ｍ当たり約３４４ｇである。
一方、本試験に用いたピエゾ素子の性状は前述の通りであり、受動電気回路はＬ−Ｒ回路である。なお、ここではピエゾ素子に接続する受動電気回路の質量は考慮していない。
【００２０】
図４のグラフにおいて、ピエゾ素子（グラフＸ）は厚さを変化させ、制振材（グラフＹ）は長さを変化させることにより、質量を変化させた。そのため、同一条件での比較とはいえないが、同程度の質量であれば、本実施例のピエゾ素子（グラフＸ）の方が従来の制振材（グラフＹ）よりも損失係数が高く、ダンピングの付加に有利であることがわかる。
【００２１】
さらに、図４のグラフによれば、制振材を用いた場合は貼り付け長さに最適値が存在し、質量０．３ｋｇ付近で損失係数が極大となっているが、ピエゾ素子を用いた場合は質量比と損失係数の増分がほぼ線形となっているのがわかる。この事実は、本試験で測定した範囲内（質量０．８ｋｇまでの範囲）でいえることではあるが、素子の形状を大きくするか、又は、使用する素子の枚数を増やす等により、さらに制振性能を向上することができる可能性がある。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、鉄道車両用車体の弾性振動を低減でき、車両の乗り心地悪化を低減できる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的構成を示す概念図である。
【図２】本発明の一実施例に係る鉄道車両のモデル図である。
【図３】図２のモデルを用いて行なった制振性能の確認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４】本実施例のピエゾ素子・受動電気回路を用いた場合の制振性能と、従来の制振材（ゴム・ＣＦＲＰ）を用いた場合の制振性能とを、実際の加振試験により求めた結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１０  角筒                                １１  吊り紐
１２  ロードセル                          １３  動電型加振器
１４  加速度ピックアップ（加速度センサ）
１５  ピエゾセラミック（ピエゾ素子）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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