内装ロールバーによる車体剛性と乗り心地の向上
Improving Rigidity of Carbodies and Ride Comfort by Interior Roll-bar
今 岡 憲 彦 Norihiko IMAOKA
当社の開発した「sustina」第1号車両では，自動車などによる側面衝突への車体強度向上策として，内装ロールバーを装備した．この内装ロールバーは，車体の左右側面間，さらに荷棚，腰掛袖仕切りとの間を吊手棒でつなげる形で構成されている．この構成は，車体剛性向上を目的として当社と（公財）鉄道総合技術研究所（以下，鉄道総研）との共同研究により開発した剛性向上棒の構成と同一であり，内装ロールバーも剛性向上棒と同様に車体剛性向上と乗り心地向上に寄与すると考えられる．本報では，定置加振試験と本線走行試験の結果から，内装ロールバー装備の効果を明らかとする．

１ はじめに当社の開発した「sustina」は，軽量化，省エネルギ化，メンテナンスコスト低減などを図った次世代のステンレス車両である．
「sustina」第1号車両となる，東急電鉄殿向け
5050系5576号車は2013年5月に営業を開始した．
この「sustina」第1号車両には，車内の吊手棒を活用する形で車体左右側面間をつなぐ内装ロールバーを装備しており，車体の側面強度を向上させるために重要な役割を果
図 1 内装ロールバーと，それを構成する吊手棒たしている．鉄道車両は，通常使用時に車体側面へ著大な荷重が加わることはないが，過去に踏切へ侵入した自動車などとの衝突事例を考慮すると，乗客・乗員の安全確保の２ 「sustina」試作車両での定置加振試験ために車体の側面強度向上は必要であると言える．

「sustina」試作車両の概要については，本誌の「「sustina」

ところで，この内装ロールバーを構成する吊手棒は，車国内第1号車両の開発」にて記述している．本報では定体の左右側面間をつなぐ他に，荷棚，さらには腰掛の袖仕置加振試験に関わる事項について解説を行う．

切りへとつながっている．これは内装デザインの関係もあ

今回，「sustina」試作車両を対象に，内装ロールバーるが，車体の剛性向上を目的として当社と鉄道総研が共同の有無による車体剛性の相違を，試験により評価した．

開発した，剛性向上棒の構成に近づける目的もある．図 1

本章ではその評価方法と結果について記す．に内装ロールバーを図示する．
剛性向上棒は，東急車輛技報第60号の「軽量ステンレス２．１

試験条件「直線型吊鋼製車体の剛性向上に関する検討 」において，車体の剛性を評価するには，JIS E 7105で規定する垂直手棒」，「湾曲形吊手棒」として解説を行っている．剛性向荷重試験の車体中央変位量を用いる方法，同じくJIS

上棒の開発目的は，車体剛性の向上を狙ったものであるが，E7105で規定する曲げ固有振動数測定試験で曲げ固有振動

剛性向上棒を付けた車両で本線走行を模擬した加振試験を数を測定する方法などが考えられる．今回は，車両走行中行うと，乗り心地が向上する効果も得られている ．に生じるさまざまな振動モードごとに評価を行うため，車(1)(2)

そこで，「sustina」第1号車両に装備した内装ロールバー体加振試験を行った．

も，剛性向上棒と同様に車体剛性向上効果，および乗り心車体加振は，車体直下の試験場床上に設置した動電形加地向上効果があると考えられるため，その効果を実車での振器を使い，加振棒を介して車体を上下加振する方法（定試験により確認した．本報では，「sustina」試作車両を用置加振）を採った．この加振方法は，これまでの鉄道総研

いた定置加振試験の結果と，「sustina」第1号車両を用いたとの共同研究で多くの測定実績があり，また測定場所の制本線走行試験の結果を示し，内装ロールバー装備による効約が少なく，比較的容易に車体を加振できる方法である．

果を明らかにする．

図 2に加振器と加振棒の設置状態イメージを示す．

総合車両製作所技報第2号

26内装ロールバーによる車体剛性と乗り心地の向上

車体加振棒
動電形加振器図 4 加速度センサ 屋根測点設置状況

図 2 動電形加振器・加振棒設置状態
定置加振試験では，車体を上下加振する際に，車体各所へ設置した加速度センサで振動加速度を測定すると共図 5 加速度センサ 腰掛測点設置状況に，車体と加振棒の間に設けたロードセルで加振力を測定した．加速度センサの設置位置を図 3に示す．また，加速度センサの設置状況を図 4，図 5に示す．

なお，定置加振試験の際には，空気ばねを設置した加振試験用の仮台車で「sustina」試作車体を支持し，本線加振信号は5～50Hzでほぼ平坦な周波数特性を持つラ走行状態に近い支持条件となるようにしている．一方，ンダム波（一般に，バンドランダム波と称す）としてい屋根上クーラは設置せず，ほぼ同形状のダミーカバーをる．振動加速度と加振力の測定結果を使い，車体全体の載せた状態とした．床下機器も設置していない．

モード解析を行って，5～20Hzの周波数帯域で車体固有振動モードを同定した．

屋根測点：全21点

側測点：全10点
腰掛測点・荷棚測点：各1点

床測点：全21点
図 3 「sustina」試作車両 加速度センサ設置位置

27

2013 年12月

２．２

試験結果

２．２．１

固有振動モード図に示したJ-1などの記号は，車体振動固有振動モードモードの特徴を記号化したものである．最初の英文字がモ

内装ロールバーが有る状態での「sustina」試作車両の固ード形状を略号で示す．車体断面にせん断変形を生じるよ有振動モードのうち，代表的なモード5つについて図6に示

うなねじり変形モードの場合はJとする．上下曲げ変形モ

す．

ードのうち，屋根と床が同位相の場合はS，逆位相の場合はA，屋根だけが変形するなどして位相関係が不明な場合はZと表現する．ハイフン以降の数字が1桁の場合は振動

屋根（測点を線で結んでいる）モードの腹の数，2桁の場合は10の位が屋根の振動モードの腹の数，1の位が床の振動モードの腹の数を示す．
ところで，図 6のZ-10は，屋根中心線上の振動形状だけから判断するとZ-30となる．しかし，屋根上クーラ位置に側（測点を線で結んでいる）設置したダミーカバー上のr4cだけ振動するモードが試験

J-1：7.80Hzで得られ，またZ-10では，そのr4cだけ極端に位相がずれていることから，車体全体の振動モード評価のためにZ-床（測点を線で結んでいる）10として整理した．
過去の研究で，ステンレス車両のような構造の車体は，床，屋根，側の面体がそれぞれ独立して振動する特性であることを明らかにした ．今回の測定結果から，「sustina」(3)

車体も他のステンレス車両と同様の振動特性であると言える．

Z-10：10.09Hz

２．２．２

周波数応答関数「sustina」試作車体に取り付けた測点のうち，代表的な位置での周波数応答関数（FRF）を図 7に示す．
床測点のうち，車体中心線上にあるf2cとf4cの結果（図7(a)，(b)）を見ると，内装ロールバーが付くことで8Hz付近のピークが10.3Hz付近へシフトしていることがわかる．

Z-20：10.29Hz

このシフトしたピークに関連する振動モードは，Z-10とZ-20であった．一方，車体側面近傍にあるf4rの結果（図7(c)）を見ると，内装ロールバーの有無による違いはほとんど無かった．
屋根測点のうち，車体中心線上にあるr2cとr4cの結果（図 7(d)，(e)）を見ると，f2c，f4cのように，内装ロールバーが付くことで8Hz付近のピークが10.3Hz付近へシフトしてZ-30 ：11.52Hzいることがわかる．このシフトしたピークに関連する振動モードは，床測点と同じくZ-10とZ-20であった．一方，
車体側面近傍にあるr4rの結果（図 7(f)）を見ると，内装ロールバーが付くことで10Hz付近にピークが生じている．
振動モードから見ると，内装ロールバーが無い時には9Hz付近のわずかなピークで生じる振動モードであるので，車体剛性の向上に伴う影響であると言える．ところで，車体

J-2 ：14.65Hz

中央付近のr4cについては7.2Hz付近に大きなピークがある．このピークに内装ロールバーの有無は影響がなく，ま図 6 「sustina」試作車両 主要固有振動モード

た，この振動モードは前述の通り屋根上クーラ位置のダミ（内装ロールバー有り）ーカバーにのみ存在する特徴的な振動モードであるので，本報では評価しない．

総合車両製作所技報第2号

28内装ロールバーによる車体剛性と乗り心地の向上

FRF

FRF

内装ロールバー有り

内装ロールバー無し

10 倍4681012141618

10 倍20468FRF

10 倍

10 倍

468101214161842068FRF

10 倍

10 倍

68101214161820468

周波数［Hz］(e) 屋根測点 r4c

FRF

FRF
10 倍

68101214161820

101214161820

101214161820161820

周波数［Hz］(f) 屋根測点 r4r

10 倍

414

周波数［Hz］(d) 屋根測点 r2c

FRF

周波数［Hz］(c) 床測点 f4r

412周波数［Hz］(b) 床測点 f4c

FRF

周波数［Hz］(a) 床測点 f2c

10161842068101214周波数［Hz］(h) 腰掛測点 k4r

周波数［Hz］(g) 側測点 s4t

図 7 「sustina」試作車両 周波数応答関数（主要な測点）

29

2013 年12月

r4r
r2cr4c
屋根測点：全5点

k4r

側測点：無し腰掛測点・荷棚測点・軸箱測点：各2点

j5f4r
f2cf4c
床測点：全13点
図 8 「sustina」第1号車両 加速度センサ設置位置
３．１

側測点であるs4tの結果（図 7(g)）では，r4rと同様に内試験条件

スケジュールの都合上，「sustina」第1号車両の本線走行装ロールバーが付くことで10Hz付近にピークが生じてい試験は東急田園都市線で行った．全走行区間の中に86km/h

る．s4tもr4rと同様に車体剛性向上の影響と言える．
腰掛測点であるk4rの結果（図 7(h)）では，6～8Hzの範等速区間を設定し，内装ロールバーの有無による振動の違囲の線が高周波数側へわずかにシフトしており，また10Hzいを，同一区間，同一速度で評価できるようにした．なお付近に小さなピークが生じている．車体剛性向上の影響と等速区間の走行速度は，事前に車体の曲げ弾性振動を励起言えるが，他の測点よりは影響が小さい．

しやすいと想定する速度を算出し，それを基に設定した．

２．３ 「sustina」試作車両における内装ロールバーの効果ために「sustina」第1号車両の台車軸箱に加速度センサを一般的に，同じ振動モード同士で比較すると，剛性が増設置したほか，定置加振試験と同様に車体各所へ加速度セした方が固有振動数は大きくなると考えられる．その視点ンサを設置し，振動加速度を測定した．なお，準備時間・から前節で示した試験結果を評価すると，Z-20モードの車施設の制約があり，定置加振試験よりも測点を減らしてい体振動に対して内装ロールバーによる剛性向上効果が大きる．加速度センサの設置位置を図 8に示す．また，加速度

い．8Hz付近の固有振動数は10.3Hz程度になる．

センサの設置状況を図 9，図 10に示す．

本線走行試験では，加振信号に相当する振動を記録する

一方，内装ロールバーが有ることで振動が大きくなる場所も存在することが確認できた．
３ 「sustina」第1号車両での本線走行試験「sustina」試作車両に対する定置加振試験により，入力加振に対する応答振動加速度がどう変化するか掴むことができ，さらにそれを基にして車体剛性への効果を見ることができた．しかしながら，実際に乗客が感じる乗り心地への影響度合いに関しては，本線走行時と同じ周波数特性を持った入力加振に対する応答振動を見る必要がある．そこで「sustina」第1号車両の本線試運転の際に，内装ロールバーの付け外しを行い，乗り心地に対する効果を確認した．
総合車両製作所技報第2号

30

図 9 加速度センサ床上設置状況

内装ロールバーによる車体剛性と乗り心地の向上

３．２

試験結果

３．２．１

固有振動モード「sustina」第1号車両に内装ロールバーが有る状態での固有振動モードのうち，代表的なモード4つについて図 11に示す．
定置加振試験で見られなかったモードに，剛体振動モードがある．これは車体前後の台車のばねが同位相で上下振動するモードであり，あたかも車体を剛体と見なした時のように上下振動する．そのため，内装ロールバーの有無と関係ないモードであるので，本報では評価しない．
振動モードJ-1と振動モードZ-10は，「sustina」試作車両の定置加振試験結果よりも小さな固有振動数となってい図 10 加速度センサ軸箱設置状況

る．この原因は，屋根上機器および床下機器の有無による車両質量の相違が大きいと考えられる．振動モードA-11は定置加振試験では見られなかったモードであるが，床の振屋根（測点を線で結んでいる）幅に比べて屋根の振幅の方が大きいので，定置加振試験で床（測点を線で結んでいる）測定した振動モードZのうちの1つが，本線走行試験で振動モードAに変化したと考えられる．
荷棚腰掛

３．２．２

剛体振動モード：1.4Hz

加速度パワースペクトル密度「sustina」第1号車両に取り付けた測点のうち，代表的な位置でのパワースペクトル密度（PSD）を図 12に示す．
床測点と屋根測点の結果（図 12(a)～(d)）を見ると，内装ロールバーが有ることによるピークのシフトはほとんど見られない．また，8Hz付近と12Hz付近のPSD値が小さくなっており，剛体振動モードの周波数帯（1.4Hz付近）を除くと，最大ピークは低下する．腰掛測点の結果（図 12(e)）

J-1：7.0Hz

も，床測点と同様の傾向を示している．12Hz付近のピークは，内装ロールバーが付くことで約1/3となる．
軸箱測点の結果（図 12(f)）を見ると，違いがほとんど無い．加振信号（条件）はほぼ同一であると言える．

Z-10 ：8.9Hz

A-11 ：12.1Hz

図 11「sustina」第1号車両 主要固有振動モード（内装ロールバー有り）

31

2013 年12月

内装ロールバー有り

加速度 PSD

加速度 PSD

内装ロールバー無し

10 倍

10 倍

02468 10 12 14 16 18 200246

加速度 PSD

周波数［Hz］(b) 床測点 f4c

加速度 PSD

周波数［Hz］(a) 床測点 f2c

10 倍

10 倍

024608 10 12 14 16 18 2024

加速度 PSD

10 倍

10 倍

24668 10 12 14 16 18 20

周波数［Hz］(d) 屋根測点 r4r

加速度 PSD

周波数［Hz］(c) 床測点 f4r

08 10 12 14 16 18 20

8 10 12 14 16 18 2002468 10 12 14 16 18 20
周波数［Hz］(f) 軸箱測点 j5

周波数［Hz］(e) 腰掛測点 k4r

図 12 「sustina」第1号車両 周波数応答関数（主要な測点）
総合車両製作所技報第2号

32内装ロールバーによる車体剛性と乗り心地の向上

３．２．３

乗り心地レベル

いたが，本線走行試験では振動が大きくなるような傾向は前項の加速度PSDを使い，乗り心地レベル（LT）を算出

見られなかった．

して評価する．

ところで，今回の本線走行試験では空車状態で測定を行

LTは，鉄道の乗り心地評価に一般的に用いられるもので，った．乗車人員が増えるに従っての乗り心地への影響を確

その値から 5 段階の乗り心地評価を行うことができる．表認する必要があるが，これまでの研究により，乗車人員の1 にそのランクを示す．数値が小さいほど乗り心地は良く増加は車体への振動減衰効果の付与に相当することがわかなる．っている ．これは，どちらかと言うと振動低減に寄与す(4)る効果であるので，乗車人員の増加による悪影響はほとん

表 1 乗り心地レベル（LT）と評価

ランク 乗り心地レベル（LT）
1ど生じないと推測できる．

評価

４

LT < 83 dB 非常に良いまとめ

283 dB < LT < 88 dB

良い「sustina」の内装ロールバーによる車体剛性向上効果と3

88 dB < LT < 93 dB

普通

乗り心地向上効果について，試験により確認を行った．

493 dB < LT < 98 dB

悪い598 dB < LT

定置加振試験により，内装ロールバーが有ることで車体剛性が向上することを確認できた．また，本線走行試験に非常に悪いより，内装ロールバーが有ることで乗り心地が向上することを確認できた．

腰掛測点k4rと床中心に位置する床測点f4c，それぞれの鉄道総研との共同開発による剛性向上棒は，既存車への乗り心地評価と，内装ロールバーの有無によるLTの変化量追加取り付けを考慮した構成となっていた．内装ロールバ（ΔLT）を表 2に示す．ΔLTがマイナスの時は，内装ロールバーでも既存車への追加取り付けが可能であるので，国内外ーによる乗り心地改善効果があることを表している．

を問わず，「sustina」以上に普及を図っていきたい．
最後に，振動測定や解析評価にあたり，多大なご協力を

表 2 内装ロールバーの有無によるLTの変化

位置

内装ロールバー 乗り心地評価

腰掛無し

非常に良いk4r

有り

非常に良い

床無し

非常に良い

f4c有り

非常に良いいただいた関係各位へ謝意を表す．

ΔLT

参考文献

−1.2dB（1）谷口宏次，他：「軽量ステンレス鋼製車体の剛性向上に関する検討」，東急車輛技報第60号， 12-19，（2010），東急車輛製造（株）−1.4dB（2）瀧上唯夫，他：「車体剛性向上機能を持つ吊手棒の開発（既存車両への取付を考慮した設計とその効内装ロールバーの有無に関わらず，乗り心地評価は非常果）」，J-RAIL2010講演論文集， 321-324，（2010）に良い，であるが，内装ロールバーが有ることで1.2～（3）相田健一郎，他：「車体構造の違いによる在来線車両の車体固有振動モード特性の比較」，J-RAIL2007

1.4dB程度の乗り心地改善効果が得られる．

講演論文集， 143-146，（2007）

ところで，k4rの12Hz付近のピーク減少率を基に考えると，LTの減少度合いは限定的である．LTの算出には0.5～（4）富岡隆弘：「旅客の乗車で車体振動が変わる」，80Hzの振動が関係するので，1.4Hz付近の剛体振動モード

RRR Vol.66 No.7， 18-21，（2009）， （財）鉄道総合のピークが変化しないことがLTへの効果を限定的にした理技術研究所

由である．
著者紹介

３．３ 「sustina」第1号車両における内装ロールバーの効果

今岡憲彦「sustina」第1号車両の本線走行試験により，内装ロール生産本部技術部（商品開発）主査

バーが有ることで乗り心地が向上する結果が得られた．
「sustina」試作車体の定置加振試験では，内装ロールバーが有ることで振動が大きくなる箇所が屋根などに存在して33

2013 年12月