乗り心地
乗り物別の乗り心地 > 鉄道車両

鉄道車両の乗り心地も、多くの要因が影響するが、狭義には振動に関する感覚や評価が乗り心地であるとされる。鉄道は他の交通機関と異なり、専用の軌道上を走行することから、乗り心地の検討は常に車両と軌道の相互作用を考慮しなければならないという特色がある。また鉄道の旅客は、車内で座っているだけではなく、通路を歩いたり寝台車で寝たりと、様々な姿勢を取る。この中でも立っている旅客の条件が厳しくなることから、立位乗客の評価が中心となる。
鉄道車両の振動は、鉄道車両の前後方向をX軸、左右方向をY軸、上下方向をZ軸としたときに、それぞれの並進運動（前後振動、左右振動、上下振動）と、それぞれの軸の周りの回転振動がある。X軸回りの回転振動をローリング、Y軸回りの回転振動をピッチング、Z軸回りの回転振動をヨーイングという。このうち乗り心地への影響が特に大きいのは左右振動、上下振動とローリングである。
列車の走行時には各軸の振動が複合して起こるが、分類すると以下の4種類がある。
軌道狂いや車両の動特性に由来するランダムな並進振動・回転振動
レールの継ぎ目、長波長の軌道狂い、車両の蛇行動などに起因する周期的な振動
加減速時に生じる前後加速度や曲線走行時の左右遠心加速度などの、慣性力に起因する低周波振動
大きな軌道狂いや分岐器に起因して生じる衝撃的な振動
連結器の遊間や緩衝装置の容量不足に伴う衝動
他の乗り物と同様に、振動の強さは加速度で測定するが、他の乗り物ではピーク値で代表させるのは望ましくないとして瞬時値の二乗和平方根を計算した実効値を使うのが一般的であるのに対して、鉄道ではピーク値もどの地点で大きな衝撃を発生させる軌道狂いがあるかを分析するために用いることができて有用という観点から、双方の値を参照する。鉄道車両の振動のうち、おおむね5ヘルツ以下のゆっくりとした揺れは、車両が剛体として運動していることに伴うもので動揺として評価される。一方6ヘルツ以上は車体の弾性体としての振動によるもので、ビビリ振動と呼ばれる。乗り心地には、動揺の影響が大きい。
一般的に鉄道の乗り心地評価では、上下左右の車体振動加速度、左右定常加速度、左右定常加速度の変化率、ロール角速度の4項目が評価対象となる。もっとも一般的な乗り心地評価指標が車体振動加速度であり、周波数によって人間の乗り心地感覚が異なることを補正して評価することは他の乗り物と同様である。日本ではISO2631を基に日本国有鉄道が補足して作成した乗り心地レベルや、乗り心地係数による評価基準が用いられており、ヨーロッパではスパーリングの乗り心地指数Wz値が用いられている。
鉄道では、曲線を走行する際に遠心力によって生じる曲線外側への定常的な加速度について上限値を設けている。遠心力による左右定常加速度を打ち消すために、曲線外側のレールを内側のレールより高くして車両を傾ける、カントを設定している。遠心力をちょうど打ち消すことができるカントを均衡カントと呼ぶが、同じ曲線であっても列車によって異なる速度で走行することから、すべての列車にとって均衡カントを設定することができない。また高速で走る列車に合わせて大きなカントを設定すると、異常事態に際して列車が曲線中で停車した際に内側に転覆してしまう恐れがあることから、設定できるカントには上限がある。このため高速列車ではカント不足となり、乗客には曲線外側への遠心力が働いた状態のままで走ることになる。日本の基準では、昭和30年代の試験結果に基づき、立っている乗客の5パーセントが許容できないとする左右定常加速度の値として、0.8 m/s2が定められている。ただし全員着席を前提とする東海道新幹線ののぞみについては0.9 m/s2を許容したことがある。曲線半径と、その曲線に実際に設定されているカントの大きさ、それに左右定常加速度の上限値から、その曲線を走行してよい上限通過速度が決められる。
また、曲線走行時の左右定常加速度について、その変化率も問題とされる。一定の加速度であれば乗客は耐えられるし、徐々に変化するのであっても乗客は予期できるので、手すりを握ったり足を開いたりして体勢を整えることができる。しかし急に変化すると予期が難しく、乗り心地に影響する。そこで直線と曲線を結ぶ区間に、曲率やカントを徐々に変化させる緩和曲線を設けている。日本では左右定常加速度の変化率は0.3 m/s3以下が望ましく、0.4 m/s3が上限とされ、緩和曲線の長さを決める根拠とされている。
ロール角速度は、カントによる傾きの変化率に車両のローリングが重なったもので、これも大きくなると乗り心地に悪影響が出る。これも緩和曲線の長さを決める根拠とされており、日本では5度/s以内という基準が設けられている。
乗り心地の改善策として、まず軌道側の対策としては、軌道をまっすぐ、または歪みのない曲線とするように軌道狂いをなくすことである。軌道の狂いの波長が車両の固有振動数と一致すると大きな揺れとなるため、列車の速度に応じて大きく影響する狂いの波長が異なる。このため、軌道の状態を検測し、狂いの生じているところに保線作業を行うことで対策する。曲線に関しては、曲線半径を大きくすることが根本的な対策であるが、現実的には困難であるため、緩和曲線長の延伸やカント量の変更で対策が行われる。また、レールの継ぎ目は寒暖の差によるレールの伸縮を吸収する役割があるが、列車が継ぎ目部分を走行することによる衝撃は乗り心地を損なうため、レールを溶接してロングレール化する対策が行われる。
車両側の対策には、まず車体の設計の改良がある。鉄道車両の輪軸は、レールと車輪が接する面（踏面）に勾配が付けられており、この踏面勾配の働きにより自己操舵性を発揮して曲線を滑らかに通過する仕組みになっている。しかし曲線通過のために必要なこの踏面勾配は一方で、直線を走行する際に蛇行動を起こす原因となる。蛇行動は乗り心地を悪化させるだけでなく、激しくなると脱線の原因ともなる。蛇行動を防止するためには、踏面勾配を小さくする、台車の前後の車軸間隔を広げる、輪軸と台車の間のがたを減らす、台車の回転抵抗を適切なものとする、といった方策があるが、曲線通過性能との兼ね合いとなる。台車の設計も重要であり、台車に組み込まれるばねの係数やダンパーの係数を適切に設計することで、振動の低減と蛇行動の防止を図ることができる。また、車両のビビリ振動を防ぐためには車体の剛性を高くする必要があり、可能であれば固有振動数を10ヘルツ以上にする。車体を軽く、かつがっちりと造る必要があり、設計上のポイントとなっている。
鉄道車両が編成を構成しているとき、後尾側の車両の方が揺れが大きくなる傾向がある。これは車体のヨーイング成分が主体の揺れであることがわかり、車体間の相対折れ角速度に比例するダンパーを取り付けて振動を低減する車体間ヨーダンパが開発され、効果が大きいときには左右振動加速度の振幅を半減するほどの効果が得られている。主に新幹線車両に用いられ、在来線でも一部の車両で用いられている。またトンネル突入時の空気の流れにより車体が左右に揺さぶられて乗り心地が悪化する現象があったことから、加速度センサーで測定した揺れを基に可変減衰タンパーの減衰係数を変えて動的に制御するセミアクティブサスペンションが開発された。その振動低減効果をさらに改善するために開発されたのがフルアクティブサスペンションで、加速度センサーで検出した左右振動に対して、振動を低減させるようにアクチュエーターで力を加えて制御する。上下方向の振動に関しても同様に、加速度センサーで検知した動揺に対して可変減衰上下動ダンパーの係数を制御して振動を低減する方策があり、「ななつ星 in 九州」の車両に搭載されたものでは加速度パワースペクトル密度ピーク値が10分の1程度に低減される効果を得ている。
左右定常加速度の低減は、おもに乗り心地を悪化させずに曲線走行時の速度を向上する目的で行われるもので、車体傾斜式車両によるものがある。曲線走行時に車体を曲線内側に傾けることで、乗客に作用する遠心力を補償するものである。