JP2003285738A - 鉄道車両 - Google Patents

鉄道車両

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JP2003285738A JP2002094495A JP2002094495A JP2003285738A JP 2003285738 A JP2003285738 A JP 2003285738A JP 2002094495 A JP2002094495 A JP 2002094495A JP 2002094495 A JP2002094495 A JP 2002094495A JP 2003285738 A JP2003285738 A JP 2003285738A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 鉄道車両車体の構造体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。これらピエ
ゾ素子P及び受動電気回路C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。

Description

【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.9
7−1、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ものとすることができる。こ
の場合、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=2
mm、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1
0の全長に対して、両端部から22.4%の位置(67
2mm)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)1
4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・ω1 2)、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1
0)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344
g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)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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、
    を具備することを特徴とする鉄道車両。
  2. 【請求項2】 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こ
    とを特徴とする請求項1記載の鉄道車両。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007099102A (ja) * 2005-10-05 2007-04-19 Railway Technical Res Inst 鉄道車両の車内騒音の低減方法及び装置
JP2012107987A (ja) * 2010-11-17 2012-06-07 Railway Technical Research Institute 浮上式車両の模型実験装置におけるサスペンション相互作用力を用いた台車運動再現方法
US11211545B2 (en) 2016-03-01 2021-12-28 Yamaha Corporation Vibration controller

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