JP2006182136A

JP2006182136A - 鉄道車両用防音車輪

Info

Publication number: JP2006182136A
Application number: JP2004376647A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Fujimoto; 隆裕藤本; Kentaro Kiriyama; 健太郎桐山; Yoshinari Yamamura; 佳成山村
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2006-07-13

Abstract

【課題】小型で軽量であっても、比較的低い周波数帯域の転動音を効果的に抑制する。
【解決手段】車輪１０のリム部１０ａ内周面に防音装置１１を備えた鉄道車両用防音車輪である。防音装置１１は、少なくとも、付加質量１１ｂ部と弾性体１１ａ部を備える。弾性体１１ａ部の車軸方向の幅Ｗ11aが、付加質量１１ｂ部の車軸方向の幅Ｗ11bより小さい。
【効果】小型で軽量であっても、比較的低い周波数帯域の転動音を効果的に抑制できる。また、車輪の板部にブレーキディスクを装着した、従来は防音装置の装着が困難であった新幹線の車輪にも適用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両用の防音車輪に関するものであり、特に比較的低い周波数帯域の転動音を効果的に抑制可能な、小型で軽量な防音装置を備えた鉄道車両用防音車輪に関するものである。

鉄道車両の走行時に発生する騒音は周辺環境にとって解決すべき最優先課題の１つであり、その１つに車輪の振動によって発生する騒音がある。

そして、この車輪の振動によって発生する騒音には、（１）直線区間走行時に発生するいわゆる転動音と、（２）曲線区間通過時に車輪に加わる力の時間的変化によって発生するいわゆるきしり音がある。これらの騒音のうち、きしり音は１０００Ｈｚ以上の高周波数帯域の騒音であり、転動音は１０００Ｈｚ未満の比較的低い周波数帯域の騒音といわれている。

このような車輪の振動によって発生する騒音を低減するため、従来から、特許文献１や特許文献２のように、車輪１のリム部１ａ内周面から板部１ｂにわたって、ゴムなどの弾性体２ａと付加質量２ｂを組み合わせた防音装置２を、車輪取付け金具２ｃによって取付け溝１ｄに装着した防音車輪（図８（ａ）（ｂ）参照）が提案されている。
実開昭５７−１４４７０３号公報特許第３０９７８３１号公報

この特許文献１や特許文献２で提案された防音車輪は、図８（ｃ）に示すように、弾性体２ａをばね３、付加質量２ｂを質量４とした動吸振器の制振効果により防音効果を発揮していると考えられる。このような動吸振器は、主系の固有振動数とダンパ系の固有振動数を一致させることにより、効果的に主系の振動を低減できる。

また、前記ダンパ系の固有振動数ｆは、円周率をπ、ダンパ系のばね定数をｋ、ダンパ系の質量をｍとした場合、
ｆ＝（１／２π）（ｋ／ｍ）^1/2 …（１）
で与えられる。

従って、この（１）式から、比較的高い周波数帯域のきしり音を抑制するには、ばね定数ｋを大きくするか、質量ｍを小さくすることにより、ダンパ系の固有振動数ｆを高くすることが必要であることが分かる。反対に、比較的低い周波数帯域の転動音を抑制するには、ばね定数ｋを小さくするか、質量ｍを大きくすることにより、ダンパ系の固有振動数ｆを低くすることが必要であることが分かる。

ところで、前記特許文献１や特許文献２で提案された防音車輪は、図８（ｂ）に示すように、装着された防音装置の付加質量２ｂ部の車軸方向の幅（以下、単に「幅」という。）Ｗ2bと弾性体２ａ部の幅Ｗ2aが同一となっている。なお、図８中の１ｃは車輪１のボス部を示す。

従って、前記きしり音は、付加質量部の質量を減少させて、前記（１）式の質量ｍを小さくするか、弾性体の材料を変更するなどしてばね定数ｋを大きくすることで低減できるので、あまり問題とならない。

しかしながら、前記転動音を低減するには、付加質量部の質量を増加させて、前記（１）式の質量ｍを大きくするか、弾性体の材料を変更するなどしてばね定数ｋを小さくすることになる。

このうち、付加質量部の質量を増加させるには、半径方向に大きくするしか方法がないので、防音装置が大型化し、重量も増加するという問題があった。また、弾性体の材料の変更も、信頼性などの点から容易ではない。

なお、転動音の低減には、特許文献３で提案された、車輪をタイヤ部と輪心部に分割し、その間に弾性体を介在させた弾性車輪が効果を有するが、構造が複雑でコスト増となる。
特開昭６２−２１４００１号公報

本発明が解決しようとする問題点は、従来の防音車輪は、小型で簡単な構造の防音装置では、特に比較的低い周波数帯域の転動音を効果的に抑制することができないという点である。

本発明の鉄道車両用防音車輪は、
小型で軽量であっても、比較的低い周波数帯域の転動音を効果的に抑制するために、
車輪のリム部内周面に防音装置を備えた鉄道車両用防音車輪において、
前記防音装置は、少なくとも、付加質量部と弾性体部を備え、
前記弾性体部の幅が、前記付加質量部の幅より小さいこと、
を最も主要な特徴としている。

本発明では、防音装置を構成する弾性体部の幅を、付加質量部の幅より小さくすることで、小型で軽量であっても、比較的低い周波数帯域の転動音を効果的に抑制することができるという利点がある。また、本発明は、在来線だけでなく、車輪の板部にブレーキディスクを装着した、従来は防音装置を装着することが困難であった新幹線の車輪にも適用できるという利点がある。

発明者らは、現在問題となっている、走行時に、鉄道車両が車輪から発生する騒音を低減するための防音装置について、
（Ａ）前記（１）式で表される固有振動数のｍの値を大きくするのではなく、ｋを小さくすることで、固有振動数を低下させることが可能であること、
（Ｂ）弾性体部の幅と付加質量部の幅は、従来のように、必ずしも一致させる必要はないのではないかという着想、
に着目し、種々実験・研究を重ねた。その結果、防音装置の弾性体部の幅は付加質量部の幅と一致させる必要がないことを見出した。

本発明の防音車輪１０は、かかる知見に基づいてなされたものであり、防音車輪１０のリム部１１ａの内周面に形成した取付け溝１０ｄに、たとえば図１（ｂ）に示したように、矩形状の断面形状を有する付加質量１１ｂと弾性体１１ａからなり、弾性体１１ａ部の幅Ｗ11aを、付加質量１１ｂ部の幅Ｗ11bより小さくした防音装置１１を装着したことを特徴としている。なお、図１中の１０ｂは板部、１０ｃはボス部を示す。

図２は発明者らが行った実験の一例を示したものである。この図２は、防音装置を構成する前記付加質量部の質量を一定としたときの弾性体の大きさと、固有振動数との関係を調査したものである。

図２（ａ）では、弾性体の厚さを一定とし、弾性体の面積を大きくしていった場合の固有振動数の推移をプロットしている。横軸、縦軸ともに、ある試料の値を１とし、他の試料をそれに対する比で整理し、プロットしている。また、図２（ｂ）では、弾性体の面積を一定とし、弾性体の厚みを大きくしていった場合の固有振動数の推移をプロットしている。

これらの図２より、付加質量部分の質量が同一でも、系の固有振動数が変化していることが分かる。弾性体の動的縦弾性係数をＥ_DYN、厚みをＬ、付加質量部との接触面積をＡとした場合、この固有振動数から弾性体のばね定数ｋを求めると、
ｋ＝Ｅ_DYN（Ａ／Ｌ）^1/2 …（２）
で表すことができる。

すなわち、付加質量部と弾性体との接触面積が小さいほど、また、弾性体の厚みが大きいほど、弾性体のばね定数ｋは小さくなることが分かる。

前記（２）式と、前述の防音装置１１の弾性体１１ａ部分の幅Ｗ11aは付加質量１１ｂ部分の幅Ｗ11bと一致させる必要はないという知見を合わせて考えると、例えば弾性体１１ａ部分の幅Ｗ11aを付加質量１１ｂ部分の幅Ｗ11bの１／２にすれば、基本的には円周方向に一定である面積が１／２となるため、弾性体１１ａのばね定数ｋは約１／２になる。その結果、付加質量１１ｂは変更しなくともチューニング周波数を約０．７倍にすることができる。

さらに、ゴムなどの弾性体の動的縦弾性係数Ｅ_DYNは、硬さによって変化していることが知られており、軟らかいものほど動的弾性係数Ｅ_DYNは小さくなり、ばね定数ｋは小さくなる。

この結果より、付加質量部分の質量、弾性体部分の断面幅と厚さ、さらには弾性体の硬さを考慮することにより、小型で軽量な防音装置を設計できるようになることが分かる。

以上の考え方は、防音装置の付加質量部分の断面形状にとらわれることはないが、付加質量部分の断面形状が矩形断面以外の場合、同一質量を確保するために必要な最大幅が矩形断面よりも大きくなる。このため、小型化、軽量化を図るには、矩形断面とすることが望ましい。

このような構成を採用することで、本発明の防音車輪１０の防音装置１１は、従来の防音装置２に比べて小型化が可能になる。従って、従来の防音装置２には必須であった、弾性体２ａ部分と車輪１の間の、防音装置取付けのための車輪取付け金具２ｃ（図８参照）を省略して、図１に示したように、弾性体１１ａ部分を防音車輪１０に直接接触させて取り付けることが可能になる。

これにより、防音装置取付け溝１０ｄから、付加質量１１ｂ部分が、リム１ａの内周側に、従来と同程度（２〜３ｍｍ）以上突出しないように装着できるようになる。なお、本発明は、車輪取付け金具を介して防音車輪１０に取り付けても良いことは言うまでも無い。

さらに、防音装置１１全体を取付け溝１０ｄの内部に装着すれば、従来は防音装置の装着が困難であった、新幹線用車輪のように車輪１の板部１ｂにブレーキディスクを装着した車輪にも取付けが可能になる。

本発明では、防音装置１１の付加質量１１ｂ部分、弾性体１１ａ部分とも、その大きさに制限はない。しかしながら、付加質量１１ｂ部分、弾性体１１ａ部分が、ともに小さすぎると、防音車輪１０への装着が困難となるため、その幅は、付加質量１１ｂ部分は１０ｍｍ以上、また、弾性体１１ａ部分は付加質量部分の１／２以上とすることが望ましい。なお、防音装置１１は防音車輪１０のリム部１０ａ内周側に装着するため、車輪に要求される強度から付加質量１１ｂ部分、弾性体１１ａ部分の最大幅は制限を受ける。

また、防音装置１１は、必ずしも図３（ａ）に示したような、円周方向に連続したリング状である必要はなく、図３（ｃ）に示すように、円周方向に複数に分割されたものであっても問題はない。

但し、弾性体１１ａ部分の厚さと、負荷質量１１ｂ部分の厚さ、および、車輪１０のリム部１０ａ内周面に装着するための取付け溝１０ｄの深さや形状を考慮することで、何らかの原因で、走行中に弾性体１１ａ部分が欠落した場合でも、防音装置１１自体が車輪１０から脱落することがないように構成することが必要である。この脱落防止を考慮する場合には、少なくとも付加質量１１ｂ部分は、図３（ｂ）に示したように、リング状であることが望ましい。

前記の防音装置１１自体が防音車輪１０から脱落することがないように構成するとは、防音装置１１を構成するリング状の付加質量１１ｂ部の外周側（リム側）の直径と、車輪１０のリム部１０ａに形成された防音装置１１装着用の取付け溝１０ｄの深さ、取付け溝１０ｄの溝底の直径（車輪１０の中心を中心とする取付け溝１０ｄの溝底の円）を調整することにより、リング状の付加質量１１ｂ部が取付け溝１０ｄから脱落しないように構成することである。

具体的には、以下のようにして防音装置１１を車輪１０に取り付ければよい。
（１）防音装置１１が、リング状の車輪取付け金具と弾性体１１ａおよび付加質量１１ｂ部から構成される場合は、車輪取付け金具を車輪１０のリム部１０ａに接着する、あるいは、リム部１０ａに設けた取付け溝１０ｄに車輪取付け金具を挿入してかしめる、あるいは、圧入する。

（２）前記（１）において、車輪取付け金具がない場合（図３（ａ）参照）は、リム部１０ａに設けた取付け溝１０ｄに弾性体１１ａ部および付加質量１１ｂ部の大部分を納めるように構成し、先に説明したように脱落しないよう調整する。具体的には、リング状に曲げられる程度の弾力性を有する直線状の付加質量１１ｂ部と弾性体１１ａを接着剤等で接着し、弾性体１１ａに若干の予圧縮が加わるようにリム部１０ａに設けた取付け溝１０ｄに挿入し、付加質量１１ｂ部を溶接する等の手段で取り付ける。

（３）車輪取付け金具、弾性体および付加質量部を備えた防音装置において、円周方向に分割する場合には、車輪取付け金具を円周方向にやや広く形成し、その広く形成した部分でボルト等を用いてリム部１ａに取付ければよい。

（４）前記（３）において、車輪取付け金具がない場合（図３（ｃ）参照）は、弾性体１１ａを円周方向にやや広く形成し、その広く形成した部分でボルト等を用いてリム部１ａに取付ければよい。
なお、弾性体１１ａと取付け金具および付加質量１１ｂ部とは接着剤などで接合すればよい。

以下、本発明の鉄道車両用防音車輪を、下記表１に示す実施例に基づいて説明する。

前記表１の実施例１〜３に示した鉄道車両用防音車輪１０を、図４に示すように、治具２１に片持状に支持させ、その踏面１０ｅをインパクトハンマ２２で打撃した。そして、車輪１０から１００ｍｍ離した位置に設置した騒音計２３で測定した騒音を周波数分析器２４で分析し、防音装置を装着しない車輪の騒音と比較することでその効果を確認した。このとき、打撃力の違いにより放射される騒音が異なるため、演算器２５において前記打撃力で除算することにより、単位打撃力における通常車輪に対する騒音低減量を求めた。

その結果を、図５に示す。図５に示すように、本発明（実施例１〜３）の鉄道車両用防音車輪１０は、従来の防音車輪（比較例）と同等の防音効果があることが確認された。

図６は本発明の防音車輪１０に装着した防音装置１１の車輪半径方向の長さを、従来の防音車輪に装着した防音装置と比較したものである。また、図７は本発明に係る防音車輪に装着した防音装置の質量と従来の防音車輪に装着した防音車輪の質量を比較したものである。これらの図から、本発明（実施例１〜３）の防音車輪に装着した防音装置は、従来の防音車輪（比較例）に装着した防音装置よりも小型で軽量であることは明らかである。

本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範囲内で、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

（ａ）は本発明の防音車輪の概略説明図、（ｂ）は（ａ）のＢ部の詳細図で、本発明の防音車輪に装着された防音装置の要部説明図である。実験で確認した、弾性体部分の面積比と固有振動数の関係を示す図で、（ａ）は弾性体の厚さを一定としたもの、（ｂ）は弾性体の面積を一定としたものである。本発明の防音車輪に装着される防音装置の概要図で、（ａ）は付加質量、弾性体ともリング状の防音装置の概要図、（ｂ）は付加質量はリング状で、弾性体が分割された防音装置の概要図、（ｃ）は付加質量、弾性体とも分割された防音装置の概要図である。本発明に係る防音車輪の騒音低減効果を確認するための実験の概要図である。本発明に係る防音車輪の騒音低減効果を示す図である。本発明に係る防音装置の車輪半径方向長さを示す図である。本発明に係る防音装置の質量を示す図である。（ａ）は従来の防音車輪の概略説明図、（ｂ）は（ａ）のＢ部の詳細図で、従来の防音車輪に装着された防音装置の要部説明図、（ｃ）は防音装置が相似する動吸振器の概略図である。

符号の説明

１０本発明の防音車輪
１０ａリム部
１０ｄ取付け溝
１１本発明の防音車輪に装着される防音装置
１１ａ弾性体
１１ｂ付加質量
Ｗ11a 弾性体の幅
Ｗ11b 付加質量の幅

Claims

車輪のリム部内周面に防音装置を備えた鉄道車両用防音車輪において、
前記防音装置は、少なくとも、付加質量部と弾性体部を備え、
前記弾性体部の車軸方向の幅が、前記付加質量部の車軸方向の幅より小さいことを特徴とする鉄道車両用防音車輪。
前記防音装置が、付加質量部と弾性体部のみを備え、
前記弾性体部が、直接、車輪と接触するように取付けられていることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用防音車輪。
前記防音装置が、車輪のリム部内周部に設けられた溝に嵌められており、
前記付加質量部が、前記溝より突出していないことを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄道車両用防音車輪。
前記付加質量部がリング状であり、かつ、車輪から脱落しないように構成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の鉄道車両用防音車輪。
前記弾性体が円周方向に分割されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の鉄道車両用防音車輪。
前記弾性体と前記付加質量部が共に円周方向に分割されていることを特徴とする請求項２に記載の鉄道車両用防音車輪。
前記防音装置が、車輪取付け用金具、付加質量部および弾性体部を備え、
かつ、これら車輪取付け用金具、付加質量部および弾性体部が、円周方向に分割された形態であることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用防音車輪。