JP2016088313A - 鉄道用圧縮機装置、鉄道用車両 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造を有するとともに、十分な制振効果を有する鉄道用圧縮機装置、及びこれを備える鉄道用車両を提供する。【解決手段】鉄道用圧縮機装置１は、鉄道用車両の床下に設けられる筐体１０と、該筐体１０内に設けられて、該筐体１０の底面１０Ｂから上方に離間して設けられたプレート２０と、前記底面１０Ｂ上に設けられて、該プレート２０を支持する防振部３０と、前記プレート２０上に設けられた圧縮機４０と、を備え、前記圧縮機４０が設置された状態における前記プレート２０の一次曲げ固有振動数をｆ１、前記プレート２０、前記防振部３０及び前記圧縮機４０からなる質量体の上下方向の固有振動数をｆ２、前記圧縮機４０の起振周波数をｆと定義した際に、ｆ１＞ｆ＞ｆ２の関係が成立するように構成される。【選択図】図４

Description

本発明は、鉄道用圧縮機装置、及びこれを備える鉄道用車両に関する。

鉄道用車両では、例えばブレーキ装置等を構成する各種機器を床下に収容する構造が採られる。このような床下機器には、車両を走行させるための電動機や、ブレーキ用圧縮空気を生成するための圧縮機のように、振動の発生源となるものが多い。車両の乗り心地の向上や、騒音の低減を図る上で、床下機器の振動を抑制するための技術が求められている。

このような技術の一例として、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１には鉄道用車両の制振装置が記載されている。この制振装置は、コンプレッサと一体に変位するように設けられたハウジングと、このハウジングに対して隙間を有しつつ該ハウジング内に設けられたマス部材と、マス部材の当たり面に形成された弾性体と、を備えている。鉄道用車両の振動に伴って、マス部材が該振動と逆位相、又は異なる位相で振動するとともに、弾性体により振動を吸収することで制振効果が得られるとされている。

特開２００４−２９１８９３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された制振装置では、幅広い周波数帯の振動に対する制振効果を得るためには、マス部材の体積と重量を大きく確保する必要がある。これにより、制振装置が大型化してしまう。一方で、この制振装置を小型化した場合には、対応可能な周波数帯域が狭くなるとともに、精緻なチューニングが必要となる。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、簡易な構造を有するとともに、十分な制振効果を有する鉄道用圧縮機装置、及びこれを備える鉄道用車両を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る鉄道用圧縮機装置は、鉄道用車両の床下に設けられる筐体と、該筐体内に設けられて、該筐体の底面から上方に離間して設けられたプレートと、前記底面上に設けられて、該プレートを支持する防振部と、前記プレート上に設けられた圧縮機と、を備え、前記圧縮機が設置された状態における前記プレートの一次曲げ固有振動数をｆ１、前記プレート、前記防振部及び前記圧縮機からなる質量体の上下方向の固有振動数をｆ２、前記圧縮機の起振周波数をｆと定義した際に、ｆ１＞ｆ＞ｆ２の関係が成立するように構成される。

この構成によれば、圧縮機が設置された状態におけるプレートの一次曲げ固有振動数ｆ１が、圧縮機の起振周波数ｆと異なっていることにより、圧縮機とプレートとの共振を回避することができる。さらに、このｆ１がｆよりも大きいことにより、プレートの高次の固有振動数と圧縮機の起振周波数ｆとの共振をも回避することができる。加えて、圧縮機の起動から定常運転時にかけて起振周波数ｆが増加する状況下にあっても、ｆがｆ１を上回ることがない。すなわち、圧縮機の運転状態を問わず、圧縮機とプレートとが共振を起こす可能性を低減することができる。
さらに加えて、プレート、防振部及び圧縮機からなる質量体の上下方向の固有振動数ｆ２が、上記圧縮機の起振周波数ｆよりも小さいことにより、これらｆ２とｆとの共振を回避することができる。

本発明の一態様に係る鉄道用圧縮機装置では、前記防振部が弾性体で形成されるとともに、前記プレートの外周部を支持するように構成されてもよい。

この構成によれば、防振部を形成する弾性体のばね定数のみを調整することで、プレート、防振部及び圧縮機からなる質量体の上下方向の固有振動数ｆ２を容易に調整することができる。

本発明の一態様に係る鉄道用圧縮機装置では、前記プレートは、前記プレートの延在する方向に沿って設けられたリブを有してもよい。

この構成によれば、リブを設けることにより、プレートの剛性を増すことができる。すなわち、プレートの一次曲げ固有振動数ｆ１を容易に増すことができる。さらに、このリブの寸法を調整することで、このｆ１を容易に増減させることができる。

本発明の一態様に係る鉄道用圧縮機装置では、前記防振部は、前記プレートから下方に離間して設けられた第二プレートと、該第二プレートの外周部を前記底面上で支持する第二防振部と、を有してもよい。

この構成によれば、第二プレートと第二防振部とによって、制振効果をさらに高めることができる。

本発明の一態様に係る鉄道用圧縮機装置では、前記第二プレートの一次曲げ固有振動数をｆ１２、前記プレート、前記防振部及び前記圧縮機からなる前記質量体の上下方向の固有振動数をｆ２２と定義した際に、前記圧縮機の前記起振周波数ｆとの間で、ｆ１２＞ｆ＞ｆ２２の関係が成立するように構成されてもよい。

この構成によれば、第二プレートと第二防振部とが設けられることによって、圧縮機とプレート、及び圧縮機と質量体がそれぞれ共振を起こす可能性をさらに低減することができる。

本発明の一態様に係る鉄道用圧縮機装置では、前記プレートの外周部と、前記筐体の内壁面との間に設けられるとともに、前記外周部と前記内壁面のいずれか一方に取り付けられ、弾性体で形成されたストッパを備えてもよい。

この構成によれば、プレートの変位をストッパによって抑制することができる。加えて、ストッパが弾性体で形成されていることにより、プレートとストッパが接触した際の衝撃を緩和することができる。

本発明の他の態様に係る鉄道用車両は、上記のいずれか一態様に係る鉄道用圧縮機装置を備える。

この構成によれば、十分な制振効果を有する鉄道用圧縮機装置を備えることにより、乗り心地の良い鉄道用車両を提供することができる。

本発明によれば、簡易な構造を有するとともに、十分な制振効果を有する鉄道用圧縮機装置、及びこれを備える鉄道用車両を提供することができる。

本発明の各実施形態に係る鉄道用車両を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る鉄道用圧縮機装置の側面視断面図である。 本発明の第一実施形態に係る鉄道用圧縮機装置の平面図である。 本発明の第一実施形態に係る鉄道用圧縮機装置における固有振動数の関係を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る鉄道用圧縮機装置のリブを示す平面図である。 本発明の第一実施形態に係る鉄道用圧縮機装置のリブを示す側面視断面図である。 本発明の第二実施形態に係る鉄道用圧縮機装置の側面視断面図である。 本発明の第二実施形態に係る鉄道用圧縮機装置の変形例を示す側面視拡大図である。 本発明の第二実施形態に係る鉄道用圧縮機装置の変形例を示す平面視拡大図である。 本発明の実施例に係る鉄道用圧縮機装置の外観を示す図である。 本発明の実施例に係る振動試験の結果を示すグラフである。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態に係る鉄道用車両１００、鉄道用圧縮機装置１について、図面を参照して説明する。図１に示すように、鉄道用車両１００は、乗客や貨物が搭載される車両本体１０１と、車両本体１０１をレールＲ上で転動可能に支持する複数の車輪１０２と、車両本体１０１の床下に設けられる鉄道用圧縮機装置１と、を備えている。不図示の駆動源から伝達される回転駆動力が車輪１０２を回転させることで、鉄道用車両１００はレールＲ上を走行する。

図２に示すように、鉄道用圧縮機装置１は、車両本体１０１の床面Ｆの下方、すなわち床下に設けられている。具体的には、この鉄道用圧縮機装置１は、内部に空間を有する箱体状の筐体１０と、この筐体１０内に設けられたプレート２０と、筐体１０の底面１０Ｂ上でこのプレート２０を支持する防振部３０と、プレート２０上に設けられた圧縮機４０と、を備えている。

筐体１０は、車両本体１０１の床下における複数の車輪１０２の間の領域に設けられる。この筐体１０は、床面Ｆと略平行に延びる矩形状の底面１０Ｂと、この底面１０Ｂの各辺部から上方に向かって延びる壁面と、を有している。

プレート２０は、筐体１０の底面１０Ｂから上方に離間して設けられた矩形板状の部材である。プレート２０の一方側の辺部は、この一方側の辺部に交差する他方側の辺部よりも大きな寸法を有している。このプレート２０は、防振部３０によって筐体１０の底面１０Ｂ上で支持されている。詳しくは図３に示すように、防振部３０はプレート２０の４つの角部の近傍に設けられている。本実施形態では、これら防振部３０はいずれもゴム等の弾性体によって形成されている。なお、図３では防振部３０は平面視で矩形の断面を有する構成としたが、防振部３０の態様はこれに限定されず、断面が円形をなすように構成されていてもよい。

さらに、プレート２０の上側の面上には、圧縮機４０が設けられている。この圧縮機４０は、外部から取り込んだ空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機本体４２と、この圧縮機本体４２を駆動する電動機４１と、を備えている。これら圧縮機本体４２と電動機４１とは、回転軸４３によって互いに接続されている。電動機４１が回転駆動することによって生じる運動エネルギーが回転軸４３によって圧縮機本体４２に伝達されることで、圧縮機本体４２が駆動される。圧縮機本体４２で生成された圧縮空気は制動装置（不図示）に供給される。これにより、鉄道用車両１００を制動することができる。

ここで、圧縮機４０を構成する圧縮機本体４２と電動機４１は、いずれも回転駆動される装置であることから、運転中の鉄道用車両１００における振動源の１つとなり得る。振動が床面Ｆを通じて車両本体１０１に伝播した場合、乗客の乗り心地を損なったり、貨物に対する影響を生じたりする可能性がある。そこで、本実施形態に係る鉄道用圧縮機装置１では、各構成要素の固有振動数を適正に管理することで、このような振動の低減を図っている。

具体的には、図４に示すように、鉄道用圧縮機装置１は、圧縮機４０が設置された状態におけるプレート２０の一次曲げ固有振動数をｆ１と定義し、プレート２０、防振部３０及び圧縮機４０からなる質量体の上下方向の固有振動数をｆ２と定義し、圧縮機４０の起振周波数をｆと定義した場合、以下に示す（１）式の関係が成立するように構成されている。

すなわち、（１）式に示すように、圧縮機４０の起振周波数ｆに対して、この圧縮機４０が設置されるプレート２０の一次曲げ固有振動数ｆ１は大きな値を有している。さらに、上記の質量体の上下方向における固有振動数ｆ２は、圧縮機４０の起振周波数ｆに対して小さな値を有している。なお、ここで、プレート２０における一次曲げモードとは、プレート２０の長手方向における両端部が上下方向に同位相で振動するモードを指す。

圧縮機４０の起振周波数ｆは、実測試験や設計値等に基づいて得られる既知の値である。この起振周波数ｆに対して、プレート２０の一次曲げ固有振動数ｆ１を決定する。詳しくは、このｆ１は以下の（２）式に示す数式によって決定される。

（２）式において、ａはプレート２０の長辺の寸法であり、λはプレート２０の長辺と短辺における寸法の比から決まる定数である。さらに、ｈはプレート２０の板厚を、γはプレート２０の単位面積当たりの質量をそれぞれ表している。Ｅはプレート２０のヤング率を表し、νはポアソン比を表している。

同様にして、プレート２０、防振部３０及び圧縮機４０からなる質量体の上下方向の固有振動数ｆ２は、（３）式によって決定される。

（３）式において、ｋは防振部３０の１つ当たりのばね定数を表し、ｍはプレート２０と圧縮機４０の質量の合計値を表している。

以上の（２）式、（３）式における各特性値を変更するに当たっては、例えばプレート２０や防振部３０を形成する材料や、プレート２０や防振部３０の寸法を適宜変更することが有効である。その他、プレート２０にリブ２１を設けることで、プレート２０の剛性や質量を増すこともできる。これにより、プレート２０の一次曲げ固有振動数ｆ１の値を大きくすることができる。

より詳しくは、図５、図６に示すように、プレート２０の下側の面に、プレート２０の長手方向に沿って延びるリブ２１を、該プレートの下面２０Ｂに形成する態様が考えられる。同図の例では、リブ２１は断面視で略Ｔ字状に形成されるとともに、プレート２０の短辺の略中央部同士を結ぶように構成される。

さらに、このリブ２１に加えて、防振部３０の周囲を外方から囲むように形成された防振部リブ２２を設けてもよい。防振部リブ２２は、平面視で略Ｌ字状に形成されるとともに、プレートの下面２０Ｂから下方に向かって立設される。このような防振部リブ２２を備えることにより、防振部３０が設けられる領域近傍で、プレート２０が大きく変形する可能性を低減することができる。
なお、これらリブ２１及び防振部リブ２２の形状は本実施形態によっては限定されず、設計上の要請に応じて適宜変更されてよい。

以上のように構成された鉄道用圧縮機装置１では、鉄道用車両１００の運転に伴って、起振周波数ｆが生じる。特に、鉄道用車両１００の減速時における制動に際して、この鉄道用圧縮機装置１を動作させる必要が生じる。すなわち、上述の電動機４１が回転駆動することによって生じる運動エネルギーが回転軸４３によって圧縮機本体４２に伝達されることで、圧縮機本体４２が駆動される。圧縮機本体４２で生成された圧縮空気は制動装置（不図示）に供給される。

ここで、電動機４１と圧縮機本体４２とはいずれも回転駆動される装置であることから、これら装置の駆動に伴って振動が生じる。特に、駆動開始から定常状態にかけて振動の周波数が上がっていく。上述した起振周波数ｆは、定常状態における振動の周波数を表す。すなわち、駆動開始から定常状態に至るまでの周波数は、この起振周波数ｆよりも低い値となる。

圧縮機４０で生じた振動は、鉄道用圧縮機装置１の全体にわたって伝播する。特に、この振動は床面Ｆを通じて車両本体１０１に伝播する可能性があるため、鉄道用車両１００の快適性に鑑みてこれを抑制する必要がある。特に、鉄道用圧縮機装置１を構成する各構成要素の間で共振が生じる可能性を低減する必要がある。

ここで、本実施形態に係る鉄道用圧縮機装置１では、上述のように各構成要素の固有振動数を調整することで、共振の可能性を低減することができる。
より詳しくは、圧縮機４０が設置された状態におけるプレート２０の一次曲げ固有振動数ｆ１が、圧縮機４０の起振周波数ｆと異なっていることにより、圧縮機４０とプレート２０との共振を回避することができる。さらに、このｆ１がｆよりも大きいことにより、プレート２０の高次の固有振動数と圧縮機４０の起振周波数ｆとの共振をも回避することができる。

加えて、圧縮機４０の起動から定常運転時にかけて起振周波数が増加する状況下にあっても、ｆがｆ１を上回ることがない。すなわち、圧縮機４０の運転状態を問わず、圧縮機４０とプレート２０とが共振を起こす可能性を低減することができる。

さらに加えて、プレート２０、防振部３０及び圧縮機４０からなる質量体の上下方向の固有振動数ｆ２が、上記圧縮機４０の起振周波数ｆよりも小さいことにより、これらｆ２とｆとの共振を回避することができる。

さらに、上述のような構成によれば、鉄道用圧縮機装置１の特性（固有振動数）を調整するのみで十分な制振効果を得ることができる。すなわち、制振効果を補完するために他の構成要素を追設する必要がないため、装置の複雑化を回避することができる。

このように、本実施形態に係る鉄道用圧縮機装置１によれば、簡易な構造で十分な制振効果を得ることができる。

［第二実施形態］
続いて、本発明の第二実施形態について図７を参照して説明する。なお、上述の第一実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
図７に示すように、本実施形態に係る鉄道用圧縮機装置２では、防振部３０は、プレート２０から下方に離間して設けられた第二プレート２０Ａと、この第二プレート２０Ａを支持する第二防振部３０Ｂと、を備えている。

第二プレート２０Ａは、平面視でプレート２０と略同一の形状と寸法を有している。一方で、第二プレート２０Ａは、上述のプレート２０に比して大きな重量を有するように形成される。詳細は図示しないが、このようなプレート２０と第二プレート２０Ａとの重量の大小関係を満足するために、例えばプレート２０に肉抜きを施すなどの態様が考えられる。その他、第二プレート２０Ａの重量を増すために重錘を設けてもよい。
第二防振部３０Ｂは、上述の第一実施形態における防振部３０と同様に、いずれもゴム等の弾性体によって形成されている。

このように構成された鉄道用圧縮機装置２では、各構成要素の固有振動数が以下の条件によって決定される。まず、第二プレート２０Ａの一次曲げ固有振動数をｆ１２と定義する。さらに、第一プレート２０、第二プレート２０Ａを含む防振部３０、圧縮機４０からなる質量体の上下方向の固有振動数をｆ２２と定義する。このとき、ｆ１２とｆ２２の各値は、圧縮機４０の起振周波数ｆとの間で、以下の（４）式に示す関係が成立するように設定される。

すなわち、圧縮機４０の起振周波数ｆに対して、第二プレート２０Ａの一次曲げ固有振動数ｆ１２は大きな値を有している。さらに、質量体の上下方向における固有振動数ｆ２２は、圧縮機４０の起振周波数ｆに対して小さな値を有している。なお、これらｆ１２とｆ２２の各値は、第一実施形態にて示した（２）式、（３）式の各数式に準じて決定される。

以上のような構成によれば、第二プレート２０Ａと第二防振部３０Ｂとが設けられることによって、より高い制振効果を得ることができる。さらに、圧縮機４０とプレート２０、及び圧縮機４０と質量体がそれぞれ共振を起こす可能性をさらに低減することができる。

以上、本発明の各実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

例えば、上述の第一実施形態にて説明したリブ２１、及び防振部リブ２２を第二実施形態における第二プレート２０Ａに適用することで、第二プレート２０Ａの特性を調整することも可能である。

さらに、図８と図９に示すように、上述の各実施形態におけるプレート２０の外周部に、弾性体で形成されたストッパ５０を設けてもよい。図８と図９の例では、ストッパ５０はプレート２０の角部における外周面から、筐体の内壁面１０Ｓに向かって突出するようにして形成されている。このようなストッパ５０を設けることにより、プレート２０の変位をストッパ５０によって抑制することができる。加えて、ストッパ５０が弾性体で形成されていることにより、プレート２０とストッパ５０が接触した際の衝撃を緩和することができる。これにより、鉄道用圧縮機装置１における制振効果をさらに高めることができる。

［実施例］
次いで、本発明の実施例について、図１０、図１１を参照して説明する。
本実施例では、上述の第一実施形態と同様に構成された鉄道用圧縮機装置１を用いて振動試験を行った。
図１０に示すように、この振動試験では、鉄道用圧縮機装置１に複数の吊手部６０を構成し、該吊手部のうちの１つを計測位置Ｐとした。この計測位置における振動加速度を、複数の異なる条件の下で計測し、計測値の比較を行った。

なお、これら吊手部６０は、鉄道用圧縮機装置１の上面の輪郭線近傍に沿って互いに間隔をあけて６つ配列される構成とした。具体的には、鉄道用圧縮機装置１の上面は、一対の長辺部と、これら長辺部に対して略直角に交差する方向に延びる一対の短辺部によって、平面視で長方形状に形成されている。それぞれの長辺部に沿って３つの吊手部６０が設けられている。このうち、長辺部のおおむね中央部に位置する吊手部６０を、計測位置Ｐとした。

このように構成された鉄道用圧縮機装置１を用いて、圧縮機４０における起振周波数ｆ（固定値）とした上で、プレート２０の一次曲げ固有振動数ｆ１の条件を変えて振動試験を行った。
まず、プレート２０の一次曲げ固有振動数ｆ１を、圧縮機４０の起振周波数ｆと等しい値として振動試験を行った。次いで、ｆ１の値が、ｆよりも大きく設定された条件の下で同様の振動試験を行った。

より詳細には、これらｆ、ｆ１の値は、以下の（５）式に示す関係を満たすようにしてそれぞれ設定した。さらに、これらｆ、ｆ１に加えて、上述のｆ２（質量体の上下方向の固有振動数）の値を、（６）式に示す関係を満たすようにして設定した。

ここで、ζ１、ζ２は、対象とする振動モードにおける予め定められた減衰比を表している。すなわち、ζ１はプレートの一次曲げモードにおける減衰比を表し、ζ２は質量体の上下方向の振動モードにおける減衰比を表している。

図１１は、この振動試験の結果としての、振動加速度比率の変化を示すものである。圧縮機４０の起振周波数ｆと、プレート２０の一次曲げ固有振動数ｆ１が等しい場合における振動加速度を１としたとき、ｆ１がｆよりも大きい場合における振動加速度は概ね０．２０となった。すなわち、ｆ１がｆよりも大きい場合には、ｆ１がｆと等しい場合に比して、振動加速度は概ね１／５に低減された。このように、本実施例によれば、鉄道用圧縮機装置１におけるプレート２０の一次曲げ固有振動数ｆ１の値を調整することにより、振動の低減が可能となることが実証された。

１ 鉄道用圧縮機装置
１０ 筐体
２０ プレート
２１ リブ
２２ 防振部リブ
３０ 防振部
４０ 圧縮機
４１ 電動機
４２ 圧縮機本体
４３ 回転軸
５０ ストッパ
１００ 鉄道用車両
１０１ 車両本体
１０２ 車輪
１０ｓ 筐体の内壁面
２０Ａ 第二プレート
２０Ｂ プレートの下面
２０ｔ プレートの外周面
３０Ｂ 第二防振部
Ｆ 床面
Ｒ レール
ｆ 圧縮機の起振周波数
ｆ１ プレートの一次曲げ固有振動数
ｆ２ 質量体の上下方向における固有振動数
ｆ１２ 第二プレートの一次曲げ固有振動数
ｆ２２ 質量体の上下方向における固有振動数

Claims (7)

1. 鉄道用車両の床下に設けられる筐体と、
   該筐体内に設けられて、該筐体の底面から上方に離間して設けられたプレートと、
   前記底面上に設けられて、該プレートを支持する防振部と、
   前記プレート上に設けられた圧縮機と、
   を備え、
   前記圧縮機が設置された状態における前記プレートの一次曲げ固有振動数をｆ１、
   前記プレート、前記防振部及び前記圧縮機からなる質量体の上下方向の固有振動数をｆ２、
   前記圧縮機の起振周波数をｆと定義した際に、
   ｆ１＞ｆ＞ｆ２の関係が成立する鉄道用圧縮機装置。
2. 前記防振部が弾性体で形成されるとともに、前記プレートを下方から支持する請求項１に記載の鉄道用圧縮機装置。
3. 前記プレートは、前記プレートの延在する方向に沿って設けられたリブを有する請求項１又は２に記載の鉄道用圧縮機装置。
4. 前記防振部は、前記プレートから下方に離間して設けられた第二プレートと、該第二プレートの外周部を前記底面上で支持する第二防振部と、を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の鉄道用圧縮機装置。
5. 前記第二プレートの一次曲げ固有振動数をｆ１２、
   前記プレート、前記防振部及び前記圧縮機からなる前記質量体の上下方向の固有振動数をｆ２２と定義した際に、前記圧縮機の起振周波数ｆとの間で、
   ｆ１２＞ｆ＞ｆ２２の関係が成立する請求項４に記載の鉄道用圧縮機装置。
6. 前記プレートの外周部と、前記筐体の内壁面との間に設けられるとともに、前記外周部と前記内壁面のいずれか一方に取り付けられ、弾性体で形成されたストッパを備える請求項１から５のいずれか一項に記載の鉄道用圧縮機装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の鉄道用圧縮機装置を備える鉄道用車両。

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