JP3097831B2 - 広い周波数帯域で有効な防音車輪 - Google Patents

広い周波数帯域で有効な防音車輪

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JP3097831B2 JP08231334A JP23133496A JP3097831B2 JP 3097831 B2 JP3097831 B2 JP 3097831B2 JP 08231334 A JP08231334 A JP 08231334A JP 23133496 A JP23133496 A JP 23133496A JP 3097831 B2 JP3097831 B2 JP 3097831B2
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三幸 山本
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、低周波域から高周
波域までの広い周波数帯域で騒音減衰効果を発揮する鉄
道車両用の防音車輪に関する。
【0002】
【従来の技術】鉄道車両が走行時に発する騒音は大きな
社会問題の1つである。この鉄道車両に関する騒音に
は、車両が空気中を高速走行することによって発生す
る空力騒音、コンクリート構造物の振動によって発生
する構造物騒音、レールや車輪の振動によって発生す
る振動がある。
【0003】これらの振動のうち、レールや車輪の振動
によって発生する振動には、(a)レールの継ぎ目を通
過するとき、あるいはフラットが発生した車輪で走行す
るときに発生する衝撃的な騒音、(b)車輪及びレール
のわずかな表面粗さにより発生する騒音、(c)曲線区
間を通過するときに車輪に加わる時間的に変化する力に
よって発生する騒音がある。
【0004】このようなレールや車輪の振動によって発
生する振動を低減するため、従来から、車輪のリム部の
内周面や板部に弾性体と付加重量を組み合せた防音材を
取り付けた防音車輪(特開昭57−144703号公報
等)や、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(特開昭60−80905号
公報等)が用いられている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】前記従来の防音車輪
は、曲線区間を通過するときに車輪に加わる時間的に変
動する力によって発生する騒音を低減することはできる
が、レール及び車輪のわずかな表面粗さによって発生す
る騒音を低減することはできない。
【0006】また、前記弾性車輪は、逆にレール及び車
輪のわずかな表面粗さによって発生する騒音を低減する
ことはできるが、曲線区間を通過するときに車輪に加わ
る時間的に変動する力によって発生する騒音を低減する
ことはできない。更に、高速走行時の耐久性が劣るとい
う問題がある。
【0007】本発明は、前記従来の防音車輪及び弾性車
輪に見られる欠点を排除し、低周波域から高周波域まで
の広い周波数帯域において騒音低減効果を発揮する防音
車輪を提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の広い周波数帯域で有効な防音車輪は、車輪
のリム部内周面に騒音防止用のリングを装着した鉄道車
両用防音車輪において、固有振動数が100〜800H
zの範囲と、1〜2kHzの範囲にある弾性係数の異な
る2種類の弾性体からなる防音リングを装着することを
特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明者らは、鉄道車両に発生す
る振動について種々と実験・研究を重ねた。そして、車
輪の振動によって発生する騒音を周波数分析した結果、
レール及び車輪のわずかな表面粗さによって発生する騒
音は、図2(A)に示すように、数百Hzの比較的低周
波域に大きなピークをもっており、また曲線区間を通過
するときに車輪に加わる時間的に変動する力によって発
生する騒音は、図2(B)に示すように、1kHz以上
の高周波域に大きなピークをもっていることがわかっ
た。
【0010】一方、防音車輪は、ゴムなどの弾性体と付
加重量とを組み合せ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。図3に主振動系ばね9
と主振動系質量10及びダンパ系ばね11とダンパ系質
量12の2自由度系の動吸振器のモデルを示す。このよ
うな系の角振動数ωをもった強制振動の振幅は、|X1
/Xst|=(1−ω2/ωd 2)/D、 |X2/Xst|=
1/Dで与えられる。ここで、 D={(1−ω2/ωd 2)(1+k2/k1−ω2/ωn 2)−k2/k1} 1式、 ただし、Xst:主振動体の静的変位(=P/k1)、
1:主振動体のばね定数、k2:ダンパ系のばね定数、
m:主振動体の質量、md:ダンパ質量、ωn=√(k1
/m):主振動体系固有角振動数、ωd=√(k2
d):ダンパ系角固有振動数、R=md/m:質量比で
ある。また、上式より、ωn=ωdのとき、すなわちk2
/k1=md/m=Rのとき、主振動体の変位は零とな
る。
【0011】このような動吸振器は、前記1式によって
決定される周波数ωnに対して高い制振効果を発揮する
が、それ以外の周波数にたいしては制振効果を発揮でき
ない。したがって、1組の動吸振器で低周波振動と高周
波振動を同時に低減することはできない。
【0012】これまでの防音車輪で、曲線区間を通過す
るときに車輪に加わる時間的に変化する力によって発生
する騒音は低減できても、レールや車輪のわずかな表面
粗さによって発生する騒音をも同時に低減できなかった
のは、1つの周波数に対応させた防音材を車輪に取り付
けた構造であり、しかも高周波数にチューニングさせて
いたためである。
【0013】そこで、本発明は、図1に示すように、車
輪1の板部2の両側においてリム部3の内周面に、低周
波域にチューニングした防音材の防音リング4aと高周
波域にチューニングした防音材の防音リング5aを取り
付けることにより、低周波域から高周波域までの広い周
波数帯域で騒音を低減することができる。
【0014】本発明の実施により固有振動数の異なる2
つの防音材をつくる要領を、図4の車輪の打撃試験機を
使って説明する。車輪の板部と踏面に加速度計15を取
付け、板部を水平に、または踏面を垂直にハンマリング
加振したときの加速度を測定し、加振点と加速度測定点
間の伝達関数を求める。図5に得られた伝達関数を示
す。この伝達関数から200〜800Hz及び1〜3k
Hzの間の特に大きなピークをもつ固有振動を求める。
【0015】次いで、求めた固有振動になるような付加
重量と弾性係数を前記1式により決定する。ただし、付
加重量は、車輪サイズやディスクブレーキの有無などに
よる取付け可能な空間の広さから制限され、ここでは、
図1(B)に示す断面丸型の防音リング4a、5a、あ
るいは図6(B)に示す断面矩形型の防音リング4b、
5bとした。この断面丸型の防音リング4a、5aは、
付加重量のための丸リング7aに弾性体6を被覆してな
る。また、断面矩形型の防音リング4b、5bは、付加
重量のための平リング7bの外周面に弾性体6を積層し
てなる。なお、弾性体は、ブチルゴム、シリコンゴムな
どの合成ゴムや弾性のある各種樹脂など多種類のものが
使用可能であるが、ここでは耐熱性や耐久性を考慮して
ブチルゴムを使用した。
【0016】前記のごとくして金属製の丸リング7aま
たは平リング7bに弾性体6(ブチルゴム)を接着し、
異なる周波数にチューニングして断面丸型の防音リング
4a、5aまたは断面矩形型の防音リング4b、5bを
形成する。そして、車輪への取付けは、断面丸型の防音
リング4a、5aの場合には、車輪の板部を挟んでリム
部内周面の左右側に設けたリング溝に圧入する。また、
図6(B)に示す断面矩形型の防音リング4b、5bの
場合には、リム内周面に取付けるための当て板8を積層
し、この当て板8をリム内周面に接着する。
【0017】
【実施例】前記のごとくして求めた低周波域に固有振動
数のある断面矩形型の防音リング4bと高周波域に固有
振動数のある断面矩形型の防音リング5bを作った。こ
れらの防音リング4b、5bは図6(B)に示すよう
に、断面矩形型の平リング7bの外周面にブチルゴムの
弾性体6と金属製の当て板8を積層して接合してなる。
そして、図6(A)に示すように、防音リング4b、5
bは、車輪1の板部2の両側においてリム部3の内周面
に当て板8を接着して取り付ける。
【0018】本発明の実施により、図1(A)に示す弾
性係数の異なる2種類の断面丸型リングを用いた防音車
輪、図6(A)に示す弾性係数の異なる2種類の断面矩
形型リングを用いた防音車輪及び前記両者を折半した形
式として弾性係数の異なる断面丸型リングと断面矩形型
リングを用いた防音車輪を作り、またこれらの実施例と
比較するため、図6(A)に示す車輪1と同じ車輪に従
来型の防音リング、すなわち固定振動数が同じで同一特
性の防音リングをリム部内周面の左右側に取り付けた防
音車輪と、防音リングを取り付けていない通常の車輪を
準備した。そして、各車輪を対象として打撃音測定を行
なった。ハンマリングにより得た固有振動数は、垂直方
向加振時330Hz、水平方向加振時1071Hzが特
に大きなピークになっている。ここで、各車輪の防音リ
ングは表1に示す特性を有するゴム及び同一の金属リン
グを用い、図1(B)に示す丸リング7aに弾性体6と
してゴムを被覆した断面丸型のものと、図6(B)に示
す平リング7bに弾性体6としてゴム及び当て板8を積
層した断面矩形型のものを用いた。
【0019】
【表1】
【0020】前記打撃音測定の要領を図7の測定機に基
づいて説明する。被測定用の車輪1を軸支した治具13
の支柱には、車輪1のリム側面に対向し加振点から30
cmの位置に騒音計19が設置されている。そして、車
輪1の踏面上方1mの位置から加振用鋼球18を落下さ
せるように設けると共に、リム側面の加振点から上方1
mの位置を支持点として水平に保持した加振用鋼球18
を振り落としてリム側面を水平に打撃するように設け
る。
【0021】前記測定機により、水平方向と垂直方向の
加振により打撃音測定を行なった。その騒音試験結果と
して打撃音の最大騒音レベル(dB)を表2に示す。ま
た、狭帯域周波数分析器により水平方向加振時の騒音周
波数分析を行なった結果を図8に、垂直方向加振時の騒
音周波数分析を行なった結果を図9に示す。
【0022】
【表2】
【0023】表2の結果から防音材の形状による打撃音
低減量の相違はほとんどなく、従来の防音車輪では水平
方向に加振した場合、騒音レベルは通常車輪に比べ10
dB程度低下しており騒音低減効果があるものの、垂直
方向に加振した場合には、騒音レベルはほとんど低減し
ておらず、騒音低減効果が認められない。
【0024】これに対し、本発明の実施による防音車輪
は、水平方向、垂直方向のいずれから加振した場合で
も、騒音レベルは通常車輪に比べ10dB以上低減して
おり、確実に騒音低減効果が認められる。また、断面丸
型リングと断面矩形型リングを用いた場合には、両者間
で弾性係数を入れ替えてリングを構成しても同じ防音効
果が得られることがわかる。
【0025】また、図8、図9から従来の防音車輪は、
通常車輪に比べ高周波域では騒音レベルが低減している
が、低周波域では騒音レベルの低減が見られない。これ
に対し、本発明の防音車輪は、水平方向、垂直方向のい
ずれから加振した場合でも、騒音レベルは高周波域だけ
でなく低周波域においても低減しており、広い周波数域
で騒音低減の効果のあることがわかる。
【0026】
【発明の効果】本発明によれば、曲線区間を走行する際
に発生する高周波域の騒音だけなく、レールや車輪のわ
ずかな表面粗さによって発生する低周波域の騒音も同時
に低減することができ、乗り心地の向上に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施による防音車輪の一例で、(A)
は上半部の断面図、(B)は防音リング拡大断面図であ
る。
【図2】(A)は直線区間走行時に発生する騒音の周波
数分析の結果を示すグラフ、(B)は曲線区間通過時に
発生する騒音の周波数分析の結果を示すグラフである。
【図3】2自由度系動吸振器のモデルを示す説明図であ
る。
【図4】打撃試験機による打撃試験の要領を示す説明図
である。
【図5】伝達関数の一例を示すグラフである。
【図6】本発明の他の実施による防音車輪で、(A)は
車輪全体の断面図、(B)は防音リング拡大断面図であ
る。
【図7】打撃音測定機による打撃音測定の要領を示す説
明図である。
【図8】打撃音測定機による水平方向加振時の騒音周波
数分析の結果を示すグラフである。
【図9】打撃音測定機による垂直方向加振時の騒音周波
数分析の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
1 車輪 2 板部 3 リム部 4a、5a 防音リング(断面丸型) 4b、5b 防音リング(断面矩形型) 6 弾性体 7a 丸リング 7b 平リング 8 当て板 9 主振動系ばね 10 主振動系質量 11 ダンパ系ばね 12 ダンパ系質量 13 治具 14 ハンマ 15 加速度計 16 加振点と方向 17 伝達関数分析器 18 加振用鋼球 19 騒音計
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中居 拓自 大阪府大阪市此花区島屋5丁目1番109 号 住友金属工業株式会社関西製造所製 鋼品事業所内 (56)参考文献 特開 昭60−80905(JP,A) 特開 昭57−144703(JP,A) 実開 昭60−46402(JP,U) 実開 昭60−46304(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B60B 17/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 車輪のリム部内周面に騒音防止用のリン
    グを装着した鉄道車両用防音車輪において、固有振動数
    が100〜800Hzの範囲と、1〜2kHzの範囲に
    ある弾性係数の異なる2種類の弾性体からなる防音リン
    グを装着した広い周波数帯域で有効な防音車輪。
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