JP3653213B2 - 鉄道車両動揺抑制方法及び鉄道車両 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両のトンネル内における動揺を抑制する方法に関する。特には、鉄道車両の動揺の要因となる車体周辺で発生する渦の影響を低減することができる方法、及び、そのような鉄道車両に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、新幹線等の高速列車の速度向上に伴い、車両の左右動揺が問題になりつつある。車両の動揺が発生すると、乗り心地が低下する、あるいは、騒音が発生する等といった諸問題が引き起こされるからである。
このような動揺現象は、以下に述べるような特性がある。
（１）トンネル区間走行時の方が、明かり区間走行時よりも動揺が大きい。
（２）連結車両の先頭から後尾に向かって動揺が大きくなる。
このため、鉄道車両の動揺現象の解明は、トンネル区間走行時における後尾車両に重点が置かれている。
【０００３】
ところで、動揺現象の要因としては、（ａ）軌道狂いの影響、（ｂ）蛇行動特性の影響、（ｃ）空気力の影響等が考えられている。
これらの要因のうち、（ａ）軌道狂いの影響については、例えば鉄道総研報告、Vol．３、No．４、ｐｐ１３−２０、１９８９．４において、トンネル区間では軌道狂いと車両動揺との相関関係が小さいことが解明されている。
さらに、（ｂ）蛇行動特性の影響については、例えば鉄道総研報告、Vol．９、No．１、ｐｐ１９−２４、１９９５．１において、蛇行動が発生しやすい高速時には、後尾車両が他の車両よりも大きく揺れる傾向があることが報告されている。ところが、蛇行動では明かり区間とトンネル区間の揺れ方の違いの原因を明確に説明できない。
このような事情から、最近では（ｃ）空気力の影響が注目されている。この空気力の影響のメカニズムを解明するため、従来から多くの列車において、車両に働く空気力の測定が行われている（例えばProceedings of World Congress on Railway Research E、ｐｐ５３１−５３８、１９９７参照）。
【０００４】
以下、空気力の影響よる車両の動揺現象について、図面を参照しつつ説明する
。
図１２は、明かり区間とトンネル区間の車両走行状態を示す模式図である。
図１３（Ａ）は、現車試験で測定されたヨーイング振動角加速度を示すグラフであり、縦軸がヨーイング振動角加速度（単位ｒａｄ／ｓｅｃ2）を表し、横軸が時間（単位ｓｅｃ）を表す。図１３（Ｂ）は、現車試験の測定値から算定された空気力の影響を表すグラフであり、縦軸がヨーイングモーメント（単位Ｎｍ）を表し、横軸が時間（単位ｓｅｃ）を表す。
図１４（Ａ）は空気力の発生メカニズムを説明するための模式図であり、図１４（Ｂ）は列車側面とトンネル壁間の速度分布を表す図であり、図１４（Ｃ）は列車床面と軌道面間の速度分布を表す図である。
【０００５】
図１２には、明かり区間Ｉ１を矢印Ｕ方向に３００ｋｍ／ｈで走行中の１６両編成の列車Ｔが、トンネル区間Ｉ２に進入する状態が示されている。このときの明かり区間Ｉ１及びトンネル区間Ｉ２における１４両目の車両への空気圧の作用を測定する。空気圧は、１４両目の車両の側面に取り付けた圧力センサＳで測定する。
【０００６】
図１３（Ａ）に示すように、車両に作用するヨーイング振動角加速度は、明かり区間Ｉ１では±０．０５ｒａｄ／ｓｅｃ2の範囲内に収まっているのに対し、トンネル区間Ｉ２では値に大きな変動が生じている。特に、トンネル進入後の３秒〜８秒の５秒間においては、±０．１ｒａｄ／ｓｅｃ2を超える大きな値の変動が生じている。
【０００７】
図１３（Ｂ）に示すように、圧力センサＳの測定値から算定されたヨーイングモーメントは、明かり区間Ｉ１では０Ｎｍの近くを微動しているのに対し、トンネル区間Ｉ２では値に大きな変動が生じている。このトンネル区間Ｉ２においては、ヨーイングモーメントの値の大きい箇所では±１×１０5Ｎｍを超えるところもあり、車両に大きな動揺が生じる原因となっている。つまり、ヨーイング振動角加速度及びヨーイングモーメントは、トンネル区間Ｉ２内において増大し、車両は明かり区間Ｉ１よりもトンネル区間Ｉ２において大きく動揺する。
【０００８】
トンネル内においては、図１４（Ａ）に示すように、トンネル壁側（図１４（Ａ）の右側）の列車Ｔ側面部では、速度差が生じ易い。さらに詳しくは、列車側面とトンネル壁間（図１４（Ａ）の符号ｐ）においては、図１４（Ｂ）に示すように、列車Ｔの進行方向Ｕと逆方向（ｘ方向）の空気流が生じており、この空気流の速度は、列車側面側（図１４（Ｂ）上側）では小さく、トンネル壁面（図１４（Ｂ）下側）に向けて徐々に大きくなっている。なお、空気流の速度は、列車から見た相対的な値である。
【０００９】
一方、列車床面と軌道面間（図１４（Ａ）の符号ｑ）においては、図１４（Ｃ）に示すように、同様にｘ方向の速度が生じており、この速度は、列車床面側（図１４（Ｃ）上側）では小さく、軌道面（図１４（Ｃ）下側）に向けて徐々に大きくなっている。すなわち、このような区間ｐ、ｑにおける空気は、列車に引きずられるようにして流れる。
【００１０】
図１４（Ｂ）及び（Ｃ）に示すような速度差が生じると、列車Ｔの車体底面と側面との境界部で速度差のある気流が混じり合って、渦Ｖが生じる。そして、このような渦Ｖがトンネル壁面側で列車側面に巻き上がり、上方及び後方へ移動すると圧力が変動し、これに伴い変動空気力が発生する。
【００１１】
本発明は、このような現象を考慮したものであって、その目的は、鉄道車両の動揺の要因となる車体周辺で発生する渦の影響を低減することができる鉄道車両動揺抑制方法及び鉄道車両を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の鉄道車両動揺抑制方法は、鉄道車両の車体底面と軌道面の間の空気層と、該車体側面とトンネル側面の間の空気層との境界に仕切板であるフィンを介装し、ここで該フィンは前記車体の側面下端部に前後方向に延びるように取り付け、前記両空気層を分離することにより、フィンの先端においては、空気流の速度分布が変化する領域を狭くし、前記フィンの先端において空気の渦の発生を低減するとともに、フィンの先端から発生する渦を高周波数の渦とすることを特徴とする。
フィンの先端（下端縁）においては、空気流の速度分布が変化する領域が狭い領域に極限される。このため、渦の発生を低減できる。さらに、フィンの先端（下端縁）から渦が発生しても、渦の発生周波数がフィン厚みの関数であるため、高周波数（一例数ｋＨｚ）の渦となる。したがって、ヨーイングモーメントが小さくなるとともに、車両との共振が起こりにくいので、車両の動揺が抑制される。
【００１３】
本発明の鉄道車両は、車体の側面下端部に、該車体底面と軌道面の間の空気層と、該車体側面とトンネル側面の間の空気層とを仕切る仕切板であるフィンを有し、ここで該フィンは前記車体の側面下端部に前後方向に延びるように取り付けられており、前記両空気層を分離することにより、フィンの先端においては、空気流の速度分布が変化する領域が狭くされるため、前記フィンの先端において空気の渦の発生を低減するとともに、フィンの先端から発生する渦を高周波数の渦とすることを特徴とする。
フィンは、例えば鋼やアルミニウム合金製の薄板（厚さ例：鋼１．６ｍｍ、アルミニウム合金２．５ｍｍ）から形成するのが好ましい。
フィンの先端（下端縁）と軌道間の距離は、車両限界を考慮して８５ｍｍ程度（一例）とするのが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ説明する。
なお、以下の説明では、通常の鉄道車両の技術におけるのと同様に、軌道の長手方向（車両の進行方向）を前後方向、軌道面における軌道長手方向と直角の方向を左右方向、軌道面に垂直な方向を上下方向と呼ぶ。
図１は、本発明に係る鉄道車両を新幹線車両の第１例に適用した場合の正面断面図である。
図２は、本発明に係る鉄道車両を新幹線車両の第２例に適用した場合の正面断面図である。
図３は、本発明に係る鉄道車両を新幹線車両の第３例に適用した場合の正面断面図である。
【００１５】
図１〜図３に示すように、車体１は、鋼製あるいはアルミ合金製の骨組み構造体である。車体１下部には、車輪、車軸及び軸箱等を有する台車や駆動モータ等（図示されず）が装備されている。車体１の屋根は、上屋根（カバー）３を有する２重屋根構造になっている。カバー３上には、パンタグラフ（図示されず）が備えられる。車体１内部には、この例では１列３人掛け＋２人掛けの腰掛５が備えられている。
なお、図１〜図３の各新幹線車両は、例えば車体の形状や駆動系統等が異なるが、詳細については省略する。
【００１６】
これらの車両の車体１の側面下端部には、仕切り板（フィン）が設けられている。
図１の車両のフィン１０と図２の車両のフィン１１は、厚さ１．６ｍｍ、幅（上下方向の長さ）１６５ｍｍの鋼製（一例）の帯状薄板である。フィン１０、１１は、車体１の前後方向に沿って延びるように取り付けられている。フィン１０、１１の先端（下端縁）と軌道間の距離（図の符号ｒ）は、８５ｍｍ程度（一例）である。
【００１７】
図３の車両のフィン１２は、厚さ１．６ｍｍ、幅（上下方向の長さ）６８０ｍｍの鋼製（一例）の帯状薄板である。フィン１２は、車体１の前後方向に沿って延びており、車体１側面下端部から内側に４０°程度以下（図３の場合はθ＝約２０°）傾斜させて取り付けられている。フィン１２の先端（下端縁）と軌道間の距離（図の符号ｒ）は、８５ｍｍ程度（一例）である。
【００１８】
フィン１０、１１、１２により、車体１底面と軌道面の間の空気層と、車体１側面とトンネル側面の間の空気層とを仕切ることができる。以下、図１及び図２のような垂直のフィンを備えた車両の模型と、従来のフィンの無い車両の模型とを用いて行った風洞試験について説明する。
【００１９】
図４（Ａ）は本発明に係るフィンを有する新幹線車両模型の側面図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＸ部拡大図であり、図４（Ｃ）は同新幹線車両模型の正面断面図である。
図５（Ａ）〜（Ｉ）は、図４の車両の模型を用いて行った風洞試験のストロボ撮影（経時連続撮影）結果を示す図である。これらの図においては、黒塗りの部分が煙を表している。なお、このストロボ撮影の撮影位置は、図４（Ｂ）に示す位置と同一である。
【００２０】
図６は、図４の車両の模型に関する圧力センサの値を示すグラフであり、縦軸が圧力係数Ｃｐを表し、横軸が無次元時間を表す。なお、圧力係数Ｃｐと無次元時間は次式で算出されている。
・圧力係数Ｃｐ＝（圧力）／{（１／２）×（空気の密度）×（風速の２乗）｝・無次元時間＝（時間）×（風速）／（車両の左右方向の長さ）
図７は、図４の車両の模型に関する空気力の影響を表すグラフであり、縦軸がヨーイングモーメント係数を表し、横軸が無次元時間を表す。なお、ヨーイングモーメント係数は次式で算出されている。
・ヨーイングモーメント係数＝（ヨーイングモーメント）／｛０．５×（空気の密度）×（風速の２乗）×（車両の側面積）×（車両の前後方向の長さ）｝
【００２１】
図８（Ａ）は従来のフィンの無い新幹線車両模型の側面図であり、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のＸ部拡大図であり、図８（Ｃ）は同新幹線車両模型の正面断面図である。
図９（Ａ）〜（Ｉ）は、図８の車両の模型を用いて行った風洞試験のストロボ撮影（経時連続撮影）結果を示す図である。これらの図においては、黒塗りの部分が煙を表している。なお、このストロボ撮影の撮影位置は、図８（Ｂ）に示す位置と同一である。
【００２２】
図１０は、図８の車両の模型に関する圧力センサの値を示すグラフであり、縦軸が圧力係数Ｃｐを表し、横軸が無次元時間を表す。なお、圧力係数Ｃｐと無次元時間は上述した図６の場合と同一の式で算出されている。
図１１は、図８の車両の模型に関する空気力の影響を表すグラフであり、縦軸がヨーイングモーメント係数を表し、横軸が無次元時間を表す。なお、ヨーイングモーメント係数は上述した図７の場合と同一の式で算出されている。
【００２３】
この風洞試験は、可視化用煙風洞内に図４（Ａ）、図８（Ａ）に示す車両の模型をそれぞれ配置して行った。図４（Ａ）、図８（Ａ）の矢印α方向から送風し、車体模型側面に取り付けた圧力センサＳ（図４（Ｂ）、図８（Ｂ）参照）で風圧を測定した。また、渦の可視化のために煙を車体の下から流し、煙の状態を観測することで渦の発生状態を確認した。圧力センサＳは、連結車両の後尾側に相当するように、後ろ寄り（図４（Ａ）、図８（Ａ）における右寄り）の上下方向ほぼ中央部に配置した。
【００２４】
風洞試験の試験条件は、以下の通りである。
・送風条件：風速１０ｍ／ｓ
・ストロボ間隔：１／１０００秒
・模型縮尺：１／４０
風速１０ｍ／ｓと設定した理由は、速い風速では煙による可視化が難しくなるためである。上記の送風条件は、車両が図４（Ａ）、図８（Ａ）の矢印β方向（矢印α方向と逆方向）に時速０．９ｋｍ／ｈで走行している状態に相当する。
【００２５】
なお、一般に流体力学では、相似則として、レイノルズ数（＝｛（代表長さ）×（風速）｝／（空気の動粘性係数））を同一にすることが要求される。しかし、風洞試験でレイノルズ数を現車条件と同一にすることは困難である。そのため、通常は、レイノルズ数が１０5以上ならば、流れ場の様子は大きく変わらないと仮定して風洞試験を実施する。本風洞試験の場合（風速１０ｍ／ｓとした場合）、レイノルズ数は５×１０4となるので１０5には及ばないが、本発明者が風速３０ｍ／ｓの送風条件で予め測定した圧力結果と同様の結果が得られた。このため、時速０．９ｋｍ／ｈであっても、現車の現象を再現していると考えることができる。
【００２６】
図５（Ａ）〜（Ｉ）の各図に示すように、本発明のフィンＦを有する車両模型については、車体の下から流した煙が各図の下側にのみ見えており、圧力センサＳを取り付けた位置（車両模型の上下方向中央部）まで煙が到達していない。これは、フィンにより車両模型底面と軌道面の間の空気層と、車両模型側面と風洞側面の間の空気層とが仕切られており、渦が発生していないことを表している。さらに、図６に示すように、圧力センサＳの測定値は、±０．０５の範囲内に収まっており、大きな空気圧の変動が生じていないことがわかる。
【００２７】
これに対し、図９（Ａ）〜（Ｉ）の各図に示すように、従来のフィンの無い車両模型については、車体の下から流した煙が、特に図９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｈ）、（Ｉ）の各図において広範囲に流れているのが見えている。これは、渦が発生して巻き上がっていることを表している。さらに、図１０に示すように、圧力センサＳの測定値は、図９（Ａ）、（Ｇ）及び（Ｈ）の各時点に対応するＡ、Ｇ及びＨ時点では約−０．１〜−０．１５の値を示し、図９（Ｃ）、（Ｄ）及び（Ｅ）の各時点に対応するＣ、Ｄ及びＥ時点では約＋０．１の値を示しており、大きな空気圧の変動が生じているのがわかる。なお、圧力センサで負圧が検知されて少したってから煙が昇るという時間遅れの関係がある。
【００２８】
そして、図７と図１１に示すように、車体模型のヨーイングモーメント係数を比較すると、図７のフィンＦを有する車両模型に関しては、ヨーイングモーメント係数が±０．０１の値の範囲に収まっているのに対し、図１１のフィンの無い車両模型に関しては、ヨーイングモーメント係数が±０．０１５の範囲で、大きいところではこれを超える値を示している。この結果により、フィンＦを取り付けた場合は、空気圧の変動が小さいために渦の発生が低減される、あるいは、渦が発生しても高周波数（一例数ｋＨｚ）の渦となるため、車両の動揺が小さくなるということが結論できる。
【００２９】
したがって、本発明に係るフィンを有する鉄道車両によれば、トンネル区間内でも空気圧の変動が小さく、渦の発生を低減できるので、列車の動揺（ヨーイングモーメント）を抑えることができる。
【００３０】
上記の風洞実験は、図４に示すような垂直のフィンを有する鉄道模型について行ったが、実際の適用に当たっては、車両限界の制限はあるが、図３に示すような傾斜フィンであってもほとんど同様の効果を得ることができる。
【００３１】
なお、上記のフィンは、車両側面全面にわたって延びる帯状薄板であるとして説明したが、長手方向（車両の前後方向）に複数に分割したフィンであっても同様の効果を期待できる。このような分割フィンの場合は、特に台車の横に設置すれば、転動音の遮蔽等にも効果がある。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、速度差により生じる渦の発生を低減でき、車両に加わる空気力の変動を低減できる。したがって、車両の動揺を抑制できるので、特に以下の効果を得ることができる。
（１）乗り心地が向上する。
（２）列車走行時の騒音が低減できる。
（３）列車のスピードアップを図ることができる。
（４）列車に加わる空気抵抗を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る鉄道車両を新幹線車両の第１例に適用した場合の正面断面図である。
【図２】本発明に係る鉄道車両を新幹線車両の第２例に適用した場合の正面断面図である。
【図３】本発明に係る鉄道車両を新幹線車両の第３例に適用した場合の正面断面図である。
【図４】図４（Ａ）は本発明に係るフィンを有する新幹線車両模型の側面図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＸ部拡大図であり、図４（Ｃ）は同新幹線車両模型の正面断面図である。
【図５】図５（Ａ）〜（Ｉ）は、図４の車両の模型を用いて行った風洞試験のストロボ撮影（経時連続撮影）結果を示す図である。
【図６】図４の車両の模型に関する圧力センサの値を示すグラフである。
【図７】図４の車両の模型に関する空気力の影響を表すグラフである。
【図８】図８（Ａ）は従来のフィンの無い新幹線車両模型の側面図であり、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のＸ部拡大図であり、図８（Ｃ）は同新幹線車両模型の正面断面図である。
【図９】図９（Ａ）〜（Ｉ）は、図８の車両の模型を用いて行った風洞試験のストロボ撮影（経時連続撮影）結果を示す図である。
【図１０】図８の車両の模型に関する圧力センサの値を示すグラフである。
【図１１】図８の車両の模型に関する空気力の影響を表すグラフである。
【図１２】明かり区間とトンネル区間の車両走行状態を示す模式図である。
【図１３】図１３（Ａ）は現車試験で測定されたヨーイング振動角加速度を示すグラフであり、図１３（Ｂ）は現車試験の測定値から算定された空気力の影響を表すグラフである。
【図１４】図１４（Ａ）は空気力の発生メカニズムを説明するための模式図であり、図１４（Ｂ）は列車側面とトンネル壁間の速度分布を表す図であり、図１４（Ｃ）は列車床面と軌道面間の速度分布を表す図である。
【符号の説明】
１ 車体
３ 上屋根（カバー） ５ 腰掛
１０、１１、１２ フィン
Ｉ１ 明かり区間 Ｉ２ トンネル区間
Ｓ 圧力センサ Ｔ 列車
Ｖ 渦
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両のトンネル内における動揺を抑制する方法に関する。特には、鉄道車両の動揺の要因となる車体周辺で発生する渦の影響を低減することができる方法、及び、そのような鉄道車両に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、新幹線等の高速列車の速度向上に伴い、車両の左右動揺が問題になりつつある。車両の動揺が発生すると、乗り心地が低下する、あるいは、騒音が発生する等といった諸問題が引き起こされるからである。
このような動揺現象は、以下に述べるような特性がある。
（１）トンネル区間走行時の方が、明かり区間走行時よりも動揺が大きい。
（２）連結車両の先頭から後尾に向かって動揺が大きくなる。
このため、鉄道車両の動揺現象の解明は、トンネル区間走行時における後尾車両に重点が置かれている。
【０００３】
ところで、動揺現象の要因としては、（ａ）軌道狂いの影響、（ｂ）蛇行動特性の影響、（ｃ）空気力の影響等が考えられている。
これらの要因のうち、（ａ）軌道狂いの影響については、例えば鉄道総研報告、Vol．３、No．４、ｐｐ１３−２０、１９８９．４において、トンネル区間では軌道狂いと車両動揺との相関関係が小さいことが解明されている。
さらに、（ｂ）蛇行動特性の影響については、例えば鉄道総研報告、Vol．９、No．１、ｐｐ１９−２４、１９９５．１において、蛇行動が発生しやすい高速時には、後尾車両が他の車両よりも大きく揺れる傾向があることが報告されている。ところが、蛇行動では明かり区間とトンネル区間の揺れ方の違いの原因を明確に説明できない。
このような事情から、最近では（ｃ）空気力の影響が注目されている。この空気力の影響のメカニズムを解明するため、従来から多くの列車において、車両に働く空気力の測定が行われている（例えばProceedings of World Congress on Railway Research E、ｐｐ５３１−５３８、１９９７参照）。
【０００４】
以下、空気力の影響よる車両の動揺現象について、図面を参照しつつ説明する
。
図１２は、明かり区間とトンネル区間の車両走行状態を示す模式図である。
図１３（Ａ）は、現車試験で測定されたヨーイング振動角加速度を示すグラフであり、縦軸がヨーイング振動角加速度（単位ｒａｄ／ｓｅｃ2）を表し、横軸が時間（単位ｓｅｃ）を表す。図１３（Ｂ）は、現車試験の測定値から算定された空気力の影響を表すグラフであり、縦軸がヨーイングモーメント（単位Ｎｍ）を表し、横軸が時間（単位ｓｅｃ）を表す。
図１４（Ａ）は空気力の発生メカニズムを説明するための模式図であり、図１４（Ｂ）は列車側面とトンネル壁間の速度分布を表す図であり、図１４（Ｃ）は列車床面と軌道面間の速度分布を表す図である。
【０００５】
図１２には、明かり区間Ｉ１を矢印Ｕ方向に３００ｋｍ／ｈで走行中の１６両編成の列車Ｔが、トンネル区間Ｉ２に進入する状態が示されている。このときの明かり区間Ｉ１及びトンネル区間Ｉ２における１４両目の車両への空気圧の作用を測定する。空気圧は、１４両目の車両の側面に取り付けた圧力センサＳで測定する。
【０００６】
図１３（Ａ）に示すように、車両に作用するヨーイング振動角加速度は、明かり区間Ｉ１では±０．０５ｒａｄ／ｓｅｃ2の範囲内に収まっているのに対し、トンネル区間Ｉ２では値に大きな変動が生じている。特に、トンネル進入後の３秒〜８秒の５秒間においては、±０．１ｒａｄ／ｓｅｃ2を超える大きな値の変動が生じている。
【０００７】
図１３（Ｂ）に示すように、圧力センサＳの測定値から算定されたヨーイングモーメントは、明かり区間Ｉ１では０Ｎｍの近くを微動しているのに対し、トンネル区間Ｉ２では値に大きな変動が生じている。このトンネル区間Ｉ２においては、ヨーイングモーメントの値の大きい箇所では±１×１０5Ｎｍを超えるところもあり、車両に大きな動揺が生じる原因となっている。つまり、ヨーイング振動角加速度及びヨーイングモーメントは、トンネル区間Ｉ２内において増大し、車両は明かり区間Ｉ１よりもトンネル区間Ｉ２において大きく動揺する。
【０００８】
トンネル内においては、図１４（Ａ）に示すように、トンネル壁側（図１４（Ａ）の右側）の列車Ｔ側面部では、速度差が生じ易い。さらに詳しくは、列車側面とトンネル壁間（図１４（Ａ）の符号ｐ）においては、図１４（Ｂ）に示すように、列車Ｔの進行方向Ｕと逆方向（ｘ方向）の空気流が生じており、この空気流の速度は、列車側面側（図１４（Ｂ）上側）では小さく、トンネル壁面（図１４（Ｂ）下側）に向けて徐々に大きくなっている。なお、空気流の速度は、列車から見た相対的な値である。
【０００９】
一方、列車床面と軌道面間（図１４（Ａ）の符号ｑ）においては、図１４（Ｃ）に示すように、同様にｘ方向の速度が生じており、この速度は、列車床面側（図１４（Ｃ）上側）では小さく、軌道面（図１４（Ｃ）下側）に向けて徐々に大きくなっている。すなわち、このような区間ｐ、ｑにおける空気は、列車に引きずられるようにして流れる。
【００１０】
図１４（Ｂ）及び（Ｃ）に示すような速度差が生じると、列車Ｔの車体底面と側面との境界部で速度差のある気流が混じり合って、渦Ｖが生じる。そして、このような渦Ｖがトンネル壁面側で列車側面に巻き上がり、上方及び後方へ移動すると圧力が変動し、これに伴い変動空気力が発生する。
【００１１】
本発明は、このような現象を考慮したものであって、その目的は、鉄道車両の動揺の要因となる車体周辺で発生する渦の影響を低減することができる鉄道車両動揺抑制方法及び鉄道車両を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の鉄道車両動揺抑制方法は、鉄道車両の車体底面と軌道面の間の空気層と、該車体側面とトンネル側面の間の空気層との境界に仕切板であるフィンを介装し、ここで該フィンは前記車体の側面下端部に前後方向に延びるように取り付け、前記両空気層を分離することにより、フィンの先端においては、空気流の速度分布が変化する領域を狭くし、前記フィンの先端において空気の渦の発生を低減するとともに、フィンの先端から発生する渦を高周波数の渦とすることを特徴とする。
フィンの先端（下端縁）においては、空気流の速度分布が変化する領域が狭い領域に極限される。このため、渦の発生を低減できる。さらに、フィンの先端（下端縁）から渦が発生しても、渦の発生周波数がフィン厚みの関数であるため、高周波数（一例数ｋＨｚ）の渦となる。したがって、ヨーイングモーメントが小さくなるとともに、車両との共振が起こりにくいので、車両の動揺が抑制される。
【００１３】
本発明の鉄道車両は、車体の側面下端部に、該車体底面と軌道面の間の空気層と、該車体側面とトンネル側面の間の空気層とを仕切る仕切板であるフィンを有し、ここで該フィンは前記車体の側面下端部に前後方向に延びるように取り付けられており、前記両空気層を分離することにより、フィンの先端においては、空気流の速度分布が変化する領域が狭くされるため、前記フィンの先端において空気の渦の発生を低減するとともに、フィンの先端から発生する渦を高周波数の渦とすることを特徴とする。
フィンは、例えば鋼やアルミニウム合金製の薄板（厚さ例：鋼１．６ｍｍ、アルミニウム合金２．５ｍｍ）から形成するのが好ましい。
フィンの先端（下端縁）と軌道間の距離は、車両限界を考慮して８５ｍｍ程度（一例）とするのが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ説明する。
なお、以下の説明では、通常の鉄道車両の技術におけるのと同様に、軌道の長手方向（車両の進行方向）を前後方向、軌道面における軌道長手方向と直角の方向を左右方向、軌道面に垂直な方向を上下方向と呼ぶ。
図１は、本発明に係る鉄道車両を新幹線車両の第１例に適用した場合の正面断面図である。
図２は、本発明に係る鉄道車両を新幹線車両の第２例に適用した場合の正面断面図である。
図３は、本発明に係る鉄道車両を新幹線車両の第３例に適用した場合の正面断面図である。
【００１５】
図１〜図３に示すように、車体１は、鋼製あるいはアルミ合金製の骨組み構造体である。車体１下部には、車輪、車軸及び軸箱等を有する台車や駆動モータ等（図示されず）が装備されている。車体１の屋根は、上屋根（カバー）３を有する２重屋根構造になっている。カバー３上には、パンタグラフ（図示されず）が備えられる。車体１内部には、この例では１列３人掛け＋２人掛けの腰掛５が備えられている。
なお、図１〜図３の各新幹線車両は、例えば車体の形状や駆動系統等が異なるが、詳細については省略する。
【００１６】
これらの車両の車体１の側面下端部には、仕切り板（フィン）が設けられている。
図１の車両のフィン１０と図２の車両のフィン１１は、厚さ１．６ｍｍ、幅（上下方向の長さ）１６５ｍｍの鋼製（一例）の帯状薄板である。フィン１０、１１は、車体１の前後方向に沿って延びるように取り付けられている。フィン１０、１１の先端（下端縁）と軌道間の距離（図の符号ｒ）は、８５ｍｍ程度（一例）である。
【００１７】
図３の車両のフィン１２は、厚さ１．６ｍｍ、幅（上下方向の長さ）６８０ｍｍの鋼製（一例）の帯状薄板である。フィン１２は、車体１の前後方向に沿って延びており、車体１側面下端部から内側に４０°程度以下（図３の場合はθ＝約２０°）傾斜させて取り付けられている。フィン１２の先端（下端縁）と軌道間の距離（図の符号ｒ）は、８５ｍｍ程度（一例）である。
【００１８】
フィン１０、１１、１２により、車体１底面と軌道面の間の空気層と、車体１側面とトンネル側面の間の空気層とを仕切ることができる。以下、図１及び図２のような垂直のフィンを備えた車両の模型と、従来のフィンの無い車両の模型とを用いて行った風洞試験について説明する。
【００１９】
図４（Ａ）は本発明に係るフィンを有する新幹線車両模型の側面図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＸ部拡大図であり、図４（Ｃ）は同新幹線車両模型の正面断面図である。
図５（Ａ）〜（Ｉ）は、図４の車両の模型を用いて行った風洞試験のストロボ撮影（経時連続撮影）結果を示す図である。これらの図においては、黒塗りの部分が煙を表している。なお、このストロボ撮影の撮影位置は、図４（Ｂ）に示す位置と同一である。
【００２０】
図６は、図４の車両の模型に関する圧力センサの値を示すグラフであり、縦軸が圧力係数Ｃｐを表し、横軸が無次元時間を表す。なお、圧力係数Ｃｐと無次元時間は次式で算出されている。
・圧力係数Ｃｐ＝（圧力）／{（１／２）×（空気の密度）×（風速の２乗）｝・無次元時間＝（時間）×（風速）／（車両の左右方向の長さ）
図７は、図４の車両の模型に関する空気力の影響を表すグラフであり、縦軸がヨーイングモーメント係数を表し、横軸が無次元時間を表す。なお、ヨーイングモーメント係数は次式で算出されている。
・ヨーイングモーメント係数＝（ヨーイングモーメント）／｛０．５×（空気の密度）×（風速の２乗）×（車両の側面積）×（車両の前後方向の長さ）｝
【００２１】
図８（Ａ）は従来のフィンの無い新幹線車両模型の側面図であり、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のＸ部拡大図であり、図８（Ｃ）は同新幹線車両模型の正面断面図である。
図９（Ａ）〜（Ｉ）は、図８の車両の模型を用いて行った風洞試験のストロボ撮影（経時連続撮影）結果を示す図である。これらの図においては、黒塗りの部分が煙を表している。なお、このストロボ撮影の撮影位置は、図８（Ｂ）に示す位置と同一である。
【００２２】
図１０は、図８の車両の模型に関する圧力センサの値を示すグラフであり、縦軸が圧力係数Ｃｐを表し、横軸が無次元時間を表す。なお、圧力係数Ｃｐと無次元時間は上述した図６の場合と同一の式で算出されている。
図１１は、図８の車両の模型に関する空気力の影響を表すグラフであり、縦軸がヨーイングモーメント係数を表し、横軸が無次元時間を表す。なお、ヨーイングモーメント係数は上述した図７の場合と同一の式で算出されている。
【００２３】
この風洞試験は、可視化用煙風洞内に図４（Ａ）、図８（Ａ）に示す車両の模型をそれぞれ配置して行った。図４（Ａ）、図８（Ａ）の矢印α方向から送風し、車体模型側面に取り付けた圧力センサＳ（図４（Ｂ）、図８（Ｂ）参照）で風圧を測定した。また、渦の可視化のために煙を車体の下から流し、煙の状態を観測することで渦の発生状態を確認した。圧力センサＳは、連結車両の後尾側に相当するように、後ろ寄り（図４（Ａ）、図８（Ａ）における右寄り）の上下方向ほぼ中央部に配置した。
【００２４】
風洞試験の試験条件は、以下の通りである。
・送風条件：風速１０ｍ／ｓ
・ストロボ間隔：１／１０００秒
・模型縮尺：１／４０
風速１０ｍ／ｓと設定した理由は、速い風速では煙による可視化が難しくなるためである。上記の送風条件は、車両が図４（Ａ）、図８（Ａ）の矢印β方向（矢印α方向と逆方向）に時速０．９ｋｍ／ｈで走行している状態に相当する。
【００２５】
なお、一般に流体力学では、相似則として、レイノルズ数（＝｛（代表長さ）×（風速）｝／（空気の動粘性係数））を同一にすることが要求される。しかし、風洞試験でレイノルズ数を現車条件と同一にすることは困難である。そのため、通常は、レイノルズ数が１０5以上ならば、流れ場の様子は大きく変わらないと仮定して風洞試験を実施する。本風洞試験の場合（風速１０ｍ／ｓとした場合）、レイノルズ数は５×１０4となるので１０5には及ばないが、本発明者が風速３０ｍ／ｓの送風条件で予め測定した圧力結果と同様の結果が得られた。このため、時速０．９ｋｍ／ｈであっても、現車の現象を再現していると考えることができる。
【００２６】
図５（Ａ）〜（Ｉ）の各図に示すように、本発明のフィンＦを有する車両模型については、車体の下から流した煙が各図の下側にのみ見えており、圧力センサＳを取り付けた位置（車両模型の上下方向中央部）まで煙が到達していない。これは、フィンにより車両模型底面と軌道面の間の空気層と、車両模型側面と風洞側面の間の空気層とが仕切られており、渦が発生していないことを表している。さらに、図６に示すように、圧力センサＳの測定値は、±０．０５の範囲内に収まっており、大きな空気圧の変動が生じていないことがわかる。
【００２７】
これに対し、図９（Ａ）〜（Ｉ）の各図に示すように、従来のフィンの無い車両模型については、車体の下から流した煙が、特に図９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｈ）、（Ｉ）の各図において広範囲に流れているのが見えている。これは、渦が発生して巻き上がっていることを表している。さらに、図１０に示すように、圧力センサＳの測定値は、図９（Ａ）、（Ｇ）及び（Ｈ）の各時点に対応するＡ、Ｇ及びＨ時点では約−０．１〜−０．１５の値を示し、図９（Ｃ）、（Ｄ）及び（Ｅ）の各時点に対応するＣ、Ｄ及びＥ時点では約＋０．１の値を示しており、大きな空気圧の変動が生じているのがわかる。なお、圧力センサで負圧が検知されて少したってから煙が昇るという時間遅れの関係がある。
【００２８】
そして、図７と図１１に示すように、車体模型のヨーイングモーメント係数を比較すると、図７のフィンＦを有する車両模型に関しては、ヨーイングモーメント係数が±０．０１の値の範囲に収まっているのに対し、図１１のフィンの無い車両模型に関しては、ヨーイングモーメント係数が±０．０１５の範囲で、大きいところではこれを超える値を示している。この結果により、フィンＦを取り付けた場合は、空気圧の変動が小さいために渦の発生が低減される、あるいは、渦が発生しても高周波数（一例数ｋＨｚ）の渦となるため、車両の動揺が小さくなるということが結論できる。
【００２９】
したがって、本発明に係るフィンを有する鉄道車両によれば、トンネル区間内でも空気圧の変動が小さく、渦の発生を低減できるので、列車の動揺（ヨーイングモーメント）を抑えることができる。
【００３０】
上記の風洞実験は、図４に示すような垂直のフィンを有する鉄道模型について行ったが、実際の適用に当たっては、車両限界の制限はあるが、図３に示すような傾斜フィンであってもほとんど同様の効果を得ることができる。
【００３１】
なお、上記のフィンは、車両側面全面にわたって延びる帯状薄板であるとして説明したが、長手方向（車両の前後方向）に複数に分割したフィンであっても同様の効果を期待できる。このような分割フィンの場合は、特に台車の横に設置すれば、転動音の遮蔽等にも効果がある。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、速度差により生じる渦の発生を低減でき、車両に加わる空気力の変動を低減できる。したがって、車両の動揺を抑制できるので、特に以下の効果を得ることができる。
（１）乗り心地が向上する。
（２）列車走行時の騒音が低減できる。
（３）列車のスピードアップを図ることができる。
（４）列車に加わる空気抵抗を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る鉄道車両を新幹線車両の第１例に適用した場合の正面断面図である。
【図２】本発明に係る鉄道車両を新幹線車両の第２例に適用した場合の正面断面図である。
【図３】本発明に係る鉄道車両を新幹線車両の第３例に適用した場合の正面断面図である。
【図４】図４（Ａ）は本発明に係るフィンを有する新幹線車両模型の側面図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＸ部拡大図であり、図４（Ｃ）は同新幹線車両模型の正面断面図である。
【図５】図５（Ａ）〜（Ｉ）は、図４の車両の模型を用いて行った風洞試験のストロボ撮影（経時連続撮影）結果を示す図である。
【図６】図４の車両の模型に関する圧力センサの値を示すグラフである。
【図７】図４の車両の模型に関する空気力の影響を表すグラフである。
【図８】図８（Ａ）は従来のフィンの無い新幹線車両模型の側面図であり、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のＸ部拡大図であり、図８（Ｃ）は同新幹線車両模型の正面断面図である。
【図９】図９（Ａ）〜（Ｉ）は、図８の車両の模型を用いて行った風洞試験のストロボ撮影（経時連続撮影）結果を示す図である。
【図１０】図８の車両の模型に関する圧力センサの値を示すグラフである。
【図１１】図８の車両の模型に関する空気力の影響を表すグラフである。
【図１２】明かり区間とトンネル区間の車両走行状態を示す模式図である。
【図１３】図１３（Ａ）は現車試験で測定されたヨーイング振動角加速度を示すグラフであり、図１３（Ｂ）は現車試験の測定値から算定された空気力の影響を表すグラフである。
【図１４】図１４（Ａ）は空気力の発生メカニズムを説明するための模式図であり、図１４（Ｂ）は列車側面とトンネル壁間の速度分布を表す図であり、図１４（Ｃ）は列車床面と軌道面間の速度分布を表す図である。
【符号の説明】
１ 車体
３ 上屋根（カバー） ５ 腰掛
１０、１１、１２ フィン
Ｉ１ 明かり区間 Ｉ２ トンネル区間
Ｓ 圧力センサ Ｔ 列車
Ｖ 渦
Claims (2)
- 鉄道車両の車体底面と軌道面の間の空気層と、該車体側面とトンネル側面の間の空気層との境界に仕切板であるフィンを介装し、ここで該フィンは前記車体の側面下端部に前後方向に延びるように取り付け、
前記両空気層を分離することにより、フィンの先端においては、空気流の速度分布が変化する領域を狭くし、前記フィンの先端において空気の渦の発生を低減するとともに、フィンの先端から発生する渦を高周波数の渦とすることを特徴とする鉄道車両動揺抑制方法。 - 車体の側面下端部に、該車体底面と軌道面の間の空気層と、該車体側面とトンネル側面の間の空気層とを仕切る仕切板であるフィンを有し、ここで該フィンは前記車体の側面下端部に前後方向に延びるように取り付けられており、
前記両空気層を分離することにより、フィンの先端においては、空気流の速度分布が変化する領域が狭くされるため、前記フィンの先端において空気の渦の発生を低減するとともに、フィンの先端から発生する渦を高周波数の渦とすることを特徴とする鉄道車両。
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