JP6432599B2 - 鉄道車両用防音車輪 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両用の防音車輪に関する。

鉄道車両の走行時に発生する騒音は、鉄道沿線環境にとって解決すべき最優先課題の１つである。そのような騒音は、車輪から発せられるものを含む。車輪から発せられる騒音には、車輪転動騒音と、いわゆるきしり音とがある。きしり音は、主として、車両が、大きな曲率を有する曲線路を通過するときに発生する。車輪転動騒音は、車両が、曲線路を通過するときのみならず、直線路を通過するときにも発生する。

レールの表面、およびこれに接触する車輪の表面（踏面）には、微小な凹凸が存在する。これにより、レール上を車輪が転動すると、車輪およびレールが加振されて、車輪転動騒音が生ずると考えられる。きしり音も、車輪の振動に起因しているものと考えられる。また、レールにおいて車輪の踏面と接触する部分に波状の摩耗（以下、「波状摩耗」という。）が生じている場合がある。特殊な車輪騒音として、そのような波状摩耗が生じているレールの上を車両が通過すると、車輪が大きく加振されて騒音が発生する。

車輪の振動によって発生する騒音（以下、「車輪振動騒音」ともいう。）を低減するために、特許文献１および２では、車輪のリム部内周側に防音装置を取り付けた防音車輪が提案されている。これらの防音車輪は、ゴムなどからなる弾性体部と、付加質量部とを組み合わせた防音装置を備え、防音装置は、取り付け金具によって、リム部の内周面に形成された取り付け溝に取り付けられる。

防音装置は、動的吸振器として作用すると考えられる。動的吸振器は、構造物の固有振動数と一致する共振周波数を有し、共振により、構造物の振動を吸収（低減）することができる。したがって、防音装置を車輪に取り付けることにより、一致する周波数の固有振動による騒音を低減することができる。防音装置の共振周波数ｆは、円周率をπ、弾性体部のばね定数をｋ、付加質量部の質量をｍとすると、
ｆ＝（１／２π）×（ｋ／ｍ）^１／２ ・・・（１）
で与えられる。したがって、車輪の固有振動数がわかれば、（１）式から、この固有振動数に、防音装置の共振周波数ｆが一致するように、ばね定数ｋと、付加質量部の質量ｍとを決定することができる。

車輪は、通常、複数の固有振動モードを有し、これらの各固有振動モードに対応する固有振動数を有する。したがって、車輪は、複数の固有振動数を有する。特許文献２および３では、異なる共振周波数を有する複数の防音装置を備えた防音車輪であって、各防音装置の共振周波数が、車輪の複数の固有振動数のいずれかに一致する防音車輪が提案されている。これらの防音車輪によれば、複数の固有振動数に対応する騒音を、同時に低減することができる。

具体的には、特許文献２の車輪では、２つの防音装置が用いられ、これらの防音装置に、弾性係数が異なる２種類の弾性体がそれぞれ用いられ、これにより、２つの防音装置の共振周波数が互いに異なるようにされている。特許文献３の車輪では、防音装置（弾性体と当て板とからなる動的吸振器）は、防音車輪の周方向に分割されていて、分割された防音装置のそれぞれの共振周波数が、車輪の固有振動数のいずれかに一致するように設定されている。このような構成により、２水準またはそれより多くの周波数に対応する騒音成分を同時に吸収することができるようになっている。さらに、特許文献３に開示された防音装置は、防音車輪の周方向に分割されていることにより、当て板の固有振動数を、騒音として問題にならない周波数まで高くすることができる。

車輪の固有振動モードのうち車輪転動騒音を生じ得る主たるものは、リム部が面内方向に振動し、かつ板部が面外方向に振動するものである。これらの固有振動による騒音は、人が聴覚上敏感である周波数域のうち、少なくとも、１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ内に、たとえば、２ｋＨｚ付近、３ｋＨｚ付近、および４ｋＨｚ付近の３水準の周波数成分を含む。

ところで、車両が高速走行しているときは、防音装置には、様々な力がかかり、車輪から防音装置が脱落するおそれがある。特許文献１〜３に記載の発明では、防音装置が車輪から脱落するのを防止するための十分な措置がとられていない。

特許文献４には、リング状の付加質量部と、付加質量部の外周部に取り付けられた弾性体部とを備えた防音装置が開示されている。この防音装置では、リム部に形成された溝内に弾性体部が配置されている。

特許文献４の防音車輪では、弾性体部は、リム部に形成された溝の底部、および付加質量部に固定されている一方、付加質量部は、リム部に対して動くことができるようになっている。このような構成により、車輪の振動が吸収されるようになっている。

この防音装置では、弾性体部に対して、溝の開口側は、付加質量部によって塞がれているので、弾性体部は、付加質量部から分離したとしても、車輪からは脱落し難い。しかし、この発明では、弾性体部が劣化した場合、車両走行中のリム部に対する付加質量部の変位が大きくなり、付加質量部が、他の部材、たとえば、ブレーキディスクに衝突し得る。また、リム部の溝の内面と付加質量部とが擦れることにより、リム部や、付加質量部に疵が入ったり、これらの部材が摩耗したりする。さらに、弾性体部が完全に分離した場合には、付加質量部が車輪から脱落する可能性がある。このため、この防音装置が備えられた車輪の耐久性は、低い。

登録実用新案第２５７７３２３号公報 特許第３０９７８３１号公報 特開昭５８−１１６２０２号公報 特開２００６−１８２１３６号公報

そこで、この発明の目的は、車輪の振動による騒音を大幅に低減可能であり、耐久性に優れた鉄道車両用防音車輪を提供することである。

本発明の防音車輪は、車輪のリム部の内周面に防音装置を装着した鉄道車両用防音車輪である。前記防音装置は、固定リングと、第１弾性体部と、付加質量部と、第２弾性体部とを備えている。前記固定リングは、前記リム部の前記内周面に周方向に沿って形成された溝に少なくとも外周部が嵌め込まれているとともに、前記リム部に固定されている。前記第１弾性体部は、前記固定リングの外周面に固着され、前記溝内に配置されている。前記付加質量部は、前記第１弾性体部の前記固定リングとは反対側に固着され、前記溝内に配置されている。前記第２弾性体部は、前記付加質量部の前記第１弾性体部とは反対側に固着され、前記溝内で前記溝の底との間に隙間を形成しないように設けられている。前記第１弾性体部は、前記固定リングの周方向に互いに離隔した複数の第１弾性体片を含む。前記第２弾性体部は、前記固定リングの周方向に互いに離隔した複数の第２弾性体片を含む。前記付加質量部は、前記固定リングの周方向に互いに離隔した複数の付加質量片を含む。各付加質量片は、前記複数の第１弾性体片のいずれか、および前記複数の第２弾性体片のいずれかに固着されている。前記車輪は、複数の固有振動モードに対応する複数の固有振動数を有する。前記防音装置は、複数の動的吸振器を含む。各動的吸振器は、前記付加質量片、および当該付加質量片に固着された前記第１および第２弾性体片を有する。前記複数の動的吸振器のうち、少なくとも１つの動的吸振器は、他の動的吸振器の共振周波数とは異なる共振周波数を有する。前記複数の動的吸振器のいずれの共振周波数も、前記複数の固有振動数のいずれかに一致する。

前記第２弾性体部と前記溝の底との間には、スペーサ部材が設けられていてもよい。
この防音車輪は、隣接する前記動的吸振器同士の間に介在し、前記固定リングの外周面から突出する突起をさらに備えていることが好ましい。この防音車輪が前記突起を備えている場合、前記突起の先端は、前記溝の底に接していてもよい。

この発明によれば、車輪の振動は、リム部から固定リングを介して、複数の動的吸振器（第１および第２弾性体片、ならびに付加質量片）に伝わる。複数の動的吸振器のうち、少なくとも１つの動的吸振器は、他の動的吸振器の共振周波数とは異なる共振周波数を有し、各動的吸振器の共振周波数は、車輪の複数の固有振動数のいずれかに一致しているので、２水準以上の固有振動数に対応する騒音を同時に低減して、車輪振動騒音を大幅に低減することができる。各動的吸振器は、第１および第２弾性体片を備えており、第１および第２弾性体片のばね定数は、独立して選択できる。したがって、各動的吸振器の共振周波数を調整する自由度が大きい。

また、この発明によれば、第１および第２弾性体部、ならびに付加質量部は、リム部の溝内に配置されており、また、第１および第２弾性体部、ならびに付加質量部に対して溝の開口側には、リム部に固定された固定リングが存在する。このため、付加質量部が、第１および第２弾性体部から分離したり、第１および第２弾性体部が、それぞれ、固定リング、および溝の底から分離したとしても、これらの分離した第１および第２弾性体部、ならびに付加質量部は、車輪から脱落し難い。

さらに、防音装置を構成する部品の一つである固定リングが車輪のリム部に固定されていることにより、防音装置と車輪のリム部とが擦れることはない。また、弾性体部が劣化して弾性が弱くなっても、付加質量部は、溝の外の部材に衝突することはない。このため、この防音車輪は、耐久性が高い。

図１Ａは、本発明の一実施形態に係る防音車輪の断面図であって、防音車輪において中心軸に対して一方側の部分を示す図である。 図１Ｂは、図１Ａに円Ｃで示す領域の拡大図である。 図２は、本発明の防音車輪に用いることができる防音装置の例を示す平面図である。 図３は、図１Ａおよび図１Ｂに示す実施形態の第１の変形例に係る防音車輪の溝周辺部分を示す断面図である。 図４は、本発明の防音車輪に用いることができる防音装置の他の例を示す平面図である。 図５は、図１Ａ〜図２に示す実施形態の第２の変形例に係る防音車輪の溝周辺を示す断面図である。 図６は、図１Ａ〜図２に示す実施形態の第３の変形例に係る防音車輪の断面図である。 図７Ａは、図１Ａ〜図２に示す実施形態の第４の変形例に係る防音車輪の断面図である。 図７Ｂは、図１Ａ〜図２に示す実施形態の第５の変形例に係る防音車輪の断面図である。 図８は、車輪転動騒音試験機の構成を示す概略図である。 図９は、騒音の分析をする際に用いられる騒音の補正レベルを示す図である。 図１０は、実施例１〜４、および比較例１について、１／３オクターブバンド中心周波数と、騒音レベルとの関係を示す図である。 図１１は、比較例１〜５について、１／３オクターブバンド中心周波数と、騒音レベルとの関係を示す図である。 図１２は、実施例１〜４、および比較例１について、軌条輪の周速と、騒音レベルとの関係を示す図である。 図１３は、比較例１〜５について、軌条輪の周速と、騒音レベルとの関係を示す図である。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１Ａ、および図１Ｂは、本発明の一実施形態に係る防音車輪の断面図である。図１Ａは、防音車輪において中心軸に対して一方側の部分を示す図であり、図１Ｂは、図１Ａに円Ｃで示す領域の拡大図である。

防音車輪１は、鉄道車両に用いられるものであり、車輪２と、防音装置３とを備えている。車輪２は、環状の板部４と、板部４の外周部に位置する環状のリム部５とを備えている。リム部５は、板部４に対して板部４の厚さ方向両側に突出しており、防音車輪１の中心軸Ａに面する内周面６を有する。リム部５の外周面において、中心軸Ａに沿う方向に関して一方側には、中心軸Ａとは反対方向に、フランジ７が突出している。

リム部５において、中心軸Ａに沿う方向に関して上記一方側（フランジ７と同じ側）の内周面６には、中心軸Ａ方向に開放した溝８が、中心軸Ａ周りに環状に形成されている。防音装置３は、溝８に、溝８の全周にわたって嵌められている。

防音装置３は、固定リング１０と、第１弾性体部１１Ａと、付加質量部１２と、第２弾性体部１１Ｂとを備えている。第１弾性体部１１Ａは、固定リング１０の外周面１０ａに固着されている。付加質量部１２は、第１弾性体部１１Ａにおいて固定リング１０とは反対側に固着されている。第２弾性体部１１Ｂは、付加質量部１２において第１弾性体部１１Ａとは反対側に固着されている。固定リング１０は、剛性が高い材料、たとえば、鋼などの金属からなる。固定リング１０は、径方向の外周側の部分が、溝８に嵌められ、リム部５に対して固定されている。固定リング１０のリム部５に対する固定は、たとえば、溶接、かしめ、接着等によるものとすることができる。

固定リング１０の幅（防音装置３の軸方向の長さ）は、溝８の幅とほぼ同じであり、溝８の開口部は、固定リング１０により密閉されている。溝８内のこの密閉された空間に、第１弾性体部１１Ａ、付加質量部１２、および第２弾性体部１１Ｂが配置されている。第１および第２弾性体部１１Ａ、１１Ｂ、ならびに付加質量部１２の幅は、固定リング１０の幅より狭く、第１および第２弾性体部１１Ａ、１１Ｂ、ならびに付加質量部１２は、溝８の内側壁から離間している。第２弾性体１１Ｂは、溝８の底に接している。

第１弾性体部１１Ａと第２弾性体部１１Ｂとは、同じ種類の材料からなるものであってもよく、互いに異なる種類の材料からなるものであってもよい。第１および第２弾性体部１１Ａ、１１Ｂは、たとえば、ゴムからなる。車両の走行中に車輪２に生じた振動は、固定リング１０、およびリム部５を介して、第１および第２弾性体部１１Ａ、１１Ｂ、ならびに付加質量部１２に伝わり、これにより、第１および第２弾性体部１１Ａ、１１Ｂ、ならびに付加質量部１２が振動する。

第１および第２弾性体部１１Ａ、１１Ｂ、ならびに付加質量部１２は、リム部５の溝８内に配置されている。そして、第１および第２弾性体部１１Ａ、１１Ｂ、ならびに付加質量部１２に対して溝８の開口側には、リム部８に固定された固定リング１０が存在する。このため、第１弾性体部１１Ａが、固定リング１０、または付加質量部１２から分離し、かつ、第２弾性体部１１Ｂが、溝８の底、または付加質量部１２から分離したとしても、付加質量部１２は、防音車輪１から脱落し難い。

防音装置３を構成する部材の１つである固定リング１０が車輪２のリム部５に固定されていることにより、防音装置３と車輪２のリム部５とが擦れることはない。また、付加質量部１２が固定リング１０で密閉された溝８内にあることにより、第１および第２弾性体部１１Ａ、１１Ｂが劣化して弾性が弱くなっても、付加質量部１２は、溝８外の部材（たとえば、ブレーキディスク）に衝突することはない。このため、この防音車輪１は、耐久性が高い。

図２は、防音装置３の一例を示す平面図である。
第１弾性体部１１Ａは、防音装置３の周方向に互いに離間した複数の第１弾性体片１３Ａを含む。付加質量部１２は、防音装置３の周方向に互いに離間した複数の付加質量片１４を含む。第２弾性体部１１Ｂは、防音装置３の周方向に互いに離間した複数の第２弾性体片１３Ｂを含む。図２の例では、第１および第２弾性体部１１Ａ、１１Ｂは、それぞれ、１２個の第１および第２弾性体片１３Ａ、１３Ｂを含み、付加質量部１２は、１２個の付加質量片１４を含む。各付加質量片１４は、いずれかの第１弾性体片１３Ａ、およびいずれかの第２弾性体片１３Ｂに固着されている。

第２弾性体片１３Ｂは、溝８の底に、固着されていてもよい。また、第２弾性体片１３Ｂは、溝８の底に固着されていなくてもよく、この場合は、付加質量片１４と溝８の底とにより、第２弾性体片１３Ｂが十分に押圧されている必要がある。いずれの場合でも、防音装置３を有する防音車輪は、この防音車輪が備えられた鉄道車両の走行中に付加質量片１４が振動しても、第２弾性体片１３Ｂと溝８の底との間に隙間が生じないように構成されている。

各付加質量片１４と、当該付加質量片１４に固着された第１および第２弾性体片１３Ａ、１３Ｂとは、動的吸振器１５を構成する。図２の例では、防音装置３は、１２個の動的吸振器１５Ａ〜１５Ｌを備えている。防音装置３の周方向に関して、各動的吸振器１５を構成する付加質量片１４ならびに第１および第２弾性体片１３Ａ、１３Ｂは、ほぼ面一の端面を有する。

車輪２は、通常、複数の固有振動モードにそれぞれ対応する複数の固有振動数を有する。動的吸振器１５Ａ〜１５Ｌのうち、少なくとも１つの動的吸振器１５は、他の動的吸振器１５の共振周波数とは異なる共振周波数を有する。すなわち、動的吸振器１５Ａ〜１５Ｌは、少なくとも２つの共振周波数を有する。動的吸振器１５Ａ〜１５Ｌのいずれの共振周波数も、車輪２のいずれかの固有振動数に一致する。これにより、車輪２の複数の固有振動数のうち、少なくとも２つの固有振動数に対応する騒音を、同時に低減することができる。

動的吸振器１５Ａ〜１５Ｌは、少なくとも３つの共振周波数であって、各共振周波数が、車輪２のいずれかの固有振動数に一致する共振周波数を有することが好ましい。これにより、車輪２の騒音を効率的に低減することができる。

上述のように、車輪２からは、板部４、およびリム部５の固有振動による車輪転動騒音が発生する。このような騒音は、人が聴覚上敏感である周波数域、たとえば、１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ内に、たとえば、２．０ｋＨｚ、２．５ｋＨｚ、および３．０ｋＨｚの周波数成分を含む。

これに対応して、たとえば、動的吸振器１５Ａ〜１５Ｌは、以下の第１〜第３のグループに分けられているものとすることができる。第１のグループに属する動的吸振器１５は、いずれも、２．０ｋＨｚの共振周波数を有する。第２のグループに属する動的吸振器１５は、いずれも、２．５ｋＨｚの共振周波数を有する。第３のグループに属する動的吸振器１５は、いずれも、３．０ｋＨｚの共振周波数を有する。これにより、騒音を、聴覚上、大幅に低減することができる。第１〜第３のグループは、たとえば、各々が４つの動的吸振器１５からなるものとすることができる。

また、動的吸振器１５Ａ〜１５Ｌのいずれかを、きしり音の周波数に対応する共振周波数を有するように構成すれば、きしり音を低減することができる。同様に、動的吸振器１５Ａ〜１５Ｌのいずれかを、波状摩耗に起因する騒音の周波数に対応する共振周波数を有するように構成すれば、このような騒音を低減することができる。

動的吸振器１５Ａ〜１５Ｌの各々の共振周波数は、下記（２）式に基づき、第１弾性体片１３Ａのばね定数ｋ_１、第２弾性体片１３Ｂのばね定数ｋ_２、および付加質量片１４の質量ｍを適切に選択することにより、所望の値にすることができる。
ｆ＝（１／２π）×（（ｋ_１＋ｋ_２）／ｍ）^１／２ （２）

防音装置３が備えられた鉄道車両の走行中に付加質量片１４が振動しても、第２弾性体片１３Ｂと溝８の底との間に隙間が生じないことにより、各動的吸振器１５Ａ〜１５Ｌの共振周波数は、設計通りの値に維持される。

この防音車輪１を製造する際、防音装置３の周方向の一部が切断された状態とし、付加質量部１２、第１および第２弾性体部１１Ａ、１１Ｂ、ならびに固定リング１０の外周部を、リム部５の溝８に嵌めた後、防音装置３の切断部を、たとえば、溶接により接合することができる。

防音装置３の軸方向に関して、第１および第２弾性体部１１Ａ、１１Ｂ（各第１および第２弾性体片１３Ａ、１３Ｂ）の長さは、５ｍｍ以上かつ１０ｍｍ以下であり、付加質量部１２（各付加質量片１４）の長さは、５ｍｍ以上かつ１０ｍｍ以下である。第１および第２弾性体部１１Ａ、１１Ｂ、ならびに付加質量部１２は、このような大きさを有していることにより、固定リング１０に対する取り付け、および共振周波数の調整が容易である。

図３は、図１Ａおよび図１Ｂに示す実施形態の第１の変形例に係る防音車輪の溝周辺部分を示す断面図である。図３には、防音車輪の中心軸を含む断面を示す。図３において、図１Ｂに示す構成要素に対応する構成要素には、図１Ｂと同じ参照符号を付して説明を省略する。

この変形例では、溝８の底に密接し、第２弾性体部１１Ｂと溝８の底との間を埋めるように、スペーサ部材１６が設けられている。したがって、第２弾性体部１１Ｂは溝８の底から離間しているが、第２弾性体部１１Ｂと溝８の底との間には、隙間（空隙）は存在しない。スペーサ部材１６は、剛性が高い材料、たとえば、鋼などの金属からなる。

スペーサ部材１６は、固定リング１０のように、防音装置の全周に渡って連続したリング状の部材であってもよく、防音装置の周方向に互いに離間した複数の部材を含むものであってもよい。いずれの場合でも、図１Ａおよび図１Ｂに示す実施形態と同様に、上記（２）式にしたがって、動的吸振器が所望の共振周波数を有するように設計することができる。

図４は、図１Ａおよび図１Ｂの防音車輪に採用することができる防音装置の他の例を示す平面図である。図４において、図２に示す構成要素に対応する構成要素には、図２と同じ参照符号を付して説明を省略する。

この防音装置３Ｂは、全周に渡って連続したリング状のスペーサ部材１６を備えている。スペーサ部材１６は、第２弾性体片１３Ｂに固着されていてもよい。また、スペーサ部材１６は、第２弾性体片１３Ｂに固着されていなくてもよく、この場合は、付加質量片１４とスペーサ部材１６とにより、第２弾性体片１３Ｂが十分に押圧されている必要がある。いずれの場合でも、防音装置３Ｂは、防音装置３Ｂが備えられた鉄道車両の走行中に付加質量片１４が振動しても、第２弾性体片１３Ｂとスペーサ部材１６との間に隙間が生じないように構成されている。これにより、各動的吸振器１５の共振周波数は、設計通りの値に維持される。

本発明の防音車輪では、動的吸振器１５の個数は限定されない。たとえば、図２に示すように、１２個の動的吸振器１５が備えられていてもよく、図４に示すように、２４個の動的吸振器１５が備えられていてもよい。図４の防音装置３Ｂの場合、図２の防音装置３に比して、動的吸振器１５の数が増えるため、動的吸振器１５の共振周波数であって車輪２の固有振動に対応するものの数を増やすことができる。さらに、一部の動的吸振器１５の第１または第２弾性体片１３Ａ、１３Ｂが劣化し、動的吸振器１５としての性能が劣化した場合でも、他の動的吸振器１５により振動を低減できるため、車輪２の制振（振動起因の騒音低減）性能の劣化を抑制することが可能である。このような効果は、動的吸振器１５の数が多くなるほど得られやすい。

一方、動的吸振器１５の数が増えると、付加質量片１４、ならびに第１および第２弾性体片１３Ａ、１３Ｂについて、車輪２の周方向の長さが短くなる。このため、第１および第２弾性体片１３Ａ、１３Ｂの劣化により付加質量片１４が固定リング１０（およびスペーサ部材１６）から分離しやすくなる場合がある。動的吸振器１５の数を少なくし、付加質量片１４、ならびに第１および第２弾性体片１３Ａ、１３Ｂについて、車輪２の周方向の長さを長くすることにより、このような分離を生じ難くすることができる。ただし、付加質量片１４は、固定リング１０（およびスペーサ部材１６）から分離しても、固定リング１０により密閉された溝８内に留まるため、落失する可能性は非常に低い。

図５は、図１Ａ〜図２に示す実施形態の第２の変形例に係る防音車輪の溝周辺を示す断面図である。図５には、防音車輪の中心軸に垂直な断面を示す。図５において、図３および図４に示す構成要素に対応する構成要素には、図３および図４と同じ参照符号を付して説明を省略する。

この防音装置では、スペーサ部材は、防音装置の周方向に互いに離間し互いに厚さの異なるスペーサ部材１６Ａおよびスペーサ部材１６Ｂを含む。この防音装置は、動的吸振器１５Ｘと、動的吸振器１５Ｙとを含む。動的吸振器１５Ｘは、第１弾性体片１３Ａ１、付加質量片１４、および第２弾性体片１３Ｂ１を備えている。動的吸振器１５Ｙは、第１弾性体片１３Ａ２、付加質量片１４、および第２弾性体片１３Ｂ２を備えている。

動的吸振器１５Ｘの付加質量片１４の厚さと、動的吸振器１５Ｙの付加質量片１４の厚さとは、ほぼ同じである。一方、動的吸振器１５Ｙの第１弾性体片１３Ａ２は、動的吸振器１５Ｘの第１弾性体片１３Ａ１より厚く、動的吸振器１５Ｙの第２弾性体片１３Ｂ２は、動的吸振器１５Ｘの第２弾性体片１３Ｂ１より厚い。このように、第１および第２弾性体片１３Ａ１、１３Ａ２、１３Ｂ１、１３Ｂ２の厚さを異ならせることにより、これらの弾性体片の各々のばね定数を異ならせて、動的吸振器１５Ｘと、動的吸振器１５Ｙとを、互いに異なる所望の共振周波数を有するように構成することができる。

この場合、図５に示すように、動的吸振器１５Ｙのスペーサ部材１６Ｂを、動的吸振器１５Ｘのスペーサ部材１６Ａより薄くして、第１弾性体片１３Ａ１、付加質量片１４、第２弾性体片１３Ｂ１、およびスペーサ部材１６Ａの合計厚さを、第１弾性体片１３Ａ２、付加質量片１４、第２弾性体片１３Ｂ２、およびスペーサ部材１６Ｂの合計厚さとほぼ等しくすることができる。したがって、この構成によれば、適切な厚さのスペーサ部材１６Ａ、１６Ｂを採用することにより、第１および第２弾性体片１３Ａ１、１３Ｂ１の合計厚さが、第１および第２弾性体片１３Ａ２、１３Ｂ２の合計厚さと異なる場合でも、第２弾性体片１３Ｂ１、１３Ｂ２と溝８の底との間に、隙間が生じないようにすることができる。

図６は、図１Ａ〜図２に示す実施形態の第３の変形例に係る防音車輪の断面図である。図６には、車輪の中心軸を含む断面を示す。図６において、図１Ｂに示す構成要素に対応する構成要素には、図１Ｂと同じ参照符号を付して説明を省略する。

この防音車輪では、車輪のリム部５に、車輪の中心軸方向に開放した溝８Ａが形成されている。溝８Ａには、防音装置３に備えられた固定リング１０が嵌められている。これにより、溝８Ａには、密閉された空間が形成されている。溝８Ａ内のこの密閉された空間には、第１および第２弾性体部１１Ａ、１１Ｂ、ならびに付加質量部１２が配置されている。

固定リング１０は、防音装置３の周方向および径方向に関して、ほぼ一定の幅を有する。溝８Ａは、第１部分８Ａ１と、第１部分８Ａ１より溝８Ａの底側に形成された第２部分８Ａ２とを有する。第１部分８Ａ１は、固定リング１０の幅とほぼ同じ幅を有する。第２部分８Ａ２は、固定リング１０の幅より狭い幅を有する。この実施形態では、第１および第２部分８Ａ１、８Ａ２の幅は、それぞれ、防音装置３の径方向に関してほぼ一定であり、溝８Ａの内側壁において第１部分８Ａ１と第２部分８Ａ２との間には、段差８Ｓが形成されている。

固定リング１０は、段差８Ｓに接した状態で、リム部５に固定されている。第２部分８Ａ２が固定リング１０の幅より狭い幅を有することにより、固定リング１０は、段差８Ｓに接した状態から、溝８Ａの底面に、より近づくように移動することはできない。したがって、この状態では、固定リング１０と溝８Ａの底面との間隔は、一定に保たれる。この間隔は、車輪の振動が付加質量部１２に伝えられたときに、付加質量部１２が振動可能であるとともに、第２弾性体部１１Ｂと溝８Ａの底との間に隙間が生じないように設定されている。これにより、動的吸振器を構成する第１および第２弾性体部１１Ａ、１１Ｂならびに付加質量部１２が所定の共振周波数で振動することが可能となる。

図７Ａは、図１Ａ〜図２に示す実施形態の第４の変形例に係る防音車輪の断面図である。図７Ａには、車輪の中心軸に垂直な断面を示す。図７Ａにおいて、図１Ａ〜図２に示す構成要素に対応する構成要素には、図２と同じ参照符号を付して説明を省略する。

周方向に隣接する動的吸振器１５同士の間には、固定リング１０の外周面から突出した突起１８Ａが設けられている。突起１８Ａは、固定リング１０に対して固定されているとともに、周方向に隣接する付加質量片１４同士の間まで延びている。

動的吸振器１５が振動しても、動的吸振器１５が突起１８Ａに接触しないように、動的吸振器１５と突起１８Ａとは、十分に間隔があけられている。したがって、動的吸振器１５と突起１８Ａとの接触により動的吸振器１５の機能が損なわれることはない。

突起１８Ａが設けられていない場合、第１および第２弾性体片１３Ａ、１３Ｂが破断すると、付加質量片１４が溝８内で動くことにより異音が生じ、また、車輪の回転時の動バランスが乱れるという問題が生じ得る。図７Ａの実施形態では、突起１８Ａが設けられていることにより、付加質量片１４の車輪周方向への移動が規制されるので、このような問題を生じ難くすることができる。

突起１８Ａは、固定リング１０と一体であってもよく、別体であってもよい。突起１８Ａが固定リング１０と別体である場合、突起１８Ａは、たとえば、第１弾性体片１３Ａと同じ材料からなるものであってもよい。この場合、第１弾性体片１３Ａと、突起１８Ａとを、一括して形成することができる。具体的には、固定リング１０の外周面上に、全周に渡って、第１弾性体片１３Ａ、および突起１８Ａに対応する凹部が形成された型を配置し、この凹部に、第１弾性体片１３Ａ、および突起１８Ａの原料となる液状の前駆体を流し込んだ後、この前駆体を硬化させることにより、第１弾性体片１３Ａ、および突起１８Ａを一括して形成することができる。

この製造方法において、固定リング１０の外周面と、型との間に、液状の前駆体が侵入し、そのまま硬化することがある。この場合、第１弾性体片１３Ａと、突起１８Ａとは、互いに完全には分離せず、薄い弾性体の膜でつながって形成される。しかし、この場合でも、各動的吸振器１５は、実質的に、設計通りの共振周波数を有するとともに、互いに独立して振動する。すなわち、複数の第１弾性体片１３Ａは、これらが固定リング１０の周方向に互いに離間している場合と、実質的に同じ挙動を示す。したがって、各動的吸振器１５は、所定の周波数の振動を吸収することができる。

図７Ｂは、図７Ａに示す実施形態の変形例に係る防音車輪の断面図である。図７Ｂには、車輪の中心軸に垂直な断面を示す。図７Ｂにおいて、図７Ａに示す構成要素に対応する構成要素には、図７Ａと同じ参照符号を付して説明を省略する。

周方向に隣接する動的吸振器１５同士の間には、固定リング１０の外周面から突出した突起１８Ｂが設けられている。突起１８Ｂは、固定リング１０に対して固定されているとともに、周方向に隣接する付加質量片１４同士の間を通って延びている。突起１８Ｂの先端（固定リング１０の外周面から最も遠い部分）は、溝８の底面に接している。突起１８Ｂが設けられていることにより、図７Ａに示す実施形態と同様に、第１および第２弾性体片１３Ａ、１３Ｂが破断した場合における付加質量片１４の車輪周方向への移動を規制して、異音の発生を抑制し、車輪の回転時の動バランスを保ちやすくすることができる。

突起１８Ｂは、固定リング１０と一体であってもよく、別体であってもよい。また、この防音車輪は、リング状のスペーサ部材１６（図４参照）をさらに備えていてもよく、この場合は、突起１８Ｂは、スペーサ部材１６と一体であってもよく、別体であってもよい。いずれの場合も、突起１８Ｂは、剛性が高い材料からなる。これにより、固定リング１０と溝８の底面との間隔は、一定に保たれる。この間隔は、車輪の振動が付加質量部１２に伝えられたときに、付加質量片１４が振動可能であるとともに、第２弾性体片１３Ｂが溝８の底に固着されていない場合でも、付加質量片１４の振動によって付加質量片１４と溝８の底面との間に隙間が生じることがないように設定されている。これにより、動的吸振器１５は、所定の共振周波数で振動することが可能となっている。

本発明の実施例である防音車輪、および本発明の構成要件の一部を欠く比較例である車輪について、車両転動音試験器を用いた試験をして、発生する騒音について調査した。

実施例１〜４として、図２に示す構造を有する防音装置３を備え、各動的吸振器１５Ａ〜１５Ｌを、共振周波数が異なる３種類のタイプ（TYPE-i〜TYPE-iii）のもののいずれかとした防音車輪１を作製した。この防音車輪１の車輪２の主たる固有振動モードに対応する固有振動数は、２．０ｋＨｚ、２．５ｋＨｚ、および３．０ｋＨｚである。

表１に、各タイプの動的吸振器１５の共振周波数を示す。表２に、実施例の防音車輪、および比較例の車輪の動的吸振器の内容を示す。

いずれの実施例においても、TYPE-iの動的吸振器１５、TYPE-iiの動的吸振器１５、およびTYPE-iiiの動的吸振器１５を、それぞれ４つずつ用いたが、実施例１〜４の間で、３種類のタイプの動的吸振器１５の位置関係を、互いに異ならせた。

比較例として、防音装置を有さない通常の車輪（比較例１）、動的吸振器１５Ａ〜１５ＬのいずれもTYPE-iとしたもの（比較例２）、動的吸振器１５Ａ〜１５ＬのいずれもTYPE-iiとしたもの（比較例３）、動的吸振器１５Ａ〜１５ＬのいずれもTYPE-iiiとしたもの（比較例４）、および、防音装置３に代えて、特許文献２で採用されている防音リングを車輪２に装着したもの（比較例５）を用意した。

図８は、試験に用いた車輪転動音試験機の構成を示す概略図である。

この車輪転動音試験機２１は、軸受２３と、油圧ジャッキ２４と、軌条輪２５と、軸受２６と、モータ２７と、精密騒音計２８と、周波数分析器２９とを備えている。軸受２３は、試験対象の車輪２（防音車輪１）に取り付けられた車軸２２を回転が自在なように支持する。油圧ジャッキ２４は、軸受２３に取り付けられており、軸受２３を下方に押しつける。軌条輪２５は、車軸２２を介して軸受２３に支持された車輪２の外周部に当接して、車輪２を回転させる。軸受２６は、軌条輪２５に取り付けられた車軸２２を支持する。モータ２７は、軸受２６に支持された車軸２２を回転駆動する。精密騒音計２８は、車輪２から発生する騒音を測定し、騒音に対応する電気信号を発生する。周波数分析器２９には、精密騒音計２８からの電気信号が入力される。周波数分析器２９は、当該電気信号の周波数分析をする。

試験を行う際は、車輪２に取り付けられた車軸２２と、軌条輪２５に取り付けられた車軸２２とは、平行にされ、油圧ジャッキ２４の駆動により、車軸２２を介して軸受２３に支持された車輪２の外周面が、車軸２２を介して軸受２６に支持された軌条輪２５の外周面に押しつけられ、この状態で、モータ２７により軌条輪２５が回転される。これにより、車輪２が回転される。

車輪２から３００ｍｍ離した位置に、精密騒音計２８を配置し、この車輪転動音試験機２１で、実施例の防音車輪１、および比較例の車輪を回転させて、発生する騒音を、精密騒音計２８で測定した。騒音測定時の軌条輪２５の周速を、そのときの車輪２の回転速度とした。軌条輪２５の周速は、モータ２７の回転数と、軌条輪２５の直径（この車輪転動音試験機２１では、９１０ｍｍ）とから求めた。たとえば、モータ２７の回転数が、１７５０ｒｐｍのとき、軌条輪２５の周速は、３００ｋｍ／ｈであった。

騒音の測定は、精密騒音計２８をFLAT特性（聴覚補正を加えない状態）とし、動特性をFASTとして行った。精密騒音計２８による測定後、周波数分析器２９により、入力された信号に基づき、騒音の周波数分析を行った。

図９は、騒音を分析する際に用いられる騒音の補正レベルを示す図である。測定された騒音について、図９のＡ特性による補正を加えた後、１／３オクターブバンド処理をし、周波数特性、およびオーバーオール(OverAll)値を求めた。結果を、図１０〜図１３に示す。

図１０は、実施例１〜４、および比較例１について、１／３オクターブバンド中心周波数と、騒音レベルとの関係を示す図である。図１１は、比較例１〜５について、１／３オクターブバンド中心周波数と、騒音レベルとの関係を示す図である。図１０および図１１に示す結果は、車輪２の回転速度（軌条輪２５の周速）が２００ｋｍ／ｈのときのものである。図１０および図１１の右端付近に、オーバーオール値（O.A.）を示している。

図１０から、実施例１〜４のいずれの防音車輪１も、２．０ｋＨｚ、２．５ｋＨｚ、および３．０ｋＨｚ付近の騒音を、比較例１、すなわち、防音装置を有さない場合に比して、大幅に低減できていることがわかる。実施例１〜４の間では、大きな違いは見られない。すなわち、実施例１〜４で採用されたTYPE-i〜TYPE-iiiの動的吸振器１５の配置による騒音低減効果の差は、ほとんどない。

これに対して、図１１から明らかなように、比較例２〜４の車輪では、動的吸振器１５の共振周波数のうち１水準の周波数付近の騒音しか低減できておらず、これ以外の周波数の騒音は低減できていない。比較例５の車輪は、少なくともオーバーオール値では、実施例１〜４の防音車輪１に比して、騒音低減効果が少ない。

図１２は、実施例１〜４、および比較例１について、軌条輪２５の周速と、騒音レベルとの関係を示す図である。図１３は、比較例１〜５について、軌条輪２５の周速と、騒音レベルとの関係を示す図である。図１２および図１３において、騒音レベルは、オーバーオール値である。

図１２に示すように、実施例１〜４の防音車輪１では、比較例１の車輪、すなわち、防音装置を有さない車輪に比して、いずれも、騒音レベルの低減が達成されている。騒音の低減量は、軌条輪２５の周速が１３０ｋｍ／ｈ以下の低速域では、５ｄＢ（Ａ）以上であり、１４０ｋｍ／ｈ以上の高速域では、３ｄＢ（Ａ）以上である。

一方、図１３に示すように、比較例２〜５の車輪では、比較例１の車輪に比して、騒音の低減効果がほとんど認められない。

１：防音車輪、 ２：車輪、 ３、３Ａ、３Ｂ：防音装置、 ５：リム部、
６：内周面、 ８、８Ａ：溝、 １０：固定リング、 １０ａ：外周面、
１１Ａ：第１弾性体部、 １１Ｂ：第２弾性体部、 １２：付加質量部、
１３Ａ：第１弾性体片、 １３Ｂ：第２弾性体片、 １４：付加質量片、
１５、１５Ａ〜１５Ｌ、１５Ｘ、１５Ｙ：動的吸振器、 １８Ａ、１８Ｂ：突起

Claims (4)

1. 車輪のリム部の内周面に防音装置を装着した鉄道車両用防音車輪において、
   前記防音装置は、
   前記リム部の前記内周面に周方向に沿って形成された溝に少なくとも外周部が嵌め込まれた固定リングであって、前記リム部に固定された固定リングと、
   前記固定リングの外周面に固着され、前記溝内に配置された第１弾性体部と、
   前記第１弾性体部の前記固定リングとは反対側に固着され、前記溝内に配置された付加質量部と、
   前記付加質量部の前記第１弾性体部とは反対側に固着され、前記溝内で前記溝の底との間に隙間を形成しないように設けられた第２弾性体部とを備え、
   前記第１弾性体部は、前記固定リングの周方向に互いに離隔した複数の第１弾性体片を含み、
   前記第２弾性体部は、前記固定リングの周方向に互いに離隔した複数の第２弾性体片を含み、
   前記付加質量部は、前記固定リングの周方向に互いに離隔した複数の付加質量片を含み、各付加質量片は、前記複数の第１弾性体片のいずれか、および前記複数の第２弾性体片のいずれかに固着されており、
   前記車輪が、複数の固有振動モードに対応する複数の固有振動数を有し、
   前記防音装置は、複数の動的吸振器であって、各動的吸振器が、前記付加質量片、および当該付加質量片に固着された前記第１および第２弾性体片を有する複数の動的吸振器を含み、
   前記複数の動的吸振器のうち、少なくとも１つの動的吸振器は、他の動的吸振器の共振周波数とは異なる共振周波数を有し、前記複数の動的吸振器のいずれの共振周波数も、前記複数の固有振動数のいずれかに一致し、
   前記固定リングは、接合部を有し、前記接合部は、前記固定リングの周方向に関して、前記固定リングにおいて前記接合部に対して一方側の部分と他方側の部分とを接合しており、
   前記第１および第２弾性体部ならびに前記付加質量部の幅は、前記固定リングの幅より狭く、前記第１および第２弾性体部ならびに前記付加質量部は、前記溝の内側壁から離間している、防音車輪。
2. 請求項１に記載の防音車輪であって、
   前記第２弾性体部と前記溝の底との間に、スペーサ部材が設けられている、防音車輪。
3. 請求項１または２に記載の防音車輪であって、
   隣接する前記動的吸振器同士の間に介在し、前記固定リングの外周面から突出する突起をさらに備えた、防音車輪。
4. 請求項３に記載の防音車輪であって、
   前記突起の先端が、前記溝の底に接している、防音車輪。

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