JP6748425B2

JP6748425B2 - 鉄道車両の車体

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Publication number: JP6748425B2
Application number: JP2015249665A
Authority: JP
Inventors: 秋山　悟; 悟秋山; 山田　穣二; 穣二山田; 晋一郎畑; 大橋　良和; 良和大橋; 晋也木村
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2020-09-02
Anticipated expiration: 2035-12-22
Also published as: US10843714B2; CN108367758A; CN108367758B; WO2017110748A1; JP2017114207A; US20190001998A1

Description

本発明は、鉄道車両の車体に関する。

高速鉄道車両では、種々の騒音対策を施すことにより、騒音レベルが所定の環境規制値を下回るようにしている。例えば、特許文献１には、車体下の床下機器を下方及び側方から覆う吸音パネルが開示されている。これによれば、線路脇の地上壁面（例えば、防音壁面やトンネル壁面）と車両との間で反射し合う騒音を吸音パネルによって吸収することができる。

特許第４２８６７９９号公報

ところで、近年の鉄道車両では更なる高速化が進んでおり、騒音は車両走行速度の二乗以上に略比例するため、更なる騒音対策が望まれる場合がある。例えば、吸音パネルを車体下の床下機器の周囲だけでなく車体側面にも設ければ、吸音面積を大きく確保することできる。しかし、車体の側構体の側面に吸音パネルを設置してしまうと、車両限界の観点から、吸音パネルの厚み分だけ側構体を車幅方向内側に位置させねばならず、車体の客室空間が狭くなる問題が生じる。また、側構体の外面に吸音パネルを接合する作業が必要になることで、車両組立工数が増大するとともに、車両の部品点数も増大することになる。

そこで本発明は、車体の客室空間を狭小化させず、かつ、部品点数及び車両組立工数の増加を防止しながら、鉄道車両の騒音を良好に吸音できるようにすることを目的とする。

本発明の一態様に係る鉄道車両の車体は、台枠と、側構体と、屋根構体とを備えた鉄道車両の車体において、前記台枠、前記側構体及び前記屋根構体の少なくとも１つは、車外に面する外板部と、前記外板部の内側面に接続されて且つ前記外板部との間で少なくとも１つの内部空間を形成する補強部と、を有し、前記外板部には、前記内部空間に連通する少なくとも１つの吸音孔が形成されている。

前記構成によれば、車体自体に吸音機能が付与されるため、車体の外板部の外面に吸音パネルを設置することなく、車体側での吸音を行うことができる。よって、車体の客室空間を狭小化させずに、かつ、部品点数及び車両組立工数の増加を防止しながら、鉄道車両の騒音を良好に吸音することができる。

本発明によれば、車体の客室空間を狭小化させず、かつ、部品点数及び車両組立工数の増加を防止しながら、鉄道車両の騒音を良好に吸音することができる。

第１実施形態に係る鉄道車両の車両長手方向から見た断面図である。図１に示す側構体の腰板領域のうち上側部分の断面斜視図である。図１に示す側構体の腰板領域のうち下側部分の断面斜視図である。第２実施形態に係る鉄道車両の側構体の腰板領域のうち上側部分の断面斜視図である。実施例１における側構体の単位長さあたりの吸音力を示すグラフである。実施例１及び２における１両あたりの吸音力を示すグラフである。実施例１及び比較例におけるトンネル走行時の車内騒音レベルを示すグラフである。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る鉄道車両１の車両長手方向から見た断面図である。図１に示すように、鉄道車両１は、内部に客室空間Ｐを有する車体２と、車体２を支持する台車３とを備える。車体２は、台枠４と、窓開口５ａが形成され且つ台枠４の車幅方向端部から上方に延びる側構体５と、側構体５の上端部に接続された屋根構体６とを備える。台枠４、側構体５及び屋根構体６の各々は、トラス構造の断面を有するダブルスキン構体であり、軽金属（例えば、アルミニウム合金）を用いて押出成形されてなる。

側構体５は、車外に面する外板部７と、外板部７の内側面に接続されて且つ外板部７との間で複数の内部空間Ｓを形成する補強部１０とを有する。内部空間Ｓの車体長手方向の端部は、図示しない蓋（例えば、妻構体）で閉塞されている。補強部１０は、外板部７から車内側に隙間をあけて配置された内板部８と、外板部７及び内板部８に連結された複数の連結リブ部９とを含む。複数の連結リブ部９は、外板部７及び内板部８とともにトラス状に複数の三角形を形成している。なお、台枠４及び屋根構体６も、側構体５と同様の構造を有する。

車体２の下方には、台枠４に取り付けられた複数の床下機器１１（例えば、インバータや変圧器等）が配置されている。地面１３には、台車３が走行するレール１４が敷設され、地面１３からは防音壁１５が上方に突出している。防音壁１５は、鉄道車両１の側方に配置され、台枠４よりも高く且つ窓開口５ａよりも低い位置まで突出している。

図２は、図１に示す側構体５の腰板領域５ｂのうち上側部分の断面斜視図である。図３は、図１に示す側構体５の腰板領域５ｂのうち下側部分の断面斜視図である。図２及び３に示すように、側構体５のうち台枠４と窓開口５ａとの間の腰板領域５ｂの内部には、外板部７の内面を底辺とする断面三角形状の内部空間Ｓが鉛直方向に並んで複数（本実施形態では１３個）設けられている。即ち、側構体５の下側領域５ｂには、上から順に、第１内部空間Ｓ１、第２内部空間Ｓ２、第３内部空間Ｓ３、第３内部空間Ｓ４、・・・、第１１内部空間Ｓ１１、第１２内部空間Ｓ１２、及び、第１３内部空間Ｓ１３が設けられている。

図２に示すように、外板部７のうち第１内部空間Ｓ１に面する第１領域Ｒ１には、第１内部空間Ｓ１に連通する複数の第１吸音孔Ｈ１が形成されている。外板部７のうち第２内部空間Ｓ２に面する第２領域Ｒ２には、第２内部空間Ｓ２に連通する複数の第２吸音孔Ｈ２が形成されている。外板部７のうち第３内部空間Ｓ３に面する第３領域Ｒ３には、第３内部空間Ｓ３に連通する複数の第３吸音孔Ｈ３が形成されている。外板部７のうち第４内部空間Ｓ４に面する第４領域Ｒ４には、第４内部空間Ｓ４に連通する複数の第４吸音孔Ｈ４が形成されている。

図３に示すように、外板部７のうち第１１内部空間Ｓ１１に面する第１１領域Ｒ１１には、第１１内部空間Ｓ１１に連通する複数の第１１吸音孔Ｈ１１が形成されている。外板部７のうち第１２内部空間Ｓ１２に面する第１２領域Ｒ１２には、第１２内部空間Ｓ１２に連通する複数の第１２吸音孔Ｈ１２が形成されている。外板部７のうち最下の第１３内部空間Ｓ１３に面する第１３領域Ｒ１３には、第１３内部空間Ｓ１３に連通する吸音孔は形成されていない。各吸音孔Ｈ１〜Ｈ１２は、例えば、円孔である。

図２に示すように、第１吸音孔Ｈ１と第２吸音孔Ｈ２とは、孔径及び孔長（孔の軸線方向の長さ）が互いに同じであるが、配置（即ち、孔分布形状）及び開口率が互いに異なっている。具体的には、第１吸音孔Ｈ１の配置は、第１吸音孔Ｈ１が車体長手方向に向けて一列に並んだ態様である。第２吸音孔Ｈ２の配置は、第２吸音孔Ｈ２が車体長手方向に向けて二列に並び、かつ、上列の第２吸音孔Ｈ２と下列の第２吸音孔Ｈ２との車体長手方向位置が互いにずれた態様である。第１吸音孔Ｈ１の開口率は、第２吸音孔Ｈ２の開口率よりも小さい。

第２吸音孔Ｈ２と第３吸音孔Ｈ３とは、孔長、孔ピッチ（即ち、孔間距離）及び配置が互いに同じであるが、孔径が互いに異なっている。具体的には、第３吸音孔Ｈ３の孔径は、第２吸音孔Ｈ２の孔径よりも大きい。第３吸音孔Ｈ３と第４吸音孔Ｈ４とは、孔径、孔長、開口率及び配置が互いに同じである。外板部７の第１領域Ｒ１の開口率は、外板部７の第２領域Ｒ２の開口率よりも小さく、外板部７の第２領域Ｒ２の開口率は、外板部７の第３領域Ｒ３の開口率よりも小さい。本実施形態では、外板部７の各領域Ｒ１〜Ｒ３のうち窓開口５ａに近い領域ほど発生応力が高く、強度低下許容度が小さくなる。よって、外板部７の各領域Ｒ１〜Ｒ３の各開口率は、窓開口５ａに近い領域ほど小さくなるように設定されている。なお、開口率は、外板部の面積あたりの全吸音孔の開口面積の割合を意味する。

図３に示すように、外板部７のうち最下の第１３領域Ｒ１３の開口率は、ゼロである。第１１吸音孔Ｈ１１と第１２吸音孔Ｈ１２とは、孔径、孔長及び孔ピッチが互いに同じであるが、配置（即ち、孔分布形状）が互いに異なっている。具体的には、第１１吸音孔Ｈ１１の配置は、第１１吸音孔Ｈ１１が車体長手方向に向けて二列に並び、かつ、上列の第１１吸音孔Ｈ１１と下列の第１１吸音孔Ｈ１１との車体長手方向位置が互いにずれた態様である。第１２吸音孔Ｈ１２の配置は、第１２吸音孔Ｈ１２が車体長手方向に向けて一列に並んだ態様である。外板部７の第１３領域Ｒ１３の開口率は、外板部７の第１２領域Ｒ１２の開口率よりも小さく、外板部７の第１２領域Ｒ１２の開口率は、外板部７の第１１領域Ｒ１１の開口率よりも小さい。本実施形態では、外板部７の各領域Ｒ１１〜Ｒ１３のうち台枠４に近い領域ほど発生応力が高く、強度低下許容度が小さくなる。よって、外板部７の各領域Ｒ１１〜Ｒ１３の各開口率は、台枠４に近い領域ほど小さくなるように設定されている。

外板部７の第１〜第１２領域Ｒ１〜Ｒ１２には、第１〜第１２内部空間Ｓ１〜Ｓ１２の下端部に連通するドレイン孔Ｄが形成されている。即ち、第１〜第１２内部空間Ｓ１〜Ｓ１２の車両長手方向の端部は図示しない蓋で閉塞されているが、第１〜第１２吸音孔Ｈ１〜Ｈ１２から第１〜第１２内部空間Ｓ１〜Ｓ１２に水が浸入しても、ドレイン孔Ｄから自然と排水される。なお、ドレイン孔Ｄも、吸音孔として機能する。

第１〜第１３内部空間Ｓ１〜Ｓ１３の少なくとも１つには、吸音材Ａが挿入されていてもよい。吸音材Ａには、様々な種類のものが利用可能であるが、例えば、多孔質材等が用いられる。吸音材Ａは、各吸音孔が夫々連通する各内部空間の全てに挿入されてもよいが、各内部空間から選ばれた１以上の内部空間に選択的に挿入されてもよい。例えば、開口率が所定値未満の領域に対応する内部空間には吸音材Ａを挿入せず、開口率が所定値以上の領域に対応する内部空間に吸音材Ａを挿入してもよい。

以上に説明した構成によれば、側構体５自体に吸音機能が付与されるため、側構体５の外面に吸音パネルを貼り付けることなく、車体２側での吸音を行うことができる。よって、車体２の客室空間Ｐを狭小化させずに、かつ、部品点数及び車両組立工数の増加を防止しながら、鉄道車両１の騒音を良好に吸音することができる。即ち、側構体５に孔Ｈ１〜Ｈ１２を形成することで遮音性が損なわれたとしても、車体２の外部の騒音が吸音孔Ｈ１〜Ｈ１２により低減されることで、車体２全体を介して車外から車内に入る騒音総量を抑えることができる。

また、吸音孔Ｈ１〜Ｈ１２は、台枠４よりも上方で且つ窓開口５ａよりも下方に配置されているので、防音壁１５と車体２との間で反射し合う騒音を効果的に吸音できる。また、吸音孔Ｈ１〜Ｈ１２は、孔径、孔長、開口率又は配置の少なくとも１つが互いに異なるものを含むので、騒音の特性に合わせて好適な吸音設計を行うことができる。

また、外板部７の各領域Ｒ１１〜Ｒ１３の各開口率は、台枠４に近い領域ほど小さくなるように設定されており、かつ、外板部７の各領域Ｒ１〜Ｒ３の各開口率は、窓開口５ａに近い領域ほど小さくなるように設定されている。即ち、側構体５には、要求強度が高い部分と要求強度が低い部分との両方が存在することに着目して、外板部７の適所に吸音孔Ｈ１〜Ｈ１２を設けることで、側構体５の強度維持と吸音性能の向上とを両立させることができる。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る鉄道車両の側構体２５の腰板領域２５ｂのうち上側部分の断面斜視図である。図４に示すように、側構体２５のうち台枠と窓開口２５ａとの間の腰板領域２５ｂは、車外に面する外板部２７と、外板部２７に溶接により接合された補強部２８とを有する。外板部２７及び補強部２８は、例えば、ステンレス板により形成されている。補強部２８は、外板部２７の内側面に接続されて且つ外板部２７との間で内部空間Ｔを形成している。補強部２８は、頭部２９と、一対の脚部３０と、一対のフランジ部３１とを有し、車体長手方向に延びた横骨部材である。

頭部２９は、外板部２７から車内側に離間して車体長手方向に延びている。一対の脚部３０は、頭部２９の両端（即ち、上端及び下端）から外板部２７に向けて延びている。一対のフランジ部３１は、一対の脚部３０の外板部２７側の端部から互いに反対方向（即ち、上方及び下方）に延びている。一対のフランジ部３１は、外板部２７に対してレーザー溶接又はスポット溶接により接合されている。即ち、内部空間Ｔは、外板部２７と一対の脚部３０と頭部２９とにより囲まれている。内部空間Ｔの車体長手方向の端部は、図示しない蓋（例えば、妻構体）により閉塞されている。

側構体２５の腰板領域２５ｂには、断面四角形状の複数の内部空間Ｔが鉛直方向に並んで設けられている。即ち、側構体２５の腰板領域２５ｂには、上から順に、第１内部空間Ｔ１、第２内部空間Ｔ２・・・が設けられている。外板部２７のうち第１内部空間Ｔ１に面する第１領域Ｑ１には、第１内部空間Ｔ１に連通する複数の第１吸音孔Ｈ２１が形成されている。外板部７のうち第２内部空間Ｔ２に面する第２領域Ｑ２には、第２内部空間Ｔ２に連通する複数の第２吸音孔Ｈ２２が形成されている。

第１吸音孔Ｈ２１と第２吸音孔Ｈ２２とは、それぞれ車体長手方向に向けて一列に配置されているが、孔径及び孔ピッチが互いに異なっている。具体的には、第１吸音孔Ｈ２１の孔径は、第２吸音孔Ｈ２２の孔径よりも小さく、第１吸音孔Ｈ２１の孔ピッチは、第２吸音孔Ｈ２２の孔ピッチよりも大きい。また、各内部空間Ｔ１，Ｔ２のうち少なくとも１つには、吸音材Ａが挿入されていてもよい。吸音材Ａは、第１実施形態と同様に、各内部空間の全てに挿入されてもよいが、各内部空間から選ばれた１以上の内部空間に選択的に挿入されてもよい。

以上に説明した構成によれば、車体の客室空間を狭小化させずに、かつ、部品点数及び車両組立工数の増加を防止しながら、鉄道車両の騒音を効果的に吸音することができる。また、騒音の特性に合わせて好適な吸音設計を行うことができる。また、側構体２５の強度維持と吸音性能の向上とを両立させることができる。なお、他の構成は前述した第１実施形態と同様であるため説明を省略する。また、第２実施形態では、外板部の吸音孔が連通した内部空間を形成する補強部として、横骨部材を例示したが、縦骨部材を用いてもよい。

（実施例／比較例）
次に、実施例及び比較例について説明する。

表１は、実施例１の側構体の諸元を示す。実施例１の側構体は、第１実施形態と同様にダブルスキン構造であるが、図２及び３に示した例とは諸元が異なる。表１において、「領域」は、側構体５の第１〜第１２領域Ｒ１〜Ｒ１２に相当する。「沿面長」は、各領域の外面に沿った高さ方向の長さである。「空間断面積」は、断面三角形状の内部空間Ｓ１〜Ｓ１２の断面積に相当する。「板厚」は、側構体５の外板部７の肉厚に相当し、孔長と同一である。「孔径」は、外板部７に形成された吸音孔の孔径に相当する。「開口率」は、外板部の面積あたりの全吸音孔の開口面積の割合を意味する。「共鳴周波数」は、数式１で算出される。なお、数式１において、Ｓは空間断面積を意味し、Ｌは沿面長を意味し、Ｒは開口率を意味し、ｔは板厚を意味し、φは孔径を意味する。

図５は、実施例１における側構体の単位長さあたりの吸音力と１／３オクターブバンド中心周波数との関係を示すグラフである。なお、各領域では、吸音孔を車両長手方向に一列に配置した。図５のグラフ中の線Ｌは、第１〜第１３領域の全ての吸音孔による吸音力を合算した値を示している。図５のグラフ中の線Ｌ以外の各線は、個々の領域の吸音孔による吸音力の値を示している。このグラフから分かるように、個々の領域では、吸音孔の開口率や空間断面積等の値が互いに異なることで、個々の領域の吸音力も異なった。そして、個々の領域での吸音力が合わさることで、全体として十分な吸音力が発揮され、かつ、吸音される騒音の周波数帯が拡げられた。

図６は、実施例１及び２における１両あたりの吸音力を示すグラフである。図６のグラフ中の四角プロットされた線（不均一）は、実施例１に相当し、各領域間で孔径及び開口率が互いに異なるものを含めた。図６のグラフ中の三角プロットされた線（均一）は、実施例２であり、各領域ごとに数式１で計算される周波数がほぼ同一となるようにしたものである。このグラフから分かるように、各領域間で孔径及び開口率を互いに異ならせることにより、１両あたりで吸音される騒音の周波数帯が拡げられる一方、各領域間で孔径及び開口率を互いに同一とすることにより、１両あたりの吸音力のピーク値が高められた。

図７は、実施例１及び比較例におけるトンネル走行時の車内騒音レベルを示すグラフである。図７中の比較例は、側構体に吸音孔が存在しない車両で測定されたものである。図７から分かるように、実施例１では、側構体の吸音孔により遮音性が損なわれても、車外の騒音が吸音孔により低減されるので、車外から車内に入る騒音総量が比較例に比べて低減された。

なお、本発明は前述した各実施形態に限定されるものではなく、その構成を変更、追加、又は削除することができる。前記各実施形態は互いに任意に組み合わせてもよく、例えば１つの実施形態中の一部の構成又は方法を他の実施形態に適用してもよい。また、実施形態中の一部の構成は、その実施形態中の他の構成から分離して任意に抽出可能である。また、側構体のうち台枠と窓開口との間の領域に吸音孔を設けたが、側構体のうち窓開口より上側の領域にも吸音孔を設けてもよい。また、側構体に加え又は側構体に代えて、台枠及び／又は屋根構体に吸音孔を設けてもよい。また、側構体の吸音孔が連通する内部空間は、前記各実施形態のものに限られない。例えば、ダブルスキン構造の側構体の内部空間であって断面四角形状の内部空間でもよい。また、吸音孔の形状は、特に限定されず、円形状以外にも、長円形状、楕円形状、四角形状、多角形状等でもよい。

１鉄道車両
２車体
３台車
４台枠
５，２５側構体
５ａ窓開口
５ｂ下側領域
６屋根構体
７，２７外板部
８内板部
９連結リブ部
１０，２８補強部
２５側構体
２５ｂ腰板領域
２９頭部
３０脚部
３１フランジ部
Ｄドレイン孔
Ｈ１〜Ｈ１２第１〜第１２吸音孔
Ｒ１〜Ｒ１３第１〜第１３領域
Ｑ１〜Ｑ１３第１〜第１３領域
Ｓ，Ｔ内部空間
Ｓ１〜Ｓ４，Ｓ１１〜Ｓ１３第１〜第４内部空間，第１１〜第１３内部空間
Ｔ１，Ｔ２第１，第２内部空間

Claims

台枠と、側構体と、屋根構体とを備えた鉄道車両の車体において、
前記台枠、前記側構体及び前記屋根構体の少なくとも１つは、トラス構造の断面を有するダブルスキン構体であり、
前記ダブルスキン構体は、車外に面する外板部と、前記外板部の内側面に接続されて且つ前記外板部との間で少なくとも１つの内部空間を形成する補強部と、を有し、
前記補強部は、前記外板部から車内側に隙間をあけて配置された内板部と、前記外板部及び前記内板部に連結された複数の連結リブ部とを含み、前記複数の連結リブ部は、前記外板部及び前記内板部とともにトラス状に複数の三角形を形成しており、
前記外板部には、前記内部空間に連通する少なくとも１つの吸音孔が形成されている、鉄道車両の車体。
台枠と、側構体と、屋根構体とを備えた鉄道車両の車体において、
前記台枠、前記側構体及び前記屋根構体の少なくとも１つは、車外に面する外板部と、前記外板部の内側面に接続されて且つ前記外板部との間で少なくとも１つの内部空間を形成する補強部と、を有し、
前記外板部には、前記内部空間に連通する少なくとも１つの吸音孔が形成されており、
前記補強部は、頭部と、前記頭部の両端から前記外板部に向けて延びる一対の脚部と、前記一対の脚部から互いに反対方向に延びて前記外板部に接合された一対のフランジ部とを含む、鉄道車両の車体。
前記吸音孔は、前記側構体に形成され、かつ、前記台枠よりも上方で且つ前記側構体の窓開口よりも下方に配置されている、請求項１又は２に記載の鉄道車両の車体。
前記少なくとも１つの吸音孔は、複数の吸音孔である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の鉄道車両の車体。
前記少なくとも１つの内部空間は、第１内部空間及び第２内部空間を含み、
前記少なくとも１つの吸音孔は、前記第１内部空間に連通する少なくとも１つの第１吸音孔と、前記第２内部空間に連通する少なくとも１つの第２吸音孔と、を含み、
前記第１吸音孔と前記第２吸音孔とは、孔径、開口率、孔長又は配置の少なくとも１つが互いに異なっている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の鉄道車両の車体。
前記外板部のうち前記第１内部空間に面する第１領域は、前記外板部のうち前記第２内部空間に面する第２領域よりも発生応力が高く、
前記第１領域の開口率は、前記第２領域の開口率よりも小さい、請求項５に記載の鉄道車両の車体。
前記吸音孔は、前記側構体に形成され、
前記第１内部空間は、前記第２内部空間よりも前記台枠の近くに配置され、
前記外板部のうち前記第１内部空間に面する第１領域の開口率は、前記外板部のうち前記第２内部空間に面する第２領域の開口率よりも小さい、請求項５に記載の鉄道車両の車体。
前記吸音孔は、前記側構体に形成され、
前記第１内部空間は、前記第２内部空間よりも前記側構体の窓開口の近くに配置され、
前記外板部のうち前記第１内部空間に面する第１領域の開口率は、前記外板部のうち前記第２内部空間に面する第２領域の開口率よりも小さい、請求項５に記載の鉄道車両の車体。
前記少なくとも１つの吸音孔は、前記内部空間の下端に連通するドレイン孔を含む、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の鉄道車両の車体。
前記少なくとも１つの内部空間には、吸音材が挿入されている、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の鉄道車両の車体。