JP6862938B2

JP6862938B2 - 鉄道車両用ヨーダンパ装置

Info

Publication number: JP6862938B2
Application number: JP2017044668A
Authority: JP
Inventors: 陽介山崎; 将明水野
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2017-03-09
Filing date: 2017-03-09
Publication date: 2021-04-21
Anticipated expiration: 2037-03-09
Also published as: JP2018144762A

Description

本発明は、鉄道車両に用いられるヨーダンパ装置に関する。特に、本発明は、鉄道車両が軌道の直線区間を高速走行する際に、車体の上下方向の曲げ振動を容易に低減して鉄道車両の乗り心地を向上させることが可能な鉄道車両用ヨーダンパ装置に関する。

従来、鉄道車両には、高速走行時の台車の蛇行動を抑制するためにヨーダンパが用いられる場合がある。ヨーダンパは、車体と台車とを連結するように台車の左右それぞれに取付けられ、軌道不整やレールの継ぎ目などの軌道からの加振によって発生するヨーイング（台車が車体に対して上下軸周りに回転振動する現象）を速やかに減衰させるために用いられている。

鉄道車両によっては、１つのヨーダンパが故障した場合等に備えて、台車の左右それぞれに１対のヨーダンパ（１台の台車に計４つのヨーダンパ）が取り付けられる場合がある。
従来、上記の場合におけるヨーダンパの配置態様として、図２に示すように、１対のヨーダンパ１ａ、１ｂの伸縮方向が水平方向（台車３の前後方向）となるようにして両者を上下方向に並設する態様と、図３に示すように、１対のヨーダンパ１ａ、１ｂの伸縮方向が水平方向（台車３の前後方向）となるようにして両者を台車３の前後方向に並設する態様とが知られている。
いずれの態様についても、ヨーダンパ１ａ、１ｂの減衰力は台車３の前後方向にのみ作用し、高速走行時の台車３の蛇行動が抑制される。

ここで、鉄道車両の乗り心地は、軌道不整やレールの継ぎ目などの軌道からの加振や、車輪の偏心による加振によって、台車を介して発生する車体の上下方向の曲げ振動の影響が大きい。
ヨーダンパは、台車の上下軸周りの回転振動を低減するのみならず、車体の上下方向の曲げ振動を低減する役割をも果たすものの、車体の上下方向の曲げ振動を低減するのに有効な配置態様は明らかになっていない。

鉄道車両の乗り心地を向上させる方法として、特許文献１には、車体の上下方向の曲げ振動を低減するため、台車と輪軸の等価質量、軸箱前後支持剛性および車体と台車間の前後系結合剛性を所定の式に基づいて最適化することを特徴とする鉄道車両用車体の弾性振動低減方法が提案されている（特許文献１の請求項１等）。
具体的には、特許文献１の図２に示す鉄道車両モデルのパラメータのうち、台車の全等価質量と、回転慣性を考慮した輪軸の等価質量とを既知としたとき、軸箱の前後支持剛性、ヨーダンパとその緩衝ゴムや牽引リンクの緩衝ゴム等の車体と台車間の前後系合成結合剛性を調整して、特許文献１の［数１］の右辺に示す値を左辺に示す車体の上下方向の曲げ振動の固有振動数ｆ_０に一致させることで、車体の上下方向の曲げ振動を低減している。
この特許文献１に記載の方法は、ヨーダンパに関わる諸元のみならず、軸箱や牽引リンクの諸元についても適正化を考えなければならないため、パラメータの同定が難しいという問題がある。

特開２００４−２０３１７１号公報

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、鉄道車両が軌道の直線区間を高速走行する際に、車体の上下方向の曲げ振動を容易に低減して鉄道車両の乗り心地を向上させることが可能な鉄道車両用ヨーダンパ装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明者らは、車体と該車体に連結された前後一対の台車とを具備する鉄道車両において、車体と１対の台車のそれぞれとの間にヨーダンパが取り付けられている場合を想定し、この鉄道車両が、軌道不整を有する直線区間を高速走行する際の運動解析を行って鋭意検討を重ねた。具体的には、各台車の左右それぞれに１対のヨーダンパが取り付けられる場合を想定し、１対のヨーダンパの配置態様を変えて、それぞれの配置態様での上記の運動解析を行った。その結果、以下の知見を得た。
（１）１対のヨーダンパを上下方向に並設するよりも、台車の前後方向に並設する方が、車体の上下方向の曲げ振動（具体的には、上下方向の振動加速度）を低減可能である。
（２）１対のヨーダンパを台車の前後方向に並設する場合において、各ヨーダンパの伸縮方向の両端部のうち、車体の端部側に位置する端部を双方共に台車に取り付ける（車体の中央側に位置する端部を双方共に車体に取り付ける）か、或いは、車体の端部側に位置する端部を双方共に車体に取り付ける（車体の中央側に位置する端部を双方共に台車に取り付ける）ことで、車体の上下方向の曲げ振動（具体的には、上下方向の振動加速度）を低減可能である。

本発明は、上記の本発明者らの知見に基づき完成したものである。
すなわち、前記課題を解決するため、本発明は、１つの車体と該１つの車体のみに連結された前後１対の台車とを具備する鉄道車両に用いられるヨーダンパ装置であって、前記１対の各台車の前後方向に並設された１対のヨーダンパを前記各台車の左右それぞれに備え、前記１対のヨーダンパは、それらの伸縮方向の両端部のうち、前記車体の端部側に位置する双方の端部が前記各台車に取り付けられ、前記車体の中央側に位置する双方の端部が前記車体に取り付けられているか、或いは、前記車体の端部側に位置する双方の端部が前記車体に取り付けられ、前記車体の中央側に位置する双方の端部が前記各台車に取り付けられている、ことを特徴とする鉄道車両用ヨーダンパ装置を提供する。

本発明に係るヨーダンパ装置においては、１対のヨーダンパが、それらの伸縮方向の両端部のうち、車体の端部側に位置する双方の端部が台車に取り付けられ（車体の中央側に位置する双方の端部が車体に取り付けられ）ているか、或いは、車体の端部側に位置する双方の端部が車体に取り付けられ（車体の中央側に位置する双方の端部が台車に取り付けられ）ている。これにより、図２、図３を参照して前述したヨーダンパの配置態様に比べて、車体の上下方向の曲げ振動を低減可能である。
本発明に係るヨーダンパ装置によれば、１対のヨーダンパの配置態様を変えるだけで良いため、車体の上下方向の曲げ振動を容易に低減可能であり、鉄道車両の乗り心地を容易に向上させることが可能である。

本発明に係るヨーダンパ装置としては、前記１対のヨーダンパが、前記各台車の前後方向に一直線上に並設される態様を例示できる。

本発明に係るヨーダンパ装置によれば、鉄道車両が軌道の直線区間を高速走行する際に、車体の上下方向の曲げ振動を容易に低減して鉄道車両の乗り心地を容易に向上させることが可能である。

本発明の一実施形態に係る鉄道車両用ヨーダンパ装置の概略構成を説明する説明図である。比較例１の鉄道車両用ヨーダンパ装置の概略構成を説明する説明図である。比較例２の鉄道車両用ヨーダンパ装置の概略構成を説明する説明図である。各ヨーダンパ装置を用いた場合における鉄道車両の乗り心地レベルを比較した結果を示す。

以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。

＜本実施形態に係るヨーダンパ装置の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る鉄道車両用ヨーダンパ装置の概略構成を説明する説明図である。図１（ａ）は一の例を示し、図１（ｂ）は他の例を示す。
図１に示すように、本実施形態に係る鉄道車両用ヨーダンパ装置（以下、適宜、単に「ヨーダンパ装置」という）１００は、車体２と車体２に連結された台車３とを具備する鉄道車両に用いられるものである。図１では、便宜上、１台の台車３のみを図示しているが、実際には、車体２に前後１対の台車３が連結されている。

車体２は、車体本体２１と、車体本体２１の左右それぞれに車体本体２１の床面から垂下された１対のヨーダンパ受け２２ａ、２２ｂとを備えている。図１には、車体本体２１の左右のいずれか一方に取り付けられた１対のヨーダンパ受け２２ａ、２２ｂを図示している。
台車３は、前後１対の輪軸３ａ、３ｂと、台車枠３ｃと、車体２（車体本体２１）と台車枠３ｃとを連結し車体２を支持する空気ばね３ｄとを備えている。台車３が備える上記の構成要素及びその他の構成要素は、周知慣用の台車と同様であるため、その詳細な説明は省略する。

ヨーダンパ装置１００は、各台車３の前後方向に並設された１対のヨーダンパ１ａ、１ｂを各台車３の左右それぞれに備えている。図１には、台車３の左右のいずれか一方に取り付けられた１対のヨーダンパ１ａ、１ｂを図示している。
ヨーダンパ１ａ、１ｂは、内部で粘性流体が流通する際の粘性抵抗により、伸縮する際に抵抗力（減衰力）を付与するものである。一般に、ヨーダンパ１ａ、１ｂの減衰力は、車体２と台車３との速度差にヨーダンパ１ａ、１ｂの減衰係数を乗算して得られる。ヨーダンパ１ａ、１ｂの更に具体的な構成は、公知のヨーダンパと同様であるため、その詳細な説明は省略する。

なお、ヨーダンパ１ａ、１ｂとしては、減衰力可変型のヨーダンパを用いることも可能である。この場合、ヨーダンパ装置１００は、ヨーダンパ１ａ、１ｂに加えて、ヨーダンパ１ａ、１ｂの減衰力を制御する制御手段（図示せず）を備えることになる。具体的には、この制御手段として、車体２に取り付けられたシーケンサ等から構成されるコントローラ（図示せず）と、ヨーダンパ１ａ、１ｂに取り付けられた電磁弁（図示せず）とを具備する構成を例示できる。電磁弁は、コントローラからの制御信号に基づき、ヨーダンパ１ａ、１ｂ内部の粘性流体の流通をオン・オフすることで、ヨーダンパ１ａ、１ｂの減衰力を有効（減衰力が作用する状態）にしたり、無効（実質的に減衰力が作用しない状態）にする機能を果たす。

図１（ａ）に示すように、本実施形態に係るヨーダンパ装置１００が備える１対のヨーダンパ１ａ、１ｂは、それらの伸縮方向（図１の紙面左右方向）の両端部Ｅ１、Ｅ２のうち、車体２の端部側（図１の紙面右側）に位置する双方の端部Ｅ１が台車３（台車枠３ｃ）に取り付けられ、車体２の中央側（図１の紙面左側）に位置する双方の端部Ｅ２が車体２（ヨーダンパ受け２２ａ、２２ｂ）に取り付けられている。すなわち、ヨーダンパ１ａの車体２の端部側に位置する端部Ｅ１、及び、ヨーダンパ１ｂの車体２の端部側に位置する端部Ｅ１の双方が共に台車３に取り付けられており、ヨーダンパ１ａの車体２の中央側に位置する端部Ｅ２、及び、ヨーダンパ１ｂの車体２の中央側に位置する端部Ｅ２の双方が共に車体２に取り付けられている。ヨーダンパ１ａの端部Ｅ２はヨーダンパ受け２２ａに取り付けられ、ヨーダンパ１ｂの端部Ｅ２はヨーダンパ受け２２ｂに取り付けられている。

或いは、図１（ｂ）に示すように、本実施形態に係るヨーダンパ装置１００が備える１対のヨーダンパ１ａ、１ｂは、それらの伸縮方向の両端部Ｅ１、Ｅ２のうち、車体２の端部側に位置する双方の端部Ｅ１が車体２（ヨーダンパ受け２２ａ、２２ｂ）に取り付けられ、車体２の中央側に位置する双方の端部Ｅ２が台車３（台車枠３ｃ）に取り付けられている。すなわち、ヨーダンパ１ａの車体２の端部側に位置する端部Ｅ１、及び、ヨーダンパ１ｂの車体２の端部側に位置する端部Ｅ１の双方が共に車体２に取り付けられており、ヨーダンパ１ａの車体２の中央側に位置する端部Ｅ２、及び、ヨーダンパ１ｂの車体２の中央側に位置する端部Ｅ２の双方が共に台車３に取り付けられている。ヨーダンパ１ａの端部Ｅ１はヨーダンパ受け２２ａに取り付けられ、ヨーダンパ１ｂの端部Ｅ１はヨーダンパ受け２２ｂに取り付けられている。

そして、図１（ａ）及び図１（ｂ）の何れに示す場合も、１対のヨーダンパ１ａ、１ｂは、台車３の前後方向（図１の紙面の左右方向）に一直線上に並設されている。
本実施形態に係るヨーダンパ装置１００が備える１対のヨーダンパ１ａ、１ｂは上記のように配置されているため、車体２の上下方向の曲げ振動を容易に低減可能である。

以下、本実施形態に係るヨーダンパ装置１００の効果をより具体的に説明するため、比較対象とする比較例１、２のヨーダンパ装置について説明する。

＜比較例１のヨーダンパ装置の構成＞
図２は、比較例１の鉄道車両用ヨーダンパ装置の概略構成を説明する説明図である。
図２に示すように、比較例１のヨーダンパ装置は、前述のように１対のヨーダンパ１ａ、１ｂの伸縮方向が水平方向（台車３の前後方向）となるようにして両者が上下方向に並設されている点が本実施形態に係るヨーダンパ装置１００と異なる。比較例１のヨーダンパ装置では、各ヨーダンパ１ａ、１ｂの伸縮方向（図２の紙面左右方向）の両端部Ｅ１、Ｅ２のうち、車体２の端部側（図２の紙面右側）に位置する双方の端部Ｅ１が台車３（台車枠３ｃ）に取り付けられ、車体２の中央側（図２の紙面左側）に位置する双方の端部Ｅ２が車体２（ヨーダンパ受け２２）に取り付けられている。
各ヨーダンパ１ａ、１ｂの減衰係数など、比較例１のヨーダンパ装置における各ヨーダンパ１ａ、１ｂの配置態様以外の点については、本実施形態に係るヨーダンパ装置１００と同様の設定であるため、説明を省略する。

＜比較例２のヨーダンパ装置の構成＞
図３は、比較例２の鉄道車両用ヨーダンパ装置の概略構成を説明する説明図である。
図３に示すように、比較例２のヨーダンパ装置は、前述のように１対のヨーダンパ１ａ、１ｂの伸縮方向が水平方向（台車３の前後方向）となるようにして両者が台車３の前後方向に並設されている（一直線上に並設されている）点で本実施形態に係るヨーダンパ装置１００と同じである。しかしながら、比較例２のヨーダンパ装置では、各ヨーダンパ１ａ、１ｂの両端部の取り付け方が本実施形態に係るヨーダンパ装置１００と異なる。すなわち、比較例２のヨーダンパ装置では、ヨーダンパ１ａの伸縮方向（図３の紙面左右方向）の両端部Ｅ１、Ｅ２のうち、車体２の端部側（図３の紙面右側）に位置する端部Ｅ１が車体２（ヨーダンパ受け２２ａ）に取り付けられ、車体２の中央側（図３の紙面左側）に位置する端部Ｅ２が台車３（台車枠３ｃ）に取り付けられているのに対し、ヨーダンパ１ｂの伸縮方向の両端部Ｅ１、Ｅ２のうち、車体２の端部側に位置する端部Ｅ１が台車３（台車枠３ｃ）に取り付けられ、車体２の中央側に位置する端部Ｅ２が車体２（ヨーダンパ受け２２ｂ）に取り付けられている。
各ヨーダンパ１ａ、１ｂの減衰係数など、比較例２のヨーダンパ装置における各ヨーダンパ１ａ、１ｂの配置態様以外の点については、本実施形態に係るヨーダンパ装置１００と同様の設定であるため、説明を省略する。

＜本実施形態に係るヨーダンパ装置の評価＞
以下、各ヨーダンパ装置を用いた場合における鉄道車両の乗り心地を実際に運動解析によって評価した結果について説明する。運動解析を行う鉄道車両のモデルとしては、いずれのヨーダンパ装置を用いる場合であっても、車体２に前後１対の台車３が連結され、台車３を剛体要素、車体２を弾性体要素としたモデルを用いた。そして、軌道不整を有する直線区間を高速走行する際の運動解析を行った。

図４は、各ヨーダンパ装置を用いた場合における鉄道車両の乗り心地レベルを比較した結果を示す。具体的には、運動解析によって、直線区間を走行中の鉄道車両における車体２の上下方向の振動加速度を算出し、この算出した振動加速度から乗り心地レベルを算出した。なお、運動解析は、汎用機構解析ソフトを利用して実施可能であり、例えば、ダッソー・システムズ（株）製マルチボディダイナミクス解析ツール「SIMPACK」を利用することが可能である。また、乗り心地レベルとしては、特許文献１や「鉄道車両のダイナミクス」（日本機械学会編）に記載の乗り心地レベルＬ_Ｔ（ｄＢ）を用いた。図４には、比較例１のヨーダンパ装置を用いた場合の乗り心地レベルを基準にして正規化した値を示している。図４に示す「実施例１」は、図１（ａ）に示すヨーダンパ装置１００を用いた場合の結果であり、「実施例２」は、図１（ｂ）に示すヨーダンパ装置１００を用いた場合の結果である。
図４に示すように、本実施形態に係るヨーダンパ装置（実施例１、２）によれば、比較例１、２のヨーダンパ装置を用いた場合に比べて、乗り心地レベルが３％程度低減されることが分かった。

１ａ、１ｂ・・・ヨーダンパ
２・・・車体
２１・・・車体本体
２２，２２ａ，２２ｂ・・・ヨーダンパ受け
３・・・台車
３ｃ・・・台車枠
１００・・・ヨーダンパ装置

Claims

１つの車体と該１つの車体のみに連結された前後１対の台車とを具備する鉄道車両に用いられるヨーダンパ装置であって、
前記１対の各台車の前後方向に並設された１対のヨーダンパを前記各台車の左右それぞれに備え、
前記１対のヨーダンパは、それらの伸縮方向の両端部のうち、前記車体の端部側に位置する双方の端部が前記各台車に取り付けられ、前記車体の中央側に位置する双方の端部が前記車体に取り付けられているか、或いは、前記車体の端部側に位置する双方の端部が前記車体に取り付けられ、前記車体の中央側に位置する双方の端部が前記各台車に取り付けられている、
ことを特徴とする鉄道車両用ヨーダンパ装置。
前記１対のヨーダンパは、前記各台車の前後方向に一直線上に並設されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用ヨーダンパ装置。