JP7103826B2 - 防振材の構造及び防振床構造を有する鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の床下に用いられる防振材の構造に関し、床下に防振ゴムを配置して防振構造とすることで乗り心地の改善を実現するものである。

鉄道車両の走行中に床下からの振動が、乗客によっては不快感に繋がる可能性があり、防振ゴムなどが利用されるケースがある。この防振ゴムによって振動を減衰し、乗客への振動の伝達を防ぐことが期待されている。

特許文献１には、鉄道車両に関する技術が開示されている。横梁の上部の枕木方向に複数に分割され間隔を持って配置される中実の防振ゴムで床板を多点で支持する構成とする。これにより、波形鋼板及び防振ゴムを車体長手方向に連続配置することが不要となるため、重量の低減が図れる。

特許文献２には、防振浮き床構造に関する技術が開示されている。座席を搭載した座席用床板を防振装置で梁から浮かせて支持する。梁からの振動は、梁と座席用床板との間に金属スプリングを備えた防振装置を配置することで、梁から座席用床板への伝達が阻害される。また、防振装置は座席用床板が振動した際に、軸部材と外筒とが軸方向に相対変位し、摺動部材が軸部材の外周面に摺動して減衰力を発生すると共に、軸部材及び外筒の内側に形成した主流体室の空気が摺動部材と軸部材との間の隙間を介して外部と行き来することにより発生する減衰力により、座席用床板の振動を効果的に減衰させることができる。この結果、乗り心地が改善される。

特開平８－１９２７４１号公報 特開２００８―１８９２１号公報

しかしながら、近年、特に高速鉄道などでは乗り心地の改善や静粛性の向上などによって、これまで問題とされなかった振動に対しても考慮する必要が出てきている。例えば、鉄道車両の下部に艤装されるコンプレッサーなどの機器から低周波数振動が伝達され、その振動を乗客が不快に感じるケースも報告されている。しかし、特許文献１や特許文献２に示されるようなゴムや金属スプリングを備える減衰機構では、そうした低周波数振動から生じる問題を解決できない虞がある。これは、低周波数振動に対してはバネ定数を低く設定する必要がある一方、バネ定数を低くすると歩行感を悪化させてしまうという問題が考えられる為である。

特に、振動絶縁性を高くする目的で床板を両端で側構体によって支え、中央部分は振動絶縁部材で支えるような構造を採用する場合には床板がたわむような問題が生じることも想定される。例えば、乗客が通路を移動する際には、歩行荷重が衝撃的に発生することがあり、この影響によって、座席に着いている乗客がたわみを体感して不快に感じるケースがある。こうした問題に対して、特許文献１に記載される中実のゴムを用いた防振材を採用して床板を支持することで、乗客の歩行により発生するたわみを減衰させることは可能だが、たわみを防止するのに必要な硬度の中実のゴムでは低周波数振動を低減させることは難しい。

一方で、特許文献２に示されるような金属バネを用いた防振材を用いると、機器振動などが中心となり発生する低周波数振動に対応することができるが、前述した乗客の歩行時に発生するようなたわみを吸収することが難しくなると考えられる。人によってはこうした低周波数振動や歩行によるたわみが気になり、結果的に鉄道車両の乗り心地が悪いというような印象になってしまうことも考えられる。このため、こうした両方の問題に対応することが求められていた。

そこで、本発明はこのような課題を解決する為に、床板のたわみと低周波振動に対する絶縁の両機能を備えた防振構造、及びその防振構造を備えた鉄道車両を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の一態様による防振材の構造は、以下のような特徴を有する。

（１）鉄道車両の床板を支持する防振材の構造において、バネ定数が低く設定されたコイルばねと、バネ定数が相対的に高く設定されたゴム部材を有し、前記コイルばねと前記ゴム部材が並列に組み込まれていること、を特徴とする。

上記（１）に記載の態様によって、従来よりも高い振動絶縁性能を提供できるので鉄道車両の乗り心地の向上を実現することが可能となる。鉄道車両の下部には原動機や空調装置などが艤装されており、ここから生じる機械振動などが低周波振動として車体に伝わり、この低周波振動が乗客にとって不快な振動となる。一方で、乗客が車内で移動する際に生じる歩行たわみも不快な振動となる。しかし、これらの振動は周波数帯が異なる為、両方を同じ振動絶縁構造で対応することは困難である。そこで、防振材として用いられるコイルばねやゴム部材が作用する事で低周波の振動をカットし、ゴム部材によって歩行たわみをカットすることで、鉄道車両の乗り心地の向上を実現できる。

（２）（１）に記載の防振材の構造において、前記ゴム部材の中央に穴部が設けられ、該穴部に前記コイルばねが配置され、前記床板に負荷がかけられた状況で、前記コイルばね及び前記ゴム部材が作用して２段階にバネ定数が変化すること、が好ましい。

上記（２）に記載の態様によって、ゴム部材が中央に空けられた穴にコイルばねを備える構成となっていることで、ゴム部材とコイルばねをユニット化して運用できる。そして、２段階にバネ定数が変化するような構成となっていることで、従来は積極的に低減を狙えなかった周波数帯域に対応して床から伝達される振動低減し、かつ歩行時に発生する床板たわみの抑制にも対応できる。つまり、周波数の異なる低周波振動と歩行たわみの両方に対応できることで、鉄道車両の乗り心地の向上を実現できる。

（３）（１）又は（２）に記載の防振材の構造において、前記ゴム部材は、前記床板の下面に当接する第１台座部と第２台座部とその下に配置される基礎部を有し、前記コイルばねは、前記第１台座部と前記第２台座部で挟まれる位置に配置され、前記コイルばねと前記第１台座部と前記第２台座部の高さが揃えられて、何れもが前記床板が無負荷状態にある際には前記床板の下面に当接していること、が好ましい。

（４）（３）に記載の防振材の構造において、前記ゴム部材のゴム硬度は、前記床板の上を乗客が歩いた際に前記第１台座部及び前記第２台座部が潰れてストッパーとなる程度に設定され、前記コイルばねのバネ定数は、前記鉄道車両に備えられる床下機器から伝わる低周波数振動をカットできるよう設定されていること、が好ましい。

上記（３）または（４）に記載の態様によって、より確実に周波数の異なる低周波振動と、歩行たわみの両方に対応できる。第１台座部と第２台座部はコイルばねと共に低周波振動の減衰に寄与し、ゴム部材がストッパーとして機能することで歩行たわみを抑える事が可能となる。その結果、鉄道車両の乗り心地の向上を実現できる。

また、前記目的を達成するために、本発明の他の態様による防振床構造を有する鉄道車両は、以下のような特徴を有する。

（５）床構体の上に防振材を介して床板が配置される防振床構造を有する鉄道車両において、前記防振材は、バネ定数が低く設定されたコイルばねと、該コイルばねよりバネ定数を高くし、かつコイルばねの共振を抑制するため十分な減衰を有するゴム部材よりなり、前記コイルばねと前記ゴム部材は並列に組み込まれていること、を特徴とする。

（６）（５）に記載の防振床構造を有する鉄道車両において、前記ゴム部材の中央に穴部が設けられ、該穴部に前記コイルばねが配置され、前記床板に負荷がかけられた状況で、前記コイルばね及び前記ゴム部材が作用して２段階にバネ定数が変化すること、が好ましい。

（７）（５）または（６）に記載の防振床構造を有する鉄道車両において、前記防振材が前記床板の枕木方向中央部に配置され、前記床板の枕木方向端部は前記床構体と剛結合されること、が好ましい。

上記（５）乃至（７）のいずれか１つに記載の態様により、（１）又は（２）に記載の防振材の構造を採用した鉄道車両を提供することが可能である。これによって、乗客の感じる不快な振動を低減することができ、鉄道車両の乗り心地を改善することができる。

第１実施形態の、鉄道車両の側面図である。 第１実施形態の、鉄道車両の断面図である。 第１実施形態の、防振材の斜視図である。 第１実施形態の、防振材の側面図である。 第１実施形態の、荷重とたわみの関係を示すグラフである。 第２実施形態の、鉄道車両の断面図である。

まず、本発明の第１の実施形態について、図面を用いて説明を行う。図１に、第１実施形態の、鉄道車両の側面図を示す。鉄道車両１０は、車両構体１００と台車２００よりなり、車両構体１００は床構体１０１、側構体１０２、屋根構体１０３などを有する。図２に、鉄道車両の断面図を示す。なお、図２の左側は図１のＡＡ断面に相当する台車上部の断面図となっている。右側は図２のＢＢ断面に相当する客室中央部分の断面図となっている。台車上部辺りはダブルスキン構造であり、客室中央部分はシングルスキン構造である。床構体１０１には複数の根太１１０が配置され、その上に床板１２０が支持されている。

床構体１０１の上には複数の根太１１０、１１５が配置され、その上に図２に示すように防振材１５０、又はライナー部材１７０が配置されている。床板１２０は、この防振材１５０に支持される形で配置されている。部分的にダクト口１２５が設けられているが、このダクト口１２５は、床板１２０と床構体１０１との間に設けられる。ＲＡダクト１４０に接続されている。ＲＡダクト１４０の隣にはＣＡダクト１３０が配置されている。ＣＡダクト１３０とＲＡダクト１４０は鉄道車両１０の客室内の空調に用いているダクトである。

図３に、防振材の斜視図を示す。図４に、防振材の側面図を示す。防振材１５０は、ソリッドゴムを略長方形状に成形した基礎部１５１と、その上に形成された２つの台座部１５２を備え、ゴム部材１５５を形成している。このゴム部材１５５の中央には穴部１５３が設けられている。穴部１５３にはバネ部材１６０が配置されている。つまり、防振材１５０は、ゴム部材とバネ部材１６０よりなる複合防振材である。なお、この防振材１５０は、中央に穴部１５３を有するゴム部材１５５にバネ部材１６０を挿入するような製造方法、或いはゴム部材１５５とバネ部材１６０をモールド成型にて一体的に形成するような製造方法などが想定される。

こうした防振材１５０は図３に示すように、根太１１０、１１５の上に配置され、床構体１０１の上には図２に示すように４列の根太１１０、１１５が配置されているので、それぞれに防振材１５０も配置されることになる。なお、図２には根太１１０、１１５の本数が４列となっているが、部分的にこれを増やしている箇所もある。具体的にはＣＡダクト１３０とＲＡダクト１４０の間に配置される部分がある。また、一本の根太１１０、１１５の上には複数の防振材１５０が配置されている。なお、図２に示すように、側構体１０２に近い部分の根太１１０、１１５の上部にはライナー部材１７０が配置され床板１２０と剛結合されている。一方、車両構体１００の枕木方向中央よりの根太１１０、１１５の上部には防振材１５０が配置されている。

ゴム部材１５５には、Ｈｓ５０程度のゴム硬度のクロロプレンゴムを用いられている。一方で、バネ部材１６０は、１２０Ｈｚ程度の低周波振動をカットできるようなバネ定数のコイルばねが用いられている。このようなゴム部材１５５とバネ部材１６０が並列に機能するように配置され、ゴム部材１５５がバネ部材１６０の減衰器として、または歩行荷重に対するストッパーとして、バネ部材が柔らかめの振動抑制部材として働く。このゴム部材１５５とバネ部材１６０は図４に示すように床板１２０の下面に当接する上面の高さが揃えられている。ライナー部材１７０は、ゴム部材１５５より硬度の高い部材が用いられている。

第１実施形態の内装用衝撃吸収構造は上記構成であるため、以下に示すような作用及び効果を奏する。

まず、第１実施形態の防振材の構造を鉄道車両１０に用いる事で、従来よりも高い振動絶縁性能を備えた鉄道車両１０を提供することが可能となる。これは、鉄道車両１０の床板１２０を支持する防振材１５０の構造において、防振材１５０は、バネ定数が低く設定されたバネ部材１６０と、バネ定数が相対的に高く設定されたゴム部材１５５を有し、バネ部材１６０とゴム部材１５５は並列に組み込まれていること、を特徴とするからである。

防振材１５０は、図２に示すように、車両構体１００の枕木方向中央部分に近い根太１１０、１１５の上部に配置されている。一方で、車両構体１００の枕木方向端部、即ち側構体１０２に近い側にはライナー部材１７０が配置されている。床板１２０に低周波振動が伝わる場合、端部側が振動の節となり、中央部側が振動の腹となる傾向にある。このため、床板１２０は、側構体１０２に近い場所はライナー部材１７０を用いて剛結合される一方で、車両構体１００の枕木方向中央部分は防振材１５０によって支えられることで、効果的に低周波振動を減衰することができる。

また、ゴム部材１５５の中央に穴部１５３が設けられ、穴部１５３にバネ部材１６０が挿入され、床板１２０に負荷がかけられた状況で、バネ部材１６０及びゴム部材１５５が作用して２段階にバネ定数が変化すること、が好ましい。

図５に、防振材にかかる荷重とたわみの関係のグラフを示す。縦軸に荷重を示し、横軸にたわみ量を示す。なお、説明のためにグラフは簡略化されている。このグラフに示されるように防振材１５０は領域Ｉと領域ＩＩの２つの荷重特性を示す。これはバネ部材１６０とゴム部材１５５とが並列に配置されていることによるものであり、たわみの小さな領域Ｉの部分では、バネ部材１６０とその両脇に配置される台座部１５２が床板１２０の下側から伝達されてきた振動の減衰に機能している。一方、たわみの大きな領域ＩＩの部分では、基礎部１５１がストッパー的役割を果たし、床板１２０のたわみを抑制する。

たわみが大きくなる領域ＩＩは、鉄道車両１０の客室内を乗客が移動する時に生ずる歩行たわみを想定していて、この状態ではしっかりと硬めのソリッドゴムで構成されるゴム部材１５５によって衝撃的な荷重を受け止める。たわみが小さい領域Ｉでは床下機器から伝わってくる１２０Ｈｚ前後の低周波振動をバネ部材１６０がカットする。領域Ｉで作用する時間の方が圧倒的に長いので、絶えず床下機器から伝えられる低周波振動を遮断若しくは減衰させるのにも効果が期待できる。

また、ゴム部材１５５には、床板１２０の下面に当接する第１の台座部１５２と第２の台座部１５２が設けられ、バネ部材１６０はこれらの台座部１５２で挟まれる位置に配置され、バネ部材１６０と台座部１５２の高さが揃えられて、何れもが床板１２０が無負荷状態にある際には床板１２０の下面に当接していること、が好ましい。

また、ゴム部材１５５のゴム硬度は、床板１２０の上を乗客が歩いた際に２つの台座部１５２が潰れる程度に設定され、バネ部材１６０のバネ定数は、鉄道車両１０に備えられる床下機器から伝わる低周波数振動をカットできるよう設定されていること、が好ましい。

ゴム部材１５５に設けられる台座部１５２は、本来はバネ部材１６０が低周波振動を減衰させるためには邪魔な存在となる為、できるだけ床板１２０との接触面積が少ない方が好ましいが、一方で乗客が歩いた際にはしっかりと歩行たわみをカットする必要がある。このため、無負荷の状態ではできるだけ床板１２０の下面と接する面積を少なくする一方で、負荷がかかったときには基礎部１５１全体で荷重を受けられるようなゴム硬度と台座の大きさに設定されていることで、歩行たわみと低周波振動の両方をキッチリと抑える事ができる。この結果、鉄道車両１０の乗り心地を向上させることができる。

次に、本発明の第２の実施形態について、図面を用いて説明を行う。第２実施形態は第１実施形態とほぼ同じ構成だが、防振材１５０とライナー部材１７０の配置などが異なる。図６に、第２実施形態の鉄道車両の断面図を示す。図１のＢＢ断面に相当する。図６に示すように、根太１１５の上部に防振材１５０が配置されている。車両構体１００の下部には床下機器２３０が配置されている。

第２実施形態の鉄道車両１０には、床下機器２３０が車両構体１００中央部より側構体１０２寄りに取り付けられている。このように振動の中心が車両構体１００の枕木方向中央部から側構体１０２の方向にずれると、振動の腹となる部分も枕木方向端部側にずれる。これに対応する為に、側構体１０２側の根太１１５の上部にも防振材１５０を配置する事で、適切に低周波振動を遮断若しくは減衰させることができる。

以上、本発明に係る防振材の構造及び防振床構造を有する鉄道車両に関する説明をしたが、本発明はこれに限定されるわけではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、ダブルスキンの車両構体１００の例を示しているが、それ以外の車両に対しても用いる事を妨げない。また、ゴム部材１５５の硬度やバネ部材１６０のバネ定数に関しても、その目的に合わせて調整することを妨げない。また、材質などを明示している部分があるが、同じ機能を果たす別の部材に変更することを妨げない。

１０ 鉄道車両
１００ 車両構体
１０１ 床構体
１０２ 側構体
１０３ 屋根構体
１１０ 根太
１２０ 床板
１３０ ＣＡダクト
１４０ ＲＡダクト
１５０ 防振材
１５１ 基礎部
１５２ 台座部
１５３ 穴部
１５５ ゴム部材
１６０ バネ部材
２００ 台車

Claims (5)

1. 鉄道車両の床板を支持する防振材の構造において、
   バネ定数が低く設定されたコイルばねと、バネ定数が相対的に高く設定されたゴム部材を有し、前記コイルばねと前記ゴム部材が並列に組み込まれ、
   前記ゴム部材は、前記床板の下面に当接する第１台座部と第２台座部とその下に配置される基礎部を有し、前記コイルばねは、前記第１台座部と前記第２台座部で挟まれる位置に配置され、
   前記コイルばねと前記第１台座部と前記第２台座部の高さが揃えられて、何れもが前記床板が無負荷状態にある際には前記床板の下面に当接していること、
   を特徴とする防振材の構造。
2. 請求項１に記載の防振材の構造において、
   前記ゴム部材の中央に穴部が設けられ、該穴部に前記コイルばねが配置され、
   前記床板に負荷がかけられた状況で、前記コイルばね及び前記ゴム部材が作用して２段階にバネ定数が変化すること、
   を特徴とする防振材の構造。
3. 請求項１又は請求項２に記載の防振材の構造において、
   前記ゴム部材のゴム硬度は、前記床板の上を乗客が歩いた際に前記第１台座部及び前記第２台座部が潰れてストッパーとなる程度に設定され、
   前記コイルばねのバネ定数は、前記鉄道車両に備えられる床下機器から伝わる低周波数振動をカットできるよう設定されていること、
   を特徴とする防振材の構造。
4. 床構体の上に防振材を介して床板が配置される防振床構造を有する鉄道車両において、
   前記防振材は、バネ定数が低く設定されたコイルばねと、該コイルばねよりバネ定数を高くし、かつコイルばねの共振を抑制するため十分な減衰を有するゴム部材よりなり、前記コイルばねと前記ゴム部材は並列に組み込まれ、
   前記ゴム部材は、前記床板の下面に当接する第１台座部と第２台座部とその下に配置される基礎部を有し、前記コイルばねは、前記第１台座部と前記第２台座部で挟まれる位置に配置され、
   前記コイルばねと前記第１台座部と前記第２台座部の高さが揃えられて、何れもが前記床板が無負荷状態にある際には前記床板の下面に当接していること、
   を特徴とする防振床構造を有する鉄道車両。
5. 請求項４に記載の防振床構造を有する鉄道車両において、
   前記ゴム部材の中央に穴部が設けられ、該穴部に前記コイルばねが配置され、
   前記床板に負荷がかけられた状況で、前記コイルばね及び前記ゴム部材が作用して２段階にバネ定数が変化すること、
   を特徴とする防振床構造を有する鉄道車両。

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