JP7490308B2 - シリーズハイブリッド方式又は電気式の気動車 - Google Patents

Description

本発明は、シリーズハイブリッド方式又は電気式を採用した気動車に関し、具体的には気動車の動力源より生じる振動が客室内に伝達されることを防ぎ、乗り心地の向上を図る技術に関する。

鉄道車両に用いられる気動車の動力源としては、近年、ディーゼルエンジンとモータの２つの駆動源を利用したハイブリッド方式のものも検討され、一部では採用されている。ハイブリッド方式の気動車を用いた鉄道車両に対するニーズはそれほど高くないものの、ユーザーの事情によっては非電化区間を走らせたいというニーズがある。こうしたハイブリッド方式の駆動源からの振動というのは、通常の電車車両とは異なるものではあるが、ハイブリッド方式の気動車の数が少ない事もあって、十分対策が成されていない現状がある。この問題は、電気式の気動車にも言えることである。

特許文献１には、車両搭載機器の吊り下げ支持具に関する技術が開示されている。車両のフレーム底面に搭載する機器を、搭載台をロの字状に構成した支持枠で吊り下げることで、車両搭載機器の取り付けの容易化を図っている。

特許文献２には、鉄道車両の防振ゴム支持構造に関する技術が開示されている。主変圧器と取付金との間に上側の防振ゴム部材が、取付金とワッシャとの間に下側の防振ゴム部材が設けられ、主変圧器の取付金が上側の防振ゴム部材と下側の防振ゴム部材との間に挟まれた状態にすることで、床下機器からの振動・騒音を低減している。

特許文献３には、気動車に関する技術が開示されている。車体の床下にエンジンを備えた気動車において、防振性を備えていると共に車体でエンジンを支持するために車体とエンジンとの間に設けられた振動吸収部材と、車体及びエンジンから離れて車体とエンジンとの間に設置された遮音部材とを有している事で、エンジンの振動・騒音が気動車の車室内に入ることを抑制している。

特開２００８－１０５４８９号公報 特開２００７－３０８０４２号公報 特開２００６－２７５３５号公報

しかし、特許文献１乃至特許文献３に開示される技術の何れも、ハイブリッド方式又は電気式の気動車に用いる事を前提とした技術ではない。そして、近年は鉄道車両に対してより高い静粛性や乗り心地が求められる傾向にあり、ハイブリッド方式又は電気式を採用した気動車もその例外ではない。出願人は、ハイブリッド方式の気動車のうち、シリーズハイブリッド方式の気動車を提案しているが、シリーズハイブリッド方式の気動車にもより一層高いレベルの振動・騒音の低減や、気動車を用いた鉄道車両の高速化などが求められている。高速化すれば振動・騒音の問題がより顕著になるが、特許文献１乃至特許文献３に開示されるような従来技術では、対応できない可能性が高い。この問題は電気式の気動車及びそれを用いた鉄道車両でも同様な事が言える。このため、シリーズハイブリッド方式及び電気式の気動車を用いた鉄道車両においても乗り心地向上のためにより一層高いレベルの振動・騒音の対策が求められている。

そこで、本発明はこの様な課題を解決し、より高い乗り心地を実現可能なシリーズハイブリッド方式の気動車又は電気式の気動車の提供を目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の一態様によるシリーズハイブリッド方式又は電気式の気動車は、以下のような特徴を有する。

（１）エンジン及び発電機をフレームに取り付けて設けられたシリーズハイブリッド方式又は電気式の気動車において、前記エンジンと前記発電機は連結され、吊り下げ用ブラケットによってその側面を３点で支持され、前記吊り下げ用ブラケットは、一次防振ゴムを介して前記フレームに係合され、前記フレームは、車体の台枠の下部に二次防振ゴムを介して取り付けられ、前記エンジンと前記発電機は、その軸が枕木方向と平行になるように配置されること、を特徴とする。

（２）（１）に記載のシリーズハイブリッド方式又は電気式の気動車において、前記フレームは、前記車体の両側に配置された側梁同士を繋ぐように配置された少なくとも２つの枠梁材を有し、該枠梁材に取り付けられた前記吊り下げ用ブラケットを備えること、が好ましい。

上記（１）及び（２）に記載の態様によって、気動車の課題である振動の低減を実現できる。これは、車体の台枠の下部にフレームが二次防振ゴムを介して取り付けられ、更に吊り下げ用ブラケットが一次防振ゴムを介してエンジン及び発電機を支持しているためである。つまりエンジンや発電機は車両構体に対して２重防振構造となっており、エンジンや発電機などの振動源となる駆動装置から、車両構体に振動が伝達されることを防ぐことができる。その結果、シリーズハイブリッド方式の気動車又は電気式の気動車において乗客の感じる乗り心地を向上させることができる。

そして、エンジンと発電機が車両の進行方向と直交する方向に連結してフレームに配置されることで、より艤装のレイアウトの自由度を高めることができる。シリーズハイブリット方式又は電気式であることで、エンジン及び発電機の軸が車軸と直交するような配置にする必要が無い。このため、車両の重心位置を調整するような配置も可能となる。この結果、より振動の影響の少ない位置に配置することもできるため、より乗客の感じる乗り心地を向上させることができる。

第１実施形態の、気動車の模式図である。 第１実施形態の、発電部分の上面視図である。 第１実施形態の、発電部分の側面図である。図２の矢視ＡＡに相当する。 第１実施形態の、発電部分の側面断面図である。図２の矢視ＢＢに相当する。 第１実施形態の、発電部分の正面断面図である。図２の矢視ＣＣに相当する。 第１実施形態の、発明部分の背面断面図である。図２の矢視ＤＤに相当する。 （ａ）第１実施形態の、気動車の概念図である。（ｂ）第２実施形態の、電気式気動車の概念図である。

（第１実施形態）
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本実施形態の、気動車の模式図を示す。気動車１００は、シリーズハイブリッド方式を採用した気動車であり、車体１０の下部には台車２０が配置され、その台車２０の間に配置されている艤装３０に、発電部分５０が備えられている。なお、艤装３０に備えられる他の機器に関しては、本発明を説明するのに直接関係が無いので、説明を省略する。

図２に、発電部分の上面視図を示す。発電部分５０には、ハイブリッド方式である為、エンジン６０と発電機７０が並べられて配置されている。エンジン６０はディーゼル機関であり、発電機７０と接続されて発電を行う。便宜上、これを発電部分５０と称する。つまり、発電部分５０はエンジン６０と発電機７０が直結されてなる。発電部分５０より得られる電力は、図示しない駆動用モータを回転させて気動車１００を動かしている。なお、後述する蓄電池８５（図７（ａ）参照）には鉄道車両がブレーキをかけた際に発生する回生電力を蓄え、こちらからも駆動用モータへ電力供給が行われることがあるが、ここでは説明を割愛する。

エンジン６０及び発電機７０は互いに連結され、車体１０の下部に設けられる台枠１１に取り付けられる。台枠１１は、側梁１５と横梁１６で構成されている。レール方向に平行に配置され、離間して２本並べられる側梁１５の間に、枠梁材に相当するフレーム１３４が取り付けられる。

図３に、発電部分の側面図を示す。図２の矢視ＡＡを示している。図４に、発電部分の側面断面図を示す。図２の矢視ＢＢを示している。図５に、発電部分の正面断面図を示す。図２の矢視ＣＣを示している。図６に、発動部分の背面断面図を示す。図２の矢視ＤＤを示している。フレーム１３４は、図２に示される様に横枠梁１３５を縦枠梁１３６で接続し略四角形に構成されている。このフレーム１３４が、横梁１６に接合された二次防振ゴム１３７を介して取り付けられている。

なお、フレーム１３４は、図４に示すように横枠梁１３５には角鋼管が用いられているのに対し、図５に示すように縦枠梁１３６は、第１縦枠梁１３６Ａと第２縦枠梁１３６Ｂの２つよりなり、断面形状が異なる。第１縦枠梁１３６Ａは角鋼管を用い、第２縦枠梁１３６ＢはＨ鋼が用いられている。また、縦枠梁１３６である第１縦枠梁１３６Ａ及び第２縦枠梁１３６Ｂのそれぞれの端部には梁端部１３６ａが同様に設けられており、梁端部１３６ａに設けられた穴には、二次防振ゴム１３７が挿入されて備えられている。つまり、フレーム１３４は車体１０に対して二次防振ゴム１３７を介して支持されていることになる。

そして、フレーム１３４は、発電部分５０を支持しているが、具体的には、フレーム１３４を構成する第２縦枠梁１３６Ｂに一次防振ゴム１３８を介して取り付けられた第１ブラケット１４１と、横枠梁１３５に渡されるように取り付けられた第２ブラケット１４４及び支持アーム１４３によって発電部分５０を支持している。このフレーム１３４を用いて、エンジン６０及び発電機７０の軸が図２に示すように枕木方向と平行になるように保持されることになる。

エンジン６０の端部は、第１ブラケット１４１によって保持され、発電機７０の側面を第２ブラケット１４４及び支持アーム１４３によって保持される。エンジン６０と発電機７０は一体化され、このエンジン６０と発電機７０よりなる発電部分５０を、第１ブラケット１４１と支持アーム１４３で２カ所の、合計３点で支持する形となる。

第１ブラケット１４１は、図３に示すように第２縦枠梁１３６Ｂに取り付けられる。具体的には、第２縦枠梁１３６Ｂの中央辺りにハット形状の第１吊り受け１４０が、下方に凸に固定され、この第１吊り受け１４０に固定された一次防振ゴム１３８を介して第１ブラケット１４１の一端が支持されている。第１ブラケット１４１の他端は、前述の通りエンジン６０の側面に固定されている。遮音板１２１は、発電部分５０の外側に配置され、それぞれ縦枠梁１３６に取り付けられている。

第２ブラケット１４４は、第１縦枠梁１３６Ａと第２縦枠梁１３６Ｂの間であって、第１縦枠梁１３６Ａ寄りに、フレーム１３４に固定される。図４に示すように、横枠梁１３５に取り付けられたハット形状の第２吊り受け１４２が、下方に凸に固定され、第２ブラケット１４４は、その第２吊り受け１４２に、一次防振ゴム１３８を介して支えられている。第２ブラケット１４４には、支持アーム１４３の一端が固定されて立ち上がるように設けられている。その、支持アーム１４３の他端は発電機７０の側面と接続されている。つまり、支持アーム１４３によって発電機７０の側面を支持している。一次防振ゴム１３８には、オイルダンパーを内蔵した構造となっており、より高い振動減衰効果が得られる。

こうして車体１０の下部に取り付けられたフレーム１３４には、エンジン６０及び発電機７０よりなる発電部分５０が取り付けられる。エンジン６０と発電機７０は一体化されているので、第１ブラケット１４１で１点と支持アーム１４３で２点の合計３点で、枕木方向と平行に支持される形になっている。そして、車体１０とフレーム１３４の間に二次防振ゴム１３７が、フレーム１３４と第１ブラケット１４１及び第２ブラケット１４４の間には一次防振ゴム１３８が設けられているので、車体１０に対して発電部分５０は二重防振構造で取り付けられる。

第１実施形態のシリーズハイブリッド方式の気動車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実施形態の効果として、振動低減効果が得られる点が挙げられる。これは、第１実施形態のシリーズハイブリッド方式の気動車が、エンジン６０及び発電機７０をフレーム１３４に取り付けて設けられたシリーズハイブリッド方式の気動車において、エンジン６０と発電機７０は連結され、吊り下げ用ブラケットとなる第１ブラケット１４１、第２ブラケット１４４によってその側面を３点で支持され、第１ブラケット１４１、第２ブラケット１４４は、一次防振ゴム１３８を介してフレーム１３４に係合される。また、フレーム１３４は、車体１０の台枠１１の下部に二次防振ゴム１３７を介して取り付けられ、エンジン６０と発電機７０は、その軸が枕木方向と平行になるように配置されるためである。

つまり、第１実施形態の台枠１１に取り付けられるエンジン６０及び発電機７０は、一次防振部材としての一次防振ゴム１３８と、二次防振部材としての二次防振ゴム１３７とによって二重防振構造になっている。このため、エンジン６０から生じる振動や騒音を効果的に減衰し、車体１０の車室側に伝達することを防いでいる。

シリーズハイブリッド方式ではエンジン６０は一番効率の良い回転数で運転し、発電することができるため、振動や騒音による影響は少ないと考えられるが、近年は気動車１００に対してより乗り心地の向上を求められ、同時に高速化も求められるようになってきている。そこで、本発明ではこれまで考慮されてこなかった、１００Ｈｚ近辺の低周波の振動をより効果的に遮断できる二重防振構造を採用し、シリーズハイブリッド方式を採用した鉄道車両の乗り心地の向上に貢献する。

ここで、エンジン６０及び発電機７０よりなる発電部分５０の向きが気動車１００の進行方向に対して直角に配置されている。これは、気動車１００がシリーズハイブリッド方式を採用している、つまり、車軸に対して出力軸が直交する形に、エンジン６０や発電機７０を配置する必要が無いからこそ実現可能であり、その結果、エンジン６０及び発電機７０の中心軸を気動車１００の中心軸と一致させる必要が無い。ここでいう気動車１００の中心軸とは、気動車１００の進行方向と平行にある軸である。

エンジン６０や発電機７０はそれぞれ１ｔ以上ある場合もあって、艤装の取り付けバランスを考えた場合にエンジン６０や発電機７０を車体１０の枕木方向の中心位置から偏芯させて配置させることは好ましくない。しかしながら本実施形態のようにエンジン６０及び発電機７０の向きが気動車１００の進行方向に対して直角に配置することで、発電部分５０の配置に関する自由度を高めることが可能となる。

そして、この事はより発電部分５０の配置を工夫することで、より振動の少なくなるような、つまり、共振点を避ける様な配置をする事が可能となる。二重防振構造によって高いレベルの防振性能を実現しているが、こうした発電部分５０の移動によって更に高いレベルでの防振を行い、気動車１００及びそれを用いた鉄道車両の乗り心地の向上に貢献することができる。

また、シリーズハイブリッド方式である為に、エンジン６０及び発電機７０である発電部分５０は一体的に取り付けられる必要があるが、図示しない蓄電池や駆動用モータなどとは切り離して配置する事が可能となる。すなわち、発電部分５０をフレーム１３４によって車体１０から吊り下げる構造にすることでユニット化し、駆動用モータと離して配置する事も可能なので、艤装の配置の効率化が可能となる。その結果、床下艤装のスペースの縮小化やメンテナンス性の向上に寄与することができる。

また、エンジン６０や発電機７０の取り付け位置の自由度を高めることが可能となることで、床下艤装スペースの縮小化をより一層進める事も可能となる。これはメンテナンス性の向上にも貢献ができ、例えば発電部分５０を車両側面よりに配置する事で更にメンテナンス性の向上が期待できる。メンテナンス性の向上により、より高いレベルの安全性を確保することにも繋がる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図７（ａ）に、第１実施形態のシリーズハイブリッド方式の気動車に関する概念図を示す。図７（ｂ）に、第２実施形態の電気式の気動車に関する概念図を示す。第２実施形態の気動車１０１では、第１実施形態の気動車１００の構成と比較して蓄電池８５を備えていない点で異なる。なお、同じ部品には同じ符号を付して説明している。なお、図７（ａ）は図７（ｂ）の比較に用いる為に例示したもので、第１実施形態の構成を何ら変えるものではない。

第２実施形態の電気式の気動車１０１には、第１実施形態の気動車１００の図２、図５、及び図６に示すようにエンジン６０と発電機７０が直結されて備えられ、発電機７０は主変換装置８０が電気的に接続されている。なお、主変換装置８０は艤装３０の一部に備えられている。気動車１００では主変換装置８０と蓄電池８５が電気的に接続されている一方で、電気式の気動車１０１の主変換装置８０には蓄電池８５が備えられていない。この主変換装置８０では、発電機７０で発電された電力の供給を受けて単相交流から三相交流に変換されて台車２０に備えられたモータ９０に電力を供給して、車輪２５を回転させる。したがって、電気式の気動車１０１では、ハイブリッド方式の気動車１００と同様にエンジン６０を回して発電機７０で電気を作り、車輪２５を動かす点では同じである。異なる点は、一時的に蓄電池８５に電力を蓄えるか否かという点である。

したがって、シリーズハイブリッド方式の気動車１００と電気式の気動車１０１に関して、艤装３０の構造は同じ構造を採用することが可能であり、第１実施形態のシリーズハイブリッド方式の気動車１００と同様に、第２実施形態の電気式の気動車１０１においても、発電部分５０の配置を工夫することで、より振動の少なくなるような、つまり、共振点を避ける様な配置をする事が可能となる。そして、発電部分５０に備えられたエンジン６０や発電機７０から発生する振動や騒音を車体１０に伝達することを抑制し、電気式の気動車１０１の乗り心地の向上に貢献する。また、床下艤装のスペースの縮小化やメンテナンス性の向上に寄与することができる。

以上、本発明に係るシリーズハイブリッド方式及び電気式の気動車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、本実施形態では、具体的なフレーム１３４の構造について例示しているが、発明の趣旨に沿った形でこれを変更することを妨げない。例えば、第１縦枠梁１３６Ａには角形鋼管を用い、第２縦枠梁１３６ＢにはＨ鋼を用いているが、必要に応じて両方ともＨ鋼としたり、角形鋼管としたりしてもよい。

１０ 車体
１１ 台枠
１５ 側梁
１６ 横梁
２０ 台車
３０ 艤装
５０ 発電部分
６０ エンジン
７０ 発電機
１００ 気動車
１３４ フレーム
１３５ 横枠梁
１３６ 縦枠梁
１３７ 二次防振ゴム
１３８ 一次防振ゴム
１４０ 第１吊り受け
１４１ 第１ブラケット
１４２ 第２吊り受け
１４３ 支持アーム
１４４ 第２ブラケット

Claims (2)

1. エンジン及び発電機をフレームに取り付けて設けられたシリーズハイブリッド方式又は電気式の気動車において、
   前記エンジンと前記発電機は連結され、吊り下げ用ブラケットによってその側面を３点で支持され、
   前記吊り下げ用ブラケットは、一次防振ゴムを介して前記フレームに係合され、
   前記フレームは、
   車体の両側に配置された側梁と平行に配置される縦枠梁と、
   該縦枠梁を繋ぐように渡される横枠梁よりなり、略四角形に構成され、
   前記フレームは、前記縦枠梁の両端部に設けられた梁端部が前記車体の台枠の下部に二次防振ゴムを介して取り付けられ、
   前記エンジンと前記発電機は、その軸が枕木方向と平行になるように配置されること、
   を特徴とするシリーズハイブリッド方式又は電気式の気動車。
2. 請求項１に記載のシリーズハイブリッド方式又は電気式の気動車において、
   前記フレームは、
   前記車体の両側に配置された側梁同士を繋ぐように配置された横梁に、前記二次防振ゴムを介して取り付けられる少なくとも２つの前記縦枠梁を有し、
   前記横枠梁に取り付けられた前記吊り下げ用ブラケットを備えること、
   を特徴とするシリーズハイブリッド方式又は電気式の気動車。

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