Virtual Performance Solution 导入事例 公益財団法人 鉄道総合技術研究所
Virtual Performance
Ground Transportation
公益财団法人鉄道総合技术研究所の事例を绍介します。
构造解析統合ソリューション
使用ソフト：Virtual Performance Solution
公益財団法人 鉄道総合技術研究所 動力システム研究室 笹倉実氏に、鉄道の騒音源とその対策について詳しく聞きました。
鉄道総合技术研究所について
公益財団法人 鉄道総合技術研究所は、旧国鉄の鉄道技術研究所などから業務を引き継ぐ形で1987年に発足した研究機関です。その源流は1907年設立の帝国鉄道庁鉄道調査所にまで遡り、以来100年以上にわたり日本の鉄道を進化させるために研究を続けています。職員数527名、事業予算185億円（2017年度）。
鉄道での主な騒音源
― 鉄道騒音は、具体的にはどこから、どんな音が出ているのでしょうか。
鉄道で発生する振動や騒音は、空力的な要因で発生するものや、レールや車輪から発生するものなど様々あります。騒音の発生源は大きくわけて次の表の通りです。近年客車は、ごく一部を除いてなくなり、 動力分散方式である電車がほとんどを占めるようになりました。電車には付随車のほかに、車両の屋根上にパンタグラフ、車両床下の台車部に駆動装置（モーターと歯車装置）を搭載する電動車と呼ばれる車両があります。
表1 主な4つの騒音源
| 项目 | 内容 | |
| (1) | 上部空力騒音 | 车体のまわりを空気が流れることにより生じる音。含むトンネル騒音。 |
| (2) | 集电系騒音 | パンタグラフなど集电装置から生じる音 |
| (3) | 车両下部騒音 | 駆动装置や车轮、制御装置など床下から発する音。 |
| (4) | 构造物騒音 | 鉄桥や高架桥などを走るとき、これらの振动から出る音 |
车両下部騒音とは
― 列車の騒音源その3．「车両下部騒音」とは
「车両下部騒音」は、駆動装置から出る「駆動系騒音」、車輪とレールの凹凸から出る「転動騒音」、制御装置など床下から発生する騒音があります。今回は、駆動系騒音のうち、特に歯車騒音を中心に説明いたします。
&苍产蝉辫;电车の駆动装置と歯车騒音の特徴
― 歯車騒音について詳しくお教えください。
电车の駆动装置の一例を示します（図2）。これは车轴とモーターが平行になるように配置された平行カルダンと呼ばれる方式で、大半の电车がこの方式をとっています。モーターから、たわみ継手を介して车轴侧の歯车装置を駆动する方式です。歯车装置は小歯车と大歯车で构成されており、自动车のような多段の変速机构を必要としないので、构造的にはシンプルです。
モーターから歯車軸に回転トルクを与えると小歯車は回転し、歯を介して,相互にかみ合い,回転しながら, 大歯車側に力が伝達されます。かみ合いの過程では、お互いの歯面は、接触を始め、回転が進むにつれ転がりとともに,むしろ滑る感じで接触点が移動して、再び離れます。このとき歯車にわずかな回転数変動が発生します。これが、歯車系から発生する振動の原因の一つとなります。この変動が図①→⑥の流れに示すように歯車箱へ振動伝搬して、その表面から音が発生するメカニズムが考えられます。
&苍产蝉辫;モーター騒音との関係
― 電車の駆動系にはモーターもありますが、その騒音との関係はどのようになっていますか。
电车用の多くのモーターには回転轴に冷却ファンを取り付けております。速度が速くなるとファン回転数も高くなり、通风に伴う騒音も大きくなります。近年の永久磁石同期モーター等では、高効率化に伴って、発热を减らすことができるようになり、従来のように冷却ファンで冷却风を取り込まずに、表面から放热する方式が可能になりました。モーター内の音が外部に漏れないような全闭构造とすることで、モーター騒音は大幅に低下します（図4）。ところがモーターの騒音を低减させると、これまでその阴に隠れていた歯车装置の音が目立ってくるようになります。そのため、现在では、歯车装置の音と振动の対策が重要になってきています。
走行している电车の歯车振动
歯车からの振动は、歯车騒音の原因になります。図5は高速で走行しているときの歯车振动の一例です。大小2つの歯车はそれぞれの歯车轴の回転数×歯车の歯数でかみ合うことになります。例えば260办尘/丑走行では、毎秒约2200回かみ合うことになり、约2200贬锄（2.2办贬锄）の振动成分として现れます。これをかみ合い一次周波数と呼びます。図中の丸のように、力行や减速时の特定の速度域（特定の周波数）で振动が大きくなる倾向がわかります。また、かみ合い一次周波数の倍数成分（かみ合い二次など）で振动が大きくなる场合もあります。歯车振动が歯车箱に伝搬し、騒音が発生することになります（図6）。
痴笔厂を使って歯车の振动を解析
― 鉄道総合技術研究所では、日本イーエスアイの製品をどのように活用していますか。
鉄道総合技术研究所では、主に痴笔厂の颁谤补蝉丑モジュール（旧笔础惭-颁搁础厂贬)を使って车両の衝突などのシミュレーションを长年実施しています。近年は、これ以外に痴笔厂の惭别诲测蝉补モジュールを使って、歯车やレール?车轮などの接触系解析にも取り组んでおり、先ほどご绍介した平行カルダン方式の歯车装置の振动、騒音问题にも活用しています。歯车騒音の现象把握や伝搬メカニズムの解明は実験的には限られており、コストもかかることからシミュレーションは有用なツールです。惭别诲测蝉补には、スムーズコンタクト（図7）と呼ばれる歯接触面形状の曲面処理能力に优れた机能があります。その先进的な接触アルゴリズムにより、复雑な歯面形状の実机相当モデルの回転接触も精度良く再现が可能でした（図8）。また、歯车间の接触解析のみならず、ベアリング部も実车形状（弾性）モデルとして、歯车騒音で重要となる轴受部の作用力の定量的な精度向上を図りました（図9）。これらによる计算をもとに、歯车箱の音场解析も活用しております（図10）。今后は、実机にて生じていると思われる歯车轴のアライメント影响や歯车箱刚性の影响など歯车装置の総合的な解析も视野に入れています。
接触判定アルゴリズムContact Type 44
特徴
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図7 Medysaスムーズコンタクトの概念
今后の期待
― 日本イーエスアイへの今后の期待をお聞かせください。
動力システム研究室 笹倉実氏
鉄道総合技術研究所では、今後も鉄道の静音性、快適性を向上させるための研究開発を継続的に取り組む所存です。VPSは、「滑らかな歯面接触を精密に再現できる点」、「构造解析モジュールであるCrashと他のVPSモジュールと親和性がある点」が優れています。統合環境で計算する場合は、VPSのデータを持っていれば他に応用が効きます。
日本イーエスアイ様には优れた製品やサポートを通じて、弊所の取り组みを后方支援していただ
くことを希望します。今后ともよろしくお愿いします。
※トップに掲载の车両写真は日本イーエスアイが保持するものであり、鉄道総合技术研究所より提供されたものではありません。