エネルギー吸収構造
【課題】鉄道車両が衝突した際に、衝突のエネルギーを吸収するエネルギー吸収構造に関して、乗り上げ衝突時にエネルギーを吸収し、なおかつ座屈開始時に生じるピーク荷重を低減する。乗り上げ衝突時には、曲げモーメントが作用して効率よくエネルギー吸収ができない。また、座屈開始時にはおおきなピーク荷重が生じている。
【解決手段】鉄道車両が衝突した際に、衝突のエネルギーを吸収するエネルギー吸収構造に関して、エネルギー吸収部材を上下二段に配置し、なおかつ上と下のエネルギー吸収部材の長さを異なったものにする。
【解決手段】鉄道車両が衝突した際に、衝突のエネルギーを吸収するエネルギー吸収構造に関して、エネルギー吸収部材を上下二段に配置し、なおかつ上と下のエネルギー吸収部材の長さを異なったものにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両や道路車両などに代表される輸送機器では、運行中に予期せぬ衝突事故が発生することを想定しなくてはならない。そのため輸送機器の設計にあたっては搭乗している乗員・乗客を最優先に保護することが構造概念として存在する。その構造概念とは、乗員・乗客が搭乗している部分を衝突による圧壊から防止することを目的とした空間（以後、サバイバルゾーンと呼ぶ）と、逆に圧壊を積極的に受け入れることによって変形させてエネルギーを吸収する空間（以後、クラッシャブルゾーンと呼ぶ）を設けるという概念である。近年この概念は輸送機器の設計に積極的に取り入れられるようになっている。
【０００３】
鉄道車両を例に挙げると、クラッシャブルゾーンは主にエネルギー吸収構造と梁構造という二つの構造に分類できる。
エネルギー吸収構造とは衝突時に車体に作用するエネルギーの大部分を吸収する構造であり、主にエネルギー吸収部材の搭載である。一方、梁構造とはエネルギー吸収構造やクラッシャブルゾーンに付属する内装構造を支持する構造である。
【０００４】
このうち、エネルギー吸収部材の例として、たとえば特開２００４−１６８２１８号公報（特許文献１）をあげることができる。
この特許文献１では、焼鈍したアルミ合金製中空押出形材を用いて効率よくエネルギーを吸収することを示している。また、クラッシャブル構造の例として、特開２００４−
２６８６９４号公報（特許文献２）をあげることができる。この特許文献２では、運転台の床高さをサバイバルゾーンの床高さと比較して高くすることが開示されている。
【０００５】
衝突の最初に荷重が作用する部位にエネルギー吸収部材を搭載したエネルギー吸収構造の一例として、「Proc. Instrn. Mech. Engrs. Vol.207 p1-16「Development of
crashworthiness for railway vehicle structures」(著者：A. Scholes & J. H. Lewis)をあげることができる。本文献においては、車端（又は車両先端部）に設置された突起部（バッファ）にエネルギー吸収部材が取付けられており、衝突時に最初に荷重が伝達することがわかる。
【０００６】
ところが衝突事故は必ずしも上記文献のような正面衝突モードばかりではないのでエネルギー吸収構造は様々な衝突程度やモードに対応する必要がある。例えば、正面衝突以外としては乗り上げ衝突がある。乗り上げ衝突とは、一方の車両が他方の車両の床より上部に乗り上げる衝突するモードであって、例えばInternational railway journal １９９５年７月発行 p30-31「tests validate methods to cut injuries」（著者：John Lewis）にその詳細が記載れている。
【０００７】
この乗り上げ衝突に対応するために現在はRAIL Vo 503 p28 に掲載されているような構造が採用されている。すなわち、床面より下にエネルギー吸収構造を配置し、正面衝突はエネルギー吸収構造によりエネルギーを吸収して乗り上げ衝突はクラッシャブルゾーン全体の構造でエネルギーを吸収している。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１６８２１８号公報
【特許文献２】特開２００４−２６８６９４号公報
【非特許文献１】Proc. Instrn. Mech. Engrs. Vol.207 p1-16「Development of crashworthiness for railway vehicle structures」(著者：A. Scholes & J. H. Lewis)
【非特許文献２】RAIL Vo 503 p28
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記従来技術では、エネルギー吸収部材がサバイバルゾーンの床下に取付けられているので仮に上述のような乗り上げ衝突が発生した場合には相手車両はエネルギー吸収部材の上部と衝突してしまうことになるので、エネルギー吸収が期待できない梁のみでエネルギーを吸収しなくてはならなくなってしまう。
【００１０】
従って、乗り上げ事故を想定しエネルギー吸収部材をサバイバルゾーンの床面より上に配置した場合には、床の上と下を含む一つの大きなエネルギー吸収部材を取付けた場合には相手車両はエネルギー吸収部材に対して片当たりしてしまうことになる。このため、エネルギー吸収部材にはおおきな曲げモーメントが作用し、エネルギー吸収部材は偏った圧壊となってしまい、エネルギー吸収部材の車体側への付け根部分に作用する応力で破断してしまう可能性がある。
【００１１】
また上述のように一つのエネルギー吸収部材であると、衝突によって開始する座屈のピーク荷重が最大となってしまい減速度を増加するという問題がある。
【００１２】
本発明の目的は、乗り上げ衝突に対応し、ピーク荷重を低減させた輸送機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的は２枚の板材と、この板材の内側面板間を接続する複数のリブとから構成される中空形材と、この中空形材を筒状に組合わせて形成したエネルギー吸収部材とからなり、このエネルギー吸収部材を車両先頭部の上下に二段取付けた輸送機器において、前記上側のエネルギー吸収部材と前記下側のエネルギー吸収部材は前記車両の進行方向において長さが異なることにより達成される。
【００１４】
また上記目的は、前記エネルギー吸収部材は断面積が異なるエネルギー吸収部材を進行方向に複数段重ね合わせてなり、前記車両の進行方向の先端部が最も断面積が小さいことにより達成される。
【００１５】
また上記目的は、前記エネルギー吸収部材は前記車両の外板で覆われてなり、この外板の内壁と前記エネルギー吸収部材の先端部との間には空隙が形成されていることにより達成される。
【００１６】
また上記目的は、前記エネルギー吸収部材の進行方向端面は金属板で閉塞されていることにより達成される。
【００１７】
また上記目的は、前記中空形材で配線ケーブル等を覆って前記エネルギー吸収部材を形成したことにより達成される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、乗り上げ衝突に対応し、ピーク荷重を低減させた輸送機器を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施例を図で説明する。
【実施例１】
【００２０】
本発明を鉄道車両構体に対して適用した場合の第一の実施例を図１から図７で説明する。
【００２１】
図１は一般的な鉄道車両の構造を説明する部分斜視図である。
図１において、鉄道車両構体１は、屋根を形成する屋根構体２，車体長手方向に対して両端を閉鎖する面を形成する妻構体３，車体長手方向に対して左右の面を形成する側構体４及び床面を形成する台枠５から構成されている。側構体４の最下部かつ台枠５の両端には側梁６が設けられている。また側構体４には窓や出入口の開口がある。
【００２２】
このような基本構造を持つ鉄道車両構体１は、衝突時に乗員・乗客の生命を保護するサバイバルゾーン１０と、衝突時に生じるエネルギーを吸収するクラッシャブルゾーン１１が設定されている。サバイバルゾーン１０は車両の長手方向の中央に設置されている。クラッシャブルゾーン１１は車両の長手方向の両端部に存在し、あたかもサバイバルゾーン１０を挟み込むように配置されている。図１では運転台を有さない車両を用いて構造を説明したが、運転台を有する車両であってもクラッシャブルゾーン１１とサバイバルゾーン１０の相対的な配置は変わらない。
【００２３】
図２は運転台を有する車両の車両端部におけるクラッシャブルゾーン１１の側面図である。
図２において、クラッシャブルゾーン１１は梁部材４０，運転台床５０，外板６０とエネルギー吸収部材１００により構成される。梁部材４０と運転台床５０は、クラッシャブルゾーン１１全体の通常運用に伴って生じる強度や振動に対応している。すなわち、運転手や機器の質量、通常運用中に作用する振動に対して十分耐えうる構造となっている。運転台床５０は、サバイバルゾーン１０側の台枠５よりも高い位置に存在する。外板６０は車両の外観を形成するものであり、エネルギー吸収部材１００や連結器（図示せず）などを覆い隠すものである。この外板６０は衝突時の挙動にはほとんど影響を及ぼすものではない。台枠５の先端にはエネルギー吸収部材１００が設置されている。エネルギー吸収部材１００と外板６０の内壁との間には空隙がある。エネルギー吸収部材１００は筒状になっており、空洞部分は電気配線などを通す通路として利用できる。またエネルギー吸収部材１００先端の空洞は金属板で閉塞しても良い。
【００２４】
このエネルギー吸収部材１００は上下に二組配置されており、おのおののエネルギー吸収部材１００の組は、車体長手方向（圧壊方向）に対して二段で構成されている。エネルギー吸収部材１００ａと１００ｂは長手方向に連結されて実質的にひとつの組を構成しているばかりでなく、エネルギー吸収部材１００ｃと１００ｄも同様に長手方向に連結されており実質的にひとつの組を構成している。この二段のエネルギー吸収部材のうちサバイバルゾーンに近い側のエネルギー吸収部材１００ｂと１００ｄの外断面積は、先端に近い側のエネルギー吸収部材１００ａと１００ｃの外形断面積と比較すると広くなっている。
【００２５】
サバイバルゾーンを根元と考えると、根元側のエネルギー吸収部材１００ｂと１００ｄの外形断面積は、先端側のエネルギー吸収部材１００ａと１００ｃの外形断面積と比較して広くなっている。
【００２６】
おのおののエネルギー吸収部材の組において、サバイバルゾーンから先端までの長さは上側に配置されるエネルギー吸収部材の組のほうが下側に配置されるエネルギー吸収部材の組と比較して長い。すなわち、上側に配置されたエネルギー吸収部材の組の長さをＬＵとし、下側に配置されたエネルギー吸収部材の組の長さをＬＬとしたとき、ＬＵ＞ＬＬの関係になっている。ただし、ＬＬ＜ＬＵの場合においても、ピーク荷重を低減する効果を得ることができる。エネルギー吸収部材が配置されている高さは二組の対になっているエネルギー吸収部材の高さの範囲内に台枠の高さが含まれる関係である。
【００２７】
エネルギー吸収部材１００と梁部材４０は、衝突時に互いの変形を拘束しないようにしている。すなわち、まったく結合されていないことを示す。ただ、全体からみると十分に弱い結合であり、衝突時にお互いの変形を拘束しない程度の結合であれば、本発明と同等の効果を得ることができる。エネルギー吸収部材と運転台床の結合も、エネルギー吸収部材１００と梁部材４０の結合と同様である。エネルギー吸収部材１００とサバイバルゾーンの結合は、溶接やボルトなどのような方法を用いて強固に行われる。
【００２８】
エネルギー吸収部材の車端側端部は、実質的に部材と連結されない。すなわち、衝突時に全体の変形モードを大きく変化させるような連結はされていない。言い換えれば、衝突時に変形モードがほとんど変わらないような連結は、本発明と同等の効果を有することになる。
【００２９】
図３は図２に示した運転台を有する車両における運転台部分をレール方向に見た図である。
図３において、車体全体の大部分は外板６０により覆われており、部分的に窓７０が存在する。クラッシャブルゾーン１１における外板６０に覆われた内部にはエネルギー吸収部材１００，運転台床５０，梁部材４０が存在する。運転台床５０は台枠５よりも高い位置に存在していることがわかる。エネルギー吸収部材１００は幅方向に関して左右でかつ上下にも対称に対になって設置されている。
【００３０】
図４は図２および図３に示した運転台を有する車両における運転台部分を上から見た図である。
図４において、上述したように車体全体は外板６０により覆われており、部分的に窓
７０が存在する。クラッシャブルゾーン１１において、外板６０に覆われた内部にはエネルギー吸収部材１００，運転台床５０，梁部材４０が存在する。運転台床５０の枕木方向の幅とレール方向長さはクラッシャブルゾーン１１とほぼ等しい。梁部材４０はクラッシャブルゾーン１１の外郭形状を合わせて形成された、いわゆる骨組みとなっている。外板６０は梁部材４０に固定されている。エネルギー吸収部材１００は車両の幅方向に関して対称に対になって設置されている。左右のエネルギー吸収部材１００に関してサバイバルゾーン１０から先端までの長さは同じである。つまり図３および図４から左右対称に設置されたエネルギー吸収部材の対は完全に対称な位置と形状である。
【００３１】
図５はエネルギー吸収部材１００のうち車体の左右どちらかひとつの組のみの斜視図である。
図５において、エネルギー吸収部材１００は中空押出形材２００とふさぎ板１１０により構成されている。エネルギー吸収部材１００の四辺は中空押出形材２００により構成されており、この中空押出形材２００の長手方向端面にはふさぎ板１１０が存在する。ふさぎ板１１０とエネルギー吸収部材１００とは溶接に代表されるような接合手段により強固に接続されている。エネルギー吸収部材１００ａと１００ｂは、ふさぎ板１１０を介して強固に接続されている。エネルギー吸収部材１００ｃと１００ｄも同様にふさぎ板１１０を介して強固に接続されている。
【００３２】
図５に示すように、エネルギー吸収部材１００ａ，１００ｄはエネルギー吸収部材100b，１００ｃより小さい容積となっている。
【００３３】
図６は図５中Ａ−Ａで示したエネルギー吸収部材１００の断面図である。
図６において、エネルギー吸収部材１００の四辺は中空押出形材２００により形成され、四角形の筒状となっている。中空押出形材２００の構造については図７で説明する。
【００３４】
図７はエネルギー吸収部材１００を構成する中空押出形材２００の断面図である。
図７において、中空押出形材２００は二枚の実質的に平行な面板２１０ａと２１０ｂとを備え、この面板２１０ａと２１０ｂとを接続する複数のリブ２２０により構成されている。リブ２２０と面板２１０ａと２１０ｂとにより囲まれる空間の幅方向断面はあたかも三角形を呈して堅牢となるように構成されている。中空押出形材２００の材料はアルミニウム合金をはじめとする軽合金である。
【００３５】
かかる構成において、本発明を適用したクラッシャブルゾーン１１が衝突した場合、車体構造として最初に接触を開始するのは先頭に存在するエネルギー吸収部材１００である。このとき上下二組のエネルギー吸収部材１００のうち図２に示すように上側のエネルギー吸収部材１００ｃ，１００ｄのほうが長いので上側のエネルギー吸収部材１００ｃ，
１００ｄが最初に接触して崩壊を開始する。その後、上側のエネルギー吸収部材１００ｃ，１００ｄが変形して（ＬＵ−ＬＬ）の長さだけ短くなったところで下側のエネルギー吸収部材１００ａ，１００ｂが接触を開始する。このため上下二組のエネルギー吸収部材
１００は接触を開始するタイミングすなわち崩壊を開始しはじめるときに生じるピーク荷重が発生するタイミングが分散されるため、全体としてのピーク荷重を低減することができる。
【００３６】
ピーク荷重の低減効果について図８と図９を用いて説明する。
図８は上下二組のエネルギー吸収部材１００の長さを等しくした場合に予想される接触開始からの時間と車体に作用する長手方向の力の関係を表したグラフである。図９は本発明の一実施例のように上下二組のエネルギー吸収部材の長さが異なる場合に予想される接触開始からの時間と車体に作用する長手方向の力の関係を表したグラフである。
図８において、長さが等しい場合上下二組のエネルギー吸収部材が障害物と接触するタイミングは等しい。このため変形を開始したときに生じるピーク荷重が発生するタイミングは等しくなる。そこで、車体全体に着目した場合、ピーク荷重は上側のエネルギー吸収部材により生じるピーク荷重と下側のエネルギー吸収部材により生じるピーク荷重をそのまま加算した値となる。
【００３７】
一方図９において、最初に上側のエネルギー吸収部材が接触を開始してピーク荷重が生じる。その後上側のエネルギー吸収部材が変形することにより生じる荷重は、時間の経過（圧壊変形量の経過）とともに徐々に低下する。さらに時間（圧壊変形）をすすめていくと、下側のエネルギー吸収部材が接触を開始する。さらに時間を進めると、下側のエネルギー吸収部材はピーク荷重を生じる。ただ、この時点において上側のエネルギー吸収部材は、ピーク荷重と比較してかなり荷重が低下した状態である。このため、上側のエネルギー吸収部材と下側のエネルギー吸収部材により生じる荷重を加算しても、それほど大きな値にはならない。すなわち、図８に示したように、上下のエネルギー吸収部材が同時に接触する場合と比較して、車体に作用する荷重は低いものとなる。
【００３８】
次に、エネルギー吸収部材の断面積と比較して小さな物体と衝突した場合について図
１０と図１１を用いて説明する。
図１０は、エネルギー吸収部材が上下二組に分割されていない場合の側面図である。
図１０において、障害物１５０がエネルギー吸収部材の上半分に衝突した場合、エネルギー吸収部材は上側のみに荷重（いわゆる偏当たり）が作用することになるため、エネルギー吸収部材には高い回転力（モーメント）が作用する。この回転モーメントにより、エネルギー吸収部材１００ｘにおいては、エネルギー吸収部材１００ｙと接続する側の端部に高い応力が作用してこの部分の破断につながる可能性がある。
【００３９】
一方、図１１に示したように本発明を適用したエネルギー吸収部材では、エネルギー吸収部材１００ｐおよび１００ｑにのみ荷重が作用するために、曲げモーメントは発生しない。
【実施例２】
【００４０】
次に、本発明を鉄道車両構体に対して適用した場合の第２の実施例を図１２で説明する。
図１２は第２の実施例を備えたエネルギー吸収部材の斜視図である。
図１２において、エネルギー吸収部材は大きく三つの組からなる。すなわち、100ｊａと１００ｊｂが車体長手方向に強固に連結されて実質的に一つのエネルギー吸収部材を構成しているのと、１００ｋａと１００ｋｂが車体長手方向に強固に連結されて実質的に一つのエネルギー吸収部材を構成しているのと、１００ｌａと１００ｌｂが車体長手方向に強固に連結されて実質的に一つのエネルギー吸収部材を構成しているものである。これらの長さを各々Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３とすると、その関係はＬ１≠Ｌ２≠Ｌ３となる。
【００４１】
かかる構成によって実施例１と比較するとさらにピーク荷重を下げることが可能である。
【実施例３】
【００４２】
次に、本発明を鉄道車両構体に対して適用した場合の第３の実施例を図１３で説明する。
【００４３】
図１３は第３の実施例を備えたエネルギー吸収部材の斜視図である。
【００４４】
図１３において、エネルギー吸収部材１００ｓと１００ｔはサバイバルゾーン側の端部でエネルギー吸収部材１００ｒに連結されている。エネルギー吸収部材１００ｓとエネルギー吸収部材１００ｔの長さは異なる。
【００４５】
かかる構成により最初の衝突の時のピーク荷重を低減できることに加え、サバイバルゾーン側のエネルギー吸収部材の剛性が高くなるので全体があたかも“く”の字にまがる全体座屈を防止しやすくなる。
【００４６】
本発明は以上のごとく、
１．２枚の板材と、この板材の内側面板間を接続する複数のリブとから構成される中空形材と、この中空形材を筒状に組合わせて形成したエネルギー吸収部材とからなり、このエネルギー吸収部材を車両先頭部の上下に二段取付けた輸送機器において、前記上側のエネルギー吸収部材と前記下側のエネルギー吸収部材は前記車両の進行方向において長さが異なるようにしたものである。
２．前記エネルギー吸収部材は断面積が異なるエネルギー吸収部材を進行方向に複数段重ね合わせてなり、前記車両の進行方向の先端部が最も断面積が小さくしたものである。
３．前記エネルギー吸収部材は前記車両の外板で覆われてなり、この外板の内壁と前記エネルギー吸収部材の先端部との間には空隙が形成されたものである。
４．前記エネルギー吸収部材の進行方向端面は金属板で閉塞したものである。
５．前記中空形材で配線ケーブル等を覆って前記エネルギー吸収部材を形成したものである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】一般的な鉄道車両の斜視図である。
【図２】本発明の一実施例を備えた鉄道車両の側面図である。
【図３】本発明の一実施例を備えた鉄道車両の正面図である。
【図４】本発明の一実施例を備えた鉄道車両の平面図である。
【図５】本発明の一実施例を備えたエネルギー吸収部材の斜視図である。
【図６】本発明の一実施例を備えたエネルギー吸収部材の断面図である。
【図７】本発明の一実施例に適用したエネルギー吸収部材を構成する中空押出形材の断面図である。
【図８】従来の構造により衝突した場合の接触を開始してからの時間と車体に作用する長手方向の力の関係を示すグラフ図である。
【図９】本発明を適用して衝突した場合の接触を開始してからの時間と車体に作用する長手方向の力の関係を示すグラフ図である。
【図１０】従来の構造により衝突した場合に生じるエネルギー吸収部材の変形を説明する図である。
【図１１】本発明を適用した場合に生じるエネルギー吸収部材の変形を説明する図である。
【図１２】本発明の第２の実施例を備えたエネルギー吸収部材の斜視図である。
【図１３】本発明の第３の実施例を備えたエネルギー吸収部材の斜視図である。
【符号の説明】
【００４８】
１…鉄道車両構体、２…屋根構体、３…妻構体、４…側構体、５…台枠、６…側梁、
１０…サバイバルゾーン、１１…クラッシャブルゾーン、４０…梁部材、５０…運転台床、６０…外板、７０…窓、１００…エネルギー吸収部材、１１０…ふさぎ板、１５０…障害物、２００…中空押出形材、２１０…面板、２２０…リブ、２３０…結節点。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両や道路車両などに代表される輸送機器では、運行中に予期せぬ衝突事故が発生することを想定しなくてはならない。そのため輸送機器の設計にあたっては搭乗している乗員・乗客を最優先に保護することが構造概念として存在する。その構造概念とは、乗員・乗客が搭乗している部分を衝突による圧壊から防止することを目的とした空間（以後、サバイバルゾーンと呼ぶ）と、逆に圧壊を積極的に受け入れることによって変形させてエネルギーを吸収する空間（以後、クラッシャブルゾーンと呼ぶ）を設けるという概念である。近年この概念は輸送機器の設計に積極的に取り入れられるようになっている。
【０００３】
鉄道車両を例に挙げると、クラッシャブルゾーンは主にエネルギー吸収構造と梁構造という二つの構造に分類できる。
エネルギー吸収構造とは衝突時に車体に作用するエネルギーの大部分を吸収する構造であり、主にエネルギー吸収部材の搭載である。一方、梁構造とはエネルギー吸収構造やクラッシャブルゾーンに付属する内装構造を支持する構造である。
【０００４】
このうち、エネルギー吸収部材の例として、たとえば特開２００４−１６８２１８号公報（特許文献１）をあげることができる。
この特許文献１では、焼鈍したアルミ合金製中空押出形材を用いて効率よくエネルギーを吸収することを示している。また、クラッシャブル構造の例として、特開２００４−
２６８６９４号公報（特許文献２）をあげることができる。この特許文献２では、運転台の床高さをサバイバルゾーンの床高さと比較して高くすることが開示されている。
【０００５】
衝突の最初に荷重が作用する部位にエネルギー吸収部材を搭載したエネルギー吸収構造の一例として、「Proc. Instrn. Mech. Engrs. Vol.207 p1-16「Development of
crashworthiness for railway vehicle structures」(著者：A. Scholes & J. H. Lewis)をあげることができる。本文献においては、車端（又は車両先端部）に設置された突起部（バッファ）にエネルギー吸収部材が取付けられており、衝突時に最初に荷重が伝達することがわかる。
【０００６】
ところが衝突事故は必ずしも上記文献のような正面衝突モードばかりではないのでエネルギー吸収構造は様々な衝突程度やモードに対応する必要がある。例えば、正面衝突以外としては乗り上げ衝突がある。乗り上げ衝突とは、一方の車両が他方の車両の床より上部に乗り上げる衝突するモードであって、例えばInternational railway journal １９９５年７月発行 p30-31「tests validate methods to cut injuries」（著者：John Lewis）にその詳細が記載れている。
【０００７】
この乗り上げ衝突に対応するために現在はRAIL Vo 503 p28 に掲載されているような構造が採用されている。すなわち、床面より下にエネルギー吸収構造を配置し、正面衝突はエネルギー吸収構造によりエネルギーを吸収して乗り上げ衝突はクラッシャブルゾーン全体の構造でエネルギーを吸収している。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１６８２１８号公報
【特許文献２】特開２００４−２６８６９４号公報
【非特許文献１】Proc. Instrn. Mech. Engrs. Vol.207 p1-16「Development of crashworthiness for railway vehicle structures」(著者：A. Scholes & J. H. Lewis)
【非特許文献２】RAIL Vo 503 p28
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記従来技術では、エネルギー吸収部材がサバイバルゾーンの床下に取付けられているので仮に上述のような乗り上げ衝突が発生した場合には相手車両はエネルギー吸収部材の上部と衝突してしまうことになるので、エネルギー吸収が期待できない梁のみでエネルギーを吸収しなくてはならなくなってしまう。
【００１０】
従って、乗り上げ事故を想定しエネルギー吸収部材をサバイバルゾーンの床面より上に配置した場合には、床の上と下を含む一つの大きなエネルギー吸収部材を取付けた場合には相手車両はエネルギー吸収部材に対して片当たりしてしまうことになる。このため、エネルギー吸収部材にはおおきな曲げモーメントが作用し、エネルギー吸収部材は偏った圧壊となってしまい、エネルギー吸収部材の車体側への付け根部分に作用する応力で破断してしまう可能性がある。
【００１１】
また上述のように一つのエネルギー吸収部材であると、衝突によって開始する座屈のピーク荷重が最大となってしまい減速度を増加するという問題がある。
【００１２】
本発明の目的は、乗り上げ衝突に対応し、ピーク荷重を低減させた輸送機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的は２枚の板材と、この板材の内側面板間を接続する複数のリブとから構成される中空形材と、この中空形材を筒状に組合わせて形成したエネルギー吸収部材とからなり、このエネルギー吸収部材を車両先頭部の上下に二段取付けた輸送機器において、前記上側のエネルギー吸収部材と前記下側のエネルギー吸収部材は前記車両の進行方向において長さが異なることにより達成される。
【００１４】
また上記目的は、前記エネルギー吸収部材は断面積が異なるエネルギー吸収部材を進行方向に複数段重ね合わせてなり、前記車両の進行方向の先端部が最も断面積が小さいことにより達成される。
【００１５】
また上記目的は、前記エネルギー吸収部材は前記車両の外板で覆われてなり、この外板の内壁と前記エネルギー吸収部材の先端部との間には空隙が形成されていることにより達成される。
【００１６】
また上記目的は、前記エネルギー吸収部材の進行方向端面は金属板で閉塞されていることにより達成される。
【００１７】
また上記目的は、前記中空形材で配線ケーブル等を覆って前記エネルギー吸収部材を形成したことにより達成される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、乗り上げ衝突に対応し、ピーク荷重を低減させた輸送機器を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施例を図で説明する。
【実施例１】
【００２０】
本発明を鉄道車両構体に対して適用した場合の第一の実施例を図１から図７で説明する。
【００２１】
図１は一般的な鉄道車両の構造を説明する部分斜視図である。
図１において、鉄道車両構体１は、屋根を形成する屋根構体２，車体長手方向に対して両端を閉鎖する面を形成する妻構体３，車体長手方向に対して左右の面を形成する側構体４及び床面を形成する台枠５から構成されている。側構体４の最下部かつ台枠５の両端には側梁６が設けられている。また側構体４には窓や出入口の開口がある。
【００２２】
このような基本構造を持つ鉄道車両構体１は、衝突時に乗員・乗客の生命を保護するサバイバルゾーン１０と、衝突時に生じるエネルギーを吸収するクラッシャブルゾーン１１が設定されている。サバイバルゾーン１０は車両の長手方向の中央に設置されている。クラッシャブルゾーン１１は車両の長手方向の両端部に存在し、あたかもサバイバルゾーン１０を挟み込むように配置されている。図１では運転台を有さない車両を用いて構造を説明したが、運転台を有する車両であってもクラッシャブルゾーン１１とサバイバルゾーン１０の相対的な配置は変わらない。
【００２３】
図２は運転台を有する車両の車両端部におけるクラッシャブルゾーン１１の側面図である。
図２において、クラッシャブルゾーン１１は梁部材４０，運転台床５０，外板６０とエネルギー吸収部材１００により構成される。梁部材４０と運転台床５０は、クラッシャブルゾーン１１全体の通常運用に伴って生じる強度や振動に対応している。すなわち、運転手や機器の質量、通常運用中に作用する振動に対して十分耐えうる構造となっている。運転台床５０は、サバイバルゾーン１０側の台枠５よりも高い位置に存在する。外板６０は車両の外観を形成するものであり、エネルギー吸収部材１００や連結器（図示せず）などを覆い隠すものである。この外板６０は衝突時の挙動にはほとんど影響を及ぼすものではない。台枠５の先端にはエネルギー吸収部材１００が設置されている。エネルギー吸収部材１００と外板６０の内壁との間には空隙がある。エネルギー吸収部材１００は筒状になっており、空洞部分は電気配線などを通す通路として利用できる。またエネルギー吸収部材１００先端の空洞は金属板で閉塞しても良い。
【００２４】
このエネルギー吸収部材１００は上下に二組配置されており、おのおののエネルギー吸収部材１００の組は、車体長手方向（圧壊方向）に対して二段で構成されている。エネルギー吸収部材１００ａと１００ｂは長手方向に連結されて実質的にひとつの組を構成しているばかりでなく、エネルギー吸収部材１００ｃと１００ｄも同様に長手方向に連結されており実質的にひとつの組を構成している。この二段のエネルギー吸収部材のうちサバイバルゾーンに近い側のエネルギー吸収部材１００ｂと１００ｄの外断面積は、先端に近い側のエネルギー吸収部材１００ａと１００ｃの外形断面積と比較すると広くなっている。
【００２５】
サバイバルゾーンを根元と考えると、根元側のエネルギー吸収部材１００ｂと１００ｄの外形断面積は、先端側のエネルギー吸収部材１００ａと１００ｃの外形断面積と比較して広くなっている。
【００２６】
おのおののエネルギー吸収部材の組において、サバイバルゾーンから先端までの長さは上側に配置されるエネルギー吸収部材の組のほうが下側に配置されるエネルギー吸収部材の組と比較して長い。すなわち、上側に配置されたエネルギー吸収部材の組の長さをＬＵとし、下側に配置されたエネルギー吸収部材の組の長さをＬＬとしたとき、ＬＵ＞ＬＬの関係になっている。ただし、ＬＬ＜ＬＵの場合においても、ピーク荷重を低減する効果を得ることができる。エネルギー吸収部材が配置されている高さは二組の対になっているエネルギー吸収部材の高さの範囲内に台枠の高さが含まれる関係である。
【００２７】
エネルギー吸収部材１００と梁部材４０は、衝突時に互いの変形を拘束しないようにしている。すなわち、まったく結合されていないことを示す。ただ、全体からみると十分に弱い結合であり、衝突時にお互いの変形を拘束しない程度の結合であれば、本発明と同等の効果を得ることができる。エネルギー吸収部材と運転台床の結合も、エネルギー吸収部材１００と梁部材４０の結合と同様である。エネルギー吸収部材１００とサバイバルゾーンの結合は、溶接やボルトなどのような方法を用いて強固に行われる。
【００２８】
エネルギー吸収部材の車端側端部は、実質的に部材と連結されない。すなわち、衝突時に全体の変形モードを大きく変化させるような連結はされていない。言い換えれば、衝突時に変形モードがほとんど変わらないような連結は、本発明と同等の効果を有することになる。
【００２９】
図３は図２に示した運転台を有する車両における運転台部分をレール方向に見た図である。
図３において、車体全体の大部分は外板６０により覆われており、部分的に窓７０が存在する。クラッシャブルゾーン１１における外板６０に覆われた内部にはエネルギー吸収部材１００，運転台床５０，梁部材４０が存在する。運転台床５０は台枠５よりも高い位置に存在していることがわかる。エネルギー吸収部材１００は幅方向に関して左右でかつ上下にも対称に対になって設置されている。
【００３０】
図４は図２および図３に示した運転台を有する車両における運転台部分を上から見た図である。
図４において、上述したように車体全体は外板６０により覆われており、部分的に窓
７０が存在する。クラッシャブルゾーン１１において、外板６０に覆われた内部にはエネルギー吸収部材１００，運転台床５０，梁部材４０が存在する。運転台床５０の枕木方向の幅とレール方向長さはクラッシャブルゾーン１１とほぼ等しい。梁部材４０はクラッシャブルゾーン１１の外郭形状を合わせて形成された、いわゆる骨組みとなっている。外板６０は梁部材４０に固定されている。エネルギー吸収部材１００は車両の幅方向に関して対称に対になって設置されている。左右のエネルギー吸収部材１００に関してサバイバルゾーン１０から先端までの長さは同じである。つまり図３および図４から左右対称に設置されたエネルギー吸収部材の対は完全に対称な位置と形状である。
【００３１】
図５はエネルギー吸収部材１００のうち車体の左右どちらかひとつの組のみの斜視図である。
図５において、エネルギー吸収部材１００は中空押出形材２００とふさぎ板１１０により構成されている。エネルギー吸収部材１００の四辺は中空押出形材２００により構成されており、この中空押出形材２００の長手方向端面にはふさぎ板１１０が存在する。ふさぎ板１１０とエネルギー吸収部材１００とは溶接に代表されるような接合手段により強固に接続されている。エネルギー吸収部材１００ａと１００ｂは、ふさぎ板１１０を介して強固に接続されている。エネルギー吸収部材１００ｃと１００ｄも同様にふさぎ板１１０を介して強固に接続されている。
【００３２】
図５に示すように、エネルギー吸収部材１００ａ，１００ｄはエネルギー吸収部材100b，１００ｃより小さい容積となっている。
【００３３】
図６は図５中Ａ−Ａで示したエネルギー吸収部材１００の断面図である。
図６において、エネルギー吸収部材１００の四辺は中空押出形材２００により形成され、四角形の筒状となっている。中空押出形材２００の構造については図７で説明する。
【００３４】
図７はエネルギー吸収部材１００を構成する中空押出形材２００の断面図である。
図７において、中空押出形材２００は二枚の実質的に平行な面板２１０ａと２１０ｂとを備え、この面板２１０ａと２１０ｂとを接続する複数のリブ２２０により構成されている。リブ２２０と面板２１０ａと２１０ｂとにより囲まれる空間の幅方向断面はあたかも三角形を呈して堅牢となるように構成されている。中空押出形材２００の材料はアルミニウム合金をはじめとする軽合金である。
【００３５】
かかる構成において、本発明を適用したクラッシャブルゾーン１１が衝突した場合、車体構造として最初に接触を開始するのは先頭に存在するエネルギー吸収部材１００である。このとき上下二組のエネルギー吸収部材１００のうち図２に示すように上側のエネルギー吸収部材１００ｃ，１００ｄのほうが長いので上側のエネルギー吸収部材１００ｃ，
１００ｄが最初に接触して崩壊を開始する。その後、上側のエネルギー吸収部材１００ｃ，１００ｄが変形して（ＬＵ−ＬＬ）の長さだけ短くなったところで下側のエネルギー吸収部材１００ａ，１００ｂが接触を開始する。このため上下二組のエネルギー吸収部材
１００は接触を開始するタイミングすなわち崩壊を開始しはじめるときに生じるピーク荷重が発生するタイミングが分散されるため、全体としてのピーク荷重を低減することができる。
【００３６】
ピーク荷重の低減効果について図８と図９を用いて説明する。
図８は上下二組のエネルギー吸収部材１００の長さを等しくした場合に予想される接触開始からの時間と車体に作用する長手方向の力の関係を表したグラフである。図９は本発明の一実施例のように上下二組のエネルギー吸収部材の長さが異なる場合に予想される接触開始からの時間と車体に作用する長手方向の力の関係を表したグラフである。
図８において、長さが等しい場合上下二組のエネルギー吸収部材が障害物と接触するタイミングは等しい。このため変形を開始したときに生じるピーク荷重が発生するタイミングは等しくなる。そこで、車体全体に着目した場合、ピーク荷重は上側のエネルギー吸収部材により生じるピーク荷重と下側のエネルギー吸収部材により生じるピーク荷重をそのまま加算した値となる。
【００３７】
一方図９において、最初に上側のエネルギー吸収部材が接触を開始してピーク荷重が生じる。その後上側のエネルギー吸収部材が変形することにより生じる荷重は、時間の経過（圧壊変形量の経過）とともに徐々に低下する。さらに時間（圧壊変形）をすすめていくと、下側のエネルギー吸収部材が接触を開始する。さらに時間を進めると、下側のエネルギー吸収部材はピーク荷重を生じる。ただ、この時点において上側のエネルギー吸収部材は、ピーク荷重と比較してかなり荷重が低下した状態である。このため、上側のエネルギー吸収部材と下側のエネルギー吸収部材により生じる荷重を加算しても、それほど大きな値にはならない。すなわち、図８に示したように、上下のエネルギー吸収部材が同時に接触する場合と比較して、車体に作用する荷重は低いものとなる。
【００３８】
次に、エネルギー吸収部材の断面積と比較して小さな物体と衝突した場合について図
１０と図１１を用いて説明する。
図１０は、エネルギー吸収部材が上下二組に分割されていない場合の側面図である。
図１０において、障害物１５０がエネルギー吸収部材の上半分に衝突した場合、エネルギー吸収部材は上側のみに荷重（いわゆる偏当たり）が作用することになるため、エネルギー吸収部材には高い回転力（モーメント）が作用する。この回転モーメントにより、エネルギー吸収部材１００ｘにおいては、エネルギー吸収部材１００ｙと接続する側の端部に高い応力が作用してこの部分の破断につながる可能性がある。
【００３９】
一方、図１１に示したように本発明を適用したエネルギー吸収部材では、エネルギー吸収部材１００ｐおよび１００ｑにのみ荷重が作用するために、曲げモーメントは発生しない。
【実施例２】
【００４０】
次に、本発明を鉄道車両構体に対して適用した場合の第２の実施例を図１２で説明する。
図１２は第２の実施例を備えたエネルギー吸収部材の斜視図である。
図１２において、エネルギー吸収部材は大きく三つの組からなる。すなわち、100ｊａと１００ｊｂが車体長手方向に強固に連結されて実質的に一つのエネルギー吸収部材を構成しているのと、１００ｋａと１００ｋｂが車体長手方向に強固に連結されて実質的に一つのエネルギー吸収部材を構成しているのと、１００ｌａと１００ｌｂが車体長手方向に強固に連結されて実質的に一つのエネルギー吸収部材を構成しているものである。これらの長さを各々Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３とすると、その関係はＬ１≠Ｌ２≠Ｌ３となる。
【００４１】
かかる構成によって実施例１と比較するとさらにピーク荷重を下げることが可能である。
【実施例３】
【００４２】
次に、本発明を鉄道車両構体に対して適用した場合の第３の実施例を図１３で説明する。
【００４３】
図１３は第３の実施例を備えたエネルギー吸収部材の斜視図である。
【００４４】
図１３において、エネルギー吸収部材１００ｓと１００ｔはサバイバルゾーン側の端部でエネルギー吸収部材１００ｒに連結されている。エネルギー吸収部材１００ｓとエネルギー吸収部材１００ｔの長さは異なる。
【００４５】
かかる構成により最初の衝突の時のピーク荷重を低減できることに加え、サバイバルゾーン側のエネルギー吸収部材の剛性が高くなるので全体があたかも“く”の字にまがる全体座屈を防止しやすくなる。
【００４６】
本発明は以上のごとく、
１．２枚の板材と、この板材の内側面板間を接続する複数のリブとから構成される中空形材と、この中空形材を筒状に組合わせて形成したエネルギー吸収部材とからなり、このエネルギー吸収部材を車両先頭部の上下に二段取付けた輸送機器において、前記上側のエネルギー吸収部材と前記下側のエネルギー吸収部材は前記車両の進行方向において長さが異なるようにしたものである。
２．前記エネルギー吸収部材は断面積が異なるエネルギー吸収部材を進行方向に複数段重ね合わせてなり、前記車両の進行方向の先端部が最も断面積が小さくしたものである。
３．前記エネルギー吸収部材は前記車両の外板で覆われてなり、この外板の内壁と前記エネルギー吸収部材の先端部との間には空隙が形成されたものである。
４．前記エネルギー吸収部材の進行方向端面は金属板で閉塞したものである。
５．前記中空形材で配線ケーブル等を覆って前記エネルギー吸収部材を形成したものである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】一般的な鉄道車両の斜視図である。
【図２】本発明の一実施例を備えた鉄道車両の側面図である。
【図３】本発明の一実施例を備えた鉄道車両の正面図である。
【図４】本発明の一実施例を備えた鉄道車両の平面図である。
【図５】本発明の一実施例を備えたエネルギー吸収部材の斜視図である。
【図６】本発明の一実施例を備えたエネルギー吸収部材の断面図である。
【図７】本発明の一実施例に適用したエネルギー吸収部材を構成する中空押出形材の断面図である。
【図８】従来の構造により衝突した場合の接触を開始してからの時間と車体に作用する長手方向の力の関係を示すグラフ図である。
【図９】本発明を適用して衝突した場合の接触を開始してからの時間と車体に作用する長手方向の力の関係を示すグラフ図である。
【図１０】従来の構造により衝突した場合に生じるエネルギー吸収部材の変形を説明する図である。
【図１１】本発明を適用した場合に生じるエネルギー吸収部材の変形を説明する図である。
【図１２】本発明の第２の実施例を備えたエネルギー吸収部材の斜視図である。
【図１３】本発明の第３の実施例を備えたエネルギー吸収部材の斜視図である。
【符号の説明】
【００４８】
１…鉄道車両構体、２…屋根構体、３…妻構体、４…側構体、５…台枠、６…側梁、
１０…サバイバルゾーン、１１…クラッシャブルゾーン、４０…梁部材、５０…運転台床、６０…外板、７０…窓、１００…エネルギー吸収部材、１１０…ふさぎ板、１５０…障害物、２００…中空押出形材、２１０…面板、２２０…リブ、２３０…結節点。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚の板材と、この板材の内側面板間を接続する複数のリブとから構成される中空形材と、この中空形材を筒状に組合わせて形成したエネルギー吸収部材とからなり、このエネルギー吸収部材を車両先頭部の上下に二段取付けた輸送機器において、
前記上側のエネルギー吸収部材と前記下側のエネルギー吸収部材は前記車両の進行方向において長さが異なることを特徴とする輸送機器。
【請求項２】
請求項１記載の輸送機器において、
前記エネルギー吸収部材は断面積が異なるエネルギー吸収部材を進行方向に複数段重ね合わせてなり、前記車両の進行方向の先端部が最も断面積が小さいことを特徴とする輸送機器。
【請求項３】
請求項１記載の輸送機器において、
前記エネルギー吸収部材は前記車両の外板で覆われてなり、この外板の内壁と前記エネルギー吸収部材の先端部との間には空隙が形成されていることを特徴とする輸送機器。
【請求項４】
請求項１記載の輸送機器において、
前記エネルギー吸収部材の進行方向端面は金属板で閉塞されていることを特徴とする輸送機器。
【請求項５】
請求項１記載の輸送機器において、
前記中空形材で配線ケーブル等を覆って前記エネルギー吸収部材を形成したことを特徴とする輸送機器。
【請求項１】
２枚の板材と、この板材の内側面板間を接続する複数のリブとから構成される中空形材と、この中空形材を筒状に組合わせて形成したエネルギー吸収部材とからなり、このエネルギー吸収部材を車両先頭部の上下に二段取付けた輸送機器において、
前記上側のエネルギー吸収部材と前記下側のエネルギー吸収部材は前記車両の進行方向において長さが異なることを特徴とする輸送機器。
【請求項２】
請求項１記載の輸送機器において、
前記エネルギー吸収部材は断面積が異なるエネルギー吸収部材を進行方向に複数段重ね合わせてなり、前記車両の進行方向の先端部が最も断面積が小さいことを特徴とする輸送機器。
【請求項３】
請求項１記載の輸送機器において、
前記エネルギー吸収部材は前記車両の外板で覆われてなり、この外板の内壁と前記エネルギー吸収部材の先端部との間には空隙が形成されていることを特徴とする輸送機器。
【請求項４】
請求項１記載の輸送機器において、
前記エネルギー吸収部材の進行方向端面は金属板で閉塞されていることを特徴とする輸送機器。
【請求項５】
請求項１記載の輸送機器において、
前記中空形材で配線ケーブル等を覆って前記エネルギー吸収部材を形成したことを特徴とする輸送機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００７−２５３９０５（Ｐ２００７−２５３９０５Ａ）
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−８４４４２（Ｐ２００６−８４４４２）
【出願日】平成１８年３月２７日（２００６．３．２７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２７日（２００６．３．２７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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