鉄道車両の段差部台枠構造
【課題】低床ライトレール車両において、前頭衝突時の衝撃荷重等の長手方向荷重から床面における段差部を保護する段差部台枠構造を提供する。
【解決手段】低床部Ｐｌｆに対して、所定の高さだけ高い高床部Ｐｈｆが隣接する段差部Ｐｓを有する車両Ｖに用いられる段差部台枠構造ＳＳは、低床部を支える低床構造部Ｓｌｆと、高床部を支える高床構造部Ｓｈｆと、低床構造部と高床構造部とを連結する中ハリ構造部Ｓｍとを備え、低床構造部Ｓｌｆの段差部Ｐｓ寄り端部には、低床構造部の厚さと概ね同じ寸法の閉断面或いは溝形断面を有する横ハリＢｔｌが設けられ、高床構造部Ｓｈｆの段差部Ｐｓ寄り端部には、高床構造部の厚さと概ね同じ寸法の閉断面を有する横ハリＢｔｈが左右の側ハリＢｓｈ、Ｂｓｈ間の全幅に渡って設けられ、中ハリ構造部Ｓｍは、２つの横ハリＢｔｌ、Ｂｔｌとをつなぐ立面に沿うウェブＷとその上下フランジＦが中ハリの位置に設けられている。
【解決手段】低床部Ｐｌｆに対して、所定の高さだけ高い高床部Ｐｈｆが隣接する段差部Ｐｓを有する車両Ｖに用いられる段差部台枠構造ＳＳは、低床部を支える低床構造部Ｓｌｆと、高床部を支える高床構造部Ｓｈｆと、低床構造部と高床構造部とを連結する中ハリ構造部Ｓｍとを備え、低床構造部Ｓｌｆの段差部Ｐｓ寄り端部には、低床構造部の厚さと概ね同じ寸法の閉断面或いは溝形断面を有する横ハリＢｔｌが設けられ、高床構造部Ｓｈｆの段差部Ｐｓ寄り端部には、高床構造部の厚さと概ね同じ寸法の閉断面を有する横ハリＢｔｈが左右の側ハリＢｓｈ、Ｂｓｈ間の全幅に渡って設けられ、中ハリ構造部Ｓｍは、２つの横ハリＢｔｌ、Ｂｔｌとをつなぐ立面に沿うウェブＷとその上下フランジＦが中ハリの位置に設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両の段差部、さらに詳述すれば低床車や部分低床車において、床面高さが途中で切り替わる段差部に用いられる台枠構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、人に優しい、地球に優しいという乗り物が都市交通の中で求められている。この要求に対して、ライトレール車両（Ｌｉｇｈｔ Ｒａｉｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＬＲＶ）が利用されている。ライトレール車両とは、街中では路面電車として、郊外では一般の鉄道並みのスピードで走行し短時間で近郊都市間あるいは、ベッドタウンと都心とを結ぶ鉄道で、従来の路面電車とは異なる。
【０００３】
また、停留場のプラットホームから段差なしに乗降できるなどの、乗客の便宜を図るために、床面高さが概ね３００ｍｍ〜４００ｍｍ程度の低床ライトレール車両（Ｌｏｗ Ｆｌｏｏｒ Ｌｉｇｈｔ Ｒａｉｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＬＦＬＲＶ）が開発されている（例えば特許文献１）。低床ライトレール車両としては、床面上に突出した車輪部分のタイヤハウス以外の床全面が低床であるいわゆる１００％低床ライトレール車両や、駆動台車部分のみ高床として床全体の約７０％が低床であるいわゆる７０％低床ライトレール車両などが世界的には普及している。
【０００４】
図４に、いわゆる７０％低床ライトレール車両の一例（非特許文献１）を模式的に示す。同図において、低床ライトレール車両Ｖｃ１のドアＤより左側は従来の高床部Ｐｈｆであり、ドアＤより右側が低床部Ｐｌｆである。高床部Ｐｈｆは、低床部Ｐｌｆに対して所定の高さＨｓだけ高くなっている。７０％低床車両では、全床面積の約７０％がレール面上の床面高さが３５０ｍｍ程度の低床部Ｐｌｆに配置され、出入り台は低床部Ｐｌｆに設置される。高床部Ｐｈｆと低床部Ｐｌｆとの境界には段差部Ｐｓがあるが、床面の約７０％を占める低床部Ｐｌｆでは段差がないためプラットホーム越しの乗降に便利なだけでなくどの入り口からでも客室内への車椅子やベビーカーなどの出入りが容易なレイアウトを実現している（図５）。
【０００５】
そして、高床部Ｐｈｆの下部には、従来の鉄道車両で用いられている駆動台車（車輪、動力装置）が配置されている（図６（ａ））。これにより、低床構造に対応した、従来構造とは異なる駆動台車やそれにまつわる機構を新たに開発することなく、開発費を抑えると共に性能・安全性・メンテナンス性を確保している。さらに、車両がその前頭部で他の車両などと衝突する衝突時に先頭部にかかる衝撃力は、車両の連結器Ｃあるいは中ハリや側ハリを大きな長手軸力として車両の後部に向かって伝達する。図４に示すように、低床ライトレール車両Ｖｃ１には、クラッシュゾーンＺｃと非クラッシュゾーンＺｎｃとが設けられている場合がある。クラッシュゾーンＺｃは、車両がその前頭部で他の車両などと衝突する衝突時に意図的に崩壊させる領域である。クラッシュゾーンＺｃには、衝撃エネルギ吸収構造が組み込まれ、そこでの塑性ひずみエネルギにより衝撃エネルギを吸収することによって、後部客室（非クラッシュゾーンＺｎｃ）の衝撃を緩衝する。
【０００６】
７０％低床車両では、段差部Ｐｓは駆動台車よりも車両の中央寄りに位置するので、先頭部台枠に設けられた枕ハリＢｐ（台車の中央にある最も強固な台枠の横方向のハリ）は、伝達してきた長手荷重を受け止める。そして、中ハリを伝達してきた大きな長手荷重は、枕ハリＢｐの剛性により、側ハリや上部構体へも流れて、段差部Ｐｓにおける台枠中ハリの段差部の高さ偏心に起因する大きな曲げモーメントの発生を防止する。結果、段差部Ｐｓの変形を抑え、段差部Ｐｓの近傍の乗客の安全が図られる。
【０００７】
低床ライトレール車両に対する、より容易な乗降、バリアフリー化、７０％を超える低床部という要求を満たすべく、従来の駆動台車（通常台車）の代わりに、車軸のない独立車輪台車やフローティング車体などを採用して、低床部が７０％を超える低床ライトレール車両が開発されている。
【０００８】
図７に、７０％を超える低床ライトレール車両の一例を示す。同例において、低床ライトレール車両Ｖｃ２の先頭の運転席部Ｒｄが高床部Ｐｈｆであり、運転席部Ｒｄより右側が低床部Ｐｌｆである。なお、高床部Ｐｈｆの下部には、駆動台車は配置されておらず、常用連結器が配置されている。そして、低床部Ｐｌｆの低床ライトレール車両Ｖｃ２の後方側には独立車輪台車が配置されている。独立車輪台車は、車軸を有せず、駆動車輪がそれぞれ独立して車両の側部に配置されているので、低床部Ｐｌｆの床面の内、車輪の床上への突出をカバーするタイヤハウス部分以外を従来の低床ライトレール車両Ｖｃ１に比べてより低く、且つ低床部Ｐｌｆを７０％を超える範囲にすることを可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−２６７２１２号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】「鉄道ファン」、株式会社交友社、平成１１年１月１日、Vol. 39、p. 80-85
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、通常台車を用いない、客室１００％低床ライトレール車両Ｖｃ２では、段差部Ｐｓは７０％低床ライトレール車両Ｖｃ１と比べて、段差部Ｐｓが台車位置（枕ハリ）より、車端寄りに位置する。そのために、前頭衝突時に中ハリを伝わってきた長手荷重は、枕ハリの剛性により側ハリや側構体に分散されるより先に、段差部の中ハリに流れるため、高さ偏心に起因する大きな曲げモーメントを生じ、段差部Ｐｓ（段差台枠）の変形を招いてしまう。
【００１２】
より詳述すれば、１００％低床ライトレール車両では、側出入口部床面（低床部Ｐｌｆ）の高さは低いホームと同一高さでありながら、運転台部分は常用連結器を設ける都合により高床（高床部Ｐｈｆ）にならざるを得ない。そのような台枠高さの段差部分（段差部Ｐｓ）を有する台枠構体の設計時に、乗客荷重などの鉛直荷重（重力）は段差方向（鉛直方向）と平行な荷重であるので台枠構体に段差部が存在しても鉛直荷重が段差部分に直接的にモーメント荷重を誘発しないため通常大した問題とはならない。しかし、長手荷重（連結器圧縮荷重、端バリ圧縮荷重、前頭衝撃荷重などのいわゆる車端荷重）は、段差方向と直角方向の荷重であるので、台枠段差部があると台枠高さの偏心に起因する偏心モーメントを台枠構体に誘発し、この曲げモーメント値は段差量や長手荷重値によっては大きな値になるので、この偏心モーメントに抗する台枠構体を設計することが構造設計上の課題となる。
【００１３】
構造部材の寸法制約、とくに高さ方向寸法の制約が緩い場合には、大きな偏心モーメントに対しても十分抗することのできる、背丈の大きな台枠構体を設計することは比較的容易であるが、部材の高さ寸法の制約が厳しい低床ライトレール車両においては偏心モーメントに十分抗することのできる台枠構体を設計することは容易ではない。本考案はそのような寸法制約が厳しい場合に有効な解決手段を提供するものである。
【００１４】
本発明は、上記の問題に鑑み、低床ライトレール車両において、衝突時等の大きな長手荷重から段差部を保護する段差部台枠構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記のような目的を達成するために、本発明に係る段差部台枠構造は、第１の床面に対して、所定の高さだけ高い第２の床面が隣接する段差部を有する車両に用いられる段差部台枠構造であって、
第１の所定厚さを有する、前記第１の床面を支える第１の床面台枠と、
第２の所定厚さを有する、前記第２の床面を支える第２の床面台枠と、
前記第１の床面台枠と前記第２の床面台枠とを連結する中ハリ構造部とを備え、
前記第１の床面台枠の前記段差部寄り端部には、前記第１の厚さと概ね同じ寸法の閉断面或いは溝形断面を有する第１の横ハリが設けられ、
前記第２の床面台枠の前記段差部寄り端部には、前記第２の所定厚と概ね同じ寸法の閉断面を有する第２の横ハリが左右の側ハリ間の全幅に渡って設けられ、
前記中ハリ構造部は、前記第１の横ハリと前記第２の横ハリとをつなぐ立面に沿うウェブ板とその上下フランジが中ハリの位置に設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の鉄道車両の段差部台枠構造によると、低床ライトレール車両において、衝突時の衝撃荷重等の長手荷重から段差部中ハリを保護できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態に係る段差部台枠構造を示す斜視図である。
【図２】図１に示した段差部台枠構造の変形例を示す側面図である。
【図３】図１に示した段差部台枠構造の更なる変形例を示す側面図である。
【図４】従来の７０％低床ライトレール車両の一例を示す模式図である。
【図５】図４に示した７０％低床ライトレール車両のドア部分の低床部の説明図である。
【図６】図４に示した７０％低床ライトレール車両の高床部及び低床部を示す断面図である。
【図７】客室１００％低床ライトレール車両の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態に係る段差部台枠構造の１つの具体例について図１、図２、および図３を参照して説明する。なお、以下の説明は本発明の具体例であって特許請求の範囲の記載事項を限定するものではない。
【００１９】
図１に本発明の実施の形態に係る段差部台枠構造の斜視図を示す。なお、本実施の形態に係る段差部台枠構造ＳＳが用いられる低床ライトレール車両Ｖ（不図示）は、図７に示した客室１００％低床ライトレール車両Ｖｃ２であるので、客室１００％低床ライトレール車両Ｖに関して図７を流用する。
【００２０】
段差部台枠構造ＳＳは、高床部Ｐｈｆ（図７）を支える高床構造部Ｓｈｆと、低床部Ｐｌｆ（図７）を支える低床構造部Ｓｌｆとが、中ハリ構造部Ｓｍによって連結されている。中ハリ構造部Ｓｍは高床構造部Ｓｈｆおよび低床構造部Ｓｌｆに対して、それぞれ所定の角度θ１およびθ２をなしている。なお、θ１およびθ２は、９０°＜θ１＞＝θ２＜＝９０°の関係を満たす。
【００２１】
高床構造部Ｓｈｆは、中ハリ構造部Ｓｍに対して角度θ１をなして、直接接続される横ハリＢｔｈと、横ハリＢｔｈに対して垂直に接続される２本の側ハリＢｓｈ及び所定数（ｎ）の中ハリＢｍｈとで構成されている。横ハリＢｔｈは、矩形管状に形成されており、低床ライトレール車両Ｖの横幅長さに対応する所定の長さＬｗｈだけ延在している。中ハリＢｍｈは、段差部Ｐｓ（図７）から客室１００％低床ライトレール車両Ｖの先頭部に対応する所定の長さＬｈだけ延在している。
【００２２】
低床構造部Ｓｌｆは、中ハリ構造部Ｓｍに対して角度θ２をなして、直接接続される横ハリＢｔｌと、横ハリＢｔｌに対して垂直に接続される２本の側ハリＢｓｌ及び所定数（ｍ）の中ハリＢｍｌとで構成されている。横ハリＢｔｌは、横ハリＢｔｈと同様に、矩形管状に形成されており、客室１００％低床ライトレール車両Ｖの横幅長さに対応する所定の長さＬｗｌだけ延在している。中ハリＢｍｌは、段差部Ｐｓから客室１００％低床ライトレール車両Ｖの後端部に向けて所定の長さＬｌだけ延在している。
【００２３】
中ハリ構造部Ｓｍは、Ｉ状断面もしくは、横ハリＢｔｈあるいはＢｔｌを介して接続する中ハリと同じ向きの溝形断面を有して、段差部Ｐｓ（図７）の高さＨｓ（図７）に対応する所定の長さＬｍだけ延在する、所定数（ｏ）の中ハリＢｍにより構成されている。なお、図１においては、中ハリＢｍｈ、およびＢｍｌ、および中ハリＢｍ、に関しては、それぞれｎ＝ｍ＝ｏ＝２の場合が例示されているが、それらに限定されるものではなく、必要とされる強度に応じて適宜決定されることは言うまでもない。
【００２４】
７０％以上の低床ライトレール車両の一例として、１００％低床車両に用いられる台枠構体の必要条件について述べる。バリアフリー対応ライトレール車両などの客室１００％低床車両の床面高さは通常、レール上面から３００数十ｍｍ（例として３６０ｍｍ前後）であることが多い。この場合の台枠は、台枠厚みを考えると、走行時車体の物理的移動や揺れ運動による台枠下面の下方偏倚を最小限見込んだぎりぎりの高さに設定されることが多く、レール上面から台枠下面までを余裕の少ない高さに設定されるので、曲げモーメントの大きな部位のみに補強部材や補剛部材を台枠下面側に設けることはほとんど絶望的である。かといって台枠上面に補強部材や補剛部材を設けることは当該部の床面高さを損ねて１００％低床にならなくなるため、これも実際には困難である。
【００２５】
一方１００％低床車両といえども複数車両を連結運転するためには連結器を装備する要求がある。連結器自体の高さ寸法はその機械連結器部分と電気連結器部分を含めると背丈が５００ｍｍ以上の高さを必要とする場合が多い。１００％低床車両の客室部分の台枠下面高さは通常数十ｍｍ〜１００数十ｍｍであることが多く、到底５００ｍｍ以上の高さを有する連結器を収納できる高さ的余裕はない。そのため必然的に連結器装備部分の床面高さはたとえば７００ｍｍ〜１０００ｍｍといった高床にせざるを得ない。この結果、客室床面高さ３００数十ｍｍと連結器装備部分床面高さ７００〜１０００ｍｍの段差量が３００〜６００ｍｍ程度生じる。
【００２６】
端バリ圧縮荷重、連結器圧縮荷重、前頭衝撃荷重などの長手荷重が前頭部に作用した際に、連結器後部に存在する段差台枠部の長手縦通部材を大きな軸力が伝達する。このときに高さ偏心量に起因する曲げモーメントが段差部分に発生し、それに耐えられるだけの長手部材、具体的には中ハリ、側ハリなどの断面形状や周りの構造との接合方法を背丈が低い断面のままで設計することが解決のカギとなる。
【００２７】
上述の観点より、本発明に係る段差部台枠構造ＳＳを７０％以上の低床ライトレール車両に適用した場合の効果について述べる。台枠は乗客等の床面荷重（鉛直方向荷重）を直接支持し、その床面荷重は台枠の横ハリＢｔｈ、Ｂｔｌ等の横ハリを経由して台枠左右の側ハリＢｓｈ、Ｂｓｌに伝わり、側ハリＢｓｈ、Ｂｓｌは同一面内にある側構体で支持される。側構体は鉛直面内剛性が大きいので台枠側ハリＢｓｈ、Ｂｓｌの台枠面外方向（天地方向）の変形を抑えることができる。車端部に作用する端バリ圧縮荷重や連結器圧縮荷重のような長手荷重は、台枠長手部材である中ハリＢｍｈ、Ｂｍ、Ｂｍｌや側ハリＢｓｈ、Ｂｓｌを伝達して支持されるが、この内、側ハリＢｓｈ、Ｂｓｌは側構体と同一面内に存在するので、側ハリに段差部分が存在してそこに大きな曲げモーメントが発生しても、側構体の面内剛性で側ハリの変形を拘束支持するように設計できる。
【００２８】
一方の中ハリＢｍｈ、Ｂｍ、Ｂｍｌは側構体とは離れた位置にあり、台枠の面外方向には他の構造体により支持されていないため変位しやすく、中ハリ途中に段差部分が存在すると大きな曲げモーメントにより台枠面外方向（天地方向）へ動きやすいため中ハリ段差部に大きな応力を生じ塑性変形しやすい。
【００２９】
以上のことから台枠高さの段差部分において生じる大きなモーメント荷重に対しては、側ハリＢｓｈ、Ｂｓｌは側構体の面内剛性により支持させられるので、側構体の支持剛性を十分確保して、局部的な側外板の座屈変形や側構体骨部材の局部高応力が発生しないように工夫すればよい。中ハリＢｍｈ、Ｂｍ、Ｂｍｌは、それだけで段差部分の大きな曲げモーメントに耐えるためには、段差部分の前後を背丈の大きな中ハリで強固にすることが必要となるが、現実には高さ寸法の制約があるので背の高い中ハリにはできない。そのため中ハリに作用する大きな曲げモーメントを中ハリだけで支持するのではなく、横ハリＢｔｈ、Ｂｔｌを経由して側ハリＢｓｈ、Ｂｓｌに伝えて逃がし、中ハリ段差部の曲げモーメントのかなりのパーセンテージを側構体で支持することが効果的である。中ハリのモーメント荷重は中ハリＢｍｈ、Ｂｍ、Ｂｍｌと側ハリＢｓｈ、Ｂｓｌをつなぐ横ハリＢｔｈ、Ｂｔｌにおいてはねじり荷重となるので、横ハリＢｔｈ、Ｂｔｌはねじり剛性が高い設計とすることが効果的である。
【００３０】
一般に７０％低床ライトレール車両であっても客室１００％低床ライトレール車両であっても、前頭衝突時の衝撃力から客室を保護する方策としては２通りの考え方がある。ひとつは前頭部を強固で高剛性な構造にし、衝撃力が作用しても容易に崩壊しない構造とするやり方である。この場合は、生存空間は保護されて押し潰されにくくなるが、客室の加減速度が大きくなる。もうひとつは前頭部の車端台枠に衝撃エネルギ吸収要素を組み込んで、そこをクラッシャブルゾーンとして意図的に崩壊させることにより、後部客室の加減速度を低減し、同時に客室空間を保護するやり方である。いずれの場合においても、長手方向軸力が段差部Ｐｓを伝わる際に高さ偏心に起因して大きな曲げモーメントを生じるので、それに抗することのできる段差部台枠構造ＳＳを考案し提供するものである。
【００３１】
衝突エネルギ吸収構造について具体的に述べる。最近の鉄道車両では前面衝突事故対策としての衝突安全性の観点から、前頭部衝撃エネルギ吸収構造が要求されることが増えてきている。とりわけ路面電車やライトレール車両のような市内交通車両では専用軌道上だけでなく道路での運行もするために、自動車との衝突や続行運転に起因する列車同士の追突に対する衝突安全性の観点から、前頭部衝撃エネルギ吸収構造を装備することが非常に大きな効果を有する。衝撃エネルギ吸収構造を組み込んで、限定された範囲の台枠構体を意図的に崩壊させて、そこでの塑性ひずみエネルギにより衝撃エネルギを吸収し、後部客室の衝撃を緩衝するための領域をクラッシュゾーンと呼ぶ。
【００３２】
車体の衝撃吸収構造自体は、適切な荷重一ストローク特性を持つ衝撃エネルギ吸収要素を前頭部台枠構体クラッシュゾーンに組み込むことにより達成できる。しかし、衝撃エネルギ吸収要素が変形開始する際には、長手ピーク荷重すなわち大きな反力が後部の乗客領域（非破壊領域：低床部Ｐｌｆ（図７））に作用するので、このときの大きなピーク荷重に対して後部の乗客領域（非破壊領域：低床部Ｐｌｆ（図７））の台枠構体が塑性変形せずに耐える必要がある。
【００３３】
一方、鉄道車両の前頭構造には、クラッシュゾーンを変形させるほどのエネルギ吸収が不要な軽微な長手衝撃や、車両同士の連結時などの常用的な衝撃荷重に対しては、クラッシュゾーン自身が全く塑性変形してはならないという必要条件もある。つまり、衝撃エネルギ吸収構造を組み込んだクラッシュゾーンは、それらの軽微な衝撃荷重に対しては全く塑性変形を起こしてはならず、かつそれを超えた過大な荷重に対してはできるかぎり低い荷重で吸収要素が塑性変形してエネルギ吸収しなければならない。この相反する荷重条件を両立させることが鉄道車両前頭構体の衝撃吸収構造設計の主要課題である。
【００３４】
発明者は、従来の前頭部衝撃エネルギ吸収構造の研究の結果、衝撃エネルギ吸収要素が塑性変形してはならない軽微な長手荷重値（仕様値）に関して、同じ衝撃エネルギ吸収要素が塑性変形を開始する際の長手ピーク荷重の最小値は、塑性変形してはいけない軽微な荷重値の約２．２〜２．４倍になるとの知見を得た（鹿島純、外３名、「１０１０ 衝撃吸収型鉄道車両構体の非破壊領域に作用する長手荷重の予測」、関西支部第７９期定時講演会講演論文集、社団法人日本機械学会、２００４年３月１７日、Ｎｏ．０４４−１、ｐ．１０−２３〜１０−２４）。例えば、軽微な衝撃に対してクラッシュゾーンが塑性変形してはならない最大荷重値を５０トンとすれば、そのクラッシュゾーンが塑性変形を開始する最小荷重値は約１１０〜１２０トンになる。５０トン負荷時にすべての部材が耐力以下であるように設計された構造物が大きな塑性変形を開始する荷重値は、概ね１１０〜１２０トン以上になることが経験上判っている。
【００３５】
このようにクラッシュゾーンを設けた場合の後部客室領域（非破壊領域：低床部Ｐｌｆ（図７））は、前頭部が被る軽微な長手荷重値（衝撃吸収要素が塑性変形してはならない荷重値）ではなく、クラッシュゾーンが塑性変形を開始する最小荷重値以上の大きな長手荷重に対して塑性変形しないような構造に構成される必要がある。
【００３６】
上述の考察に基づき、本発明の本実施の形態に係る段差部台枠構造ＳＳは以下のごとく要約される。床面高さが異なる段差部Ｐｓを有する鉄道車両に用いられる段差部台枠は、高床部Ｐｈｆの後端に概ね高床部台枠厚み程度（高床部台枠厚みの約０．８〜１．５倍）の寸法を持つ閉断面の横ハリＢｔｈが左右側ハリＢｓｈ、Ｂｓｈ間の全幅にわたって設けられている。低床部Ｐｌｆの前端には概ね低床部台枠厚み程度（低床部台枠厚みの約０．８〜１．５倍）の閉断面を持つ横ハリＢｔｌもしくは溝形断面を持つ横ハリＢｔｌが設けられている。高床部Ｐｈｆの後端の閉断面横ハリＢｔｈと低床前端の横ハリＢｔｌとをつなぐ立面内ウェブＷとその上下フランジＦが中ハリＢｍｈ、Ｂｍｌの位置に合わせて設けられて構成されている。
【００３７】
上述の如く構成された段差部台枠構造ＳＳは以下に述べる特徴を有する。つまり、鉄道車両の鋼製台枠厚みは概ね１５０ｍｍ前後である場合が多い。この台枠厚み以下の小さな段差部であれば、長手部材の軸力により高さ偏心量に起因して生じる段差部の曲げモーメントは大きくならないので、段差部台枠構造ＳＳでなくとも断面形状に段差を設ける等の手段により比較的容易に構成できる。
【００３８】
しかし台枠厚みを大きく超えるような段差部を持つ台枠において、とくに周りに支持部材を持たない中ハリＢｍｈ、Ｂｍ、Ｂｍｌの段差部においては、中ハリＢｍｈ、Ｂｍ、Ｂｍｌを伝達する長手軸力により、段差部に大きな曲げモーメントを生じるので、大きな曲げモーメントに耐えられる段差部台枠構造が必要となる。また高床部台枠、低床部台枠とも部材背丈の制約が厳しく、各々の台枠厚み以上の背丈の補強は設けられない場合の解決手段を段差部台枠構造ＳＳは提供している。
【００３９】
なお、中ハリＢｍｈ、Ｂｍ、Ｂｍｌに沿う段差部曲げモーメントは、枕木方向の軸回りの回転である。この回転モーメントを抑制するために、高床後端の横ハリＢｔｈを閉断面とすることでねじり剛性を大きくして中ハリＢｍｈ、Ｂｍ、Ｂｍｌを流れようとする回転モーメントをできる限り側ハリＢｓｈ、Ｂｓｌに流れやすくしている。このことにより高床部中ハリＢｍｈから低床部中ハリＢｍｌに流れる曲げモーメントを低減して、荷重を側構体に流している。
【００４０】
また、高床後端の横ハリＢｔｈを閉断面にしてねじり剛性を向上しているとはいえ、背丈の小さい閉断面部材ではねじり剛性に限界があるので、それだけで当該部の強度と剛性を確保するには不十分である。そこで高床後端の横ハリＢｔｈからフランジ付きのウェブＷの腕を斜め下方に付き出して、その先端に低床前端の横ハリＢｔｌをつなぐことにより、高床後端の横ハリＢｔｈがモーメントにより回転変位しようとするのをウェブＷの腕の先端で押さえ込むことができる。ウェブＷの腕の先は低床前端横ハリＢｔｌにつながっているため、その位置での並進変位は容易に拘束される。
【００４１】
反対に、低床前端の横ハリＢｔｌが曲げモーメントにより回転変位しようとしたときには、同じウェブＷの腕が高床後端で拘束されるので、腕は回転がし難い。よって、低床前端の横ハリＢｔｌが回転変位を困難にする。
【００４２】
また、ウェブＷにフランジＦを設けることにより、横ハリＢｔｈ、Ｂｔｌを中心として回転しようとするウェブＷ先端に拘束力が作用したときに、ウェブＷに曲げモーメントが発生するので、その曲げモーメントでウェブＷ外端に生じる曲げ応力を低減することができ、同時に腕の曲げ剛性を向上させることができる。
【００４３】
段差部台枠構造ＳＳはさらに、高床構造部Ｓｈｆにエネルギ吸収要素が設けられて構成されていてもよい。一般に、車端台枠に設けられた衝撃(エネルギ)吸収要素が作動する際、すなわち大きく塑性変形し始める際の反力値は結構大きく、その衝撃吸収要素が大きく変形しないで耐力以下に収まる限界長手荷重の２．２〜２．４倍以上の長手力となる。段差部台枠構造ＳＳにおいては、衝突時の大きな反力を生じる衝撃吸収要素のすぐ後方に段差部を設けることにより、背丈の低いままの台枠寸法で大きな長手力を段差部を経由して後部台枠に伝達できる。
【００４４】
図２に、上述の段差部台枠構造ＳＳの変形例である段差部台枠構造ＳＳ‘を示す。段差部台枠構造ＳＳ‘においては、段差部台枠構造ＳＳとは異なり、低床床面と高床床面との中間高さ位置に、低床部Ｐｌｆ（図７）と高床部Ｐｈｆ（図７）の段差部Ｐｓ（図７）に設ける室内階段の支持骨組を兼ねる横ハリＢｔ‘が設けられている。このように構成すると、台枠に段差部を設けることにより客室にも生じる段差部を乗客や乗務員が歩行する際に歩行可能な階段を実現できる。床面の段差量が階段１段以下の小さな段差量であれば、中段を設けることなく床面段差部に１段だけの階段を設けることができる。段差量が大きくて２段以上の階段にする必要がある場合、中段を支持する骨組（床根太）を用いる。
【００４５】
図３に、上述の段差部台枠構造ＳＳの他の変形例である段差部台枠構造ＳＳ“を示す。段差部台枠構造ＳＳ“においては、段差部台枠構造ＳＳとは異なり、中段を支持する骨組（床根太）を段差台枠の高床後端横ハリＢｔｈから伸びた腕Ｂｍ“、すなわち中ハリ位置のウェブＷのフランジを大きく展開したもので兼ねるようにすることにより、中段の支持構造にすることができる。このように構成すると、段差部の中ハリ回転モーメントをより多く側構体に流すことが可能となり、腕の剛性を向上させることができるので、より段差部の応力と変位を抑制することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、段差部を有する低床ライトレール車両の台枠に利用できる。
【符号の説明】
【００４７】
Ｖ、Ｖｃ１、Ｖｃ２ 低床ライトレール車両
Ｐｈｆ 高床部
Ｐｌｆ 低床部
Ｐｓ 段差部
ＳＳ、ＳＳ‘、ＳＳ“ 段差部台枠構造
Ｓｈｆ 高床構造部
Ｓｌｆ 低床構造部
Ｓｍ 中ハリ構造部
Ｂｔｈ、Ｂｔｌ、Ｂｔ‘、Ｂｔ“ 横ハリ
Ｂｓｈ、Ｂｓｌ 側ハリ
Ｂｍｈ、Ｂｍ、Ｂｍｌ、Ｂｍ‘、Ｂｍ“ 中ハリ
Ｗ ウェブ
Ｆ フランジ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両の段差部、さらに詳述すれば低床車や部分低床車において、床面高さが途中で切り替わる段差部に用いられる台枠構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、人に優しい、地球に優しいという乗り物が都市交通の中で求められている。この要求に対して、ライトレール車両（Ｌｉｇｈｔ Ｒａｉｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＬＲＶ）が利用されている。ライトレール車両とは、街中では路面電車として、郊外では一般の鉄道並みのスピードで走行し短時間で近郊都市間あるいは、ベッドタウンと都心とを結ぶ鉄道で、従来の路面電車とは異なる。
【０００３】
また、停留場のプラットホームから段差なしに乗降できるなどの、乗客の便宜を図るために、床面高さが概ね３００ｍｍ〜４００ｍｍ程度の低床ライトレール車両（Ｌｏｗ Ｆｌｏｏｒ Ｌｉｇｈｔ Ｒａｉｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＬＦＬＲＶ）が開発されている（例えば特許文献１）。低床ライトレール車両としては、床面上に突出した車輪部分のタイヤハウス以外の床全面が低床であるいわゆる１００％低床ライトレール車両や、駆動台車部分のみ高床として床全体の約７０％が低床であるいわゆる７０％低床ライトレール車両などが世界的には普及している。
【０００４】
図４に、いわゆる７０％低床ライトレール車両の一例（非特許文献１）を模式的に示す。同図において、低床ライトレール車両Ｖｃ１のドアＤより左側は従来の高床部Ｐｈｆであり、ドアＤより右側が低床部Ｐｌｆである。高床部Ｐｈｆは、低床部Ｐｌｆに対して所定の高さＨｓだけ高くなっている。７０％低床車両では、全床面積の約７０％がレール面上の床面高さが３５０ｍｍ程度の低床部Ｐｌｆに配置され、出入り台は低床部Ｐｌｆに設置される。高床部Ｐｈｆと低床部Ｐｌｆとの境界には段差部Ｐｓがあるが、床面の約７０％を占める低床部Ｐｌｆでは段差がないためプラットホーム越しの乗降に便利なだけでなくどの入り口からでも客室内への車椅子やベビーカーなどの出入りが容易なレイアウトを実現している（図５）。
【０００５】
そして、高床部Ｐｈｆの下部には、従来の鉄道車両で用いられている駆動台車（車輪、動力装置）が配置されている（図６（ａ））。これにより、低床構造に対応した、従来構造とは異なる駆動台車やそれにまつわる機構を新たに開発することなく、開発費を抑えると共に性能・安全性・メンテナンス性を確保している。さらに、車両がその前頭部で他の車両などと衝突する衝突時に先頭部にかかる衝撃力は、車両の連結器Ｃあるいは中ハリや側ハリを大きな長手軸力として車両の後部に向かって伝達する。図４に示すように、低床ライトレール車両Ｖｃ１には、クラッシュゾーンＺｃと非クラッシュゾーンＺｎｃとが設けられている場合がある。クラッシュゾーンＺｃは、車両がその前頭部で他の車両などと衝突する衝突時に意図的に崩壊させる領域である。クラッシュゾーンＺｃには、衝撃エネルギ吸収構造が組み込まれ、そこでの塑性ひずみエネルギにより衝撃エネルギを吸収することによって、後部客室（非クラッシュゾーンＺｎｃ）の衝撃を緩衝する。
【０００６】
７０％低床車両では、段差部Ｐｓは駆動台車よりも車両の中央寄りに位置するので、先頭部台枠に設けられた枕ハリＢｐ（台車の中央にある最も強固な台枠の横方向のハリ）は、伝達してきた長手荷重を受け止める。そして、中ハリを伝達してきた大きな長手荷重は、枕ハリＢｐの剛性により、側ハリや上部構体へも流れて、段差部Ｐｓにおける台枠中ハリの段差部の高さ偏心に起因する大きな曲げモーメントの発生を防止する。結果、段差部Ｐｓの変形を抑え、段差部Ｐｓの近傍の乗客の安全が図られる。
【０００７】
低床ライトレール車両に対する、より容易な乗降、バリアフリー化、７０％を超える低床部という要求を満たすべく、従来の駆動台車（通常台車）の代わりに、車軸のない独立車輪台車やフローティング車体などを採用して、低床部が７０％を超える低床ライトレール車両が開発されている。
【０００８】
図７に、７０％を超える低床ライトレール車両の一例を示す。同例において、低床ライトレール車両Ｖｃ２の先頭の運転席部Ｒｄが高床部Ｐｈｆであり、運転席部Ｒｄより右側が低床部Ｐｌｆである。なお、高床部Ｐｈｆの下部には、駆動台車は配置されておらず、常用連結器が配置されている。そして、低床部Ｐｌｆの低床ライトレール車両Ｖｃ２の後方側には独立車輪台車が配置されている。独立車輪台車は、車軸を有せず、駆動車輪がそれぞれ独立して車両の側部に配置されているので、低床部Ｐｌｆの床面の内、車輪の床上への突出をカバーするタイヤハウス部分以外を従来の低床ライトレール車両Ｖｃ１に比べてより低く、且つ低床部Ｐｌｆを７０％を超える範囲にすることを可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−２６７２１２号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】「鉄道ファン」、株式会社交友社、平成１１年１月１日、Vol. 39、p. 80-85
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、通常台車を用いない、客室１００％低床ライトレール車両Ｖｃ２では、段差部Ｐｓは７０％低床ライトレール車両Ｖｃ１と比べて、段差部Ｐｓが台車位置（枕ハリ）より、車端寄りに位置する。そのために、前頭衝突時に中ハリを伝わってきた長手荷重は、枕ハリの剛性により側ハリや側構体に分散されるより先に、段差部の中ハリに流れるため、高さ偏心に起因する大きな曲げモーメントを生じ、段差部Ｐｓ（段差台枠）の変形を招いてしまう。
【００１２】
より詳述すれば、１００％低床ライトレール車両では、側出入口部床面（低床部Ｐｌｆ）の高さは低いホームと同一高さでありながら、運転台部分は常用連結器を設ける都合により高床（高床部Ｐｈｆ）にならざるを得ない。そのような台枠高さの段差部分（段差部Ｐｓ）を有する台枠構体の設計時に、乗客荷重などの鉛直荷重（重力）は段差方向（鉛直方向）と平行な荷重であるので台枠構体に段差部が存在しても鉛直荷重が段差部分に直接的にモーメント荷重を誘発しないため通常大した問題とはならない。しかし、長手荷重（連結器圧縮荷重、端バリ圧縮荷重、前頭衝撃荷重などのいわゆる車端荷重）は、段差方向と直角方向の荷重であるので、台枠段差部があると台枠高さの偏心に起因する偏心モーメントを台枠構体に誘発し、この曲げモーメント値は段差量や長手荷重値によっては大きな値になるので、この偏心モーメントに抗する台枠構体を設計することが構造設計上の課題となる。
【００１３】
構造部材の寸法制約、とくに高さ方向寸法の制約が緩い場合には、大きな偏心モーメントに対しても十分抗することのできる、背丈の大きな台枠構体を設計することは比較的容易であるが、部材の高さ寸法の制約が厳しい低床ライトレール車両においては偏心モーメントに十分抗することのできる台枠構体を設計することは容易ではない。本考案はそのような寸法制約が厳しい場合に有効な解決手段を提供するものである。
【００１４】
本発明は、上記の問題に鑑み、低床ライトレール車両において、衝突時等の大きな長手荷重から段差部を保護する段差部台枠構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記のような目的を達成するために、本発明に係る段差部台枠構造は、第１の床面に対して、所定の高さだけ高い第２の床面が隣接する段差部を有する車両に用いられる段差部台枠構造であって、
第１の所定厚さを有する、前記第１の床面を支える第１の床面台枠と、
第２の所定厚さを有する、前記第２の床面を支える第２の床面台枠と、
前記第１の床面台枠と前記第２の床面台枠とを連結する中ハリ構造部とを備え、
前記第１の床面台枠の前記段差部寄り端部には、前記第１の厚さと概ね同じ寸法の閉断面或いは溝形断面を有する第１の横ハリが設けられ、
前記第２の床面台枠の前記段差部寄り端部には、前記第２の所定厚と概ね同じ寸法の閉断面を有する第２の横ハリが左右の側ハリ間の全幅に渡って設けられ、
前記中ハリ構造部は、前記第１の横ハリと前記第２の横ハリとをつなぐ立面に沿うウェブ板とその上下フランジが中ハリの位置に設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の鉄道車両の段差部台枠構造によると、低床ライトレール車両において、衝突時の衝撃荷重等の長手荷重から段差部中ハリを保護できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態に係る段差部台枠構造を示す斜視図である。
【図２】図１に示した段差部台枠構造の変形例を示す側面図である。
【図３】図１に示した段差部台枠構造の更なる変形例を示す側面図である。
【図４】従来の７０％低床ライトレール車両の一例を示す模式図である。
【図５】図４に示した７０％低床ライトレール車両のドア部分の低床部の説明図である。
【図６】図４に示した７０％低床ライトレール車両の高床部及び低床部を示す断面図である。
【図７】客室１００％低床ライトレール車両の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態に係る段差部台枠構造の１つの具体例について図１、図２、および図３を参照して説明する。なお、以下の説明は本発明の具体例であって特許請求の範囲の記載事項を限定するものではない。
【００１９】
図１に本発明の実施の形態に係る段差部台枠構造の斜視図を示す。なお、本実施の形態に係る段差部台枠構造ＳＳが用いられる低床ライトレール車両Ｖ（不図示）は、図７に示した客室１００％低床ライトレール車両Ｖｃ２であるので、客室１００％低床ライトレール車両Ｖに関して図７を流用する。
【００２０】
段差部台枠構造ＳＳは、高床部Ｐｈｆ（図７）を支える高床構造部Ｓｈｆと、低床部Ｐｌｆ（図７）を支える低床構造部Ｓｌｆとが、中ハリ構造部Ｓｍによって連結されている。中ハリ構造部Ｓｍは高床構造部Ｓｈｆおよび低床構造部Ｓｌｆに対して、それぞれ所定の角度θ１およびθ２をなしている。なお、θ１およびθ２は、９０°＜θ１＞＝θ２＜＝９０°の関係を満たす。
【００２１】
高床構造部Ｓｈｆは、中ハリ構造部Ｓｍに対して角度θ１をなして、直接接続される横ハリＢｔｈと、横ハリＢｔｈに対して垂直に接続される２本の側ハリＢｓｈ及び所定数（ｎ）の中ハリＢｍｈとで構成されている。横ハリＢｔｈは、矩形管状に形成されており、低床ライトレール車両Ｖの横幅長さに対応する所定の長さＬｗｈだけ延在している。中ハリＢｍｈは、段差部Ｐｓ（図７）から客室１００％低床ライトレール車両Ｖの先頭部に対応する所定の長さＬｈだけ延在している。
【００２２】
低床構造部Ｓｌｆは、中ハリ構造部Ｓｍに対して角度θ２をなして、直接接続される横ハリＢｔｌと、横ハリＢｔｌに対して垂直に接続される２本の側ハリＢｓｌ及び所定数（ｍ）の中ハリＢｍｌとで構成されている。横ハリＢｔｌは、横ハリＢｔｈと同様に、矩形管状に形成されており、客室１００％低床ライトレール車両Ｖの横幅長さに対応する所定の長さＬｗｌだけ延在している。中ハリＢｍｌは、段差部Ｐｓから客室１００％低床ライトレール車両Ｖの後端部に向けて所定の長さＬｌだけ延在している。
【００２３】
中ハリ構造部Ｓｍは、Ｉ状断面もしくは、横ハリＢｔｈあるいはＢｔｌを介して接続する中ハリと同じ向きの溝形断面を有して、段差部Ｐｓ（図７）の高さＨｓ（図７）に対応する所定の長さＬｍだけ延在する、所定数（ｏ）の中ハリＢｍにより構成されている。なお、図１においては、中ハリＢｍｈ、およびＢｍｌ、および中ハリＢｍ、に関しては、それぞれｎ＝ｍ＝ｏ＝２の場合が例示されているが、それらに限定されるものではなく、必要とされる強度に応じて適宜決定されることは言うまでもない。
【００２４】
７０％以上の低床ライトレール車両の一例として、１００％低床車両に用いられる台枠構体の必要条件について述べる。バリアフリー対応ライトレール車両などの客室１００％低床車両の床面高さは通常、レール上面から３００数十ｍｍ（例として３６０ｍｍ前後）であることが多い。この場合の台枠は、台枠厚みを考えると、走行時車体の物理的移動や揺れ運動による台枠下面の下方偏倚を最小限見込んだぎりぎりの高さに設定されることが多く、レール上面から台枠下面までを余裕の少ない高さに設定されるので、曲げモーメントの大きな部位のみに補強部材や補剛部材を台枠下面側に設けることはほとんど絶望的である。かといって台枠上面に補強部材や補剛部材を設けることは当該部の床面高さを損ねて１００％低床にならなくなるため、これも実際には困難である。
【００２５】
一方１００％低床車両といえども複数車両を連結運転するためには連結器を装備する要求がある。連結器自体の高さ寸法はその機械連結器部分と電気連結器部分を含めると背丈が５００ｍｍ以上の高さを必要とする場合が多い。１００％低床車両の客室部分の台枠下面高さは通常数十ｍｍ〜１００数十ｍｍであることが多く、到底５００ｍｍ以上の高さを有する連結器を収納できる高さ的余裕はない。そのため必然的に連結器装備部分の床面高さはたとえば７００ｍｍ〜１０００ｍｍといった高床にせざるを得ない。この結果、客室床面高さ３００数十ｍｍと連結器装備部分床面高さ７００〜１０００ｍｍの段差量が３００〜６００ｍｍ程度生じる。
【００２６】
端バリ圧縮荷重、連結器圧縮荷重、前頭衝撃荷重などの長手荷重が前頭部に作用した際に、連結器後部に存在する段差台枠部の長手縦通部材を大きな軸力が伝達する。このときに高さ偏心量に起因する曲げモーメントが段差部分に発生し、それに耐えられるだけの長手部材、具体的には中ハリ、側ハリなどの断面形状や周りの構造との接合方法を背丈が低い断面のままで設計することが解決のカギとなる。
【００２７】
上述の観点より、本発明に係る段差部台枠構造ＳＳを７０％以上の低床ライトレール車両に適用した場合の効果について述べる。台枠は乗客等の床面荷重（鉛直方向荷重）を直接支持し、その床面荷重は台枠の横ハリＢｔｈ、Ｂｔｌ等の横ハリを経由して台枠左右の側ハリＢｓｈ、Ｂｓｌに伝わり、側ハリＢｓｈ、Ｂｓｌは同一面内にある側構体で支持される。側構体は鉛直面内剛性が大きいので台枠側ハリＢｓｈ、Ｂｓｌの台枠面外方向（天地方向）の変形を抑えることができる。車端部に作用する端バリ圧縮荷重や連結器圧縮荷重のような長手荷重は、台枠長手部材である中ハリＢｍｈ、Ｂｍ、Ｂｍｌや側ハリＢｓｈ、Ｂｓｌを伝達して支持されるが、この内、側ハリＢｓｈ、Ｂｓｌは側構体と同一面内に存在するので、側ハリに段差部分が存在してそこに大きな曲げモーメントが発生しても、側構体の面内剛性で側ハリの変形を拘束支持するように設計できる。
【００２８】
一方の中ハリＢｍｈ、Ｂｍ、Ｂｍｌは側構体とは離れた位置にあり、台枠の面外方向には他の構造体により支持されていないため変位しやすく、中ハリ途中に段差部分が存在すると大きな曲げモーメントにより台枠面外方向（天地方向）へ動きやすいため中ハリ段差部に大きな応力を生じ塑性変形しやすい。
【００２９】
以上のことから台枠高さの段差部分において生じる大きなモーメント荷重に対しては、側ハリＢｓｈ、Ｂｓｌは側構体の面内剛性により支持させられるので、側構体の支持剛性を十分確保して、局部的な側外板の座屈変形や側構体骨部材の局部高応力が発生しないように工夫すればよい。中ハリＢｍｈ、Ｂｍ、Ｂｍｌは、それだけで段差部分の大きな曲げモーメントに耐えるためには、段差部分の前後を背丈の大きな中ハリで強固にすることが必要となるが、現実には高さ寸法の制約があるので背の高い中ハリにはできない。そのため中ハリに作用する大きな曲げモーメントを中ハリだけで支持するのではなく、横ハリＢｔｈ、Ｂｔｌを経由して側ハリＢｓｈ、Ｂｓｌに伝えて逃がし、中ハリ段差部の曲げモーメントのかなりのパーセンテージを側構体で支持することが効果的である。中ハリのモーメント荷重は中ハリＢｍｈ、Ｂｍ、Ｂｍｌと側ハリＢｓｈ、Ｂｓｌをつなぐ横ハリＢｔｈ、Ｂｔｌにおいてはねじり荷重となるので、横ハリＢｔｈ、Ｂｔｌはねじり剛性が高い設計とすることが効果的である。
【００３０】
一般に７０％低床ライトレール車両であっても客室１００％低床ライトレール車両であっても、前頭衝突時の衝撃力から客室を保護する方策としては２通りの考え方がある。ひとつは前頭部を強固で高剛性な構造にし、衝撃力が作用しても容易に崩壊しない構造とするやり方である。この場合は、生存空間は保護されて押し潰されにくくなるが、客室の加減速度が大きくなる。もうひとつは前頭部の車端台枠に衝撃エネルギ吸収要素を組み込んで、そこをクラッシャブルゾーンとして意図的に崩壊させることにより、後部客室の加減速度を低減し、同時に客室空間を保護するやり方である。いずれの場合においても、長手方向軸力が段差部Ｐｓを伝わる際に高さ偏心に起因して大きな曲げモーメントを生じるので、それに抗することのできる段差部台枠構造ＳＳを考案し提供するものである。
【００３１】
衝突エネルギ吸収構造について具体的に述べる。最近の鉄道車両では前面衝突事故対策としての衝突安全性の観点から、前頭部衝撃エネルギ吸収構造が要求されることが増えてきている。とりわけ路面電車やライトレール車両のような市内交通車両では専用軌道上だけでなく道路での運行もするために、自動車との衝突や続行運転に起因する列車同士の追突に対する衝突安全性の観点から、前頭部衝撃エネルギ吸収構造を装備することが非常に大きな効果を有する。衝撃エネルギ吸収構造を組み込んで、限定された範囲の台枠構体を意図的に崩壊させて、そこでの塑性ひずみエネルギにより衝撃エネルギを吸収し、後部客室の衝撃を緩衝するための領域をクラッシュゾーンと呼ぶ。
【００３２】
車体の衝撃吸収構造自体は、適切な荷重一ストローク特性を持つ衝撃エネルギ吸収要素を前頭部台枠構体クラッシュゾーンに組み込むことにより達成できる。しかし、衝撃エネルギ吸収要素が変形開始する際には、長手ピーク荷重すなわち大きな反力が後部の乗客領域（非破壊領域：低床部Ｐｌｆ（図７））に作用するので、このときの大きなピーク荷重に対して後部の乗客領域（非破壊領域：低床部Ｐｌｆ（図７））の台枠構体が塑性変形せずに耐える必要がある。
【００３３】
一方、鉄道車両の前頭構造には、クラッシュゾーンを変形させるほどのエネルギ吸収が不要な軽微な長手衝撃や、車両同士の連結時などの常用的な衝撃荷重に対しては、クラッシュゾーン自身が全く塑性変形してはならないという必要条件もある。つまり、衝撃エネルギ吸収構造を組み込んだクラッシュゾーンは、それらの軽微な衝撃荷重に対しては全く塑性変形を起こしてはならず、かつそれを超えた過大な荷重に対してはできるかぎり低い荷重で吸収要素が塑性変形してエネルギ吸収しなければならない。この相反する荷重条件を両立させることが鉄道車両前頭構体の衝撃吸収構造設計の主要課題である。
【００３４】
発明者は、従来の前頭部衝撃エネルギ吸収構造の研究の結果、衝撃エネルギ吸収要素が塑性変形してはならない軽微な長手荷重値（仕様値）に関して、同じ衝撃エネルギ吸収要素が塑性変形を開始する際の長手ピーク荷重の最小値は、塑性変形してはいけない軽微な荷重値の約２．２〜２．４倍になるとの知見を得た（鹿島純、外３名、「１０１０ 衝撃吸収型鉄道車両構体の非破壊領域に作用する長手荷重の予測」、関西支部第７９期定時講演会講演論文集、社団法人日本機械学会、２００４年３月１７日、Ｎｏ．０４４−１、ｐ．１０−２３〜１０−２４）。例えば、軽微な衝撃に対してクラッシュゾーンが塑性変形してはならない最大荷重値を５０トンとすれば、そのクラッシュゾーンが塑性変形を開始する最小荷重値は約１１０〜１２０トンになる。５０トン負荷時にすべての部材が耐力以下であるように設計された構造物が大きな塑性変形を開始する荷重値は、概ね１１０〜１２０トン以上になることが経験上判っている。
【００３５】
このようにクラッシュゾーンを設けた場合の後部客室領域（非破壊領域：低床部Ｐｌｆ（図７））は、前頭部が被る軽微な長手荷重値（衝撃吸収要素が塑性変形してはならない荷重値）ではなく、クラッシュゾーンが塑性変形を開始する最小荷重値以上の大きな長手荷重に対して塑性変形しないような構造に構成される必要がある。
【００３６】
上述の考察に基づき、本発明の本実施の形態に係る段差部台枠構造ＳＳは以下のごとく要約される。床面高さが異なる段差部Ｐｓを有する鉄道車両に用いられる段差部台枠は、高床部Ｐｈｆの後端に概ね高床部台枠厚み程度（高床部台枠厚みの約０．８〜１．５倍）の寸法を持つ閉断面の横ハリＢｔｈが左右側ハリＢｓｈ、Ｂｓｈ間の全幅にわたって設けられている。低床部Ｐｌｆの前端には概ね低床部台枠厚み程度（低床部台枠厚みの約０．８〜１．５倍）の閉断面を持つ横ハリＢｔｌもしくは溝形断面を持つ横ハリＢｔｌが設けられている。高床部Ｐｈｆの後端の閉断面横ハリＢｔｈと低床前端の横ハリＢｔｌとをつなぐ立面内ウェブＷとその上下フランジＦが中ハリＢｍｈ、Ｂｍｌの位置に合わせて設けられて構成されている。
【００３７】
上述の如く構成された段差部台枠構造ＳＳは以下に述べる特徴を有する。つまり、鉄道車両の鋼製台枠厚みは概ね１５０ｍｍ前後である場合が多い。この台枠厚み以下の小さな段差部であれば、長手部材の軸力により高さ偏心量に起因して生じる段差部の曲げモーメントは大きくならないので、段差部台枠構造ＳＳでなくとも断面形状に段差を設ける等の手段により比較的容易に構成できる。
【００３８】
しかし台枠厚みを大きく超えるような段差部を持つ台枠において、とくに周りに支持部材を持たない中ハリＢｍｈ、Ｂｍ、Ｂｍｌの段差部においては、中ハリＢｍｈ、Ｂｍ、Ｂｍｌを伝達する長手軸力により、段差部に大きな曲げモーメントを生じるので、大きな曲げモーメントに耐えられる段差部台枠構造が必要となる。また高床部台枠、低床部台枠とも部材背丈の制約が厳しく、各々の台枠厚み以上の背丈の補強は設けられない場合の解決手段を段差部台枠構造ＳＳは提供している。
【００３９】
なお、中ハリＢｍｈ、Ｂｍ、Ｂｍｌに沿う段差部曲げモーメントは、枕木方向の軸回りの回転である。この回転モーメントを抑制するために、高床後端の横ハリＢｔｈを閉断面とすることでねじり剛性を大きくして中ハリＢｍｈ、Ｂｍ、Ｂｍｌを流れようとする回転モーメントをできる限り側ハリＢｓｈ、Ｂｓｌに流れやすくしている。このことにより高床部中ハリＢｍｈから低床部中ハリＢｍｌに流れる曲げモーメントを低減して、荷重を側構体に流している。
【００４０】
また、高床後端の横ハリＢｔｈを閉断面にしてねじり剛性を向上しているとはいえ、背丈の小さい閉断面部材ではねじり剛性に限界があるので、それだけで当該部の強度と剛性を確保するには不十分である。そこで高床後端の横ハリＢｔｈからフランジ付きのウェブＷの腕を斜め下方に付き出して、その先端に低床前端の横ハリＢｔｌをつなぐことにより、高床後端の横ハリＢｔｈがモーメントにより回転変位しようとするのをウェブＷの腕の先端で押さえ込むことができる。ウェブＷの腕の先は低床前端横ハリＢｔｌにつながっているため、その位置での並進変位は容易に拘束される。
【００４１】
反対に、低床前端の横ハリＢｔｌが曲げモーメントにより回転変位しようとしたときには、同じウェブＷの腕が高床後端で拘束されるので、腕は回転がし難い。よって、低床前端の横ハリＢｔｌが回転変位を困難にする。
【００４２】
また、ウェブＷにフランジＦを設けることにより、横ハリＢｔｈ、Ｂｔｌを中心として回転しようとするウェブＷ先端に拘束力が作用したときに、ウェブＷに曲げモーメントが発生するので、その曲げモーメントでウェブＷ外端に生じる曲げ応力を低減することができ、同時に腕の曲げ剛性を向上させることができる。
【００４３】
段差部台枠構造ＳＳはさらに、高床構造部Ｓｈｆにエネルギ吸収要素が設けられて構成されていてもよい。一般に、車端台枠に設けられた衝撃(エネルギ)吸収要素が作動する際、すなわち大きく塑性変形し始める際の反力値は結構大きく、その衝撃吸収要素が大きく変形しないで耐力以下に収まる限界長手荷重の２．２〜２．４倍以上の長手力となる。段差部台枠構造ＳＳにおいては、衝突時の大きな反力を生じる衝撃吸収要素のすぐ後方に段差部を設けることにより、背丈の低いままの台枠寸法で大きな長手力を段差部を経由して後部台枠に伝達できる。
【００４４】
図２に、上述の段差部台枠構造ＳＳの変形例である段差部台枠構造ＳＳ‘を示す。段差部台枠構造ＳＳ‘においては、段差部台枠構造ＳＳとは異なり、低床床面と高床床面との中間高さ位置に、低床部Ｐｌｆ（図７）と高床部Ｐｈｆ（図７）の段差部Ｐｓ（図７）に設ける室内階段の支持骨組を兼ねる横ハリＢｔ‘が設けられている。このように構成すると、台枠に段差部を設けることにより客室にも生じる段差部を乗客や乗務員が歩行する際に歩行可能な階段を実現できる。床面の段差量が階段１段以下の小さな段差量であれば、中段を設けることなく床面段差部に１段だけの階段を設けることができる。段差量が大きくて２段以上の階段にする必要がある場合、中段を支持する骨組（床根太）を用いる。
【００４５】
図３に、上述の段差部台枠構造ＳＳの他の変形例である段差部台枠構造ＳＳ“を示す。段差部台枠構造ＳＳ“においては、段差部台枠構造ＳＳとは異なり、中段を支持する骨組（床根太）を段差台枠の高床後端横ハリＢｔｈから伸びた腕Ｂｍ“、すなわち中ハリ位置のウェブＷのフランジを大きく展開したもので兼ねるようにすることにより、中段の支持構造にすることができる。このように構成すると、段差部の中ハリ回転モーメントをより多く側構体に流すことが可能となり、腕の剛性を向上させることができるので、より段差部の応力と変位を抑制することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、段差部を有する低床ライトレール車両の台枠に利用できる。
【符号の説明】
【００４７】
Ｖ、Ｖｃ１、Ｖｃ２ 低床ライトレール車両
Ｐｈｆ 高床部
Ｐｌｆ 低床部
Ｐｓ 段差部
ＳＳ、ＳＳ‘、ＳＳ“ 段差部台枠構造
Ｓｈｆ 高床構造部
Ｓｌｆ 低床構造部
Ｓｍ 中ハリ構造部
Ｂｔｈ、Ｂｔｌ、Ｂｔ‘、Ｂｔ“ 横ハリ
Ｂｓｈ、Ｂｓｌ 側ハリ
Ｂｍｈ、Ｂｍ、Ｂｍｌ、Ｂｍ‘、Ｂｍ“ 中ハリ
Ｗ ウェブ
Ｆ フランジ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の床面に対して、所定の高さだけ高い第２の床面が隣接する段差部を有する車両に用いられる段差部台枠構造であって、
第１の所定厚さを有する、前記第１の床面を支える第１の床面台枠と、
第２の所定厚さを有する、前記第２の床面を支える第２の床面台枠と、
前記第１の床面台枠と前記第２の床面台枠とを連結する中ハリ構造部とを備え、
前記第１の床面台枠の前記段差部寄り端部には、前記第１の所定厚さと概ね同じ寸法の閉断面或いは溝形断面を有する第１の横ハリが設けられ、
前記第２の床面台枠の前記段差部寄り端部には、前記第２の所定厚さと概ね同じ寸法の閉断面を有する第２の横ハリが左右の側ハリ間の全幅に渡って設けられ、
前記中ハリ構造部は、前記第１の横ハリと前記第２の横ハリとをつなぐ立面に沿うウェブ板とその上下フランジが中ハリの位置に設けられていることを特徴とする段差部台枠構造。
【請求項２】
前記第２の床面台枠の前記段差部に隣接する位置に、衝撃エネルギ吸収要素が設けられている、請求項１に記載の段差部台枠構造。
【請求項３】
前記中ハリ構造部は、前記第１の床面と前記第２の床面との中間高さ位置に、前記段差部に設ける室内階段の支持骨組を兼ねる横ハリが設けられている、請求項１に記載の段差部台枠構造。
【請求項１】
第１の床面に対して、所定の高さだけ高い第２の床面が隣接する段差部を有する車両に用いられる段差部台枠構造であって、
第１の所定厚さを有する、前記第１の床面を支える第１の床面台枠と、
第２の所定厚さを有する、前記第２の床面を支える第２の床面台枠と、
前記第１の床面台枠と前記第２の床面台枠とを連結する中ハリ構造部とを備え、
前記第１の床面台枠の前記段差部寄り端部には、前記第１の所定厚さと概ね同じ寸法の閉断面或いは溝形断面を有する第１の横ハリが設けられ、
前記第２の床面台枠の前記段差部寄り端部には、前記第２の所定厚さと概ね同じ寸法の閉断面を有する第２の横ハリが左右の側ハリ間の全幅に渡って設けられ、
前記中ハリ構造部は、前記第１の横ハリと前記第２の横ハリとをつなぐ立面に沿うウェブ板とその上下フランジが中ハリの位置に設けられていることを特徴とする段差部台枠構造。
【請求項２】
前記第２の床面台枠の前記段差部に隣接する位置に、衝撃エネルギ吸収要素が設けられている、請求項１に記載の段差部台枠構造。
【請求項３】
前記中ハリ構造部は、前記第１の床面と前記第２の床面との中間高さ位置に、前記段差部に設ける室内階段の支持骨組を兼ねる横ハリが設けられている、請求項１に記載の段差部台枠構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２１０８８７（Ｐ２０１２−２１０８８７Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７８１８３（Ｐ２０１１−７８１８３）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００１６３３７２）近畿車輌株式会社 (108)
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００１６３３７２）近畿車輌株式会社 (108)
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