鉄道車両の衝突エネルギー吸収体
【課題】上下オフセット衝突時において、車体重量を増大させることなく安定した衝突エネルギー吸収を可能とする。
【解決手段】鉄道車両１の車体２の前部に設けられ、前方からの荷重で圧壊して衝突エネルギーを吸収する衝突エネルギー吸収体１０であって、前後方向に延びる主吸収部１１と、主吸収部１１の上下にそれぞれ設けられた一対の副吸収部１２，１３と、を備え、一対の副吸収部１２，１３は、それぞれ前後方向に延びる破断予定部３０，４０を介して主吸収部１１と一体に設けられている。
【解決手段】鉄道車両１の車体２の前部に設けられ、前方からの荷重で圧壊して衝突エネルギーを吸収する衝突エネルギー吸収体１０であって、前後方向に延びる主吸収部１１と、主吸収部１１の上下にそれぞれ設けられた一対の副吸収部１２，１３と、を備え、一対の副吸収部１２，１３は、それぞれ前後方向に延びる破断予定部３０，４０を介して主吸収部１１と一体に設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両の車体の前部に設けられ、前方からの荷重で圧壊して衝突エネルギーを吸収する衝突エネルギー吸収体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、鉄道車両の車体台枠の前部に取り付けて、障害物が衝突したときの衝突エネルギーを吸収するエネルギー吸収部材が知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなエネルギー吸収部材は、一般的に中空の柱状部材からなり、その軸線方向を車体前後方向に一致させるように配置される。これにより、障害物の衝突時には、エネルギー吸収部材が軸線方向に蛇腹状に塑性変形して衝突エネルギーを吸収し、車体へ伝達される衝撃が緩和される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２８６０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、同じ線路を走行する各鉄道車両は、その台枠の高さが略同一の高さになるように設計されているが、車体を支持する台車のバネ系の変位により、走行中の各車両の台枠の高さは走行状態等に応じて変わり得る。そうすると、鉄道車両同士が正面衝突する場合には、その車両間で台枠の高さが異なることにより、互いのエネルギー吸収部材の高さが数１０ｍｍほど上下にずれる可能性がある。このような衝突が発生すると、互いに衝突したエネルギー吸収部材が変形中にピッチ方向に傾くなどして、エネルギー吸収性能が低下しうることとなる。（なお以下では、上下方向のズレを伴う正面衝突を「上下オフセット衝突」と称することとする。）
エネルギー吸収性能を上げるためには、上下寸法の大きなエネルギー吸収部材を設けることも考えられるが、単にエネルギー吸収部材の上下寸法を大きくしても、上下オフセット衝突時にエネルギー吸収部材に上下方向に偏った荷重が掛かることにより、エネルギー吸収部材が傾斜変形しえるため、安定したエネルギー吸収が行えない。また、上下寸法の大きなエネルギー吸収部材によれば、衝突時の初期荷重が大きくなることで車体に伝達される衝撃が大きくなるため、車体を強固にする必要が生じ、車体重量が増大してしまう。
【０００５】
そこで本発明は、上下オフセット衝突時において、車体重量を増大させることなく安定した衝突エネルギー吸収を可能とすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る鉄道車両の衝突エネルギー吸収体は、鉄道車両の車体の前部に設けられ、前方からの荷重で圧壊して衝突エネルギーを吸収する衝突エネルギー吸収体であって、前後方向に延びる主吸収部と、前記主吸収部の上下にそれぞれ設けられた一対の副吸収部と、を備え、前記一対の副吸収部は、それぞれ前後方向に延びる破断予定部を介して前記主吸収部と一体に設けられている。
【０００７】
前記構成によれば、障害物が衝突エネルギー吸収体に対して上側にずれた状態で衝突することで、障害物が下側の副吸収部に衝突せずに主吸収部及び上側の副吸収部に衝突した場合、主吸収部と下側の副吸収部との間が破断予定部で破断されながら主吸収部及び上側の副吸収部が圧壊しうる。そうすると、この衝突現象において圧壊する衝突エネルギー吸収体の高さ方向の中心は、力学的に見て、（下側の副吸収部を除いた）主吸収部及び上側の副吸収部の両者を合わせた部分の高さ方向の中心とみなすことができる。
【０００８】
よって、衝突エネルギー吸収体の全体と障害物との上下方向のオフセット量（ずれ量）に比べて力学的な上下オフセット量を低減することができ、上下オフセット衝突時の衝突エネルギー吸収体の傾斜変形などが抑制される。その結果、上下オフセット衝突時であっても、車体重量を増大させることなく安定したエネルギー吸収が可能となる。なお、障害物が衝突エネルギー吸収体に対して下側にずれた状態で衝突した場合は、主吸収部と上側の副吸収部との間が破断予定部で破断されながら主吸収部及び下側の副吸収部が圧壊しえるため、この場合も同様の効果が得られる。
【発明の効果】
【０００９】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、上下オフセット衝突が発生しても、車体重量を増大させることなく安定したエネルギー吸収が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る衝突エネルギー吸収体が鉄道車両に取り付けられた状態を示す概略平面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る衝突エネルギー吸収体の側面図である。
【図３】図２の衝突エネルギー吸収体の平面図である。
【図４】図２の衝突エネルギー吸収体の正面図である。
【図５】図２の衝突エネルギー吸収体のV−V線断面図である。
【図６】図２の衝突エネルギー吸収体のVI−VI線断面図である。
【図７】図２の衝突エネルギー吸収体同士による上下オフセット衝突を説明する側面図である。
【図８】（ａ）〜（ｅ）は実施例１において有限要素解析により衝突エネルギー吸収体同士を上下オフセット衝突させたときの変形挙動を示す側面図である。
【図９】図８の衝突時における反力の変位量に応じた変化を示すグラフである。
【図１０】（ａ）〜（ｅ）は実施例２において有限要素解析により衝突エネルギー吸収体同士を上下オフセット衝突させたときの変形挙動を示す側面図である。
【図１１】図１０の衝突時における反力の変位量に応じた変化を示すグラフである。
【図１２】（ａ）〜（ｅ）は比較例１において有限要素解析により衝突エネルギー吸収部材同士を上下オフセット衝突させたときの変形挙動を示す側面図である。
【図１３】図１２の衝突時における反力の変位量に応じた変化を示すグラフである。
【図１４】（ａ）〜（ｅ）は比較例２において有限要素解析により衝突エネルギー吸収部材同士を上下オフセット衝突させたときの変形挙動を示す側面図である。
【図１５】図１４の衝突時における反力の変位量に応じた変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は本発明の実施形態に係る衝突エネルギー吸収体１０が鉄道車両１に取り付けられた状態を示す概略平面図である。図１に示すように、高速走行する鉄道車両１では、その先頭車両の車体２の台枠３の前部３ａに左右一対の衝突エネルギー吸収体１０が前方に向けて突出するように固定されている。これにより、同一線路上を走行する車両同士が正面衝突した場合等には、衝突エネルギー吸収体１０が前方からの荷重で圧壊して衝突エネルギーが吸収されることとなる。
【００１３】
図２は本発明の実施形態に係る衝突エネルギー吸収体１０の側面図である。図３は図２の衝突エネルギー吸収体１０の平面図である。図４は図２の衝突エネルギー吸収体１０の正面図である。図５は図２の衝突エネルギー吸収体１０のV−V線断面図である。図６は図２の衝突エネルギー吸収体１０のVI−VI線断面図である。なお、各図中では、前後方向（車両走行方向）をＸ、車幅方向をＹ、上下方向をＺとして記載している。
【００１４】
図２乃至６に示すように、衝突エネルギー吸収体１０は、上下方向（Ｚ方向）及び車幅方向（Ｙ方向）に対称な形状であり、鋼やアルミニウム合金等の金属材料により形成されている。衝突エネルギー吸収体１０は、台枠３への固定用のボルト穴１４ａが所要箇所に形成された基板部１４と、基板部１４から前方に延びる主吸収部１１と、主吸収部１１の上側において基板部１４から前方に延びる上側副吸収部１２と、主吸収部１１の下側において基板部１４から前方に延びる下側副吸収部１３とを備えている。上側副吸収部１２及び下側副吸収部１３は、後述する破断予定部３０，４０を介して主吸収部１１と一体に設けられている。
【００１５】
主吸収部１１は、左側壁部１１ａ、右側壁部１１ｂ、上壁部１１ｃ及び下壁部１１ｄにより内部空間Ｓ１を形成して、前方から見た断面が四角枠形状を呈する筒状であり、その軸線が前後方向に向くように配置される。主吸収部１１では、左右の側壁部１１ａ，１１ｂが基板部１４から前方にいくにつれて互いに近づくように傾斜配置されており、上壁部１１ｃ及び下壁部１１ｄが略水平に配置されている。
【００１６】
上側副吸収部１２は、上壁部１２ａ、左側壁部１２ｂ及び右側壁部１２ｃを有し、前方から見て逆凹形状の断面を呈している。上側副吸収部１２は、その左右の側壁部１２ｂ，１２ｃの下端部を主吸収部１１に連結することで、主吸収部１１の上壁部１１ｃとの間で内部空間Ｓ２を形成している。上側副吸収部１２では、左右の側壁部１２ｂ，１２ｃが基板部１４から前方にいくにつれて互いに近づくように傾斜配置されており、上壁部１２ａが略水平に配置されている。即ち、上側副吸収部１２の側壁部１２ｂ，１２ｃは主吸収部１１の側壁部１１ａ，１１ｂと略面一であり、上側副吸収部１２の上壁部１２ａは主吸収部１１の上壁部１１ｃと略平行である。
【００１７】
上側副吸収部１２の左右の側壁部１２ｂ，１２ｃは、その下端部において前後方向に交互に配置された複数の凸部１２ｄ，１２ｅ及び凹部１２ｆ，１２ｇを有している。上側副吸収部１２は、その凸部１２ｄ，１２ｅを主吸収部１１に溶接等で固定し、その凹部１２ｆ，１２ｇを主吸収部１１に固定していない。即ち、主吸収部１１と上側副吸収部１２とを部分的に連結する連結部Ａは前後方向に互いに間隔を開けて複数配置され、複数の連結部Ａに挟まれる部分はスリット状の非連結部Ｂとなる。このようにして、主吸収部１１と上側副吸収部１２との間には、複数の連結部Ａ及び非連結部Ｂからなるミシン目状のラインが前後方向に延びるように形成されており、このラインが他の部位に比べて破断し易い破断予定部３０となる。なお、破断予定部３０は、主吸収部１１及び上側副吸収部１２の前後方向の全長にわたって略水平に形成されている。
【００１８】
下側副吸収部１３は、上側副吸収部１２に対して上下対称の形状を有している。詳しくは、下側副吸収部１３は、下壁部１３ａ、左側壁部１３ｂ及び右側壁部１３ｃを有し、前方から見て凹形状の断面を呈している。下側副吸収部１３は、その左右の側壁部１３ｂ，１３ｃの上端部を主吸収部１１に連結することで、主吸収部１１の下壁部１１ｄとの間で内部空間Ｓ３を形成している。下側副吸収部１３は、その左右の側壁部１３ｂ，１３ｃが基板部１４から前方にいくにつれて互いに近づくように傾斜配置されており、その下壁部１３ａが略水平に配置されている。即ち、下側副吸収部１３の側壁部１３ｂ，１３ｃは主吸収部１１の側壁部１１ａ，１１ｂと略面一であり、下側副吸収部１３の下壁部１３ａは主吸収部１１の下壁部１１ｄと略平行である。
【００１９】
下側副吸収部１３の左右の側壁部１３ｂ，１３ｃは、その上端部において前後方向に交互に配置された複数の凸部１３ｄ，１３ｅ及び凹部１３ｆ，１３ｇを有している。下側副吸収部１３は、その凸部１３ｄ，１３ｅを主吸収部１１に溶接等で固定し、その凹部１３ｆ，１３ｇを主吸収部１１に固定していない。即ち、主吸収部１１と下側副吸収部１３とを部分的に連結する連結部Ａは前後方向に互いに間隔を開けて複数配置され、複数の連結部Ａに挟まれる部分はスリット状の非連結部Ｂとなる。このようにして、主吸収部１１と下側副吸収部１３との間には、複数の連結部Ａ及び非連結部Ｂからなるミシン目状のラインが前後方向に延びるように形成されており、このラインが他の部位に比べて破断し易い破断予定部４０となる。なお、破断予定部４０は、主吸収部１１及び下側副吸収部１３の前後方向の全長にわたって略水平に形成されている。
【００２０】
上側副吸収部１２の左右の破断予定部３０は、互いに略同一高さに設けられており、下側副吸収部１３の左右の破断予定部４０は、互いに略同一高さに設けられている。各副吸収部１２，１３の上下方向の高さは、主吸収部１１の上下方向の高さよりも小さい。具体的には、各副吸収部１２，１３の上下方向のそれぞれの高さは、主吸収部１１の上下方向の高さの０．１〜０．３倍（本例では約０．２倍）としている。
【００２１】
主吸収部１１には、その前部において内部空間Ｓ１の前側開口を塞ぐように主前壁１５が設けられている。上側副吸収部１２には、その前部において内部空間Ｓ２を塞ぐように上側副前壁１６が設けられている。下側副吸収部１３には、その前部において内部空間Ｓ３を塞ぐように下側副前壁１７が設けられている。主前壁１５、上側副前壁１６及び下側副前壁１７は互いに空隙Ｃをあけた状態で配置されている。そして、各副吸収部１２，１３の各副前壁１６，１７に連続する前端部分でも、側壁１２ｂ，１２ｃ，１３ｂ，１３ｃの下端は主吸収部１１と空隙Ｃをあけて連結されていない。即ち、副吸収部１２，１３の前端部は主吸収部１１に対して非連結状態となっている。また、副吸収部１２，１３の前端部の前後方向位置は主吸収部１１の前端部の前後方向位置と略同一であり、副吸収部１２，１３の前後長さは主吸収部１１と略同一となっている。主前壁１５、上側副前壁１６及び下側副前壁１７は略面一となるように配置されている。なお、主前壁１５、上側副前壁１６及び下側副前壁１７の前面には、左右に延びるアンチクライマー１８〜２１が互いに上下に間隔をあけて突設されている。
【００２２】
図７は図２の衝突エネルギー吸収体１０同士による上下オフセット衝突を説明する側面図である。図７に示すように、例えば、同一線路上を走行する車両同士が正面衝突し、一方の車両の台枠３に固定された衝突エネルギー吸収体１０Ａに対して他方の車両の衝突エネルギー吸収体１０Ｂが上側にずれた状態で衝突する場合が考えられる。その場合、他方の衝突エネルギー吸収体１０Ｂが一方の衝突エネルギー吸収体１０Ａの下側副吸収部１３に衝突せずに主吸収部１１及び上側副吸収部１２にのみ衝突しうる。（換言すれば、一方の衝突エネルギー吸収体１０Ａが他方の衝突エネルギー吸収体１０Ｂの上側副吸収部１２に衝突せずに主吸収部１１及び下側副吸収部１３にのみ衝突しうる。）
そのような上下オフセット衝突時には、一方の衝突エネルギー吸収体１０Ａは、主吸収部１１と下側副吸収部１３との間の破断予定部４０で破断されながら主吸収部１１及び上側副吸収部１２が圧壊しうる。そうすると、この衝突現象において圧壊する一方の衝突エネルギー吸収体１０Ａの高さ方向の中心は、力学的に見れば、下側副吸収部１３を除いた主吸収部１１及び上側副吸収部１２の両者を合わせた部分の高さ方向の中心Ｐ２とみなすことができる。即ち、上下オフセット衝突時において衝突エネルギー吸収体１０Ａの圧壊する部分の力学的な高さ方向中心Ｐ２は、衝突エネルギー吸収体１０Ａ全体の高さ方向の中心Ｐ１に比べて、上側に位置することとなる。
【００２３】
また、前記上下オフセット衝突時には、他方の衝突エネルギー吸収体１０Ｂは、主吸収部１１と上側副吸収部１２との間の破断予定部３０で破断されながら主吸収部１１及び下側副吸収部１３が圧壊しうる。そうすると、この衝突現象において圧壊する他方の衝突エネルギー吸収体１０Ｂの高さ方向の中心は、力学的に見れば、上側副吸収部１２を除いた主吸収部１１及び下側副吸収部１３の両者を合わせた部分の高さ方向の中心Ｐ３とみなすことができる。即ち、上下オフセット衝突時において衝突エネルギー吸収体１０Ｂの圧壊する部分の力学的な高さ方向中心Ｐ３は、衝突エネルギー吸収体１０Ｂ全体の高さ方向の中心Ｐ１に比べて、下側に位置することとなる。
【００２４】
よって、一方の衝突エネルギー吸収体１０Ａと他方の衝突エネルギー吸収体１０Ｂとの間の構造的な上下オフセット量Ｌ１に比べて力学的な上下オフセット量Ｌ２を低減することができ、上下オフセット衝突時において衝突エネルギー吸収体１０Ａ，１０Ｂがピッチ方向へ傾斜するように変形することが抑制される。その結果、上下オフセット衝突の場合であっても、車体重量を増大させることなく安定したエネルギー吸収が可能となる。
【００２５】
また、互いに衝突する衝突エネルギー吸収体１０Ａ，１０Ｂ同士の構造的な中心Ｐ１の上下オフセット量Ｌ１に比べて、衝突エネルギー吸収体１０Ａ，１０Ｂ同士の力学的な中心Ｐ２，Ｐ３の上下オフセット量Ｌ２が低減することで、上下方向成分の反力の発生が抑制され、一方の衝突エネルギー吸収体１０Ａに他方の衝突エネルギー吸収体１０Ｂが乗り上がることも防止することができる。
【００２６】
また、衝突エネルギー吸収体１０Ａにおいて圧壊する主吸収部１１と上側副吸収部１２とは、非連結部Ｂの存在により互いに異なる力学的挙動を示す部分があり、それらが合わさって平均化されることで、全体として衝突エネルギー吸収体１０Ａの反力の変動を低減することができる。即ち、主吸収部１１と上側副吸収部１２とは、連結部Ａの断面においては一体であるが、非連結部Ｂの断面においては別体であり、非連結部Ｂの断面においては主吸収部１１と上側副吸収部１２とが互いに独立して変形しうる。よって、それらの変形により個々に生じる反力が合成されることで、衝突エネルギー吸収体１０Ａの全体としての反力の変動を抑制することができる。
【００２７】
また、各副吸収部１２，１３は主吸収部１１の上下に設けられており、主吸収部１１の圧壊による上下方向への膨出変形が副吸収部１２，１３により抑えられるため、衝突時における衝突エネルギー吸収体１０の反力の変動が更に抑制されると共に、衝突中の平均反力が増加し、衝突エネルギーの吸収効果を安定して向上させるができる。
【００２８】
また、主前壁１５、上側副前壁１６及び下側副前壁１７は互いに空隙Ｃをあけた状態で配置され、副吸収部１２，１３の前端部が主吸収部１１に連結されていないため、その空隙Ｃが破断予定部３０，４０の破断開始点となり、破断予定部３０，４０に沿った破断が誘発される。また、上下オフセット衝突の初期には上側副前壁１６及び下側副前壁１７のうち一方は衝突に関与しないが、主前壁１５及び各副前壁１６，１７は略面一であり、主吸収部１１及び各副吸収部１２，１３の前後方向位置は略同一であるため、衝突初期に衝突エネルギー吸収体１０に生じる反力が小さくなることが抑制され、その初期反力により破断予定部３０，４０における破断が誘発される。よって、破断予定部３０，４０の破断を安定して発生させることができる。
【００２９】
また、各副吸収部１２，１３の上下方向高さが主吸収部１１の上下方向高さよりも小さいため、上下オフセット衝突時には、高さの大きい主吸収部１１で安定して衝突エネルギーを吸収することができる。しかも、副吸収部１２，１３の上下方向の高さが小さいため、上下オフセット衝突時における上下オフセット量Ｌ１が小さい場合でも、破断予定部３０，４０の破断を安定して発生させることができる。
【００３０】
また、主吸収部１１の上壁部１１ｃ及び下壁部１１ｄと、上側副吸収部１２の上壁部１２ａと、下側副吸収部１３の下壁部１３ａと、破断予定部３０，４０とが略水平であるため、同じ衝突エネルギー吸収体１０Ａ，１０Ｂを搭載した鉄道車両同士が正面から上下オフセット衝突した場合に、主吸収部１１及び片側の副吸収部１２，１３の圧壊と破断予定部３０，４０の破断とを適切に発生させることができる。
【００３１】
なお、本実施形態では、衝突エネルギー吸収体１０にミシン目のように複数の孔（図２の非連結部Ｂ）を前後方向に互いに間隔をあけて設けることで破断予定部３０，４０を形成したが、孔を設けずに主吸収部と副吸収部との間の複数の連結部を前後方向に互いに間隔をあけて設けるようにして破断予定部を形成してもよい。また、破断予定部は隣接する他の部分よりも薄肉とすることで実現してもよい。また、本実施形態では、副吸収体１２，１３の前端部は主吸収部１１に対して離間した状態としたが、副吸収体の前端部が主吸収部に接触した状態でありながら互いに接合されていない状態としてもよい。また、本実施形態の衝突エネルギー吸収体１０では、互いに別体である主吸収部１１と副吸収部１２，１３と互いに溶接等で固定しているが、予め一体である部材を加工して衝突エネルギー吸収体を形成してもよい。
【００３２】
（衝突解析）
次に、有限要素法を用いたコンピュータシミュレーションによる上下オフセット衝突の解析結果について図８乃至１５を参照して説明する（実施例１，２及び比較例１，２）。
【００３３】
【表１】
実施例１及び２は、図２乃至７に示した形状の衝突エネルギー吸収体１０をメッシュ化した有限要素モデルを解析モデルとして用いた。比較例１及び２は、実施例１，２と外形は同じだが破断予定部が存在しないものを解析モデルとして用いた。実施例１，２及び比較例１，２の各物性値は表１に示す材質のものとした（SMA570はSS400よりも引張強さが大きく強度が高い。）。また、実施例１，２及び比較例１，２では、一方の衝突エネルギー吸収体と他方の衝突エネルギー吸収体とを互いに上下方向にオフセットさせた。その際の上下オフセット量は、一方の衝突エネルギー吸収体の上面が他方の衝突エネルギー吸収体の上側の破断予定部３０と略同一高さとなるように設定した。また、実施例１，２及び比較例１，２では、図８，１０，１２，１４中の左側にある衝突エネルギー吸収体の左端を拘束し、同図中の右側にある衝突エネルギー吸収体を同図中の左側に向けて強制変位させて互いに衝突させた。なお、この衝突解析の解析ソルバーには、LS-DYNA Ver.971（Livermore Software Technology Corporation）を用いた。
【００３４】
（実施例１）
図８（ａ）〜（ｅ）は実施例１において有限要素解析により衝突エネルギー吸収体１１０Ａ，１１０Ｂ同士を上下オフセット衝突させたときの変形挙動を示す側面図である。図９は図８の衝突時における反力の変位量に応じた変化を示すグラフである。図８に示すように、実施例１の上下オフセット衝突中には、変位量ｄが大きくなるにつれて、右側の衝突エネルギー吸収体１１０Ａの上側副吸収部１２が破断予定部３０で破断し、左側の衝突エネルギー吸収体１１０Ｂの下側副吸収部１３が破断予定部４０で破断した。また、衝突エネルギー吸収体１１０Ａ，１１０Ｂは、衝突中にピッチ方向に傾斜することなく変形した。図９に示すように、衝突中における前後方向（Ｘ方向）の反力は、衝突初期では２０００ｋＮ以上となり、その後に変位量ｄが増加していく際には１５００ｋＮの前後で大きく変動することなく推移した。衝突中における車幅方向（Ｙ方向）の反力及び上下方向（Ｚ方向）の反力は、あまり発生しなかった。
【００３５】
（実施例２）
図１０（ａ）〜（ｅ）は実施例２において有限要素解析により衝突エネルギー吸収体２１０Ａ，２１０Ｂ同士を上下オフセット衝突させたときの変形挙動を示す側面図である。図１１は図１０の衝突時における反力の変位量に応じた変化を示すグラフである。図１０に示すように、実施例２では、衝突初期において、右側の衝突エネルギー吸収体２１０Ａの上側副吸収部１２の先端側が破断予定部３０で破断し、左側の衝突エネルギー吸収体２１０Ｂの下側副吸収部１３の先端側が破断予定部４０で破断した。但し、その後に変位量が増加していく際には、先端側が破断した副吸収部１２，１３は湾曲して衝突に巻き込まれながら圧壊した。また、衝突エネルギー吸収体２１０Ａ，２１０Ｂは、衝突中にピッチ方向に傾斜することなく変形した。図１１に示すように、衝突中における前後方向（Ｘ方向）の反力は、衝突初期では１５００ｋＮ程となり、その後に変位量ｄが増加していく際には１０００ｋＮの前後で大きく変動することなく推移した。衝突中における車幅方向（Ｙ方向）の反力はあまり発生せず、また、衝突中における上下方向（Ｚ方向）の反力は２００ｋＮほどをピークに全体的に小さい値となった。
【００３６】
（比較例１）
図１２（ａ）〜（ｅ）は比較例１において有限要素解析により衝突エネルギー吸収体３１０Ａ，３１０Ｂ同士を上下オフセット衝突させたときの変形挙動を示す側面図である。図１３は図１２の衝突時における反力の変位量に応じた変化を示すグラフである。図１２に示すように、比較例１では、衝突エネルギー吸収体３１０Ａ，３１０Ｂは、衝突中にピッチ方向に傾斜して変形した。図１３に示すように、衝突中における前後方向（Ｘ方向）の反力は、衝突初期では２５００ｋＮ程となり、その後に変位量ｄが増加していく際には約５００〜２０００ｋＮの間で大きく変動しながら推移した。衝突中における車幅方向（Ｙ方向）の反力はあまり発生しなかったが、衝突中における上下方向（Ｚ方向）の反力は４５０ｋＮほどになる時もあった。
【００３７】
（比較例２）
図１４（ａ）〜（ｅ）は比較例２において有限要素解析により衝突エネルギー吸収体４１０Ａ，４１０Ｂ同士を上下オフセット衝突させたときの変形挙動を示す側面図である。図１５は図１４の衝突時における反力の変位量に応じた変化を示すグラフである。図１４に示すように、比較例２では、衝突エネルギー吸収体４１０Ａ，４１０Ｂは、衝突中にピッチ方向に傾斜しなかったが、上下に急激に隆起する膨出部Ｅ１，Ｅ２を形成するように変形した。図１５に示すように、衝突中における前後方向（Ｘ方向）の反力は、衝突初期では１４００ｋＮ程となり、その後に変位量ｄが増加していく際には約３００〜１２００ｋＮの間で大きく変動しながら推移した。衝突中における車幅方向（Ｙ方向）の反力及び上下方向（Ｚ方向）の反力は、あまり発生しなかった。
【００３８】
（考察）
以上に説明した解析結果から分かるように、比較例１，２のうち強度の高い材料を用いた比較例１では衝突中にピッチ方向に傾斜変形したが、実施例１，２では両者ともピッチ変形することなく、衝突エネルギーが安定して吸収された。また、傾斜変形した比較例１では、衝突中に上下方向（Ｚ方向）の反力が生じていたが、実施例１，２では、衝突中における上下方向（Ｚ方向）の反力が比較例１よりも小さく、互いに衝突したエネルギー吸収体同士の乗り上がりがより好適に防止された。また、比較例１，２では、衝突中の前後方向の反力が大きく変動したが、実施例１，２では、衝突中の前後方向の反力の変動は小さく衝突エネルギーが安定して吸収された。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上のように、本発明に係る衝突エネルギー吸収体は、上下オフセット衝突が発生しても車体重量を増大させることなく安定したエネルギー吸収が可能となる優れた効果を有し、この効果の意義を発揮できる鉄道車両に広く適用すると有益である。
【符号の説明】
【００４０】
１ 鉄道車両
２ 車体
１０ 衝突エネルギー吸収体
１１ 主吸収部
１１ｃ 上壁部
１１ｄ 下壁部
１２ 上側副吸収部
１３ 下側副吸収部
３０，４０ 破断予定部
Ａ 連結部
Ｂ 非連結部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両の車体の前部に設けられ、前方からの荷重で圧壊して衝突エネルギーを吸収する衝突エネルギー吸収体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、鉄道車両の車体台枠の前部に取り付けて、障害物が衝突したときの衝突エネルギーを吸収するエネルギー吸収部材が知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなエネルギー吸収部材は、一般的に中空の柱状部材からなり、その軸線方向を車体前後方向に一致させるように配置される。これにより、障害物の衝突時には、エネルギー吸収部材が軸線方向に蛇腹状に塑性変形して衝突エネルギーを吸収し、車体へ伝達される衝撃が緩和される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２８６０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、同じ線路を走行する各鉄道車両は、その台枠の高さが略同一の高さになるように設計されているが、車体を支持する台車のバネ系の変位により、走行中の各車両の台枠の高さは走行状態等に応じて変わり得る。そうすると、鉄道車両同士が正面衝突する場合には、その車両間で台枠の高さが異なることにより、互いのエネルギー吸収部材の高さが数１０ｍｍほど上下にずれる可能性がある。このような衝突が発生すると、互いに衝突したエネルギー吸収部材が変形中にピッチ方向に傾くなどして、エネルギー吸収性能が低下しうることとなる。（なお以下では、上下方向のズレを伴う正面衝突を「上下オフセット衝突」と称することとする。）
エネルギー吸収性能を上げるためには、上下寸法の大きなエネルギー吸収部材を設けることも考えられるが、単にエネルギー吸収部材の上下寸法を大きくしても、上下オフセット衝突時にエネルギー吸収部材に上下方向に偏った荷重が掛かることにより、エネルギー吸収部材が傾斜変形しえるため、安定したエネルギー吸収が行えない。また、上下寸法の大きなエネルギー吸収部材によれば、衝突時の初期荷重が大きくなることで車体に伝達される衝撃が大きくなるため、車体を強固にする必要が生じ、車体重量が増大してしまう。
【０００５】
そこで本発明は、上下オフセット衝突時において、車体重量を増大させることなく安定した衝突エネルギー吸収を可能とすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る鉄道車両の衝突エネルギー吸収体は、鉄道車両の車体の前部に設けられ、前方からの荷重で圧壊して衝突エネルギーを吸収する衝突エネルギー吸収体であって、前後方向に延びる主吸収部と、前記主吸収部の上下にそれぞれ設けられた一対の副吸収部と、を備え、前記一対の副吸収部は、それぞれ前後方向に延びる破断予定部を介して前記主吸収部と一体に設けられている。
【０００７】
前記構成によれば、障害物が衝突エネルギー吸収体に対して上側にずれた状態で衝突することで、障害物が下側の副吸収部に衝突せずに主吸収部及び上側の副吸収部に衝突した場合、主吸収部と下側の副吸収部との間が破断予定部で破断されながら主吸収部及び上側の副吸収部が圧壊しうる。そうすると、この衝突現象において圧壊する衝突エネルギー吸収体の高さ方向の中心は、力学的に見て、（下側の副吸収部を除いた）主吸収部及び上側の副吸収部の両者を合わせた部分の高さ方向の中心とみなすことができる。
【０００８】
よって、衝突エネルギー吸収体の全体と障害物との上下方向のオフセット量（ずれ量）に比べて力学的な上下オフセット量を低減することができ、上下オフセット衝突時の衝突エネルギー吸収体の傾斜変形などが抑制される。その結果、上下オフセット衝突時であっても、車体重量を増大させることなく安定したエネルギー吸収が可能となる。なお、障害物が衝突エネルギー吸収体に対して下側にずれた状態で衝突した場合は、主吸収部と上側の副吸収部との間が破断予定部で破断されながら主吸収部及び下側の副吸収部が圧壊しえるため、この場合も同様の効果が得られる。
【発明の効果】
【０００９】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、上下オフセット衝突が発生しても、車体重量を増大させることなく安定したエネルギー吸収が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る衝突エネルギー吸収体が鉄道車両に取り付けられた状態を示す概略平面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る衝突エネルギー吸収体の側面図である。
【図３】図２の衝突エネルギー吸収体の平面図である。
【図４】図２の衝突エネルギー吸収体の正面図である。
【図５】図２の衝突エネルギー吸収体のV−V線断面図である。
【図６】図２の衝突エネルギー吸収体のVI−VI線断面図である。
【図７】図２の衝突エネルギー吸収体同士による上下オフセット衝突を説明する側面図である。
【図８】（ａ）〜（ｅ）は実施例１において有限要素解析により衝突エネルギー吸収体同士を上下オフセット衝突させたときの変形挙動を示す側面図である。
【図９】図８の衝突時における反力の変位量に応じた変化を示すグラフである。
【図１０】（ａ）〜（ｅ）は実施例２において有限要素解析により衝突エネルギー吸収体同士を上下オフセット衝突させたときの変形挙動を示す側面図である。
【図１１】図１０の衝突時における反力の変位量に応じた変化を示すグラフである。
【図１２】（ａ）〜（ｅ）は比較例１において有限要素解析により衝突エネルギー吸収部材同士を上下オフセット衝突させたときの変形挙動を示す側面図である。
【図１３】図１２の衝突時における反力の変位量に応じた変化を示すグラフである。
【図１４】（ａ）〜（ｅ）は比較例２において有限要素解析により衝突エネルギー吸収部材同士を上下オフセット衝突させたときの変形挙動を示す側面図である。
【図１５】図１４の衝突時における反力の変位量に応じた変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は本発明の実施形態に係る衝突エネルギー吸収体１０が鉄道車両１に取り付けられた状態を示す概略平面図である。図１に示すように、高速走行する鉄道車両１では、その先頭車両の車体２の台枠３の前部３ａに左右一対の衝突エネルギー吸収体１０が前方に向けて突出するように固定されている。これにより、同一線路上を走行する車両同士が正面衝突した場合等には、衝突エネルギー吸収体１０が前方からの荷重で圧壊して衝突エネルギーが吸収されることとなる。
【００１３】
図２は本発明の実施形態に係る衝突エネルギー吸収体１０の側面図である。図３は図２の衝突エネルギー吸収体１０の平面図である。図４は図２の衝突エネルギー吸収体１０の正面図である。図５は図２の衝突エネルギー吸収体１０のV−V線断面図である。図６は図２の衝突エネルギー吸収体１０のVI−VI線断面図である。なお、各図中では、前後方向（車両走行方向）をＸ、車幅方向をＹ、上下方向をＺとして記載している。
【００１４】
図２乃至６に示すように、衝突エネルギー吸収体１０は、上下方向（Ｚ方向）及び車幅方向（Ｙ方向）に対称な形状であり、鋼やアルミニウム合金等の金属材料により形成されている。衝突エネルギー吸収体１０は、台枠３への固定用のボルト穴１４ａが所要箇所に形成された基板部１４と、基板部１４から前方に延びる主吸収部１１と、主吸収部１１の上側において基板部１４から前方に延びる上側副吸収部１２と、主吸収部１１の下側において基板部１４から前方に延びる下側副吸収部１３とを備えている。上側副吸収部１２及び下側副吸収部１３は、後述する破断予定部３０，４０を介して主吸収部１１と一体に設けられている。
【００１５】
主吸収部１１は、左側壁部１１ａ、右側壁部１１ｂ、上壁部１１ｃ及び下壁部１１ｄにより内部空間Ｓ１を形成して、前方から見た断面が四角枠形状を呈する筒状であり、その軸線が前後方向に向くように配置される。主吸収部１１では、左右の側壁部１１ａ，１１ｂが基板部１４から前方にいくにつれて互いに近づくように傾斜配置されており、上壁部１１ｃ及び下壁部１１ｄが略水平に配置されている。
【００１６】
上側副吸収部１２は、上壁部１２ａ、左側壁部１２ｂ及び右側壁部１２ｃを有し、前方から見て逆凹形状の断面を呈している。上側副吸収部１２は、その左右の側壁部１２ｂ，１２ｃの下端部を主吸収部１１に連結することで、主吸収部１１の上壁部１１ｃとの間で内部空間Ｓ２を形成している。上側副吸収部１２では、左右の側壁部１２ｂ，１２ｃが基板部１４から前方にいくにつれて互いに近づくように傾斜配置されており、上壁部１２ａが略水平に配置されている。即ち、上側副吸収部１２の側壁部１２ｂ，１２ｃは主吸収部１１の側壁部１１ａ，１１ｂと略面一であり、上側副吸収部１２の上壁部１２ａは主吸収部１１の上壁部１１ｃと略平行である。
【００１７】
上側副吸収部１２の左右の側壁部１２ｂ，１２ｃは、その下端部において前後方向に交互に配置された複数の凸部１２ｄ，１２ｅ及び凹部１２ｆ，１２ｇを有している。上側副吸収部１２は、その凸部１２ｄ，１２ｅを主吸収部１１に溶接等で固定し、その凹部１２ｆ，１２ｇを主吸収部１１に固定していない。即ち、主吸収部１１と上側副吸収部１２とを部分的に連結する連結部Ａは前後方向に互いに間隔を開けて複数配置され、複数の連結部Ａに挟まれる部分はスリット状の非連結部Ｂとなる。このようにして、主吸収部１１と上側副吸収部１２との間には、複数の連結部Ａ及び非連結部Ｂからなるミシン目状のラインが前後方向に延びるように形成されており、このラインが他の部位に比べて破断し易い破断予定部３０となる。なお、破断予定部３０は、主吸収部１１及び上側副吸収部１２の前後方向の全長にわたって略水平に形成されている。
【００１８】
下側副吸収部１３は、上側副吸収部１２に対して上下対称の形状を有している。詳しくは、下側副吸収部１３は、下壁部１３ａ、左側壁部１３ｂ及び右側壁部１３ｃを有し、前方から見て凹形状の断面を呈している。下側副吸収部１３は、その左右の側壁部１３ｂ，１３ｃの上端部を主吸収部１１に連結することで、主吸収部１１の下壁部１１ｄとの間で内部空間Ｓ３を形成している。下側副吸収部１３は、その左右の側壁部１３ｂ，１３ｃが基板部１４から前方にいくにつれて互いに近づくように傾斜配置されており、その下壁部１３ａが略水平に配置されている。即ち、下側副吸収部１３の側壁部１３ｂ，１３ｃは主吸収部１１の側壁部１１ａ，１１ｂと略面一であり、下側副吸収部１３の下壁部１３ａは主吸収部１１の下壁部１１ｄと略平行である。
【００１９】
下側副吸収部１３の左右の側壁部１３ｂ，１３ｃは、その上端部において前後方向に交互に配置された複数の凸部１３ｄ，１３ｅ及び凹部１３ｆ，１３ｇを有している。下側副吸収部１３は、その凸部１３ｄ，１３ｅを主吸収部１１に溶接等で固定し、その凹部１３ｆ，１３ｇを主吸収部１１に固定していない。即ち、主吸収部１１と下側副吸収部１３とを部分的に連結する連結部Ａは前後方向に互いに間隔を開けて複数配置され、複数の連結部Ａに挟まれる部分はスリット状の非連結部Ｂとなる。このようにして、主吸収部１１と下側副吸収部１３との間には、複数の連結部Ａ及び非連結部Ｂからなるミシン目状のラインが前後方向に延びるように形成されており、このラインが他の部位に比べて破断し易い破断予定部４０となる。なお、破断予定部４０は、主吸収部１１及び下側副吸収部１３の前後方向の全長にわたって略水平に形成されている。
【００２０】
上側副吸収部１２の左右の破断予定部３０は、互いに略同一高さに設けられており、下側副吸収部１３の左右の破断予定部４０は、互いに略同一高さに設けられている。各副吸収部１２，１３の上下方向の高さは、主吸収部１１の上下方向の高さよりも小さい。具体的には、各副吸収部１２，１３の上下方向のそれぞれの高さは、主吸収部１１の上下方向の高さの０．１〜０．３倍（本例では約０．２倍）としている。
【００２１】
主吸収部１１には、その前部において内部空間Ｓ１の前側開口を塞ぐように主前壁１５が設けられている。上側副吸収部１２には、その前部において内部空間Ｓ２を塞ぐように上側副前壁１６が設けられている。下側副吸収部１３には、その前部において内部空間Ｓ３を塞ぐように下側副前壁１７が設けられている。主前壁１５、上側副前壁１６及び下側副前壁１７は互いに空隙Ｃをあけた状態で配置されている。そして、各副吸収部１２，１３の各副前壁１６，１７に連続する前端部分でも、側壁１２ｂ，１２ｃ，１３ｂ，１３ｃの下端は主吸収部１１と空隙Ｃをあけて連結されていない。即ち、副吸収部１２，１３の前端部は主吸収部１１に対して非連結状態となっている。また、副吸収部１２，１３の前端部の前後方向位置は主吸収部１１の前端部の前後方向位置と略同一であり、副吸収部１２，１３の前後長さは主吸収部１１と略同一となっている。主前壁１５、上側副前壁１６及び下側副前壁１７は略面一となるように配置されている。なお、主前壁１５、上側副前壁１６及び下側副前壁１７の前面には、左右に延びるアンチクライマー１８〜２１が互いに上下に間隔をあけて突設されている。
【００２２】
図７は図２の衝突エネルギー吸収体１０同士による上下オフセット衝突を説明する側面図である。図７に示すように、例えば、同一線路上を走行する車両同士が正面衝突し、一方の車両の台枠３に固定された衝突エネルギー吸収体１０Ａに対して他方の車両の衝突エネルギー吸収体１０Ｂが上側にずれた状態で衝突する場合が考えられる。その場合、他方の衝突エネルギー吸収体１０Ｂが一方の衝突エネルギー吸収体１０Ａの下側副吸収部１３に衝突せずに主吸収部１１及び上側副吸収部１２にのみ衝突しうる。（換言すれば、一方の衝突エネルギー吸収体１０Ａが他方の衝突エネルギー吸収体１０Ｂの上側副吸収部１２に衝突せずに主吸収部１１及び下側副吸収部１３にのみ衝突しうる。）
そのような上下オフセット衝突時には、一方の衝突エネルギー吸収体１０Ａは、主吸収部１１と下側副吸収部１３との間の破断予定部４０で破断されながら主吸収部１１及び上側副吸収部１２が圧壊しうる。そうすると、この衝突現象において圧壊する一方の衝突エネルギー吸収体１０Ａの高さ方向の中心は、力学的に見れば、下側副吸収部１３を除いた主吸収部１１及び上側副吸収部１２の両者を合わせた部分の高さ方向の中心Ｐ２とみなすことができる。即ち、上下オフセット衝突時において衝突エネルギー吸収体１０Ａの圧壊する部分の力学的な高さ方向中心Ｐ２は、衝突エネルギー吸収体１０Ａ全体の高さ方向の中心Ｐ１に比べて、上側に位置することとなる。
【００２３】
また、前記上下オフセット衝突時には、他方の衝突エネルギー吸収体１０Ｂは、主吸収部１１と上側副吸収部１２との間の破断予定部３０で破断されながら主吸収部１１及び下側副吸収部１３が圧壊しうる。そうすると、この衝突現象において圧壊する他方の衝突エネルギー吸収体１０Ｂの高さ方向の中心は、力学的に見れば、上側副吸収部１２を除いた主吸収部１１及び下側副吸収部１３の両者を合わせた部分の高さ方向の中心Ｐ３とみなすことができる。即ち、上下オフセット衝突時において衝突エネルギー吸収体１０Ｂの圧壊する部分の力学的な高さ方向中心Ｐ３は、衝突エネルギー吸収体１０Ｂ全体の高さ方向の中心Ｐ１に比べて、下側に位置することとなる。
【００２４】
よって、一方の衝突エネルギー吸収体１０Ａと他方の衝突エネルギー吸収体１０Ｂとの間の構造的な上下オフセット量Ｌ１に比べて力学的な上下オフセット量Ｌ２を低減することができ、上下オフセット衝突時において衝突エネルギー吸収体１０Ａ，１０Ｂがピッチ方向へ傾斜するように変形することが抑制される。その結果、上下オフセット衝突の場合であっても、車体重量を増大させることなく安定したエネルギー吸収が可能となる。
【００２５】
また、互いに衝突する衝突エネルギー吸収体１０Ａ，１０Ｂ同士の構造的な中心Ｐ１の上下オフセット量Ｌ１に比べて、衝突エネルギー吸収体１０Ａ，１０Ｂ同士の力学的な中心Ｐ２，Ｐ３の上下オフセット量Ｌ２が低減することで、上下方向成分の反力の発生が抑制され、一方の衝突エネルギー吸収体１０Ａに他方の衝突エネルギー吸収体１０Ｂが乗り上がることも防止することができる。
【００２６】
また、衝突エネルギー吸収体１０Ａにおいて圧壊する主吸収部１１と上側副吸収部１２とは、非連結部Ｂの存在により互いに異なる力学的挙動を示す部分があり、それらが合わさって平均化されることで、全体として衝突エネルギー吸収体１０Ａの反力の変動を低減することができる。即ち、主吸収部１１と上側副吸収部１２とは、連結部Ａの断面においては一体であるが、非連結部Ｂの断面においては別体であり、非連結部Ｂの断面においては主吸収部１１と上側副吸収部１２とが互いに独立して変形しうる。よって、それらの変形により個々に生じる反力が合成されることで、衝突エネルギー吸収体１０Ａの全体としての反力の変動を抑制することができる。
【００２７】
また、各副吸収部１２，１３は主吸収部１１の上下に設けられており、主吸収部１１の圧壊による上下方向への膨出変形が副吸収部１２，１３により抑えられるため、衝突時における衝突エネルギー吸収体１０の反力の変動が更に抑制されると共に、衝突中の平均反力が増加し、衝突エネルギーの吸収効果を安定して向上させるができる。
【００２８】
また、主前壁１５、上側副前壁１６及び下側副前壁１７は互いに空隙Ｃをあけた状態で配置され、副吸収部１２，１３の前端部が主吸収部１１に連結されていないため、その空隙Ｃが破断予定部３０，４０の破断開始点となり、破断予定部３０，４０に沿った破断が誘発される。また、上下オフセット衝突の初期には上側副前壁１６及び下側副前壁１７のうち一方は衝突に関与しないが、主前壁１５及び各副前壁１６，１７は略面一であり、主吸収部１１及び各副吸収部１２，１３の前後方向位置は略同一であるため、衝突初期に衝突エネルギー吸収体１０に生じる反力が小さくなることが抑制され、その初期反力により破断予定部３０，４０における破断が誘発される。よって、破断予定部３０，４０の破断を安定して発生させることができる。
【００２９】
また、各副吸収部１２，１３の上下方向高さが主吸収部１１の上下方向高さよりも小さいため、上下オフセット衝突時には、高さの大きい主吸収部１１で安定して衝突エネルギーを吸収することができる。しかも、副吸収部１２，１３の上下方向の高さが小さいため、上下オフセット衝突時における上下オフセット量Ｌ１が小さい場合でも、破断予定部３０，４０の破断を安定して発生させることができる。
【００３０】
また、主吸収部１１の上壁部１１ｃ及び下壁部１１ｄと、上側副吸収部１２の上壁部１２ａと、下側副吸収部１３の下壁部１３ａと、破断予定部３０，４０とが略水平であるため、同じ衝突エネルギー吸収体１０Ａ，１０Ｂを搭載した鉄道車両同士が正面から上下オフセット衝突した場合に、主吸収部１１及び片側の副吸収部１２，１３の圧壊と破断予定部３０，４０の破断とを適切に発生させることができる。
【００３１】
なお、本実施形態では、衝突エネルギー吸収体１０にミシン目のように複数の孔（図２の非連結部Ｂ）を前後方向に互いに間隔をあけて設けることで破断予定部３０，４０を形成したが、孔を設けずに主吸収部と副吸収部との間の複数の連結部を前後方向に互いに間隔をあけて設けるようにして破断予定部を形成してもよい。また、破断予定部は隣接する他の部分よりも薄肉とすることで実現してもよい。また、本実施形態では、副吸収体１２，１３の前端部は主吸収部１１に対して離間した状態としたが、副吸収体の前端部が主吸収部に接触した状態でありながら互いに接合されていない状態としてもよい。また、本実施形態の衝突エネルギー吸収体１０では、互いに別体である主吸収部１１と副吸収部１２，１３と互いに溶接等で固定しているが、予め一体である部材を加工して衝突エネルギー吸収体を形成してもよい。
【００３２】
（衝突解析）
次に、有限要素法を用いたコンピュータシミュレーションによる上下オフセット衝突の解析結果について図８乃至１５を参照して説明する（実施例１，２及び比較例１，２）。
【００３３】
【表１】
実施例１及び２は、図２乃至７に示した形状の衝突エネルギー吸収体１０をメッシュ化した有限要素モデルを解析モデルとして用いた。比較例１及び２は、実施例１，２と外形は同じだが破断予定部が存在しないものを解析モデルとして用いた。実施例１，２及び比較例１，２の各物性値は表１に示す材質のものとした（SMA570はSS400よりも引張強さが大きく強度が高い。）。また、実施例１，２及び比較例１，２では、一方の衝突エネルギー吸収体と他方の衝突エネルギー吸収体とを互いに上下方向にオフセットさせた。その際の上下オフセット量は、一方の衝突エネルギー吸収体の上面が他方の衝突エネルギー吸収体の上側の破断予定部３０と略同一高さとなるように設定した。また、実施例１，２及び比較例１，２では、図８，１０，１２，１４中の左側にある衝突エネルギー吸収体の左端を拘束し、同図中の右側にある衝突エネルギー吸収体を同図中の左側に向けて強制変位させて互いに衝突させた。なお、この衝突解析の解析ソルバーには、LS-DYNA Ver.971（Livermore Software Technology Corporation）を用いた。
【００３４】
（実施例１）
図８（ａ）〜（ｅ）は実施例１において有限要素解析により衝突エネルギー吸収体１１０Ａ，１１０Ｂ同士を上下オフセット衝突させたときの変形挙動を示す側面図である。図９は図８の衝突時における反力の変位量に応じた変化を示すグラフである。図８に示すように、実施例１の上下オフセット衝突中には、変位量ｄが大きくなるにつれて、右側の衝突エネルギー吸収体１１０Ａの上側副吸収部１２が破断予定部３０で破断し、左側の衝突エネルギー吸収体１１０Ｂの下側副吸収部１３が破断予定部４０で破断した。また、衝突エネルギー吸収体１１０Ａ，１１０Ｂは、衝突中にピッチ方向に傾斜することなく変形した。図９に示すように、衝突中における前後方向（Ｘ方向）の反力は、衝突初期では２０００ｋＮ以上となり、その後に変位量ｄが増加していく際には１５００ｋＮの前後で大きく変動することなく推移した。衝突中における車幅方向（Ｙ方向）の反力及び上下方向（Ｚ方向）の反力は、あまり発生しなかった。
【００３５】
（実施例２）
図１０（ａ）〜（ｅ）は実施例２において有限要素解析により衝突エネルギー吸収体２１０Ａ，２１０Ｂ同士を上下オフセット衝突させたときの変形挙動を示す側面図である。図１１は図１０の衝突時における反力の変位量に応じた変化を示すグラフである。図１０に示すように、実施例２では、衝突初期において、右側の衝突エネルギー吸収体２１０Ａの上側副吸収部１２の先端側が破断予定部３０で破断し、左側の衝突エネルギー吸収体２１０Ｂの下側副吸収部１３の先端側が破断予定部４０で破断した。但し、その後に変位量が増加していく際には、先端側が破断した副吸収部１２，１３は湾曲して衝突に巻き込まれながら圧壊した。また、衝突エネルギー吸収体２１０Ａ，２１０Ｂは、衝突中にピッチ方向に傾斜することなく変形した。図１１に示すように、衝突中における前後方向（Ｘ方向）の反力は、衝突初期では１５００ｋＮ程となり、その後に変位量ｄが増加していく際には１０００ｋＮの前後で大きく変動することなく推移した。衝突中における車幅方向（Ｙ方向）の反力はあまり発生せず、また、衝突中における上下方向（Ｚ方向）の反力は２００ｋＮほどをピークに全体的に小さい値となった。
【００３６】
（比較例１）
図１２（ａ）〜（ｅ）は比較例１において有限要素解析により衝突エネルギー吸収体３１０Ａ，３１０Ｂ同士を上下オフセット衝突させたときの変形挙動を示す側面図である。図１３は図１２の衝突時における反力の変位量に応じた変化を示すグラフである。図１２に示すように、比較例１では、衝突エネルギー吸収体３１０Ａ，３１０Ｂは、衝突中にピッチ方向に傾斜して変形した。図１３に示すように、衝突中における前後方向（Ｘ方向）の反力は、衝突初期では２５００ｋＮ程となり、その後に変位量ｄが増加していく際には約５００〜２０００ｋＮの間で大きく変動しながら推移した。衝突中における車幅方向（Ｙ方向）の反力はあまり発生しなかったが、衝突中における上下方向（Ｚ方向）の反力は４５０ｋＮほどになる時もあった。
【００３７】
（比較例２）
図１４（ａ）〜（ｅ）は比較例２において有限要素解析により衝突エネルギー吸収体４１０Ａ，４１０Ｂ同士を上下オフセット衝突させたときの変形挙動を示す側面図である。図１５は図１４の衝突時における反力の変位量に応じた変化を示すグラフである。図１４に示すように、比較例２では、衝突エネルギー吸収体４１０Ａ，４１０Ｂは、衝突中にピッチ方向に傾斜しなかったが、上下に急激に隆起する膨出部Ｅ１，Ｅ２を形成するように変形した。図１５に示すように、衝突中における前後方向（Ｘ方向）の反力は、衝突初期では１４００ｋＮ程となり、その後に変位量ｄが増加していく際には約３００〜１２００ｋＮの間で大きく変動しながら推移した。衝突中における車幅方向（Ｙ方向）の反力及び上下方向（Ｚ方向）の反力は、あまり発生しなかった。
【００３８】
（考察）
以上に説明した解析結果から分かるように、比較例１，２のうち強度の高い材料を用いた比較例１では衝突中にピッチ方向に傾斜変形したが、実施例１，２では両者ともピッチ変形することなく、衝突エネルギーが安定して吸収された。また、傾斜変形した比較例１では、衝突中に上下方向（Ｚ方向）の反力が生じていたが、実施例１，２では、衝突中における上下方向（Ｚ方向）の反力が比較例１よりも小さく、互いに衝突したエネルギー吸収体同士の乗り上がりがより好適に防止された。また、比較例１，２では、衝突中の前後方向の反力が大きく変動したが、実施例１，２では、衝突中の前後方向の反力の変動は小さく衝突エネルギーが安定して吸収された。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上のように、本発明に係る衝突エネルギー吸収体は、上下オフセット衝突が発生しても車体重量を増大させることなく安定したエネルギー吸収が可能となる優れた効果を有し、この効果の意義を発揮できる鉄道車両に広く適用すると有益である。
【符号の説明】
【００４０】
１ 鉄道車両
２ 車体
１０ 衝突エネルギー吸収体
１１ 主吸収部
１１ｃ 上壁部
１１ｄ 下壁部
１２ 上側副吸収部
１３ 下側副吸収部
３０，４０ 破断予定部
Ａ 連結部
Ｂ 非連結部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道車両の車体の前部に設けられ、前方からの荷重で圧壊して衝突エネルギーを吸収する衝突エネルギー吸収体であって、
前後方向に延びる主吸収部と、
前記主吸収部の上下にそれぞれ設けられた一対の副吸収部と、を備え、
前記一対の副吸収部は、それぞれ前後方向に延びる破断予定部を介して前記主吸収部と一体に設けられている、鉄道車両の衝突エネルギー吸収体。
【請求項２】
前記破断予定部は、前記副吸収部と前記主吸収部とを部分的に連結する連結部を前後方向に互いに間隔を開けて複数配置することで形成されている、請求項１に記載の鉄道車両の衝突エネルギー吸収体。
【請求項３】
前記主吸収部は、前後方向に延びる筒状部を有し、
上側の前記副吸収部は、前記筒状部の上壁部との間で空間を形成するように前記筒状部に連結され、
下側の前記副吸収部は、前記筒状部の下壁部との間で空間を形成するように前記筒状部に連結されている、請求項１又は２に記載の鉄道車両の衝突エネルギー吸収体。
【請求項４】
上側の前記副吸収部は、前方から見て逆凹形状の断面を有し、
下側の前記副吸収部は、前方から見て凹形状の断面を有し、
前記破断予定部は、前記副吸収部のうち前記主吸収体に対向する左右の端部をそれぞれ前記主吸収体に対して、前後方向に互いに間隔を開けて複数箇所を固定することで形成されている、請求項３に記載の鉄道車両の衝突エネルギー吸収体。
【請求項５】
前記副吸収部の前端部は、前記主吸収部に対して非連結状態で設けられている、請求項１乃至４のいずれかに記載の鉄道車両の衝突エネルギー吸収体。
【請求項６】
前記副吸収部の前端部の前後方向位置は、前記主吸収部の前端部の前後方向位置と略同一である、請求項１乃至５のいずれかに記載の鉄道車両の衝突エネルギー吸収体。
【請求項７】
前記副吸収部の上下方向の高さは、前記主吸収部の上下方向の高さよりも小さい、請求項１乃至６のいずれかに記載の鉄道車両の衝突エネルギー吸収体。
【請求項８】
前記衝突エネルギー吸収体の上壁部及び下壁部は略水平に形成され、かつ、前記破断予定部は略水平に形成されている、請求項１乃至７のいずれかに記載の鉄道車両の衝突エネルギー吸収体。
【請求項１】
鉄道車両の車体の前部に設けられ、前方からの荷重で圧壊して衝突エネルギーを吸収する衝突エネルギー吸収体であって、
前後方向に延びる主吸収部と、
前記主吸収部の上下にそれぞれ設けられた一対の副吸収部と、を備え、
前記一対の副吸収部は、それぞれ前後方向に延びる破断予定部を介して前記主吸収部と一体に設けられている、鉄道車両の衝突エネルギー吸収体。
【請求項２】
前記破断予定部は、前記副吸収部と前記主吸収部とを部分的に連結する連結部を前後方向に互いに間隔を開けて複数配置することで形成されている、請求項１に記載の鉄道車両の衝突エネルギー吸収体。
【請求項３】
前記主吸収部は、前後方向に延びる筒状部を有し、
上側の前記副吸収部は、前記筒状部の上壁部との間で空間を形成するように前記筒状部に連結され、
下側の前記副吸収部は、前記筒状部の下壁部との間で空間を形成するように前記筒状部に連結されている、請求項１又は２に記載の鉄道車両の衝突エネルギー吸収体。
【請求項４】
上側の前記副吸収部は、前方から見て逆凹形状の断面を有し、
下側の前記副吸収部は、前方から見て凹形状の断面を有し、
前記破断予定部は、前記副吸収部のうち前記主吸収体に対向する左右の端部をそれぞれ前記主吸収体に対して、前後方向に互いに間隔を開けて複数箇所を固定することで形成されている、請求項３に記載の鉄道車両の衝突エネルギー吸収体。
【請求項５】
前記副吸収部の前端部は、前記主吸収部に対して非連結状態で設けられている、請求項１乃至４のいずれかに記載の鉄道車両の衝突エネルギー吸収体。
【請求項６】
前記副吸収部の前端部の前後方向位置は、前記主吸収部の前端部の前後方向位置と略同一である、請求項１乃至５のいずれかに記載の鉄道車両の衝突エネルギー吸収体。
【請求項７】
前記副吸収部の上下方向の高さは、前記主吸収部の上下方向の高さよりも小さい、請求項１乃至６のいずれかに記載の鉄道車両の衝突エネルギー吸収体。
【請求項８】
前記衝突エネルギー吸収体の上壁部及び下壁部は略水平に形成され、かつ、前記破断予定部は略水平に形成されている、請求項１乃至７のいずれかに記載の鉄道車両の衝突エネルギー吸収体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１１】
【図１３】
【図１５】
【図８】
【図１０】
【図１２】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１１】
【図１３】
【図１５】
【図８】
【図１０】
【図１２】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−１０６６８５（Ｐ２０１２−１０６６８５Ａ）
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５８５３６（Ｐ２０１０−２５８５３６）
【出願日】平成２２年１１月１９日（２０１０．１１．１９）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１９日（２０１０．１１．１９）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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