JP2006168709A - 高速鉄道車両の緩衝板 - Google Patents

Abstract

【課題】緩衝板全体の反力値が変形後半で急激に大きくなる特性を緩和する。
【解決手段】車両前頭部に設けられ軌道上に存在する障害物を跳ね飛ばす排障板１と、その排障板１の後方に配置される緩衝板３と、この緩衝板３を車体に固定する支持部材とを備える。緩衝板３は、馬蹄形状に湾曲した複数の板バネ３Ａ〜３Ｃを隙間を空けて車両前後方向において重ね合わせ、それぞれの両端部においてスペーサ５を介して結合し、一組の板バネ・アッセンブリとされる。後側に位置する板バネほど先端湾曲部分の曲率半径が大きくなっている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、高速鉄道車両において、走行中にレール上の障害物を排除する高速鉄道車両の緩衝板に関するものである。

従来より、鉄道車両の排障装置は、排障板、排障板吊り具、緩衝板、緩衝板支持部材などから構成されることは知られている（例えば特許文献１参照）。

このうち、緩衝板は、馬蹄形状に湾曲した複数の板バネを隙間を空けて車両前後方向において重ね合わせ、それぞれの両端部においてスペーサを介して結合し、一組の板バネ・アッセンブリとして構成されている。板バネは、後側（内側）に位置することになるものほど先端湾曲部分の曲率半径が小さくなっている。そして、最も後側の板バネを緩衝板支持部材で支持することによって、車体に取り付けられている。
特開２００１−５５１４１号公報（０００２及び図８〜図１０）

しかしながら、上述した従来の装置は、次のような課題がある。

(i)緩衝板は、後側に位置する板バネほど先端湾曲部分の曲率半径が小さいという特徴があるが、板バネの先端湾曲部分の曲率半径が小さいほど、変形時の荷重が大きくなる傾向がある。衝突時には、外側の板バネから変形が始まり、後側の板へと変形が進行するが、上記曲率半径の影響で、図１５（ａ）に示すように、変形量δが大きくなり変形が進むにつれて、反力Ｆの値が急激に立ち上がる傾向となる。しかしながら、反力Ｆの値は、車体強度上の上限があるため限られた変形量δで、最大値のエネルギー吸収を行うには、図１５（ｂ）に示すような反力値一定の特性が望ましい。

(ii)図１６（ａ）に示すように、緩衝板１０１の外側の板バネ１０１Ａ，１０１Ｂは馬蹄形の両端部で支持され、拘束点Ｐ１，Ｐ２は、図１６（ｂ）に示すように、板バネ１０１Ａ（１０１Ｂ）の端部であるが（１０２はスペーサ）、最も後側の板バネ１０１Ｃは、板バネ１０１Ｃの内面で緩衝板支持装置１０３によって支持される。このため、最も後側の板バネ１０１Ｃは、馬蹄形の両端部ではなく、図１６（ｃ）に示すように、前後方向の中間位置で、強固に拘束されることになり（拘束点Ｐ３，Ｐ４）、変形時の荷重が大きくなる。この結果、前述した反力値が後半で立ち上がる特性（図１５（ａ）参照）を助長することになり、限られたスペースで最大限の吸収エネルギを得るという観点から望ましくない。

請求項１の発明は、車両前頭部に設けられ軌道上に存在する障害物を跳ね飛ばす排障板と、その排障板の後方に配置される緩衝板と、この緩衝板を車体に固定する支持部材とを備える高速鉄道車両の緩衝板において、前記緩衝板は、馬蹄形状に湾曲した複数の板バネを隙間を空けて車両前後方向において重ね合わせ、それぞれの両端部においてスペーサを介して結合し、一組の板バネ・アッセンブリとして構成され、後側に位置する板バネの先端湾曲部分の曲率半径の値を、その前側に位置する板バネの曲率半径の値以上としたことを特徴とする。

このようにすれば、後側に位置する板バネほど、先端湾曲部分の曲率半径を大きくすることで反力値が小さくなるので、板バネアッセンブリとして反力値が後半で急激に大きくなる特性を緩和することができる。これは、緩衝板の先端湾曲部分の曲率半径が大きくなると、軸応力成分が減少し、曲げ応力成分が増大することで圧壊荷重が小さくなるからである。

請求項２に記載のように、前記緩衝板は、最も後側に位置する板バネを支持部材で支持することによって車体に取り付けられ、前記最も後側に位置する板バネの中央部分が切除されていることが望ましい。

このようにすれば、従来構造の緩衝装置の場合、前記のように最も後側の板バネの拘束が強固となるために、最も後側の板バネは変形時の反力が他の板バネに比べて高くなっていたが、最も後側の板バネは、中央部を切除し、その外側の板バネを支持する機能のみを持たせることで、緩衝板全体の反力値が変形後半で急激に大きくなる特性を緩和することができる。

本発明は、以上のように、後側の板バネほど先端湾曲部分の曲率半径を大きくしているので、反力値が後半で急激に大きくなる特性を緩和することができる。

以下、この発明の実施の形態を図面に沿って説明する。

図１は本発明に係る高速鉄道車両の排障装置を示す中央断面図、図２は同平面図、図３は同正面図である。

図１〜図３に示すように、走行中にレールＵＬ，ＵＲ上の障害物を排除する排障板１は、水平断面（あるいは平面視）が鋭角な山形形状で左右側端が左右のレールＵＬ，ＵＲ付近まで延び前頭部１Ａと、前頭部１Ａの左右両端より前記左右のレールＵＬ，ＵＲの外側まで後方に延びる左右側部１ＢＬ，１ＢＲとにより構成される。

前頭部１Ａは、鉛直方向に延び平面視で前方に向かって鋭角をなす２つの面板１ＡＬ，１ＡＲの先端を、それらが接合状態で、水平断面が鋭角な山形形状となるように溶接により接合されている。これにより、排障板１の先端部（前頭部１Ａの中央部分）に、鉛直稜線１ａが形成され、この鉛直稜線ａが、軌道上に存在する障害物を切断する切り刃として機能する。そして、排障板１は、空力騒音低減を考慮して成形されたフェアリング４にて覆われている。

左右の面板１ＡＬ，１ＡＲは、接合部分（鉛直稜線１ａ）から徐々に外側方に延び、後述する緩衝板３を構成する複数の板バネ３Ａ〜３Ｃのうち、最も前側に位置する板バネ３Ａの上側に位置するように延びている。

また、左右の面板１ＡＬ，１ＡＲは、左右方向に延びる連結板１Ａｃにて相互に連結され、この連結板１Ａｃより後方位置にて、前述したように緩衝板３の前側に位置する板バネ３Ａの上側に位置するようになっている。

排障板１の左右側部１ＢＬ，１ＢＲの上縁部が、複数の排障板吊り金具１１Ｌ，１１Ｒを介して、上部支持部材１２Ｌ，１２Ｒに固定されている。この上部支持部材１２Ｌ，１２Ｒが、車体台枠１３に取り付けられている。これにより、排障板１全体が、排障板吊り金具１１Ｌ，１１Ｒおよび上部支持部材１２Ｌ，１２Ｒを有する排障板支持装置１４Ｌ，１４Ｒを介して、車体台枠１３に吊り下げ状態で取り付けられる。

前頭部１Ａの中央位置（排障板１の前端中央部分）の下端両側には、前頭部１Ａに対し水平方向外方に突出するように中空楔形状のリップ部２Ｌ，２Ｒが溶接により設けられている。

このリップ部２Ｌ，２Ｒは、排障板１に取り付けられた状態で、右側のリップ部２Ｒについて図示する図４及び図５に示すように、前側部分が断面三角形状の閉断面構造を、後側部分が断面四角形状の閉断面構造をそれぞれ形成するように、前後において中空断面形状が異なっている。また、リップ部２Ｌ，２Ｒの高さは、後側になるほど高くなるように設定されている。なお、リップ部２Ｌ，２Ｒの後端部は閉塞されている。

リップ部２Ｒは、ほぼ水平方向に延びる下側部材２ＲＡと、その下側部材２ＲＡの上側に位置し外縁が下側部材２ＲＡに溶接により接合される上側部材２ＲＢとで構成され、それらの内側縁部が排障板１の外側面１ｂに溶接により接合されている。また、下側部材２ＲＡと上側部材２ＲＢとの接合部分（溶接部分）を保護するために、下側部材の外周縁には突条部２ＲＡａが形成され、その突条部２ＲＡａの内側に上側部材２ＲＢの外側縁２ＲＢａが接触するようになっている。つまり、上側部材２ＲＢと下側部材２ＲＡとの溶接部分が、障害物に直接ぶつかるのを回避するようになっている。なお、リップ部２Ｌ，２Ｒは、排障板１のほぼ１／４程度の板厚とされている。

排障板１の後側に、アルミニウム合金の板バネ３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ（３ＤＬ，３ＤＲ）を重ねた板バネアッセンブリとしての緩衝板３が配設されている。つまり、緩衝板３は、複数の板バネ３Ａ〜３Ｄを隙間を空けて車両前後方向において重ね合わせ、それぞれの両端部においてスペーサ５を介して結合し、一組の板バネ・アッセンブリとして構成されている。ただし、前側の３枚の板バネ３Ａ〜３Ｃは馬蹄形状に湾曲した形状であるが、最も後側に位置する板バネ３Ｄは中央部分が切除され、２つの部分３ＤＬ，３ＤＲとされている。

緩衝板３の板バネ３Ａ〜３Ｃは走行方向前方に凸ではあるが、後方に位置する板バネの先端湾曲部の曲率半径が、前方の板バネの曲率半径以上となるように構成され、走行方向の最も前側の板バネ３Ａの前側に、排障板１の連結板１Ａｃが一定の間隙を存して配置されている。この緩衝板３は、排障板１の変形で吸収しきれなかった衝突エネルギーを吸収するものである。

前側に位置する板バネ３Ａの前側部分は、ほぼ上半分が切除され、その切除部分３Ａａ（図１参照）の上側に面板部１ＡＲ（又は１ＡＬ）の後端部付近が位置するようになっている。これにより、板バネ３Ａと面板部１ＡＬ，１ＡＲとが無理なく配置される。

また、緩衝板３（最も後側に位置する板バネ３Ｄの２つの部分３ＤＬ，３ＤＲ）の後端部は、車体左右方向に延びる閉断面構造の下部支持部材２１に連結されている。この下部支持部材２１の両端部は、それぞれ鉛直方向に配置される左右支持部材２２Ｌ，２２Ｒの下端部に連結され、左右支持部材２２Ｌ，２２Ｒの上端部は、車体台枠１３（車体）に締結固定されている。また、下部支持部材２１の後側は、後方にかつ斜め上方に向かって延びる左右の傾斜支持部材２３Ｌ，２３Ｒを介して車体台枠１３に連結されている。このようにして、緩衝板３の後端部を支持する支持装置２４が、前記支持部材２１，２２Ｌ，２２Ｒ，２３Ｌ，２３Ｒによって構成されている。

この支持装置２４の側方位置で、前述したように、排障板１の左右側部の上縁部は、排障板支持装置１４Ｌ，１４Ｒ（排障板吊り金具１１Ｌ，１１Ｒおよび上部支持部材１２Ｌ，１２Ｒ）を介して、車体台枠１３に支持されている。

なお、排障板１に必要以上に大きな衝突エネルギーが作用して、車両先頭部が圧縮破壊する場合には、排障板１が圧壊して衝突エネルギーを吸収するだけでなく、緩衝板３の変形によっても衝突エネルギーを吸収する。

このように構成すれば、後方の板バネの先端湾曲部の曲率半径が、前方の板バネの先端湾曲部の曲率半径以上となるように、つまり後側に位置する板バネの先端湾曲部の曲率半径が前方の板バネの先端湾曲部の曲率半径と等しいか又はそれより大きくなっているので、正面衝突時における反力値が後半で急激に大きくなる特性を緩和することができる。つまり、板バネの先端湾曲部分の曲率半径が小さいほど、変形時の荷重が大きくなる傾向があるので、後側に位置する板バネ３Ａ〜３Ｃほど、先端湾曲部分の曲率半径を大きくして、変形時の荷重が大きくならないようにしているからある。

前側の３枚の板バネ３Ａ〜３Ｃは馬蹄形状に湾曲した形状であるが、車体（車体台枠１３）に支持される最も後側の板バネ３Ｄは中央部分が切除され、２つの部分３ＤＬ，３ＤＲとされているので、緩衝板全体の反力値が変形後半で急激に大きくなる特性を緩和することができる。つまり、従来の緩衝板の場合、前述したように、最も後側の板バネ（緩衝板）の拘束が強固となるために、最も後側の板バネは変形時の反力が他の板バネに比べて高くなっていたので、最も後側の板バネ３Ｄの中央部分を切除し（連続していない状態とし）、それの前側の板バネＡ〜３Ｃを支持する機能のみを持たせるようにしているのである。

前記実施の形態では、緩衝板３を構成する板バネ３Ａ〜３Ｃを連続した湾曲形状の板バネとし、車体に支持される最も後側の板バネ３Ｄは中央部分を切除するようにしているが、本発明はそれに限定されるものではなく、図６に示すように、すべての板バネ３Ａ〜３ＡＣ，３Ｄ’を続した湾曲形状の板バネとし、後側に位置する板バネの先端湾曲部の曲率半径が前方の板バネの先端湾曲部の曲率半径と等しいか又はそれより大きくなるように構成するだけでも、後述するように同様の効果が得られる。

続いて、前述した装置の衝突性能についての解析結果について説明する。なお、従来構造の緩衝板を用いたもの（以下従来例という）と、後側の板バネの先端湾曲部分の曲率半径を前側の板バネの先端部分の曲率半径以上としたもの（以下本発明例１という）と、さらにもっとも後側に位置する板バネの中央部分を切除したもの（以下本発明例２という）とをモデル化したものを図７〜図９にそれぞれ示す。

図７〜図９に示す緩衝板を採用した鉄道車両について、速度１０m/secで縦壁（剛壁）に正面衝突させた時の圧縮破壊変形の様子を、それぞれ、図１０〜図１２に示す。なお、各図において、それぞれ、衝突前、変形量１００ｍｍ、変形量２００ｍｍ、変形量３００ｍｍ、変形量４００ｍｍ、変形量６００ｍｍの場合を示す。

従来例の場合には、図１０に示すように変形量が４００ｍｍになる前付近で、緩衝板を構成する板バネがすべて相互に接触して、図１３に示す荷重上限値を超える大きな反力が生じているが、本発明例１，２の場合には、それぞれ、図１１及び図１２に示すように、変形量が４００ｍｍ程度では、最も後側の板バネがまだ前側の板バネに接触しておらず、図１３に示すように荷重上限値以下の反力値となっている。よって、エネルギ吸収するための変形が可能である。

つまり、図１３に示すように、従来例の場合には、変形量が４００ｍｍにならないうちに、圧壊荷重が荷重上限値を超えるが、本発明例１，２の場合には変形量が５５０ｍｍを超える付近でないと、圧壊荷重が荷重上限値を超えない。

よって、図１４に示すように荷重上限値に達するまでの吸収エネルギー量も、本発明例１，２は従来例の６倍以上になる。

ここで、特に、本発明例２の場合には、図９に示すように、緩衝板を構成する板バネは、最も後側（内側）の板バネの中央部分を切除して、その前側に位置する板バネを支持する機能のみを持たせるようにすることで、最も後側の緩衝板の変形時の反力が他の前側の板バネに比べて高くなく、本発明例１よりも緩衝板全体の反力値が変形後半で急激に大きくなることを緩和し、荷重上限値までの吸収エネルギー量が本発明例２の方が本発明例１よりも２０％程度高くなっていることがわかる。

本発明に係る高速鉄道車両の排障装置を示す中央断面図である。 同平面図である。 同正面図である。 図２のVI−VI線における断面図である。 図２のV−V線における断面図である。 他の緩衝板についての他の実施の形態を示す平面図である。 従来の緩衝板付近をモデル化したものを示す模式図である。 本発明の第１の実施例である緩衝板付近をモデル化したものを示す模式図である。 本発明の第２の実施例である緩衝板付近をモデル化したものを示す模式図である。 図７に示す装置を採用した鉄道車両が、秒速１０m/secで、壁に正面衝突した場合のシミレーション解析の結果を示す模式図である。 図８に示す装置を採用した鉄道車両が、秒速１０m/secで、壁に正面衝突した場合のシミレーション解析の結果を示す模式図である。 図９に示す装置を採用した鉄道車両が、秒速１０m/secで、壁に正面衝突した場合のシミレーション解析の結果を示す模式図である。 変形量と圧壊荷重との関係を示す図である。 変形量と吸収エネルギとの関係を示す図である。 （ａ）（ｂ）はそれぞれ変形量δと反力値との関係を示す説明図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれ緩衝板（板バネ）の拘束状態の説明図である。

符号の説明

１ 排障板
３ 緩衝板
３Ａ〜３Ｄ，３Ｄ’ 板バネ
３ＤＬ，３ＤＲ 板バネの部分
５ スペーサ
２１ 下部支持部材
ＵＬ，ＵＲ レール

Claims (2)

1. 車両前頭部に設けられ軌道上に存在する障害物を跳ね飛ばす排障板と、その排障板の後方に配置される緩衝板と、この緩衝板を車体に固定する支持部材とを備える高速鉄道車両の緩衝板において、
   前記緩衝板は、馬蹄形状に湾曲した複数の板バネを隙間を空けて車両前後方向において重ね合わせ、それぞれの両端部においてスペーサを介して結合し、一組の板バネ・アッセンブリとして構成され、
   後側に位置する板バネの先端湾曲部分の曲率半径の値を、その前側に位置する板バネの曲率半径の値以上としたことを特徴とする高速鉄道車両の緩衝板。
2. 前記緩衝板は、最も後側に位置する板バネを支持部材で支持することによって車体に取り付けられ、
   前記最も後側に位置する板バネの中央部分が切除されていることを特徴とする請求項１記載の高速鉄道車両の緩衝板。
   

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