JP2007161128A - 鉄道車両用衝撃吸収構造 - Google Patents

Abstract

【課題】衝突時の衝撃エネルギーを段階的に吸収することによって後方の車体側に伝達される衝撃を緩和することができ、様々な衝突条件に対応した設計も容易に行うことができる鉄道車両用衝撃吸収構造を提供する。
【解決手段】鉄道車両の台枠の前端に、前記台枠からの突出長が異なる複数のパイプを組み合わせてなる衝撃吸収部材をレール方向に突設する。特に、衝撃吸収部材は、大径のパイプ１２内に小径のパイプ１３を同軸に挿入した多重管構造を有し、先端開口縁に切欠部１２ａ，１３ａをそれぞれ設けたものが最適である。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両用衝撃吸収構造に関し、詳しくは、鉄道車両の先頭部における衝突時の衝撃エネルギーを吸収して後方の車体が大きく破損、変形することを抑制するための鉄道車両用衝撃吸収構造に関する。

鉄道車両用構体として、衝突時、特に車両同士が衝突したときの衝撃を緩和するため、車両端に高剛性の衝突部材を設けるとともに、縦梁間に掛け渡された高剛性の横梁を設け、かつ、前記衝突部材と前記横梁との間に、塑性変形により衝突時の衝撃を緩和する衝撃吸収部材を配置したものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−４８０１６号公報

従来の衝撃吸収構造によっても、部材の形状や配置を工夫することにより、衝突時のエネルギーを吸収することは可能であったが、衝撃吸収部材を取り付ける部分が衝突時に大きな力を受けるので、この部分から車体に力を分散させる箇所において有害な永久変形を生じさせないためには、車体の強度を高めておく必要があった。

一方、衝突時の衝撃エネルギーは、衝突の瞬間が最も大きく、その後は比較的小さくなる。しかし、従来の衝撃吸収構造では、衝突時の瞬間的な衝撃に耐えることを基準にして設計されていることから、車体側も剛性の高い構造にせざるを得ず、重量、コスト面での負担が大きかった。

さらに、多数の部材を組み合わせた従来の衝撃吸収構造を車両先頭部の限られた衝撃吸収領域に配置しなければならず、設計や製作の大きな負担となっていた。

そこで本発明は、衝突時の衝撃エネルギーを段階的に吸収することによって後方の車体側に伝達される衝撃を緩和することができ、様々な衝突条件に対応した設計も容易に行うことができる鉄道車両用衝撃吸収構造を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の鉄道車両用衝撃吸収構造は、鉄道車両の台枠の前端に、前記台枠からの突出長が異なる複数のパイプを組み合わせてなる衝撃吸収部材をレール方向に突設したことを特徴とするものであって、前記複数のパイプは、隣接配置されていてもよいが、大径のパイプ内に小径のパイプを挿入した多重管構造で配置されていることが好ましく、特に、複数のパイプが同軸に設けられており、さらに、前記複数のパイプが大径のパイプと小径のパイプとであり、前記大径のパイプ内に、該大径のパイプより短い前記小径のパイプが挿入されていることが好ましい。また、前記複数のパイプの先端開口縁に切欠部をそれぞれ設けることが望ましい。

そして、前記衝撃吸収部材は、少なくとも前記台枠の幅方向両端部にそれぞれ設けられていること、さらに、前記衝撃吸収部材が前記台枠の幅方向両端部と幅方向中央部とにそれぞれ設けられ、幅方向両端部に設けられた両衝撃吸収部材と幅方向中央部に設けられた衝撃吸収部材とにおける台枠からの突出長が異なっていること、特に、前記幅方向両端部に設けられた両衝撃吸収部材は台枠からの突出長が同一であり、かつ、前記幅方向中央部に設けられた衝撃吸収部材の台枠からの突出長よりも長く設定されていることが好ましい。さらに、前記衝撃吸収部材は、前記台枠に対して着脱可能に設けられていること、前記衝撃吸収部材の突出端より前方を、車体本体に着脱可能に設けられる前頭部カバーで覆うことが好ましい。

本発明の鉄道車両用衝撃吸収構造によれば、衝突時に長いパイプが先に衝撃を受けて変形し、続いて短いパイプが衝撃を受けて変形するので、衝突時の衝撃エネルギーを段階的に受けて吸収することができる。したがって、衝撃吸収部材の取付部に加わる衝撃エネルギーを段階的に分けて衝撃エネルギーの最大値を低くすることができるので、車体側の強度を必要以上に高める必要がなくなる。また、各パイプの径や長さ等の組み合わせを適当に設定するだけで各種衝突条件に対応した衝撃吸収部材を設計、製作することができ、限られた衝撃吸収領域を有効に活用した設計が可能となる。

図１乃至図３は、本発明の鉄道車両用衝撃吸収構造の一形態例を示すもので、図１は衝撃吸収部材の斜視図、図２は衝撃吸収部材の車両前端への装着例を示す斜視図、図３は衝撃吸収部材を装着した鉄道車両の要部を示す側面図である。

図１に示すように、衝撃吸収部材１１は、大径パイプ１２と小径パイプ１３との２本のパイプを支持基板１４に同軸に設けた二重管構造を有するものであって、両パイプ１２，１３の基部は支持基板１４にそれぞれ溶接され、支持基板１４からの突出長さは、大径パイプ１２が小径パイプ１３よりも僅かに長く設定されている。また、両パイプ１２，１３の先端開口縁には、衝突時における変形、破壊のきっかけ（トリガー）となる複数の切欠部１２ａ，１３ａがそれぞれ設けられている。

両パイプ１２，１３の径と厚さとで決まる断面積及び長さは、要求される衝撃吸収能力に応じて適宜に設定されるものであり、また、台枠前端への衝撃吸収部材１１の設置数によっても異なるが、通常、大径パイプ１２の外径は台枠の高さ寸法の範囲内に収まるように設定され、台枠からの突出長は車両の連結に支障のない範囲に設定される。例えば、両パイプ１２，１３には、市販の鋼管、アルミ管等を使用することができ、口径１６０ｍｍ程度の鋼管からなる大径パイプ１２と、口径１２０ｍｍ程度の鋼管からなる小径パイプ１３とを組み合わせて形成することができる。また、両パイプ１２，１３の長さの違いは、想定される衝突速度によって異なるが、通常は数ｍｍ程度であり、衝突によって大径パイプ１２が変形を開始してから極めて短時間の間に小径パイプ１３が連続的に変形を開始するように設定すればよい。

このように形成された衝撃吸収部材１１は、衝突の瞬間に大径パイプ１２が切欠部１２ａをトリガーとして変形を開始し、続いて小径パイプ１３が切欠部１３ａをトリガーとして変形を開始するので、衝突の瞬間の最も大きな衝撃エネルギーが大径パイプ１２の変形によってある程度吸収され、続いて小径パイプ１３が変形することにより、これ以降の衝撃エネルギーは、大径パイプ１２と小径パイプ１３の両者の変形によって吸収されることになる。

したがって、大径パイプ１２は、衝突の瞬間の最も大きな衝撃エネルギーの一部を吸収するだけでよいため、１本のパイプだけで対応する場合に比べて変形しやすいもの、すなわち、断面積の小さなものを使用することができる。また、小径パイプ１３は、ある程度小さくなった衝撃エネルギーに対して大径パイプ１２と共に対応すればよいため、この小径パイプ１３にも断面積の小さなものを使用することができる。

さらに、両パイプ１２，１３を同軸上に配置した二重管構造としたことにより、各パイプ１２，１３に対する衝突のタイミングのズレを正確に制御できるとともに、両パイプ１２，１３が互いに変形時のガイドとして作用し、変形時の異常変形を防止することができるので、両パイプ１２，１３の衝撃吸収能力を十分に発揮させることができる。

なお、上記構造において、通常は、断面積を考慮すると大径パイプ１２を長くすることが好ましいが、両者の断面積を適当に選定することにより、大径パイプ１２より小径パイプ１３を長くしても同様の作用効果を期待できる。さらに、このような構造の衝撃吸収部材において、組み合わせるパイプの本数を３本以上とした多重管構造とすることもできる。この場合、３本以上のパイプの内、少なくとも１本のパイプの長さが他のパイプの長さと異なっていれば、上記同様の作用効果を得ることができる、また、３本以上のパイプの全ての長さを異なるものとすることにより、衝撃エネルギーの吸収を３段階以上に分けて吸収するように設定できる。

このように形成した衝撃吸収部材１１は、図２に示すように、鉄道車両の車体１５を構成する台枠１６の前端にレール方向に突出した状態で設置される。衝撃吸収部材１１の設置数や設置位置は任意であるが、少なくとも台枠１６の幅方向両端部に同一の衝撃吸収部材１１をそれぞれ設けておくことにより、衝突角度が車両正面ではなく、多少角度がずれていたとしても、前述の二重管構造の効果と相俟って衝撃エネルギーを確実に吸収することができ、車体１５の変形や破損を抑制することができる。

さらに、台枠１６の幅方向中央部に、台枠１６からの突出長が短い衝撃吸収部材１１ａを設けておくことにより、衝撃エネルギーを多段階で吸収することができ、衝撃吸収部材１１，１１ａより後方の車体１５に有害な永久変形が発生することをより確実に抑制することができる。なお、より多くの衝撃吸収部材を設けることも可能であるが、設計が複雑になったり、製作に手間がかかるなどの問題を生じることがある。

また、前記支持基板１４を台枠１６の前端部材にボルト等で着脱可能に形成しておくことにより、衝突により変形した衝撃吸収部材１１を新たな衝撃吸収部材１１に容易に交換することができ、衝突後の車両の復帰を速やかに行うことができる。

衝撃吸収部材１１は、車両正面に露出した状態で設置しておくことも可能であるが、図３に示すように、車体本体１５ａの前面に衝撃吸収部材１１を覆う形状の前頭部カバー１７を設けることにより、車両の外観を向上させることができる。この場合、衝突時には、衝撃吸収部材１１と前頭部カバー１７とが変形することになるので、前頭部カバー１７も車体本体１５ａに対してボルト等で着脱交換可能な構造としておくべきである。

なお、路面電車等の特殊なものを除いて一般的な鉄道車両では連結器１８が設けられており、この連結器１８は、衝突時に最初に破損するが、連結器１８には衝突時に車体本体１５ａに損傷を与えないための周知の対策が講じられる。

したがって、図３に示すように形成された鉄道車両では、衝突時の衝撃エネルギーは、連結器１８、前頭部カバー１７、衝撃吸収部材１１の順に加わり、これらが順次変形、破損することによって吸収され、車体本体１５ａに大きな衝撃エネルギーが加わることを抑制でき、車体本体１５ａの変形を抑制するとともに、乗客や乗員を保護する。

図４は、図１に示した長さが異なるパイプ２本からなる二重管構造の衝撃吸収部材と、切欠部を設けていないパイプ１本で形成した衝撃吸収部材とにおける反力の変化を示す図である。なお、衝突速度は時速２０ｋｍに設定し、パイプの断面積は同一（２本の場合は合計）とした。この図４から明らかなように、パイプ１本の場合には、衝突の瞬間に大きな反力が発生するのに対し、パイプ２本の場合には、２段階で反力のピークが発生し、両ピークとも、パイプ１本の場合の最大反力に比べて小さくなっていることがわかる。したがって、車体に加わる最大衝撃エネルギーを２０％程度低減できることがわかる。なお、パイプ２本の場合に反力の立ち上がりが遅れているのは、切欠部１２ａの影響である、
図５は、パイプの断面積と最大反力との関係を示す図である。この図から、パイプの断面積と最大反力とが比例関係にあることがわかるので、所望の吸収エネルギー量と衝撃力とからパイプの組み合わせ及び本数を算出し、これらを制御することによって様々な衝突条件に対応することができ、車両先頭部の限られた衝撃吸収領域を有効に活用する設計が可能となる。

なお、前記形態例では、台枠からの突出長が異なる複数のパイプを組み合わせてなる衝撃吸収部材として、２本のパイプを同軸に設けた衝撃吸収部材を例示したが、２本以上の複数のパイプを上下方向、水平方向等の任意の方向に隣接配置して組み合わせることにより衝撃吸収部材とすることもできる。

また、トリガーとして前記切欠部１２ａ，１３ａを設けることにより各パイプを先端から順次変形させ、安定した衝撃吸収を図れ、また、容易に形成できるという利点があるが、パイプの任意の位置に凹凸等を形成してトリガーとすることもできる。

本発明の鉄道車両用衝撃吸収構造の一形態例を示す斜視図である。 衝撃吸収部材の車両前端への装着例を示す斜視図である。 衝撃吸収部材を装着した鉄道車両の要部を示す側面図である。 パイプ２本からなる二重管構造の衝撃吸収部材とパイプ１本で形成した衝撃吸収部材とにおける反力の変化を示す図である。 パイプの断面積と最大反力との関係を示す図である。

符号の説明

１１，１１ａ…衝撃吸収部材、１２…大径パイプ、１３…小径パイプ、１２ａ，１３ａ…切欠部、１４…支持基板、１５…車体、１５ａ…車体本体、１６…台枠、１７…前頭部カバー、１８…連結器

Claims (11)

1. 鉄道車両の台枠の前端に、前記台枠からの突出長が異なる複数のパイプを組み合わせてなる衝撃吸収部材をレール方向に突設したことを特徴とする鉄道車両用衝撃吸収構造。
2. 前記複数のパイプは、隣接配置されていることを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用衝撃吸収構造。
3. 前記複数のパイプは、大径のパイプ内に小径のパイプを挿入した多重管構造で配置されていることを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用衝撃吸収構造。
4. 前記複数のパイプは、同軸に設けられていることを特徴とする請求項３記載の鉄道車両用衝撃吸収構造。
5. 前記複数のパイプは、大径のパイプと小径のパイプとであり、前記大径のパイプ内に、該大径のパイプより短い前記小径のパイプが挿入されていることを特徴とする請求項３又は４記載の鉄道車両用衝撃吸収構造。
6. 前記複数のパイプは、先端開口縁に切欠部がそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の鉄道車両用衝撃吸収構造。
7. 前記衝撃吸収部材は、少なくとも前記台枠の幅方向両端部にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の鉄道車両用衝撃吸収構造。
8. 前記衝撃吸収部材が前記台枠の幅方向両端部と幅方向中央部とにそれぞれ設けられ、幅方向両端部に設けられた両衝撃吸収部材と幅方向中央部に設けられた衝撃吸収部材とにおける台枠からの突出長が異なっていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の鉄道車両用衝撃吸収構造。
9. 前記幅方向両端部に設けられた両衝撃吸収部材は台枠からの突出長が同一であり、かつ、前記幅方向中央部に設けられた衝撃吸収部材の台枠からの突出長よりも長く設定されていることを特徴とする請求項８記載の鉄道車両用衝撃吸収構造。
10. 前記衝撃吸収部材は、前記台枠に対して着脱可能に設けられていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の鉄道車両用衝撃吸収構造。
11. 前記衝撃吸収部材の突出端より前方を、車体本体に着脱可能に設けられる前頭部カバーで覆ったことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項記載の鉄道車両用衝撃吸収構造。

Images