JP2013256219A

JP2013256219A - 衝突エネルギ吸収柱及び該衝突エネルギ吸収柱を備えた鉄道車両

Info

Publication number: JP2013256219A
Application number: JP2012133890A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Hirashima; 利行平嶋; Seiichi Hayashi; 清一林; Hitoshi Nagahara; 斉永原
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2013-12-26
Anticipated expiration: 2032-06-13
Also published as: US9434392B2; CN104144839A; US20140245922A1; KR20160054024A; KR20140117646A; CN104144839B; KR101727656B1; JP6074168B2; EP2774823A1; WO2013187059A1; EP2774823A4

Abstract

【課題】軽量化と十分な衝突エネルギ吸収の両方を達成することができる衝突エネルギ吸収柱を提供する。
【解決手段】衝突エネルギ吸収柱1は、鉄道車両構体2の妻側に設けられ、端梁72から屋根構体20に向けて延在する。衝突エネルギ吸収柱1は、横断面が凹状断面または中空断面である金属製の外側部材3と、外側部材3の内周に沿って設けられ、外側部材3と平行に延びる強化プラスチック製の内側部材4とを備える。外側部材3は、夫々柱軸に沿って延びた２つの柱半体6を外側部材3の柱軸に直交する方向に並べて接合して構成される。両柱半体6の接合部分は前記柱軸に沿って延びている。外側部材3と、端梁72及び屋根構体20とは締結手段により締結される。内側部材4は、前記締結された部分を除いて、端梁72から屋根構体20の下部の間に延在する。
【選択図】図２

Description

本発明は、鉄道車両の先頭車両に設けられる衝突エネルギ吸収柱及び該衝突エネルギ吸収柱を備えた鉄道車両に関する。

従来から鉄道車両において、自動車や鉄道車両等との衝突から乗務員や乗客を保護するために、衝突によるエネルギを吸収するための構造が種々提案されている。例えば、特許文献１には、車両端部に垂直に延びる強度部材と、車両長手方向に延びる骨部材とを設けた軌条車両が提案されている。この構成により、ある程度以上の荷重が作用した場合には積極的に変形してエネルギを吸収し、ある程度以下の荷重が作用した場合には構造が変形しないようにすることができるとしている。

特開２００８―６２８１７号公報

従来の衝突エネルギ吸収構造は、各部材は金属製であるから非常に重く、鉄道車両全体の軽量化を妨げる一因となっている。その一方、乗務員や乗客を保護するとともに、各部材が車体との取付部から脱落することを防止するために、一定の曲げ変形量以内で衝突時のエネルギを十分に吸収する必要がある。
しかし、特許文献１には、上記２つの要求を満たすような衝突エネルギ吸収構造を備えた鉄道車両については提案されていない。
本発明の目的は、軽量化と一定の曲げ変形量以内での十分な衝突エネルギ吸収の両方を達成することができる衝突エネルギ吸収柱を提供することにある。

本発明に係る衝突エネルギ吸収柱は、鉄道車両の妻側に設けられ、端梁から屋根構体に向けて延在するものであって、横断面が凹状断面または中空断面である金属製の外側部材と、前記外側部材の内周に沿って設けられ、前記外側部材と平行に延びる強化プラスチック製の内側部材とを備える。
前記構成によれば、強化プラスチック製の内側部材は、衝突物と直接的には接触しないので、衝突直後の応力集中の程度が小さい。つまり、衝突後の亀裂発生を遅らせることができ、より大きな衝突エネルギを蓄積することができる。その後、衝突エネルギが限界まで蓄積されると、結局はこの内側部材は破断するが、その時点ではまだ金属製の外側部材は破断せずに、衝突エネルギを吸収し続ける。これにより、一部を樹脂で構成しているにも拘わらず、大きな衝突エネルギを吸収することができる。また、衝突エネルギ吸収柱全体を金属で形成する場合に比べて、柱全体の軽量化を図ることができる。

更に、少なくとも外側部材の横断面を凹状断面または中空断面に形成することにより、外側部材が例えば平板状である場合に比して、断面係数が大きくなる。これにより、許容される曲げ応力が大きくなるから、衝突エネルギ吸収柱は大きな衝突荷重を受けることができ、大きな衝突エネルギを吸収することができる。
更に、前記外側部材と、前記端梁及び前記屋根構体とは締結手段により締結され、前記内側部材は、前記締結された部分を除く、前記端梁上部から前記屋根構体下部の間に延在してもよい。
前記構成によれば、衝突エネルギ吸収柱は、金属製の外側部材を介して端梁及び屋根構体と締結されるので、プラスチック製の内側部材を端梁及び屋根構体と締結する必要はない。これにより、内側部材は拘束が少なく変形し易くなるので、破断するまでにより大きな衝突エネルギを吸収することができる。また、内側部材は締結手段により締結される部分まで延在させる必要がなくなるので、コスト低減を図ることができる。

更に、前記外側部材は、夫々柱軸に沿って延びた２つの柱半体を外側部材の柱軸に直交する方向に並べて接合して構成され、両柱半体の接合部分は前記柱軸に沿って延びていてもよい。
前記構成によれば、両柱半体の接合部分は、柱軸に沿って延びている。これにより、接合部分が柱軸に直交する方向に沿って設けられた場合に比べて、柱軸と直交する方向からの衝突荷重を受けたとき、該接合部分が亀裂の起点になりにくくなる。
更に、各柱半体は前記柱軸に沿って延びた第１板状部と、該第１板状部の両側から第１板状部に直交して延びた互いに平行な第２板状部を備えて、両柱半体は衝突荷重の荷重方向に沿って互いに逆向きに配置されて第２板状部の先端どうしを接合して構成され、第１板状部の板面は衝突荷重を受ける方向に対向していてもよい。
前記構成によれば、２つの柱半体は第２板状部の先端どうしで接合されるので、両柱半体の継ぎ目の位置は第２板状部上になる。衝突荷重は、接合継ぎ目が無い第１板状部に加わる。これにより、衝突荷重は衝突エネルギ吸収柱の破断の起点となり易い、継ぎ目の部分に直接的に加わらないから、容易に破断することが防止される。これにより、衝突エネルギ吸収効果を高めることができる。
更に、前記強化プラスチックは、繊維を含有したプラスチックであり、該繊維は体積率が６０％以上であってもよい。
前記構成によれば、強化プラスチック内の繊維量を所定量以上とすることにより、強化プラスチック製の部材の衝突荷重に対する強度を高めることができ、樹脂柱が破断しにくくなる。

本発明に係る衝突エネルギ吸収柱にあっては、軽量化と一定の曲げ変形量以内での十分な衝突エネルギ吸収の両方を達成することができる。

本発明の実施形態に係る衝突エネルギ吸収柱を備えた鉄道車両の概略構造を示す斜視図である。本発明の実施形態に係る衝突エネルギ吸収柱の斜視図である。衝突エネルギ吸収柱の柱長手方向中央部に衝突荷重が加わった場合の変形ストロークを示す図である。 (a)は、衝突エネルギ吸収柱の変形ストロークと該衝突エネルギ吸収柱が受ける衝突荷重、即ち反力との関係について予想される概念を示すグラフである。(b)は、衝突エネルギ吸収柱の変形ストロークと吸収するエネルギとの関係について予想される概念を示すグラフである。解析用柱の斜視図である。解析用柱に衝突荷重を加えた際の反力と変位との関係を解析した結果を示すグラフである。解析用柱に衝突荷重を加えた際の吸収エネルギと変位との関係を解析した結果を示すグラフである。 (a)は別の解析用柱の斜視図であり、(b)はその断面形状の変形例を示す図である。図８の解析用柱に衝突荷重を加えた際の反力と変位との関係を解析した結果を示すグラフである。図８の解析用柱に衝突荷重を加えた際の吸収エネルギと変位との関係を解析した結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態に係る衝突エネルギ吸収柱を、図を参照しながら説明する。なお、以下では、全ての図を通じて同一又は相当する要素には、同一の参照符号を付して重複する説明を省略する。実施形態における方向の概念は、鉄道車両の進行方向を前方とし、前方を向いたときの方向の概念と一致している。即ち、車両長手方向が前後方向に対応し、車両幅方向が左右方向に対応している。

［衝突エネルギ吸収柱を備えた鉄道車両の構成］
図１は、本発明の実施形態に係る衝突エネルギ吸収柱１を備えた鉄道車両構体の概略構造を示す斜視図である。鉄道車両構体２は、周知の如く、台枠７上に側構体１０と妻構体８を備え、説明の便宜上、前側の妻構体８を示すものとする。該側構体１０と妻構体８に屋根構体２０が被さる。台枠７は、互いに離間した一対の側梁７０と、該側梁７０の後端部どうしを連結する枕梁７１を備えている。側梁７０間の前端部どうしは、端梁７２にて連結される。端梁７２と前記の枕梁７１は、前後に延びた２本の中梁７３にて連結される。
妻構体８は、端梁７２の両側に立てられた一対の隅柱８０と、該隅柱８０間にて端梁７２上に立てられた２本の衝突エネルギ吸収柱１を備えている。屋根構体２０は前端部に位置して車両の幅方向に延びたアーチけた２１と、該アーチけた２１の両側から後方に向けて延在した軒けた２２を備えている。隅柱８０と衝突エネルギ吸収柱１の上端部は、アーチけた２１に接続される。即ち、衝突エネルギ吸収柱１は、鉄道車両構体２の妻部に設けられ、端梁７２から屋根構体２０に向けて延在する。衝突エネルギ吸収柱１は、踏切における自動車等との衝突や鉄道車両どうしの衝突時に該衝突によるエネルギを一定の曲げ変形量以内で柱の破断及び脱落を防ぐとともに、乗務員や乗客を保護する。

[衝突エネルギ吸収柱の構成]
図２は、本実施形態に係る衝突エネルギ吸収柱１の斜視図である。該衝突エネルギ吸収柱１は、鉛直方向に延在する柱状である金属製の外側部材３と、鉛直方向に延在する柱状である強化プラスチック製の内側部材４を備えている。外側部材３と内側部材４はともに横断面が矩形且つ中空であって、外側部材３の内周に内側部材４の外周が沿うように嵌まる。内側部材４を形成する強化プラスチックは具体的には、繊維を含有したカーボン繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）又はガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）である。本実施形態では、ＣＦＲＰ又はＧＦＲＰにおける繊維の体積率は６０％以上である。
なお、内側部材４は、外側部材３よりも柱長手方向の引張強度が高く、軽量であり、また、延性が小さい材料を用いればよく、同様の特性を有するような内側部材４及び外側部材３を適用可能である。

内側部材４は、外側部材３よりも鉛直方向に短く形成されている。該外側部材３の上端部と下端部に、夫々内側部材４が存在しない第１締結領域３０と第２締結領域３１が設けられている。第１締結領域３０にて、外側部材３には複数の第１貫通孔３２が設けられている。リベット又はボルトの如き締結手段が、該第１貫通孔３２に挿入されて、アーチけた２１と衝突エネルギ吸収柱１の上端部とが締結される。また、該第２締結領域３１にて、外側部材３には複数の第２貫通孔３３が設けられている。第２締結領域３１の内側には、金属製あるいは強化プラスチック製の中空の補強部材３４が設けられている。
補強部材３４の周面には、前記第２貫通孔３３に重なるように、複数の透孔３５が開設されている。リベット又はボルトの如き締結手段が、第２貫通孔３３及び透孔３５に挿入されて、端梁７２と衝突エネルギ吸収柱１の下端部とが締結される。衝突エネルギ吸収柱１の下端部を補強部材３４で補強しているのは、衝突エネルギ吸収柱１の下部を中心に衝突荷重が加わった際に、該衝突エネルギ吸収柱１がせん断したり、台枠から完全に外れたりしないようにする為である。

図２に示すように、外側部材３は、夫々柱軸に沿って延びた２つの柱半体６を前後方向に並べて構成される。各柱半体６は、柱軸に沿って延びた第１板状部６０と、該第１板状部６０の両側から第１板状部６０に直交して延びた一対の第２板状部６１を備えている。両第２板状部６１は、互いに平行である。両柱半体６は衝突荷重の荷重方向、即ち前後方向に沿って互いに逆向きに配置される。両柱半体６は第２板状部６１の先端どうしを溶接にて接合して構成され、該接合部分は柱軸に沿って延びた溶接ライン６２を形成している。第１板状部６０の板面は衝突荷重を受ける方向に対向している。
これにより、鉄道車両が前方から衝突荷重を受けた場合は、該衝突荷重は接合継ぎ目が無い第１板状部６０にて受けられる。これにより、衝突エネルギ吸収柱１は衝突荷重を受けた際に、継ぎ目から破断することが起こりにくい。従って、衝突エネルギ吸収柱１は容易に破断することが防止され、衝突エネルギ吸収効果を高めることができる。

また、溶接ライン６２は鉛直方向に延びている。これにより、溶接ライン６２が鉛直方向に直交する方向に沿って設けられた場合に比べて、鉛直方向と直交する方向からの衝突荷重を受けたとき、該溶接ライン６２が亀裂の起点になりにくくなる。
ここで、鉄道車両全体の軽量化のためには、衝突エネルギ吸収柱を例えば樹脂で形成することもできる。しかし、このような樹脂材料は延性が小さい。よって、樹脂製の衝突エネルギ吸収柱では、塑性変形することによるエネルギ吸収は難しい問題がある。即ち、樹脂製の衝突エネルギ吸収柱は大きく塑性変形することなく破断するので、エネルギを十分に吸収できない。
また、衝突エネルギ吸収柱を樹脂製とし、必要な部分だけ金属で補強することにより軽量化を図ることもできる。この場合、金属補強を接合するのに溶接を用いるのが一般的である。しかし、かかる衝突エネルギ吸収柱にあっては、衝突エネルギが加わった際に、該溶接接合部分から不安定的に破断し易くなる。故に、衝突エネルギ吸収柱として十分に衝突エネルギを吸収できない虞がある。また、衝突時に補強が施されていない箇所に衝突荷重が加わると、想定した性能を発揮できない虞もある。
本実施形態の衝突エネルギ吸収柱１では、外側部材３と、該外側部材３よりも柱長手方向の引張強度が高く、軽量であり、延性の小さな内側部材４との二重構造を採用することにより、軽量化と十分な衝突エネルギ吸収の両方を達成することができる。

[エネルギ吸収効果]
次に、本実施の形態の衝突エネルギ吸収柱１のエネルギ吸収効果を確認するため、強化プラスチックのみで形成された衝突エネルギ吸収柱（以下、単に強化プラスチック製衝突エネルギ吸収柱という）、金属のみで形成された衝突エネルギ吸収柱（以下、単に金属製衝突エネルギ吸収柱という）、本実施形態の衝突エネルギ吸収柱との比較結果について説明する。具体的には、図３に示すように衝突エネルギ吸収柱１の柱長手方向中央部に衝突荷重Ｐが加わった場合の変形ストロークδ（曲げ変形量）について比較検討を行った。
図４(a)は、変形ストロークと衝突エネルギ吸収柱が受ける衝突荷重、即ち反力との関係を示すグラフ、図４(b)は、衝突エネルギ吸収柱１の変形ストロークと吸収するエネルギとの関係を示すグラフである。
図４(a)、(b)にて、(１)のラインが強化プラスチック製の衝突エネルギ吸収柱、(２)のラインが金属製の衝突エネルギ吸収柱、(３)のラインが本実施形態の衝突エネルギ吸収柱を夫々示す。強化プラスチック製の衝突エネルギ吸収柱と、金属製の衝突エネルギ吸収柱は同質量である。
また、荷重Ｐｓは、衝突エネルギ吸収柱１と台枠あるいは屋根構体との結合部が破断せずに耐えうる限界荷重を指す。ストロ−クδｓは、衝突エネルギ吸収柱１に許容される規定の最大撓み、吸収エネルギＥｓは、衝突エネルギ吸収柱１が吸収すべき規定の衝突エネルギ量である。

強化プラスチック製の衝突エネルギ吸収柱は、厚板にしても比較的軽量であり、(１)のラインが示すように、短いストロークで一定の衝突荷重を支持することができる。しかし、ストロークが短いうちに荷重Ｐｓに達するから、規定の衝突エネルギを吸収する前に、強化プラスチック製の衝突エネルギ吸収柱が車両構体から脱落してしまう。また、強化プラスチック製の衝突エネルギ吸収柱は、塑性変形しないから、この点でも衝突荷重を吸収する効果が弱い。
これに対し(２)のラインが示すように、上記(１)の強化プラスチック製の衝突エネルギ吸収柱と同質量の金属製の衝突エネルギ吸収柱では、比較的小さな荷重で塑性変形を起こす。しかし、ストロークの変化に比して上昇する荷重、即ち吸収するエネルギの上昇率が小さい。故に、ストロ−クδｓで規定の衝突エネルギ量Ｅｓを吸収するには、塑性変形しにくい可成りの厚板で衝突エネルギ吸収柱を構成することが必要となる。これでは、衝突エネルギ吸収柱の重量が大幅に増加する。

上記(１)(２)のラインに比して、(３)のラインが示すように、本実施形態の衝突エネルギ吸収柱１が衝突荷重を受けると、金属製の外側部材３は比較的早期に局部的な塑性変形を始めるが、強化プラスチック製の内側部材４が先に破断する(図４(a)の点Ｂ)。しかし、金属製の外側部材３は塑性変形はするものの、未だ破断せず、衝突エネルギを吸収し続ける。これにより、全体を樹脂或いは金属で構成した衝突エネルギ吸収柱に比して、同質量あたり大きな衝突エネルギを吸収することができると予想される。
このように、本実施形態の衝突エネルギ吸収柱は、軽量化および一定の曲げ変形量以内での十分な衝突エネルギを吸収することができる。
更に、少なくとも外側部材３を中空に形成することにより、外側部材３が例えば平板状である場合に比して、断面係数が大きくなる。これにより、許容される曲げ応力が大きくなるから、大きな衝突荷重を受けることができ、大きな衝突エネルギを吸収することができる。
また、例えば、外側部材３が強化プラスチック製であると、衝突エネルギ吸収柱１が鋭利な障害物に衝突した場合は、外側部材３に直ぐに亀裂が生じて破断する。故に、衝突エネルギを吸収することができなくなる。しかし、外側部材３が金属製であるから、衝突エネルギ吸収柱１が鋭利な障害物に衝突しても、外側部材３は直ぐには破断しない。故に、衝突エネルギを効率的に吸収することができる。

(解析結果その１)
出願人は上記のエネルギ吸収効果を確認すべく、図５に示す形状を呈する解析用柱５を想定した。該解析用柱５は、金属製の第１半体５０と、該第１半体５０の内側に位置する強化プラスチック製で断面凹状の第２半体５１を備える。また、図示はしないが第１半体５０のみの解析用柱５も想定した。第１半体５０は厚みが９ｍｍのものと１１.７ｍｍのものを用意した。第２半体５１の厚みは２０ｍｍである。
そして、これらについて、解析用柱５の変形ストロークと吸収する荷重、即ち反力との関係、及び該変形ストロークと吸収するエネルギとの関係について、シミュレーションを行って解析した。図５に示す解析用柱５にて、奥行きＬ１は３０４.８ｍｍ(１２インチ)、幅Ｌ２は１５２.４ｍｍ(６インチ)、高さＨは、２０００ｍｍである。解析用柱５の両端部を固定(拘束)した状態で、高さ７６２ｍｍ(３０インチ)の地点Ｓに矩形状の押し部材５４にて４００ｍｍ/ｓの速度で衝突荷重が加わるとする。第２半体５１は互いに対向する一対の側壁５２を備え、両側壁５２間にて地点Ｓの高さ位置には、リブ５３が掛け渡されている。これにより、両側壁５２が同様に変形するようにした。
また、第１半体５０の材質はステンレスとし、第２半体５１の材質は、カーボン繊維強化プラスチック(ＣＦＲＰ)とした。第１半体５０と第２半体５１は互いに接触しているが接着されていない。両半体５０、５１間の摩擦係数は０.２である。第２半体５１の材質であるＣＦＲＰは、ＵＤ材０°方向、即ち強化繊維の方向が、衝突エネルギ吸収柱１の長手方向に沿っているとした。

解析に当たっては、厚み９ｍｍの第１半体５０のみの解析用柱５をＣＡＳＥ１、厚み１１.７ｍｍの第１半体５０のみの解析用柱５をＣＡＳＥ２、厚み９ｍｍの第１半体５０と厚み２０ｍｍのＣＦＲＰ製の第２半体５１を備えた解析用柱５をＣＡＳＥ３、厚み９ｍｍの第１半体５０と厚み２０ｍｍのＣＦＲＰ製の第２半体５１を備えた解析用柱５をＣＡＳＥ３´とした。なお、ＣＡＳＥ２、３及び３´において、解析用柱５の質量は等価である。
ＣＡＳＥ３´とＣＡＳＥ３とでは、ＣＡＳＥ３´が解析用柱５の第２半体５１の両端部を拘束していていないのに対し、ＣＡＳＥ３では解析用柱５の両端部を拘束している。尚、ＣＡＳＥ１とＣＡＳＥ２では、解析用柱５の第２半体５１の両端部を拘束している。
また、第２半体５１を形成するＣＦＲＰの材料特性、具体的にはヤング率Ｅ_１、Ｅ_２、ポアソン比ν、せん断係数Ｇ_１２、引張り強度Ｎ_１ｔ、Ｎ_２ｔ、圧縮強度Ｎ_１Ｃ、Ｎ_２Ｃ、せん断強度Ｓ_１２の値は表１に示す通りである。

ここで、上記記号の添え字１、２は、添え字１が解析用柱５の長手方向に沿う値であることを、添え字２が解析用柱５の長手方向に直交する方向に沿う値であることを意味する。また、第２半体５１を形成するＣＦＲＰは、破壊を考慮した直交異方性材料である。
解析用柱５に衝突荷重を加えた際の反力と変位との関係を解析した結果を、図６のグラフに、吸収エネルギと変位との関係を解析した結果を、図７に夫々示す。変位の単位はｍｍ、反力の単位はｋＮ、エネルギの単位はＭＪである。

図６及び図７にて、(１)のラインが、ＣＡＳＥ３(厚み９ｍｍのステンレス＋厚み２０ｍｍのＣＦＲＰで両端部を拘束)の解析用柱５の解析結果であり、(２)のラインが、ＣＡＳＥ３´(厚み９ｍｍのステンレス＋厚み２０ｍｍのＣＦＲＰで、ステンレス部のみ両端部を拘束せず)の解析用柱５の解析結果である。また、(３)のラインがＣＡＳＥ２(厚み１１.７ｍｍのステンレスのみで両端部を拘束)の解析用柱５の解析結果であり、(４)のラインがＣＡＳＥ１(厚み９ｍｍのステンレスのみで両端部を拘束)の解析用柱５の解析結果である。図７及び後記の図１０及び図１２では、厚みをｔにて示す。例えば、厚み９ｍｍをｔ９として示す。
図６に示すように、上記(４)のラインに比して、(１)(２)のラインが示すように、本実施形態の衝突エネルギ吸収柱１が衝突荷重を受けると、強化プラスチック製の内側部材４が先に破断する(図６の点Ｆ１、Ｆ２)。しかし、金属製の外側部材３は未だ破断せず、衝突エネルギを吸収し続ける。これにより、全体を樹脂で構成した衝突エネルギ吸収柱に比して、大きな衝突エネルギを吸収することができることが実証された。
また、図７に示すように、(４)のラインと(３)のラインを比較すると(ＣＡＳＥ１とＣＡＳＥ２との比較)、金属製のみの解析用柱５にて、より大きな衝突エネルギを吸収するには、該解析用柱５の板厚を厚くしなければならないことが判る。しかし、(１)、(２)のラインと(３)のラインを比較すると(ＣＡＳＥ３及びＣＡＳＥ３´とＣＡＳＥ２との比較)、変位に対するエネルギ吸収量は、金属製の第１半体５０と強化プラスチック製の第２半体５１とを組み合わせた解析用柱５は、厚みを増した金属製のみの解析用柱５と殆ど変わらない。これにより、衝突エネルギ吸収柱１を金属製の外側部材３と強化プラスチック製の内側部材４の二重構造とすることにより、外側部材３の厚みを薄くしつつ、大きな衝突エネルギを吸収することができることが判る。特に、ＣＡＳＥ３において、一定の変位以内(例えば９０ｍｍ程度まで)であればエネルギ吸収効率が高い。

(解析結果その２)
出願人は更に上記のエネルギ吸収効果を確認すべく、図８(a)に示す解析用柱１００を想定した。該解析用柱１００の奥行きＬ５は２５４ｍｍ(１０インチ)、幅Ｌ６は１５２.４ｍｍ(６インチ)、高さＨは、２３００ｍｍである。高さ７６２ｍｍ(３０インチ)の地点Ｓに矩形状の押し部材５４にて４００ｍｍ/ｓの速度で衝突荷重が加わるとする。該解析用柱１００は断面矩形状で中空の外角柱１１０と、外面が該外角柱１１０の内面に接し、断面矩形状で中空の内角柱１２０を備える。即ち、図５に示す解析用柱５と異なり、外角柱１１０と内角柱１２０の断面形状は閉じている。外角柱１１０はステンレス等の金属製で、その厚みは全周に亘って均一で６ｍｍ又は７.８ｍｍである。内角柱１２０はＣＦＲＰ製で、その厚みは全周に亘って均一で１０ｍｍである。出願人は内角柱１２０として図８(b)に示すように、厚み１６ｍｍの第１壁１３０と厚み６ｍｍの第２壁１４０を連ねて設けた断面形状を有するものも用意した。外角柱１１０と内角柱１２０は接着されておらず、両者の間の摩擦係数は、０.２である。

解析に当たっては、厚み６ｍｍの外角柱１１０のみの解析用柱１００をＣＡＳＥ１、厚み７.８ｍｍの外角柱１１０のみの解析用柱１００をＣＡＳＥ２、厚み６ｍｍの外角柱１１０と厚み１０ｍｍのＣＦＲＰ製の内角柱１２０を備えた解析用柱１００をＣＡＳＥ３、厚み６ｍｍの外角柱１１０と断面形状が図８(b)に示す内角柱１２０を備えた解析用柱１００をＣＡＳＥ４とした。ＣＡＳＥ１乃至ＣＡＳＥ４の何れも、解析用柱１００の両端部を拘束している。ＣＡＳＥ２とＣＡＳＥ３とＣＡＳＥ４の解析用柱１００は、重量が何れもほぼ等しく形成されており、これは同じ重量の解析用柱１００にてエネルギ吸収効果を確認する趣旨である。
解析用柱１００に衝突荷重を加えた際の反力と変位との関係を解析した結果を、図９のグラフに、吸収エネルギと変位との関係を解析した結果を、図１０に夫々示す。変位の単位はｍｍ、反力の単位はｋＮ、エネルギの単位はＭＪである。

図９及び図１０にて、(１)のラインが、ＣＡＳＥ４(厚み６ｍｍのステンレス＋図８(b)に示すＣＦＲＰ)の解析用柱１００の解析結果であり、(２)のラインが、ＣＡＳＥ２(厚み７.８ｍｍのステンレス)の解析用柱１００の解析結果である。また、(３)のラインがＣＡＳＥ３(厚み６ｍｍのステンレス＋厚み１０ｍｍのＣＦＲＰ)の解析用柱１００の解析結果であり、(４)のラインがＣＡＳＥ１(厚み６ｍｍのステンレスのみ)の解析用柱１００の解析結果である。
図９及び図１０に示す(４)のラインと(３)のラインとの比較(ＣＡＳＥ１とＣＡＳＥ３との比較)から、同じ厚みの金属製の外角柱１１０を用いても、内側に強化プラスチック製の内角柱１２０を挿入した解析用柱１００と、内角柱１２０を挿入しない解析用柱１００とではエネルギ吸収量は、変位が９０―１５０ｍｍの範囲にて、約２倍となることが判る。
更に、図１０に示すように、(１)のラインからＣＡＳＥ４の解析用柱１００にあっては、変位量が１１０ｍｍ以下では、同じ重量のＣＡＳＥ２とＣＡＳＥ３((２)と(３)のライン)の解析用柱１００と比較して、エネルギ吸収特性は優れている。即ち、内角柱１２０の周囲方向の厚みを場所によって変えることによって、エネルギ吸収性能は向上する。しかし、変位量が１１０ｍｍを超えると、内角柱１２０の破断が始まったと解され、ＣＡＳＥ２の解析用柱１００よりもエネルギ吸収特性は稍劣る。

また、図９及び図１０について、重量が等しいＣＡＳＥ２の解析用柱１００とＣＡＳＥ３の解析用柱１００の結果を比較すると((２)のラインと(３)のラインの比較)、金属製の外角柱１１０と強化プラスチック製の内角柱１２０を組み合わせた解析用柱１００が、金属製のみの外角柱１１０を用いた解析用柱１００よりもエネルギ吸収特性が特段に優れているとの効果は、特に変位の値が大きな場合については得られなかった。しかし、ＣＡＳＥ４により、本実施形態に係る衝突エネルギ吸収柱１が、軽量化と一定変位量以内の十分な衝突エネルギを吸収するとの効果が得られることが実証された。
また、金属製の外角柱１１０と強化プラスチック製の内角柱１２０を組み合わせた解析用柱１００は、金属製のみの外角柱１１０を用いた解析用柱１００と同等以上のエネルギ吸収特性を示すから、衝突エネルギ吸収柱１を金属製の外側部材３と強化プラスチック製の内側部材４の二重構造とすることにより、外側部材３の厚みを薄くしつつ、大きな衝突エネルギを吸収することができることが判る。前記の如く、外側部材３は２つの柱半体６を溶接して形成されるから、各柱半体６を薄く形成することにより、柱半体６の溶接が容易となる、これにより、両柱半体６を溶接する際の熱歪みも小さくなる。

上記実施形態の衝突エネルギ吸収柱１では、外側部材３と内側部材４はともに断面中空であるとした。しかし、これに代えて、外側部材３と内側部材４の断面はともに凹状であってもよい。また、断面は矩形でなくてもよく、円形や楕円等、種々の形状とすることも可能である。
上記実施形態の衝突エネルギ吸収柱１では、外側部材３を半体としたが、これに限られない。例えば、アルミ押出形材によるホロー材を用いてもよい。
上記実施形態の衝突エネルギ吸収柱１は、直線としたが、曲率を有する柱としてもよい。上記実施形態の衝突エネルギ吸収柱１は、屋根構体及び台枠とは締結手段を用いて結合したが、溶接やその他の手段により結合してもよい。
外側部材３と内側部材４とは、同じ長さであってもよい。上記の実施形態では、衝突エネルギ吸収柱１は、鉄道車両構体２の妻側に２本設けられているとしたが、１本でもよく、３本以上でもよい。更に、図１に示す隅柱８０を衝突エネルギ吸収柱１にて形成してもよい。
また、内側部材４を形成する強化プラスチックはＣＦＲＰ又はＧＦＲＰに限定されず、他のプラスチック、例えばＫＦＲＰ(ケブラーを含んだ繊維強化プラスチック)やＢＦＲＰ(ボロンを含んだ繊維強化プラスチック)であってもよい。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する１つの態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明は、鉄道車両の先頭車両に設けられる衝突エネルギ吸収柱に適用すると有用である。

１衝突エネルギ吸収柱
２鉄道車両構体
３外側部材
４内側部材
５解析用柱
６柱半体
５０第１半体
５１第２半体
１００解析用柱

Claims

鉄道車両の妻部に設けられ、端梁から屋根構体に向けて延在する衝突エネルギ吸収柱であって、
横断面が凹状断面または中空断面である金属製の外側部材と、
前記外側部材の内周に沿って設けられ、前記外側部材と平行に延びる強化プラスチック製の内側部材とを備える、衝突エネルギ吸収柱。
鉄道車両の妻部に設けられ、端梁から屋根構体に向けて延在する衝突エネルギ吸収柱であって、
外側部材と、
前記外側部材に内包され、前記外側部材よりも柱長手方向の引張強度が高く、軽量であり、延性の小さな内側部材とを備える、衝突エネルギ吸収柱。
前記外側部材は、柱長手方向端部であって前記屋根構体と結合される第１領域と、前記台枠と結合される第２領域とを有する、請求項１又は２に記載の衝突エネルギ吸収柱。
前記屋根構体と前記第１領域および前記台枠と前記第２領域とは、それぞれ機械締結により結合される、請求項３に記載の衝突エネルギ吸収柱。
前記内側部材は、前記第１領域及び前記第２領域を除いて、前記台枠上部から前記屋根構体下部の間に延在する、請求項３に記載の衝突エネルギ吸収柱。
前記外側部材は、夫々柱軸に沿って延びた２つの柱半体を外側部材の柱軸に直交する方向に並べて接合して構成され、両柱半体の接合部分は前記柱軸に沿って延びている、請求項１乃至５に記載の衝突エネルギ吸収柱。
各柱半体は前記柱軸に沿って延びた第１板状部と、該第１板状部の両側から第１板状部に直交して延びた互いに平行な第２板状部を備えて、両柱半体は衝突荷重の荷重方向に沿って互いに逆向きに配置されて第２板状部の先端どうしを接合して構成され、第１板状部の板面は衝突荷重を受ける方向に対向している、請求項６に記載の衝突エネルギ吸収柱。
前記強化プラスチックは、繊維を含有したプラスチックであり、該繊維は体積率が６０％以上である、請求項１乃至７の何れかに記載の衝突エネルギ吸収柱。
前記強化プラスチックは、ＣＦＲＰ又はＧＦＲＰを含むＦＲＰである、請求項１に記載の衝突エネルギ吸収柱。
請求項１乃至９の何れかに記載の衝突エネルギ吸収柱が、台枠から立設された衝突柱である鉄道車両。
側梁と端梁との間に立設された隅柱をさらに備え、前記隅柱は請求項１乃至９の何れかに記載の衝突エネルギ吸収柱を含む、鉄道車両。