JP5073979B2 - エネルギ吸収部材 - Google Patents

Description

本発明は、エネルギ吸収部材に係リ、特に鉄道車両をはじめとする運輸機器構造物が物体と衝突した場合に生じるエネルギを吸収するエネルギ吸収部材に好適なものである。

鉄道車両、道路車両などに代表される輸送機器では、運行中に予期しない衝突が生じることがある。このような予期せぬ衝突に対して、輸送機器に搭乗している乗客などを保護するための構造（以後、衝突緩和構造と呼ぶ）が採用されている。

この衝突緩和構造は、車体を、乗客等が搭乗する領域（以後、サバイバル領域と呼ぶ）と、衝突時にエネルギを吸収する領域（以後、クラッシャブル領域と呼ぶ）との二つの領域に区分する。サバイバル領域は強固な構造とする。一方、クラッシャブル領域は衝突時に作用するエネルギを吸収する構造とする。

ここで、クラッシャブル領域において衝突時に作用するエネルギを吸収する方法は、クラッシャブル領域を構成する部材を塑性変形させる方法が多く用いられている。その一例として、特許文献１及びこれに関連する非特許文献１を挙げることができる。

この特許文献１には、鉄道車両に関して、先頭車の最先頭部に衝突時のエネルギを吸収する部材を付与し、衝突によりエネルギが作用すると、エネルギを吸収する部材が塑性変形してエネルギを吸収するクラッシャブル領域（衝突崩壊空間）を設けることが開示されている。

このクラッシャブル領域は、大きく分けて、衝突構造体とエネルギ吸収構造体とからなる二つの構造体により構成されている。衝突構造体は、主に通常運用時に作用する荷重を支持し、衝突時にはエネルギを吸収する。エネルギ吸収構造体は、通常運用時に荷重は実質上ほとんど作用しないが、衝突時にエネルギを吸収する。

衝突構造体は、運転台や連結器などの通常運用に必要な装置の荷重を支持する構造体であり、通常の使用時において作用する荷重を支持することを主な目的に設けられたものであるが、衝突時には塑性変形してある程度のエネルギを吸収するものである。一方、エネルギ吸収構造体は、通常運用時には荷重が実質的に作用しないものであるが、衝突時には荷重が作用して当該構造体が塑性変形することによりエネルギを吸収するものである。

特開２００４−１６８２１８号公報 日本機械学会論文集２００４年９月号（第７０巻第６９７号）Ａ編「焼鈍したアルミニウム合金製中空押出形材を用いた鉄道車両用エネルギ吸収部材の開発」（川崎 健、山本 隆久、大場 英資、正井 健太郎、中村 英之著）

このエネルギ吸収体構造体に用いられるエネルギ吸収部材には、省スペースと良好なエネルギ吸収特性とを両立させることが求められる。

まず、省スペースに関して必要性を説明する。エネルギ吸収部材は、衝突時に障害物や隣接する車両と接触することが求められるので、車両の長手方向の端部に設置される。ここで、車体の端部には、運転台や連結器といった隣接する車両と連絡するための装置が多数配置されている。このため、エネルギ吸収部材を配置するためには、これら機器との物理的干渉を避ける必要があり、出来るだけ小さな体積である必要がある。これを達成するために、特許文献１のエネルギ吸収部材は中空形材を用いて筒状に構成している。

次に、良好なエネルギ吸収特性について説明する。車両が衝突した際に乗客等への被害を小さくするためには、車体の減速度を出来るだけ小さくかつ安定させることが必要である。この減速度と吸収エネルギ量の関係は次の式で表される。
Ｅ＝Ｌ×Ｍ×Ａ （１）
ここで、Ｅ：吸収エネルギ、Ｌ：崩壊長さ（衝突時に崩壊する長さ）、Ｍ：車体質量、Ａ：衝突時に生じる車体の減速度、である。

この式（１）から明らかなように、乗客等への被害を小さくするために減速度Ａを限りなく小さくすると、エネルギ吸収部材で吸収するエネルギ量Ｅが小さくなる。これでは規模の大きな衝突に対して対応できなくなる。そこで、減速度Ａを可能な限り小さくしながら、出来るだけ多くのエネルギを吸収するためには、減速度Ａを出来るだけ一定（安定）にすることが必要になる。

以上のように、エネルギ吸収部材には、小さな体積（省スペース）と圧壊時の減速度の安定（良好なエネルギ吸収特性）とが求められる。

しかし、特許文献１のエネルギ吸収部材では、省スペースに対しては有効であるものの、衝突時の減速度が大きく増減するものであるため、さらに良好なエネルギ吸収特性とする課題を有している。すなわち、中空形材の押出し方向に荷重が作用し、面板とリブの局部的な面外座屈が連続して生じるときにおいて、特許文献１のエネルギ吸収部材のようにリブと面板の板厚が周方向に一様である場合、各々の面板やリブが衝突後に面外座屈する周方向のタイミングが同じとなる。このような場合、衝突時の減速度は大きく変化する。このことは、例えば、非特許文献１の記載からも明らかである。

本発明は、小さな体積で、圧壊時に生じる減速度の変動が小さく衝撃エネルギを吸収できるエネルギ吸収部材を提供することを目的とする。

前述の目的を達成するための本発明の第１の態様は、中空形材を用いて筒状に構成され、当該筒状の各辺を構成する中空形材は、二枚の実質的に平行な面板と当該面板間を接続する複数のリブとからなり、前記面板と前記リブとが交わる結節点を周方向に複数有して構成されているエネルギ吸収部材であって、前記中空形材は前記結節点を介して周方向に位置する部位の前記面板の板厚を異ならせて形成されているものである。

前述の目的を達成するための本発明の第２の態様は、中空形材を用いて筒状に構成され、当該筒状の各辺を構成する中空形材は、二枚の実質的に平行な面板と当該面板間を接続する複数のリブとからなり、前記面板と前記リブとが交わる結節点を周方向に複数有して構成されているエネルギ吸収部材であって、前記中空形材は前記結節点を介して周方向に位置する前記リブの板厚を異ならせて形成されているものである。

前述の目的を達成するための本発明の第３の態様は、中空形材を用いて筒状に構成され、当該筒状の各辺を構成する中空形材は、二枚の実質的に平行な面板と当該面板間を接続する複数のリブとからなり、前記面板と前記リブとが交わる結節点を周方向に複数有して構成されているエネルギ吸収部材であって、前記中空形材は、前記結節点を介して周方向に位置する前記面板の部位の板厚を異ならせると共に、前記結節点を介して周方向に位置する前記リブの板厚を異ならせて形成されているものである。

係る本発明の前述した態様におけるより好ましい具体的構成例は次の通りである。
（１）前記中空形材は少なくとも１つの前記結節点に接続される前記面板および前記リブの板厚を全て異ならせて構成されていること。
（２）前記中空形材は前記結節点を介して周方向に位置する前記面板および前記リブの板厚の異なる種類を３種類以上としていること。
（３）前記中空形材は、前記面板と前記リブとが押出し成形により一体に形成されたアルミニウム合金製部材で構成され、前記結節点間の面板およびリブの板厚が押出し方向および前記結節点方向に同一であること。
（４）前記中空形材は、前記面板と前記リブとが押出し成形により一体に形成されたアルミニウム合金製部材で構成され、前記結節点間のリブの板厚が前記結節点方向に異なるものであること。

本発明によれば、小さな体積で、圧壊時に生じる減速度の変動が小さく衝撃エネルギを吸収できるエネルギ吸収部材を提供することができる。

以下、本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示す。なお、本発明は、上述した実施形態に開示した形態に限られるものではなく、公知技術などに基づく変更を許容するものである。
（第１実施形態）
本発明を鉄道車両に適用した第１実施形態を図１から図６によって説明する。

まず、図１を参照しながら鉄道車両構体１の構造を説明する。図１は本発明の第１実施形態のエネルギ吸収部材を備えた鉄道車両構体１の斜視図である。

鉄道車両構体１は、車体長手方向に対して両端を閉鎖する面を形成する妻構体２、車体長手方向に対して左右の面を形成する側構体３、屋根を形成する屋根構体４、及び床面を形成する台枠５から構成されている。側構体３には窓や出入口の開口がある。側構体３の最下部で且つ台枠５の左右両側の部分には、側梁６が設けられている。

鉄道車両構体１は、その全部または一部について複数の中空形材を接合して構成している。中空形材は軽合金（例えば、アルミニウム合金）を用いて押出された形材であり、その押出し方向（すなわち、長手方向）と車体の長手方向を一致させている。すなわち、中空形材の幅方向が車体の周方向に並ぶように配置されている。その後、これらの中空形材を溶接して鉄道車両構体１を構成している。

このような基本構造を持つ鉄道車両構体１は、衝突時に乗客等の生命を保護するサバイバル領域１０と、衝突時に生じるエネルギを構造体の塑性変形に変換して吸収するクラッシャブル領域２０との二つの領域に区分される。サバイバル領域１０は、車両の長手方向の中央に設置されている。クラッシャブル領域２０は、車両の長手方向の両端部に存在し、あたかもサバイバル領域１０を挟み込むように配置されている。

次に、図２から図４を参照しながらクラッシャブル領域２０におけるクラッシャブル構造体５０について説明する。図２は図１のクラッシャブル領域２０におけるクラッシャブル構造体５０及びその周辺の側面図、図３は図２のクラッシャブル構造体５０の平面図、図４は図３のＡ−Ａ断面図である。

クラッシャブル領域２０は、衝突構造体３０とエネルギ吸収構造体４０とからなるクラッシャブル構造体５０を備えて構成されている。

衝突構造体３０は、サバイバル領域１０の台枠５に固定されて運転台や連結器などの通常運用に必要な装置の荷重を支持する構造体であり、通常の使用時において作用する荷重を支持することを主な目的に設けられたものである。この衝突構造体３０は、クラッシャブル領域２０を構成するフレームで構成され、衝突時には塑性変形してある程度のエネルギを吸収する。具体的には、衝突構造体３０は、鉄道車両構体１に固定するために鉄道車両構体１の端部の形状にほぼ等しいほぼ四角形の取付け枠１１０と、この取付け枠１１０よりも前方側に位置する複数の縦柱１２０、１３０と、この縦柱１２０、１３０を取付け枠１１０に結合する横骨１４０と、床１５０と、を備えて構成されている。取付け枠１１０は台枠３に溶接やボルト締結等により固定されている。

エネルギ吸収構造体４０は、通常運用時には荷重が実質的に作用しないものであるが、衝突時には荷重が作用して当該部材が塑性変形することによりエネルギを吸収するものである。このエネルギ吸収構造体４０は、衝突構造体３０より早く最初に衝突するアンチクライマ１６０と、塑性変形することによりエネルギを吸収するエネルギ吸収部材１７０とを備えて構成されている。

エネルギ吸収部材１７０は、床１５０の下方に位置されると共に、車体幅方向の中央を対称にして鉄道車両構体１の幅方向の両側に配置されている。このエネルギ吸収部材１７０は、前端にアンチクライマ１６０を取付けると共に、後端が衝突構造体３０の取付け枠１１０に溶接等により固定されている。

次に、図５を参照しながらエネルギ吸収部材１７０を具体的に説明する。図５は図２のエネルギ吸収部材１７０の単体状態の斜視図である。

エネルギ吸収部材１７０は、中空形材２００を用いて、横長四角形の筒状に構成されている。具体的には、エネルギ吸収部材１７０は、筒状の各辺である４面を形成する４枚の中空形材２００が溶接されて構成されている。なお、エネルギ吸収部材１７０は、収納性及び製作性に優れた横長四角形の筒状が好ましいが、必要に応じてその他の角形の筒状としてもよい。

筒状の各辺を構成する中空形材２００は、二枚の平行な面板２１０と、当該面板２１０間を接続する複数のリブ２２０とからなり、面板２１０とリブ２２０とが交わる結節点２３０を周方向（中空形材２００と交差する方向）に複数有して構成されている。具体的には、中空形材２００は、面板２１０とリブ２２０とが押出し成形により一体に形成されたアルミニウム合金製部材で構成され、結節点２３０、２３０間の面板２１０及びリブ２２０の板厚が押出し方向に同一である。そして、中空形材２００は押出し方向を車両の走行方向（長手方向）に向けて設置されている。すなわち、衝突方向と中空形材２００の押出し方向とを一致させて設置されている。

中空形材２００の材料の具体例としては、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉなどが添加された、いわゆる三元系のアルミニウム合金をあげることができる。中空形材２００は、衝撃エネルギを吸収しやすくするために、押出し成形後に熱処理を施す。熱処理の一例として、金属組織を微細化するか、または、焼なましと同等の熱処理をあげることができる。

次に、図６を参照しながらエネルギ吸収部材１７０をさらに具体的に説明する。図６は図５のエネルギ吸収部材１７０の部分拡大図である。

中空形材２００は、実質的に平行な２枚の面板２１０（２１０ａ、２１０ｂ）と、両面板２１０ａ、２１０ｂを接続するリブ２２０（２２０ａ、２２０ｂ、…）とからなる。面板２１０とリブ２２０が接続する部分を結節点２３０と呼ぶ。リブ２２０は、面板２１０ａ、２１０ｂに対して傾斜している。このため、面板２１０ａ、２１０ｂとリブ２２０に囲まれる空間は、押出し方向に対してあたかも三角形のような断面形状となる。つまり、リブ２２０ａ、２２０ｂ、…はトラス状に面板２１０ａ、２１０ｂに接続されている。面板２１０ａと２１０ｂは平面を構成している。

なお、リブ２２０は面板２１０ａ、２１０ｂに直交するものであってもよい。これによれば、押出し性が向上するので、薄い板厚の中空形材を用いることができる。また、座屈に対する挙動がより単純化されるので、蛇腹状の変形モードを得やすくなる。

ここで、中空形材２００を構成する面板２１０ａの板厚は、部分的に異なっている。すなわち、ある結節点２３０、２３０間の板厚はｔａ１、別の結節点２３０、２３０間の板厚はｔａ２となっている。換言すれば、中空形材２００は結節点２３０を介して周方向に位置する部位の面板２１０ａ、２１０ｂの板厚を異ならせて形成されている。なお、面板２１０ｂの板厚も面板２１０ａの板厚と同様に部分的に異なっているが、図６では代表して板厚をｔｂと表示してある。

また、中空形材２００を構成するリブ２２０の板厚も部位により異なり、一つの結節点２３０に接続されるリブ２２０ａの板厚はｔｃ１、一つの結節点２３０に接続されるリブ２２０ｂの板厚はｔｃ２である。換言すれば、中空形材２００は結節点２３０を介して周方向に位置するリブ２２０ａ、２２０ｂの板厚を異ならせて形成されている。

このように、面板２１０およびリブ２２０の板厚は、結節点２３０、２３０間を一つの単位として、各々異なっている。

さらには、中空形材２００は少なくとも１つの結節点２３０に接続される面板２１０およびリブ２２０の板厚を全て異ならせて構成されている。換言すれば、中空形材２００は結節点２３０を介して周方向に位置する面板２１０ａ１、２１０ａ２およびリブ２２０ａ、２２０ｂの板厚の異なる種類を３種類以上としている。

この第１実施形態によれば、エネルギ吸収部材１７０は、中空形材２００を用いて筒状に構成されているので、従来技術で述べたように、小さな体積にすることができ、省スペース性に優れたものである。また、中空形材２００は、面板２１０とリブ２２０とが押出し成形により一体に形成されたアルミニウム合金製部材で構成され、結節点２３０、２３０間の面板２１０ａ、２１０ｂおよびリブ２２０の板厚が押出し方向に同一であるので、軽量とすることができると共に容易に製作できる。

そして、中空形材２００は結節点２３０を介して周方向に位置する部位の面板２１０ａ、２１０ｂの板厚を異ならせて形成されているので、面板２１０が圧壊して局部的に面外座屈するタイミングは周方向における各部２１０ａ、２１０ｂにより異なることとなり、全体として圧壊時の減速度の変動を小さく衝撃エネルギを吸収できるエネルギ吸収部材とすることができる。

また、中空形材２００は結節点２３０を介して周方向に位置するリブ２２０ａ、２２０ｂの板厚を異ならせて形成されているので、リブ２２０が圧壊して局部的に面外座屈するタイミングは周方向における各リブ２２０ａ、２２０ｂにより異なることとなり、全体として圧壊時の減速度の変動を小さく保つことができる。

さらには、中空形材２００は、結節点２３０を介して周方向に位置する部位の面板２１０ａ、２１０ｂの板厚を異ならせると共に、結節点２３０を介して周方向に位置するリブ２２０ａ、２２０ｂの板厚を異ならせて形成されているので、面板２１０による圧壊時の減速度の変動を小さく保つ効果とリブ２２０による圧壊時の減速度の変動を小さく保つ効果とを合わせ持ち、圧壊時の減速度の変動を格段に小さく保つことができる。

しかも、中空形材２００は少なくとも１つの結節点２３０に接続される面板２１０ａ１、２１０ａ２およびリブ２２０ａ、２２０ｂの板厚を全て異ならせて構成されている。また、中空形材２００は結節点２３０を介して周方向に位置する面板２１０ａ１、２１０ａ２およびリブ２２０ａ、２２０ｂの板厚の異なる種類を３種類以上としている。かかる構成によって、圧壊時の減速度の変動をさらに小さく保つことができる。

この第２実施形態では、中空形材２００は、結節点２３０、２３０間のリブ２２０ｂの板厚が結節点２３０方向に異なるものである。すなわち、リブ２２０ｂは、面板２１０ａの結節点２３０側の板厚がｔｃ３と厚く、面板２１０ｂの結節点２３０側の板厚がｔｃ４と薄く形成されている。一つのリブ２２０ｂにおける面外座屈のタイミングを中空形材２００の径方向で異ならせることができ、圧壊時の減速度の変動をより一層小さく保つことができる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図８を用いて説明する。図８は本発明の第３実施形態のエネルギ吸収部材１７０における中空形材２００の部分拡大図である。この第３実施形態は、次に述べる点で第２実施形態と相違するものであり、その他の点については第２実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。

この第３実施形態では、中空形材２００は、結節点２３０、２３０間のリブ２２０ｂの板厚が結節点２３０方向に異なると共に、結節点２３０、２３０間の中央部を最も薄くしたものである。すなわち、リブ２２０ｂは、面板２１０ａおよび面板２１０ｂの結節点２３０側の板厚がｔｃ５と厚く、リブ２２０ｂの結節点２３０、２３０間の中央部の板厚がｔｃ６と薄く形成されている。これによって、一つのリブ２２０ｂにおける面外座屈のタイミングを中空形材２００の径方向で異ならせることができると共に、その結節点２３０、２３０間の面外座屈点を一定に保つことができる。

本発明の第１実施形態のエネルギ吸収部材を備えた鉄道車両構体の斜視図である。 図１のクラッシャブル領域におけるクラッシャブル構造体及びその周辺の側面図である。 図２のクラッシャブル構造体の平面図である。 図３のＡ−Ａ断面図である。 図２のエネルギ吸収部材の単体状態の斜視図である。 図５のエネルギ吸収部材の部分拡大図である。 本発明の第２実施形態における中空形材の断面図である。 本発明の第３実施形態における中空形材の断面図である。

符号の説明

１…鉄道車両構体、２…妻構体、３…側構体、４…屋根構体、５…台枠、６…側梁、１０…サバイバル領域、２０…クラッシャブル領域、３０…衝突構造体、４０…エネルギ吸収構造体、５０…クラッシャブル構造体、１１０…取付け枠、１２０、１３０…縦柱、１４０…横骨、１５０…床、１６０…アンチクライマ、１７０…エネルギ吸収部材、２００…中空形材、２１０…面板、２２０…リブ、２３０…結節点。

Claims (7)

1. 中空形材を用いて筒状に構成され、
   当該筒状の各辺を構成する中空形材は、二枚の実質的に平行な面板と当該面板間を接続する複数のリブとからなり、前記面板と前記リブとが交わる結節点を周方向に複数有して構成されているエネルギ吸収部材であって、
   前記中空形材は前記結節点を介して周方向に位置する部位の前記面板の板厚を異ならせて形成されている
   ことを特徴とするエネルギ吸収部材。
2. 中空形材を用いて筒状に構成され、
   当該筒状の各辺を構成する中空形材は、二枚の実質的に平行な面板と当該面板間を接続する複数のリブとからなり、前記面板と前記リブとが交わる結節点を周方向に複数有して構成されているエネルギ吸収部材であって、
   前記中空形材は前記結節点を介して周方向に位置する前記リブの板厚を異ならせて形成されている
   ことを特徴とするエネルギ吸収部材。
3. 中空形材を用いて筒状に構成され、
   当該筒状の各辺を構成する中空形材は、二枚の実質的に平行な面板と当該面板間を接続する複数のリブとからなり、前記面板と前記リブとが交わる結節点を周方向に複数有して構成されているエネルギ吸収部材であって、
   前記中空形材は、前記結節点を介して周方向に位置する前記面板の部位の板厚を異ならせると共に、前記結節点を介して周方向に位置する前記リブの板厚を異ならせて形成されている
   ことを特徴とするエネルギ吸収部材。
4. 請求項３に記載のエネルギ吸収部材において、前記中空形材は少なくとも１つの前記結節点に接続される前記面板および前記リブの板厚を全て異ならせて構成されていることを特徴とするエネルギ吸収部材。
5. 請求項３に記載のエネルギ吸収部材において、前記中空形材は前記結節点を介して周方向に位置する前記面板および前記リブの板厚の異なる種類を３種類以上としていることを特徴とするエネルギ吸収部材。
6. 請求項１から３の何れかに記載のエネルギ吸収部材において、前記中空形材は、前記面板と前記リブとが押出し成形により一体に形成されたアルミニウム合金製部材で構成され、前記結節点間の面板およびリブの板厚が押出し方向および前記結節点方向に同一であることを特徴とするエネルギ吸収部材。
7. 請求項１から３の何れかに記載のエネルギ吸収部材において、前記中空形材は、前記面板と前記リブとが押出し成形により一体に形成されたアルミニウム合金製部材で構成され、前記結節点間のリブの板厚が前記結節点方向に異なるものであることを特徴とするエネルギ吸収部材。

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