JP5092323B2 - 軌条車両 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両やモノレールカー等の軌条車両のエネルギー吸収構造に関するものである。

軌条車両では、通常運行中に予期せず物体と衝突する可能性がある。予期せず衝突する物体としては、道路車両、樹木や鉄道車両などの大きな物体から、石、雪塊や対向車両の部品といった小さな物体などをあげることができる。また、衝突時の速度は高速走行時から低速走行時までさまざまである。

ここで、鉄道車両が大きな物体と高速で衝突した場合を考える。大きな物体と高速で衝突した場合、鉄道車両には大きな荷重が衝撃的に作用することになる。このような衝撃から輸送機器に搭乗している乗員・乗客を保護するために、輸送機器の構造物の一部を積極的に変形させることにより、衝突のエネルギーを吸収しなければならない。

即ち、乗員・乗客が搭乗しており、物体との衝突時に軌条車両の構造物が潰れないことを目的とした空間（以後、サバイバルゾーンと呼ぶ）と、物体との衝突時に軌条車両の構造物を積極的に変形させて衝突のエネルギーを吸収する空間（以後、クラッシャブルゾーンと呼ぶ）を分離して軌条車両の構造物に設けるという概念である。

一方、軌条車両が大きな物体と低速で衝突した場合を考える。低速で衝突した際、車体に作用する衝撃は高速走行時と比較して軽微なものである。このため、衝突時に車体に作用するエネルギーを高速走行時のように積極的に吸収しなくとも乗員や乗客の安全は確保できる。逆に、堅牢な構造として低速走行時の衝突時に作用する荷重で車両が変形しないようにすることが望ましい。

さらに、構造物が変形する際には、変形する向きや変形の起点などを制御できることが望ましい。

非特許文献１は、飛来物防御板をレール方向である車体長手方向に対して最も先端に配置し、それに隣接してエネルギーを吸収する部材を配置した構造の例である。

特許文献１は、四辺にアルミ合金製中空押出形材を用いたエネルギー吸収構造が効率よくエネルギーを吸収することを示している。

特許文献２，３，４はエネルギー吸収体の面板に穴を開け、エネルギーを吸収することが示されている。

特開２００４−１６８２１８号公報 特開２００２−６７９５２号公報 特開２００１−８８６９８号公報 特開２００１−２６２６８号公報 Amar Ainoussa. A crashworthy high speed aluminium train：thewest coast main line class 390 tilting train、Proc. Imech E Conf。"What canwe realistically expect from crashworthiness？".(2001)。

上述したように、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ーを吸収し、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な構造が求められる。

上記目的は、編成車両の中間車両の長手方向の両端部、または、該中間車両に連結する車両の該中間車両の側の端部に備えられるとともに、衝突時には変形して衝突エネルギーを吸収するクラッシャブルゾーンを備える軌条車両であって、前記クラッシャブルゾーンは、
前記軌条車両の長手方向の端部に前記軌条車両の側面と屋根に沿って連続して配置された一方の強度部材と、前記端部よりも前記軌条車両の長手方向の中央部寄りの前記側面と前記屋根に沿って連続して配置された他方の強度部材と、前記軌条車両の長手方向に沿う態様で配設されるとともに、前記一方の強度部材と前記他方の強度部材とを接続する複数の骨部材と、前記一方の強度部材と前記他方の強度部材と前記複数の骨部材とを覆う外板と、から構成されており、前記複数の骨部材は、その長手方向の中央部から前記一方の強度部材に向かって前記側面または前記屋根に沿って拡大する板状の一方のウエブと、前記中央部から前記他方の強度部材に向かって拡大せずに延びる板状の他方のウエブと、前記一方のウエブおよび前記他方のウエブの幅方向の両端部から立設されるフランジと、とから構成されており、前記一方のウエブおよび前記他方のウエブは前記外板に重ねて配設されるとともに、前記複数の骨部材の前記中央部の前記フランジのフランジ端部に開口を有する切り欠きが備えられていることを特徴とする軌条車両によって、達成できる。

これによれば、車体の前端に衝突荷重がかかった際、強度部材を介して骨部材に荷重がかかる。骨部材は、切り欠きの箇所で、骨部材を座屈させる。骨部材が座屈しても、外板側には曲がらないので、よって、外板によって、座屈が阻害されることが無く、衝突エネルギーを吸収できる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

本発明を軌条車両に対して適用した場合の第一の実施例を図１から図６によって説明する。

まず、図１により軌条車両の構造を説明する。図１に、軌条車両の構体１は、屋根を形成する屋根構体２、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３，車体長手方向に対して左右の面を形成する側構体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４には窓Ｗや出入口の開口がある。

この構体１は、衝突時に乗員・乗客の生命を保護するサバイバルゾーン１０と、衝突時に生じるエネルギーを吸収するクラッシャブルゾーン１１により構成される。サバイバルゾーン１０は、車両の長手方向の中央に設置されている。

クラッシャブルゾーン１１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ゾーン１０をはさみこむように配置されている。

本図では運転する装置をもたない中間車両を用いて構造を説明しているが、運転装置を有する車両でも、クラッシャブルゾーン１１とサバイバルゾーン１０の相対的な配置は変わらない。

図２に、クラッシャブルゾーン１１の側面図を示す。このクラッシシャブルゾーン１１は、先頭車では後端側の端部にあり、編成車両の中間車ではその長手方向端部（それよりも前方または後方の車両との接続部側にある）。

クラッシャブルゾーン１１を構成する主な部材は、クラッシャブルゾーン１１の乗員室を構成する前後の強度部材１５，１６（一般に、隅柱，ポスト等と呼称される。）と、前後の強度部材１５，１６を接続する骨部材１７と、強度部材１５，１６、骨部材１７の外側を覆う外板１８とからなる。

骨部材１７は、車体の長手方向に沿っている。傾斜していない。強度部材１５，１６は、車体の側面において垂直方向に沿い、また、屋根に沿っている。

図３，図４，図５において、骨部材１７は断面がＵ字状であり、Ｕ字状のウエブ１７ｂ側に外板１８を隅肉溶接している。隅肉溶接は、連続でも不連続でもよい。ウエブ１７ｂの両側にフランジ１７ｃ，１７ｄがある。骨部材１７の長さ方向の中間のフランジ１７ｃ，１７ｄに切り欠き２１を設けている。切り欠き２１はフランジ１７ｃ，１７ｄの端部に開口している。

また、Ｕ字状のウエブ１７ｂ（外板に面する面）には、長手方向の端部よりに穴２２，２３が設けてある。

かかる構成において、ある程度以上の荷重（衝突荷重）が強度部材１５の長手方向に作用した場合は、強度部材１５及びその外側の外板１８が変形してエネルギーを吸収し、ある程度以下の荷重が作用した場合には変形しない。

ある程度以上の荷重（以下、過大な荷重という。）が作用した場合、骨部材１７は長手方向の中間に切り欠き２１があるので、該個所から変形が進行する。図５に示すように、変形は、切り欠き２１側が谷とするように進む。谷になる反対側に外板１８があるので、切り欠き２１側が谷に折れても外板を谷内に巻き込むことが無いので、変形が進み、エネルギーを吸収できる。

また、骨部材１７の長手方向の両端近傍のＵ字状のウエブ１７ｂには穴２２，２３が設けてあるので、図５に示すように、骨部材１７全体として考えた場合、ウエブ１７ｂが山となるように変形する。このため、外板１８が車外側に対して凸になるように変形する。もしこのような変形が生じず局部座屈が連続して発生し、変形方向を制御できない場合には、つぶれ残り量が多くなり有効な圧壊が確保できない。また、車内側に変形すると乗員や乗客に対して影響が生じる可能性がある。このため、外側に凸になるように変形を制御することは有益である。

前記実施例では、断面Ｕ字状の骨部材１７のウエブ１７ｂを外板１８に溶接していたが、図６，図７，図８に示すように、フランジ１７ｃ，１７ｄの先端に外板１８を溶接してもよい。このようにすれば、溶接が簡単である。

この場合は、骨部材１７の長手方向の中間に設ける切り欠き２１に相当する長穴２１ｂはウエブ１７ｂとフランジ１７ｃ（１７ｄ）との接続部に設ける。該接続部が強度的に強いためである。

図６において、長穴２１ｂの幅方向の中間を中心として、折り曲げ、ウエブ１７ｂとフランジ１７ｃ，１７ｄとになるように折り曲げ、骨部材１７を構成する。例えば、長穴２１ｂの幅は約４０mmである。

図６，図７は上記によって構成した骨部材１７である。２１ｂは図３の切り欠き２１に相当する穴である。切り欠き２２ｂ，２３ｂは図３の穴２２，２３に相当する。切り欠き２２ｂ，２３ｂはフランジ１７ｃ，１７ｄの先端に開口している。

図９は本発明（図１０）に対して考えた従来例である。図９（ａ）に示すように、強度部材１５に荷重が作用した場合、当該高さに存在する骨部材１７が主として荷重を支持する。この場合、骨部材１７や強度部材１６には曲げ変形は生じないとすれば、骨部材１７や強度部材１６に発生する応力は低い値となる。

一方、図９（ｂ）に示すように、骨部材１７（１７Ｃ，１７Ｄ）が配置されていない位置の強度部材１５に荷重が作用した場合（骨部材１７Ｃ，１７Ｄの中間位置に荷重が作用した場合）、その位置近傍の骨部材１７Ｃ，１７Ｄが荷重を支持する。

この場合には骨部材１７Ｃ，１７Ｄと荷重点の距離に比例して曲げモーメントが生じる。すなわち、骨部材１７Ｃ，１７Ｄと荷重点の距離が長くなれば曲げモーメントは大きくなる。そこで、骨部材１７Ｃ，１７Ｄおよび強度部材１５には曲げ変形が生じ、骨部材１７Ｃ，１７Ｄや強度部材１５に発生する応力は高い値となる。

このとき、骨部材１７は高さ方向に疎に配置されていれば、発生応力が高くなることが必然的に生じる。骨部材１７Ｃ，１７Ｄの間隔を密に配置すると、衝撃により骨部材１７が変形を開始する際に生じる荷重が高くなりすぎる。

このため、高い荷重が作用した場合には強度部材１５および骨部材１７に作用するモーメントが大きくなり、双方の部材には高い応力が発生する。

図１０により、本発明の実施例３を説明する。強度部材１５に接続する骨部材１１７との接続部は、骨部材１１７を、Ｙ字状に拡大させている。強度部材１６側は拡大していない。

このため、強度部材１５を骨部材１１７で支持する点数が多くなる。このため、たとえ骨部材１１７が配置されていない高さに荷重が作用した場合でも、荷重点から骨部材１１７による支持点までの距離は短くなる。そこで、発生するモーメントは従来の例と比較して小さくなる。

すなわち、図１０（ｂ）に示すように、骨部材１１７Ｃ，１１７Ｄが配置されていない高さに荷重が負荷された場合、当該高さの近傍の骨部材１１７Ｃ，１１７Ｄの拡大した先端が主として荷重を支持する。この場合には拡大した骨部材１１７Ｃ，１１７Ｄの端部と荷重点の距離に比例して曲げ変形が生じるが、強度部材１５側に分岐した長さ（距離）は、骨部材１１７の配置間隔と比較して長くない。このため、強度部材１５や骨部材１１７に生じる曲げ変形は小さいものになるので、骨部材１１７や強度部材１５に発生する応力は低い値となる。

エネルギーを吸収しなければならないほどの大きな荷重が作用した場合、骨部材１１７の強度的最弱部はＹ字状に拡大した箇所と分岐が無い箇所との接続部である。強度的最弱部の断面および骨部材１１７の本数は従来と同様であるから、座屈時に生じる荷重は従来と同じにすることができる。

図１１において、図１１は図１０の骨部材１１７の先端側をＹ字状に拡大した骨部材１１７の拡大図である。フランジ１１７ｃ，１１７ｄ、拡大したフランジ１１７ｅ，１１７ｆの間はウエブ１１７ｇとしている。外板１８はウエブ１１７ｂ側にあってもよいし、フランジ１１７ｃ，１１７ｄ，１１７ｅ，１１７ｆ側にあってもよい。

図１２において、拡大したフランジ１１７ｅ，１１７ｆの間に断面Ｕ字状の骨部材１１７のフランジ１１７ｃ，１１７ｄ、及びウエブ１１７ｂを配置したものである。拡大したフランジ１１７ｅ、１１７ｆの間のウエブ１１７ｂとウエブ１１７ｇが重なっていてもよい。外板１８はウエブ１１７ｂ側、またはフランジ１１７ｃ，１１７ｄ，１１７ｅ，１１７ｆ側に設ける。

図１３において、骨部材１１７は、図３の骨部材１１７の強度部材１５側をＹ字状に分岐させたものである。Ｙ字状に分岐したフランジ１１７ｅ，１１７ｆとフランジ１１７ｇ，１１７ｈとの接続箇所１１７ｉ，１１７ｊよりも強度部材１６側のフランジ１１７ｃ，１１７ｄ側に切り欠き２１に相当する穴２４，２４を設けている。これにより、穴２４，２４を設けた部位が強度的最弱部になる。穴２４は縦長である。

Ｙ字状に分岐したフランジ１１７ｅ，１１７ｆ，１１７ｇ，１１７ｈはウエブ１１７ｋ，１１７ｍの両側にある。

外板１８は、図１１，図１２の実施例のように、いずれに設けてもよい。

かかる構成により、過大な荷重が作用した場合、強度的最弱部の穴２４，２４から変形が進行するので、変形を制御することができる。

図１４において、穴２４のあったフランジ１１７ｃ，１１７ｄに切り欠き２４ｂ，２４ｂを設けている。これにより、切り欠き２４ｂ，２４ｂを設けた部位が強度的最弱部になる。強度部材１５側のウエブ１１７ｋ，１１７ｍに穴２５を設け、強度部材１６側のウエブ１１７ｂに穴２６を設ける。

外板１８は、ウエブ１１７ｂ側に設ける。

かかる構成により、過大な荷重が作用した場合に切り欠き２４ｂ，２４ｂの部位から変形が進行する。変形は、切り欠きを入れた側を谷とするように進む。また、骨部材１１７全体として考えた場合、切り欠き２４ｂ，２４ｂを入れた側が谷となり、穴２５，２６が山となるように変形する。

図１５において、切り欠き２４ｂ，２４ｂは同様である。穴２５に相当する切り欠き２５ｂ，２５ｂをフランジ１１７ｅ，１１７ｆ，１１７ｇ，１１７ｈに設けている。穴２６に相当する切り欠き２６ｂは、フランジ１１７ｃ，１１７ｄに設けている。切り欠き２５ｂ，２６ｂは図６，図７，図８のフランジ１７ｃ，１７ｄとウエブ１７ｂにそれぞれ設けた１つの穴のように、ウエブ１１７ｂとフランジ１１７ｃ，１１７ｄ，１１７ｅ，１１７ｆ，１１７ｇ，１１７ｈに設けてもよい。

外板１８はウエブ１１７ｂ側に設ける。

鉄道車両の斜視図である。 図１の車体の端部の側面図である。 本発明の一実施例の骨部材の斜視図である。 図３のIV視図である。 図３，図４の骨部材の変形図である。 本発明の他の実施例の穴２１ｂの平面図である。 図７の穴を用いた骨部材の平面図である。 図７のIX視図である。 車体へ荷重が作用した場合の変形例を示す側面図である。 本発明の車体への適用例の車体の端部の側面図である。 本発明の他の実施例の骨部材の斜視図である。 本発明の他の実施例の骨部材の斜視図である。 本発明の他の実施例の骨部材の斜視図である。 本発明の他の実施例の骨部材の斜視図である。 本発明の他の実施例の骨部材の斜視図である。

１…鉄道車両の構体、２…屋根構体、３…妻構体、４…側構体、５…台枠、６…側梁、１０…サバイバルゾーン、１１…クラッシャブルゾーン、１５，１６…強度部材、１７，１１７…骨部材、１７ｂ，１１７ｇ，１１７ｍ…ウエブ、１１７ｃ，１１７ｄ，１１７ｅ，１１７ｆ…フランジ、２１，２４ｂ，２５ｂ，２６ｂ…切り欠き、１８…外板、２１ｂ，２２，２３、２４，２５，２６…穴。

Claims (1)

1. 編成車両の中間車両の長手方向の両端部、または、該中間車両に連結する車両の該中間車両の側の端部に備えられるとともに、衝突時には変形して衝突エネルギーを吸収するクラッシャブルゾーンを備える軌条車両であって、
   前記クラッシャブルゾーンは、
   前記軌条車両の長手方向の端部に前記軌条車両の側面と屋根に沿って連続して配置された一方の強度部材と、
   前記端部よりも前記軌条車両の長手方向の中央部寄りの前記側面と前記屋根に沿って連続して配置された他方の強度部材と、
   前記軌条車両の長手方向に沿う態様で配設されるとともに、前記一方の強度部材と前記他方の強度部材とを接続する複数の骨部材と、
   前記一方の強度部材と前記他方の強度部材と前記複数の骨部材とを覆う外板と、
   から構成されており、
   前記複数の骨部材は、
   その長手方向の中央部から前記一方の強度部材に向かって前記側面または前記屋根に沿って拡大する板状の一方のウエブと、
   前記中央部から前記他方の強度部材に向かって拡大せずに延びる板状の他方のウエブと、
   前記一方のウエブおよび前記他方のウエブの幅方向の両端部から立設されるフランジと、
   とから構成されており、
   前記一方のウエブおよび前記他方のウエブは前記外板に重ねて配設されるとともに、
   前記複数の骨部材の前記中央部の前記フランジのフランジ端部に開口を有する切り欠きが備えられていること
   を特徴とする軌条車両。