WO2013187059A1 - 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 - Google Patents
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Abstract
Description
[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。
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。
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。
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。
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E1、E2、ポアソン比ν、せん断係数G12、引張り強度N1t、N2t、圧縮強度N1C、N2C、せん断強度S12の値は表1に示す通りである。
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。
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 (11)
- 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。
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ENP | Entry into the national phase |
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NENP | Non-entry into the national phase |
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