(57)【要約】【課題】台枠の車両長手方向端部に位置する端梁から屋根構体に向けて延びる柱部材を備えた鉄道車両構体において、障害物が柱部材に衝突した際に柱部材が十分に曲げ変形できる構成を提供する。【解決手段】台枠の車両長手方向端部に位置する端梁から屋根構体に向けて延びる柱部材を備えた鉄道車両の構体であって、前記柱部材は、前記端梁又は前記屋根構体と接合される接合部と、前記接合部から前記柱部材の鉛直方向中心位置までの間であって、その車内側の面に位置し、所定以上の荷重が付加されると、前記接合部が破断する前に曲げ変形を開始するとともに、その曲げ変形の起点となるヒンジ部と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
台枠の車両長手方向端部に位置する端梁から屋根構体に向けて延びる柱部材を備えた鉄道車両の構体であって、
前記柱部材は、
前記端梁又は前記屋根構体と接合される接合部と、
前記接合部から前記柱部材の鉛直方向中心位置までの間であって、その車内側の面に位置し、所定以上の荷重が付加されると、前記接合部が破断する前に曲げ変形を開始するとともに、その曲げ変形の起点となるヒンジ部と、を備える、鉄道車両の構体。
【請求項２】
台枠の車両長手方向端部に位置する端梁から屋根構体に向けて延びる柱部材を備えた鉄道車両の構体であって、
前記柱部材は、
鉛直方向端部に位置し、第１断面係数Zaを有する根元部と、
鉛直方向中心に位置し、第２断面係数Zbを有する中心部と、
前記中心部と前記根元部の間に位置し、第３断面係数Zcを有するヒンジ部と、を備え、
前記第１断面係数Zaは、前記中心部と前記根元部との間の前記柱部材の各水平断面の断面係数の中で最大値を示し、
前記第３断面係数Zcは、前記第１断面係数Zaより小さい、鉄道車両の構体。
ここで、
前記第１断面係数Zaは、前記根元部の水平断面における中心軸に関する断面係数、
前記第２断面係数Zbは、前記中心部の水平断面における中心軸に関する断面係数、
前記第３断面係数Zcは、前記ヒンジ部の水平断面における中心軸に関する断面係数、
である。
【請求項３】
前記第３断面係数Zcは、数式（１）を満たす、請求項２に記載の鉄道車両の構体。
（Zc−Zb）／  L2  ＜（Za−Zc）／L1    ・・・（１）
ここで、
第１距離L1は、前記ヒンジ部から前記根元部までの鉛直方向長さ、
第２距離L2は、前記中心部から前記ヒンジ部までの鉛直方向長さ、
である。
【請求項４】
前記中心部と前記ヒンジ部との間に位置し、数式（２）を満たす第４断面係数Zdを有する最小断面部をさらに備え、
水平断面における中心軸に関する断面係数の鉛直方向に沿った減少率ΔZは、前記ヒンジ部と前記最小断面部との間の領域に比べて前記最小断面部において小さくなり、
前記第４断面係数Zdは、前記柱部材の各水平断面の断面係数の中で最小値を示す、請求項３に記載の鉄道車両の構体。
（Zc−Zd）／ L3 ＜（Za−Zc）／L1    ・・・（２）
ここで、
前記第４断面係数Zdは、最小断面部の水平断面における中心軸に関する断面係数、
第３距離L3は、前記ヒンジ部から前記最小断面部までの鉛直方向長さ、
である。
【請求項５】
水平断面における中心軸に関する断面係数の鉛直方向に沿った減少率ΔZは、前記根元部と前記ヒンジ部との間の領域に比べて前記ヒンジ部において小さくなる、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の鉄道車両の構体。
【請求項６】
前記柱部材の荷重が付加される方向の裏面であって、前記根元部から前記ヒンジ部との間にテーパー部をさらに備える、請求項２乃至５のいずれか１項に記載のに記載の鉄道車両の構体。
【請求項７】
前記最小断面部は、荷重点と同じ鉛直方向位置に配置される、請求項４乃至６のいずれか１項に記載の鉄道車両の構体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、台枠の車両長手方向端部に位置する端梁から屋根構体に向けて延びる柱部材を備えた鉄道車両の構体に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両では、衝突時の大きな荷重に耐えるために、車体の妻面に衝突柱及び隅柱が設けられる場合がある（例えば、特許文献１参照）。それら柱には、大きな荷重に耐えることが要求されるため、柱の断面や板厚を大きくする等して耐荷重の要求を達成していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第６０７４１６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、近年は車両軽量化の要求が高まっている。そのため、衝突柱や隅柱の断面や板厚を過剰に増加させることなく当該柱の衝撃吸収能力を最大限発揮できるように、当該柱の変形や破断の挙動を十分に考慮した設計が望まれる。
【０００５】
柱の下端（又は上端）は台枠（又は屋根構体）に溶接で接合されており、障害物が柱に衝突する際には、柱の下端（又は上端）の接合部に大きな剪断力が生じ、柱が台枠（又は屋根構体）から剥がれてしまう。その場合には、柱が十分に曲げ変形されないため、柱自体の衝撃吸収能力を十分に発揮できない。他方、柱が台枠（又は屋根構体）から剥がれないように柱を台枠（又は屋根構体）に過度に強固に接合すると、柱自体が剪断方向に破断してしまう。その場合も、柱が十分に曲げ変形されないため、柱自体の衝撃吸収能力を十分に発揮できない。
【０００６】
そこで本発明は、台枠の車両長手方向端部に位置する端梁から屋根構体に向けて延びる柱部材を備えた鉄道車両構体において、障害物が柱部材に衝突した際に柱部材が十分に曲げ変形できる構成を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係る鉄道車両の構体は、台枠の車両長手方向端部に位置する端梁から屋根構体に向けて延びる柱部材を備えた鉄道車両の構体であって、前記柱部材は、前記端梁又は前記屋根構体と接合される接合部と、前記接合部から前記柱部材の鉛直方向中心位置までの間であって、その車内側の面に位置し、所定以上の荷重が付加されると、前記接合部が破断する前に曲げ変形を開始するとともに、その曲げ変形の起点となるヒンジ部と、を備える。
【０００８】
本発明の他態様に係る鉄道車両の構体は、台枠の車両長手方向端部に位置する端梁から屋根構体に向けて延びる柱部材を備えた鉄道車両の構体であって、前記柱部材は、鉛直方向端部に位置し、第１断面係数Zaを有する根元部と、鉛直方向中心に位置し、第２断面係数Zbを有する中心部と、前記中心部と前記根元部の間に位置し、第３断面係数Zcを有するヒンジ部と、を備え、前記第１断面係数Zaは、前記中心部と前記根元部の間の前記柱部材の各水平断面の断面係数の中で最大値を示し、前記第３断面係数Zcは、前記第１断面係数Zaより小さい。ここで、前記第１断面係数Zaは、前記根元部の水平断面における中心軸に関する断面係数、前記第２断面係数Zbは、前記中心部の水平断面における中心軸に関する断面係数、前記第３断面係数Zcは、前記ヒンジ部の水平断面における中心軸に関する断面係数、である。
【０００９】
前記した各構成によれば、障害物が柱部材に衝突した際に、柱部材がヒンジ部を基点として屈曲変形して柱部材に曲げ変形が生じるので、柱部材の接合部に掛かる剪断力が低減され、柱部材が端梁又は屋根構体から剥がれることを防止できる。また、柱部材の接合部に掛かる剪断力が抑えられるため、柱部材を台枠（又は屋根構体）に過度に強固に接合する必要もなく、柱自体が剪断方向に破断することも防止できる。よって、障害物の衝突時に柱部材が十分に曲げ変形され、柱部材自体の衝撃吸収能力を十分に発揮することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、台枠の車両長手方向端部に位置する端梁から屋根構体に向けて延びる柱部材を備えた鉄道車両構体において、障害物が柱部材に衝突した際に柱部材が十分に曲げ変形できる構成を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係る鉄道車両の先頭車の構体の前部を前方から見た斜視図である。
【図２】図１に示す衝突柱を側方から見た鉛直断面図である。
【図３】図１に示す隅柱等を車内側から見た斜視図である。
【図４】車両の柱部材の模式図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｅ）は図１に示す衝突柱に障害物が衝突したときの挙動を示すシミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
【００１３】
図１は、実施形態に係る鉄道車両１の先頭車２の構体３の前部を前方から見た斜視図である。鉄道車両１は、複数の車両が互いに連結されてなるが、図１はそのうち先頭車２の構体３を示している。図１に示すように、構体３は、台枠４と、台枠４の上方に配置された屋根構体５と、台枠４の車両長手方向端部から屋根構体５に延びる一対の衝突柱６（柱部材）及び一対の隅柱７（柱部材）とを備える。台枠４は、構体３の車幅方向両側において車両長手方向に延びる一対の側梁４ａと、一対の側梁４ａの車両長手方向端部同士を接続するように車幅方向に延びる端梁４ｂとを有する。
【００１４】
一対の隅柱７は、端梁４ｂの車幅方向の各端部から上方に突出している。一対の衝突柱６は、車幅方向において一対の隅柱７の間において左右対称に配置されている。衝突柱６及び隅柱７は、下端が台枠４の端梁４ｂに溶接で接合され、上端が屋根構体５に溶接で接合されている。衝突柱６は、台枠４と屋根構体５とを接続する複数の柱部材のうちで最も車両長手方向外側に配置されている。図１の例では、衝突柱６は、隅柱７よりも車両長手方向外側（前側）に配置されるが、隅柱６と同じ車両長手方向位置に配置されてもよい。
【００１５】
図２は、図１に示す衝突柱を側方から見た鉛直断面図である。図１及び２に示すように、衝突柱６は、中空の筒部材である。本実施形態では、矩形状の水平断面を有する筒部材である。衝突柱６は、屋根構体５と溶接により接合される接合部１０（上端部）と、端梁４ｂと溶接により接合される接合部１１（下端部）とを有する。衝突柱６のうち接合部１０と接合部１１とからの鉛直方向距離が等しい位置（即ち、衝突柱６の鉛直方向中心に位置する中心部１２）から衝突柱６の接合部１１までの間における車内側の面には、くびれ状に屈曲したヒンジ部１３が設けられている。ヒンジ部１３は、所定以上の荷重が付加されると、接合部１０，１１が破断する前に曲げ変形（塑性変形）を開始し、その曲げ変形の起点となるものである。
【００１６】
換言すると、衝突柱６は、鉛直方向端部に位置して端梁４ｂに接合される根元部１１（以下、符号１１は根元部と称す）、衝突柱６の鉛直方向中心に位置する中心部１２と、根元部１１と中心部１２との間に位置するヒンジ部１３と、中心部１２とヒンジ部１３との間に位置する最小断面部１４とを有する。根元部１１は、第１断面係数Zaを有し、中心部１２は、第２断面係数Zbを有し、ヒンジ部１３は、第３断面係数Zcを有し、最小断面部１４は、第４断面係数Zdを有する。第１断面係数Zaは、根元部１１の水平断面における中心軸に関する断面係数である。第２断面係数Zbは、中心部１２の水平断面における中心軸に関する断面係数である。第３断面係数Zcは、ヒンジ部１３の水平断面における中心軸に関する断面係数である。第４断面係数Zdは、最小断面部１４の水平断面における中心軸に関する断面係数である。
【００１７】
根元部１１の第１断面係数Zaは、根元部１１と中心部１２との間の衝突柱６の各水平断面の断面係数の中で最大値を示す。ヒンジ部１３は、衝突柱６の荷重が付加される方向の裏面に形成されている。即ち、ヒンジ部１３は、衝突柱６の車両長手方向内側の面に形成されている。ヒンジ部１３の第３断面係数Zcは、第１断面係数Zaより小さい。第３断面係数Zcは、下記の数式（１）を満たす。ここで、第１距離L1は、ヒンジ部１３から根元部１１までの鉛直方向長さ、第２距離L2は、中心部１２からヒンジ部１３までの鉛直方向長さである。
【００１８】
【数１】
2019111928.tif 000003
【００１９】
最小断面部１４は、障害物が衝突すると想定される荷重点と同じ鉛直方向位置に配置される。前記想定される荷重点としては、FRA: 49 CFR Ch.II Part 238.211 Collision Post & 238.213 Corner PostやAPTA: PR-CS-S-034 5.3.1 Collision Post & 5.3.2 Corner PostやASME: RT-2-2014 4 Structural Requirement等で規定される荷重点位置が挙げられる。最小断面部１４の第４断面係数Zdは、下記の数式（２）を満たす。ここで、第３距離L3は、ヒンジ部１３から最小断面部１４までの鉛直方向長さである。
【００２０】
【数２】
2019111928.tif 000004
【００２１】
衝突柱６の水平断面における中心軸に関する断面係数の鉛直方向に沿った減少率ΔZは、ヒンジ部１３と最小断面部１４との間の領域に比べて最小断面部１４において小さくなる。また、衝突柱６の水平断面における中心軸に関する断面係数の鉛直方向に沿った減少率ΔZは、根元部１１とヒンジ部１３との間の領域に比べてヒンジ部１３において小さくなる。本実施形態では、最小断面部１４の断面係数Zdが、衝突柱６の各水平断面の断面係数の中で最小値を示す。即ち、ヒンジ部１３の第３断面係数Zcは、最小断面部１４の第１断面係数Zdよりは大きい。
【００２２】
根元部１１は、端梁４ｂから鉛直方向に延びている。衝突柱６の荷重が付加される方向の裏面（車内側の面）において根元部１１からヒンジ部１３との間には、第１テーパー部１５が設けられている。即ち、第１テーパー部１５は、衝突柱６のうちヒンジ部１３と同側である車内側の面に形成されている。第１テーパー部１５は、根元部１１からヒンジ部１３に向けて衝突柱６の断面係数を減少させるように傾斜している。第１テーパー部１５は、根元部１１よりも鉛直方向寸法が大きい。
【００２３】
衝突柱６のうち第１テーパー部１５が設けられる面とは異なる面には、ヒンジ部１３と同じ高さ位置と最小断面部１４との間に第２テーパー部１６が形成されている。本実施形態では、第２テーパー部１６は、衝突柱６の荷重が付加される面、即ち、車両長手方向外側の面に形成されている。第２テーパー部１６は、ヒンジ部１３と同じ高さ位置から最小断面部１４に向けて衝突柱６の断面係数を減少させるように傾斜している。第２テーパー部１６は、第１テーパー部１５よりも鉛直方向寸法が大きい。第２テーパー部１６の鉛直方向に対する傾斜角は、第１テーパー部１５の鉛直方向に対する傾斜角よりも小さい。
【００２４】
図３は、図１に示す隅柱７等を車内側から見た斜視図である。図１及び３に示すように、隅柱７は、基本的には衝突柱６と同様の特徴を有する。隅柱７は、屋根構体５と溶接により接合される接合部２０（上端部）と、端梁４ｂと溶接により接合される接合部２１（下端部）とを有する。隅柱７のうち接合部２０と接合部２１とからの鉛直方向距離が等しい位置（即ち、隅柱７の鉛直方向中心に位置する中心部２２）から隅柱７の接合部２１までの間における車内側の面には、ヒンジ部２３が設けられている。ヒンジ部２３は、所定以上の荷重が付加されると、接合部２０，２１が破断する前に曲げ変形（塑性変形）を開始し、その曲げ変形の起点となるものである。
【００２５】
換言すると、隅柱７は、鉛直方向端部に位置して端梁４ｂに接合される根元部２１（以下、符号２１は根元部と称す）、隅柱７の鉛直方向中心に位置する中心部２２と、根元部２１と中心部２２との間に位置するヒンジ部２３と、中心部２２とヒンジ部２３との間に位置する最小断面部２４と、衝突柱６の荷重が付加される方向の裏面（車内側の面）において根元部２１からヒンジ部２３との間に形成された第１テーパー部２５と、隅柱７のうち第１テーパー部２５が設けられる面とは異なる面においてヒンジ部２３と同じ高さ位置と最小断面部２４との間に形成された第２テーパー部２６とを有する。
【００２６】
隅柱７の第２テーパー部２６は、車幅方向内側の面に形成されている。本実施形態では、隅柱７は、車体側面の形状、即ち、構体３の側外板（図示せず）の形状に沿わせるべく全体的に車幅方向外方に凸となる形状に湾曲しているが、湾曲していなくてもよい。なお、隅柱７の各部位の形状及び断面係数の条件は、衝突柱６と同様であるため、その詳細な説明を省略する。
【００２７】
図４は、車両の柱部材５０の模式図である。以下、衝突柱６及び隅柱７のヒンジ部１３，２３の設計思想について図４に示す柱部材５０を例に説明する。車両の衝突柱や隅柱のような柱部材５０は、柱部材５０の根元部の剪断や柱部材５０の曲げに関する所定の静強度に加え、物体の衝突などを想定して柱部材５０が終局強度（最大荷重や変位により定義される）に達するまでに根元部が剥がれないことや所定の吸収エネルギーが要求される。このとき、柱部材５０の塑性域の変形挙動を制御するため、積極的に柱部材５０の断面を変化させてクビレ（ヒンジ部）を設けることにより、柱部材５０に意図的に塑性ヒンジを生じさせる。その塑性ヒンジを生じさせるためのくびれ形状を検討する際の計算例を以下に示す。
【００２８】
一般的に両端支持の柱部材５０について、高さＸの位置に乗じるモーメントは下記の数式（３）で表される。
【００２９】
【数３】
2019111928.tif 000005
【００３０】
このとき、柱部材５０の根元の位置Ａに必要な断面係数は下記の数式（４）により求まる。ここで、柱部材５０の根元に発生するモーメントをMa、発生する応力をσa、使用する材料の耐力をσyとする。
【００３１】
【数４】
2019111928.tif 000006
【００３２】
柱部材５０の荷重位置に近い位置にヒンジ部を形成する場合、ヒンジ部を設ける位置Ｂの高さを仮にhとすると、高さhの位置に乗じるモーメントMbは、下記の数式（５）で表される。
【００３３】
【数５】
2019111928.tif 000007
【００３４】
このとき、柱部材５０の位置Ｂに必要な断面係数は下記の数式（６）により求まる。
【００３５】
【数６】
2019111928.tif 000008
【００３６】
柱部材５０の位置Ｂは位置Ａよりも弱い断面である必要があるので、下記の数式７を満たす必要がある。
【００３７】
【数７】
2019111928.tif 000009
【００３８】
上記数式（４）（６）（７）より、下記の数式（８）が導かれ、この数式（８）の関係を満たすように柱部材５０の断面を設計する。
【００３９】
【数８】
2019111928.tif 000010
【００４０】
また、根元の位置Ａの塑性断面係数をZpa、位置Ｂの塑性断面係数をZpbとすると、位置Ａの塑性モーメントMpa及び位置Ｂの塑性モーメントMpbは、それぞれ下記の数式（９）（１０）により求めることができる。
【００４１】
【数９】
2019111928.tif 000011
【数１０】
2019111928.tif 000012
【００４２】
数式（１）のモーメントの式によりそれぞれの断面が終局状態を迎える終局荷重（又は崩壊荷重）FpaとFpbが求まる。これにより、位置Ａと位置Ｂの断面形状は、下記の数式（１１）により求まる。この数式（１１）の関係を満たすように柱部材５０の断面を設計する。
【００４３】
【数１１】
2019111928.tif 000013
【００４４】
以上が手計算の計算例である。計算例では柱部材５０の端部は固定端であるが、実際の柱部材５０の端部が完全に固定端とならずに自由端に近くなる場合も考えられる。また、塑性域の挙動は手計算で厳密な解を求めることはできない。そのため必要に応じて有限要素解析（FEA）を用いることで全体の挙動を確認し、柱断面形状を柱全体で最適化する。
【００４５】
ヒンジ部１３の鉛直方向位置は、実際の車両内部の構造や仕様に応じた吸収エネルギー量を満たすような衝突柱６の変形量となるように検討する。衝突柱６の吸収エネルギーは、反力と変位との乗算値であるので、衝突柱６の変位を最大にするためには、ヒンジ部１３の鉛直方向位置は、衝突柱６の根元部１１の近くに配置される。本実施形態では、ヒンジ部１３の鉛直方向位置は、衝突柱６の荷重点（最小断面部１４）と衝突柱６の下端との間の中央位置よりも下端寄りに配置されている。
【００４６】
図５（Ａ）〜（Ｅ）は、図１に示す衝突柱６に障害物Ｘが衝突したときの挙動を示すシミュレーション結果である。図５（Ａ）〜（Ｅ）に示すように、障害物Ｘが衝突柱６の最小断面部１４に前方から衝突すると、衝突柱６がヒンジ部１３を基点として屈曲変形して衝突柱６に曲げ変形が生じる。これにより、衝突柱６の根元部１１に掛かる剪断力が低減され、衝突柱６が端梁４ｂから剥がれることが防止されている。また、衝突柱６の根元部１１に掛かる剪断力が抑えられるため、衝突柱６を端梁４ｂに過度に強固に接合する必要もなく、衝突柱６自体が剪断方向に破断することも防止されている。
【００４７】
そして、衝突柱６は、荷重点となる最小断面部１４の断面係数が最小に設定されているので、最小断面部１４において十分に曲げ変形している。これにより、衝突柱６の荷重点部分の形状維持により衝突柱６が剪断方向に破断してしまうことが防止されている。即ち、衝突柱６が全体的に曲げ方向に塑性変形することで、衝突柱６自体の衝撃吸収能力を十分に発揮することができる。以上の原理は、隅柱７についても同様である。
【００４８】
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、その構成を変更、追加、又は削除することができる。本実施形態では、衝突柱６と隅柱７との両方に同様の特徴形状を適用したが、何れか一方のみに適用してもよい。本実施形態では、先頭車２の前部の衝突柱６及び隅柱７について説明したが、２両目以降の車両の前部（切妻部）に設けた衝突柱及び／又は隅柱に適用してもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１  鉄道車両
３  構体
４  台枠
４ｂ  端梁
５  屋根構体
６  衝突柱（柱部材）
７  隅柱（柱部材）
１１，２１  根元部（接合部）
１２，２２  中心部
１３，２３  ヒンジ部
１４，２４  最小断面部
１５，２５  第１テーパー部
【図１】
2019111928.tif 000014
【図２】
2019111928.tif 000015
【図３】
2019111928.tif 000016
【図４】
2019111928.tif 000017
【図５】
2019111928.tif 000018