(57)【要約】【課題】低コストにて耐久性及び美観を向上させながら、鉄道車両の運転再開の遅延を防止するために、衝突する動物に対する衝撃を緩和する衝撃緩衝装置を提供する。【解決手段】鉄道車両の衝撃緩衝装置は、台枠に支持されるフロントスカートと、前記フロントスカートから前方に所定間隔をあけて配置され、前記フロントスカートよりも軽量の衝撃板と、前記衝撃板が前記フロントスカートから前記所定間隔をあけた位置で前記フロントスカートに向けて近接変位可能に前記衝撃板を前記フロントスカートに連結する連結機構と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先頭車両の前側下部に配置され、前方から衝突する動物に対する衝撃を緩和する衝撃緩衝装置であって、
台枠に支持されるフロントスカートと、
前記フロントスカートを前方から覆うように前記フロントスカートから前方に所定間隔をあけて配置され、前記フロントスカートよりも軽量の衝撃板と、
前記衝撃板が前記フロントスカートから前記所定間隔をあけた位置で前記フロントスカートに向けて近接変位可能に前記衝撃板を前記フロントスカートに連結する連結機構と、を備える、鉄道車両の衝撃緩衝装置。
【請求項２】
前記連結機構は、前記衝撃板が前記フロントスカートに向けて移動するように前記衝撃板を前記フロントスカートに連結する連結部材と、前記衝撃板が前記スカートから前記所定間隔をあけた位置に保持されるように前記衝撃板を付勢する弾性部材とを有する、請求項１に記載の鉄道車両の衝撃緩衝装置。
【請求項３】
前記連結機構は、前記衝撃板に後方に向けた荷重が作用したとき、前記連結機構の塑性変形を起こすことなく前記衝撃板を前記フロントスカートに近接させる、請求項１又は２に記載の鉄道車両の衝撃緩衝装置。
【請求項４】
前記連結部材は、回動動作により前記衝撃板を前記フロントスカートに近接させるヒンジを有する、請求項３に記載の鉄道車両の衝撃緩衝装置。
【請求項５】
前記連結機構は、前記フロントスカート及び前記衝撃板よりも軽量である、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の鉄道車両の衝撃緩衝装置
【請求項６】
前記衝撃板の質量は、前記動物の想定体重の０．５〜１．５倍の質量に設定されている、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の鉄道車両の衝撃緩衝装置。
【請求項７】
前記衝撃板及び前記フロントスカートは、上方から見た平面視において、車幅方向外方に向かうにつれて後方に向かう傾斜板部を有する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の鉄道車両の衝撃緩衝装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両の先頭車両の前側下部に配置され、前方から衝突する動物に対する衝撃を緩和する衝撃緩衝装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、鹿等の動物が鉄道車両に衝突した場合に、その衝撃で車両床下機器が損傷することや、衝突した動物の撤去処理に時間が掛かることで運転再開が遅延することなどを防止するため、先頭車両の前側下部に配置されたフロントスカートにエアバックやスポンジゴム等の緩衝材を取り付けた衝撃緩衝装置が提案されている（例えば、特許文献１及び２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５６６７７８５号公報
【特許文献２】特許第５８３２２６８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、エアバックを設けた衝撃緩衝装置は、インフレータ等の部品を搭載する必要があり高コストになると共に、エアバックが車体の素材との統一感に欠けるために鉄道車両の美観が低下する。また、緩衝材を設けた衝撃緩衝装置は、スポンジゴム等の高分子材料が日光の紫外線を浴びて劣化するために耐久性が低くなると共に、これも緩衝材が車体の素材との統一感に欠けるために鉄道車両の美観が低下する。
【０００５】
そこで本発明は、低コストにて耐久性及び美観を向上させながら、鉄道車両の運転再開の遅延を防止するために、衝突する動物に対する衝撃を緩和する衝撃緩衝装置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】
【０００６】
本発明の一態様に係る鉄道車両の衝撃緩衝装置は、先頭車両の前側下部に配置され、前方から衝突する動物に対する衝撃を緩和する衝撃緩衝装置であって、台枠に支持されるフロントスカートと、前記フロントスカートを前方から覆うように前記フロントスカートから前方に所定間隔をあけて配置され、前記フロントスカートよりも軽量の衝撃板と、前記衝撃板が前記フロントスカートから前記所定間隔をあけた位置で前記フロントスカートに向けて近接変位可能に前記衝撃板を前記フロントスカートに連結する連結機構と、を備える。
【０００７】
本発明者らの研究によれば、衝突時の動物の重症度の評価指標であるＳＩ値（Severity Index）は、衝突加速度に依存するが、動物と衝突する部材の質量が重い場合に衝突加速度が大きくなることでＳＩ値が大きくなって動物の重症度が上がるとの知見を得た。その点、前記構成によれば、衝撃緩衝装置に動物が前方から衝突する際、先ず動物は軽量の衝撃板に一次衝突し、衝撃板がフロントスカートに近接して二次衝突するまでは動物からの荷重を軽量の衝撃板が受けるので、衝撃の大きい一次衝突においてＳＩ値を減少させて動物の重症度を下げることができる。また、簡素な構成で足りるため、低コスト化を図ることができる。また、衝撃板は車体の素材と同種の材料にすることが可能であるため、耐久性及び美観の低下を防止できる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、低コストにて耐久性及び美観を向上させながら、鉄道車両の運転再開の遅延を防止するために、衝突する動物に対する衝撃を緩和する衝撃緩衝装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る鉄道車両の衝撃緩衝装置の斜視図である。
【図２】図１に示す衝撃緩衝装置の前方から見た正面図である。
【図３】図１に示す衝撃緩衝装置の上方から見た拡大平面図である。
【図４】衝撃板の質量とＳＩ値との関係を示すシミュレーション結果である。
【図５】実施例及び比較例における動物に作用する衝撃加速度と時間との関係を示すシミュレーション結果である。
【図６】第２実施形態に係る鉄道車両の衝撃緩衝装置の上方から見た拡大平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る鉄道車両１の衝撃緩衝装置１０の斜視図である。図２は、図１に示す衝撃緩衝装置１０の前方から見た正面図である。図３は、図１に示す衝撃緩衝装置１０の上方から見た拡大平面図である。図１乃至３に示すように、衝撃緩衝装置１０は、鉄道車両１の走行中に前方から衝突した動物に対する衝撃を緩和するためのもので、鉄道車両１の先頭車両の車体２の台枠３の前側下部に配置されている。台枠３の前側下部の車幅方向中央には連結器４が設けられている（図１では図示省略）。衝撃緩衝装置１０は、左右一対のフロントスカート１１、左右一対の衝撃板１２、及び連結機構１３を備える。
【００１２】
一対のフロントスカート１１は、正面視で連結機構１３の左右両側に配置され、互いに対称な形状を有する一対の板状体である。なお、左右一対のフロントスカート１１は、連結器４の下方で互いに接続されていてもよい。フロントスカート１１は、台枠３の下方空間を前方から覆っている。フロントスカート１１は、金属製である。一対のフロントスカート１１の各々は、ブラケット（図示せず）を介して台枠３により支持されている。即ち、フロントスカート１１は、台枠３に対して剛に接続されている。
【００１３】
フロントスカート１１は、法線が前方に向くように配置された前板部１１ａと、前板部１１ａの車幅方向外端に連続し、車幅方向外方に向かうにつれて後方に向かう傾斜板部１１ｂと、傾斜板部１１ｂの車幅方向外端に連続し、後方に向けて延びる側板部１１ｃとを有する。本実施形態では、前板部１１ａも、車幅方向外方に向かうにつれて後方に向かうように若干傾斜し、傾斜板部１１ｂは、その前板部１１ａよりも大きく傾斜している。一例として、フロントスカート１１は、上面視において台枠３の前端縁３ａに沿う形状を有し先頭車同士が連結した状態で、急曲線やS字カーブを通過する際に車両間の連結器４や車両間のジャンパ連結器との干渉を防ぐために台枠３の前端縁３ａよりも後方に位置する。
【００１４】
一対の衝撃板１２は、正面視で連結機構１３の左右両側に配置され、互いに対称な形状を有する一対の板状体である。なお、左右一対の衝撃板１２は、連結器４の下方で互いに接続されていてもよい。衝撃板１２は、正面視で一対のフロントスカート１１を前方から夫々覆うようにフロントスカート１１から前方に所定間隔Ｌ（例えば、５〜１５ｃｍ）をあけて配置されている。衝撃板１２は、金属製である。衝撃板１２は、フロントスカート１１よりも軽量である。
【００１５】
衝撃板１２は、フロントスカート１１のうち正面視で衝撃板１２と重なる部分に対し、上方から見た平面視において略相似な形状を有する。衝撃板１２は、法線が前方に向くように配置された前板部１２ａと、前板部１２ａの車幅方向外端に連続し、車幅方向外方に向かうにつれて後方に向かう傾斜板部１２ｂとを有する。即ち、衝撃板１２は、上方から見た平面視において、フロントスカート１１の前板部１１ａ及び傾斜板部１１ｂと略相似な形状を有する。
【００１６】
連結機構１３は、少なくとも１つの連結部材２１と、少なくとも１つの弾性部材２２とを備える。本実施形態では、連結部材２１が２つであり、弾性部材２２が１つである。衝撃板１２は、連結機構１３によりフロントスカート１１に弾性的に接続されている。衝撃板１２は、台枠３には固定されておらず、連結機構１３を介してフロントスカート１１に支持されている。連結機構１３は、フロントスカート１１及び衝撃板１２よりも軽量である。このように、連結機構１３は、軽量であり衝撃板１２をフロントスカート１１に剛結しないので、フロントスカート１１と衝撃板１２との間の力学的な独立性が保たれる。
【００１７】
連結部材２１は、衝撃板１２がフロントスカート１１に向けて平行移動して近接変位可能なように衝撃板１２をフロントスカート１１に連結する。一例として、連結部材２１は、フロントスカート１１の前面に固定される第１取付部２１ａと、衝撃板１２の後面に固定される第２取付部２１ｂと、第１取付部２１ａと第２取付部２１ｂとの間に設けられる連結板部２１ｃと、第１取付部２１ａと連結板部２１ｃとを鉛直線周りに回動可能に接続する第１ヒンジ部２１ｄと、第２取付部２１ｂと連結板部２１ｃとを鉛直線周りに回動可能に接続する第２ヒンジ部２１ｅとを有する。
【００１８】
連結板部２１ｃは、衝撃板１２がフロントスカート１１から前方に所定間隔Ｌをあけた通常位置に配置された状態で、レール方向（前後方向）に対して所定角θだけ傾斜している。本実施形態では、連結部材２１は、フロントスカート１１の前板部１１ａと衝撃板１２の前板部１２ａとの間に介設されているが、フロントスカート１１の傾斜板部１１ｂと衝撃板１２の傾斜板部１２ｂとの間に介設されてもよい。
【００１９】
弾性部材２２は、フロントスカート１１と衝撃板１２との間に挟まれており、衝撃板１２がフロントスカート１１から所定間隔Ｌをあけた通常位置に保持されるように衝撃板１２を付勢する。弾性部材２２は、例えば、コイルバネや板バネ等のバネであるが、弾性復元力を有するものであれば他のものでもよい。例えば、弾性部材２２は、ゴム緩衝器でもよいし弾性機能を有する油圧ダンパでもよい。本実施形態では、弾性部材２２は、フロントスカート１１の傾斜板部１１ｂと衝撃板１２の傾斜板部１２ｂとの間に介設されているが、フロントスカート１１の前板部１１ａと衝撃板１２の前板部１２ａとの間に介設されてもよい。
【００２０】
鉄道車両１の走行中に線路に侵入した動物Ａが衝撃緩衝装置１０に衝突する際には、動物Ａは先ず衝撃板１２に一次衝突する。そして、一次衝突により衝撃板１２に作用した後方荷重により、連結部材２１がヒンジ２１ｄ，２１ｅにおいて回動し、連結部材２１が塑性変形を起こすことなくフロントスカート１１に向けた衝撃板１２の円滑な後方移動を許容する。そして、衝撃板１２がフロントスカート１１に二次衝突し、動物Ａの衝突荷重が受け止められる。
【００２１】
そのとき、フロントスカート１１及び衝撃板１２は、傾斜板部１１ｂ及び傾斜板部１２ｂを有するため、衝突した動物Ａを前方に向けて跳ね返さずに車幅方向外方に逃がすことができ、動物Ａの傷害を減らすことができる。また、連結部材２１が塑性変形することなく衝撃板１２がフロントスカート１１に向けて後方変位するので、一次衝突において動物Ａに対して連結部材２１及びフロントスカート１１からの反力が作用することが防がれる。
【００２２】
数式１に示すＳＩ値（Severity Index）は、衝突時の動物の重症度の評価指標であり、この値が小さいと衝突した動物に与える衝撃が小さいことを意味する。なお、数式１において、ａは加速度、ｔは時間を意味する。
【００２３】
【数１】
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ＳＩ値は、衝突加速度に依存するが、動物Ａと衝突する部材の質量差が小さい場合にもＳＩ値が小さくなって動物Ａの重症度を軽減できるとの知見に基づき、衝撃緩衝装置１０では、衝撃板１２の質量をフロントスカート１１の質量よりも軽量にしている。
【００２４】
それゆえ、衝撃緩衝装置１０に動物Ａが前方から衝突する際、先ず動物Ａは軽量の衝撃板１２に一次衝突し、衝撃板１２がフロントスカート１１に近接して二次衝突するまでは動物Ａからの荷重を軽量の衝撃板１２が受けるので、衝撃の大きい一次衝突においてＳＩ値を減少させて動物Ａの重症度を下げることができ、鉄道車両１の運転再開の遅延を防止できる。
【００２５】
また、衝撃緩衝装置１０は、エアバック等のように複雑な構成が不要であるため、低コスト化を図ることができる。さらに、衝撃板１２は車体２の素材と同種の材料である金属からなるため、耐久性及び美観の低下を防止できる。
【００２６】
また、動物Ａが衝撃板１２に一次衝突してから連結部材２１の動作により衝撃板１２が後方に向けて平行移動してフロントスカート１１に二次衝突した後は、衝撃板１２への荷重が無くなると弾性部材２２により衝撃板１２が元の通常位置に復帰するので、車両の運転再開のための作業を削減できる。また、フロントスカート１１が損傷していない場合には衝撃緩衝装置１０を再利用し得るため、衝撃緩衝装置１０のランニングコストを低減できる。
【００２７】
図４は、衝撃板１２の質量とＳＩ値との関係を示すシミュレーション結果である。このコンピュータシミュレーションでは、有限要素法を用い、台枠３、フロントスカート１１及び衝撃板１２をメッシュ化した有限要素モデルを解析モデルとし、衝撃板１２の質量を変化させて衝突時のＳＩ値を夫々求めた。衝撃板１２に衝突させる動物相当の障害物モデルの質量は６０ｋｇとした。解析モデルにおいて衝撃板１２は、動物との衝突で曲がらないように、剛体としてモデル化した。図４の結果によれば、衝撃板１２の質量は、衝突する障害物の質量と同一に設定したときが最もＳＩ値が低くなることが分かった。よって、衝撃緩衝装置１０では、衝突した動物の重症度を効果的に低減するために、衝撃板１２の質量は、動物Ａの想定体重（例えば、６０ｋｇ）の０．５〜１．５倍の質量、好ましくは１．０倍の質量に設定されている。
【００２８】
図５は、実施例１，２及び比較例における動物に作用する衝撃加速度と時間との関係を示すシミュレーション結果である。このコンピュータシミュレーションでは、有限要素法を用い、台枠３、フロントスカート１１及び衝撃緩衝装置１０をメッシュ化した有限要素モデルを解析モデルとし、実施例１，２及び比較例の３つにおいて動物相当の障害物に作用する衝撃加速度の時系列データを求めた。実施例１は、前述した実施形態の衝撃緩衝装置１０の構成である。実施例２は、前述した実施形態の衝撃緩衝装置１０において傾斜板部１１ｂ及び傾斜板部１２ｂのような傾斜面を設けないようにした構成である。比較例は、衝撃板１２及び連結機構１３を設けずにフロントスカート１１のみとした構成である。図５に示すように、実施例１及び２では、比較例に比べ、衝撃の大きい一次衝突においてＳＩ値の因子である衝撃加速度が減少していることが分かる。特に、実施例１は、実施例２よりも一次衝突及び二次衝突の両方における衝撃加速度が減少していることが分かる。
【００２９】
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る鉄道車両１０１の衝撃緩衝装置１１０の上方から見た拡大平面図である。図６に示すように、衝撃緩衝装置１１０は、フロントスカート１１１、衝撃板１１２、及び連結機構１１３を備える。フロントスカート１１１は、台枠３の前端部３ａよりも後方に退避した位置に配置されて台枠３に支持されている。フロントスカート１１１は、台枠３の前端縁３ａに比べ、全体的に車幅方向外方に向かうにつれて後方に向かうように傾斜している。
【００３０】
衝撃板１１２は、フロントスカート１１１を前方から夫々覆うようにフロントスカート１１１から前方に間隔をあけて配置されている。衝撃板１１２は、金属製であり、フロントスカート１１１よりも軽量である。衝撃板１１２は、フロントスカート１１１のうち正面視で衝撃板１１２と重なる部分に対し、上方から見た平面視において略相似な形状を有する。即ち、衝撃板１１２は、全体的に車幅方向外方に向かうにつれて後方に向かうように傾斜している。衝撃板１１２も、台枠３の前端縁３ａよりも後方に配置されている。
【００３１】
連結機構１１３は、衝撃板１１２をフロントスカート１１１に弾性的に接続する。連結機構１１３は、一対の連結部材２１と、１つの弾性部材２２とを備える。弾性部材２２は、一対の連結部材２１の間に配置されている。衝撃板１１２は、台枠３には固定されておらず、連結機構１１３を介してフロントスカート１１１に支持されている。連結部材２１及び弾性部材２２の構成は、第１実施形態と同じである。このような構成によれば、連結器４の連結スペースを確保しつつ、衝撃板１２に衝突した動物を円滑に車幅方向外方に逃がすことができ、動物Ａの傷害を減らすことができる。なお、他の構成は前述した第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
【符号の説明】
【００３２】
１，１０１  鉄道車両
２  車体
１０，１１０  衝撃緩衝装置
１１，１１１  フロントスカート
１１ｂ  傾斜板部
１２，１１２  衝撃板
１２ｂ  傾斜板部
１３，１１３  連結機構
２１  連結部材
２１ｄ  第１ヒンジ部
２１ｅ  第２ヒンジ部
２２  弾性部材
Ａ  動物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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