(57)【要約】【課題】少ない体積で多くの衝撃エネルギを吸収できる部材を提供する。【解決手段】軽合金製の中空形材２２０を筒状の構造とする。中空形材の配置は、押出し方向が互いに平行になるように配置し、これらの中空形材は筒状の構造体の角部で溶接により接続する。筒状の構造物は、衝突すると考えられる方向と押出し方向を一致させる。筒状の構造物は、その長手方向の中央に仕切り板を設ける。すなわち、仕切り板は、あたかも筒状の構造物の隔壁となる。衝撃荷重がかかると、中空形材２２０の長手方向は仕切り板２１０で仕切られていること、あらゆる方向に剛性が高いこと、などの理由により、中空形材２２０は「く」状に変形することなく蛇腹状に連続して変形し、多くの衝撃エネルギを吸収する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体長手方向の中央部に位置する衝突生存空間と、前記衝突生存空間の車体長手方向の両端部に位置する衝突崩壊空間とを備えた鉄道車両構体の衝突崩壊構造であって、
前記衝突生存空間をなす台枠の車端側に配置された衝突崩壊部材を備えており、
前記衝突崩壊部材は、前記衝突崩壊空間の車体幅方向両側位置にそれぞれ配置されており、かつ、当該二つの衝突崩壊部材は、連結器設置部分に相当する距離を隔てて配置されており、
前記二つの衝突崩壊部材は、その押出し方向を車体長手方向に一致させて配置された中空形材で構成されており、
前記中空形材は、実質的に平行な２枚の面板と両面板を接続するリブを一体成形して構成されており、かつ、前記２枚の面板およびリブからなる中空構造がその全周を構成した筒状に形成されており、
前記各衝突崩壊部材は、押出し方向を一致させて並べた二つの前記中空形材を、仕切り板を挟んで連結して構成されており、
前記各衝突崩壊部材の仕切り板は、前記中空形材の筒状断面に対応した形状となっており、かつ、各衝突崩壊部材の仕切り板はそれぞれ独立して設置されていること、
を特徴とする鉄道車両構体の衝突崩壊構造。
【請求項２】
請求項１に記載の鉄道車両構体の衝突崩壊構造において、
前記各衝突崩壊部材は、前記衝突生存空間をなす前記台枠に対して、衝突時に当該各衝突崩壊部材が受ける荷重を支える取付け枠を介して設置されていること、
を特徴とする鉄道車両構体の衝突崩壊構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、塑性変形することによりエネルギを吸収する部材に係り、鉄道車両に好適な鉄道車両構体の衝突崩壊構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両，道路車両などに代表される輸送機器では、通常の使用の範囲内であるにもかかわらず、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員・乗客を保護するために、特許文献１のように、乗員・乗客が搭乗している生存空間は強固な構造とし、乗員・乗客が搭乗しない崩壊空間によりエネルギを吸収するという概念（以後、衝突緩和設計と呼ぶ）が輸送機器の設計に取り入れられつつある。
また、一般的にエネルギ吸収を目的として用いられている材料のエネルギ吸収特性は、たとえば、非特許文献１に示されている。
【特許文献１】特開平７−１８６９５１号（ＵＳＰ５７１５７５７）
【非特許文献１】Ａｎｄｒｅａｓ  Ｇｍｕｒ  ｅｔ．  ａｌ．，  ＯＮ  ＴＨＥ  ＤＥＳＩＧＮ  ＲＥＱＵＩＲＥＭＥＮＴＳ  ＦＯＲ  ＡＬＵＭＩＮＩＵＭ  ＣＲＡＳＨ  ＭＯＤＵＬＥＳ：  ＥＮＥＲＧＹ  ＡＢＳＯＲＰＴＩＯＮ，  ＧＬＯＢＡＬ  ＳＴＡＢＩＬＩＴＹ  ＡＮＤ  ＳＴＡＴＩＣ  ＳＴＲＥＮＧＴＨ，  Ｐｒｏｃ．  ｏｆ  ｔｈｅ  ３ｒｄ  Ｉｎｔ．  Ｓｙｍ．  Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｓａｆｅｔｙ  ｏｆ  Ｒａｉｌ  Ｖｅｈｉｃｌｅｓ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
これらを総合すると、鉄道車両に代表される輸送機器が衝突した場合、乗員・乗客を保護するために、衝突時に生じるエネルギを部材の変形エネルギに変換する鉄道車両構体の衝突崩壊構造において、できるだけ小さな体積で、多くのエネルギを吸収でき、衝突初期の最大荷重と安定的崩壊時に生じる荷重の差が小さく、衝突の方向に大きく依存しない、鉄道車両構体の衝突崩壊構造を提供することが求められる。
【０００４】
本発明はこのような鉄道車両構体の衝突崩壊構造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】
【０００５】
上記目的は、車体長手方向の中央部に位置する衝突生存空間と、前記衝突生存空間の車体長手方向の両端部に位置する衝突崩壊空間とを備えた鉄道車両構体の衝突崩壊構造であって、前記衝突生存空間をなす台枠の車端側に配置された衝突崩壊部材を備えており、前記衝突崩壊部材は、前記衝突崩壊空間の車体幅方向両側位置にそれぞれ配置されており、かつ、当該二つの衝突崩壊部材は、連結器設置部分に相当する距離を隔てて配置されており、前記二つの衝突崩壊部材は、その押出し方向を車体長手方向に一致させて配置された中空形材で構成されており、前記中空形材は、実質的に平行な２枚の面板と両面板を接続するリブを一体成形して構成されており、かつ、前記２枚の面板およびリブからなる中空構造がその全周を構成した筒状に形成されており、前記各衝突崩壊部材は、押出し方向を一致させて並べた二つの前記中空形材を、仕切り板を挟んで連結して構成されており、前記各衝突崩壊部材の仕切り板は、前記中空形材の筒状断面に対応した形状となっており、かつ、各衝突崩壊部材の仕切り板はそれぞれ独立して設置されていること、によって達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明を鉄道車両構体に対して適用した場合の第一の実施例を図１から図７によって説明する。
【０００７】
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。側構体の最下部でありかつ台枠の車体幅方向両端の部分には、側梁６が設けられている。
【０００８】
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。
【０００９】
このような基本構造を持つ鉄道車両構体１は、衝突時に乗員・乗客の生命を保護する衝突生存空間１０と、衝突時に生じるエネルギを部材の塑性変形エネルギに変換して吸収する衝突崩壊空間２０により構成される。衝突生存空間１０は、鉄道車両構体１の車体長手方向の中央に設置されている。衝突崩壊空間２０は、鉄道車両構体１の車体長手方向の両端部に存在し、あたかも衝突生存空間１０をはさみこむように配置されている。
【００１０】
次に、図２から図４を用いて衝突崩壊空間２０の衝突崩壊構造１００について説明する。図２に、運転台を有する衝突崩壊空間２０を側面から見た図を示す。衝突崩壊空間２０の構造は、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，取付け枠１１０よりも前方側（車端側）に位置する複数の縦柱１２０，１３０、縦柱１２０，１３０を取付け枠１１０に結合する横骨１４０，床１５０，最初に衝突するアンチクライマ１６０，衝突崩壊部材２００等といった部材を主にして構成される。衝突崩壊構造１００は、取付け枠１１０により衝突生存空間１０に結合され鉄道車両構体１を構成している。
【００１１】
ここで、以下の説明を容易にするために、取付け枠１１０側を後端、その反対側である鉄道車両としての端部（アンチクライマ１６０側）を先端とする。また、先端と後端を結ぶ縁を側面と呼ぶ。
【００１２】
縦柱１２０は、取付け枠１１０の上端と床１５０の実質的な先端側の端部を連結している。縦柱１３０は取付け枠１１０と縦柱１２０との間において、床１５０の実質的な側面とを接続している。縦柱１２０は、縦柱１３０よりも断面積が大きい。横骨１４０は、高さ方向に関して屋根と台枠の間の位置で、取付け枠１１０，縦柱１３０，縦柱１２０を接続する。これらの部材は溶接により接続している。
【００１３】
衝突崩壊部材２００は、床１５０の下部に位置しており、その高さ方向の位置は、実質的に衝突生存空間を構成する台枠５の高さと同等かそれよりも下である。衝突崩壊部材２００の車体長手方向の長さは、取付け枠１１０から他方の端部までである。衝突崩壊部材２００は、鉄道車両構体側の端部で取付け枠１１０と接続し、もう一方の端部でアンチクライマ１６０と接続している。衝突崩壊部材２００は、その上下面を水平にして設置されており、長手方向の中央で仕切り板２１０が設けられている。
【００１４】
衝突崩壊部材２００は前側（前端）の衝突崩壊部材２００Ｆと後側（後端）の衝突崩壊部材２００Ｒとからなる。前側の衝突崩壊部材２００Ｆの断面形状は、後側の衝突崩壊部材２００Ｒの断面形状と比較して同じである。
【００１５】
衝突崩壊部材２００と取付け枠１１０は、取付け枠１１０の最も下側に車体幅方向に設けた横梁１９０を用いて接続している。衝突崩壊部材２００と床１５０は、支持梁１７０で接続されている。
【００１６】
図３において、衝突崩壊部材２００は、車体幅方向の中央を対称にして、鉄道車両構体１の幅方向の両端（側構体３の近傍側）に設置している。すなわち、衝突崩壊部材２００は、一つの衝突崩壊空間２０あたり、車体幅方向に対して対称に合計２つある。
【００１７】
図４において、衝突崩壊部材２００は、連結器７０を挟んで車体の幅方向の両側に設置されている。また、衝突崩壊部材２００の縦断面形状は、中空の４角形であり、この４角形で車体の長手方向に沿った筒状であり、前記４角形の各面は中空形材である。衝突崩壊部材２００を取付け枠１１０に接続している横梁１９０は、車体の幅方向に関して、側梁６から中梁１８０に至る長さを有する。また、この横梁１９０は車体高さ方向に関して、衝突崩壊部材２００を包括する高さを有する。
【００１８】
次に、図５から図７を用いて衝突崩壊部材２００について説明する。図５において、本図に示す衝突崩壊部材２００を使用状況に合わせて長さ方向（中空形材の押出し方向）に対して直角に切断することにより、衝突崩壊部材２００Ｆや２００Ｒを構成することができる。衝突崩壊部材２００は、軽合金（例えば、アルミニウム合金）製の中空形材２２０で四面を構成された筒状の構造をしている。中空形材２２０は押出し方向を車両の走行方向（長手方向）に向けている。すなわち、衝突方向と中空形材２２０の押出し方向を一致させている。
【００１９】
図６において、中空形材２２０は、実質的に平行な２枚の面板２２１ａ，２２１ｂと両面板を接続するリブ２２２からなる。面板２２１とリブ２２２が接続する部分を結節点２２３と呼ぶ。リブ２２２は、面板２２１ａ，２２１ｂに対して傾斜している。このため、面板２２１ａ，２２１ｂとリブ２２２に囲まれる空間は、押出し方向に対して三角形に似た形状となる。つまり、リブ２２２，２２２…はトラス状に面板２２１ａ，２２１ｂに接続されている。面板２２１ａと２２１ｂは平面を構成している。
【００２０】
衝突崩壊部材２００の中空形材２２０の材質は、図示している中空形材２２０を押出しにより成形可能なものである。この一例として、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２２０の材料は、押出し後に衝撃エネルギを吸収しやすくするために、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が行われる。
【００２１】
なお、リブ２２２は面板２２１ａ，２２１ｂに直交するものであってもよい。これによれば、押出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。
【００２２】
図７において、衝突崩壊部材２００を構成する中空形材２２０，２２０どうしを接続する部分を説明する。衝突崩壊部材２００を構成する中空形材２２０ａと中空形材２２０ｂは、衝突崩壊部材２００の角で接続している。中空形材２２０ａにおいて、中空形材２２０ｂと接続する端部は、端部のリブ２２２ｃで接続している。中空形材２２０ｂの端部にはリブがない。このため、中空形材の面板２２１ｃ，２２１ｄの端部は中空形材の面板２２１ａ，２２１ｂの端部に突き合せられ、溶接されている。つまり、衝突崩壊部材２００の角部は、リブ２２２ｃ，２２２ｄと、面板２２１ｃによって閉空間となっている。面板２２１ａの端部は、結節点２２３ｃである。また、面板２２１ｂの端部は、結節点２２３ａである。
【００２３】
中空形材２２０ａと２２０ｂは、結節点２２３ａと２２３ｂで溶接により接続されている。溶接は、結節点２２３ａにおいては衝突崩壊部材２００の内側から行われる。一方、結節点２２３ｃにおいては、衝突崩壊部材２００の外側から行われる。
【００２４】
かかる構成において、車両が他の車両または障害物に衝突したとき、衝突崩壊部材２００は長手方向に、塑性変形し、衝突エネルギを吸収する。衝突崩壊部材２００Ｆと衝突崩壊部材２００Ｒとの間の仕切り板２１０は、衝突崩壊部材２００が衝突エネルギによって全体として２つに座屈しないようにするためのものであり、これによって衝突崩壊部材２００は小さく局所的に座屈する。前記仕切り板２１０によって、衝突崩壊部材２００を構成する中空形材２２０が「く」状に変形することなく蛇腹状に連続して変形し、多くの衝撃エネルギを吸収することができる。
【００２５】
図８に示す実施例を説明する。中空形材２２０ａの面板２２１ｂの端部は、中空形材２２０ｂに接触しない程度に延長している。かかる構成により、中空形材２２０ａを加工するための労力を軽減できる。
【００２６】
図９に示す実施例を説明する。中空形材２２０ａの面板２２１ａの端部は、中空形材２２０ｂの面板２２１ｃとの交点から先に延長している。延長した面板２２１ａにより、部品の取付けを容易にすることができる。
【００２７】
図１０に示す実施例を説明する。中空形材２２０ａの面板２２１ｂの端部は中空形材２２０ｂの面板２２１ｃとの交点とし、面板２２１ａと面板２２１ｂの端部を接続する接続板２２４を設けている。接続板２２４は面板２２１ａ，２２１ｂに直交している。かかる構成により、中空形材２２０ａを加工するための労力を軽減できる。
【００２８】
なお、接続板２２４を面板２２１ａ，２２１ｂと一体の押出し加工によって製作してもよい。また、この場合、溶接箇所の中空形材２２０に溶接開先を設けるように押出し加工を行うとよい。
【００２９】
図１１の実施例を説明する。中空形材２２０ａの端部に中空形材２２０ｂの面板２２１ｃに沿ったリブ２２２ｆを一体に設けている。面板２２１ｃの端部はリブ２２２ｆと面板２２１ｂとの接続部の外面に重なっている、接続部には溶接開先を設けている。また、中空形材２２０ａと中空形材２２０ｂとの位置決めを容易にするため、面板２２１ｂの外面側に、裏当ともなる突起２２５を設けている。
【００３０】
図１２の実施例を説明する。これは直交する２つの中空形材を一体にしたＬ状の中空形材２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ，２２０ｄを設け、これを溶接部２２６の部分で突き合せ溶接したものである。
【００３１】
かかる構成において、押出すために必要な型の数が一つとなり、型の数を減らすことができる。また、平面部で接合するので、角部で接合することと比較すると、接合が容易になる。
【００３２】
図１３の実施例を説明する。これは衝突崩壊部材２００の幅方向の中央で２分割した中空形材２２０ａ，２２０ｂを設け、これを溶接部２２６の部分で溶接したものである。これによればさらに溶接箇所が少なくなる。
【００３３】
図１４，図１５の実施例を説明する。以上までの実施例では、中空形材同士の溶接は中空形材の両面を溶接しなければならないので、衝突崩壊部材２００の筒内の溶接が困難である。図１４，図１５の実施例は、２面を衝突崩壊部材２００の外側から溶接できるようにしたものである。図１４の溶接部２２６の詳細な構造を図１５に示し、以下に説明する。
【００３４】
衝突崩壊部材２００の中空形材は図１２に示すようにＬ状の４つの中空形材からなる。溶接部２２６の構造は、筒部の一方の中空形材の内側の面板２２１ａは隣接する他方の中空形材の内側の面板２２１ｂに突き合せられている。外側の面板２２１ｃ，２２１ｄは面板２２１ａ，２２１ｂよりも後退した位置にある。リブ２２２ｂは面板２２１ｃの端部に接続している。面板２２１ｃとリブ２２２ｂとの接続部の近傍に隣接するリブ２２２ａがある。この結節点の面板２２１ｃの外面側は凹部になっている。隣接した中空形材の各凹部には接続材２２７が重ねられ、面板に溶接されている。
【００３５】
溶接手順を説明すると、先ず面板２２１ａ，２２１ｂを突き合せ、上側（面板２２１ｃ側）から接合個所２２８ａの突き合せ部を溶接する。次に、接続材２２７を重ね、接続材２２７の各端部の接合個所２２８ｂ，２２８ｃを面板２２１ｃ，２２１ｄとリブ２２２ｂ，２２２ｃとの結節点に上側（面板２２１ｃ，２２１ｄ側）から溶接する。
【００３６】
これによれば、中空形材の溶接を外側から行うことができるので、溶接作業を簡単に行うことができる。また、平面部で接合するので、角部で接合することと比較すると、接合が容易になる。さらに、衝突崩壊部材の接合は外側からのみで完了するので、衝突崩壊部材が小さい場合にも作業性よく接合できる。
【００３７】
なお、溶接に替えて摩擦攪拌接合方法によって接合してもよい。この場合、面板２２１ｄと接続材２２７を接合する際に生じる摩擦撹拌接合の下向きの力は、リブ２２２ｃ，２２２ｄによって支える。
【００３８】
図１６の実施例を説明する。中空形材２２０は、あたかも円のような断面形状をしている。
【００３９】
かかる構成において、中空形材を円に配置しているので、あらゆる方向から作用する荷重に対して常に等しい剛性を有することができる。そこで、ロバスト性が向上する。
【００４０】
図１７の実施例を説明する。なお、本図では発明の理解を容易にするために、中空形材を簡略化して表記している。本実施例において、衝突崩壊部材２００は、中空形材により構成されている。中空形材２２０は、あたかも三角形のような断面形状をしている。
【００４１】
かかる構成によれば、中空形材を三角形に配置しているので、他の機器との干渉を避けることができる。
【００４２】
上記各実施例では中空形材で囲まれた空間には他の部材がはっていないが、エネルギを吸収する部材を配置するとよい。例えば、発泡アルミニウム，ハニカムパネルなどを配置する。これによれば、衝突崩壊部材を小さくしても大きなエネルギを吸収できる。
【００４３】
図１８の実施例を説明する。なお、本図では発明の理解を容易にするために、中空形材を簡略化して表記している。中空形材２２０は、あたかも十字型のような断面形状をしている。
【００４４】
かかる構成において、中空形材を直角に配置しているので面外曲げ剛性が高いので座屈しにくい。さらに、図１５までの実施例では中空形材で囲まれた空間が有るので、省スペースは困難であったが、本実施例によれば当該空間を省略することが可能になり、小さな空間でより多くのエネルギを吸収できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】車両構体の斜視図である。
【図２】図１の車両構体を側構体側から見た側面図である。
【図３】図２の先端部の平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】衝突部材の斜視断面図である。
【図６】中空形材の要部の断面図である。
【図７】衝突部材の角部の断面図である。
【図８】他の実施例の図７相当図である。
【図９】他の実施例の図７相当図である。
【図１０】他の実施例の図７相当図である。
【図１１】他の実施例の図７相当図である。
【図１２】他の実施例の衝突部材の断面図である。
【図１３】他の実施例の衝突部材の断面図である。
【図１４】他の実施例の衝突部材の断面図である。
【図１５】図１４の中空形材と中空形材との接続部の断面図である。
【図１６】他の実施例の衝突部材の断面図である。
【図１７】他の実施例の衝突部材の断面図である。
【図１８】他の実施例の衝突部材の断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
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…衝突生存空間、２０…衝突崩壊空間、１００…衝突崩壊構造、１１０…取付け枠、１２０，１３０…縦柱、１４０…横骨、１５０…床、１６０…アンチクライマ、１７０…支持梁、１８０…中梁、１９０…横梁、２００…衝突崩壊部材、２１０…仕切り、２２０…中空形材、２２１…面板、２２２…リブ、２２３…結節点、２２４…接続板、２２５…突起、２２６…溶接部、２２７…接続材、２２８…接合個所。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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