(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に平行な二枚の面板と、当該二枚の面板を接続するものであって、複数の配置した接続材とからなる中空形材を有し、該中空形材の押し出し方向を車両の長手方向とするとともに床を構成する台枠と、側面を構成する側構体と、屋根を構成する屋根構体と、を備える車両において、
前記中空形材の中空部に配置され、衝突によって押し込まれて、前記中空形材を変形させる拡大部材を備えており、
前記拡大部材は、上方から見たとき前記拡大部材の前記車両の長手方向の端部側の幅が、前記拡大部材の前記車両の長手方向の中央部側の幅より広い台形であり、
前記拡大部材の長手方向端部から見た形状は５角形であり、
前記拡大部材の底面は水平であるとともに一方の前記面板に載置されており、
前記拡大部材の両側面の中間部には、その幅方向に突出する突出部が備えられており、
前記拡大部材が前記中空部に挿入された時、前記突出部が前記中空形材を変形させること、
を特徴とする車両。
【請求項２】
請求項１の車両において、
前記中空形材の複数の中空部に対して間欠的に前記中空部に前記拡大部材を挿入しており、
複数の前記拡大部材を一つのバンパーに連結していること、
を特徴とする車両。
【請求項３】
請求項１の車両において、
前記長手方向の端部の中空形材の前記接続材は除かれており、
該除いた部分の奥側の中空形材を変形させるように、前記拡大部材を配置していること、
を特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両において、衝突時に発生するエネルギを吸収する構造に関するものである。例えば、アルミニウム合金製中空押出形材を用いて製作された鉄道車両，軌条車両やバス等の車両に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来の衝突エネルギ吸収構造は、衝突時に加わる圧縮力により専用の部材を変形させ、衝突時に加わるエネルギを部材が変形に要するエネルギに変換して吸収するものが多く用いられている。部材を変形させる力としては、衝突時の圧縮力をそのまま利用するもの、あるいは、衝突時の圧縮力を利用して押し広げ力に変換して利用する形態が知られている。
【０００３】
前者の圧縮力をそのまま用いて部材を変形させる例として、ハニカムパネルを用いた例が特開２０００−６８０６号公報に、中空の丸棒を用いた例が特開平６−２１１１３３号公報に示されている。
【０００４】
後者の圧縮力を押し広げ力に変換して部材を変形させる例としては、丸いパイプを押し広げる問題に関して、Integrated Design and Manufacturing in Mechanical Engineering 98におけるTheoretical and numerical study of a coupler for crashworthy design of a TGV power carという題でJ. S. Kooら３名により発表されている。
２枚の平行な面板とそれらをつなぐ複数のトラス状のリブで構成された中空形材を用いて衝突エネルギを吸収する例は、特開平４−９５５６５号に示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
衝突エネルギを吸収する構造を検討する場合、衝突時に発生する加速度の最大値（いわゆる、衝撃）を低下させてスムーズに衝突を開始させることと、小さな寸法でより多くのエネルギを吸収する２点が重要である。
【０００６】
衝突時に発生する加速度の最大値は、中空押出形材の構造により決定される。パイプや角材などの閉空間を有する部材は、平板と比較して圧縮荷重に対する変形抵抗が大きい。中空押出形材は、トラスとリブで構成された閉空間の集合体であるので、圧縮荷重に対する変形抵抗はきわめて大きくなる。圧縮荷重に対する変形抵抗の増大は衝突発生後最初に部材が変形を開始する際に生じる加速度の最大値を増大させるので、乗客に対する損傷の度合いを増大させる。
【０００７】
衝突エネルギの吸収量に関しては、安定して連続的に変形を誘起させることが必要である。エネルギ吸収後に部材が変形する量を大きく取れ、かつ、比較的大きな部材でエネルギを吸収する場合には、当該部材を全体的に変形させてエネルギを吸収することが考えられる。たとえば、特開平１１−５９４１５号に記載の構造では、中梁を全体的に変形させることによりエネルギを吸収している。一方、比較的小さな部材を用いてエネルギを吸収させる場合や、エネルギを吸収させるための変形領域を小さくしたい場合には、特開平６−２１１１３３号のように、部材を局部的に変形させると同時に、同一の部材における局部変形を多数回誘起するようにして、トータルで吸収エネルギ量を増加させている。
【０００８】
中空押出形材で構成している構体の場合、中空押出形材そのものを大きく変形させてエネルギを吸収すると、客室内に変形の影響を与えることになるので、安全上許容できない。このため、特開平６−２１１１３３号のように、中空押出形材を部分的に変形させて、その変形を数多く誘起することにより吸収するエネルギを増加させる必要がある。
【０００９】
同一の部材内で局部的な変形を多数回誘起させるためには、局部的な変形を安定して、しかも連続的に誘起させることが重要である。このためには、衝突によりある部分で変形が生じた場合でも、構造全体の位置関係が一定の関係に保たれ、次の変形が誘起されやすくすることが必要である。これは、最初の変形が終了したあとに、引き続いて他の部位が同様に変形することを目的とするものである。具体的に示すと、変形後の形状は、特開平６−２１１１３３号公報の図５に記載があるように、側面から見た場合、あたかも蛇腹のような規則正しい形状になることが望ましい。
【００１０】
中空押出形材は多くの閉空間を有している。そこで、蛇腹状の理想的な変形を誘起する場合、ある一部の面板あるいはリブの局部的な変形に伴って隣接した面板あるいはリブもその変形に追随して変形することが必要である。このためには、衝突エネルギを吸収しようとする中空押出形材全体で、局部的な面外変形の波長が同一になる必要がある。しかし、中空押出形材の形状は複雑であり、本発明者らによる実験では、面外変形に関する波長はそろわない。波長が全体としてうまく合わない場合には、一部のみに変形が集中し、最初に変形を開始した部位に多大な荷重が作用して破断する。破断後には一切エネルギを吸収しなくなるばかりでなく、破断面が乗客や器物を損壊する可能性が高いので、避けなければならない。
【００１１】
本発明は、中空形材を用いた車体において、衝突エネルギ吸収機構を提供する。
【００１２】
上記目的は、実質的に平行な二枚の面板と、当該二枚の面板を接続するものであって、複数の配置した接続材とからなる中空形材を有し、該中空形材の押し出し方向を車両の長手方向とするとともに床を構成する台枠と、側面を構成する側構体と、屋根を構成する屋根構体と、を備える車両において、前記中空形材の中空部に配置され、衝突によって押し込まれて、前記中空形材を変形させる拡大部材を備えており、前記拡大部材は、上方から見たとき前記拡大部材の前記車両の長手方向の端部側の幅が、前記拡大部材の前記車両の長手方向の中央部側の幅より広い台形であり、前記拡大部材の長手方向端部から見た形状は５角形であり、前記拡大部材の底面は水平であるとともに一方の前記面板に載置されており、前記拡大部材の両側面の中間部には、その幅方向に突出する突出部が備えられており、前記拡大部材が前記中空部に挿入された時、前記突出部が前記中空形材を変形させること、を特徴とする車両により達成される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施例を鉄道車両に適用した場合について、図１から図６により説明する。この実施例は鉄道車両の先頭車の車体２００に適用される。車体２００は、側面を構成する側構体２０１，屋根を構成する屋根構体２０２，床を構成する台枠２０３等からなる。
【００１４】
側構体２０１，屋根構体２０２，台枠２０３、特に台枠２０３は、複数の中空形材２０を接合して構成している。車体２００の長手方向と中空形材２０の押出方向とは同一である。中空形材２０はアルミニウム合金で製作されている。
【００１５】
個々の中空形材２０は２枚の面板２１，２２と両者を接続する接続材２３とからなる。接続材２３はトラスを構成するように設置している。このため３角形状の中空部が水平方向（幅方向）に多数ある。
【００１６】
車体２００の先頭部分の下部（台枠２０３等）は運転席よりも先頭に突出している。この部分は衝突エネルギ吸収装置１００となる。衝突エネルギ吸収装置１００は、前記中空形材２０，先端のバンパー１１０，バンパー１１０に多数設置した拡大部材１２０とからなる。拡大部材１２０はその先端が中空形材２０の中空部に挿入されている。拡大部材１２０はバンパー１１０側に行くに従って拡大している。拡大部材１２０は中空部に対して一つおきに配置している。１３０はバンパー１１０と拡大部材１２０とを連結する連結部材である。
【００１７】
拡大部材１２０は中空部に挿入されることによって、中空部に接触し、中空部を拡大させる。拡大部材１２０の形状は、上方から見たとき、バンパー１１０側が広く、車体の中央側が狭い、いわゆる台形をしている。拡大部材１２０は、車体の長手方向端部から見た場合には５角形をしている。車体の長手方向端部から見た５角形の形状は、各断面において寸法は異なるが、相似形である。拡大部材の底面は水平であり、面板２２に当初から載っている。この底部の幅寸法Ｌ１は、一つの中空部の底部の幅寸法Ｌ２よりも小さい。拡大部材１２０の両側面の中間部は外方に突出している。これを突出部１２４という。拡大部材１２０の側面が接続材２３に接触するごとく挿入したとき、接続材２３の面よりも突出する部分を突出部という。
【００１８】
拡大部材１２０は、中空形材２０よりも強度が大きい物質、例えば鋼鉄により製作されている。
【００１９】
中空形材２０の端部の上下面および中空形材２０の長手方向の端部はチャンネル状の部材１４０で閉鎖されている。この部材１４０内に拡大部材１２０が配置されている。断面が円形の連結部材１３０は部材１４０の円形の穴を貫通している。この穴で連結部材１３０は支持される。この穴はできるだけ小さくする。この部材１４０の上下の面は、中空形材２０の接続材２３を切削によって除いて、面板２１，２２によって代用できる。また、先頭部分の側面および上面は潰れやすいように設けている。
【００２０】
かかる構成において、車両が衝突すると、バンパー１１０が押され、拡大部材１２０を中空形材２０の中空部に押し込む。これによって衝突エネルギが吸収される。
【００２１】
図２に、衝突エネルギ吸収装置１００の中空形材２０と拡大部材１２０との関係を示す。図２の（ａ）（ｂ）（ｃ）は中空部材２０および拡大部材１２０の縦断面図である。（ａ）は衝突前の縦断面を示している。（ｂ）は衝突後の初期の状態で、拡大部材１２０の上部の両側の肩１２４，１２４が接続材２３，２３に接触している。（ｃ）は衝突エネルギを吸収したあとの状態を示している。
【００２２】
（ａ）においては拡大部材１２０が面板２２に載っているのみであるので、衝突によって拡大部材１２０は移動できる。
【００２３】
（ｂ）において、衝突によって拡大部材１２０が挿入されると、拡大部材120の側面の突出部１２４，１２４が接続材２３，２３に接触する。さらに拡大部材１２０が移動すると、接続材２３，２３を隣接する中空部に向けて拡大させる。
【００２４】
（ｃ）において、さらに拡大部材１２０が移動すると、接続材２３，２３を大きく変形させる。
【００２５】
以上の作用により、拡大部材１２０が中空部内に進行することにより接続材２３が変形し、衝突エネルギは、その接続材２３が変形するために要するエネルギに変換されて吸収される。
【００２６】
拡大部材１２０は面板２１と面板２２で囲まれた領域に存在するので、装置作用時にあっても車内および車外には部材が突出することがなく、安全である。
【００２７】
また、拡大部材１２０の長さや幅，形状を変化させることにより、吸収するエネルギの量や最大加速度を自在に制御することができる。たとえば、吸収するエネルギを増大させたい場合には、幅を広くすることおよび長さを長くすることが有効である。また、加速度の最大値を低減するためには、拡大部材１２０の幅の差を小さくすることが有効である。
【００２８】
さらに、部材に圧縮力を作用させてエネルギを吸収する場合には、当該部材の製作公差や平滑度によっては、塑性座屈させるべきものであっても、低い荷重で弾性座屈してしまう恐れがあったが、上記実施例ではそのような破壊モードが変化することはなく、安定して破壊を誘起することができる。
【００２９】
ここで、衝突エネルギが小さい場合には、上述した接続材２３の変形に要するエネルギのみにより、すべての衝突エネルギを吸収する。
【００３０】
また、一つのバンパーの中に複数の拡大部材が存在するので、同じバンパーを共有する拡大部材に力が作用する。このため、局部的に衝突した場合でも、全体としてエネルギを吸収するので、効率的である。
【００３１】
衝突エネルギが大きく、接続材２３の変形のみでは吸収しきれない場合、バンパー１１０が中空形材２０の端部に衝突する。中空形材２０の端部の接続材２３は除かれて面板２１，２２のみになっているので、圧縮力に対する変形抵抗は中空形材と比較して小さい。このため、面板２１，２２が変形することにより衝突エネルギを吸収する。
【００３２】
拡大部材１２０の他の実施例を説明する。図７は両側面を円弧状に突出させたものである。これによれば、拡大部材１２０と接続材２３との接触、接続材２３の変形の各段階をより連続的に行うことができる。このため、衝突時に発生する加速度の最大値を減ずることができる。
【００３３】
図８の実施例は拡大部材１２０は底面が平面でなく下方に突出している。バンパー１１０側の上下の突出部の間隔は面板２１，２２の上下の間隔よりも大きい。これによれば、上下の面板２１，２２をも変形させるので、吸収するエネルギの量が増大する。
【００３４】
本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の各請求項に記載の文言あるいは課題を解決するための手段の項に記載の文言に限定されず、当業者がそれから容易に置き換えられる範囲にも及ぶものである。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、中空押出形材で構成した車両が衝突した場合に発生する加速度を減少させ、かつ多大なエネルギを吸収できるので、車両に乗車中の乗客に対して安全な構造を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のエネルギ吸収装置の要部の斜視図である。
【図２】図１の中空形材と拡大部材との関係を説明する縦断面図である。
【図３】図１の装置を備えた装置の全体の平面図である。
【図４】図３の右側面図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】鉄道車両の先頭車の側面図である。
【図７】本発明の他の実施例の拡大部材の正面図である。
【図８】本発明の他の実施例の拡大部材の正面図である。
【符号の説明】
２０…中空形材、２１，２２…面板、２３…接続材、１００…衝突エネルギ吸収装置、１１０…バンパー、１２０…拡大部材、１２４…突出部。
【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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