JP3563002B2 - 鉄道車両用のエネルギ吸収構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、鉄道車両同士の衝突又は追突時等において生じる衝突エネルギをより効果的に吸収緩和することができる鉄道車両用のエネルギ吸収構造に関し、また、そのときの変形モードを制御することができる鉄道車両用のエネルギ吸収構造に関する。
【０００２】
【従来技術と発明が解決しようとする課題】
鉄道車両同士の正面衝突、追突、あるいは他の物体との衝突に際して、図９（ａ）に示す衝突荷重Ｐを分担する部材（簡単のため例示として柱部材）０１において、図９に示すような座屈変形が生じると（図９（ｂ）はそのときの崩壊モードを示す）、変形の生じる箇所すなわち最初の塑性変形箇所Ｙが限定されてしまい、そのエネルギの吸収能力が低下する。図１０がそれを示す。
【０００３】
図１０は、このときのエネルギ吸収特性を示す曲線である。縦軸に反力（Ｐ／Ｐｓ（Ｐ：軸方向力、Ｐｓ：座屈荷重）、横軸にΔ／Ｈ（Δ：面外変形量、Ｈ：部材の断面寸法）をとって示してある。このエネルギ吸収特性曲線で囲まれた面積がすなわちその部材がもつエネルギ吸収能力である。座屈現象が起きる直前がピークとなり、座屈後は急激に反力が小さくなる（双曲線のような形となる）。すなわち、非常に限られた領域で屈曲（変形座屈）が生じるとそのエネルギ特性は非常に小さいものとなってしまうことが判る。
【０００４】
そうしてみると、部材のエネルギ吸収能力を高めるためのコンセプトには、次の２通りが考えられる。
【０００５】
一つは、図１１のように座屈が起きた瞬間の最初のピークＰ_１は高いままで、他にも幾つかピークＰ_２ ，Ｐ_３ …を生じるような部材構成にすることである。
【０００６】
他は、座屈が起きた瞬間の最初のピークを下げることを前提としつつ、全体的になだらかな（ピークは幾つか存在することもあるが）概ね平均化したエネルギ吸収特性曲線をもつような部材構成にすることである。この考えでは図１０において点線で示すエネルギ吸収特性曲線に極力近いものが理想的である。この場合、衝突エネルギを荷重分担部材で全て吸収して他の部材には影響を与えないのが理想である。
【０００７】
前者の考えを採用したのが、特開昭５８−１１６２６７号公報に記載の「自動車のフレーム構造」に係る車両用のエネルギ吸収構造である。すなわち、軸方向に切欠部を設けたチャンネル部材と切欠部のないチャンネル部材とを組み合わせた構造によって、長手方向の衝撃力により蛇腹変形を生じさせ、変形現象が異なる切欠部に対応した部位で順次生じさせて、図１１のようなエネルギ吸収特性曲線を得て衝突エネルギの吸収緩和能力を高めんとするものである。
【０００８】
これに対して、本願は、後者の衝突エネルギ吸収のコンセプトを採用するものであるが、この考えに基づき提案された鉄道車両用のエネルギ吸収構造は現時点では存在しない。
【０００９】
ところで、衝突時の変形の方向が溶接等に起因する形状初期不整などの影響で変化すると、そのエネルギ吸収特性も変化してしまい、予測したエネルギ吸収能力を保持できなくなる。
【００１０】
従来の端梁（鉄道車両などの先頭部に設けられる荷重分担部材である）では、静的強度を重視した設計を行っており、衝突時の崩壊荷重が高い反面、エネルギ吸収量は小さい傾向がある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本願発明に係る鉄道車両用のエネルギ吸収構造は衝突荷重と平行に配置された複数の荷重分担部材を有する鉄道車両の先端部構造であって、変形モード制御用開口を略楕円形又は長円形に形成すると共に、該開口を荷重分担部材の長さ方向に複数箇所設け、該開口の軸の傾斜方向を千鳥形に交互にずらしたことを特徴とする。
【００１２】
また、衝突荷重と平行に配置された複数の荷重分担部材を有する鉄道車両の先端部構造であって、変形モード制御用開口を荷重分担部材の長さ方向に複数箇所設け、該開口の上下位置を千鳥形に交互にずらしたことを特徴とする。
【００１３】
このように開口形状およびその断面内での位置を変えることにより、変形（崩壊）モードをコントロールする。すなわち、開口である長円の軸を衝突方向に対して斜めにすることにより、変形の方向を確定させることができる。また、開口の中心を上下にどちらかにずらすことによっても変形の方向を確定できる。
【００１４】
同一部材で、複数の開口を設ける場合、その軸の傾斜方向あるいは開口の上下位置のずれを交互にすることにより、変形は交互に生じ、安定的に変形が生じることになる。
【００１５】
これにより、崩壊時の変形を安定的に成長させて、製品ごとのエネルギ吸収特性のバラツキを少なくさせることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【００１８】
図１（ａ）〜（ｄ）は従来一般的に知られているもので、本願発明の実施形態とはいえないが、後述の本願発明の説明の便宜上先に説明しておく。
【００１９】
衝突荷重の方向に対し平行に配置された荷重分担部材において、長さ方向の一部分に、他の部分よりその断面を局部的に減じる技術的思想である。
【００２０】
断面を減少させる方法として、例えば、図１（ａ）のような荷重分担部材１を構成する、コの字形（Ｈ型でもよい）断面の柱部材であれば、そのウエブ１ａに円形、楕円形あるいは矩形などの開口２を設ける。フェイス１ｂ側に開口を設けてもよい。３は中立線を示す。
【００２１】
また、図１（ｂ）の箱形断面の荷重分担部材４においても、２つの平行する面に同様な開口２を設ければよい。
【００２２】
このように、開口２を設けることで、断面を局部的に減じた部分の強度は、他の部分より低いため、低い荷重で崩壊させることができる。
【００２３】
上記のような開口２を、図１（ｃ）に示すように荷重分担部材５の長さ方向の複数箇所に設けることにより、崩壊する領域を大きくすることができ、エネルギ吸収特性を向上させることができる。
【００２４】
また、図１（ｄ）のように、荷重分担部材６の長さ方向に設けた開口７の大きさを順次変える（大円から小円へ変える）ことにより、破壊の発生順序をコントロールできる。
【００２５】
本願発明の鉄道車両用のエネルギ吸収構造のコンセプトは、前述したように座屈が起きた瞬間のピークを下げることを前提としつつ、全体的になだらかな（ピークは幾つか存在することもあるが）概ね平均化したエネルギ吸収特性曲線をもつような荷重分担部材の構成を得ることである。かかるコンセプトを実現した具体的構成は以下の通りである。
【００２６】
図２，図３；
開口形状およびその断面での位置を変えることにより、変形（崩壊）モードをコントロールせんとする思想である。すなわち、図２（ａ）のように、荷重分担部材８のウエブ８ａに設けた開口９である長円の軸９ａを衝突方向に対して斜めにすることにより、変形の方向を図２（ｂ）のように確定させる（荷重分担部材８の中立線１０が一定の波形状となる）ことができる。
【００２７】
また、開口の中心を上下どちらかにずらせることによっても、変形の方向を確定できる。すなわち、図３（ａ）のように同一荷重分担部材１１で、複数の開口１２を設ける場合、その開口の上下位置のずらし、千鳥形に交互に配置することにより、変形は図３（ｂ）のように波形になり、安定的に一定の変形が生じるようその変形モードを制御できる。
【００２８】
通常の構造では、製作時に生じる溶接変形や部材を構成する板厚のわずかの違いや材料特性のわずかの違いなどによって、その変形の方向が変化し、変形モードを予想する方向に生じさせることは困難である。このため同じ製作図で作成したものであっても、製品ごとにそのエネルギ吸収特性にバラツキが生じる可能性がある。この点、本構成では、変形モードが一定になり、エネルギ吸収特性も安定する。
【００２９】
図４；
図４（ａ）は、平行して２個以上、複数個の荷重分担部材１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃを配置し、それぞれの部材に設けた開口１３ａ〜１３ｃをずらし、即ち、断面を減じる位置をそれぞれの部材でずらせることにより、変形が生じる直前に生じる反力の最大値を全体として減じるように構成したものである。
【００３０】
これにより、図４（ｂ）のように３つの部材が同じエネルギ吸収特性を持ち、反力の最大値が小さい構造を実現できる。（ｃ）は、（ｂ）の合成図である。図（ｂ）（ｃ）は縦軸に軸方向圧縮力Ｐ、横軸に軸方向変位Ｘをとって示している。
【００３１】
図５；
鉄道車両の先頭部における荷重分担部材を「端梁」というが、この端梁１４の先端ほど断面が小さい構造にし（例えば、その平面形状を放物線状、弓状とする）、さらに、衝突時にこの部位に必ず崩壊する領域Ｙを設ける。
【００３２】
なお、通常の場合、端梁１４の端面にはこれに連なる連結部材１５が設けられる。
【００３３】
かかる構成では、衝突による部材の崩壊は、先頭部の断面の少ない部分から、順次生じることになり、衝突の最初に生じる大きな衝撃力（最初のピーク）を減じることができる。図６の実線は、そのときのエネルギ吸収特性曲線（縦軸：軸方向圧縮力Ｐ、横軸：軸方向変位Ｘ）を示す。端梁１４部分で衝突エネルギをほぼ吸収できるようにしておけばこれに続く連結部材１５が崩壊することはない。
【００３４】
図６の点線は一様断面（弓状でないもの）構造の場合のエネルギ吸収特性で、両者を比較すれば明らかなように、本願では最初のピークが下がり、他の部位でのエネルギ吸収量が多少増加して全体として平均化される傾向になる。
【００３５】
図７は、図５における技術的思想を具現化した実際に近い端梁の構造モデルである。端梁１４は、略弓状をなし、図７（ａ）の骨構造１６と図７（ｂ）の面板１７からなる。つまり、骨構造１６の上下に面板１７が溶接で接合されて端梁１４が形成されるものである。
【００３６】
骨構造１６は、前端部材１６ａと後端部材１６ｂ、および両者の間に左右対称に架設された連結部材（骨材）１６ｃ〜１６ｆとからなる。連結部材（骨材）１６ｃ〜１６ｅには断面を減じるための開口１８が設けてある。面板１７にも弓状の先端中央部から中に入り込んだ位置に断面積を減じるための長円状の開口１９ａとこの後方に２つの円形の開口１９ｂが設けてある。長円の開口１９ａは断面積が大きくなる直前の位置付近に設けられ、円形の開口１９ｂは断面積が最大となる位置に複数設けられている。
【００３７】
上記のような端梁１４について、衝突荷重をかけてそのときの端梁１４のもつエネルギ吸収特性を調べた。図８はその実験結果を示し、図７の端梁１４に衝突荷重（但し、実験では静的荷重）をかけることによって得られたエネルギ吸収特性曲線（縦軸：衝突荷重、横軸：走行方向の変形量）である。
【００３８】
最初のピークＰ_１は顕著に下がり、その後ピークが所々に現れているが、これは連結部材によってエネルギ吸収量が上昇したことを示し、曲線の谷部分は、崩壊が次の連結部材まで広がる遷移域である。この端梁のエネルギ吸収特性は、全体的には点線の平均衝突荷重に近い方向に平均化されていることが判る。
【００３９】
【発明の効果】
本願発明は、以上説明したような形態で実施され、次のような効果を奏する。
【００４０】
衝突時の変形が局所的になることを防ぎ、変形する領域が広範囲となるようにすることにより、衝突時に構造部材がその変形によって吸収するエネルギを高めるつつ、
１）変形の方向、モードを確定させる手段を講じることにより、バラツキをなくし、安定したエネルギ吸収特性を有することができる。
２）複数部材において、変形の生じるタイミングをずらせることにより、平滑化された反力と変形特性を有するエネルギ吸収部材を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）はコ字形断面の荷重分担部材に楕円状ないし長円状の開口を設けたときの斜視図、（ｂ）は箱型断面の荷重分担部材に開口を設けたときの斜視図、（ｃ）は荷重分担部材の長さ（軸）方向に複数の開口を規則的に設けたときの斜視図、（ｄ）は 荷重分担部材に設けた複数の開口の大きさを長さ方向で変化させたときの斜視図である。
【図２】本願発明の実施形態であって、 （ａ）は荷重分担部材に設けた開口の軸を衝突方向と斜めになるように配置したときの斜視図、（ｂ）は同変形モードである。
【図３】同実施形態であって、（ａ）は荷重分担部材に設けた開口を上下に千鳥形に配置したときの正面図、（ｂ）は同変形モードである。
【図４】同実施形態であって、（ａ）は複数の部材を平行に配置し、それぞれに設けた開口を互いに長さ方向にずらしたときの斜視図、（ｂ）は各部材のエネルギ吸収特性曲線であり、（ｃ）はその合成図である。
【図５】本願発明思想を取り入れた端梁の平面図である。
【図６】同端梁のエネルギ吸収特性曲線図（実線）である。
【図７】同端梁の実際に近い構造図で、（ａ）は面板、（ｂ）は骨構造を示す図である。
【図８】同端梁の変形モードである。
【図９】（ａ）は一般の柱部材の座屈形態図、（ｂ）はそのスケルトン図である。
【図１０】同エネルギ吸収特性曲線図である。
【図１１】従来技術のエネルギ吸収特性曲線図である。
【符号の説明】
１、４，５，６，８，１１…荷重分担部材
２，７，９，１２…開口
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ…荷重分担部材
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ…開口
１４…端梁
１６…骨構造
１６ｃ〜１６ｆ…連結部材（骨材）
１７…面板

Claims (2)

1. 衝突荷重と平行に配置された複数の荷重分担部材を有する鉄道車両の先端部構造であって、変形モード制御用開口を略楕円形又は長円形に形成すると共に、該開口を荷重分担部材の長さ方向に複数箇所設け、該開口の軸の傾斜方向を千鳥形に交互にずらしたことを特徴とする鉄道車両用のエネルギ吸収構造。
2. 衝突荷重と平行に配置された複数の荷重分担部材を有する鉄道車両の先端部構造であって、変形モード制御用開口を荷重分担部材の長さ方向に複数箇所設け、該開口の上下位置を千鳥形に交互にずらしたことを特徴とする鉄道車両用のエネルギ吸収構造。

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