Collision energy-absorbing column and railway vehicle including the collision energy-absorbing column |
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申请号 | JP2012133890 | 申请日 | 2012-06-13 | 公开(公告)号 | JP2013256219A | 公开(公告)日 | 2013-12-26 |
申请人 | Kawasaki Heavy Ind Ltd; 川崎重工業株式会社; | 发明人 | HIRASHIMA TOSHIYUKI; HAYASHI SEIICHI; NAGAHARA HITOSHI; | ||||
摘要 | PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a collision energy-absorbing column capable of achieving both of weight reduction and sufficient absorption of collision energy.SOLUTION: A collision energy-absorbing column 1 is provided on an end side of a railway vehicle structure 2, and extends from an edge beam 72 to a roof structure 20. The collision energy-absorbing column 1 includes a metal outer member 3 whose cross-sectional shape is concave or hollow, and a reinforced-plastic inner member 4 provided along the inner circumference of the outer member 3 and extending parallel to the outer member 3. The outer member 3 has two column halves 6 which extend along the column axis of the outer member 3 and are joined in the direction perpendicular to the column axis. The joined portion of the column halves 6 extends along the column axis. The outer member 3, the edge beam 72, and the roof structure 20 are fastened together by a fastening means. The inner member 4 extends from the edge beam 72 to the lower part of the roof structure 20 except the fastened portions. | ||||||
权利要求 | 鉄道車両の妻部に設けられ、端梁から屋根構体に向けて延在する衝突エネルギ吸収柱であって、 横断面が凹状断面または中空断面である金属製の外側部材と、 前記外側部材の内周に沿って設けられ、前記外側部材と平行に延びる強化プラスチック製の内側部材とを備える、衝突エネルギ吸収柱。 鉄道車両の妻部に設けられ、端梁から屋根構体に向けて延在する衝突エネルギ吸収柱であって、 外側部材と、 前記外側部材に内包され、前記外側部材よりも柱長手方向の引張強度が高く、軽量であり、延性の小さな内側部材とを備える、衝突エネルギ吸収柱。 前記外側部材は、柱長手方向端部であって前記屋根構体と結合される第1領域と、前記台枠と結合される第2領域とを有する、請求項1又は2に記載の衝突エネルギ吸収柱。 前記屋根構体と前記第1領域および前記台枠と前記第2領域とは、それぞれ機械締結により結合される、請求項3に記載の衝突エネルギ吸収柱。 前記内側部材は、前記第1領域及び前記第2領域を除いて、前記台枠上部から前記屋根構体下部の間に延在する、請求項3に記載の衝突エネルギ吸収柱。 前記外側部材は、夫々柱軸に沿って延びた2つの柱半体を外側部材の柱軸に直交する方向に並べて接合して構成され、両柱半体の接合部分は前記柱軸に沿って延びている、請求項1乃至5に記載の衝突エネルギ吸収柱。 各柱半体は前記柱軸に沿って延びた第1板状部と、該第1板状部の両側から第1板状部に直交して延びた互いに平行な第2板状部を備えて、両柱半体は衝突荷重の荷重方向に沿って互いに逆向きに配置されて第2板状部の先端どうしを接合して構成され、第1板状部の板面は衝突荷重を受ける方向に対向している、請求項6に記載の衝突エネルギ吸収柱。 前記強化プラスチックは、繊維を含有したプラスチックであり、該繊維は体積率が60%以上である、請求項1乃至7の何れかに記載の衝突エネルギ吸収柱。 前記強化プラスチックは、CFRP又はGFRPを含むFRPである、請求項1に記載の衝突エネルギ吸収柱。 請求項1乃至9の何れかに記載の衝突エネルギ吸収柱が、台枠から立設された衝突柱である鉄道車両。 側梁と端梁との間に立設された隅柱をさらに備え、前記隅柱は請求項1乃至9の何れかに記載の衝突エネルギ吸収柱を含む、鉄道車両。 |
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说明书全文 | 本発明は、鉄道車両の先頭車両に設けられる衝突エネルギ吸収柱及び該衝突エネルギ吸収柱を備えた鉄道車両に関する。 従来から鉄道車両において、自動車や鉄道車両等との衝突から乗務員や乗客を保護するために、衝突によるエネルギを吸収するための構造が種々提案されている。 例えば、特許文献1には、車両端部に垂直に延びる強度部材と、車両長手方向に延びる骨部材とを設けた軌条車両が提案されている。 この構成により、ある程度以上の荷重が作用した場合には積極的に変形してエネルギを吸収し、ある程度以下の荷重が作用した場合には構造が変形しないようにすることができるとしている。 従来の衝突エネルギ吸収構造は、各部材は金属製であるから非常に重く、鉄道車両全体の軽量化を妨げる一因となっている。 その一方、乗務員や乗客を保護するとともに、各部材が車体との取付部から脱落することを防止するために、一定の曲げ変形量以内で衝突時のエネルギを十分に吸収する必要がある。 本発明に係る衝突エネルギ吸収柱は、鉄道車両の妻側に設けられ、端梁から屋根構体に向けて延在するものであって、横断面が凹状断面または中空断面である金属製の外側部材と、前記外側部材の内周に沿って設けられ、前記外側部材と平行に延びる強化プラスチック製の内側部材とを備える。 更に、少なくとも外側部材の横断面を凹状断面または中空断面に形成することにより、外側部材が例えば平板状である場合に比して、断面係数が大きくなる。 これにより、許容される曲げ応力が大きくなるから、衝突エネルギ吸収柱は大きな衝突荷重を受けることができ、大きな衝突エネルギを吸収することができる。 更に、前記外側部材は、夫々柱軸に沿って延びた2つの柱半体を外側部材の柱軸に直交する方向に並べて接合して構成され、両柱半体の接合部分は前記柱軸に沿って延びていてもよい。 本発明に係る衝突エネルギ吸収柱にあっては、軽量化と一定の曲げ変形量以内での十分な衝突エネルギ吸収の両方を達成することができる。 以下、本発明の実施形態に係る衝突エネルギ吸収柱を、図を参照しながら説明する。 なお、以下では、全ての図を通じて同一又は相当する要素には、同一の参照符号を付して重複する説明を省略する。 実施形態における方向の概念は、鉄道車両の進行方向を前方とし、前方を向いたときの方向の概念と一致している。 即ち、車両長手方向が前後方向に対応し、車両幅方向が左右方向に対応している。 [衝突エネルギ吸収柱を備えた鉄道車両の構成] [衝突エネルギ吸収柱の構成] 内側部材4は、外側部材3よりも鉛直方向に短く形成されている。 該外側部材3の上端部と下端部に、夫々内側部材4が存在しない第1締結領域30と第2締結領域31が設けられている。 第1締結領域30にて、外側部材3には複数の第1貫通孔32が設けられている。 リベット又はボルトの如き締結手段が、該第1貫通孔32に挿入されて、アーチけた21と衝突エネルギ吸収柱1の上端部とが締結される。 また、該第2締結領域31にて、外側部材3には複数の第2貫通孔33が設けられている。 第2締結領域31の内側には、金属製あるいは強化プラスチック製の中空の補強部材34が設けられている。 図2に示すように、外側部材3は、夫々柱軸に沿って延びた2つの柱半体6を前後方向に並べて構成される。 各柱半体6は、柱軸に沿って延びた第1板状部60と、該第1板状部60の両側から第1板状部60に直交して延びた一対の第2板状部61を備えている。 両第2板状部61は、互いに平行である。 両柱半体6は衝突荷重の荷重方向、即ち前後方向に沿って互いに逆向きに配置される。 両柱半体6は第2板状部61の先端どうしを溶接にて接合して構成され、該接合部分は柱軸に沿って延びた溶接ライン62を形成している。 第1板状部60の板面は衝突荷重を受ける方向に対向している。 また、溶接ライン62は鉛直方向に延びている。 これにより、溶接ライン62が鉛直方向に直交する方向に沿って設けられた場合に比べて、鉛直方向と直交する方向からの衝突荷重を受けたとき、該溶接ライン62が亀裂の起点になりにくくなる。 [エネルギ吸収効果] 強化プラスチック製の衝突エネルギ吸収柱は、厚板にしても比較的軽量であり、(1)のラインが示すように、短いストロークで一定の衝突荷重を支持することができる。 しかし、ストロークが短いうちに荷重Psに達するから、規定の衝突エネルギを吸収する前に、強化プラスチック製の衝突エネルギ吸収柱が車両構体から脱落してしまう。 また、強化プラスチック製の衝突エネルギ吸収柱は、塑性変形しないから、この点でも衝突荷重を吸収する効果が弱い。 上記(1)(2)のラインに比して、(3)のラインが示すように、本実施形態の衝突エネルギ吸収柱1が衝突荷重を受けると、金属製の外側部材3は比較的早期に局部的な塑性変形を始めるが、強化プラスチック製の内側部材4が先に破断する(図4(a)の点B)。 しかし、金属製の外側部材3は塑性変形はするものの、未だ破断せず、衝突エネルギを吸収し続ける。 これにより、全体を樹脂或いは金属で構成した衝突エネルギ吸収柱に比して、同質量あたり大きな衝突エネルギを吸収することができると予想される。 (解析結果 その1) 解析に当たっては、厚み9mmの第1半体50のみの解析用柱5をCASE1、厚み11.7mmの第1半体50のみの解析用柱5をCASE2、厚み9mmの第1半体50と厚み20mmのCFRP製の第2半体51を備えた解析用柱5をCASE3、厚み9mmの第1半体50と厚み20mmのCFRP製の第2半体51を備えた解析用柱5をCASE3´とした。 なお、CASE2、3及び3´において、解析用柱5の質量は等価である。
図6及び図7にて、(1)のラインが、CASE3(厚み9mmのステンレス+厚み20mmのCFRPで両端部を拘束)の解析用柱5の解析結果であり、(2)のラインが、CASE3´(厚み9mmのステンレス+厚み20mmのCFRPで、ステンレス部のみ両端部を拘束せず)の解析用柱5の解析結果である。 また、(3)のラインがCASE2(厚み11.7mmのステンレスのみで両端部を拘束)の解析用柱5の解析結果であり、(4)のラインがCASE1(厚み9mmのステンレスのみで両端部を拘束)の解析用柱5の解析結果である。 図7及び後記の図10及び図12では、厚みをtにて示す。 例えば、厚み9mmをt9として示す。 (解析結果 その2) 解析に当たっては、厚み6mmの外角柱110のみの解析用柱100をCASE1、厚み7.8mmの外角柱110のみの解析用柱100をCASE2、厚み6mmの外角柱110と厚み10mmのCFRP製の内角柱120を備えた解析用柱100をCASE3、厚み6mmの外角柱110と断面形状が図8(b)に示す内角柱120を備えた解析用柱100をCASE4とした。 CASE1乃至CASE4の何れも、解析用柱100の両端部を拘束している。 CASE2とCASE3とCASE4の解析用柱100は、重量が何れもほぼ等しく形成されており、これは同じ重量の解析用柱100にてエネルギ吸収効果を確認する趣旨である。 図9及び図10にて、(1)のラインが、CASE4(厚み6mmのステンレス+図8(b)に示すCFRP)の解析用柱100の解析結果であり、(2)のラインが、CASE2(厚み7.8mmのステンレス)の解析用柱100の解析結果である。 また、(3)のラインがCASE3(厚み6mmのステンレス+厚み10mmのCFRP)の解析用柱100の解析結果であり、(4)のラインがCASE1(厚み6mmのステンレスのみ)の解析用柱100の解析結果である。 また、図9及び図10について、重量が等しいCASE2の解析用柱100とCASE3の解析用柱100の結果を比較すると((2)のラインと(3)のラインの比較)、金属製の外角柱110と強化プラスチック製の内角柱120を組み合わせた解析用柱100が、金属製のみの外角柱110を用いた解析用柱100よりもエネルギ吸収特性が特段に優れているとの効果は、特に変位の値が大きな場合については得られなかった。 しかし、CASE4により、本実施形態に係る衝突エネルギ吸収柱1が、軽量化と一定変位量以内の十分な衝突エネルギを吸収するとの効果が得られることが実証された。 上記実施形態の衝突エネルギ吸収柱1では、外側部材3と内側部材4はともに断面中空であるとした。 しかし、これに代えて、外側部材3と内側部材4の断面はともに凹状であってもよい。 また、断面は矩形でなくてもよく、円形や楕円等、種々の形状とすることも可能である。 本発明は、鉄道車両の先頭車両に設けられる衝突エネルギ吸収柱に適用すると有用である。 1 衝突エネルギ吸収柱2 鉄道車両構体3 外側部材4 内側部材5 解析用柱6 柱半体50 第1半体51 第2半体100 解析用柱 |