JP2011143808A - 鉄道車両構体 - Google Patents

Abstract

【課題】押出形材から成る側構体と屋根構体又は台枠とをボルトやリベット等の機械的な締結によって製作される鉄道車両構体であって、構体同士の接続部に、複雑な荷重が作用する場合でも過大な変形及び応力が生じにくい鉄道車両構体を提供する。
【解決手段】側構体２０の継手部（接続部）と屋根構体４０の継手部（接続部）に供される押出形材２００の第１面板２１０と第２面板２２０はリブ２４０と端部リブ２３０によって接合されるとともに、第１面板２１０には、端部リブ２３０と第１面板２１０との接合部２５０の跨ぐ形態で第３面板２７０が一体成形される。第３面板２７０は第１面板２１０の板部Ｅの曲げ剛性を高める効果を奏するため、板部Ｅによって構成された重ね継手部（接続部）に荷重が作用した場合でも、板部Ｅに過大な変形や応力が生じにくい。
【選択図】図３

Description

本発明は、対向する２枚の面板をリブで接続した押出形材によって構成された屋根構体、側構体等の構体と構体、或いは、構体と台枠とをリベット、ボルト等の機械的接続手段によって組立てられる鉄道車両構体に関する。

鉄道車両構体は、一般に、車体の上面を配設される屋根構体と、側面に配設される側構体と、下面を構成する台枠と、鉄道車両構体の長手方向の端面に配設される妻構体とからなる。近年では、軽量化や製作性向上を主な目的として、二枚の面板と該面板同士を接合する複数の接合リブから成るアルミニウム合金製の押出形材によって、屋根構体、側構体等を構成し、それらを６面体の鉄道車両構体に組立てる手法が広まりつつある。

一般に、まず、架台の上面に所定の形状に押出成形された押出形材をその押出方向に沿って、所定の枚数を配設した後、押出形材の幅方向（押出方向に交差する方向）の継手同士を突合せた接続線に沿って摩擦撹拌接合あるいは溶接によって、屋根構体、側構体、台枠などを製作する。次に、台枠の長手方向の両端部に妻構体を立設するととともに、台枠の幅方向の両端部に側構体を立設して、妻構体および側構体の下端部と台枠との接続部、妻構体と側構体との接続部を、溶接などにより接続する。最後に、妻構体および側構体の上端部に屋根構体を載置して、妻構体及び側構体と屋根構体との接続部を溶接などで接続して、６面体の鉄道車両構体が製作される。こうした各構体の構造は、例えば、特許文献１に示されている。

従来、６面体に構成された鉄道車両構体の内部、椅子、吊革、内装品など艤装品を搬入した後、側構体、屋根構体、台枠の所定の場所にこれら艤装品を取付けていた。従来の艤装品の取付け作業は、艤装品を保護するための保護材取付け作業、艤装品を鉄道車両構体の内部に搬入する作業、保護材取り外し作業、艤装品を鉄道車両構体へ取付け作業、保護材の搬出作業などからなり、作業工数が大きくなる傾向があった。

作業工数を削減して生産性を高めるために、アウトワークによってあらかじめ艤装品を側構体、屋根構体、台枠などに取付けた後、６面体の鉄道車両構体を製作する手法が開発される。この手法では、あらかじめ艤装品が取付けられた各構体を接続するため、台枠と側構体との接続部、側構体と屋根構体との接続部に、大量の熱が入りやすい溶接による接続ではなく、入熱の少ないボルト及びリベット等の機械的な接続が望ましい。

鉄道車両構体はその長手方向の両端部の近傍を台車によって２点支持されているため、床下等に設置される主変圧器や主変換器等の大型艤装品の質量あるいは乗客の質量に伴う静的な荷重や、走行に伴う振動などに起因する動的な荷重が鉄道車両構体に作用した場合、鉄道車両構体の各部に複雑な荷重が作用する。このため、側構体と屋根構体との接続部、あるいは、台枠と側構体との接続部をボルトやリベットなどで機械的締結して製作された鉄道車両構体の場合、締結された各部位に前述した複雑な荷重が作用するため、締結部をなす押出形材の継手部に局所的な変形が生じたり、過大な応力が生じたりする場合があった。

特許第２６０４２２６号公報

本発明の課題は、ボルトやリベット等の機械的な接続によって製作された鉄道車両構体の接続部に、複雑な荷重が作用する場合でも過大な変形及び応力が生じない鉄道車両構体を提供することである。

本発明の目的は、屋根構体と側構体と台枠とからなる鉄道車両構体であって、前記屋根構体と前記側構体と前記台枠とは対向する２枚の面板をリブで接合した押出形材から構成されるとともに、前記屋根構体の幅方向の端部と前記側構体の幅方向の端部、或いは前記側構体の幅方向の端部と前記台枠の幅方向の端部とを機械的締結手段により接続される前記鉄道車両構体において、前記押出形材は第１面板と第２面板とを複数のリブで接合されるとともに、前記第１の面板の幅方向の端部は前記第２面板の幅方向の端部より該押出形材の幅方向の端部側に突出しており、前記第２面板の前記端部から連続して形成される端部リブは前記第１面板の幅方向の中央寄りの部位に接合するとともに、前記端部リブが接合する前記第１面板の近傍の剛性を大きくしており、前記屋根構体又は前記台枠の前記第１面板を前記側構体の前記第２面板に重ねるとともに、前記側構体の前記第１面板を前記屋根構体又は前記台枠の前記第２面板に重ねた重ね継手（接続部）を機械的締結手段により接続したことを特徴とする鉄道車両構体によって達成できる。

押出形材の幅方向の端部を上記のような構造とすることにより、静的或いは動的な複雑な荷重が接続部に作用した場合でも、接続部近傍の押出形材の面板に、過大な変形や応力が生じにくい鉄道車両構体を提供できる。

図１は、鉄道車両構体の斜視図である。 図２は、図１の鉄道車両構体のＡ−Ａ断面およびＢ−Ｂ断面における鉄道車両構体の変形を模式的に示した断面図である。 図３は、本発明による押出形材の長手方向断面図である。 図４は、別の本発明による押出形材の長手方向断面図である。 図５は、さらに別の本発明による押出形材の長手方向断面図である。 図６は、さらに別の本発明による押出形材の長手方向断面図である。 図７は、さらに別の本発明による押出形材の長手方向断面図である。 図８は、本発明による押出形材からなる屋根構体と側構体との接続部の詳細図である。 図９は、別の本発明による押出形材からなる屋根構体と側構体との接続部の詳細図である。 図１０は、リベット接続された板と板との重ね継手部（接続部）に曲げが生じる仕組みを示した模式図である。 図１１は、従来の押出形材からなる屋根構体と側構体との重ね継手部（接続部）の詳細図である。 図１２は、従来の押出形材からなる屋根構体と側構体との重ね継手部（接続部）が変形する様子を示した模式図である。

以下、図面を参照して本発明による鉄道車両構体の一例を説明する。
図１は、鉄道車両構体１の斜視図である。鉄道車両構体１は台枠１０の幅方向の両端部に立設された側構体２０，２０（一側のみ図示）と、台枠１０の長手方向の両端部に立設された妻構体３０，３０（一方のみ図示）と、側構体２０，２０と妻構体３０，３０の上端部に載置された屋根構体４０から構成されるとともに、長手方向の両端部を支持部（台車）８０，８０で支持されている。

側構体２０、屋根構体４０は、対向する２枚の面板を複数のリブで接続した押出形材をその押出方向に沿って複数本並べ、押出形材の幅方向（押出方向に交差する方向）の端部（継手部）同士を突合せた後、摩擦撹拌接合または溶接によって所定の幅と長さを備えた平板状の各構体に組立てられる。そして、平板状に組立てられた各構体は、所定の位置に開口部が備えられる。この開口部は、側構体２０の場合は、乗客の乗降に供される側引戸が備えられる出入口部６０および窓６５（一部のみ図示）であり、屋根構体４０の場合は、図示はしないが屋根上に載置される空調装置からの調和空気を鉄道車両構体１の内部に導入るための開口部および車内から再循環空気を空調装置へ戻すための開口部である。大きな開口のため強度が低下しやすい出入口部６０には、剛性の高い部材からなる出入口フレーム７０がその開口縁に沿って備えられる。

図２は、図１に示される鉄道車両構体１の長手方向垂直断面の縦半分であり、破線Ａは図１に示される支持部８０の近傍のＡ−Ａ断面（縦半分）であり、破線Ｂは図１に示される車体長手方向中央部のＢ−Ｂ断面（縦半分）である。鉄道車両構体１は、台枠１０の幅方向の端部に位置する押出形材の車内側と車外側の各面板と、側構体２０の高さ方向の下端部に位置する押出形材の車内側と車外側の各面板とを重ね合わせた継手部（接続部）Ｄにおいて、鉄道車両構体１の長手方向に沿って、ボルトやリベットなどの機械的締結手段によって離散的に接続されている。同様に、側構体２０の高さ方向の上端部に位置する押出形材の車内側と車外側の各面板と、屋根構体４０の幅方向の端部に位置する押出形材の車内側と車外側の各面板とを重ね合わせた継手部（接続部）Ｃにおいて、鉄道車両構体１の長手方向に沿って、ボルトやリベットなどの機械的締結手段によって離散的に接続されている。

鉄道車両構体１には、台枠１０の下面に備えられる主変圧器や主変換器等の大型艤装品の質量、乗客の質量などによる静的な荷重や、走行に伴う振動などに起因する動的な荷重が作用する。鉄道車両構体１は、その長手方向の両端部近傍の２点のみが支持部８０，８０によって支持されるため、支持される部位の変形（図２破線Ａ）と支持されない部位の変形（図２破線Ｂ）が異なる。このため、台枠１０と側構体２０の下端部との継手部（接続部）Ｄおよび側構体２０の上端部と屋根構体４０との継手部（接続部）Ｃにおいて、複雑な荷重が作用して変形する。

図１０から図１２を参照して、機械的締結に供される重ね継手（接続部）に引張り荷重が作用した場合の変形の原因と過程を説明する。図１０は板１１０，１１０の長手方向の端部同士を重ねてリベット１００で接続した重ね継手部（接続部）である。重ね継手部（接続部）は、板の端部と板の端部とを突合せて溶接する場合と異なり、一方の板１１０の中心面と他方の板１１０の中心面は、同一平面上に位置せず、板１１０の法線方向において板１１０の板厚に相当するオフセット量Ｇだけ離れて位置する。オフセット量Ｇのため、一方の板１１０と他方の板１１０とに引っ張り力７００が作用した場合、リベット１００の近傍に曲げ変形５００が生じる。

図１１は従来の押出形材からなる屋根構体４０と側構体２０の重ね継手による接続部（図２のＣ部）である。屋根構体４０の継手部は、車外側の第１面板２１０と車内側の第２面板２２０とが端部リブ２３０とリブ２４０とで接合された押出形材からなる。同様に、側構体２０の継手部は、車外側の第２面板２２０と車内側の第１面板２１０とが端部リブ２３０とリブ２４０とで接合された押出形材からなる。屋根構体４０の第１面板２１０が側構体の第２面板２２０に重ねられて車外側の重ね継手（接続部）をなすとともに、屋根構体４０の第２面板２２０が側構体の第１面板２１０に重ねられて車内側の重ね継手（接続部）をなす。車外側と車内側の重ね継手（接続部）はともにリベット１００によって接続される。

図１２は、図１１に示される屋根構体４０と側構体２０の重ね継手による接続部が変形する様子を示した模式図である。図１１に示された重ね継手部（接続部）は、図１０に示された板１１０と板１１０との重ね継手部（接続部）が、屋根構体４０と側構体２０との車外側の重ね継手部（接続部）と車内側の重ね継手部（接続部）の各々に配置された形態と等価である。このため、屋根構体４０と側構体２０とを引き離す方向（矢印７００で示す荷重作用方向）の引張り荷重が作用した場合、屋根構体４０の車外側の面板２１０の端部Ｅ（板部）と、側構体２０の車外側の面板２２０の端部Ｆ（中空部）との接続部と、屋根構体４０の車内側の面板２２０の端部と、側構体２０車内側の面板２２０の端部との接続部との双方に曲げ変形５００，５００が生じる。

図３は、本発明による押出形材の押出方向に交差する断面図であり、矢印６００が幅方向を示しており、紙面に垂直な方向が押出し方向である（以下の実施例で同様）。図３に示される押出形材２００の端部は側構体２０と屋根構体４０との接続部、あるいは、側構体２０と台枠１０との接続部に供される。押出形材２００の第１面板２１０と第２面板２２０はリブ２４０と端部リブ２３０によって接合されるとともに、第１面板２１０には、端部リブ２３０と第１面板２１０との接合部２５０の跨ぐ形態で第３面板２７０が備えられるとともに、中空部が一体成形されている。

第３面板２７０は第１面板２１０の板部Ｅの曲げ剛性を高める効果を奏するため、板部Ｅによって構成された重ね継手（接続部）に荷重が作用した場合でも、板部Ｅに過大な変形や応力が生じにくい。このため、図３に示される継手（接続部）を有する側構体２０、屋根構体４０、台枠１０からなる鉄道車両構体の接続部に、静的或いは動的な複雑な荷重が作用した場合でも、接続部近傍の押出形材の面板に、過大な変形や応力が生じにくい鉄道車両構体を提供できる。

図４は、別の本発明による押出形材の長手方向（押出方向）に直交する断面図であり、矢印６００が幅方向を示す。押出形材２００の第１面板２１０と第２面板２２０はリブ２４０と端部リブ２３０によって接合されるとともに、端部リブ２３０と第１面板２１０との接合部２５０と第１面板２１０の幅方向の端部とを繋ぐ形態の第３面板２７０が一体成形されている。

第１面板２１０（端部リブ２３０を含む）と第３面板２７０との接合部２５０は板部Ｅの曲げ剛性を高める効果を奏するため、板部Ｅによって構成された重ね継手部（接続部）に荷重が作用した場合でも、板部Ｅに過大な変形や応力が生じない。このため、図４に示される継手部（接続部）を有す側構体２０、屋根構体４０、台枠１０からなる鉄道車両構体の接続部に、静的或いは動的な複雑な荷重が作用した場合でも、接続部近傍の押出形材の面板に、過大な変形や応力が生じにくい鉄道車両構体を提供できる。

図５は、さらに別の本発明による押出形材の長手方向（押出方向）に直交する断面図であり、矢印６００が幅方向を示す。押出形材２００は、第１面板２１０と第２面板２２０はリブ２４０と端部リブ２３０によって接合されるとともに、端部リブ２３０と第１面板２１０との接合部２５０の近傍の面板２１０の板厚を局所的に増加させた板厚部２８０を備えた様態で一体成形されている。板厚部２８０は、実施例２で記した第３面板２７０を備えることに比較して、質量の増加を小さく抑えることができる。板厚部２８０は板部Ｅの曲げ剛性を高める効果を奏するため、板部Ｅによって構成された重ね継手部（接続部）に荷重が作用した場合でも、板部Ｅに過大な変形や応力が生じにくい。このため、図５に示される継手部（接続部）を有す側構体２０、屋根構体４０、台枠１０からなる鉄道車両構体の接続部に、静的或いは動的な複雑な荷重が作用した場合でも、接続部近傍の押出形材の面板に、過大な変形や応力が生じにくい鉄道車両構体を提供できる。

図６は、さらに別の本発明による押出形材の長手方向（押出方向）に直交する断面図であり、矢印６００が幅方向を示す。押出形材２００は、第１面板２１０と第２面板２２０はリブ２４０と端部リブ２３０によって接合されるとともに、端部リブ２３０と第１面板２１０との接合部２５０の近傍の第１面板２１０の板厚方向に突起部２９０を備えた様態で一体成形されている。突起部２９０は、前記実施例で記した第３面板２７０或いは板厚部２８０に比較して、質量の増加をより小さく抑えることができる。突起部２９０が面板２１０の板部Ｅの曲げ剛性を高める効果を奏するため、板部Ｅによって構成された重ね継手部（接続部）に荷重が作用した場合でも、板部Ｅに過大な変形や応力が生じにくい。このため、図６に示される継手部（接続部）を有す側構体２０、屋根構体４０、台枠１０からなる鉄道車両構体の接続部に、静的或いは動的な複雑な荷重が作用した場合でも、接続部近傍の押出形材の面板に、過大な変形や応力が生じにくい鉄道車両構体を提供できる。

図７は、さらに別の本発明による押出形材の長手方向（押出方向）に直交する断面図であり、矢印６００が幅方向を示す。図８は図７に示される押出形材を継手部（接続部）に供した側構体２０と屋根構体４０との接続部の断面図である。押出形材２００は、第１面板２１０と第２面板２２０とがリブ２４０と端部リブ２３０によって接合されるとともに、第１面板２１０には端部リブ２３０と第１面板２１０との接合部２５０の跨ぐ形態で第３面板２７０が一体成形されている。さらに、リブ２４０と第２面板２２０との接合部２６０を、重ね継手部（接続部）として供された際に打たれるリベット１００の近傍に備えたものである。元来、重ね継手（接続部）のリベットの近傍には大きな変形が生じやすい傾向があった。このため、図７に示す形態の押出形材では、リベット１００の近傍にリブ２４０と第２面板２２０との接合部２６０を配設することによって、第２面板２２０の板部Ｆの曲げ剛性を高める効果を奏するため、板部Ｆによって構成された重ね継手部（接続部）に荷重が作用した場合でも、板部Ｆに過大な変形や応力が生じにくい。このため、図７に示される継手部（接続部）を有す側構体２０、屋根構体４０、台枠１０からなる鉄道車両構体の接続部に、静的或いは動的な複雑な荷重が作用した場合でも、接続部近傍の押出形材の面板に、過大な変形や応力が生じにくい鉄道車両構体を提供できる。図８に示すように、屋根構体４０の第１面板２１０を車外側に配置することによって、屋根構体４０を側構体２０の上端部に矢印８００の方向に降下させて接続する時の位置決めを容易にすることができる。

図９は、側構体２０の継手部（接続部）と屋根構体４０の継手（接続部）との接続部の断面図である。側構体２０と屋根構体４０との継手部（接続部）をなす押出形材２００は、第１面板２１０と第２面板２２０はリブ２４０と端部リブ２３０によって接合されるとともに、端部リブ２３０と第１面板２１０との接合部２５０の近傍の第１面板２１０の板厚方向に突起部２９０，３００を備えた様態で一体成形されている。突起部３００は雨樋の機能と第１面板２１０の曲げ剛性を高める機能を有す。突起部２９０，３００が面板２１０の曲げ剛性を高める効果を奏するため、側構体２０と屋根構体４０との重ね継手部（接続部）に荷重が作用した場合でも、第１面板２１０に過大な変形や応力が生じることを軽減することができる。このため、図９に示される接続部を有す鉄道車両構体に、静的或いは動的な複雑な荷重が接続部に作用した場合でも、接続部近傍の押出形材の面板に、過大な変形や応力が生じにくい鉄道車両構体を提供できる。

１…鉄道車両構体
１０…台枠 ２０…側構体
３０…妻構体 ４０…屋根構体
６０…側開口部 ７０…側開口フレーム
１００…リベット １１０…板
２００…押出形材
２１０…第１面板 ２１０…第２面板
２３０…端部リブ ２４０…リブ
２５０…接合部（第１面板） ２６０…接合部（第２面板）
２７０…中空部 ２８０…板厚部
２９０…突起部 ３００…突起部
４００…支持点 ５００…曲げ変形の方向を示す矢印
６００…幅方向を示す矢印 ７００…荷重方向を示す矢印
８００…屋根構体を降ろす方向を示す矢印
Ａ…図１Ａ−Ａ断面の構体変形図 Ｂ…図１Ｂ−Ｂ断面の構体変形図
Ｃ…屋根構体と側構体との継手部（接続部 Ｄ…側構体と台枠との継手部（接続部）
Ｅ…曲げ変形が生じやすい板部 Ｆ…曲げ変形が生じやすい中空部
Ｇ…オフセット量

Claims (7)

1. 屋根構体と側構体と台枠とからなる鉄道車両構体であって、前記屋根構体と前記側構体と前記台枠とは対向する２枚の面板をリブで接合した押出形材から構成されるとともに、前記屋根構体の幅方向の端部と前記側構体の幅方向の端部、或いは前記側構体の幅方向の端部と前記台枠の幅方向の端部とを機械的締結手段により接続される前記鉄道車両構体において、
   前記押出形材は第１面板と第２面板とを複数のリブで接合されるとともに、前記第１の面板の幅方向の端部は前記第２面板の幅方向の端部より該押出形材の幅方向の端部側に突出しており、
   前記第２面板の前記端部から連続して形成される端部リブは前記第１面板の幅方向の中央寄りの部位に接合するとともに、前記端部リブが接合する前記第１面板の近傍の剛性を大きくしており、
   前記屋根構体又は前記台枠の前記第１面板を前記側構体の前記第２面板に重ねるとともに、前記側構体の前記第１面板を前記屋根構体又は前記台枠の前記第２面板に重ねた重ね継手部を機械的締結手段により接続したこと
   を特徴とする鉄道車両構体。
2. 請求項１に記載の鉄道車両構体において、
   前記端部リブが接続する前記第１面板の近傍に前記第１面板に沿って一体成形された第３面板を備えること
   を特徴とする鉄道車両構体。
3. 請求項２に記載の鉄道車両構体において、
   前記第３面板は、前記端部リブが前記第１面板に接合する接合部を跨いで、又は当該接合部と前記第１面板の幅方向の端部とを繋いで成形されていること
   を特徴とする鉄道車両構体。
4. 請求項１に記載の鉄道車両構体において、
   前記端部リブが前記第１面板に接続する接合部の近傍に前記第１面板の板厚を局所的に増加させた板厚部を備えること
   を特徴とする鉄道車両構体。
5. 請求項１に記載の鉄道車両構体において、
   前記端部リブが前記第１面板に接合する接合部の近傍に前記第１面板の板厚方向に突起する突起部を備えること
   を特徴とする鉄道車両構体。
6. 請求項５に記載の鉄道車両構体において、
   前記突起部は前記屋根構体の第１面板のみの備えられるとともに、前記突起部が雨樋を形成すること
   を特徴とする鉄道車両構体。
7. 請求項１に記載の鉄道車両構体において、
   前記リブと前記第２面板との接合部が、重ね継手部として供された際に打たれるリベットまたはボルトの近傍に備わっていること
   を特徴とする鉄道車両構体。

Images