JP4578985B2 - 押出し中空形材及びその形材によって形成された鉄道車両構体 - Google Patents

Description

本発明は、押出し中空形材及びその形材を接合して形成された鉄道車両構体に関し、特に押出し中空形材同士を接合する継ぎ手部分の軽減によって軽量化を図った押出し中空形材及び鉄道車両構体に関する。

鉄道車両構体は、側構体や屋根構体にアルミからなる押出し中空形材が使用され、そうした従来例としては例えば特開平１１−３２０１３１号公報に記載されたものを挙げることができる。図２は、当該公報に記載された鉄道車両構体を示した斜視図である。鉄道車両構体１００は、図示するように側構体１０１、屋根構体１０２、床構体１０３および長手方向の両端に設けられた妻構体１０４から構成される。そして、そのうち側構体１０１や屋根構体１０２には長尺な押出し中空形材１１０が幅方向に複数並べられて接合されている。この押出し中空形材１１０や、以下に説明する各押出し中空形材は、例えばアルミ合金によって押出し成形されたものである。

次に、押出し中空形材１１０同士の継ぎ手部分は、図３に示すように構成されている。押出し中空形材１１０は、図面上方の上面板１１１と図面下方の下面板１１２とが斜面板１１３によって連結され、長手方向に見て断面がトラス状に構成されている。そして、継ぎ手部は、上面板１１１と下面板１１２との幅方向（図面左右方向）端部に厚肉部１２０が形成され、突き当てられた状態で台形になるよう形成されている。図面に示されている幅方向の右側端部は自由端になって、そこに当接する左側端部には上下に突出片１１５と、それを連結するように支持板１１６が形成されている。そして、突出片１１５を差し込むようにして押出し中空形材１１０同士を幅方向で突合せた後、接合用工具２００が接合部に押し当てられて摩擦撹拌接合が行われる。

一方、こうした鉄道車両構体を構成する押出し中空形材１１０の接合には、摩擦撹拌接合の他、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接による接合が行われる場合がある。そこで、図４は、ＭＩＧ溶接によって接合する押出し中空形材であって、その押出し中空形材同士の継ぎ手部分を示した図である。
押出し中空形材１３０は、図面上方の上面板１３１と図面下方の下面板１３２とが斜面板１３３によって連結され、長手方向に見て断面がトラス状に構成されている。そして、左右の幅方向両端には上面板１３１と下面板１３２とが、直交する支持板１３５によって連結され、そこから更に左右幅方向に延長して突出片１３７，１３８が形成されている。そして、この突出片１３７，１３８が図示するように嵌り合い、それぞれ上面板１３１と下面板１３２との面上にできた開先１３９にＭＩＧ溶接が施される。
特開平１１−３２０１３１号公報（第２頁、図１、図４）

しかしながら、従来のこうした接合継ぎ手構造からなる押出し中空形材では、継ぎ手部分の重量が重くなってしまい、そのため押出し中空形材自身の重量、更にはその押出し中空形材からなる鉄道車両構体が重くなってしまい、高速化が進む鉄道車両において好ましいものではなかった。鉄道車両構体１００は、図２に示すように側構体１０１及び屋根構体１０２において約２０枚の押出し中空形材１１０又は１３０が接合されて構成されている。継ぎ手箇所もそれに応じた数だけ存在し、しかも車体全長にわたっているため鉄道車両構体の重量増への影響が大きい。従って、継ぎ手部分の軽量化が鉄道車両構体全体の軽量化に大きく寄与するものと考えられる。しかしながらその一方で、軽量化だけを追求した継ぎ手構造であっては剛性低下を招いたり、その他、型抜きして製造する製造性に問題があるようなものでは採用することができない。

そこで、本発明は、係る課題を解決すべく、軽量な継ぎ手構造を有する押出し中空形材及びその形材によって形成された鉄道車両構体を提供することを目的とする。

本発明に係る押出し中空形材は、第１面板と第２面板との間を複数の斜面板にてトラス状に連結するとともに、幅方向両側部にそれぞれ継ぎ手構造を有する押出し中空形材同士を幅方向に並べて接合することにより鉄道車両構体を形成するものであり、前記継ぎ手構造は、前記幅方向一側部が、前記斜面板の１つが前記第１面板に交わる端部位置と第２面板の端部との間が開いた状態の開状端部に、前記幅方向他側部が、前記斜面板の１つとは別の斜面板が前記第１面板に交わる端部位置と前記第２面板の端部との間を前記第１面板と前記第２面板とに直交する支持板にて連結して閉じた状態の閉状端部にそれぞれ形成し、前記開状端部の前記第２面板に肉厚の嵌合部を形成するとともに前記第１面板と前記斜面板との接続位置から肉厚の嵌合部を前記第２面板の嵌合部よりも延出し、前記閉状端部の前記第１面板と前記斜面板と前記支持板との接続位置に段差部を形成し、前記開状端部の第１面板の嵌合部が差し込まれるように、前記支持板を前記段差部に向けて略直交方向に折り曲げた嵌合部を形成し、前記閉状端部の前記支持板から前記開状端部の第２面板の嵌合部が差し込まれる嵌合突起を突設し、前記押出し中空形材同士を幅方向に並べて一方の開状端部に他方の閉状端部を差し込むようにして嵌合させた場合に、接合箇所となる前記第１面板同士及び第２面板同士とが突き当てられて面一となるとともに、第１面板同士の突き当て部分が第２面板同士の突き当て部分よりも閉状端部側にずれるようにした継ぎ手構造を有することを特徴とする。

一方、本発明に係る鉄道車両構体は、第１面板と第２面板との間を複数の斜面板にてトラス状に連結するとともに、幅方向両側部にそれぞれ継ぎ手構造を有する押出し中空形材同士を幅方向に並べて接合することにより形成されたものであり、前記継ぎ手構造は、一方の前記押出し中空形材の幅方向側部に、前記斜面板の１つが前記第１面板に交わる端部位置と第２面板の端部との間が開いた状態の開状端部が形成され、他方の前記押出し中空形材の幅方向側部に、前記斜面板の１つが前記第１面板に交わる端部位置と前記第２面板の端部との間を前記第１面板と前記第２面板とに直交する支持板にて連結して閉じた状態の閉状端部に形成されたものであり、前記開状端部の前記第２面板に肉厚の嵌合部を形成するとともに前記第１面板と前記斜面板との接続位置から肉厚の嵌合部を前記第２面板の嵌合部よりも延出し、前記閉状端部の前記第１面板と前記斜面板と前記支持板との接続位置に段差部を形成し、前記開状端部の第１面板の嵌合部が差し込まれるように、前記支持板を前記段差部に向けて略直交方向に折り曲げた嵌合部を形成し、前記閉状端部の前記支持板から前記開状端部の第２面板の嵌合部が差し込まれる嵌合突起を突設し、前記押出し中空形材同士を幅方向に並べて一方の開状端部に他方の閉状端部を差し込むようにして嵌合させた場合に、接合箇所となる前記第１面板同士及び第２面板同士とが突き当てられて面一となるとともに、第１面板同士の突き当て部分が第２面板同士の突き当て部分よりも閉状端部側にずれるようにした継ぎ手構造の接合により形成されたものであることを特徴とする。
また、本発明に係る鉄道車両構体は、前記第１面板同士及び第２面板同士の接合には、レーザ溶接またはレーザとＭＩＧ溶接またはＴＩＧ溶接とを組み合わせたハイブリッド溶接が行われるようにしたものであることが好ましい。

よって、本発明に係る押出し中空形材及びその形材によって形成された鉄道車両構体によれば、継ぎ手部分には閉状端部の支持板のみが第１面板と第２面板との間に設けられているだけなので、その点で重量を軽減させることができた。更に、例えば、開状端部の第１面板の内側に当接する嵌合部から支持板が連続するように形成して、第１面板同士の突き当て部分と第２面板同士の突き当て部分との位置がずれるようにしたことにより、嵌合部及び支持板によって閉じられた空間の断面積が大きくなり、型抜きしやすいように隅部が広く形成されるため肉厚になるような部分がなくなり、その点でも重量を軽減させることができた。

次に、本発明に係る押出し中空形材及びその形材によって形成された鉄道車両構体について、その一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。本実施形態の鉄道車両構体は、前記従来例で記載した図２に示すものと同様、側構体１０１、屋根構体１０２、床構体１０３、長手方向の端部の妻構体１０４から構成されている。そして、そのうちの側構体１０１及び屋根構体１０２は、長尺な押出し中空形材が幅方向に複数並べられ、継ぎ手部を突き合わせて接合したものである。

ここで、図１は、鉄道車両構体を構成する押出し中空形材について、その継ぎ手部を示した図である。押出し中空形材１（１Ｒ，１Ｌ）は、図面上方の上面板１１と図面下方の下面板１２とが平行に配置され、それらに斜面板１３が複数連結されトラス構造の断面をなすものである。そして、継ぎ手部は、図面右側の押出し中空形材１（以下、押出し中空形材１Ｒとする）の左側端部が、図面左側の押出し中空形材１（以下、押出し中空形材１Ｌとする）の右側端部に嵌め込まれるようにして連結されている。

押出し中空形材１の図面右側端部は、押出し中空形材１Ｌに示すように、斜面板１３を超えて上面板１１と下面板１２とが延長して突き出され、押出し中空形材１が重なる嵌合部１１ａ，１２ａが他の部分よりも肉厚に形成されている。また、本実施形態では、押出し中空形材１の右側端部は、上面板１１と下面板１２とがフリーになって開いた状態の開状端部が形成され、しかも下面板１２が上面板１１よりも幅方向（図面右側方向）に短く形成されている。

一方、押出し中空形材１の図面左側端部は、押出し中空形材１Ｒに示すように、斜面板１３を超えて下面板１２が延長して突き出され、上面板１１は斜面板１３の位置で途切れ段差になった嵌合部１４が形成されている。そして、上面板１１及び下面板１２に直交する支持板１５が嵌合部１４から折れるようにして形成され、押出し中空形材１の左側端部を閉じた閉状端部を形成している。また、その支持板１５には、上方の嵌合部１４とともに押出し中空形材１の左側端部に嵌り込むように嵌合突起１６が形成されている。

押出し中空形材１には、こうしてその右側及び左側端部に継ぎ手構造が形成され、押出し中空形材１同士が図示するように嵌め合わされて接合される。すなわち、押出し中空形材１Ｌの開状端部に押出し中空形材１Ｒの閉状端部が嵌め合わされるのであるが、具体的には、押出し中空形材１Ｌの嵌合部１１ａ，１２ａの間に押出し中空形材１Ｒの嵌合部１４及び嵌合突起１６が差し込まれ、嵌合部がそれぞれ上下方向に重ね合わされる。そして、上面板１１同士と下面板１２同士とが突き当てられて面一になり、長手方向に連続する突き当て部分２１，２２が溶接される。本実施形態では、レーザ溶接や、レーザとＭＩＧ溶接またはＴＩＧ溶接とを組み合わせたハイブリッド溶接が行われる。

ハイブリッド溶接は、例えばＣＯ₂ （炭酸ガス）レーザによるレーザ光が伝送ミラー等により伝送され、集光レンズによって集光され突き当て部分２１，２２に照射される。その時、接合方向の前方からレーザ用シールドガスノズルを使用してレーザ用シールドガスが供給され、また、後方からは例えばＭＩＧトーチ６によってＭＩＧアークが供給される。なお、ハイブリッド溶接を行う場合には、上面板１１同士および下面板１２同士の突き当て部分２１，２２には、図４に示す開先１３９と同様に開先が形成される。

ところで、本実施形態では、従来のものに比べて次のような点で押出し中空形材１の継ぎ手部分の重量を削減させ、その押出し中空形材１が複数枚接合されてなる鉄道車両構体の軽量化を図ることができた。ここで、図５は、図３に示した押出し中空形材に類似する摩擦撹拌接合に対応した押出し中空形材であって、比較実験に使用する本出願人が提案するものである。そこで、その図５と図４とに示した従来の押出し中空形材の継ぎ手部と、図１に示す本実施形態の継ぎ手部について比較を行った。

先ず、図４に示した押出し中空形材１３０と比較すると、従来、継ぎ手部分には支持板１３５が２本存在していた。これに対して本実施形態では、一方の押出し中空形材１Ｒに形成された支持板１５の１本だけであるため、この点で軽量化を図ることができた。
また、ＭＩＧ溶接は入熱量が大きいため熱影響を受ける突出片１３７，１３８の肉厚が厚く、更にその周りにも比較的広く熱影響を受けるので、広範囲にわたって肉厚に形成される。これに対して本実施形態では、レーザ溶接或いはハイブリッド溶接で接合を行うものであるため、嵌合部１１ａ，１２ａ，１４及び嵌合突起１６の肉厚は比較的薄く、その周りも肉厚にする必要がない。従って、この点でも軽量化を図ることができた。

一方の図５に示す押出し中空形材１５０は、上面板１５１と下面板１５２とが複数の斜面板１５３によって連結されトラス状に形成されている。そして、その押出し中空形材１５０同士の継ぎ手部は、上面板１５１と下面板１５２とが開いた状態の図面左側の端部に、閉じた状態の図面右側の端部が嵌り込むようになっている。

こうして押出し中空形材１５０は、本実施形態の押出し中空形材１と同様に継ぎ手部分には１本の支持板１５４が存在するのみである。しかし、押出し中空形材１５０は、摩擦撹拌接合時に加わる荷重を受けることができるように支持板１５４の上下端には上面板１５１及び下面板１５２にかけて十分な肉厚の荷重受け部１５５，１５６が形成されている。その際、特に支持板１５４で閉じられた閉塞部１５７の成形時の型抜きができるように、Ｒ部分の曲率半径を大きくしなければならず更に荷重受け部１５５が厚肉になって重量を増加させてしまっていた。

これに対して本実施形態の押出し中空形材１では、レーザ溶接やハイブリッド溶接を行うため肉厚を薄くすることにより、この点で軽量化を図ることができた。また、本実施形態の押出し中空形材１では、上面板１１同士と下面板１２同士の突き当て部分２１，２２が上下でずれた位置に設けられている。すなわち、支持板１５の位置を嵌合部１４によって上面板１１側の突き当て部分２１からずらしている。これにより、嵌合部１４及び支持板１５によって閉じられた閉塞部１７の断面積が大きくなり、型抜きが容易に行うことができるようになった。またその際、斜面板１３と支持板１５との間に嵌合部１４が設けられ、隅部１７ａが広く形成されているため、押出し中空形材１５０のＲ部分のように肉厚にする必要がないため、この点でも軽量化を図ることができた。

以上の点から本実施形態の押出し中空形材１と従来の押出し中空形材１３０，１５０について、図示した継ぎ手部分の接合方向にみた単位長さ当たりの重量を比較した。すると、図１に示す本実施形態の押出し中空形材１が１．５８ｋｇ／ｍであるのに対し、図４に示した押出し中空形材１３０は１．７６ｋｇ／ｍであり、約１０パーセント軽減することができた。そして、図５に示した押出し中空形材１５０は１．７０ｋｇ／ｍであって、これに対しては約７パーセント軽減することができた。従って、押出し中空形材１を使用して形成された鉄道車両構体は、従来のものと比べた約７〜１０パーセントの軽減は構体全体として大幅な軽量化となった。

以上、本発明に係る押出し中空形材及びその形材によって形成された鉄道車両構体の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
前記実施形態で示した押出し中空形材１は、幅方向の一方を開状端部とし、他方が閉状端部として形成されたものであり、鉄道車両構体の側構体などはこの一種類の押出し中空形材１で構成されていが、例えば、幅方向の両端が開状端部である押出し中空形材と、両端が閉状端部である押出し中空形材とを形成し、この二種類の押出し中空形材を交互に接合するようにしてもよい。

鉄道車両構体を構成する一実施形態の押出し中空形材を示した図である。 鉄道車両構体を示した斜視図である。 摩擦撹拌接合によって接合する従来の押出し中空形材を示した図である。 ＭＩＧ溶接によって接合する従来の押出し中空形材を示した図である。 摩擦撹拌接合によって接合する従来における他の押出し中空形材を示した図である。

１（１Ｌ，１Ｒ） 押出し中空形材
１１ 上面板
１２ 下面板
１３ 斜面板
１４ 嵌合部
１５ 支持板
１６ 嵌合突起

Claims (3)

1. 第１面板と第２面板との間を複数の斜面板にてトラス状に連結するとともに、幅方向両側部にそれぞれ継ぎ手構造を有する押出し中空形材同士を幅方向に並べて接合することにより鉄道車両構体を形成する押出し中空形材において、
   前記継ぎ手構造は、前記幅方向一側部が、前記斜面板の１つが前記第１面板に交わる端部位置と第２面板の端部との間が開いた状態の開状端部に、
   前記幅方向他側部が、前記斜面板の１つとは別の斜面板が前記第１面板に交わる端部位置と前記第２面板の端部との間を前記第１面板と前記第２面板とに直交する支持板にて連結して閉じた状態の閉状端部にそれぞれ形成し、
   前記開状端部の前記第２面板に肉厚の嵌合部を形成するとともに前記第１面板と前記斜面板との接続位置から肉厚の嵌合部を前記第２面板の嵌合部よりも延出し、
   前記閉状端部の前記第１面板と前記斜面板と前記支持板との接続位置に段差部を形成し、前記開状端部の第１面板の嵌合部が差し込まれるように、前記支持板を前記段差部に向けて略直交方向に折り曲げた嵌合部を形成し、
   前記閉状端部の前記支持板から前記開状端部の第２面板の嵌合部が差し込まれる嵌合突起を突設し、
   前記押出し中空形材同士を幅方向に並べて一方の開状端部に他方の閉状端部を差し込むようにして嵌合させた場合に、接合箇所となる前記第１面板同士及び第２面板同士とが突き当てられて面一となるとともに、第１面板同士の突き当て部分が第２面板同士の突き当て部分よりも閉状端部側にずれるようにした継ぎ手構造を有することを特徴とする押出し中空形材。
2. 第１面板と第２面板との間を複数の斜面板にてトラス状に連結するとともに、幅方向両側部にそれぞれ継ぎ手構造を有する押出し中空形材同士を幅方向に並べて接合することにより形成された鉄道車両構体において、
   前記継ぎ手構造は、一方の前記押出し中空形材の幅方向側部に、前記斜面板の１つが前記第１面板に交わる端部位置と第２面板の端部との間が開いた状態の開状端部が形成され、
   他方の前記押出し中空形材の幅方向側部に、前記斜面板の１つが前記第１面板に交わる端部位置と前記第２面板の端部との間を前記第１面板と前記第２面板とに直交する支持板にて連結して閉じた状態の閉状端部に形成されたものであり、
   前記開状端部の前記第２面板に肉厚の嵌合部を形成するとともに前記第１面板と前記斜面板との接続位置から肉厚の嵌合部を前記第２面板の嵌合部よりも延出し、
   前記閉状端部の前記第１面板と前記斜面板と前記支持板との接続位置に段差部を形成し、前記開状端部の第１面板の嵌合部が差し込まれるように、前記支持板を前記段差部に向けて略直交方向に折り曲げた嵌合部を形成し、
   前記閉状端部の前記支持板から前記開状端部の第２面板の嵌合部が差し込まれる嵌合突起を突設し、
   前記押出し中空形材同士を幅方向に並べて一方の開状端部に他方の閉状端部を差し込むようにして嵌合させた場合に、接合箇所となる前記第１面板同士及び第２面板同士とが突き当てられて面一となるとともに、第１面板同士の突き当て部分が第２面板同士の突き当て部分よりも閉状端部側にずれるようにした継ぎ手構造の接合により形成されたものであることを特徴とする鉄道車両構体。
3. 請求項２に記載する鉄道車両構体において、
   前記第１面板同士及び第２面板同士の接合には、レーザ溶接またはレーザとＭＩＧ溶接またはＴＩＧ溶接とを組み合わせたハイブリッド溶接が行われるようにしたものであることを特徴とする鉄道車両構体。

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