JP4912012B2 - 高速移動用構造体 - Google Patents

Description

本発明は、高速移動用構造体に関し、特に気密性を有する高速鉄道車両の構体に適する。

従来、高い気密荷重を負荷される高速移動用構造体（例えば高速でトンネル内を通過する新幹線（登録商標）や超電導磁気浮上タイプの高速鉄道車両などの構体）は、外板とフレームとによって構成され、上側部分はほぼ円筒形状に形成されている。これにより、気密荷重の作用により、構体が大きく変形して高い曲げ応力が発生しないようにしている。

そのように上側部分が円筒形状であれば、客室居住区画が小さくなり、また、ドアエンジンなども設けにくいという理由から、構体の上側部分の形状を円筒形状から、一般車両の構体と同様に箱形形状（左右の側構体が略鉛直方向に延びる一方屋根構体が水平方向に延び、それらの左右の接続部分が丸いコーナ部（角部）となっている箱形形状）に変更したものが提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００３−３１２４７１号公報（第２頁、第３頁及び図１，図２）

前記特許文献１の高速移動用構造体では、フレームを位置決め治具でリング状に結合した後に外板を全周に亘ってリベット結合している。このようにフレームと外板の接合にリベット結合を採用しているため、多大なリベット結合工数を要するのみならず、精度の高い位置決め治具が必要となることから、コストアップの原因となっている。

また、車両のコンタに沿って外板とフレームとを精度よく密着させて接合することが困難である。それらの接合部分に隙間が生じると、接合不良を起こす可能性がある。また隙間を埋めるためには多大な時間をかけてシム調整する必要がある。特に曲率半径が小さくなる構体の隅部（側構体と屋根構体との接合部分である肩部、側構体と底構体との接続部分である下隅部）においてその傾向が顕著である。そのため、外板とフレームとの間の隙間についての細かい精度管理が必要であった。

さらに、フレームは車両のコンタに精度よく配置する必要があるため、ジュラルミン板を液圧プレスで、機械加工した型に押し付けるバーソン成型加工を採用しているので、この点からもコストアップの原因となっている。

この発明は、大幅な工数の低減、コストダウンが図れる高速移動用構造体を提供するものである。

請求項１の発明は、ストリンガを一体的に有する外板とこの外板の内側にフレームが外板長手方向に直交する方向に延びるように接合されることによって構成される側構体および屋根構体、底構体を備え、前記側構体と前記屋根構体および前記側構体と前記底構体との接続部分を除き平板状または大きな曲率半径を持つ箱形形状に形成される高速移動用構造体であって、前記側構体と屋根構体および前記側構体と底構体との接続部分それぞれにおいて、前記各構体の外板の縁部が前記各構体のフレームの端部より突出し、前記各構体の外板の縁部どうしが溶接、リベット等の接合手段により接合され、前記各構体のフレームの端部どうしがガセットを介して連結され、前記ストリンガは、前記各構体の外板の内側面から車体内方に突出するように一体的に設けられる一方、前記各構体のフレームは、前記ストリンガの位置に対応して切り欠き部が形成されて、前記ストリンガが前記切り欠き部を貫通して延びる構成とされ、前記ガセットは、前記各構体のフレームの端部に接続される本体部と、この本体部の内周縁に連接され前記外板と平行に延びる内側フランジ部と、前記本体部の外周縁に連接され前記外板と平行に延びる外側フランジ部とを有し、前記外板の溶接、リベット等の接合手段による接合部分の外板基部が前記ガセットとは離れていることを特徴とする。

このようにすれば、曲率半径が小さくなり湾曲した形状となる、前記側構体と屋根構体および前記側構体と底構体との接続部分において、外板の縁部どうしの溶接、リベット等の接合手段による接合部分がガセットから離れ、浮いた状態となっているので、車両のコンタに沿って外板とフレームとを精度よく密着させて接合する必要がなくなる。よって、外板とフレームとの間の隙間について前記位置決め治具を用いるような細かい精度管理が必要なくなり、構体の接続部分において、前記位置決め治具なしで組立調整作業ができる。

特に、前記外板の外板基部は、前記側構体と屋根構体および側構体と底構体との接続部分を除き、平板状または大きな曲率半径を持つ形状に形成されているので、外板とフレームとを接合をする上で、有利となる。前記側構体、屋根構体及び底構体を箱形状に組み立てる前に、各構体ごとにフレームを外板基部に接合できるので、機械化及び自動化を図りやすい。

請求項２に記載のように、前記側構体と屋根構体との接続部分付近を除き、前記外板とフレームとはスポット摩擦撹拌接合により接合されていることが望ましい。ここで、スポット摩擦撹拌接合（ＦＳＪ）とは、例えば特開２００１−３１４９８２号公報に記載されるように、複数の重ね合わされた金属板からなる被接合材に、軸線に沿って突出する中央ピンと、該中央ピンの上側に連接され、前記中央ピンより大径の本体胴部と、該本体胴部の下部外周から前記中央ピンに至るショルダー部とを有し、複数の、重ね合わされた金属製の被接合材の接合点に、押圧かつ回転しながら前記中央ピンを進入し、主としてショルダー部と被接合材との摩擦により接合部に熱を供給するとともに、この熱により前記接合部近傍の被接合材を塑性流動化させ、これを前記中央ピンで攪拌することにより接合するスポット接合ツールを用いて被接合材同士を接合することをいう。

このようにすれば、リベット結合の代わりに、簡単に自動化が可能であるスポット摩擦撹拌接合を用いているので、大幅な工数低減が可能となる。よって、高速移動用構造体の製作コストについて大幅な低減を実現することができる。

それに加えて、従来のリベット結合による場合のように異種金属による結合とする必要はなく、外板、フレームともに同一の材料（例えば６Ｎ０１Ｓ）を使用することが可能である。よって、異種材料が混入することがないので、製品寿命時に材料を分別することなく、リサイクルが可能となる。

請求項３に記載のように、前記外板は、車体の外側面、屋根面及び底面を構成する板状の外板基部と、この外板基部の内側面から車体内方に突出するように一体的に設けられ外板長手方向に延びる複数のストリンガとを有する押出型材とすることが望ましい。さらに、前記側構体と屋根構体および前記側構体と底構体との接続部分において、前記外板のストリンガが、クリップを介して前記ガセットまたは前記ガセットおよびフレームに連結されていることが望ましい。

このようにすれば、側構体と屋根構体および側構体と底構体との接続部分において、外板のストリンガが、クリップを介してガセットに、またはクリップを介してガセットおよびフレームに連結されているので、外板に負荷される気密荷重に耐えることができ、構体として必要な強度および剛性は確保される。

請求項４に記載のように、前記フレームは、前記外板の外板基部に接合される取り付け基部と、この取り付け基部に一側縁が連接され車体内方側に延びるウエブ部と、このウエブ部の他側縁に一側縁が連接され前記取り付け基部に平行に延びる内側フランジ部とを有する構成であることが望ましい。

このようにすれば、フレームとして、外板を成型する工程と同じように押出型で成型したフレームを伸張しながら構体の外形形状の型に押し付けるストレッチャ加工等の加工手段により簡易に形成されたものを用いることができる。よって、従来技術である液圧プレスによる加工に比べ少ない型治具で加工することができ、コストダウンを図る上で有利である。

本発明は、上記のように、側構体と屋根構体および側構体と底構体との接続部分において、外板の縁部どうしの接合部分がガセットから離れ、浮いた状態となっているので、車両のコンタに沿って外板とフレームとを精度よく密着させて接合する必要がなくなり、屋根構体、側構体、底構体それぞれの接続部分において、精度が高い治具を用いる細かい組立調整作業が必要なくなる。よって、高速移動用構造体の製作コストの低減を実現することができる。

特に、外板の外板基部は、側構体と屋根構体および側構体と底構体との接続部分を除き、平板状または大きな曲率半径を持つ形状に形成しているので、外板とフレームとを接合をする上で、有利である。前記側構体、屋根構体及び底構体を箱形状に組み立てる前に、各構体ごとにフレームを外板基部に接合できるので、機械化及び自動化を図りやすい。

以下、本発明の実施の形態を図面に沿って説明する。

図１は本発明に係る高速移動用構造体の一実施の形態を示す縦断面図である。

図１に示すように、本発明に係る高速移動用構造体１は、例えば高速鉄道車両の構体に用いられるもので、ほぼ水平方向に広がる屋根構体１１および底構体１４と、ほぼ鉛直方向に広がる左右の側構体１２，１３とによって箱形形状に構成され、気密性を有するものである。

各構体１１，１２，１３，１４は、屋根、左右の側面および底面用の外板１１Ａ，１２Ａ，１３Ａ，１４Ａと、それらの内側面にスポット摩擦撹拌接合により取り付けられるフレーム１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂ，１４Ｂによって構成される。フレーム１１Ｂ〜１４Ｂは、全体の外郭形状および剛性を保持するために外板１１Ａ〜１４Ａの内周側に車体周方向（外板周方向）に延びるように設けられるもので、それらの内側面に、車体周方向（外板周方向）において一定間隔でもって設けられている。そして、外板１１Ａ〜１４Ａとフレーム１１Ｂ〜１４Ｂとの接合は、各々のコンタ形状に合わせた架台の上に外板１１Ａ〜１４Ａとフレーム１１Ｂ〜１４Ｂとを固定した状態で、門構に装備したスポット摩擦撹拌接合用のヘッド（図示せず）によってなされる。

外板１１Ａ〜１４Ａは、外板基部１１Ａａ，１２Ａａ，１３Ａａ，１４Ａａに対し複数のストリンガ１１Ａｂ，１２Ａｂ，１３Ａｂ，１４Ａｂを突出するように一体に押出成型したアルミニウム材からなる複数の押出型材を互いの長手方向側端縁同士を摩擦撹拌接合により結合することで広幅に形成されるものである。具体的には、例えば外板１３Ａのストリンガ１３Ａｂは、図２（ａ）（ｂ）に示すように、板状で、外板基部１３Ａａに対し車体内方に突出するように一体に設けられている。

外板１１Ａ〜１４Ａとフレーム１１Ｂ〜１４Ｂは、側構体１２，１３と屋根構体１１との接続部分、側構体１２，１３と底構体１４との接続部分を除き、平板に近くなるように曲率半径が大きく形成されている。

例えば右側の側構体１３のフレーム１３Ｂは、図３に示すように、外板１３Ａの外板基部１３Ａａに接合される取り付け基部１３Ｂａと、この取り付け基部１３Ｂａの中央部分に一側縁が連接され内方側に（取り付け基部１３Ｂａとほぼ直交する方向）に延びるウエブ部１３Ｂｂと、このウエブ部１３Ｂｂの他側縁に一側縁が連接され取り付け基部１３Ｂａに平行に延びる内側フランジ部１３Ｂｃとを有する構成とされる。フレーム１３Ｂは、外板１３Ａのストリンガ１３Ａｂの位置に対応して、取り付け基部１３Ｂａおよびウエブ部１３Ｂｂの下側部分に切り欠き部１３Ｂｄが形成されている（図５参照）。

従来のフレームは、一つ一つのフレーム形状に合わせた型に液圧プレスで材料を押し付けて加工するバーソン成型によって形成され、わずかなフレーム形状の相違により一車両当たり約４０種類の型を作成していたが、この実施の形態では例えばストレッチャ加工のように簡易に形成されるため、左右勝手の違いも含み屋根構体、側構体、底構体の３種類についての型のみですべてのフレームを加工することができ、治具費用の大幅な削減が実現されている。

フレーム１３Ｂの取り付け基部１３Ｂａと、外板１３Ａとの接合は、図４に示すように、スポット摩擦撹拌接合による複数の連結点Ｐによってなされている。外板１１Ａ〜１４Ａの摩擦撹拌結合部分であるＦＳＷが位置する場合には、その部分においてスポット摩擦撹拌接合による連結点Ｐの数が少なくなる。

なお、屋根構体１１，左側の側構体１２、底構体１４も、右側の側構体１３と同様に構成されている。

屋根構体１１と右側の側構体１３との接続部分において、それらの外板１１Ａ，１３Ａは、それらの外板１１Ａ，１３Ａの側縁どうしが、フレーム１１Ｂ，１３Ｂと離れた状態で溶接、リベット等の接合手段により接合される構成となっている。つまり、前記接続部分においては、外板１１Ａ，１３Ａの内周側にフレームが設けられておらず、両構体１１，１３の前記接続部分付近にはフレームが存在せず、外板１１Ａ，１３Ａのみで構成されている。

前記接続部分付近の内側にガセット１５Ａが設けられており、このガセット１５Ａに対し外板１１Ａ，１３Ａは離れて浮いた状態となっている。このガセット１５Ａの一端部に屋根構体１１側のフレーム１１Ｂの下端部が、他端部に側構体１３側のフレーム１３Ｂの上端部がそれぞれ複数のリベットを用いて結合されている。このガセット１５Ａ、あるいはガセット１５Ａ及びフレーム１１Ｂ，１３Ｂに複数のクリップ１６を介して外板１１Ａ．１３Ａのストリンガ１１Ａｂ，１３Ａｂが連結され、前記接続部分はクリップ１６およびガセット１５Ａを介して、あるいはクリップ１６のみを介してフレーム１１Ｂ，１３Ｂに支持され、気密荷重に耐えうる必要な強度および剛性が確保されている。

ガセット１５Ａは、図５に示すように、フレーム１１Ｂ，１３Ｂの端部に複数のリベットにて接続される弓形形状の本体部１５ａと、この本体部１５ａの内周縁に連接され外板１１，１３と平行に延びる内側フランジ部１５ｂと、前記本体部１５ａの外周縁に連接されフレーム１１Ｂ，１３Ｂの間において外板１１Ａ，１３Ａと平行に延びる外側フランジ部１５ｃとを有する。

このガセット１５Ａと外板１１Ａ，１２Ａ，１３Ａとは、フレーム１１Ｂとフレーム１２Ｂ，１３Ｂとの間の部位において、複数のクリップ１６にて連結されている。クリップ１６は、図６（ａ）（ｂ）に示すように、ストリンガ１１Ａｂにリベット結合される第１の部分１６ａと、ガセット１５Ａにリベット結合される第２の部分１６ｂとを有する。第１の部分１６ａは、第２の部分１６ｂに関して一側が切り欠かれ、外側フランジ部１５ｃと干渉することなく、ガセット１５Ａの本体部１５ａにリベット結合できるようになっている。

以上の説明は、屋根構体１１と右側の側構体１３との関係について説明しているが、屋根構体１１と左側の側構体１２との関係についても同様である。

さらに、左右の側構体１２，１３と底構体１４の端部においても、フレーム１２Ｂ，１３Ｂ，１４Ｂに対し外板１２Ａ，１３Ａ，１４Ａが少し延びた状態にあり、フレーム１２Ｂ，１３Ｂ，１４Ｂの端部どうしはガセット１５Ｂを介して連結され、外板１２Ａ，１３Ａ，１４Ａの端縁部は溶接、リベット等の接合手段で接合されている。このガセット１５Ｂと外板１２Ａ，１３Ａ，１４Ａとは、フレーム１２Ｂ，１３Ｂとフレーム１４Ｂの間の部位において、複数のクリップ１６にて連結されている。

また、客室内における床板上の乗客、座席、車内設備等の荷重は、床板を介してフロアビーム２１にて支持されることになる。その荷重を支持するフロアビーム２１は、左右端部がブラケット２２，２２を介してフレーム１２Ｂ，１３Ｂに連結されると共に、中央部付近が上下方向に延びる左右１対のステイ２３，２３を介してフレーム１４Ｂに連結されているので、フロアビーム２１（床板）が支持する荷重は、左右端部のブラケット２２および左右１対のスティ２３を介してフレーム１２Ｂ，１３Ｂ，１４Ｂに伝達される。

さらに、側構体１３における窓部Ｓ付近の構造は、図７および図８に示すように構成されている。つまり、窓部Ｓの両側にはフレーム１３Ｂが配置されているが、窓部Ｓに対応する部分では、ストリンガ１３Ａｂがフレーム１３Ｂ付近までしか延びておらず、窓部に対応するフレーム１３Ｂ，１３Ｂ間では取り除かれている。そして、図９（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、フレーム１３Ｂの取り付け基部１３Ｂａに形成された切り欠き部１３Ｂｄ内まで、ストリンガ１３Ａｂが延びている。このストリンガ１３Ａｂの端部とフレーム１３Ｂのウエブ部１３Ｂｂとがクリップ３１にて連結されている。クリップ３１は、ストリンガ１３Ａｂにリベット等で結合される略三角板形状の第１の部分３１ａと、この第１の部分３１ａの端縁から第１の部分３１ａに直交する方向に延びフレーム１３Ｂにおけるウエブ部１３Ｂｂにリベット等で結合される矩形板形状の第２の部分３１ｂとを有する。なお、側構体１２Ｂ側の窓部付近の構造も同様である。

また、側構体１３の端部である妻部でのストリンガ処理も、図１０（ａ）（ｂ）に示すように、窓部Ｓでのストリンガ処理と同様に行われている。屋根構体１１，側構体１２及び底構体１４のストリンガ処理も同様である。

上記の構成によれば、屋根構体１１と右側の側構体１３との接続部分は、屋根構体１１および側構体１３のフレーム１１Ｂ，１３Ｂのみをガセット１５Ａによりリベット等で結合し、そのガセット１５Ａ、あるいはガセット１５Ａ及びフレーム１１Ｂ，１３Ｂに外板１１Ａ，１３Ａのストリンガ１１Ａｂ，１３Ａｂを、クリップ１６を介して連結し、外板１１Ａ，１３Ａを、クリップ１６を介してあるいはクリップ１６およびガセット１５Ａを介してフレーム１１Ｂ，１３Ｂで支持する構造としている。これにより、前記接続部分において、外板１１Ａ，１３Ａを、フレーム１１Ｂ，１３Ｂあるいはガセット１５Ａから離して浮かせる状態で組み付けることができ、車両のコンタに沿って外板１１Ａ，１３Ａとフレーム１１Ｂ，１３Ｂとを精度よく密着させて接合する必要がなくなり、細かい組立調整作業が必要なく、前記接続部分において生じやすい接続不良（接合不良）が回避される。特に、クリップ１６を介して連結しているので、寸法誤差を吸収する上で有利な構造となっている。

つまり、このような構造とすることで、外板１１Ａ，１３Ａを溶接、リベット等の接合手段により接合する際の寸法誤差（例えば、各構体パネル自体の製作誤差分や接合（特に溶接）する際の熱歪みを含めた寸法誤差）をある程度吸収可能とし、パネルの組立精度調整による工数を大幅に低減することができる。よって、高い精度を要求されることなく、支持剛性を確保しつつ、外板１１Ａ，１３Ａはフレーム１１Ｂ，１３Ｂに支持される。

ここで、フレームに使用する押出型材は材料の降伏から破断までの伸びが約９％であることから、特に前記肩部および下隅部の小さな曲率半径に沿ってストレッチャ加工を行うことができない。

なお、図７〜図１０に基づいて右側の側構体の窓部の構造について説明しているが、左側の側構体の窓部の構造も同様である。

以上の説明においては、屋根構体１１と右側の側構体１３との接合部分について説明しているが、屋根構体１１と左側の側構体１２、左右側の側構体１２，１３と底構体１４との接合部分についても同様である。

本発明に係る高速移動用構造体は、気密構体である新幹線（登録商標）や超電導磁気浮上タイプの鉄道車両の構体に特に適するが、本発明は、それらに限らず、一般の鉄道車両に適用することも可能である。

本発明に係る高速移動用構造体の一実施の形態を示す縦断面図である。 （ａ）（ｂ）はそれぞれ外板の説明図である。 フレームの断面図である。 一般部分におけるスポット摩擦撹拌接合の詳細図である。 屋根構体と側構体との接続部分の説明図である。 （ａ）（ｂ）はそれぞれクリップの説明図である。 側構体の窓部付近を内側から見た図である。 図７のＥ−Ｅ線における断面図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれ側構体の窓部でのストリンガ処理の説明図である。 （ａ）（ｂ）はそれぞれ側構体の端部である妻部でのストリンガ処理の説明図である。

符号の説明

１ 高速移動用構造体
１１ 屋根構体
１１Ａ 外板
１１Ａａ 外板基部
１１Ａｂ ストリンガ
１１Ｂ フレーム
１１Ｂａ 取り付け基部
１１Ｂｂ ウエブ部
１１Ｂｃ 内側フランジ部
１２，１３ 側構体
１２Ａ，１３Ａ 外板
１２Ａａ，１３Ａａ 外板基部
１２Ａｂ，１３Ａｂ ストリンガ
１２Ｂ，１３Ｂ フレーム
１３Ｂａ 取り付け基部
１３Ｂｂ ウエブ部
１３Ｂｃ 内側フランジ部
１４ 底構体
１４Ａａ 外板基部
１４Ａｂ ストリンガ
１５Ａ，１５Ｂ ガセット
１６ クリップ

Claims (4)

1. ストリンガを一体的に有する外板とこの外板の内側にフレームが外板長手方向に直交する方向に延びるように接合されることによって構成される側構体および屋根構体、底構体を備え、前記側構体と前記屋根構体および前記側構体と前記底構体との接続部分を除き平板状または大きな曲率半径を持つ箱形形状に形成される高速移動用構造体であって、
   前記側構体と屋根構体および前記側構体と底構体との接続部分それぞれにおいて、前記各構体の外板の縁部が前記各構体のフレームの端部より突出し、前記各構体の外板の縁部どうしが溶接、リベット等の接合手段により接合され、前記各構体のフレームの端部どうしがガセットを介して連結され、
   前記ストリンガは、前記各構体の外板の内側面から車体内方に突出するように一体的に設けられる一方、前記各構体のフレームは、前記ストリンガの位置に対応して切り欠き部が形成されて、前記ストリンガが前記切り欠き部を貫通して延びる構成とされ、
   前記ガセットは、前記各構体のフレームの端部に接続される本体部と、この本体部の内周縁に連接され前記外板と平行に延びる内側フランジ部と、前記本体部の外周縁に連接され前記外板と平行に延びる外側フランジ部とを有し、
   前記外板の溶接、リベット等の接合手段による接合部分の外板基部が前記ガセットとは離れていることを特徴とする高速移動用構造体。
2. 前記側構体と屋根構体および前記側構体と底構体との接続部分付近を除き、前記外板とフレームとはスポット摩擦撹拌接合により接合されていることを特徴とする請求項１記載の高速移動用構造体。
3. 前記外板は、車体の外側面、屋根面及び底面を構成する板状の外板基部と、この外板基部の内側面から車体内方に突出するように一体的に設けられ外板長手方向に延びる複数のストリンガとを有する押出形材であり、
   前記側構体と屋根構体および前記側構体と底構体との接続部分において、前記外板のストリンガが、クリップを介して前記ガセットまたは前記ガセットおよびフレームに連結されていることを特徴とする請求項２記載の高速移動用構造体。
4. 前記フレームは、前記外板の外板基部に接合される取り付け基部と、この取り付け基部に一側縁が連接され車体内方側に延びるウエブ部と、このウエブ部の他側縁に一側縁が連接され前記取り付け基部に平行に延びる内側フランジ部とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高速移動用構造体。
   
   
   

Images