JP2004130872A

JP2004130872A - 車両構体

Info

Publication number: JP2004130872A
Application number: JP2002295607A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Nakamura; 中村　英之; Toshiaki Makino; 牧野　俊昭; Masaaki Shigeyama; 茂山　正明; Akihiko Torii; 鳥居　昭彦; Ryuta Kawai; 河合　竜太; Shuji Nakamura; 中村　修二; Kaneya Matsumoto; 松本　金矢
Original assignee: Hitachi Ltd; Central Japan Railway Co
Current assignee: Hitachi Ltd; Central Japan Railway Co
Priority date: 2002-10-09
Filing date: 2002-10-09
Publication date: 2004-04-30
Anticipated expiration: 2022-10-09
Also published as: JP4163925B2

Abstract

【課題】軽量で車内空間が広い車両構体を提供する。
【解決手段】車両構体を構成する屋根構体２０、側構体４０はそれぞれ複数の中空形材から構成されている。屋根中央部２１と軒部６０との接続部の中空形材２４０の厚さは他の部分の中空形材の厚さよりも薄い。屋根構体２０の中空形材の車内側の面板は車外側に凸の曲面になっている。側構体４０の中央部４１の中空形材４２０，４３０の厚さは側構体４０の他の中空形材の厚さよりも薄く、車外側に凸の曲面になっている。これらの凸の曲面の中空形材は隣接する中空形材に向けて滑らかに厚くなっている。これによれば、車両構体に内圧が作用した場合においても、構体の構造強度を低下させずに、車両構体の質量を低減できると共に車内空間も広くできるものである。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両、軌条車両等の車両の構体に関するものである。特に、車内側から車外側に、及び車外側から車内側に圧力が大きく作用する高速車両に関するものである。アルミニウム合金製の中空形材を複数接合した車両構体に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車内音の低減による高品質化や部品点数の削減による低コスト化を目的として、中空形材を複数接合した車両構体が実現されている。中空形材はアルミニウム合金製の押出し形材であり、中空形材の長手方向（押出し方向）は車両構体の長手方向と一致している。これは、例えば、下記の特許文献１に示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平０９−３０９１６４号公報（ＥＰ０７９７０４３Ａ）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
高速車両の場合、車両構体の強度に最も厳しい条件を与えるのは、例えば、高速でトンネルを通過する際に、車両構体に作用する圧力である。つまり、高速車両は気密車両のため、トンネルを走行する際の車外圧の低や、車外圧の増加に対して、車両構体は大きな負荷を受ける。
【０００５】
中空形材を複数接合することにより構成された車両構体において、上記圧力に対する構造強度を向上させるためには、中空形材を構成する面板とリブの板厚を増加させる、及び中空形材の高さ（厚さ）を増加させることが有効である。
【０００６】
しかし、これらの対策を盲目的に実施することは質量の増加及び車内空間の減少を招くため、高速車両には適していない。
【０００７】
本発明の目的は、軽量で車内空間が広い車両構体を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、屋根構体と、側構体と、台枠とからなり、前記屋根構体、前記側構体を複数の中空形材を接合して構成してなる車両構体において、気密圧力によって前記屋根構体、前記側構体に発生する曲げ変形や曲げ応力が小さい部分の中空形材の厚さを薄くすること、によって達成できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図１により説明する。図１は車両構体の左半分を示す。車両構体は左右対称である。
【００１０】
車両構体は、床を構成する台枠１０、屋根を構成する屋根構体２０、側面を構成する側構体４０，４０、屋根構体２０と側構体４０との接続部の軒部６０，６０等から構成される。
【００１１】
台枠１０はリブ付きの押出し形材１１０と、その下面の横梁１２０と、両端の側梁１３０、１３０とからなる。側梁１３０は、側構体４０の中空形材を含めた他の中空形材に比べて、その厚さが大きく、板厚を厚く設け、高強度である。
【００１２】
屋根構体２０は、車両の幅方向の中央部２１と、その端部２３と、からなる。中央部２１は中空形材２１０，２２０，２３０からなる。端部２３は軒部６０との接続部であり、中空形材に２４０からなる。
【００１３】
側構体４０は、垂直方向の中央部４１と、その上端部４３と、その下端部４５とからなる。中央部４１は中空形材４２０，４３０からなる。上端部４３は中空形材４１０からなる。下端部４５は中空形材４４０，４５０からなる。下端の中空形材４５０は側梁１３０に接合されている。
【００１４】
５０は窓の部分である。窓５０は、中空形材４１０の下端の近傍から、中空形材４３０の下端の近傍の範囲である。窓５０の下端は、座席に座った乗員の上腕と下腕との間の位置である。
【００１５】
軒部６０は、水平方向を向いた（端部２３に接続する）中空形材６１０と、垂直方向を向いた（端部４３に接続する）中空形材６２０とからなる。
【００１６】
これらの中空形材１３０，２１０，２２０，２３０，２４０，４１０，４２０，４３０，４４０，４５０，６１０，６２０はアルミニウム合金製の中空押出し形材である。中空形材の押出し方向は車両構体の長手方向（車両の走行方向）を向いている。
【００１７】
台枠１０、屋根構体２０、側構体４０、軒部６０はそれぞれの複数の押し出し形材からなり、これらの複数の中空形材を溶接または摩擦攪拌接合で接合して一体にしたものである。その接合箇所は、中空形材の面板に対して実質的に直交する接続板がある箇所である。Ｗの位置である。また、台枠１０と側構体４０、側構体４０と軒部６０、軒部６０と屋根構体２０とは、それぞれ溶接または摩擦攪拌接合で接続している。
【００１８】
屋根構体２０、側構体４０、軒部６０の各中空形材は、周知のように、車内側の面板と、車外側の面板と、この両側の面板を接続する複数の接続板と、からなる。一般に、接続板は面板とによってトラスを構成するように配置されている。
【００１９】
屋根構体２０、軒部６０、側構体４０、台枠１０の前記区分は、一般的な区分であり、例えば、軒部６０は側構体または屋根構体２０に入ることがある。
【００２０】
屋根構体２０の中空形材２１０，２２０，２３０，２４０、及び軒部６０の中空形材６１０の車外側の面板は、従来と同様に、車外側に凸の曲線で構成し、これらの中空形材の車外側の面板同士を滑らかに接続している。これらの中空形材の車内側の面板も車外側に凸の曲面で構成し、中空形材の車内側の面板同士を滑らかに接続している。中央部２１の中空形材２１０の車内側の面板は、この部分の車外側の面板に実質的に平行な曲線を基本として、中空形材の厚さを中央部側が厚くなるようにしている。
【００２１】
屋根構体２０の端部の中空形材２４０のほぼ中央部には、屋根構体２０の中空形材で最も薄い部分２４３がある。軒部６０の中空形材６１０，６２０よりも薄い。中空形材２４０の車内側の面板は車外側に凸の曲面で構成している。中空形材２１０，２２０，２３０，２４０，６１０の厚さは、最も薄い部分２４３から中空形材２１０、中空形材６１０に向けて滑らかに厚くなっている。
【００２２】
軒部６０の中空形材６１０の最も厚い部分の厚さ、及び屋根中央部２１の中空形材２１０の厚さは、従来よりも若干厚い。また、その面板、接続板の厚さは従来と同一である。板の厚さは、該部の中空形材の必要強度等によって定まる。
【００２３】
側構体４００の中空形材４１０，４２０，４３０，４４０，４５０、側梁１３０、及び軒部６０の中空形材６２０の車外側の面板は、従来と同様に、車外側に凸の曲線で構成し、これらの中空形材の車外側の面板同士を滑らかに接続している。これらの中空形材の車内側の面板も車外側に凸の曲面で構成し、中空形材の車内側の面板同士を滑らかに接続している。垂直方向の中央部４１の中空形材４２０，４３０の車内側の面板は、この部分の車外側の面板に実質的に平行な曲線を基本として以下のように設定している。中空形材４１０、４２０，４３０，４４０，４５０の車内側の面板は車外側に凸の曲面で構成している。各中空形材４１０、４２０，４３０，４４０，４５０の厚さは、最も薄い部分４６０（中空形材４２０と４３０との接続部付近）から中空形材４５０、中空形材６２０のそれぞれに向けて滑らかに厚くなっている。
【００２４】
側構体４０の中央部４１の中空形材４２０と中空形材４３０との接続部の付近（窓５０の垂直方向の中央部付近）の中空形材の厚さが、側構体４０の中空形材で最も薄くなっている。軒部６０の中空形材６２０よりも薄い。
【００２５】
軒部６０の中空形材６２０の最も厚い部分の厚さ、及び側梁１３０の中空形材の厚さは、従来よりも若干厚い。その面板、接続板の厚さは従来と実質的の同一である。板の厚さは、該部の中空形材の必要強度等によって定まる。
【００２６】
例を説明すると、車両構体の幅方向の中心から側構体５０の車外側の面板までの距離は水平方向に約１７００ｍｍ、最も薄い部分２４３の位置は車両構体の中心から水平方向に約１０００ｍｍの位置である。中空形材２１０の厚さは６０ｍｍ、面板の厚さは２ｍｍ、接続板の厚さは１．５ｍｍである。最も薄い部分２４３の中空形材の厚さは３０ｍｍ、面板の厚さは２ｍｍ、接続板の厚さは１．５ｍｍである。中空形材６１０，６２０の最も厚い部分の中空形材の厚さは９０ｍｍ、面板の厚さは２ｍｍ、接続板の厚さは１．５ｍｍである。
【００２７】
側構体４０の中央の最も薄い部分４６０の中空形材の厚さは３０ｍｍである。この部分の面板の厚さは３ｍｍ、接続板の面板の厚さは１．８ｍｍである。中空形材４１０、１３０の最も厚い部分の中空形材の厚さは５０ｍｍ、面板の厚さは２ｍｍ、接続板の厚さは１．８ｍｍである。
【００２８】
かかる構成によれば、後述するように、気密圧力が作用した場合においても、最大発生応力や最大変形量が減少するため、車両構体の構造強度が向上する。また、屋根中央部２１と軒部６０との接続部の中空形材２４０の厚さを低減できる。また、側構体４０の中央部４１の中空形材４１０，４２０の厚さを低減できる。このため、車両構体の質量を低減できると共に、車内空間を大きくできる。特に、車両の幅方向の車内空間を広くできるため、中央の通路幅や座席幅を広くでき、乗客の快適性を大きく向上できる。
【００２９】
ここで、上記構成にすることにより気密圧力に対する車両構体の最大発生応力や最大変形量を低減できる理由を述べる。
【００３０】
板厚が等しい板材で構成された真円形状の管に内圧が作用した場合、板材には円周方向の膜応力のみが主として発生する。従って、板材の発生応力や変形量は部位に因らず一様となり、局所的な最大発生応力や最大変形量により管の構造強度が大きく低下することはない。しかし、板厚が等しい板材で構成された長方形状の管に内圧が作用した場合、板材には周方向の膜応力に加えて長方形の長辺側の中央部及び角部に大きな曲げ変形が生じると共に大きな曲げ応力が発生する。従って、最大発生応力や最大変形量が大きく増加し、管の構造強度が大きく低下する。
【００３１】
ここで、車両構体においては、車内空間を広くすることを主目的として、ほぼ長方形状に断面（車体の幅方向の断面）を構成することが一般的である。この場合、内圧に対して、長方形の長辺側中央部となる屋根中央部２１、及び角部となる軒部６０、側梁１３０に大きな曲げ変形が生じると共に、大きな曲げ応力が発生し、車両構体の最大発生応力や最大変形量が大きく増加する。ただし、重量のある艤装品が複数取り付けられる台枠１０は剛な構造になっているため、長方形の長辺側に存在しているにも関らず、その中央部に大きな曲げ変形や曲げ応力は発生しない。
【００３２】
このため、これらの部位の中空形材の高さを増加させ、断面二次モーメントを増加させることにより、それらの部位に発生する曲げ変形や曲げ応力を低減でき、車両構体の最大発生応力や最大変形量を低減できる。
【００３３】
一方、曲げ変形や曲げ応力がさほど発生しない部分２３（最も薄い部分２３）や側中央部４１の中空形材の厚さを低減しても車両構体の最大発生応力や最大変形量はさほど増加しない。
【００３４】
したがって、曲げ変形や曲げ応力が小さい部分２３、側中央部４１の中央部４６０の中空形材の厚さを低減することにより、質量を低減できると共に車内空間を広くできるものである。
【００３５】
つまり、内圧や外圧により発生する曲げ変形や曲げ応力のさほど大きくない部分２３、４６０を見出し、この部分２３、４６０の中空形材の厚さを小さくしたものである。このため、屋根構体２０、側構体４０の構造強度を低下させないで、屋根構体２０、側構体４０の質量を低減できるものである。
【００３６】
また、側中央部４１の中空形材４２０，４３０を薄くできるので、車内空間を大きくできるものである。特に、中空形材を薄くした位置、すなわち車内空間が広がった位置は側中央部４１であり、この部分は座席に座った乗客の上腕の位置に相当するので、この部分が広がることは乗客の快適性の点で極めて効果の大きいものである。
【００３７】
屋根構体の部分２３の中空形材はこれに接続する中空形材に向けて滑らかに接続する。このため、中央部２１の端部の中空形材、軒部６０の端部の中空形材は中央部２１の中央部の厚さ、軒部６０の中央部の厚さに比べて薄くなっている。側中央部４１の中空形材と隣接する端部４３，４５の中空形材との関係も同様である。部分２３で室内空間が拡大する。
【００３８】
上記実施例では側中央部４１の車内側及び車外側の面板は、車外側に凸の円弧状であったが、いずれか一方または両方の面板を直線状にできる。
【００３９】
上記実施例では側構体の中央部も薄くしていたが、屋根構体２０のみに最も薄い部分２３を設けてもよい。これによれば、乗り心地に関与する側構体４０の中空形材の厚さを従来と同様とする（すなわち、中央部４１の厚さを薄くしない。）ことにより、側構体４０の断面二次モーメントを全体的に向上させ、乗り心地を向上させることができる。また、部分２３を薄くしているので、車両構体としては質量を低減でき、高さ方向の車内空間を大きくできる。
【００４０】
本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の各請求項に記載の文言あるいは課題を解決するための手段の項に記載の文言に限定されず、当業者がそれから容易に置き換えられる範囲にも及ぶものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の車両構体の左半分の縦断面図。
【符号の説明】
１０：台枠、２０：屋根構体、２１：中央部、２３：端部、４０：側構体、４１：中央部、４３，４５：端部，６０：軒部、１３０：側梁、２１０，２２０，２３０，２４０，４１０，４２０，４３０，４４０，４５０，６１０，６２０：中空形材

Claims

屋根構体と、側構体と、台枠とからなり、
前記屋根構体、前記側構体を複数の中空形材を接合して構成してなる車両構体において、
気密圧力によって前記屋根構体、前記側構体に発生する曲げ変形や曲げ応力が小さい部分の中空形材の厚さを薄くすること、
を特徴とする車両構体。
屋根構体と、側構体と、台枠と、からなり、
前記屋根構体は複数の中空形材を接合して構成されている車両構体において、前記屋根構体の幅方向の中央部と該屋根構体の前記幅方向の端部との接続部の中空形材の厚さは、幅方向における両側の中空形材の厚さより薄く、
該接続部の中空形材はその両側の中空形材に向けて滑らかに厚くなっており、前記接続部の中空形材の車内側の面板は、その両側の中空形材の車内側の面板に対して車外側に凸であり、
前記接続部の中空形材の車外側の面板は、その両側の中空形材の車外側の面板に実質的に沿ってあること、
を特徴とする車両構体。
請求項２の車両構体において、
前記接続部は、前記屋根構体に気密圧力によって発生する曲げ変形や曲げ応力が小さい部分であること、
を特徴とする車両構体。
屋根構体と、側構体と、台枠と、からなり、
前記側構体は複数の中空形材を接合して構成されている車両構体において、
前記側構体の上下方向の中央部の中空形材の厚さは、該上下方向における両側の中空形材の厚さより薄く、
前記中央部の中空形材の車外側の面板は、平または車外側に凸の曲面であり、前記中央部の中空形材は前記両側の中空形材に向けて滑らかに厚くなっており、
前記中空形材の上下方向のほぼ中央部は座席に座った乗客の上腕の位置であり、窓の下端の位置にあること、
を特徴とする車両構体。
請求項４の車両構体において、
前記窓の下端の位置から下方の中空形材の車内側の面板は、前記窓の下端の位置の中空形材の車内側の面板よりも車内側に傾斜して、前記窓の下端の位置の中空形材よりも厚くなっていること、
を特徴とする車両構体。
請求項４の車両構体において、
前記窓の上下方向の範囲の車内側及び車外側の面板は上下方向に実質的に直線状であること、
を特徴とする車両構体。
請求項４の車両構体において、
前記窓の上端のよりも上方の中空形材は、それよりも下方の中空形材よりも厚くなっていること、
を特徴とする車両構体。