JP2006082676A

JP2006082676A - 鉄道車両用車体

Info

Publication number: JP2006082676A
Application number: JP2004269092A
Authority: JP
Inventors: Yoshitomo Watanabe; 慶知渡邉
Original assignee: Nippon Sharyo Ltd
Current assignee: Nippon Sharyo Ltd
Priority date: 2004-09-16
Filing date: 2004-09-16
Publication date: 2006-03-30

Abstract

【課題】剛性を確保しつつ側構体の構造厚さを薄くして客室を拡大する鉄道車両用車体を提供すること。
【解決手段】内側面板と外側面板とを有するダブルスキンの押出し型材が接合され、屋根構体１０、側構体２０およびその間に設けられた肩部３０を有する車両構体２に台枠３が接合されてなるものであって、側構体２０が、肩部３０からの変形の切替位置と台枠３との固定位置とのぼぼ中央部分Ｐ３の構体厚を厚くし、当該中央部分Ｐ３の上方部分Ｐ４および下方部分Ｐ５の構体厚を薄くした鉄道車両用車体１。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダブルスキンの押出し型材を接合してなる車両構体を有する鉄道車両用車体に関し、特に車両構体の剛性を確保しつつ客室を拡大するために側構体の構体厚さを薄くするようにした鉄道車両用車体に関する。

車内空間を広くした従来の鉄道車両用車体としては、下記特許文献１を挙げることができる。図５は、同文献に記載された鉄道車両用車体を示す断面図である。この鉄道車両用車体１００は、車両構体１０１と台枠１０２とを有し、その車両構体１０１は、長尺な複数の押出し型材がそれぞれ摩擦攪拌接合などによって接合され、屋根構体１１０、側構体１２０および肩部１３０などから構成されている。
屋根構体１１０、側構体１２０および肩部１３０を形成するこの押出し型材は、車体内側の内側面板と車体外側の外側面板とを有するダブルスキンタイプであり、その両面板を接続した中板によってトラスが構成された中空構造をしている。

屋根構体１１０、側構体１２０及び肩部１３０は、図示するように各所で押出し型材の厚さ（構体厚）に変化がつけられている。車両構体１０１は、図示するように所定箇所の構体厚を厚くすることにより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を減少させて車両構体１０１の構造強度が向上する構成となっている。その一方で、側構体１２０の中央部１２１において押出し型材１２５，１２６の構体厚を薄くし、車両構体１０１の質量を低減させるとともに車内空間を大きくしている。より具体的には、押出し型材１２５と１２６の接続部の付近（窓２００の垂直方向の中央部付近）の中空形材の構体厚が、側構体１２０の中空形材で最も薄くなっている。これにより、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して乗客の快適性を向上させるようにしている。
特開２００４−１３０８７２号公報（第４−６頁、図１）

しかしながら、こうした従来の鉄道車両用車体１００は、側構体１２０の最も荷重がかかる部分、すなわち中央部１２１の押出し型材１２５，１２６の構体厚が薄くなってしまっており、剛性を低くしてしまっていた。新幹線などを構成するこの鉄道車両用車体１００は、走行中は気密状態になっておりトンネルを通過する場合などでは車体の内外で圧力差が生じ気密荷重が負荷される。窓付近の剛性が弱い場合、例えばトンネルの出入りによる圧力変化によって側構体が撓んでしまう変形が乗客の極めて近い位置で起きる。そのため、乗客にはきしみ音がよく聞こえ、変形自体も感じることになり不快な印象を与えることになる。一方、鉄道車両用車体の剛性を高めるには押出し型材の構体厚を厚くすればよいが、それでは車体の重量を増加させてしまい、また車体外形が一定であるため内側の客室を狭めてしまうことになる。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、剛性を確保しつつ側構体の構造厚さを薄くして客室を拡大する鉄道車両用車体を提供することを目的とする。

本発明の鉄道車両用車体は、内側面板と外側面板とを有するダブルスキンの押出し型材が接合され、屋根構体、側構体およびその間に設けられた肩部を有する車両構体に台枠が接合されてなるものであって、前記側構体は、前記肩部からの変形の切替位置と台枠との固定位置とのぼぼ中央部分の構体厚を厚くし、当該中央部分の上方部分および下方部分の構体厚を薄くしたものであることを特徴とする。
また、本発明の鉄道車両用車体は、前記側構体が、最も薄い構体厚をＴmin とすると、最も厚い構体厚Ｔmax がＴmax＝（０．５５×Ｔmin＋２２）±２であることが望ましい。

よって、本発明の鉄道車両用車体によれば、側構体の構体厚を、その側構体が最大変位をとる、肩部との変形モードの切替位置と台枠に拘束された側梁の固定位置とのほぼ中間部分で最大値となるようにしたので、側構体を全体的に構体厚を薄くしながらも、強度・剛性を高めて変形量を抑えることが可能になり、加えて構体厚を全体的に薄くしているので客室を広くとることもできる。

次に、本発明に係る鉄道車両用車体の一実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態における鉄道車両用車体の断面形状を示した図である。この鉄道車両用車体１は、車両構体２が屋根構体１０、側構体２０および肩部３０から構成され、それらは詳しく図示していないが図５に示すものと同様に押出し型材によって構成されている。押出し型材は、車体内側の内側面板と車体外側の外側面板とを有するダブルスキンタイプであり、その両面板を接続した中板によってトラスが構成された中空構造をしたものである。そして、その押出し型材は車体長手方向の寸法に合わせて形成された長尺なものであって、車体幅方向に突き合わせ摩擦攪拌接合などによって接合されている。

更に鉄道車両用車体１は、側構体２０に接合された左右の側梁４０を介して台枠３が連結されている。こうした本実施形態の鉄道車両用車体１では、その車両構体２の構体厚が次のように設計されている。ここで、図２は、車両構体が車体内外の圧力変化によって変形した場合の変形状態モデルを示した図である。
車両構体２は、折れ曲げて形成された肩部３０に応力集中が起きるため、その肩部３０は、他よりも構体厚が厚く形成されていて高い剛性を有している。一方、側構体２０は、その下端部分が同じ押出し型材からなる側梁４０に接合され、その側梁４０が台枠３に連結されている。台枠３は、長手方向に複数配置された横梁などが側梁４０に連結され、その上に床板が敷設された高い剛性をもったものである。従って、側構体２０は、その上方部分と下方部分とが剛性の高い肩部３０と台枠３とで支持された構成になっている。

車両構体２に気密負荷が作用し、車内から車外の方向に圧力が加えられた場合、図２に一点鎖線で示した元の形状に対して、屋根構体１０と側構体２０とが外側に膨らむようにして撓み、その間にある肩部３０は角度が広げられるようにして内側に変形する。こうした場合の側構体２０の変形を見てみると、上方は内側に変形した肩部３０から外側への撓みとなり、下方は台枠３に固定されてほとんど変形しない側梁４０から連続して外側に撓んでいる。従って、側構体２０は、内側に変形する肩部３０から外側に変形する側構体２０への変形モードの切替位置Ｐ１と、台枠３に拘束された側梁４０の位置Ｐ２とのほぼ中間部分Ｐ３で最大変位をとることになった。

こうして両端固定の変形に相当する側構体２０では、内圧によって等分布荷重が作用し、そのほぼ中間位置の変位量が最も大きくなっている。従来の車両構体１００では、丁度この中間位置の構体厚が薄くなってしまっており、客室拡張の効果はあるものの気密負荷による影響が通常よりも大きくなってしまう結果となっている。
そこで、本実施形態の車両構体では、側構体２０の最も変位が大きくなる部分の強度を高めるためにその中間部分Ｐ３の構体厚を厚くし、それ以外の部分については車内を広くとるため構体厚を薄くした。

鉄道車両用車体１の車両構体２は、図１に示すように側構体２０が形状および寸法で形成されている。すなわち、中間部分Ｐ３が最大の構体厚を有する部分であり、その上下の部分Ｐ４，Ｐ５が最小の構体厚を有する部分として形成されている。中間部分Ｐ３の構体厚は４１ｍｍであるのに対し、最小の構体厚となった部分Ｐ４，Ｐ５の構体厚は３５ｍｍである。そして、屋根中央から台枠の上面までの高さＨが２３７５ｍｍであるのに対し、中間部分Ｐ３の高さｈは台枠３の上から８６０ｍｍの高さに位置している。側構体２０は、こうしてＰ３，Ｐ４，Ｐ５の構体厚が決められ、それと肩部３０及び側梁４０とが連続するように全体の構体厚が設計される。

こうした側構体２０の構体厚の値は、先ず最小値が決められ、それに基づいて最大の構体厚が次の（１）式に従って決定されている。
Ｔmax＝（０．５５×Ｔmin＋２２）±２ …（１）
ここで、Ｔminは側構体２０の最小構体厚であり、Ｔmaxは側構体２０の最大構体厚である。この（１）式は実験から求められたものであるが、以下のことからその妥当性が確認された。

ここで、図３は、（１）式で求めた値と、変位が最小になるように側構体の最小構体厚と最大構体厚との関係を数値解析した値とをそれぞれプロットしたグラフである。そして、図では（１）式の（０．５５×Ｔmin＋２２）の値を×印でプロットし、数値解析した値を○印でプロットしている。なお、○印が複数プロットされているのは、屋根構体１０の構体厚を変化させた場合を示している。また、上下の縦棒は（１）式で表されている±２ｍｍの誤差範囲を示すものである。このグラフから分かるように、（１）式で求めた値の±２ｍｍの誤差範囲内に数値解析した値が入っており、この数式が妥当であることが確認できた。

本実施形態の車両構体２では、側構体２０に関して最小構体厚Ｔmin を３５ｍｍに設定した。そこで、前記（１）式にこの値を代入して最大構体厚Ｔmax を求め４１ｍｍとした。そして、その位置は前述したように変位量が最も大きくなる台枠３から８６０ｍｍの高さであり、側構体２０は、その上下において最小構体厚をとり、かつ肩部３０と側梁４０に連続するように構体厚変化がつけられている。
こうした車両構体２と側構体の構体厚を３５ｍｍで一定にした車両構体とについて、同じように内圧をかけた場合の側構体の最大変位量について比較を行った。すると、構体厚一定の側構体において、中間部分Ｐ３に相当する位置の最大変位量を１とした場合に、本実施形態の車両構体２では、その相対変位量が０．８７４であった。すなわち、本実施形態では１０パーセント以上も変形量を抑えられた。

従って、本実施形態の鉄道車両用車体１によれば、側構体２０の構体厚を、その側構体２０が最大変位をとる、肩部３０との変形モードの切替位置Ｐ１と台枠３に拘束された側梁１４０の固定位置Ｐ２とのほぼ中間部分Ｐ３で最大値となるようにしたので、側構体１０を全体的に構体厚を薄くしながらも、強度・剛性を高めて変形量を抑えることが可能になった。そして、強度・剛性を高めつつも車体の軽量化が可能になり、しかも構体厚を全体的に薄くしているので客室を広くとることもできた。

ところで、図４は、鉄道車両用車体１内に配置されるシートと窓の位置を示した図である。最大の構体厚を有する中間部分Ｐ３は、窓５１の下部に位置し、シート５２に座った乗客の真横に位置する。従って、側構体１０についてこの位置の剛性が高まって変形が抑えられることにより、窓５１形成に対する強度の安定や、歪みの影響を抑えるとともに、乗客への不快感を抑えることになる。

以上、本発明の車両構体について一実施形態を説明したが、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。
例えば、前記実施形態では最小構体厚を３５ｍｍとして計算したが、この数値に限定されるものではない。

鉄道車両用車体の一実施形態について断面形状を示した図である。一実施形態の車両構体が車体内外の圧力変化によって変形した場合の変形状態モデルを示した図である。（１）式で求めた値と、変位が最小になるように側構体の最小構体厚と最大構体厚との関係を数値解析した値とをそれぞれプロットしたグラフである。鉄道車両用車体内に配置されるシートと窓の位置を示した図である。従来の鉄道車両用車体を示す断面図である。

符号の説明

１鉄道車両用車体
２車両構体
３台枠
１０屋根構体
２０側構体
３０肩部
４０側梁

Claims

内側面板と外側面板とを有するダブルスキンの押出し型材が接合され、屋根構体、側構体およびその間に設けられた肩部を有する車両構体に台枠が接合されてなる鉄道車両用車体において、
前記側構体は、前記肩部からの変形の切替位置と台枠との固定位置とのぼぼ中央部分の構体厚を厚くし、当該中央部分の上方部分および下方部分の構体厚を薄くしたものであることを特徴とする鉄道車両用車体。
請求項１に記載する鉄道車両用車体において、
前記側構体は、最も薄い構体厚をＴmin とすると、最も厚い構体厚Ｔmax がＴmax＝（０．５５×Ｔmin＋２２）±２であることを特徴とする鉄道車両用車体。