JP2006224160A

JP2006224160A - 押出し中空型材及びその型材によって形成された鉄道車両構体

Info

Publication number: JP2006224160A
Application number: JP2005042003A
Authority: JP
Inventors: Takamitsu Sasa; 孝光佐々; Yoshitomo Watanabe; 慶知渡邉
Original assignee: Nippon Sharyo Ltd
Current assignee: Nippon Sharyo Ltd
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2006-08-31

Abstract

【課題】軽量な継ぎ手構造を有する押出し中空型材及びその型材によって形成された鉄道車両構体を提供すること。
【解決手段】複数の斜面板１３によって連結され、その幅方向端部に第１面板１１同士、第２面板１２同士をそれぞれ摩擦撹拌接合によって接合するための継ぎ手部が形成され、その継ぎ手部が、第１面板と第２面板とが、幅方向最端部の斜面板から突設してその斜面板の外側が開いた状態の開状端部であるか、第１面板と第２面板とが、外側に傾斜した支持板１５によって幅方向最端部の斜面板の外側が閉じた状態の閉状端部であって、その開状端部と閉状端部とを突き合わせた場合、第１面板１１同士の接合部と第２面板１２同士の接合部１６，１７は、一方が支持板１５の位置で重ねられ、他方は斜面板１３や支持板１５から突設して張り出した部分２１，２２の先端が突き当てられるようにした押出し中空型材１。
【選択図】図１

Description

本発明は、押出し中空型材及びその型材を接合して形成された鉄道車両構体に関し、特に押出し中空型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型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型材が使用され、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７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型材１１０が幅方向に複数並べられて接合されている。この押出し中空型材１１０や、以下に説明する各押出し中空型材は、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、押出し中空型材１１０同士の継ぎ手部分は、図８に示すように構成されている。押出し中空型材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１１４が形成されている。そして、突出片１１３を差し込むようにして押出し中空型材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型材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９は、ＭＩＧ溶接によって接合する押出し中空型材であって、その押出し中空型材同士の継ぎ手部分を示した図である。
押出し中空型材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型材では、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型材自身の重量、更にはその押出し中空型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７に示すように側構体１０１及び屋根構体１０２において約２０枚の押出し中空型材１１０又は１３０が接合されて構成されている。従って、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接合強度の低下を招いたり、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型材及びその型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型材は、第１面板と第２面板とが幅方向に複数設けられた斜面板によって連結され、その幅方向端部には第１面板同士、第２面板同士をそれぞれ摩擦撹拌接合によって接合するための継ぎ手部が形成されたものであり、前記継ぎ手部は、前記第１面板と第２面板とが、幅方向最端部の斜面板から突設してその斜面板の外側が開いた状態の開状端部であるか、前記第１面板と第２面板とが、外側に傾斜した支持板によって幅方向最端部の斜面板の外側が閉じた状態の閉状端部であって、その開状端部と閉状端部とを突き合わせた場合、前記第１面板同士の接合部と前記第２面板同士の接合部は、一方が前記支持板の位置で重ねられ、他方は前記斜面板や支持板から突設して張り出した部分の先端が突き当てられるようにしたものであることを特徴とする。

また、本発明に係る押出し中空型材は、幅方向の一方が、第１面板と第２面板とが開いた状態の開状端部であり、幅方向の他方が、第１面板と第２面板とが支持板によって閉じた状態の閉状端部であることが好ましい。
また、本発明に係る中空押出し型材は、前記支持板と、それに隣り合う斜面板は、それぞれの中心線の延長が摩擦撹拌接合が行われる部分で交差するようにしたものであることが好ましい。
また、本発明に係る中空押出し型材は、前記前記第１面板又は第２面板が重ねられた接合部は、閉状端部側に段差が切り欠かれ、開状端部側に形成された突設部がその段差に重なるようにして、その突設部先端部分に摩擦撹拌接合が行われるようにしたものであり、その閉状端部側には段差部の延長上に位置決め突起が形成され、それが開状端部の突設部下方に形成された受け部に当接して位置決めできるようにしたものであることが好ましい。

また、本発明に係る鉄道車両用構体は、第１面板と第２面板とが幅方向に複数設けられた斜面板によって連結された中空押出し型材同士を、その幅方向端部に形成された継ぎ手部によって、第１面板同士および第２面板同士をそれぞれ摩擦撹拌接合によって接合して形成されたものであり、前記継ぎ手部は、前記第１面板と第２面板とが、幅方向最端部の斜面板から突設してその斜面板の外側が開いた状態の開状端部であるか、前記第１面板と第２面板とが、外側に傾斜した支持板によって幅方向最端部の斜面板の外側が閉じた状態の閉状端部であって、その開状端部と閉状端部とを突き合わせた場合、前記第１面板同士の接合部と前記第２面板同士の接合部は、一方が前記支持板の位置で重ねられ、他方は前記斜面板や支持板から突設して張り出した部分の先端が突き当てられるようにし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、前記押出し中空型材が、幅方向の一方が第１面板と第２面板とが開いた状態の開状端部であり、幅方向の他方が第１面板と第２面板とが支持板によって閉じた状態の閉状端部であることが好ましい。
また、本発明に係る鉄道車両用構体は、前記中空押出し型材が、前記支持板とそれに隣り合う斜面板が、それぞれの中心線の延長が摩擦撹拌接合が行われる部分で交差するようにしたものであることが好ましい。
更に、本発明に係る鉄道車両用構体は、前記中空押出し型材が、前記前記第１面板又は第２面板が重ねられた接合部が閉状端部側に段差が切り欠かれ、開状端部側に形成された突設部がその段差に重なるようにして、その突設部先端部分に摩擦撹拌接合が行われるようにしたものであり、その閉状端部側には段差部の延長上に位置決め突起が形成され、それが開状端部の突設部下方に形成された受け部に当接して位置決めでき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型材及びその型材によって形成された鉄道車両構体によれば、継ぎ手部を構成する押出し中空型材の一端を開状端部とし、他方を閉状端部とすることにより支持板を片側の端部にだけ設けることによって接合強度を高めつつ、軽量化を図ることができる。特に、支持板は傾斜しているため接合ツールから受ける荷重を隣り合う斜面板と分担することで、より薄肉にすることができ、鉄道車両構体全体での軽量化に寄与している。

次に、本発明に係る押出し中空型材及びその型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７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、長尺な押出し中空型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型材の一実施形態であって、その継ぎ手部構造を示した図である。この押出し中空型材１同士は、上面板１１同士あるいは下面板１２同士が摩擦撹拌接合によって一体になり、図７に示すような側構体１０１及び屋根構体１０２を構成する。
本実施形態の押出し中空型材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、それに複数の斜面板１３（１３ｒも含む）が連結されたトラス構造をしたものである。そして、押出し中空型材１は幅方向（図面左右方向）の端部が異なる形状をしており、図面右側の押出し中空型材１Ｒに示された左側端部と、図面左側の押出し中空型材１Ｌに示された右側端部とが継ぎ手部になっている。なお、押出し中空型材１Ｒ，１Ｌは、同じ形状の押出し中空型材１である。

そこで先ず、継ぎ手部を構成する押出し中空型材１の図面右側端部は、押出し中空型材１Ｌに見られるように、最も右端の斜面板１３を超えて上面板１１と下面板１２とが突き出して開いた状態になっている。これを開状端部という。ただし、斜面板１３の傾きに従って上面板１１側が下面板１２よりも短く形成され、もう一方の押出し中空型材１Ｒとの接合位置が上下でずれるようになっている。
そして、継ぎ手部を構成する押出し中空型材１の図面左側端部は、押出し中空型材１Ｒに見られるように、上面板１１と下面板１２とが支持板１５によって連結され、最も左側にある斜面板の外側が閉じた状態になっている。これを閉状端部という。

この支持板１５は上面板１１同士を接合ツール５０で接合する場合にかかる荷重を支えるようにしたものである。特に、隣り合う斜面板１３ｒとは反対側に傾かせ、上方からかかる接合ツール５０の荷重Ｐを斜面板１３ｒとで分散して負担するようにしている。本実施形態では、接合ツール５０によってかかる荷重Ｐの垂線方向に対する支持板１５の傾斜角θは約１０°である。
本実施形態では、上面板１１側の継ぎ手部が、図２に示すようにピンツール５１のショルダ５５を押し付け、撹拌ピン５２を材料の間に入れて撹拌する加圧式の接合ツール５０に対応し、下面板１２側の継ぎ手部は、図３に示すように上下に設けられたピンツール６１，６２のショルダ６５，６６で挟み込み、撹拌ピン６３を材料の間に入れて撹拌するセルフリアクティング方式の接合ツール６０に対応している。

そこで具体的に、加圧方式で摩擦撹拌接合を行う上面板１１側は、支持板１５の中心線Ｓ１の延長線上に上面板１１同士が突き当てられる接合線Ｑ１が位置するように形成されている。そして、前述するように接合ツールの押し当て荷重が傾斜板１３ｒとで分散されるように、傾斜板１３ｒの中心線Ｓ２もその延長線が接合線Ｑ１に重なるようになっている。支持板１５が形成された押出し中空型材１Ｒ側には段差がついた受け部１６が形成され、押出し中空型材１Ｌ側には、その受け部１６に重ねられるようにした突出部１７が形成されている。そして、押出し中空型材１Ｒの受け部１６には位置決め突起１８が突設され、それが押出し中空型材１Ｌの受け部１９に当てられて上面板１１同士の接合時の位置合せができるようになっている。

一方、セルフリアクティング方式で摩擦撹拌接合する下面板１２同士は、斜面板１３や支持板１５を越えて延長した突設部２１，２２が突き当てられ、接合ツール６０が内側にも入るように斜面板１３や支持板１５が邪魔にならないように距離がとられている。突設部２１，２２は、接合ツール６０によって垂直方向に大きな荷重を受けるわけではないが、摩擦撹拌時の摩擦熱などによって歪まないよう、下面板１２の他の部分よりも肉厚で形成されている。

押出し中空型材１には、左右に開状端部と閉状端部とをそれぞれ形成した継ぎ手部が構成され、押出し中空型材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、押出し中空型材１Ｌの突出部１７が押出し中空型材１Ｒの受け部２１の段差に重ねられ、位置決め突起１８の先端が受け部１９に突き当てられて上面板１１側が位置決めされる。受け部１６は、突出部１７の厚さ分だけ切り欠かれているため、押出し中空型材１Ｒ，１Ｌの上面板１１同士は面一になる。一方の下面板１２側は突設部２１，２２同士がその先端を突き合わせて位置決めされ、やはり下面板１２同士も面一になっている。

そして、上面板１１同士の接合は、接合ツール５０の撹拌ピン５１が（図２参照）、接合線Ｑ１に沿って押出し型材１の長手方向（図面を貫く方向）に移動する。その際、荷重Ｐをかけてショルダ５５が上から押さえ付けられる。これにより、材料が撹拌ピン５１によって撹拌され、突き当て部分で発熱して軟化して塑性流動してできた可塑性材によって固相接合される。
一方、下面板１２同士の接合は、突設部２１，２２の突き当て部分を接合ツール６０の撹拌ピン６３が（図３参照）、接合線Ｑ２に沿って押出し型材１の長手方向（図面を貫く方向）に移動する。その際、上下のピンツール６１，６２のショルダ６５，６６で挟み込み、撹拌ピン６３によって材料が撹拌される。そのため、突き当て部分で発熱して軟化して塑性流動してできた可塑性材によって固相接合される。

ところで、本実施形態の中空押出し型材１は、軽量化を求めて構成されたものであるが、更に接合強度を確保すると同時に鉄道車両構体１００としての品質も保つようにしたものである。ここで本実施形態の中空押出し型材１を図４乃至図６に示す中空押出し型材と比較してみる。

図４に示す中空押出し型材２は、上面板３１と下面板３２の両方とも接合ツール６０（図２参照）を用いたセルフリアクティング方式を採用するものである。そのため、押し付け荷重を受けないため傾斜板３３の外側に支持板を設けることなく、その分だけ軽量化することができる。しかしながら、下面板３２における図示する自由端が長くなってしまい、製作誤差による接合端同士のズレが大きくなったり、接合時のぶれや熱歪みの影響が残るなどして接合面の仕上げが悪くなる。

図５に示す中空押出し型材３は、そうした問題に対応し、斜面板３３の外側に支持板３４を設け、接合時のぶれや熱歪みの影響を抑えるようにしたものである。しかも接合ツール６０を使用するセルフリアクティング方式を採用することにより、その支持板３４の肉厚を極力薄くしている。しかし、鉄道車両のほぼ車体全長にわたって、しかも接合箇所は幅方向に２０箇所以上もあることから、たとえ薄い支持板３４といえども車体重量を増加させてしまうことになる。なお、図４に示す中空押出し型材２において、熱歪みなどの影響を抑えるため下面板の自由端部分を肉厚にしてしまえば、支持板をなくした軽量化のメリットが消されてしまい、同様に車体重量を増加させてしまう。

そのため、軽量化とともに接合時の強度を保って接合面の仕上げをきれいにすることが望まれることから、図６に示す中空押出し型材４では、一端側にのみ支持板３４を設けるようにしている。すなわち、中空押出し型材４の図面右側端部は図２に示すものと同様に開放端とし、もう一方の図面左側端部は図３に示すものと同様に支持板３４を設けて閉状端部としている。そして、この場合も接合時にかかる押し付け荷重を支えるようなものではなく、上面板３１及び下面板３２とも接合ツール６０を使用したセルフリアクティングによって接合することから、支持板３４は薄肉で形成されている。

そこで、図１及び図４乃至図６に示した中空押出し型材１〜４を、図示した継ぎ手部分の断面積を比較してみる。いずれも同じアルミで成形されたものであり、上面板１１，３１や下面板１２，３２の肉厚も同じである。すると、中空押出し型材１は615.4ｍｍ³、中空押出し型材２は504.4ｍｍ³、中空押出し型材３は633.4ｍｍ³、そして中空押出し型材４は568.9ｍｍ³であった。したがって、中空押出し型材２が最も軽くなるが、前述したように接合強度が弱いため接合面の仕上げが悪くなってしまう。また、中空押出し型材４は、軽量化に適し、片側に支持板３４を設けることで製作誤差や接合時のぶれなどを半減させることが出来る点で有効である。

本実施形態の中空押出し型材１は、中空押出し型材４よりも多少重量増になってしまうが、従来例のものに比べて十分に軽量化することができた。しかも、傾斜した支持板１５を設けることによって一方を閉状端部として接合強度を高め、他方の開状端部も突設部２２が短くなって、製作誤差や接合時のぶれなどを抑え、その点で接合強度が高まり、接合面の仕上げが図６に示す中空押出し型材４に比べても良い結果が得られる。
また、支持板１５を傾斜して隣り合う斜面板１３ｒと接合ツール５０からの荷重を分担するようにしたので、それだけ支持板１５を薄くすることが可能となり、図５に示す中空押出し型材３よりも軽量化でき、更に接合強度を高めることができた。

更に、本実施形態の中空押出し型材１は、支持板１５や斜面板１３ｒなどからできる閉じられた空間が、支持板１５を傾斜させたことにより大きくなって、成形時の型抜きが容易に行うことができる。更に、開状端部となった自由端の突設部２２が短く肉厚に形成されて剛性がある程度高いため、自由端が長くなった図６に示すものに比べて扱いが容易になった。

以上、本発明に係る押出し中空型材及びその型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型材１は、幅方向の一方を開状端部とし、他方を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型材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型材と、両端が閉状端部である押出し中空型材とを形成し、この二種類の押出し中空型材を交互に接合するようにしてもよい。

中空押出し型材の一実施形態について特に継ぎ手部分を示した図である。加圧方式の接合ツールを使用した摩擦撹拌接合の様子を示した図である。セルフリアクティング方式の接合ツールを使用した摩擦撹拌接合の様子を示した図である。中空押出し型材の比較例について特に継ぎ手部分を示した図である。中空押出し型材の比較例について特に継ぎ手部分を示した図である。中空押出し型材の比較例について特に継ぎ手部分を示した図である。中空押出し型材からなる鉄道車両構体を示した斜視図である。従来の中空押出し型材について特に継ぎ手部分を示した図である。従来の中空押出し型材について特に継ぎ手部分を示した図である。

符号の説明

１（１Ｌ，１Ｒ）中空押出し型材
１１上面板
１２下面板
１３（１３ｒ）斜面板
１５支持板
１６受け部
１７突出部
１８位置決め突起
１９受け部
２１，２２突設部

Claims

第１面板と第２面板とが幅方向に複数設けられた斜面板によって連結され、その幅方向端部には第１面板同士、第２面板同士をそれぞれ摩擦撹拌接合によって接合するための継ぎ手部が形成された押出し中空型材において、
前記継ぎ手部は、前記第１面板と第２面板とが、幅方向最端部の斜面板から突設してその斜面板の外側が開いた状態の開状端部であるか、前記第１面板と第２面板とが、外側に傾斜した支持板によって幅方向最端部の斜面板の外側が閉じた状態の閉状端部であって、
その開状端部と閉状端部とを突き合わせた場合、前記第１面板同士の接合部と前記第２面板同士の接合部は、一方が前記支持板の位置で重ねられ、他方は前記斜面板や支持板から突設して張り出した部分の先端が突き当てられるようにしたものであることを特徴とする押出し中空型材。
請求項１に記載する押出し中空型材において、
幅方向の一方が、第１面板と第２面板とが開いた状態の開状端部であり、幅方向の他方が、第１面板と第２面板とが支持板によって閉じた状態の閉状端部であることを特徴とする押出し中空型材。
請求項１又は請求項２に記載する中空押出し型材において、
前記支持板と、それに隣り合う斜面板は、それぞれの中心線の延長が摩擦撹拌接合が行われる部分で交差するようにしたものであることを特徴とする中空押出し型材。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載する中空押出し型材において、
前記前記第１面板又は第２面板が重ねられた接合部は、閉状端部側に段差が切り欠かれ、開状端部側に形成された突設部がその段差に重なるようにして、その突設部先端部分に摩擦撹拌接合が行われるようにしたものであり、
その閉状端部側には段差部の延長上に位置決め突起が形成され、それが開状端部の突設部下方に形成された受け部に当接して位置決めできるようにしたものであることを特徴とする中空押出し型材。
第１面板と第２面板とが幅方向に複数設けられた斜面板によって連結された中空押出し型材同士を、その幅方向端部に形成された継ぎ手部によって、第１面板同士および第２面板同士をそれぞれ摩擦撹拌接合によって接合して形成された鉄道車両構体において、
前記継ぎ手部は、前記第１面板と第２面板とが、幅方向最端部の斜面板から突設してその斜面板の外側が開いた状態の開状端部であるか、前記第１面板と第２面板とが、外側に傾斜した支持板によって幅方向最端部の斜面板の外側が閉じた状態の閉状端部であって、
その開状端部と閉状端部とを突き合わせた場合、前記第１面板同士の接合部と前記第２面板同士の接合部は、一方が前記支持板の位置で重ねられ、他方は前記斜面板や支持板から突設して張り出した部分の先端が突き当てられるようにしたものであることを特徴とする鉄道車両用構体。
請求項５に記載する鉄道車両構体において、
前記押出し中空型材は、幅方向の一方が第１面板と第２面板とが開いた状態の開状端部であり、幅方向の他方が第１面板と第２面板とが支持板によって閉じた状態の閉状端部であることを特徴とする鉄道車両構体。
請求項５又は請求項６に記載する鉄道車両用構体において、
前記中空押出し型材は、前記支持板とそれに隣り合う斜面板が、それぞれの中心線の延長が摩擦撹拌接合が行われる部分で交差するようにしたものであることを特徴とする鉄道車両用構体。
請求項５乃至請求項７のいずれかに記載する鉄道車両用構体において、
前記中空押出し型材は、前記前記第１面板又は第２面板が重ねられた接合部が閉状端部側に段差が切り欠かれ、開状端部側に形成された突設部がその段差に重なるようにして、その突設部先端部分に摩擦撹拌接合が行われるようにしたものであり、
その閉状端部側には段差部の延長上に位置決め突起が形成され、それが開状端部の突設部下方に形成された受け部に当接して位置決めできるようにしたものであることを特徴とする鉄道車両用構体。