JP2007112343A - 鉄道車両用構体 - Google Patents

Abstract

【課題】外板の外表面のドア開口周縁付近において、戸先柱部材についての接合線（溶接線）や外板横骨部材についての接合線の止端に対応する外板の歪みが目立たなくなるようにする。
【解決手段】外板３のドア開口２５の外側周縁にドアフレーム１の取付基部１Ａを設ける。この取付基部が設けられる部分に対応する外板３の内側部分に戸先柱部材２についての溶接線Ｌ１１と外板横骨部材４Ａについての溶接線Ｌ１３のドア開口側の止端とが位置する。外板３のドア開口の側縁と、各外板横骨部材４Ａの端縁との間に、外板３に戸先柱部材２を接合する作業を許容する大きさの空間部が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鉄道車両用構体に関するものである。

従来より、鉄道車両用構体として、塗装が不要で、メンテナンスが容易で、腐食もないなどの多くの利点を有するステンレス鋼製のステンレス構体が用いられている。そのようなステンレス製の構体としては、図１８（ａ）に示す軽量ステンレス構体２０１（外板＋骨組み＋外板横骨部材）や、図１８（ｂ）に示すダブルシートステンレス構体２０２（外板＋一体プレス成形内板）のほか、いわゆるダブルスキンタイプのステンレス構体が知られている（例えば特許文献１参照）。

そして、鉄道車両用構体において、外板と外板横骨部材との接合には、熱歪みを低減する観点から、抵抗スポット溶接が多用されている。

一般の鉄道車両用構体、とくに側構体は強度設計上いくつかの留意点を有する。ここで、側構体とは、単数又は複数の側外板パネルにより構成されるものをいい、側外板パネルとは、外板に対し外板横骨部材が接合されて一体化されたものをいう。

車体自重・乗客により負荷される垂直荷重Ｆ１により、図１９（ａ）に示すように、側外板パネル１０１は主として面内せん断作用を受ける。また、連結器を通じての車端圧縮荷重Ｆ２により、図１９（ｂ）に示すように、面内軸圧縮・面内曲げ作用も負荷される。強度上留意すべき破壊モードは、第１には側外板パネルの全体座屈である。

一般に、外板が広範囲で圧縮作用を受ける部位、例えば車端圧縮荷重時の車体中央腰板下部では、図１９（ｃ）に示すように、所要の面外剛性をもつ外板横骨部材１０１（防撓材）を外板１０２の内側に接合することが行われている。

また、一般に、鉄道車両の側構体はレール方向の圧縮作用を大きく受けるので、レール方向に沿って外板の内側に外板横骨部材を設けるのが普通である。外板が広範囲でせん断を受ける部位、例えば垂直荷重時における台車直上の戸袋部では、外板横骨部材をレール方向に対し４５度の角度で外板に接合するのが理想であるが、そのような角度を持たせて接合することは製造上煩雑であるので、実際には外板横骨部材を水平方向（レール方向）あるいは垂直方向に配置している。なお、座屈強度上はどちらも同等である。

しかし、前述したようなステンレス構体では、いくつかの課題がある。

(i)第１の課題は、座屈強度である。

前述したように、外板と外板横骨部材との接合には、熱歪み低減の観点から、抵抗スポット溶接が多用されるが、既打点への分流を避けるためにその打点ピッチは通常５０〜８０mm程度とされる。この場合、外板横骨部材にうまく応力が分散せずに理論どおりの座屈強度を得られないことがある。つまり、防撓パネルとしての面外曲げ剛性が理論値よりも低下し、想定より低い荷重で全体座屈を引き起こす可能性がある。外板横骨部材に平行な方向の圧縮荷重に対してスポット溶接点間で外板が座屈するおそれがあり、このような局部座屈に対しても理論上の座屈強度より劣る。

例えば、外板横骨部材１０１のピッチＬ１０１を８０mmとし（図１９（ｃ）参照）、これと平行な方向に外板に圧縮応力が作用するとき、外板横骨部材が外板に連続して接合されていれば、概算で１６０MPaまで耐え得るのに対し、外板横骨部材が外板に８０mmピッチでスポット溶接されているとすれば、わずか６０MPa程度までしか耐えられない。また、圧接によるスポットまわりの歪みにより外板に初期歪みが生じ、これによっても局部の座屈強度が大きく低下する。

(ii)第２の課題は、応力集中部における永久変形（引張側）、あるいは局部座屈（圧縮側）である。

側外板には、側外板の開口における隅部において応力集中が生じる。とくに通勤車用の側構体には窓開口、ドア開口（出入口）などの開口が多く、これらの開口隅部における応力集中が問題となる。これら応力集中部において引張側では永久変形、圧縮側では座屈変形を起こして最終的に破壊に至る。これに対する対策としては、引張側ではプレート状の外板横骨部材を内側に設けて増厚し、応力を軽減することが考えられる。圧縮側も理論上は同様に対処が可能であるが、ステンレス構体ではいくつか問題がある。

(iii)第３の課題は、水密性である。

ステンレス構体の組立において多用される抵抗スポット溶接は重ね継手しか構成することができないため、外板どうし、あるいは外板と縁部材（窓枠、ドアマスクなど）との接合も重ね継手となる。そのため、これらの継手では外部からの浸水を防ぐため、外部から浸水しない水密性を保つ工夫が必要である。

ところで、重ね部で隙間を生じるのに加えスポット溶接は間欠的な接合法である普通鋼やアルミニウム合金製の構体では、重ね部にあらかじめシール材をはさみ込んで溶接を行うことにより水密性を確保したり、重ね端部に隅肉状にシール材を盛ることにより水密性を確保したりしている。しかし、風雨や洗車に伴うシール材の経年劣化によりシール切れが生じ、車内への浸水が発生するおそれがある。
(iv)第４の課題は、外板（側外板、妻外板）の美観性である。

ステンレス構体の組立において多用される抵抗スポット溶接は、施工時にスポット状に押圧を行うため、押圧力と入熱によりその周囲に歪みを生じる。また打点部には凹状の圧痕が生じる。これらが外板の美観を損ねている。つまり、補強プレートをあてがっても、これを接合するためのスポット溶接が増え、圧接・入熱によるスポットまわりの歪みにより外板に初期歪みが生じ、かえって局部の座屈強度が低下させるおそれがある。かくして、車体中央の腰板下部や台車直上の戸袋板・幕板、および側開口隅部周辺では座屈が生じやすく、実際に座屈を生じている車両もあり、ステンレス構体の見映えを著しく悪化させている。とくに側外板、妻外板の美観を損ねることは製品価値を低下させることになる。

なお、スポット溶接による外板の「焼け」は電解処理により消すことが可能であるが、圧痕は深く、接合後の研磨等によって見えなくすることは困難である。また、カラーバンド（フィルム）により覆うこともできるが、覆っても、見る角度によっては、圧痕はさらに目立つことになりかねない。
(v)第５の課題は、内部骨組の煩雑さである。

内装品、機器類を構体に取り付ける構造として、従来は主構造あるいは内部骨組（２次構造材）にネジ座を溶接付けしたり、あるいは取付金を別途設けたりする構造を採用していた。

これらの取付金、ネジ座はほとんどが車両毎の個別設計であり、構体への取り付け場所も車種、部位によって、一定ではなく、異なっている。ネジ座、内部骨組、取付金等の部品の点数が増し、部品製作、溶接付けに多大な工数を要している。また取り付け位置が標準化されていないので、取付けの寸法管理も煩雑である。

発明者は、外板と外板横骨部材との接合に、抵抗スポット溶接に代えて、レーザ溶接を利用すれば、前記課題を解決できることに着想し、レーザ溶接を利用した鉄道車両用構体を先に出願している（特願２００４−２０６３９０号参照）。
特許第２７６３９８３号公報（段落００１４、００２０及び図４）

しかし、図２０及び図２１に示すように、外板３０１の内側であってドア開口３０２の側縁に上下方向に沿って断面ハット形状の戸先柱部材３０３をレーザ溶接することを考える場合、ドアフレーム３０４（ドアマスク）の取付基部３０４ａが存在しない、外板３０１の外表面の部分には、外板３０１の仕上げ方向Ａに直交する方向に延びる溶接線Ｌ１２による歪みＬ２２があらわれるので、見栄えが悪くなる。これは、ドアフレーム３０４の肉厚は４ｍｍ程度で、外板３０１の肉厚（１．５〜２．５ｍｍ）よりかなり厚いことから、取付基部３０４ａにて覆われた部分は溶接線Ｌ１１による歪みＬ２１が見えないのである。また、外板横骨部材３０５についての溶接線Ｌ１３に対応する歪みＬ２３は外板３０１の仕上げ方向Ａに一致するので、あまり目立たないが、その溶接線Ｌ１１の止端Ｐ１３に対応して外板３０１が同心円状に歪み、この止端による歪みＰ２３が目立つので、見栄えが悪くなる。これは、外板の外側面に、前記レーザビームよる溶接線方向とほぼ平行に研磨加工（例えば、鉄道車両のステンレス構体で一般に使用されているベルトグラインド仕上げ）を施していれば、光の散乱の具合により溶接線に対応する歪みがほとんど見えなくなることを利用したものである。このように外板表面に溶接線に対応する歪みがあらわれる傾向は、レーザ溶接のほか、スポット溶接、プラグ溶接、隅肉溶接等の他の溶接の場合も同様である。また、リベットを用いて直線的に結合する場合にも、その接合線に対応する同様な歪みがあらわれる。

また、溶接線Ｌ１１および止端Ｐ１３に対応する歪みＬ２１，Ｐ２３が外板３０１の外表面上にあらわれる部分までドアフレーム３０４の取付基部３０４ａを延長すれば、それらを簡単に隠蔽できると考えられるが、ドアフレーム３０４の取付基部３０４ａ（外板３０１に重なる部分）の幅には見付け上制約があり、あまり長くすることができない。

そこで、発明者は、戸先柱部材２の断面形状を工夫するとともに、ドアフレーム、戸先柱部材及び外板横骨部材の位置関係を工夫すれば、図１（ａ）（ｂ）に示すように、外板の外表面側から見ると目立つの縦の溶接線Ｌ１１や横の溶接線Ｌ１３の止端に対応する歪みＬ２１，Ｐ２３をドアフレームで隠蔽できることに着想し、本発明をなすに至ったものである。

ここで、制約条件としては、図２に示すように、(i)戸先柱部材２には、強度上、戸先柱部材２の本体部分２ａを外板３に連結するウエブ２ｂを必要とすること（このウエブ２ｂは、戸先柱部材２への打撃・点熱急冷により構体断面の寸法調整を行う上でも必要である）、(ii)構体断面の剛性を保持するために、なるべく戸先柱部材２の（車体内方方向での）高さＨ１が高いことが望ましいこと、(iii)ドアフレーム１の取付基部１Ａの幅Ｗは、見付け上、限界があること、(iv)外板横骨部材４の面外曲げ変形を抑制できるように戸先柱部材２およびドアフレーム１につなぐ構造とすることが必要である、などである。

特に溶接としてレーザ溶接手段を採用する場合には、(i)〜(iv)のほかに、(v)戸先柱部材２・ドアフレーム１を外板３にレーザ溶接する際に、干渉の問題が生じないようにレーザビームＢの進入するスペースや押さえローラＲの押さえ代が確保される必要がある。

本発明は、外板の外表面のドア開口周縁付近において、戸先柱部材についての接合線（溶接線）や外板横骨部材についての接合線の止端に対応する外板の歪みが目立たなくなるようにすることで、外板の見栄えの向上を図った鉄道車両用側構体を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、ドア開口を有する外板の内側であって前記ドア開口の側縁に沿って延びる戸先柱部材が、その戸先柱部材に直交する方向に延びる複数の外板横骨部材がそれぞれ配置される鉄道車両用側構体であって、前記戸先柱部材及び外板横骨部材が前記外板に接合され、前記外板の外側であって前記ドア開口の側縁にドアフレームの取付基部が設けられ、この取付基部が設けられる部分に対応する前記外板の内側部分に前記戸先柱部材についての接合線と前記外板横骨部材についての接合線のドア開口側の止端とが位置する構成とされることを特徴とする。ここで、接合には、レーザ溶接のほか、スポット溶接、プラグ溶接、隅肉溶接等の溶接や、リベット結合が含まれる。

このようにすれば、前記外板の外側面側にドアフレームの取付基部が設けられ、前記戸先柱部材についての接合線や前記外板横骨部材についての接合線の止端に対応する歪みがあらわれる外板の外側面の部分を覆うようにしているので、戸先柱部材についての接合線や外板横骨部材についての接合線の止端に対応する（外板の）歪みがドアフレームの取付基部にて隠され、外板の見栄えがよくなる。

請求項２に記載のように、前記外板横骨部材は、断面略コの字状の本体部と、この本体部の端縁に連続して互いに反対方向に延びるように設けられ前記外板に接合される２つの取付フランジ部とを有する断面ハット形状とされ、前記外板のドア開口の側縁と、前記各外板横骨部材の端縁との間に、前記外板に前記戸先柱部材を接合する作業を許容する大きさの空間部が設けられていることが望ましい。

このようにすれば、前記外板のドア開口の側縁と、前記各外板横骨部材との端縁との間に、前記外板に前記戸先柱部材を接合する作業を許容する大きさの空間部が設けられているので、外板横骨部材の端部が、前記外板に前記戸先柱部材を接合する作業の邪魔にならず、それらを接合する作業を無理なく実行することができる。

請求項３に記載のように、前記外板横骨部材の本体部は、前記ドア開口側の端縁が、車体内方側になるほど前記ドア開口から離れるように傾斜している構成とすることができる。

このようにすれば、ドア開口側の端縁が、外板から離れるほどドア開口から離れるように傾斜しているようにすることで、前記外板に前記戸先柱部材を接合する作業を許容する大きさの空間部が、外板のドア開口の側縁と各外板横骨部材の端縁との間に簡単に形成される。

請求項４に記載のように、前記外板横骨部材は、前記ドア開口側の端部において、前記本体部よりも前記取付フランジ部の方が前記ドア開口側に延びている構成とすることができる。

このようにすれば、前記外板横骨部材が、前記ドア開口側の端部において、前記本体部よりも前記取付フランジ部の方が前記ドア開口側に延びているので、前記外板に前記戸先柱部材を接合する作業を許容する大きさの空間部が、外板のドア開口の側縁と各外板横骨部材における本体部の端部との間に簡単に形成される。

請求項５に記載のように、前記戸先柱部材は、前記外板と平行に延びる帯状の基板部と、この基板部の一側縁より前記外板側に向かって延びる第１の側板部と、前記基板部の他側縁より前記外板側に向かって延び前記第１の側板部よりも短い第２の側板部と、前記第１の側板部に連接され前記外板を挟んで前記ドアフレームの取付基部に接合される第１の取付フランジ部と、前記第２の側板部に連接され前記外板横骨部材の本体部に接合される第２の取付フランジ部とを有する構成とすることができる。

このようにすれば、戸先柱部材についての縦の接合線と外板横骨部材についての横の接合線の止端とに対応する外板の歪みがドアフレームの取付基部によって隠蔽される。また、第１の側板部が、外板横骨部材に連接される基板部を外板に連結するウエブとして機能し、外板横骨部材の高さが確保され、必要な強度が確保されるとともに、構体断面の剛性が保持される。また、戸先柱部材への打撃・点熱急冷により構体断面の寸法調整を行う上でも有利となる。この基板部にて、外板横骨部材、戸先柱部材およびドアフレームが一体に結合され、外板横骨部材の曲げ剛性と戸先柱部材、ドアフレームのねじり剛性が確保される。

また、請求項６に記載のように、前記戸先柱部材は、前記外板と平行に延びる基板部と、この基板部の一側縁より前記外板側に延びる第１の側板部と、前記基板部の他側縁より前記外板側に延び前記第１の側板部よりも短い第２の側板部と、前記第１の側板部に連接され前記外板を挟んでドアフレームの取付基部に接合されるかあるいは前記外板に接合される取付フランジ部と、前記第２の側板部に形成され前記外板横骨部材の本体部に嵌り込む嵌合部とを有する構成とすることも可能であるし、請求項７に記載のように、前記ドアフレームの内側に、断面Ｌ字形状の補助フレームが接合され、前記戸先柱部材は、前記外板と平行に延び一側縁部が前記補助フレームに接合される基板部と、この基板部の他側縁より前記外板側に延びる側板部と、前記側板部の先端縁より前記外板側に平行に延び前記外板横骨部材の本体部に接合される取付フランジ部とを有する構成とすることも可能である。

さらに、請求項８に記載のように、前記外板への前記戸先柱部材及び外板横骨部材の接合は、押さえローラが溶接位置近傍を押圧しつつ溶接線に沿って移動して、レーザビームを溶接位置に照射することでレーザ溶接を行うレーザ溶接手段を用いた溶接により行われている場合が、戸先柱部材についての溶接線や外板横骨部材についての溶接線の止端に対応する（外板の）歪みをドアフレームの取付基部にて隠蔽し、外板の見栄えをよくする上で、特に有効である。

本発明は、外板横骨部材についての接合線の止端と戸先柱部材についての接合線とに対応する外板の歪みを覆うように前記外板の外側面側にドアフレームの取付基部を設けているので、戸先柱部材の縦の接合線や外板横骨部材についての接合線の止端に対応する外板の歪みをドアフレームにて覆い隠すことができ、外板の見栄えを向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に沿って説明する。

図３は本発明に係る一実施の形態である鉄道車両用構体を示す斜視図、図４は外板と外板横骨部材との関係を示す説明図である。

図３に示すように、鉄道車両用構体１１は、左右の側構体１２と、屋根構体１３と、前後の妻構体１４と、台枠１５とを備える。側構体１２は、外板３と、その外板３の内側に水平方向（車体前後方向）に延びるように配置される外板横骨部材４Ａ，４Ｂとを有し、それらがレーザ溶接手段を用いてレーザ溶接にて接合されて、側外板パネルとなっている。なお、屋根構体１３及び妻構体１４の外板パネルもほぼ同様の構成である。

この外板横骨部材４Ａ（４Ｂ）は、断面コの字形状のコ字状部４Ａａと、そのコ字状部４Ａａの両端縁に連続して互いに反対方向に延びる取付フランジ部４Ａｂ，４Ａｃとを有し、断面ハット形状に構成される。この外板横骨部材４Ａの取付フランジ部４Ａｂ，４Ａｃの部分において外板３に対しレーザ溶接されて側外板パネルとされる。なお、この外板３の内面側への外板横骨部材４Ａ，４Ｂの接合に用いられるレーザ溶接は、溶融池の底部が外板３の外側面に到達しない部分溶け込みレーザ溶接である。

外板３としては、外側面にレーザビームによる溶接線方向とほぼ平行に研磨加工が施され、レーザビームによる溶接線方向と外側面についての研磨加工方向（表面研削仕上げ方向）とがほぼ同じ方向となっている表面研磨材が用いられる。「研磨加工」は、ベルトグラインダによるベルトグラインド（ＢＧ）仕上げといわれるもので、「ＪＩＳ Ｒ ６００１」で規定される砥粒を接着したベルトを回転させ鋼板の表面を一方向に断続的に（不連続に）研磨することにより仕上げるものである（「ＪＩＳ Ｇ ４３０５」でＮｏ．３やＮｏ．４なる記号で示される表面仕上げに該当する）。

レーザ溶接に用いられるレーザ照射装置は、具体的には図示していないが、多関節ロボットの手首にエンドエフェクタとして取付けられる。この多関節ロボットは、複数軸（たとえば６軸）を有し、溶接されるべき薄板（例えば外板３）が固定された状態で、予め定める溶接線Ｕ（図２参照）に沿ってレーザ照射装置を移動させることができるものである。レーザ照射装置は、重ねレーザ溶接を行うもので、レーザ集光器と押圧手段としての押さえローラＲとが一体に取付けられ、押さえローラＲが溶接線Ｕに沿って移動してワークの溶接位置近傍を押圧しつつ、レーザ集光器からレーザビームＢを溶接位置に照射することで、重ね部分の密着性を確保しつつ（図１（ａ）参照）、レーザビームＢの焦点距離を正確に保つことができる構成とされている。

また、外板３のドア開口の周縁に設けられるドアフレーム１と外板３との接合も、後述するように連続レーザ溶接により行われている。継手は重ね継手でも突合せ継手でもよい。なお、具体的に図示していないが、外板どうしの接合も連続レーザ溶接により行われている。

そして、図４に示すように、外板横骨部材４Ａは、レーザ溶接（溶接線Ｕ）の間隔Ｌ１を８０mm（ハット幅Ｌ２＝５０mm）とすることで、外板横骨部材４Ａのピッチ８０mmを実現している。他の部位も同様にして外板横骨部材４Ｂのハット幅（７０mm）とレーザ溶接の間隔（１００mm）を決定した。隣り合う外板横骨部材４Ａ，４Ｂのレーザ溶接の間隔Ｌ３は、５０〜１００mmである。ただし、外板３の部位ごとに横骨部材の断面形状を決定していくと、横骨部材に多くの種類が生じるので、外板横骨部材の断面形状は、この実施の形態では、上記２種類に限定している。外板横骨部材４Ａ，４Ｂの高さＨ１は２５mmであるが、これは側構体２の外板３の全体座屈強度から決定したものである。なお、レーザ溶接の間隔Ｌ１は、基本的には外板厚と座屈強度とから決定され、間隔が小さいほど座屈には強くなるが、あまり小さいとレーザ溶接の溶接線の数が多くなりすぎる一方、あまり広いとわずかの荷重にも座屈してしまうので、実際には６０〜１２０mmの範囲であるが、部品製作、見栄え的にもよくバランスする望ましい値は、Ｌ１＝９０〜１００mmである。

かくして、窓開口２４の隅部、ドア開口２５の上隅部付近に設けられる外板横骨部材４Ａのハット幅Ｌ２（コの字部分の幅）は５０mm、その他の部位に設けられる外板横骨部材４Ｂのハット幅は７０mmとして、側構体が形成されている。よって、作用する応力の高く荷重負担が大きい窓開口２４の隅部、ドア開口２５の上隅部付近に設けられる外板横骨部材４Ａのハット幅を、その他の部位に設けられる外板横骨部材４Ｂのハット幅よりも小さくしている。なお、レール方向に直交する方向の面外曲げについては別途設けた縦骨部材により補強することになる。

ところで、側構体１２は、複数のユニットに分割して製造し、それらユニットを別々に製造した後にそれらユニットをレーザ溶接により接合して構成される。具体的には、幕板部２１Ａａ，２１Ｂａを含む側ユニット２１Ａ，２１Ｂおよびドアフレーム２３を別々に製造し、その後、それらをレーザ溶接にて結合し、側溝体１２とするものである。側ユニット２１Ａ，２１Ｂはレーザ溶接を用いて組立てられる。ドアフレーム２３の結合方法もレーザ溶接である。側ユニット２１Ａ，２１Ｂの幕板部２１Ａａ，２１Ｂａどうしの結合方法はレーザ溶接、あるいはアーク溶接である。

また、例えば、前述した側ユニット２１Ａの組立方法は、図６に示すように、側外板３を幕板３１Ａ、吹寄板３１Ｂ、腰板３１Ｃに分割し、それぞれの板３１Ａ〜３１Ｃに外板横骨部材３２Ａ〜３２Ｃ（外板横骨部材３２Ｂは図面上１つであるが複数の外板横骨部材４Ａに対応し、外板横骨部材３２Ａ，３２Ｃも図面上１つであるが複数の外板横骨部材４Ｂに対応している）をレーザ溶接にて接合することで、幕板パネル３３Ａ、吹寄板パネル３３Ｂ、腰板パネル３３Ｃを製作する。

このとき、例えば図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、幕板３１Ａと外板横骨部材３２Ａのフランジ部とで重ね継手が構成されており、幕板３１Ａに対し外板横骨部材３２Ａ側からの部分溶け込みレーザ溶接により両者が接合される。板３１Ｂ，３１Ｃと外板横骨部材３２Ｂ，３２Ｃのフランジ部との接合も同様である。なお、窓枠（図示せず）は同様にしてあらかじめ吹寄板３１Ｂにレーザ溶接により接合しておく。

吹寄板３１Ｂの下端縁、および幕板３１Ａの下端縁にはせぎり部が設けられており、吹寄板３１Ｂの下端縁のせぎり部と腰板３１Ｃの上端、および幕板３１Ａの下端と吹寄板３１Ｂの上端とで重ね継手を形成し、この部分をレーザ溶接することにより側ユニット２１Ａを形成する（図８参照）。なお、２４は窓開口、２５はドア開口である。

さらに前記重ね継手部に位置する腰帯３５、幕帯３４Ａ，３４Ｂをレーザ溶接により外板に接合する（図９参照）。このとき腰帯３５、幕帯３４Ａ，３４Ｂの存在により、幕板パネル３３Ａと吹寄パネル３３Ｂ、あるいは吹寄パネル３３Ｂと腰板パネル３３Ｃのレーザ溶接による施工に支障がないように腰帯３５、幕帯３４Ａ，３４Ｂを配置することができれば、腰帯３５、幕帯３４Ａ，３４Ｂをあらかじめ吹寄板３１Ｂに接合しておくこともできる。

次に、戸先柱部材３６Ａ、戸尻柱部材３６Ｂ、間柱部材３６Ｃの各柱部材を外板横骨部材３２Ａの頭部にレーザ溶接により接合する（図６、図７（ｄ）、図９参照）。このとき短尺の溶接線であってもよいし、あるいはリング状の溶接線ならばさらに接合強度が安定する。

最後に、強度上の必要に応じて、腰帯３５、幕帯３４Ａ，３４Ｂと戸尻柱部材３６Ｂの結合部およびその近傍にガセット３８Ａ〜３８Ｄをレーザ溶接にて接合して側ユニット２１Ａを完成させることができる（図１０参照）。

そして、前述したところの側構体１２の製造方法は、屋根構体１３、妻構体１４、台枠１５の製造にも適用することができる。例えば、屋根構体１３の場合は、屋根外板どうしを連続レーザ溶接により接合した後、垂木と屋根外板を外板側からのレーザ溶接により接合した適当な大きさの屋根ユニットを用いる。このとき屋根構体では高度な美観を要求されないので、レーザ溶接は貫通溶接でも部分溶け込み溶接でもよい。台枠１５の場合は、側梁と横梁とをガセットを介してレーザ溶接もしくは抵抗スポット溶接にて接合して枠組を製作したのち、キーストンプレートの床板と横梁とを床板側からのレーザ溶接により接合した適当な大きさの台枠ユニットを用いる。このとき台枠下部および床板面は、車体完成後は死角もしくは隠蔽部となり美観の要求はないので、レーザ溶接は貫通溶接でも部分溶け込み溶接でもよい。

そして、これら左右の側構体１２、屋根構体１３、妻構体１４および台枠１５が接合されて、鉄道車両用構体１１が組み立てられる。

続いて、本発明の特徴点であるドア開口周辺の構造についてさらに説明する。

図１１に示すように、外板横骨部材４Ａは、外板３のドア開口２５に臨む端部が、レーザ溶接手段のレーザビームＢ及び押さえローラＲに対応する部分が切除されている。つまり、外板横骨部材４Ａは、ドア開口２５側の端縁が、外板３から離れるほどドア開口２５の縁部から離れるように傾斜しており、ドア開口側の端部が傾斜部４Ａｄとなっている。

そして、ドア開口２５を構成する外板３の外側にはドアフレーム１の取付基部１Ａが接合され、その取付基部１Ａのドア開口側縁部には中間傾斜部１Ｂを介して車体幅方向に延びる鍔部１Ｃが連接されている。

外板横骨部材４Ａの、ドア開口側には、戸先柱部材２が設けられている。この戸先柱部材２は、外板３と平行に延びる基板部２Ａと、この基板部２Ａの一側縁（ドア開口側側縁）より外板３側に延びる第１の側板部２Ｂと、基板部２Ａの他側縁より外板３側の延び第１の側板部２Ｂよりも短い第２の側板部２Ｃと、第１の側板部２Ｂに連接され外板３を挟んでドアフレーム１の取付基部１Ａにレーザ溶接される第１の取付フランジ部２Ｄと、第２の側板部２Ｃに連接され外板横骨部材４Ａの本体部４Ａａにレーザ溶接される第２の取付フランジ部２Ｅとを有する。

レーザ溶接する場合には、図１２（ａ）（ｂ）に示すように、外板横骨部材４Ａの端部が傾斜部４Ａｄとなっているので、レーザ溶接の際にレーザビームＢ及び押さえローラＲの通過を許容する大きさの空間部は確保される。また、外板３に戸先柱部材２をレーザ溶接する場合も、図１２（ｃ）に示すように、を用いて外板３に戸先柱部材２の取付フランジ部を接合する作業を許容する空間部は確保される。

このようにすれば、外板横骨部材４Ａについての溶接線の止端と戸先柱部材４Ａについての溶接線とに対応してあらわれる外板の歪みＬ２１，Ｐ２３（図１（ｂ）参照）を覆うように外板３の外側面側にドアフレーム１の取付基部１Ａが設けられているので、戸先柱部材２のレーザ溶接による縦の溶接線や外板横骨部材４Ａについての溶接線の止端に対応する外板３の歪みが、肉厚の厚いドアフレーム１にて隠される。よって、ドア開口の周縁付近において、溶接線や溶接線の止端に対応する外板の歪みが目立たなくなり、外板の見栄えがよくなる。

また、外板３のドア開口の側縁と、外板横骨部材４Ａの端縁との間に、レーザ溶接の際にレーザ溶接手段のレーザビームＢ及び押さえローラＲの通過を許容する大きさの空間部が設けられているので、外板横骨部材４Ａの端部が、レーザ溶接手段のレーザビームＢや押さえローラＲと干渉することなく、レーザ溶接を実行することができる。

前記実施の形態は、次のように変更することも可能である。
(i)前記外板横骨部材の本体部は、ドア開口側の端部が、外板から離れるほどドア開口から離れるように傾斜する傾斜部となっているが、そのほか、外板横骨部材４Ａ’は、図１３に示すように、前記ドア開口側の端部において、ドア開口側の端部において、本体部４Ａａ’よりも取付フランジ部４Ａｂ，４Ａｃの方がドア開口側に延びている形状とすることも可能である。この形状は、換言すれば、ドア開口側の端部が、取付フランジ部４Ａｂ，４Ａｃを残して、本体部４Ａａ’の一部が切除されている形状ともいえる。

この場合には、レーザ溶接する場合には、図１４（ａ）（ｂ）に示すように、ドア開口側の端部において、本体部４Ａａ’よりも取付フランジ部４Ａｂ，４Ａｃの方がドア開口側に延びている（あるいは本体部４Ａａ’の端部の一部が切除されている）ので、レーザ溶接の際にレーザ溶接手段のレーザビームＢ及び押さえローラＲの通過を許容する大きさのスペース（空間部）は確保される。また、戸先柱部材２を、レーザ溶接する場合も、図１４（ｃ）に示すように、同様に前記スペースは確保される。
(ii)前記実施の形態では、戸先柱部材の側部（一部）を外板横骨部材の本体部上に重ねて溶接して接合するようにしているが、戸先柱部材の側部が各外板横骨部材の本体部に嵌り込む構造として、隅肉溶接により接合することも可能である。

この場合は、図１５及び図１６に示すように、出入口を構成する外板３の外側にはドアフレーム１の取付基部１Ａが配置され、戸先柱部材２’は、外板と平行に延びる基板部２Ａと、この基板部２Ａの一側縁より外板側に延びる第１の側板部２Ｂと、前記第１の側板部２Ｂに連接され外板３を挟んでドアフレーム１の取付基部１Ａにレーザ溶接される取付フランジ部２Ｄと、前記基板部２Ｂの他側縁より外板３側の延び外板横骨部材４Ａの本体部４Ａａに嵌り込む嵌合部２Ｆとを有する構成とされる。
(iii)また、補助フレームを用いる構造とすることも可能である。この場合には、図１７に示すように、ドアフレーム１の内側に、断面Ｌ字形状の補助フレーム４１が隅肉溶接にて接合され、戸先柱部材２”は、基板部２Ａ”と、この基板部２Ａ”の一側縁より外板３側に延びる側板部２Ｃと、側板部２Ｃの先端縁より外板３と平行に延び前記外板横骨部材４Ａの本体部４Ａａに溶接される取付フランジ部２Ｅのみを有し、基板部２Ａ”の他縁部が補助フレーム４１にフレア溶接される構成とすることも可能である。
(iv)前記実施の形態においては、溶接手段としては、部分溶け込みレーザ溶接、すなわち複数の板状部材を重ね合せ、その面外方向からレーザビームを移動しながら連続的に照射し、レーザビームを照射した板状部材の反対側に位置する板状部材の内部までの領域を加熱溶融して、それにより生じた溶融池の底部が前記反対側の板状部材の外側面に到達しないように、レーザビームの出力またはビーム移動速度を制御しながら前記複数の板状部材を接合するレーザ溶接を行うものを用い、前記反対側の板状部材の外側面に対応する外板の外側面に、予め前記レーザビームよる溶接線方向とほぼ平行に研磨加工が施されているものを用いたものについては説明しているが、本発明は、溶接手段については特に制限されず、外板も前述したような研磨加工が施されているものに制限されない。

（ａ）は本発明に係る一実施の形態である鉄道車両用側構体のドア開口周辺を示す断面図、（ｂ）は同表面側を示す斜視図である。 本発明に係る鉄道車両用側構体を製造する場合の制約条件の説明図である。 本発明に係る一実施の形態である鉄道車両用側構体を示す斜視図である。 外板と外板横骨部材との関係を示す説明図である。 （ａ）（ｂ）はそれぞれ側構体の組立方法の説明図である。 本発明に係る鉄道車両の側構体を組み立てる手順の一例を示す説明図である。 （ａ）はレーザ溶接継手の原理の説明図，（ｂ）〜（ｄ）はそれぞれ外板パネルの説明図である。 本発明に係る鉄道車両の側構体を、車外側から見た状態を示す図である。 同鉄道車両の側構体を、車内側から見た状態を示す図である。 同鉄道車両の側構体を、車内側から見た状態を示す斜視図である。 本発明に係る鉄道車両の側構体において、ドア開口周辺の構造を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれレーザ溶接方法の説明図である。 他の実施の形態についての説明図である。 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ他の実施の形態についてのレーザ溶接方法の説明図である。 他の実施の形態についての説明図である。 図１５に示す実施の形態についての斜視図である。 別の実施の形態についての説明図である。 （ａ）（ｂ）はそれぞれ従来のステンレス構体の説明図である。 （ａ）（ｂ）はそれぞれ従来の鉄道車両用構体の変形の状態についての説明図、（ｃ）は従来の外板と外板横骨部材との関係を示す説明図である。 レーザ溶接を用いる場合に考えられるドア開口近傍の構造を、車体内方側から見た状態を示す斜視図である。 同ドア開口近傍の構造を、車体外方側から見た状態を示す斜視図である。

符号の説明

Ｂ レーザビーム
Ｒ 押さえローラ
１ ドアフレーム
１Ａ 取付基部
２，２’ 戸先柱部材
２Ａ，２Ａ” 基板部
２Ｂ 第１の側板部
２Ｃ 第２の側板部
２Ｄ 第１の取付フランジ部
２Ｅ 第２の取付フランジ部
３ 外板
４Ａ，４Ａ’，４Ｂ 外板横骨部材
４Ａａ 本体部
４Ａｂ，４Ａｃ 取付フランジ部
２４ 窓開口
２５ ドア開口
４１ 補助フレーム

Claims (8)

1. ドア開口を有する外板の内側であって前記ドア開口の側縁に沿って延びる戸先柱部材が、その戸先柱部材に直交する方向に延びる複数の外板横骨部材がそれぞれ配置される鉄道車両用側構体であって、
   前記戸先柱部材及び外板横骨部材が前記外板に接合され、
   前記外板の外側であって前記ドア開口の側縁にドアフレームの取付基部が設けられ、この取付基部が設けられる部分に対応する前記外板の内側部分に前記戸先柱部材についての接合線と前記外板横骨部材についての接合線のドア開口側の止端とが位置する構成とされることを特徴とする鉄道車両用構体。
2. 前記外板横骨部材は、断面略コの字状の本体部と、この本体部の端縁に連続して互いに反対方向に延びるように設けられ前記外板に接合される２つの取付フランジ部とを有する断面ハット形状とされ、
   前記外板のドア開口の側縁と、前記各外板横骨部材の端縁との間に、前記外板に前記戸先柱部材を接合する作業を許容する大きさの空間部が設けられていることを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用構体。
3. 前記外板横骨部材の本体部は、前記ドア開口側の端縁が、車体内方側になるほど前記ドア開口から離れるように傾斜していることを特徴とする請求項２記載の鉄道車両用構体。
4. 前記外板横骨部材は、前記ドア開口側の端部において、前記本体部よりも前記取付フランジ部の方が前記ドア開口側に延びていることを特徴とする請求項２記載の鉄道車両用構体。
5. 前記戸先柱部材は、前記外板と平行に延びる帯状の基板部と、この基板部の一側縁より前記外板側に向かって延びる第１の側板部と、前記基板部の他側縁より前記外板側に向かって延び前記第１の側板部よりも短い第２の側板部と、前記第１の側板部に連接され前記外板を挟んで前記ドアフレームの取付基部に接合される第１の取付フランジ部と、前記第２の側板部に連接され前記外板横骨部材の本体部に接合される第２の取付フランジ部とを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の鉄道車両用構体。
6. 前記戸先柱部材は、前記外板と平行に延びる基板部と、この基板部の一側縁より前記外板側に延びる第１の側板部と、前記基板部の他側縁より前記外板側に延び前記第１の側板部よりも短い第２の側板部と、前記第１の側板部に連接され前記外板を挟んでドアフレームの取付基部に接合されるかあるいは前記外板に接合される取付フランジ部と、前記第２の側板部に形成され前記外板横骨部材の本体部に嵌り込む嵌合部とを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の鉄道車両用構体。
7. 前記ドアフレームの内側に、断面Ｌ字形状の補助フレームが接合され、
   前記戸先柱部材は、前記外板と平行に延び一側縁部が前記補助フレームに接合される基板部と、この基板部の他側縁より前記外板側に延びる側板部と、前記側板部の先端縁より前記外板側に平行に延び前記外板横骨部材の本体部に接合される取付フランジ部とを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の鉄道車両用構体。
8. 前記外板への前記戸先柱部材及び外板横骨部材の接合は、押さえローラが溶接位置近傍を押圧しつつ溶接線に沿って移動して、レーザビームを溶接位置に照射することでレーザ溶接を行うレーザ溶接手段を用いた溶接により行われていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の鉄道車両用構体。

Images