JP2007126027A - 鉄道車両の車体構造 - Google Patents

Abstract

【課題】補強構造によって客室空間が狭められることなしに、横方向からの衝撃力に対する強度が高められるようにするステンレス製セミモノコック構造の鉄道車両の車両構体を提供する。
【解決手段】台枠の側梁、横梁が断面コ型の部材（断面ハット型部材）であるステンレス製セミモノコック車体構造体について、側構体の側柱１２及び出入口柱１３の下端に台枠の横梁の位置を一致させてこれらを互いに連結し、側柱１２及び出入口柱１３の上端に屋根構体のタルキ３の位置を一致させてこれらを互いに連結し、上記横梁の上下フランジの端縁にリップを溶接して横梁を補強し、側柱の下端位置において上記側梁に補強部材を嵌めて溶接し、側柱の下端を側梁の上面に溶接して上記補強部材を介して側柱の下端と横梁の端部とを一体的に固着した。
【選択図】図２

Description

この発明は鉄道車両の車両構体に関するものであり、横方向から側構体にかかる衝撃力に対する車両構体の剛性を高めて、上記衝撃力から客室を護り、客室内の乗客の安全性を向上させることができるものである。

列車同士の衝突事故や追突事故は、自動車などとの衝突事故に比較してその発生頻度は少ないが、考慮しておくべき案件の一つであり、これらの事故時の衝撃を効果的に吸収緩和し、また、車両構体の変形を効果的に抑制するための工夫が種々になされている（特開平１１−１９２９４１号公報）。また、鉄道車両が斜め方向から衝突する場合を想定して、この場合の衝撃力を車両構体で効果的に吸収するための工夫をしたものもある（特開２００２−３１６６４０号公報、特開２００２−６７９５１号公報）。

鉄道車両はレール上を走行するものであるから、その側構体に横方向から大きな衝撃力がかかることは想定しにくいことではあるが、しかし、踏切を走行中の鉄道車両に自動車が進入してくる場合、車両が脱線した場合等においては想定されないことではない。したがって、車両構体が横方向からの大きな衝撃力に対しても一定の強度を有し、仮に、横方向からの衝撃力がかかった場合でも破壊の程度を可及的に小さくすることが必要である。

ところで、鉄道車両の車両構体は、台枠（床構造物）、側構体（側構造物）、屋根構体（屋根構造部物）、さらに、妻構体（妻構造物）からなり、これら構体の構造は、それぞれに対する諸要求に対応できるようにそれぞれ構造設計されている。
そしてその台枠は、断面形状コ型の部材による左右の側梁２０を横梁２１で繋ぎ、横梁２１，２１の中央部を中梁１８，１８で互いに連結し、これらの骨材に床波板２２を固着したものであり、また、側構体は、窓位置、出入口位置に応じて配置された側柱１２，この側柱１２，１２間の間柱４０、外板補強８、出入口の両側の出入口柱１３、幕帯１０、腰帯１１、腰板７、吹寄板６、幕板５等で構成されたものであり、さらに、屋根構体は、左右の長けた４，４を多数のタルキ３で繋ぎ、屋根波板１を固着して構成されたものである。

鉄道車両の車体構造には種々のものがあるが、最近では、ステンレス製のセミモノコック構造のもの、アルミ製のダブルスキン構造（モノコック構造）のものが主流に成っている。
ステンレス製のセミモノコック構造のものは、図４に示す様な構造で、比較的軽量で強度的にも優れている。
そして、台枠の左右の側梁（断面コ型の部材）２０に側構体の側柱１２の下端を載せて連結し、側構体の長けた４に屋根構体のタルキ３の両端を載せて連結して車体構体が組み立てられる。

側構体の側柱１２は、窓の配置、出入口の配置などの都合に合わせつつ、かつ側構体の強度が確保されるようにその配置と構造が設計されており、台枠の横梁２１は、床下機器の配置、床下機器の支持機構などとの関係から、これらの都合に合わせつつ、かつ台枠の強度が確保されるようにその配置と構造が設計されている。又、屋根構体のタルキ３は屋根裏機器の配置等の都合に合わせつつ、かつ屋根構体の強度が確保されるようにその配置と構造が設計されている。

以上のとおりであるから、側構体の側柱１２、台枠の横梁２１、屋根構体のタルキ３の車体前後方向の位置には相関関係はなく、従って、側構体の側柱１２は台枠の側梁２０に連結され、屋根構体のタルキ３は側梁の長けた４に連結されているにすぎない。
一般の鉄道車両の場合は、飛行機や船舶のように外側から強い圧力を受けることはないから、外圧に対する高強度構造にする必要はなく、従って、横からの強い力に対して特別な強度構造を備えているものではない。
すなわち、従来の鉄道車両の車両構体における側梁２０、長けた４は単体では横方向からの衝撃力に対して比較的剛性が低いので、これらを上下支持点としている側構体も横方向からの大きな衝撃力に対して変形しやすいと言える。

他方、横方向の衝撃力に対する強度を高めるように車両構体の構造を工夫する必要があるが、その場合は、重量増加が最小限にとどめられるように、工夫する必要がある。
特開平１１−１９２９４１号公報 特開２００２−３１６６４０号公報 特開２００２−６７９５１号公報

この発明は、ステンレス製セミモノコック構造の鉄道車両の車両構体について、格別の重量増加を伴うことなしに、また、補強構造によって客室空間が狭められることなしに、横方向からの衝撃力に対する強度が高められるようにすることを目的とするものであり、横方向からの衝撃力に対して、側構体と台枠及び屋根構体が一体となった高強度構造が構成されるように、側構体、台枠、屋根構体のそれぞれの構造、及び、側柱、横梁、タルキの連結構造を工夫したものである。

この発明は、台枠の側梁、横梁が断面コ型の部材（断面ハット型部材）であるセミモノコック車体構造体について、
側構体の側柱１２及び出入口柱１３の下端に台枠の横梁の位置を一致させてこれらを互いに連結し、
側柱１２及び出入口柱１３の上端に屋根構体のタルキ３の位置を一致させてこれらを互いに連結し、当該連結部をガセットで補強して一体化し、
側柱の下端位置において上記側梁の断面内部に補強部材を嵌めて補剛し、側柱の下端を側梁の上面に溶接して上記補強部材を介して側柱の下端と横梁の端部とを一体的に固着したこと。

上記の車体構造は、左右の側柱の下端と横梁とが一体的に連結され、また、側柱の上端がタルキと一体的に連結されているので、側柱と横梁とタルキとによって、リング状構造体が構成され、その結果、側構体と台枠と屋根構体とによる一体の車両構体が構成される。上記リング構造体は外側から内側への力に対する剛性が高いので、横方向からの衝撃力に対する車両構体の強度が著しく高められる。
そしてまた、側柱の下端位置において上記側梁に補強部材を嵌めて固着し、当該補強部材を介して側柱の下端と横梁の端部とを固着したことによって、側柱と横梁とを一体的に連結させることができるとともに、横梁の座屈（バックリング）強度が高められるので、台枠の横方向力に対する剛性が高められる。その結果、側構体にかかる横方向からの衝撃力は車両構体全体で受け止められる（殊に、台枠によってしっかりと受け止められる）ので、この衝撃力による側構体の変形、破壊が抑制され、その結果、客室の安全が確保される。

そして、この車両構体の構成は、特別な補強部材によるものではなく、既存の側柱と横梁とタルキとを利用してリング状構造物を構成し、横梁への側柱の連結構造を強化し、横梁にリップを固着してこれを強化したものであるから、補強に伴う重量増加は最小限度に抑制される。
また、補強部材を断面コ型（断面ハット型）の側梁の中に嵌めて溶接して固着し、この補強部材を介して側柱と横梁とを強固に固着するものであるから、この結合部の補強構造は側梁内に収められ、台枠の床板（横梁よりも２０ミリメートル上に張られているもの）から上方に突出することはなく、従って、この補強構造のために客室空間が狭められることはない。

次いで、図面を参照しながら、実施例を説明する。
この実施例は、図４に示す従来のステンレス製セミモノコック車両構体を基本とするものであり、側構体の窓の両側に側柱１２，１２があり、出入口の両側に出入口柱１３，１３があり、これらの側柱１２，１２、出入口柱１３、１３の断面形状及びその配置は、図４の従来例と違いは無い。
なお、解決手段の説明における「側柱」は、側構体の下端から上端まで伸びた柱構造物を意味し、上記の側柱１２と出入口柱１３，１３はこれに当たる。

上記の側柱１２，１２、出入口柱１３，１３の各柱の位置に一部の横梁２１Ａの位置が一致しており、その左右両端が側柱１２、出入口柱１３の下端にそれぞれ固着されている。
また、同様に、側柱１２，１２、出入口柱１３，１３の位置に一部のタルキ３Ａの位置が一致しており、その左右両端が側柱１２，出入口柱１３の上端にそれぞれ固着されている。これにより、側柱１２、横梁２１Ａ、タルキ３Ａによるリング構造材が構成されている。このリング構造材における側柱１２（及び出入口柱１３．以下同じ）は、側構体の支柱であるとともに、横方向からの衝撃力を受け止め、これを横梁２１Ａ、タルキ３Ａに伝える構造部材でもあるから、この実施例では、図４の従来例の車両構造体における側柱（例えば、幅が５０ｍｍ、高さが４０ｍｍの断面ハット型材）よりも、高さが２倍の太材（断面形状の幅が５０ｍｍ、高さが８０ｍｍの断面ハット型材）を用いている。同様に、タルキ３Ａについても、側柱に連結されているものはその板厚が従来のものよりも３倍程度厚い太材を用いている。

側柱１２の下端を断面ハット型の側梁２０（例えば、幅６０ｍｍ、高さ１５０ｍｍの断面ハット型材）の上に載せて溶接して固着し、その下方位置において、側柱と同じ断面構造の補強部材３０を側梁２０にはめ込み、これを側梁２０に溶接して固着している。したがって、側柱１２は補強部材３０を介して強固に側梁２０に固着されている。この補強部材３０と横梁２１Ａの端部との結合構造は、図３−１の図（ａ）に示すとおりであり、プラグ溶接で結合させている。また、図（ｂ）に示すようにフレア溶接で結合させてもよい。
他方、横梁についても、側柱１２に連結されている横梁２１Ａは、図４に示す従来の車両構造と同様に断面ハット型の部材（幅２５ｍｍ、高さ１５０ｍｍ）であるが、その上下フランジ２１ｆ、２１ｆの先端に厚さ３ｍｍ、幅７５ｍｍの細い板状のリップ３１を溶接してあり、これによって横梁２１Ａの曲げ荷重に対する強度を大幅に向上させている。

以上の構造を有する横梁２１Ａの上下フランジを上記補強部材３０につき合わせるかあるいは側梁フランジに重ねて溶接している。横梁２１Ａのウエブは補強部材３０のウエブに対応する位置につき合わせるか重ねて溶接されて補強部材３０を介して側柱１２に連結され、強固に結合されている。

側柱１２の上端は、屋根構体の長けた４を介してタルキ３Ａに連結されているが、側柱１２の上端とタルキ３Ａの下端とをガセット３２で連結して、側柱１２とタルキ３Ａとの結合を強化している。
なお、ガセットを用いた構造材連結構造は従来周知であるから詳細な説明は省略するが、必要なら、一例として実公昭６３−８５３３号公報に記載されている側柱と側梁とのガセットによる接合構造を参照されたい。

また、側柱１２に連結され横梁２１Ａに隣接する他の横梁２１についてもリップ３１を固着してこれを補強すれば、このことにより、横方向からの衝撃負荷に対する台枠の強度を向上させ、上記のリング構造による車両構造体の補強効果をさらに向上させることができる。

側構体の側柱１２(または出入口柱１３)は、窓の配置、出入口の配置によって決まり、台枠の横梁２１のうちの、側柱１２(又は出入口柱１３)に連結された横梁２１Ａの配置は側柱１２(または出入口柱１３)の位置によって決まり、同様に、側柱１２(または出入口柱１３)に連結されたタルキ３Ａの配置も側柱１２(または出入口柱１３)の位置によって決まる。したがって、これらの横梁２１Ａ、タルキ３Ａに取り付けられる床下機器、屋根裏機器の取り付け機構はそれぞれの横梁２１の位置、タルキ３Ａの位置に合わせて設計することが必要である。

なお、上記実施例では、側柱１２と横梁２１Ａの端部とは補強部材３０を介して強硬に連結されているので、側柱１２が根元から客室側に倒れ込んで、客室が大きくつぶされることが防止される。すなわち、従来のものでは、側柱１２に大きな横負荷がかかったときに、側柱１２の下端と側梁２０の上フランジとの接続が破断され、あるいは、側柱１２のモーメントによって側梁２０の上フランジ２０ｆが下方に変形して側柱１２が根元から客室側に大きく倒れ込み、このために客室の下方空間（乗客の占有空間）が大きくつぶされることになる。しかし、この実施例においてガセットによる補強構造を付加すれば、側梁２０の上フランジ２０ｆが補強部材３０によって強固に支えられるので、側梁の上フランジ２０ｆが下方に変形することはなく、従って、側柱が根元から客室側に倒れ込む可能性は低減される。
また、側柱１２の下端と横梁２１の端部とをガセットを用いて強硬に連結すれば、さらに側柱１２と横梁２１との連結強度が高くなる。他方、横梁２１と床板との間の隙間は２０数ｍｍにすぎないので、側柱１２と横梁２１との連結補強用にガセットを用いると、そのガセットが床板から相当上方に突き出るので、客室空間に露出するという不都合がある。この場合は、乗客用シートで上記ガセットを覆うように、シートの配置を工夫できれば、問題は幾分軽減されるので、ガセットによる補強手段を採用することもできないことではない。

また、鉄道車両の出入口柱１３については、側梁とガセットを利用して直接連結すると、当該カセットが室内に突出してこれが出入口の邪魔になる。従って、上記ガセットが室内で実用上邪魔に成らないように、連結部のガセットによる補強構造を工夫する必要がある。

また、側梁２０に側柱１２と同じ断面構造の補強部材３０をはめ込んで溶接し、これを介して側柱１２と横梁２１の端部とを一体的に結合させているが、側梁２０の上フランジ２０fの一部を切り欠き、この切り欠き部に側柱１２の下端部１２ｅを挿入し、側柱１２の下端部１２ｅを側梁２０に溶接して固着し、さらに当該下端部１２ｅに横梁２１Ａの端部を溶接して一体化することもできる（図３参照）。そして、この連結構造の方が上記実施例よりも強度的には幾分優れている。
しかし、鉄道車両の構体は、側構体、台枠、屋根構体がそれぞれ別個に組み立てられ、側構体が台枠に組み付けられるのが一般的であり、これ以外にはない。この連結構造によるときは、極めて長い側梁２０の上フランジ２０ｆに、正確な位置に上記切り欠きを設けることが容易でなく、設備的に、また工数的にコストが高くなることが避けられない。また、上記のような側構体と台枠との立て方法を前提とすれば、側梁２０の多数の切り欠きに多数の側柱１２の下端を正確に位置あわせして、一斉に落とし込むことは容易でなく、この組み付けが極めて困難である。したがって、一般論としては、この連結構造を採用することも可能であるが、実際にこれを採用するのは、車両構体の組み立て作業面からして実際的ではない。

は、この発明の鉄道車両構体における側柱、横梁、タルキによるリング構造を示す斜視図である。 （ａ）は、実施例の斜視図であり、（ｂ）は側柱と横梁との結合部を示す一部拡大図である。 は、側柱と横梁との他の連結構造の一部拡大図である。 （ａ）は、図３における要部結合構造を示す拡大斜視図、（ｂ）は同結後部の他の結合構造の例を示す断面図である。 は、従来のステンレス製セミモノコック車両構体の斜視図である。

符号の説明

３，３Ａ：タルキ
４：長けた
５：幕板
６：吹寄板
７：腰板
８：外板補強
１０：幕帯
１１：腰帯
１２：側柱
１３：出入口柱
２０：側梁
２０ｆ：上フランジ
２１ｆ：フランジ
２１，２１Ａ：横梁
２２：床波板
３０：補強部材
３１：リップ

Claims (4)

1. 台枠、側構体、屋根構体、妻構体とによる鉄道車両の車両構体であり、
   側構体の側柱（１２）及び出入口柱（１３）の下端に台枠の横梁の位置を一致させてこれらを互いに連結して構成されるセミモノコック構造の車両構体であって、
   側柱の下端位置において上記側梁の断面内部に補強部材を嵌めて補剛し、側柱の下端を側梁の上面に接合し、上記横梁の端部を上記補強部材及び上記側梁に接合することによって上記補強部材を介して側柱の下端と横梁の端部とを一体的に固着したことを特徴とする鉄道車両の車両構体。
2. 上記補強部材が上記側柱又は出入口柱のウエブとフランジの一部又は全部が一致する断面を有することを特徴とする請求項１の鉄道車両の車両構体。
3. 台枠、側構体、屋根構体、妻構体とによる鉄道車両の車両構体であり、
   側構体の側柱（１２）及び出入口柱（１３）の下端に台枠の横梁（２１Ａ）の位置を一致させてこれらを互いに連結して構成されるセミモノコック構造の車両構体であって、
   側柱の下端位置において上記側梁に補強部材（３０）を嵌めて補強し、側柱（１２）又は出入口柱（１３）の下端を側梁の上面に接合し、上記横梁（２１Ａ）の端部を上記補強部材（３０）及び上記側梁（２０）に接合することによって上記補強部材（３０）を介して側柱（１２）又は出入口柱（１３）の下端と横梁（２１Ａ）の端部とを一体的に固着されており、
   側構体の側柱（１２）及び出入口柱（１３）の上端に屋根構体のタルキ（３Ａ）の位置を一致させてこれらが互いに一体的に固着していることを特徴する鉄道車両の車両構体。
4. 請求項３の鉄道車両の車両構体において、側柱（１２）及び出入口柱（１３）の上端と屋根構体のタルキ（３Ａ）との連結部がガセット（３２）で補強されていることを特徴とする鉄道車両の車両構体。
   

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