JP2009208651A - 鉄道車両用パネル及び鉄道車両の台枠、側構体、妻構体、屋根構体 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接部分の頂部を床面より突出させることなく、応力集中を回避する。
【解決手段】複数の、平板状の板材１Ａ，１Ａを車体長手方向に沿って配置して各板材１Ａ，１Ａを溶接して床板１を構成する。その溶接部分Ｂを各板材１Ａ，１Ａの表面１Ａａ，１Ａａよりも窪んだ凹部Ｓ内に設ける。溶接部分Ｂの表面Ｂ１は、板材１Ａ，１Ａの表面（床表面に相当する）よりも内方に配置し、溶接部分Ｂは、板材１Ａ，１Ａの表面より超えて外方に突出しないようにする。溶接部分Ｂの端縁は、板材１Ａ，１Ａの表面１Ａａ，１Ａａに対して傾斜する傾斜面１２，１２によって、板材１Ａ，１Ａの表面１Ａａ，１Ａａの端縁につなぐ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鉄道車両用パネル及び鉄道車両の台枠、側構体、妻構体、屋根構体に関するものである。

従来より、アルミニウム合金製の通勤用鉄道車両は知られており、そのような車両の床構造は、一般に、床板、床敷物の下塗り材および床敷物で構成される。床板は板材（例えばダブルスキン構造の押出形材）を車体長手方向に沿って配置して前記各板材を溶接して構成される。床敷物の下塗り材は、ウレタン樹脂を塗布して構成される。床敷物は塩化ビニル樹脂、あるいはゴム、あるいはポリオレフィン等のシート材よりなる。

そのような床構造においては、床板の上に前記下塗り材を塗布しても、溶接部分（溶接ビード）の盛り上がりが、下塗り材や床敷物を押し上げ、床敷物の表面に浮き出る場合がある。そのように浮き出るのを回避するためには、溶接部分の盛り上がりを手間のかかるグラインダー仕上げや機械加工によって切削して除去する必要がある。

そこで、そのような溶接部分の盛り上がりの切削作業を省略するために、床板を構成する板材の溶接部分を、板材の表面よりも一段低く窪んだ凹部内に設け、前記溶接部分の頂部が床板面（板材の表面）よりも上方に出ないようにすることが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。

具体的には、例えば図５に示すように、床板１０１、床敷物層の下塗り層１０２および床敷物層１０３で構成される。床板１０１は、複数の板材１０１Ａ，１０１Ａを車体長手方向に沿って配置し、それら板材１０１Ａ，１０１Ａの突き合わせ部分に各板材１０１Ａの一般表面１０１Ａａよりも窪んだ凹部Ｓを設け、その凹部Ｓ内に板材１０１Ａａ，１０１Ａａの溶接部分Ｂ’を設けることで、溶接部分Ｂ’の表面が板材１０１Ａの一般表面１０１Ａａよりも内方に位置するようにしている。ここで、凹部Ｓは、一般表面１０１Ａａと平行に延びる内表面１０１Ａｂを有する形状で、凹部Ｓを構成する空間の断面積を大きく確保している。ここで、凹部Ｓ’、溶接部分Ｂ’の幅Ｗ１１，Ｗ１２はそれぞれ２０ｍｍ，１２ｍｍで、余盛Ｈ１３＝１．５ｍｍである。継手板厚Ｈ１１＝３ｍｍ，凹部深さＨ１２＝２ｍｍである。下塗り層１０２の厚さＴ１１＝２ｍｍ、床敷物１０３の厚さＴ１２＝３ｍｍである。
特開平１０−１７５５４２号公報（段落０００６〜００１２及び図１〜図３） 特開２００６−１１１１８７号公報（段落００１３〜００２３及び図１〜図４）

しかしながら、特許文献１，２に記載の構造や図５に示す構造では、台枠の一部である床板を構成する板材の溶接部分を、板材の表面よりも一段低く窪んだ凹部内に設けているため、乗客荷重及び床下機器の荷重などが床板に作用して曲げ変形すると、その凹部のコーナ部や溶接部分の端部に著しい応力集中が生じる場合がある。

この発明は、板材同士を接合するための溶接部分の表面を前記板材の表面（床板面）より突出させることなく、応力集中を回避した 鉄道車両パネル及び鉄道車両の台枠、側構体、妻構体、屋根構体を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、複数の板材を車体長手方向に沿って配置して前記各板材を溶接し、その溶接部分を前記各板材の表面よりも窪んだ凹部内に設ける鉄道車両用パネルであって、前記溶接部分の表面を、前記板材の表面よりも内方に配置するとともに、前記溶接部分の端縁を、前記板材の表面に対して傾斜する傾斜面によって前記板材の表面の端縁につないでいることを特徴とする。

このようにすれば、板材同士の溶接部分の端縁を、前記板材の表面に対して傾斜する傾斜面によって前記板材の表面の端縁につないでいるので、曲げ変形しても、応力集中が回避される。また、特許文献１，２に記載の構造や図５示す構造のものよりも凹部の断面積を小さくすることができるようになり、床板に使用する場合には、下塗り層を構成する下塗り材の使用量が少なくてよくなり、側板に使用する場合には、パテ（塗装前における下地処理の際に、地肌に塗って表面の小さな傷や凹凸を埋めるために用いられる充填材料）の使用量が少なくてよくなる。

この場合、請求項２に記載のように、前記溶接部分の表面は前記板材の表面よりも、０．５ｍｍ程度内方に位置し、前記板材の表面の端縁と前記溶接部分の端縁との間の傾斜部分の幅は１．５ｍｍ程度であることが望ましい。

このようにすれば、応力集中を回避して、下塗り層を構成する下塗り材などが充填される凹部の断面積を小さくすることを無理なく実現することができる。

請求項３に記載のように、前記板材は、平行に延びる２つの面板部がウエブ部にて結合されてなるダブルスキン構造の押し出し形材の前記面板部の一方である構成とすることができる。

このようにすれば、ダブルスキン構造の押し出し形材同士を、曲げ変形による応力集中を低減できるように、突き合わせ溶接することが可能となる。

特に、板材（面板部）が台枠の下側になる場合であって枕はり部を設ける場合や、板材（面板部）が側構体の内板である場合であってドア開口付近に補強骨を設ける場合には、溶接ビードが出ていないので、手間のかかるグラインダー仕上げや機械加工によって従来のように削る必要がなくなる。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の鉄道車両用パネルを床板として用いる鉄道車両の台枠であって、前記凹部内を含めて前記板材の表面上に下塗り層が形成され、その下塗り層上に床敷物層がそれぞれ積層されることを特徴とする。

このようにすれば、開先の上端縁と一般表面の端縁とが傾斜面で結合されているので、曲げ変形しても、応力集中が回避され、また、特許文献１，２に記載の構造や図４に示す構造のものよりも凹部の断面積が小さくすることができ、床板に使用する場合には、下塗り層を構成する下塗り材の使用量が少なくてよくなる。

請求項１〜３のいずれかに記載の鉄道車両用パネルは、それらを床板として用いる鉄道車両の台枠だけでなく、側構体、妻構体あるいは屋根構体の、車体外部に面する外板としても用いることができる。

つまり、請求項１〜３のいずれかに記載の鉄道車両用パネルの板材を外板（側板）として用いる鉄道車両の側構体の場合は、請求項５に記載のように、前記凹部内であって前記溶接部分の表面上がパテで埋められ、その上に塗装仕上げ層が形成されている構成とする。また、請求項１〜３のいずれかに記載の鉄道車両用パネルの板材を外板として用いる鉄道車両の妻構体の場合は、請求項６に記載のように、前記凹部内であって前記溶接部分の表面上がパテで埋められ、その上に塗装仕上げ層が形成されている構成とする。

これらの場合には、溶接ビードが側構体や妻構体の外板の表面より突出しないので、機械仕上げすることなく、パテで埋めるだけで、そのまま塗装すればよいことになる。

請求項１〜３のいずれかに記載の鉄道車両用パネルの板材を外板として用いる鉄道車両の屋根構体の場合は、請求項７に記載のように、前記凹部内であって前記溶接部分の表面上に、絶縁層が形成されるかあるいはパテで埋めて塗装仕上げ層が形成されている構成とする。

このようにすれば、溶接ビードが屋根構体の外板の表面より突出しないので、機械仕上げすることなく、絶縁層を形成するかあるいはパテで埋めて塗装仕上げ層を形成するだけでよいことになる。

つまり直流車両の場合には、架線が切れた場合に、屋根構体については絶縁性が求められるが、溶接ビードが外板の表面より突出していないので、機械仕上げをすることなく、屋根用絶縁材（例えばローンテックス−ＲＦ（ウレタン樹脂を主原料とする車両屋根塗膜材））を塗布することによって屋根絶縁層を形成すればよい。交流車両の場合は、そのような屋根用絶縁材では絶縁性が確保できないため、通常塗装仕上げとなるが、屋根部分においても側構体や妻構体の車両外部に面する外板同様、溶接ビードが表面より突出していないので、手間のかかるグラインダー仕上げや機械加工によって削ることなく、凹部をパテで埋めその上に塗装仕上げを行うことができる。

本発明は、板材同士の溶接部分の端縁を、前記板材の表面に対して傾斜する傾斜面によって前記板材の表面の端縁につないでいるので、曲げ変形しても、応力集中を回避することができる。特に、溶接ビードが表面より突出していないため、手間のかかるグラインダー仕上げや機械加工によって削ることが不要であるので、鉄道車両の構体の製造に大幅な工数の削減の効果がある。また、特許文献１，２などに記載ものよりも凹部の断面積を小さくすることができるので、床板に使用する場合には、下塗り層を構成する下塗り材の使用量が少なくすることができ、側板に使用する場合には、パテの使用量を少なくすることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に沿って説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係る鉄道車両用パネルの接合部分を示す断面図である。

図１に示すように、１はアルミニウム合金製の通勤用鉄道車両の床構造に用いられる床板（鉄道車両用パネル）で、その上側に下塗り層２および床敷物層３が順に積層されて構成される。

この床板１は、複数の、平板状の板材１Ａ，１Ａを車体長手方向に沿って配置して各板材１Ａ，１Ａを溶接し、その溶接部分Ｂを各板材１Ａ，１Ａの表面１Ａａ，１Ａａよりも窪んだ凹部Ｓ内に設けている。よって、板材１Ａ，１Ａ同士を接合する溶接線は車体長手方向に延びている。ここで、床板１は、平行に延びる２つの面板部がウエブ部にて結合されてなるダブルスキン構造の押し出し形材の前記面板部の一方に相当するもので、もう一方の面板部及びウエブ部の図示は省略している。なお、１１，１１は各板材１Ａ，１Ａの端部に設けられＶ形開先を構成する開先面である。開先角度θは７０°である。

溶接部分Ｂの表面Ｂ１は、板材１Ａ，１Ａの表面（床表面に相当する）よりも内方に配置されている。よって、溶接部分Ｂは、板材１Ａ，１Ａの表面より超えて外方に突出しないようになっている。

また、溶接部分Ｂの端縁は、板材１Ａ，１Ａの表面１Ａａ，１Ａａに対して傾斜する傾斜面１２，１２によって、板材１Ａ，１Ａの表面１Ａａ，１Ａａの端縁につながれている。つまり、開先面１１，１１の上端縁と板材１Ａ，１Ａの一般表面１Ａａ，１Ａａの（凹部Ｓに臨む）端縁とが傾斜面１２，１２でつながっていることになる。

そして、この実施例では、板材１Ａ，１Ａの表面１Ａａ，１Ａａの端縁と溶接部分Ｂの端縁との間の傾斜部分１２の幅ΔＬ１は１．５ｍｍ程度である。溶接部分Ｂの表面Ｂ１は板材１Ａ，１Ａの表面１Ａａ，１Ａａ（床板１の表面）よりも、ΔＬ２＝０．５ｍｍ程度だけ内方に位置している。ここで、その他の寸法関係の一例を示すと、板材１Ａの厚さは５ｍｍで、開先面１１は高さＨ１＝３ｍｍ、傾斜面Ｈ２＝２ｍｍ、凹部Ｓの幅Ｗ１＝１５ｍｍである。また、開先面１１の下端縁はＷ２＝１ｍｍの隙間があり、溶接部分Ｂは、中心から左右幅方向にＷ３＝６ｍｍずつ広がっている。

床敷物層３の下塗り層２は、凹部Ｓ内も含めて床板１の表面（板材１Ａ，１Ａの表面１Ａａ，１Ａａ）上に厚さＴ１＝２ｍｍ程度でもって塗布されたウレタン樹脂層として構成されている。また、床敷物層３は塩化ビニル樹脂、あるいはゴム、あるいはポリオレフィン等のシート材よりなり、厚さＴ２が３ｍｍ程度とされる。

続いて、前述した、平行に延びる２つの面板部がウエブ部にて結合されてなるダブルスキン構造の押し出し形材によって形成される床板に、乗客・機器に相当する等分布荷重９１２３Ｎ／ｍ^２を付加したときの応力分布を、前述した本発明の実施例と、従来例（図５に示す構造）とについて解析した結果を説明する。

まず、前提として、床板に乗客機器に相当する等分布荷重が作用すると、前記床板は下に向かって突出するように曲げ変形するので、床板を、ダブルスキン構造の押し出し形材で構成する場合には、上下面板部のうち上側の面板部には圧縮応力が、下側の面板部には引張応力がそれぞれ作用することになる。そのため、溶接部分は、面板部の表面より突出しないように、凹部内に継ぎ手を設けるようにした構造では、この凹部付近の位置で応力集中を生じ、疲労強度の低下の原因となるおそれがあるので、この点を解析により検討した。

図３（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ図２に示す床板の解析モデルのＬＩＮＥ１〜４における応力分布を示すもので、ＬＩＮＥ１〜４における部位はいずれも疲労強度に大きく影響する部位である。

図３（ａ）は上側面板部の表面側の応力分布を示す。従来例では、公称応力は、−４０ＭＰａ程度であるのに対し、集中応力は、−１４０ＭＰａ程度に達し、応力集中係数は３以上になる。これに対し、本実施例の構造では、集中応力は、−６０ＭＰａ程度であるので、応力集中係数は高々１．５である。

図３（ｂ）は上側面板部の裏面側の応力分布を示し、従来例では応力の交番があるほど応力値の変化があるが、本実施例の構造では滑らかな応力分布となっている。

図３（ｃ）は下側面板部の表面側の応力分布を示し、（ｂ）の場合と同様の挙動となっている。

図３（ｄ）は下側面板部の表面側に応力分布を示す。従来例では、公称応力は、４０ＭＰａ程度であるのに対し、集中応力は、１７０ＭＰａ程度に達し、応力集中係数は、４以上になる。これに対し、本実施例の構造では、集中応力は、８０ＭＰａ弱であり、応力集中係数は、高々２である。

これらの解析結果から、従来の構造とこの発明の実施例に係る構造とを比較すると、集中応力が大幅に緩和され、応力集中係数はおよそ半分以下になることがわかる。

前記実施の形態では、床板に用いる場合について説明しているが、側板に用いることも可能である。この場合には、凹部の断面積が小さくなるので、曲げ変形に対して応力集中が低減されるのに加えて、塗装に用いるパテの使用量が減少し、また、段付き部の角度が緩和されるので、塗装の割れが防止される、という効果が得られる。

また、前述したような継ぎ手構造であれば、凹部内の空間の断面積が小さくなるので、面坂同士の溶接線に直交する方向に、他の部材を前記面板部上に隅肉溶接する場合も、当該溶接線上を連続する隅肉溶接が施工されても、品質上問題がない。特許文献１，２に記載のものでは、凹部内の空間の断面積が大きく、その部分で隅肉溶接が構成されがたい。

続いて、突合せ継手について，疲労強度試験を行った結果を図４に示す。図４は、本実施例による疲労データと、突合せ継手の一般的な疲労データとしての（ａ）片面突合せ継手（板厚２．３ｍｍ、溶接まま）、（ｂ）片面突合せ継手（裏当て一体型、板厚２．３ｍｍ、表面溶接ビード研削除去）とを比較して示している。

図４によると、本実施例による疲労強度は、これまでに取得された一般的な片面突合せ継手と同等の疲労強度を有していることがわかる。

先に述べたように、本実施例に係る試験片は屈折型Ｖ溝を設けて溶接したものであり、溶接止端部近傍が凹形状となって板厚が５％程度減少している。一方、溶接止端部の応力集中率は、実測によると平均で１．４９、最大でもせいぜい１．７２程度であり、Ａ６Ｎ０１Ｓ−Ｔ５の突合せＭＩＧ溶接継手における溶接止端部の一般的な応力集中率１．７〜４．６よりも低い。

つまり、本来であれば，本実施例では屈折型Ｖ溝を設けて断面積が減少したことにより疲労強度が低下すると考えられるところ、溶接ビード止端形状が滑らかで応力集中が緩和されたことによって疲労強度が向上し、結果として本実施例の突合せ継手の疲労強度は、従来の一般的な突合せ継手の疲労強度と同等となったものと考えられる。

本発明は，前記実施の形態のほか、次のように変更することも可能である。

(i)前記実施の形態では、平行に延びる２つの面板部がウエブ部にて結合されてなるダブルスキン構造の押し出し形材を用いて床板を構成しているが、通常の平板を用いてもよいのはもちろんである。

(ii)前記実施の形態では、鉄道車両用パネルの板材は、それを床板として用いる鉄道車両の台枠だけでなく、側構体の外板としても用いることができる。その場合には、前記凹部内であって前記溶接部分の表面上がパテで埋められ、その上に塗装仕上げ層が形成されている構成とすればよい。溶接ビードが側構体や妻構体の外板の表面より突出しないので、手間のかかるグラインダー仕上げや機械加工によって削る必要がなくなり、パテで埋めるだけで、そのまま塗装すればよくなるからである。

(iii)また、同様に、妻構体の外板としても用いることができる。この場合には、前記凹部内であって前記溶接部分の表面上がパテで埋められ、その上に塗装仕上げ層が形成されている構成とすればよい。

(iv)また、屋根構体としても用いることができ、この場合には、前記凹部内であって前記溶接部分の表面上に絶縁層を形成することで埋められている構成とすればよい。直流車両の場合には、架線が切れた場合に、屋根構体については絶縁性が求められるが、溶接ビードが外板の表面より突出していないので、機械仕上げをすることなく、屋根用絶縁材（例えばローンテックス−ＲＦ（ウレタン樹脂を主原料とする車両屋根塗膜材））を塗布することによって屋根絶縁層を形成すればよい。交流車両の場合は、そのような屋根用絶縁材では絶縁性が確保できないため、通常塗装仕上げとなるが、屋根部分においても側構体や妻構体の車両外部に面する外板同様、溶接ビードが表面より突出していないので、手間がかかるグラインダー仕上げや機械加工によって削ることなく、凹部をパテで埋めその上に塗装仕上げを行うことが可能となる。

本発明の一実施の形態に係る鉄道車両用パネルの接合部分を示す断面図である。 床板の解析モデルの説明図である。 （ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、図２のＬＩＮＥ１〜４における解析結果の説明図である。 突合せ溶接継手についての、本実施例による疲労データと、一般的な疲労データとを比較して示す図である。 従来例についての図１と同様な図である。

符号の説明

Ｓ 凹部
Ｂ 溶接部分
Ｂ１ 表面
１ 床板（面板部）
１Ａ 板材
１Ａａ 表面
１１ 開先面
１２ 傾斜面

Claims (7)

1. 複数の板材を車体長手方向に沿って配置して前記各板材を溶接し、その溶接部分を前記各板材の表面よりも窪んだ凹部内に設ける鉄道車両用パネルであって、
   前記溶接部分の表面を、前記板材の表面よりも内方に配置するとともに、
   前記溶接部分の端縁を、前記板材の表面に対して傾斜する傾斜面によって前記板材の表面の端縁につないでいることを特徴とする鉄道車両用パネル。
2. 前記溶接部分の表面は前記板材の表面よりも、０．５ｍｍ程度内方に位置し、前記板材の表面の端縁と前記溶接部分の端縁との間の傾斜部分の幅は１．５ｍｍ程度であることを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用パネル。
3. 前記板材は、平行に延びる２つの面板部がウエブ部にて結合されてなるダブルスキン構造の押し出し形材の前記面板部の一方であることを特徴とする請求項１または２記載の鉄道車両用パネル。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の鉄道車両用パネルを床板として用いる鉄道車両の台枠であって、
   前記凹部内を含めて前記板材の表面上に下塗り層が形成され、その下塗り層上に床敷物層がそれぞれ積層されることを特徴とする鉄道車両の台枠。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載の鉄道車両用パネルの板材を外板として用いる鉄道車両の側構体であって、
   前記凹部内であって前記溶接部分の表面上がパテで埋められ、その上に塗装仕上げ層が形成されていることを特徴とする鉄道車両の側構体。
6. 請求項１〜３のいずれかに記載の鉄道車両用パネルの板材を外板として用いる鉄道車両の妻構体であって、
   前記凹部内であって前記溶接部分の表面上がパテで埋められ、その上に塗装仕上げ層が形成されていることを特徴とする鉄道車両の妻構体。
7. 請求項１〜３のいずれかに記載の鉄道車両用パネルの板材を外板として用いる鉄道車両の屋根構体であって、
   前記凹部内であって前記溶接部分の表面上に、絶縁層が形成されるかあるいはパテで埋めて塗装仕上げ層が形成されていることを特徴とする鉄道車両の屋根構体。

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