JP2010254122A - 軌道系交通車両 - Google Patents

Abstract

【課題】台枠の重量の増加を抑えつつ剛性を大幅に高めることができ、上部構体のＦＲＰ化を実現することができる軌道系交通車両を提供する。
【解決手段】前部と後部の下部に台車３が配置される台枠２の上部に上部構体４を取付けた軌道系交通車両１において、上記台枠２は、前後の端部梁２ａ，２ａ間の両側に側梁２ｂ，２ｂを設けると共に、両側梁２ｂ，２ｂ間に複数の枕梁２ｃを設け、上記端部梁２ａと最外側の枕梁２ｃの間に上記台車３を取付けるための台車取付梁２ｄを設けて構成されており、上記台枠２の長手方向中央領域に補強梁１５を設けている。
【選択図】図４

Description

本発明は、軌道系交通車両に係り、特に重量の増加を抑えつつ台枠の剛性を高める技術に関するものである。

軌道系交通車両としては、鉄道車両の他に、軌道上をゴムタイヤからなる走行輪で走行し、無人で自動操舵される新交通システムの車両が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この新交通システムの車両は、通常、レール上を走行する鉄道車両と異なり、ゴムタイヤからなる走行輪を軌道に沿って転向ないし操舵するために、車両の両側に走行案内輪が設けられ、この走行案内輪が軌道の両側に沿って設けられた案内レールに接触して案内されることにより、車両が機械的に操舵されて走行するようになっている。

ところで、鉄道車両は、車輪及び駆動部を有する前後の台車（ボギー）の上に台枠（アンダーフレーム）を載置し、その台枠の上に上部構体（上部構造体、車体ともいう。）を取付けた構造を有している。台枠は、図７に示すように前後の端部梁２ａ間の両側に側梁２ｂを設けると共に、両側梁２ｂ間に複数の枕梁２ｃを設け、上記端部梁２ａと最外側の枕梁２ｃの間に上記台車３を取付けるための台車取付梁２ｄを設けて構成されている。このような鉄道車両においては、上部構体がステンレスやアルミニウム合金などの金属によって形成されていて高い剛性を有し、上部構体に車両全体の剛性の７０％を持たせ、３０％を台枠に持たせている。

特開２００６−２４１６８４号公報

一方、上記新交通システムの車両のように、ゴムタイヤで走行する車両においては、タイヤが支持可能な荷重が鉄道車両の車輪に比して小さいので、乗客数を増加させるためにも、上部構体の軽量化が望まれるが、金属製の上部構体では軽量化を図ることが困難であった。軽量で強度・剛性を有する材料としては、例えば繊維強化プラスチックないし繊維強化複合材料（以下、ＦＲＰともいう。）が考えられる。

ところで、車両の振動形態を見た場合、車両が走行すると、タイヤからの衝撃荷重が前後の台車を介して台枠に伝わり、台枠の前後方向中央部が弓状に撓むように振動する。上部構体を単にＦＲＰ製にしただけでは、上部構体の剛性が不足していて振動を抑制することが難しい。

そして、車両の軽量化を目的として上部構体をＦＲＰ製に変更することは、上部構体の剛性が十分に確保できず、車両全体の剛性が確保できないという理由でほとんど実現されていない。なお、従来の車両では、ＦＲＰは、上部構体の先頭部分（キャブマスク）や内装パネル（剛性を保持する構造材ではない）に使用されているに過ぎない。

ＦＲＰ製の上部構体からなる車両を実現するためには、上部構体の剛性不足分を補うために台枠の剛性を既存のもの以上に高める必要がある。ただ、台枠の剛性を高めようと単に台枠を厚肉化するだけでは台枠の重量が増加してしまい、結果として上部構体をＦＲＰ製とすることによる軽量化のメリットを十分に出すことができなくなり、これが上部構体のＦＰＲ化が実現できない要因でもある。

本発明は、前記事情を考慮してなされたものであり、重量の増加を抑えつつ台枠の剛性を大幅に高めることができ、上部構体のＦＲＰ化を実現することができる軌道系交通車両を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、前部と後部の下部に台車が配置される台枠の上部に上部構体を取付けた軌道系交通車両において、上記台枠は、前後の端部梁間の両側に側梁を設けると共に、両側梁間に複数の枕梁を設け、上記端部梁と最外側の枕梁との間に上記台車を取付けるための台車取付梁を設けて構成されており、上記台枠の長手方向中央領域に補強梁を設けたことを特徴とする。

上記補強梁は、上記枕梁の下部に前後の上記台車取付梁の対向する端部同士を接続するように設けられていることが好ましい。上記補強梁は、上記側梁のそれぞれの下部に前後の上記台車取付梁の対向する端部と重なるように設けられていることが好ましい。上記上部構体は、繊維強化複合材料により形成されていることが好ましい。

本発明によれば、台枠の重量の増加を抑えつつ剛性を大幅に高めることができ、上部構体のＦＲＰ化を実現することができる。

本発明の実施形態に係る軌道系交通車両を概略的に示す側面図である。 （ａ）はサンドイッチ材の断面図、（ｂ）は積層材の断面図である。 （ａ）は図１のＡ−Ａ線拡大断面図、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線拡大断面図である。 台枠の一実施形態を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図である。 台枠の他の実施形態を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図である。 本実施形態の効果を説明するためのグラフである。 従来の鉄道車両の台枠を示す平面図である。

以下に、本発明を実施するための形態を添付図面に基いて詳述する。

図１において、１は軌道系交通車両例えば新交通システムの車両で、この車両１は、台枠２と、この台枠２の前部と後部の下部にそれぞれ設けられる台車３と、上記台枠２上に設けられる上部構体４とを備えている。台車３は、左右一対のゴムタイヤからなる走行輪３ａと、その走行輪を駆動する駆動部（図示省略）とを有している。走行輪３ａを軌道に沿って転向ないし操舵するために、車両の両側に走行案内輪（図示省略）が設けられ、この走行案内輪が軌道の両側に沿って設けられた案内レール（図示省略）に接触して案内されることにより、車両１が機械的に操舵されて走行するようになっている。

上部構体４には、前部と後部に窓用の開口部５が設けられると共に、両側部に窓用の開口部６やドア用の開口部７が設けられる。上記上部構体４は、本実施形態では軽量化を図るために繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）の単層材（単層板）好ましくはその積層材８により形成されている。この場合、ＦＲＰの積層材８だけでは足りない剛性・強度の更なる向上を図るために、上部構体４の少なくとも天井部及び窓下側板部、本実施形態では、天井部４ａ、窓下側板部４ｂ及び前後の窓下正面部４ｃは、芯材をＦＲＰのスキンで挟んだサンドイッチ材９により形成され、少なくともドア用の開口部７の周囲には補強フレーム１０が組み込まれていることが好ましい。

例えば、上部構体４は、サンドイッチ材９で構成される部分と、積層材８で構成される部分とからなることが好ましい。これらの部分は、ＦＲＰの成形法である例えばオートクレープ成形法或いはＶａＲＴＭ成形法により形成される。サンドイッチ材９で構成される部分は、図２（ａ）に示すように先ず上部構体用の図示しない型にてＦＲＰの外側スキン（外皮）１１を形成し、型から外した上部構体用の外側スキン１１の内側面に芯材１３を接着剤（好ましくは構造用接着剤）１４により貼り付け、この芯材１３の内側面とその内方に配置した図示しない型の間にＦＲＰの内側スキン１２を形成することにより構成される。サンドイッチ材９は一度に成形（外側スキンと芯材と内側スキンを一体成形）してもよい。

積層材８で構成される部分は、図２（ｂ）に示すように先ず上記と同様に外側スキン（外皮）１１を形成し、この外側スキン１１の内側面とその内方に配置した図示しない型の間にＦＲＰを注入して外側スキン１１の内側面に内側スキン１２を形成することにより構成される。積層材８は一度に成形（外側スキンと内側スキンを一体成形）してもよい。芯材１３の内側面又は外側スキン１１の内側面に内側スキン１２を積層形成する場合には、ＦＲＰの樹脂が接着力を有するため接着剤は不要である。なお、ＦＲＰの繊維材としては、炭素繊維でもよく、ガラス繊維でもよい。上記芯材１３としては、アルミニウム合金製のハニカム材が好ましいが、発泡材やバルサ材であってもよい。

上記補強フレーム１０は、図１に示すようにドア用の開口部７の両側位置に配置された垂直の主補強フレーム１０ａと、車両の側部の前部側及び後部側に配置された垂直で主補強フレーム１０ａよりも高さの低い副補強フレーム１０ｂと、隣り合う主補強フレーム１０ａ，１０ａ間及び主補強フレーム１０ａと副補強フレーム１０ｂ間に跨って水平にそれぞれ配置された窓下補強フレーム１０ｃと、天井部４ａの両側に長手方向（車長方向）に沿って平行に配置された天井補強フレーム１０ｄとから主に構成されている。そして、両側の天井補強フレーム１０ｄ，１０ｄで囲まれる領域には上記サンドイッチ材９で構成される部分が配置され、窓下補強フレーム１０ｃと両主補強フレーム１０ａ，１０ａで囲まれる領域、窓下補強フレーム１０ｃと主補強フレーム１０ａ及び副補強フレーム１０ｂで囲まれる領域にはサンドイッチ材９で構成される部分が配置される。

補強フレーム１０は、図３（ａ）に示すように積層材８を構成する外側スキン１１と内側スキン１２の間に組み込まれる。この場合、外側スキン１１の内側面に構造用接着剤１４を介して補強フレーム１０の主補強フレーム１０ａを貼り付け、その外側スキン１１の内側面及び主補強フレーム１０ａの露出面を覆うように内側スキン１２が一体的に設けられる。なお、サンドイッチ材９で構成される部分においては、図３（ｂ）に示すように主補強フレーム１０ａ及び芯材１３が外側スキン１１の内側面に構造用接着剤１４を介して貼り付けられ、その外側スキン１１の内側面及び主補強フレーム１０ａ及び芯材１３の露出面を覆うように内側スキン１２が一体的に設けられる。なお、サンドイッチ材９は、内側スキンと芯材と外側スキンを一体成形したものであってもよく、その場合には構造用接着剤は不要となる。上記主補強フレーム１０ａは、上記台枠２に結合部材（例えばブラケット）を介して結合される。

一方、上記台枠２の一実施形態について説明すると、台枠２は、図４に示すように前部と後部の端部梁２ａ，２ａ間に掛け渡された両側の側梁２ｂ，２ｂと、両側の側梁２ｂ，２ｂ間に掛け渡された複数の枕梁２ｃと、最外側の枕梁２ｃと端部梁２ａ間に掛け渡された台車取付梁２ｄとを備えた従来の鉄道車両の台枠とほぼ同じ基本的構成を有している。上記枕梁２ｃは、台枠２の長手方向の中央領域に所定の間隔で複数本（図示例では５本）配置されている。上記台車取付梁２ｄは、台枠２の幅方向中央領域に複数本（図示例では２本）ずつ平行に配置されている。台枠２を構成する端部梁２ａ、側梁２ｂ、枕梁２ｃ、台車取付梁２ｄの断面形状は、コ字状であってもよく、中空の方形状であってもよい。

上部構体４がＦＲＰ製の車両における台枠２の占める車両全体の強度（曲げ剛性）の割合を増加させて車両全体の強度の向上を図るために、具体的には重量の増加を抑えつつ台枠２の剛性（曲げ剛性）を大幅に高めるために、本実施形態では、上記台枠２の長手方向中央領域には補強梁として中梁１５が設けられている。上記中梁（補強梁）１５は、上記枕梁２ｃの下部に前後の上記台車取付梁２ｄの対向する端部同士を接続するように２本平行に設けられている。中梁１５の断面形状は、図示例では、中空の方形状であるが、コ字状であってもよい。

上記枕梁２ｃの下面は、側梁２ｂの下面よりも下方に突出しており、また、台車取付梁２ｄの下面は枕梁２ｃの下面よりも下方に突出している。上記中梁１５は、前後の台車取付梁２ｄの対向する端部間に収まる長さに形成されていると共に、中梁１５の下面は、上記台車取付梁２ｄの下面よりも下方に突出している。そして、中梁１５は、台車取付梁２ｄの端部及び枕梁２ｃに対して溶接で接合されている。また、中梁１５の端部（台車取付梁の下面から下方に突出した部分）と台車取付梁２ｄの下面との間には、接合部への応力集中を防ぐための補強部材（ガセット継手）１６が介設されていることが好ましい。

以上の構成からなる軌道系車両１によれば、前部と後部の下部に台車３が配置される台枠２の上部に上部構体４を取付けた軌道系交通車両において、上記台枠２は、前後の端部梁２ａ，２ａ間の両側に側梁２ｂ，２ｂを設けると共に、両側梁２ｂ間に複数の枕梁２ｃを設け、上記端部梁２ａと最外側の枕梁２ｃとの間に上記台車３を取付けるための台車取付梁２ｄを設けて構成されており、上記台枠２の長手方向中央領域に中梁１５を設けているため、台枠２の重量の増加を最小限に抑えつつ台枠２の剛性を大幅に高めることができる。これにより上部構体４がＦＲＰ製の車両である場合における台枠２の占める車両全体の強度（曲げ剛性）の割合（車両全体の曲げ剛性における台枠の剛性負担割合）を高めることができるため、上部構体４のＦＲＰ化を実現することができ、ＦＲＰ製の上部構体４を採用した新交通システム車両や鉄道車両の実現が可能となる。また、車両全体の重量軽減が可能であるため、ゴムタイヤを採用する新交通システム車両においては、乗車定員の増加を実現することができる。

更に、上記実施形態の軌道系車両１によれば、上部構体４の少なくとも天井部４ａ及び窓下側板部４ｂが芯材１３をＦＲＰのスキン１１，１２で一体的に挟んでなるサンドイッチ材９により形成されると共に、少なくともドア用の開口部７の周囲に補強フレーム１０が組み込まれているため、上部構体４の軽量化及び強度の向上が図れ、開口部周囲の変形を防止できる。上記上部構体４における上記サンドイッチ材９により形成された部分以外は、上記スキン１１，１２を積層した積層材８により形成されているため、上部構体全体のＦＲＰ化を容易に実現することが可能である。

図６は、上部構体を取り付けていない状態の台枠をシミュレーションした結果を示すグラフである。試験は、台枠の前後方向中央部に上向きに荷重を加え、その時の振動（モード）、固有振動数を検出するものである。ここで、固有振動数と剛性とには、剛性が高いほど固有振動数が高くなるという関係がある。そこで、固有振動数を測定、評価することで、剛性を評価した。図６は、断面コ字状で重量の異なる３種類の中梁を追加した場合と、断面中空方形状の中梁を追加した場合の効果（固有振動数の変化と重量の変化）を示しており、何れの場合も剛性が向上していることが分かる。

図５は台枠２の他の実施形態を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図である。図５に示すように本実施形態の台枠２は、図４に示した台枠と同様、前部と後部の端部梁２ａ，２ａ間に掛け渡された両側の側梁２ｂ，２ｂと、両側の側梁２ｂ，２ｂ間に掛け渡された複数の枕梁２ｃと、外側の枕梁２ｃと端部梁２ａ間に掛け渡された台車取付梁２ｄとを備えた基本的構成を有している。そして、上記台枠２の長手方向中央領域には補強梁として補鋼梁１７が設けられている。この場合、上記側梁２ｂのそれぞれの下部に補鋼梁（補強梁）１７が側方から見て前後の上記台車取付梁２ｄの対向する端部と重なるように配置されて側梁２ｂの下面に溶接接合されている。

上記補鋼梁１７は、側梁２ｂよりも長さが短く、前後の台車取付梁２ｄの対向する端部間の間隔よりも長さが長い。重量の増加を最小限に抑えつつ剛性を高くするために、補鋼梁１７の断面形状は、コ字状であり、下のフランジ部１７ｂの幅が上のフランジ部１７ａの幅よりも広く形成されている。本実施形態の台枠２を有する軌道系車両によっても、前記実施形態と同様の効果が得られる。

１ 車両
２ 台枠
２ａ 端部梁
２ｂ 側梁
２ｃ 枕梁
２ｄ 台車取付梁
３ 台車
４ 上部構体
５，６，７ 開口部
８ 積層材
９ サンドイッチ材
１０ 補強フレーム
１１ 外側スキン
１２ 内側スキン
１３ 芯材
１４ 接着剤
１５ 中梁（補強梁）
１６ 補強部材
１７ 補鋼梁（補強梁）

Claims (4)

1. 前部と後部の下部に台車が配置される台枠の上部に上部構体を取付けた軌道系交通車両において、上記台枠は、前後の端部梁間の両側に側梁を設けると共に、両側梁間に複数の枕梁を設け、上記端部梁と最外側の枕梁との間に上記台車を取付けるための台車取付梁を設けて構成されており、上記台枠の長手方向中央領域に補強梁を設けたことを特徴とする軌道系車両。
2. 上記補強梁は、上記枕梁の下部に前後の上記台車取付梁の内端部同士を接続するように設けられていることを特徴とする請求項１記載の軌道系車両。
3. 上記補強梁は、上記側梁のそれぞれの下部に前後の上記台車取付梁の対向する端部と重なるように設けられていることを特徴とする請求項１記載の軌道系車両。
4. 上記上部構体は、繊維強化複合材料により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の軌道系車両。

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