JP2010254123A - 継手構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＲＰ製の上部構体を破損させることなく台枠に結合することができる継手構造を提供する。
【解決手段】軌道系交通車両１０が台枠２とその台枠２上に設けられた上部構体３とを有し、その上部構体３が、上記台枠２から上方に延びる芯材４１の内面と外面とを繊維強化複合材料からなるスキン材５で覆って形成されたサンドイッチ構造体６を有し、そのサンドイッチ構造体６を締結部材７により上記台枠２に結合するための継手構造１であって、上記芯材４１と上記台枠２との間に上記芯材４１の下端から上記台枠２の側面まで延びる金属製のフレーム材８を設けると共に、そのフレーム材８の内面と外面とを上記スキン材５で覆ってサンドイッチ構造の結合部９を形成し、その結合部９を上記締結部材７により上記台枠２の側面に固定したものである。
【選択図】図４

Description

本発明は、軌道系交通車両の上部構体と台枠とを接合するための継手構造に関するものである。

従来の鉄道車両の構体（上部構体）は主にステンレスやアルミニウム合金で製作されており、上部構体に組み込まれたフレームと台枠とで、剛性と強度とを確保する構造になっている（例えば特許文献１参照）。

このような鉄道車両において、ステンレスやアルミニウム合金などの金属材料以外に繊維強化複合材料を用いたものもあるが、従来、繊維強化複合材料（ＦＲＰ）の適用については、鉄道車両の先頭部分のカバーへの適用に限られている。

このように、従来の車両では、ＦＲＰの適用は先頭部分のカバー等に限定されていたため、その結合方法はＦＲＰにボルト締結のためのインサート金具を設けて、ボルト締結しているのがほとんどである。

特開２００７−５５３４５号公報

ところで、本願発明者らは、走行輪がゴムタイヤである新交通システム車両の軽量化を図るために、上部構体の全体にＦＲＰを適用することを検討した。

しかし、上部構体全体をＦＲＰ製とする場合、台枠と上部構体の結合部には非常に大きな力が加わるため、上述したインサート金具による従来の方法では結合部の強度に問題がある。

また、ＦＲＰにボルト孔をあけて台枠とボルトで直接固定する方法もあるが、その場合にはＦＲＰ側のボルト孔がベアリング破壊する可能性もあり問題である。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＦＲＰ製の上部構体を破損させることなく台枠に結合することができる継手構造を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、軌道系交通車両が台枠とその台枠上に設けられた上部構体とを有し、その上部構体が、上記台枠から上方に延びる芯材の内面と外面とを繊維強化複合材料からなるスキン材で覆って形成されたサンドイッチ構造体を有し、そのサンドイッチ構造体を締結部材により上記台枠に結合するための継手構造であって、上記芯材と上記台枠との間に上記芯材の下端から上記台枠の側面まで延びる金属製のフレーム材を設けると共に、そのフレーム材の内面と外面とを上記スキン材で覆ってサンドイッチ構造の結合部を形成し、その結合部を上記締結部材により上記台枠の側面に固定したものである。

好ましくは、上記サンドイッチ構造体が上記上部構体の強度を確保するための構造部材をなし、上記芯材が金属製のハニカム構造体から形成されたものである。

好ましくは、上記フレーム材の内面を覆うスキン材と外面を覆うスキン材とが、上記フレーム材の下端にて互いに接合されたものである。

好ましくは、上記結合部に上記軌道系交通車両のドアレールを取り付けるための段差部が形成され、その段差部のフレーム材に上記ドアレールがレール締結部材により結合されると共に、その締結力により上記ドアレールを介して上記段差部のスキン材が上記フレーム材に押し付けられたものである。

本発明によれば、ＦＲＰ製の上部構体を破損させることなく台枠に結合することができるという優れた効果を発揮するものである。

図１は、本発明に係る一実施形態による継手構造が適用された軌道系交通車両の概略側面図である。 図２は、本実施形態による軌道系交通車両の概略側面図であり、サンドイッチ構造体の芯材を示したものである。 図３は、本実施形態による軌道系交通車両の概略斜視図であり、台枠を示したものである。 図４は、本実施形態の継手構造の側断面図である。 図５は、第２の実施形態による継手構造の側断面図である。 図６は、第３の実施形態による継手構造の側断面図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

（第１の実施形態）
本実施形態の継手構造は、軌道系交通車両として新交通システム車両を対象とする。なお、ここでいう新交通システム車両とは、ガイドレール（案内軌条）にガイドされつつ走行路（専用軌道）をゴムタイヤで無人自動走行する車両であり、所謂APM（Automated People Mover）車両も含む。

図１から図３に基づき本実施形態の新交通システム車両（以下、車両という）の概略構造を説明する。

図１に示すように車両１０は、ゴムタイヤなどの走行輪を有する台車１０１と、その台車１０１に支持され車両長手方向（前後方向）に延びる車体１０２とを備える。その車体１０２は、台車１０１が前部と後部とに各々取り付けられた台枠２と、その台枠２上に設けられた上部構体３とを有する。

図３に示すように、台枠２は、前後に延びる一対の側梁２１と、それら側梁２１の間に掛け渡され車幅方向に延びる端部梁２２および複数の枕梁２３と、それら枕梁２３と端部梁２２との間に掛け渡され前後に延びる台車支持梁２４とを有する。この台枠２は金属製（例えば鋼製）である。

図１に戻り、上部構体３は、車両１０の前端面および後端面を区画する妻部３１（妻構体）と、車両１０の車幅方向の側面を区画する側部３３（側構体）と、天井面を構成する天井部３４（屋根構体）とを備える。

各妻部３１にはエンドウインドウ３１１が設けられる。それらエンドウインドウ３１１は、台枠２から上方に所定の間隔を隔てて配置される。

側部３３には、複数（図例では２つ）のドア３３１と複数（図例では３つ）のサイドウインドウ３３２とが設けられる。ドア３３１は、側部３３の前部と後部とに各々配置される。それらドア３３１は、側部３３の外面に沿って前後にスライドするスライドドアであり、側部３３の外面にはドア３３１のための開口部とドアレール３３５（図４参照）を取り付けるための段差部３３６とが形成される。図例の車両１０では、美観の点から段差部３３６が側部３３のほぼ全長に亘り前後に延長して形成される。

サイドウインドウ３３２は、前側の妻部３１とドア３３１との間と、２つのドア３３１の間と、後側のドア３３１と妻部３１との間とに各々配置される。それらサイドウインドウ３３２は、台枠２から上方に所定の間隔を隔てて配置される。

本実施形態の上部構体３は、軽量化を図るために繊維強化複合材料（以下、ＦＲＰという）を用いて一体的に形成されており、ＦＲＰからなるスキン材５（図４参照）で芯材（４１−４３）を包んで形成されたサンドイッチ構造体を有する。

図例では、図１に斜線部で示すように、台枠２とエンドウインドウ３１１との間の妻部３１、台枠２とサイドウインドウ３３２との間の側部３３、および天井部３４がサンドイッチ構造体からなる。詳しくは後述するが、これらのサンドイッチ構造体のうちの側部３３のものが、本実施形態の継手構造により台枠２の側梁２１に接合される。

図２に示すように、側部３３のサンドイッチ構造体の芯材は、各サイドウインドウ３３２の下方に配置された側面視ほぼ長方形状のコア材４１と、各コア材４１の前後両側に各々配置され上下に延びるサイドフレーム４２、４３とで構成される。

コア材４１は、金属製のハニカム構造体から形成され、例えばアルミハニカムからなる。このコア材４１を芯材とするサンドイッチ構造体は、上部構体３の強度および剛性を確保するための構造部材をなす。なお、天井部３４と妻部３１のサンドイッチ構造体も、芯材が金属製のハニカム構造体（コア材）から形成されており構造部材をなす。

サイドフレーム４２、４３は、前側のサイドウインドウ３３２の前端および後側のサイドウインドウ３３２の後端とほぼ同じ前後位置に各々配置された端部サイドフレーム４２と、各ドア３３１の前後の両側に配置されたドアサイドフレーム４３とからなる。これらサイドフレーム４２、４３は、金属製であり例えば鋼管などからなる。

次に、図４に基づき本実施形態の継手構造を説明する。以下の説明では、芯材がコア材４１であるサンドイッチ構造体（以下、サンドイッチ材６という）を台枠２に結合する継手構造１についてのみ説明を行い、芯材がサイドフレーム４２、４３であるサンドイッチ構造体の継手構造については、芯材が異なる以外は同様の構造を有することから説明を省略する。

図４に示すように、ＦＲＰ製の上部構体３は、金属製のフレーム材８を挟み込むように成形されたＦＲＰのスキン材５、ならびにスキン材５の面外曲げに対する剛性を高めるためのアルミハニカムのコア材４１で構成される。その上部構体３と金属製の台枠２とは、ロックボルト７などを介して結合された継手構造１とされる。

すなわち、継手構造１は、締結部材をなすロックボルト７およびナット（図示せず）によりサンドイッチ材６を台枠２に結合するためのものであり、コア材４１と台枠２の側梁２１との間にコア材４１の下端から側梁２１の側面２１１まで延びる金属製のフレーム材８を設けると共に、そのフレーム材８の内面と外面とをＦＲＰのスキン材５で覆ってサンドイッチ構造の結合部９を形成し、その結合部９をロックボルト７により側梁２１の側面２１１に固定して構成される。本実施形態の継手構造１では、さらに、結合部９がブラケット９１を介して台枠２に固定される。また、結合部９に、車両１０のドアレール３３５を取り付けるための段差部３３６が形成される。

より具体的には、台枠２の側梁２１は断面コ字状に形成されており、上下に延びる側面２１１と、その側面２１１の上端と下端とから車幅方向内側に延びる上面２１２および下面（図示せず）とを有する。

コア材４１は、側梁２１の上面２１２の上方に間隔を隔てて、かつ側梁２１の側面２１１よりも車幅方向内側に配置される。コア材４１は、車幅方向から視てハニカム形状を有する。

図２に示すように、フレーム材８は、コア材４１と側梁２１との間に配置され、コア材４１に沿って前後に延びる。図例では、フレーム材８は、コア材４１の前方に隣接するサイドフレーム４２（４３）の下端から、コア材４１の後方に隣接するサイドフレーム４３（４２）の下端まで延びる。

図４に戻り、フレーム材８は、断面ほぼＬ字状に形成され、側梁２１の上に配置され車幅方向に延びる基部８１と、側梁２１の車幅方向外側に配置され上下に延びる延出部８２とを有する。

図例のフレーム材８は、基部８１が中空状（閉断面形状）に形成され、その基部８１の車幅方向外側の端部から延出部８２が連続して下方に突出する。このフレーム材８は例えば異形鋼管からなる。

フレーム材８の基部８１は、その内面（車幅方向内側の側面）がコア材４１の内面と面一に配置され、外面がコア材４１のよりも外側に位置する。より具体的には、基部８１は、上述したドアレール３３５のための段差部３３６を構成すべく、コア材４１よりも外側にほぼドアレール３３５の幅だけ張り出すると共に、その張出し部分がコア材４１の直下の部分よりも一段低く形成される。その張出し部分（段差部３３６のフレーム材８）の上に、ドアレール３３５がレール締結部材をなす複数のドアレール固定用ボルト（図示せず）により結合される。それらドアレール固定用ボルトはドアレール３３５に沿って間隔を隔てて配置される。なおレール締結部材は、ドアレール固定用ボルトに限定されずリベットなどの他の締結部材でもよい。

延出部８２は、基部８１から下方に側梁の側面２１１に沿って所定長さ延出する。その延出部８２には後述する円孔穴部が形成される。

以上のように構成されたフレーム材８は、その内面と外面とがスキン材５により覆われる。具体的には、コア材４１の内面を覆うスキン材５が、下方に連続してフレーム材８の内面に沿って延びてフレーム材８の内面が覆われる。同様に、コア材４１の外面を覆うスキン材５が、下方に連続してフレーム材８の外面に沿って延びてフレーム材８の外面が覆われる。それらフレーム材８の内面および外面を覆うスキン材５は、延出部８２の下端まで各々延び、その下端にて互いに接合されている。

これらスキン材５は、基本的にはスキン材５の成形時にＦＲＰの樹脂によりフレーム材８およびコア材４１に接着される。また、段差部３３６のスキン材５は、ドアレール固定用ボルトの締結力によりドアレール３３５を介してフレーム材８に押し付けられる。スキン材５は、例えば強化材がガラス繊維であるＧＦＲＰや、カーボン繊維であるＣＦＲＰから形成される。

ロックボルト７は、図示しないナットとの間にフレーム材８の延出部８２と側梁２１の側面２１１とを挟み込んで、それら側面２１１と延出部８２とを車幅方向に締結する。このロックボルト７を通すための孔（以下、円孔穴部という）が、延出部８２と延出部８２の内側および外側のスキン材５と側梁２１とを貫通して形成される（図示せず）。これらロックボルト７と円孔穴部とは、フレーム材８に沿って前後に間隔を隔てて複数設けられる。

ブラケット９１は、フレーム材８の車幅方向内側に配置され、フレーム材８に沿って前後方向に延びる。そのブラケット９１は、断面Ｌ字に形成され、側梁２１の上面２１２に溶接などにより接合されると共に、フレーム材８の基部８１にリベット９２などの締結部材により接合される。このブラケット９１により、フレーム材８の基部８２が側梁２１の上面２１２に結合される。

以上の上部構体３は、例えば、オートクレーブ成形などにより成形、製造される。その製造方法の一例を説明すると、まず、上部構体３の外形（外面）を成形するための成形面が予め形成されたメス型を用意し、そのメス型内に繊維（強化材）と樹脂とを充填して外側のスキン材５を形成する。

次に、その外側のスキン材５の内面における所定の位置に、芯材（コア材４１、サイドフレーム４２、４３）とフレーム材８とを配置し、それら芯材およびフレーム材８の上から繊維と樹脂とを充填して内側のスキン材５を形成する。これによりサンドイッチ構造体とサンドイッチ構造の結合部９とを有するＦＲＰ製の上部構体３が一体成形される。

次に本実施形態の継手構造１の作用を説明する。

上述のように一体成形された上部構体３を台枠２に取り付けるには、まず、台枠２の側梁２１にブラケット９１を取り付けた後、その台枠２と上部構体３とを互いに位置合わせする。次に、位置合わせした状態で、側梁２１の側面２１１と上部構体３の結合部９（延出部８２）とに円孔穴部を共あけし、かつ結合部９（基部８１）とブラケット９１とにリベット９２を通すためのリベット孔を共あけする。その後、結合部９と側梁２１とをロックボルト７で締結し、かつ結合部９とブラケット９１とをリベット９２で締結する。

この締結の際に、本実施形態の継手構造１では、ＦＲＰ製の上部構体３の結合部９に金属製のフレーム材８を内蔵しているため、ロックボルト７（およびリベット９２）による締結時のＦＲＰの面外圧縮破壊を軽減、抑制することができる。

すなわち、鋼製の台枠２と上部構体３とを結合する結合部９（円孔穴部やリベット孔などの縁部）には、ロックボルト７およびリベット９２から圧縮荷重がかかるが、本実施形態では、その圧縮荷重が金属製のフレーム材８により負担されるため、円孔穴部やリベット孔の周りのスキン材５におけるベアリング破壊の発生が防止される。

このように本実施形態によれば、結合部９の円孔穴部やリベット孔の周りのＦＲＰ面がロックボルト７（およびリベット９２）から受ける圧縮荷重を、金属製のフレーム材８が負担するため、ＦＲＰのベアリング破壊を防止することができ、その結果、ＦＲＰ製の上部構体３を破損させることなく台枠２に結合することができる。

また、フレーム材８が圧縮荷重を負担するため、フレーム材８を設けない場合に比べて、ロックボルト７およびリベット９２の締結力を強くすることができ、これにより上部構体３と台枠２との結合強度を高めることができる。

つまり、ＦＲＰ製上部構体３の結合部９の付近について金属製のフレーム材８をＦＲＰでサンドイッチしたハイブリッド構造とすることで、ロックボルト７やリベット９２を介して上部構体３と鋼製の台枠２との強固な結合を実現することができる。金属製のフレーム材８により結合部９の剛性についても大幅に高めることができ、さらにベースとなるフレーム材８の形状を工夫することで、ＦＲＰのみの構造と比べて剛性も高くすることができる。

また、一般に、段差を有する部材をＦＲＰで覆う場合、段差の角でＦＲＰが剥離してしまう虞がある。本実施形態では、段差部３３６にドアレール３３５を設置することが可能でありドアレール３３５をフレーム材８にドアレール固定用ボルトなどで結合して、ドアレール３３５とフレーム材８との間にスキン材５を挟み込むことでスキン材５（ＦＲＰ）の剥離を防止することができる。

（第２の実施形態）
次に、図５に基づき第２の実施形態を説明する。本実施形態は、上述の第１の実施形態とは、上部構体３が台枠２に接着剤により接着される点とブラケット９１が省略される点とで異なり、その他は実質的に同じである。したがって、上述の第１の実施形態と同一の要素については、図中同一符号を付すに止め、詳細な説明は省略する。

図５に示すように、本実施形態の継手構造１１では、上部構体３の結合部９と台枠２の側梁２１の側面２１１および上面２１２との間に構造用接着剤（メタクリレート系接着剤など）からなる接着層９３が形成される。その接着層９３は、フレーム材８に沿って前後に延びフレーム材８（結合部９）のほぼ全長に亘り設けられる。

この継手構造１１では、側梁２１の上面と基部８１の下面（スキン材５）との間の接着層９３により、上部構体３と側梁２１とが上下に結合され、側梁２１の側面２１１と延出部８２の内面（スキン材５）との間の接着層９３により、上部構体３と側梁２１とが車幅方向に結合される。すなわち、接着層９３によって、ロックボルト７による車幅方向の結合が補強される。

また、本実施形態では、台枠２のブラケット９１が省略されており、結合部９のリベット９２がスキン材５をフレーム材８に接合することでスキン材５の剥離が防止される。

本実施形態によれば、接着剤を用いて結合部９（内側のスキン材５）を台枠２に結合することから、結合のためのロックボルト７の数を減らすことができる。さらに、スキン材５にＣＦＲＰを利用する場合には、接着層９３により台枠２とスキン材５との絶縁性が確保されるので電食を防止する効果がある。

（第３の実施形態）
次に、図６に基づき第３の実施形態を説明する。本実施形態は、上述の第２の実施形態とは、段差部およびリベットが省略されている点で異なり、その他は実質的に同じである。したがって、上述の第２の実施形態と同一の要素については、図中同一符号を付すに止め、詳細な説明は省略する。

図６に示すように、本実施形態の継手構造１２では、ドアレールのための段差部が省略されており、サンドイッチ材６および結合部９の外側の側面（スキン材５）がほぼ平坦に形成される。具体的には、フレーム材８の基部８１がサンドイッチ材６のコア材４１とがほぼ同じ幅（車幅方向長さ）を有し、互いの内面と外面とを面一にして配置される。それら基部８１とコア材４１は、その外面を側梁２１の外面よりも車幅方向外側に位置させて配置される。

本実施形態では、段差部を形成していないことから、段差部の角でのスキン材５の剥離の懸念がなくなり、信頼性を高めることができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。

軌道系交通車両は、新交通システム車両に限定されず、他のゴムタイヤ式車両や鉄道車両などでもよい。

上述の実施形態では、台枠と上部構体の側部との接合に継手構造を適用したが、これに限定されず、継手構造を、台枠と上部構体の妻部との接合に適用してもよい。

結合部を台枠に締結する締結部材は、ロックボルト７に限定されずリベットなど様々なものが考えられる。

スキン材を形成するＦＲＰは、ＧＦＲＰやＣＦＲＰなどに限定されず、様々なものが可能である。

コア材は、アルミハニカムに限定されず様々なものが可能であり、例えば、バルサ構造、ブリスタ構造のものや発泡材などが考えられる。

１ 継手構造
２ 台枠
３ 上部構体
５ スキン材
６ サンドイッチ材（サンドイッチ構造体）
７ ロックボルト（締結部材）
８ フレーム材
９ 結合部
１０ 車両（軌道系交通車両）
４１ コア材（芯材）

Claims (4)

1. 軌道系交通車両が台枠とその台枠上に設けられた上部構体とを有し、その上部構体が、上記台枠から上方に延びる芯材の内面と外面とを繊維強化複合材料からなるスキン材で覆って形成されたサンドイッチ構造体を有し、そのサンドイッチ構造体を締結部材により上記台枠に結合するための継手構造であって、
   上記芯材と上記台枠との間に上記芯材の下端から上記台枠の側面まで延びる金属製のフレーム材を設けると共に、そのフレーム材の内面と外面とを上記スキン材で覆ってサンドイッチ構造の結合部を形成し、その結合部を上記締結部材により上記台枠の側面に固定したことを特徴とする継手構造。
2. 上記サンドイッチ構造体が上記上部構体の強度を確保するための構造部材をなし、上記芯材が金属製のハニカム構造体から形成された請求項１記載の継手構造。
3. 上記フレーム材の内面を覆うスキン材と外面を覆うスキン材とが、上記フレーム材の下端にて互いに接合された請求項１または２記載の継手構造。
4. 上記結合部に上記軌道系交通車両のドアレールを取り付けるための段差部が形成され、その段差部のフレーム材に上記ドアレールがレール締結部材により結合されると共に、その締結力により上記ドアレールを介して上記段差部のスキン材が上記フレーム材に押し付けられた請求項１から３いずれかに記載の継手構造。

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