JP2013086588A - 鉄道車両用構体 - Google Patents

Abstract

【課題】ダブルスキン材で形成された鉄道車両用構体において、応力集中部に係る部材の強度を補い、剛性を向上させる。
【解決手段】ダブルスキン材１２で形成され、その構成部位として、側構体１８を左右２面、妻面２４を前後２面、台枠２２、屋根２０とを含み、この六面体が結合されて構成される鉄道車両用構体１０において、ダブルスキン材１２に、構体の補強手段として、ＣＦＲＰ３０を取り付ける。このＣＦＲＰ３０は、ダブルスキン材１２の表面の、構体の応力集中部を主とした任意の場所に取り付けを行う。しかも、ダブルスキン材１２の表面に取り付けを行うため、新製時の車両構体に対してのみならず、ダブルスキン材１２で形成された既存の鉄道車両用構体に対しても取り付けることで、構体の補強を行うことができ、構体の剛性を向上させることが可能となる。
【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。

一般的に、鉄道車両構体は、左右の側構体、台枠、屋根、前後の妻面が結合され、六面体が構成されている。そして近年、新幹線車両及び特急車両を中心に、構体がダブルスキン材で形成された鉄道車両も製造されている。
ところで、上述の構成を有する鉄道車両構体では、側構体と屋根の結合部周辺の肩部、側構体と台枠の結合部である裾部、側構体の吹寄部等、応力が集中する部位が存在する。そのため、これらの部位の応力低減が課題となっており、ダブルスキン構体においても、例えば図６に示すような、応力低減のための先行技術が存在する（特許文献１参照）。
図６は、ダブルスキン材で形成された車両構体の、先行技術が適用された側構体の吹寄部周辺の断面図を示している。図６で示される範囲の側構体は、ダブルスキン材１００ａ〜１００ｅが、接合部１０６で接合されて形成されている。図中の符号Ｗは、便宜上、窓部の高さ方向の範囲を示している。図示によれば、ダブルスキン材１００ａ〜１００ｅのうち、ダブルスキン材１００ｂ〜１００ｄが、Ｗで示す範囲にかかっており、これらの部材により、吹寄部を形成している。そして、ダブルスキン材１００ｂ〜１００ｄの外側スキン１０２ｂ〜１０２ｄと、内側スキン１０４ｂ〜１０４ｄとが、他のダブルスキン材１００ａ、１００ｅの外側スキン１０２ａ、１０２ｅと、内側スキン１０４ａ、１０４ｅとに比べ、板厚が厚くなっている。このようにして、吹寄部を形成する部材の板圧を厚くすることで、吹寄部周辺の強度を向上させ、吹寄部周辺に発生する応力の低減を図っている。

特開平１０−１９４１１７号公報

しかしながら、図６で示す先行技術の例では、応力集中部の強度向上には有効であるものの、一般的に強度が低いとされる、ダブルスキン材同士の接合部の強度向上まで考慮されたものではなく、この接合部を含んだ全体的な強度向上が課題となっていた。同様に、六面体をなす鉄道車両構体の、左右の側構体、台枠、屋根、前後の妻面の各結合部周辺においても、同様の課題を有している。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ダブルスキン材で形成された鉄道車両用構体において、応力集中部に係る部材の強度を補い、剛性を向上させることにある。

（発明の態様）
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、更に他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。

（１）外側スキンと内側スキンを有するダブルスキン材で形成され、側構体と、台枠と、妻面と、屋根とを構成部位に含む鉄道車両用構体において、前記ダブルスキン材にＣＦＲＰが取り付けられる鉄道車両用構体（請求項１）。

本項に記載の鉄道車両用構体は、外側スキンと内側スキンを有するダブルスキン材で形成され、その構成部位として、側構体を左右２面、妻面を前後２面、台枠、屋根とを含んでおり、この六面体が結合されて構成されている。そして、ダブルスキン材には、構体の補強手段として、炭素繊維強化プラスチック、いわゆるＣＦＲＰを取り付ける。このＣＦＲＰは、ダブルスキン材の表面の、構体の応力集中部を主とした任意の場所に取り付けを行う。しかも、ダブルスキン材の表面に取り付けを行うため、新製時の車両構体に対してのみならず、ダブルスキン材で形成された既存の鉄道車両用構体に対しても取り付けることで、構体の補強を行うものとなる。

（２）上記（１）項において、前記ＣＦＲＰが、前記側構体の吹寄部に取り付けられる鉄道車両用構体（請求項２）。
本項に記載の鉄道車両用構体は、ＣＦＲＰが、側構体の吹寄部に取り付けられることにより、応力が集中しやすい吹寄部、特に吹寄部を形成するダブルスキン材接合部の剛性を高め、ダブルスキン材からなる鉄道車両用構体の補強を行うものである。

（３）上記（１）（２）項において、前記ＣＦＲＰが、構体肩部に取り付けられる鉄道車両用構体（請求項３）。
本項に記載の鉄道車両用構体は、ＣＦＲＰが、屋根と側構体との結合部に沿って延在する構体肩部に取り付けられることにより、応力集中しやすい、構体肩部における、構体の補強を行うものである。

（４）上記（１）から（３）項において、前記ＣＦＲＰが、前記側構体と前記台枠との結合部に取り付けられる鉄道車両用構体（請求項４）。
本項に記載の鉄道車両用構体は、ＣＦＲＰが、側構体と台枠との結合部である裾部に取り付けられることにより、応力集中しやすい、側構体と台枠との結合部における、構体の補強を行うものである。

（５）上記（１）から（４）項において、前記ＣＦＲＰが、前記内側スキンの車内側の面に取り付けられる鉄道車両用構体（請求項５）。
本項に記載の鉄道車両用構体は、ＣＦＲＰが、ダブルスキン材の表面のうち、内側スキンの車内側の面に取り付けられることにより、車両の外観に影響を与えることなく、車内側の面から、構体の必要部分に補強を行うものである。

（６）上記（１）から（５）項において、前記ＣＦＲＰのヤング率が、１６０ＧＰａ〜４５０ＧＰａである鉄道車両用構体（請求項６）。
本項に記載の鉄道車両用構体は、ＣＦＲＰのヤング率が、１６０ＧＰａ〜４５０ＧＰａであることにより、鉄道車両の構体への補強として、適切なヤング率を有するＣＦＲＰにより、構体の補強を行うものである。

本発明はこのように構成したので、ダブルスキン材で形成された鉄道車両用構体において、応力集中部に係る部材の強度を補い、剛性を向上させることが可能となる。

本発明の実施の形態に係る、鉄道車両用構体の断面を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る、鉄道車両用構体の内部を、構体の断面から模式的に示した模式図である。 本発明の実施の形態に係る、鉄道車両用構体の内部を、構体の側面方向から模式的に示した模式図である。 図３の符号Ａで示した箇所の拡大図である。 本発明の実施の形態に係る、鉄道車両用構体の組立工程を示す工程フローである。 従来の鉄道車両用構体を例示する模式図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。ここで、従来技術と同一部分、若しくは相当する部分については同一符号で示し、詳しい説明を省略する。
図１は、本発明の実施の形態に係る鉄道車両用構体１０の断面を、模式的に示している。便宜上、中心線Ｌを境に、図１の左側半分が、側構体１８に形成された窓部２８にかかる位置での断面を示しており、図１の右側半分が、側構体１８に形成された吹寄部２６にかかる位置での断面を示している。又、図２は、本発明の実施の形態に係る鉄道車両用構体１０の内部を、構体の断面から模式的に示している。この図２も、必要に応じて適宜参照されたい。

さて、図１によれば、本発明の実施の形態に係る鉄道車両用構体１０は、外側スキン１４と内側スキン１６を有する、ダブルスキン材１２により形成される。又、構成部位として、左右２面の側構体１８、屋根２０、台枠２２、前後２面の妻面（図３の符号２４参照）を含んでおり、夫々が結合されて構成される。
そして、台枠２２と左右２面の側構体１８との結合部には、その車内側の面に、ＣＦＲＰ３０Ａが取り付けられる。このＣＦＲＰ３０Ａは、図２に示されるように、車両の長手方向に延びる長尺部材であり、その長さは、台枠２２と側構体１８との結合部全体に必要な長さ、つまりは、車両１両分の長手方向の長さと、略等しい長さを有している。更に、ＣＦＲＰ３０Ａは、台枠２２と側構体１８との結合部への取り付けに適した断面形状を有している。図１及び図２の例では、台枠２２と側構体１８とは、略直角の角度を有して結合されているため、ＣＦＲＰ３０Ａの断面は、この結合部に適したＬ字型の断面形状を有している。

又、屋根２０と左右２面の側構体１８との結合部に沿って延在する構体肩部には、その車内側の面に、ＣＦＲＰ３０Ｂが取り付けられる。このＣＦＲＰ３０Ｂは、図２に示されるように、ＣＦＲＰ３０Ａと同様に、車両の長手方向に延びる長尺部材であり、その長さは、構体肩部全体に必要な長さ、つまりは、車両１両分の長手方向の長さと、略等しい長さを有している。更に、ＣＦＲＰ３０Ｂは、この点でもＣＦＲＰ３０Ａと同様に、構体肩部への取り付けに適した断面形状を有している。図１及び図２の例では、構体肩部は、円弧状を成しているため、ＣＦＲＰ３０Ｂの断面は、この構体肩部に適した円弧状の断面形状を有している。

一方、図１の右側半分によれば、吹寄部２６には、その車内側の面に、ＣＦＲＰ３０Ｃが取り付けられる。このＣＦＲＰ３０Ｃは、車両の高さ方向の長さに関しては、図２に示されるように、窓部２８の高さ方向の長さよりも、上下に余裕を持たせた長さを有している。更に、車両の長手方向の長さに関しては、窓部２８にかからない程度の、吹寄部２６の幅よりもやや短い長さであればよい。なお、ＣＦＲＰ３０Ｃの、車内側から見た形状は、図２のＣＦＲＰ３０Ｃのように、略矩形であってもよく、又、ＣＦＲＰ３０Ｃ’のように、窓部２８の高さ方向の長さよりも上下に長い部分の幅が、窓部２８の高さ方向の範囲にかかる部分の幅よりも長くなっている、アルファベットのＩ字状をなしていてもよい。

次に、図３は、本発明の実施の形態に係る鉄道車両用構体１０の内部を、車両１両分の範囲にわたって、構体の側面方向から模式的に示している。なお、図３では、吹寄部２６に対してのみ、ＣＦＲＰ３０を取り付けた例を示している。又、図４には、図３の符号Ａで示した範囲を、拡大して示している。図３及び図４によれば、鉄道車両用構体１０の側構体１８には、複数の窓部２８が設けられており、夫々の窓部２８の間には、吹寄部２６が設けられている。そして、夫々の吹寄部２６には、車内側の面から、ＣＦＲＰ３０Ｃが取り付けられる。このＣＦＲＰ３０Ｃの形状は、略矩形となっているが、図２で示したＣＦＲＰ３０Ｃ’と同様に、アルファベットのＩ字状をなしていてもよい。

又、ＣＦＲＰ３０Ｃは、図３で示す例のように、側構体１８に設けられた全ての吹寄部２６に対して取り付けてもよいが、例えば、車両の長手方向の中央部付近等、吹寄部２６の中でも、特に応力が集中しやすい箇所が判明している場合には、その箇所付近にのみ取り付けてもよい。同様に、図１及び図２の例で示した、台枠２２と側構体１８との結合部、及び、屋根２０と側構体１８との結合部に沿って延在する構体肩部についても、特に応力が集中しやすい箇所が判明している場合には、ＣＦＲＰ３０ＡとＣＦＲＰ３０Ｂを、車両１両分の長手方向の長さの範囲ではなく、応力が集中しやすい箇所付近にのみ取り付けてもよい。

ここで、本発明の実施の形態に係る鉄道車両用構体１０で用いられるＣＦＲＰ３０、すなわち、上述の図１〜図４の例で示すと、台枠２２と側構体１８との結合部に取り付けるＣＦＲＰ３０Ａ、構体肩部に取り付けるＣＦＲＰ３０Ｂ、吹寄部２６に取り付けるＣＦＲＰ３０Ｃ（ＣＦＲＰ３０Ｃ’）のヤング率について言及する。本発明で用いられるＣＦＲＰ３０のヤング率は、１６０ＧＰａ〜４５０ＧＰａであることが望ましい。このヤング率の値は、本発明の発明者らが行った試験結果に基づく値であり、ダブルスキン材１２で形成された鉄道車両用構体１０に対し、ＣＦＲＰ３０で補強を行う上で、十分な効果を発揮する値である。
又、本発明の実施の形態に係る鉄道車両用構体１０で用いる補強手段としては、ダブルスキン材１２で形成された鉄道車両用構体１０に対し、十分な補強ができる性質を備えていれば、鋼板等を用いてもよい。

次に、本発明の実施の形態に係る鉄道車両用構体１０の、新製時の組立工程について、図５で示す工程フローの例を参照して説明をする。
Ｓ１１０：鉄道車両用構体１０において、構体の六面体を構成する各部位、すなわち、左右２面の側構体１８、屋根２０、台枠２２、前後２面の妻面２４を、別々に製作する。
Ｓ１２０：各構成部位の結合部に該当しない箇所に取り付けるＣＦＲＰ３０、例えば、図１〜図４で示したＣＦＲＰ３０Ｃ（ＣＦＲＰ３０Ｃ’）は、構体を六面体に組み上げる前の、この段階で取り付けをすることができる。この段階で取り付けをすることとすれば、ＣＦＲＰ３０を取り付ける構成部位を、自由な角度や位置に配置できるので、ＣＦＲＰ３０の取り付け作業を、効率良く行うことができる。
なお、ＣＦＲＰ３０の、ダブルスキン材１２の表面への取り付け作業は、接着剤を用いて行う。使用する接着剤として、例えば、エポキシ系接着剤が挙げられる。又、接着を補うために、リベットやハックボルト等を適宜使用してもよい。

Ｓ１３０：鉄道車両用構体１０を構成する各部位、すなわち、左右２面の側構体１８、屋根２０、台枠２２、前後２面の妻面２４を、六面体に組み立てる。
Ｓ１４０：上記Ｓ１３０で組み立てた六面体を構成する各部位以外の、構体を構成する上で必要な各部品を取り付ける。
Ｓ１５０：構体の歪み等を修正する。
Ｓ１６０：上記Ｓ１５０までの工程を経て、構体が完成する。なお、このＳ１６０までの工程が、製缶（溶接組立）工程となる。

Ｓ１７０：各構成部位の結合部に該当する箇所に取り付けるＣＦＲＰ３０、例えば、図１及び図２で示した、ＣＦＲＰ３０Ａは、構体が六面体に組み上がり、かつ、構体の内部に内装部材が取り付けられる前の、この段階で取り付けをする。なお、構体肩部に取り付けられるＣＦＲＰ３０Ｂは、屋根２０と側構体１８との結合位置に応じて、上記Ｓ１１０、Ｓ１２０のいずれかの工程において取り付けることができる。又、上記Ｓ１２０の段階でも取り付けることができる、各構成部位の結合部に該当しない箇所に取り付けるＣＦＲＰ３０、例えば、図１〜図４で示したＣＦＲＰ３０Ｃ（ＣＦＲＰ３０Ｃ’）についても、この段階で取り付けてもよい。なお、このＳ１７０以降の工程は、ぎ装・内装工程となり、従来の車体製造工程と同様の工程となる。

又、図５では、新製時の構体に対して、ＣＦＲＰ３０の取り付けを行う工程を示したが、ＣＦＲＰ３０は、ダブルスキン材１２の表面に対して取り付けをするため、ダブルスキン材１２で形成された、既存の鉄道車両用構体に対しても取り付けができる。
例えば、既存の鉄道車両用構体の車内側へ、ＣＦＲＰ３０を取り付ける場合は、まず、ＣＦＲＰ３０の取り付けをする箇所周辺の内装部材を一時的に剥がし、車内側のダブルスキン材１２の内側スキン１６を露出させる。この際に、例えば、台枠２２と側構体１８との結合部に、ＣＦＲＰ３０を取り付けようとした場合、車両の長手方向の長さの全域にわたって、台枠２２と側構体１８との結合部周辺の内装部材を剥がす必要はなく、特に応力が集中しやすい、車両の長手方向の中央部付近のみにＣＦＲＰ３０を取り付けることとし、この周辺部のみの内装部材を剥がせばよい。これは、屋根２０と側構体１８との結合部に沿って延在する構体肩部や、吹寄部２６等に、ＣＦＲＰ３０を取り付ける場合も同様である。
次に、露出したダブルスキン材１２の内側スキン１６に、ＣＦＲＰ３０を取り付ける。この取り付け作業は、新製時の構体に対して取り付け作業をする場合と同様に、接着剤を用いて行う。そして、場合によって、接着を補うために、リベットやハックボルト等を使用してもよい。
続いて、一時的に剥がしていた内装部材を、剥がす前と同様の状態に戻す。
以上のような手順で作業を行えば、既存の鉄道車両用構体に対しても、ＣＦＲＰ３０の取り付けができる。

さて、上記構成をなす本発明の実施の形態によれば、次のような作用効果を得ることが可能である。すなわち、鉄道車両用構体１０は、外側スキン１４と内側スキン１６を有するダブルスキン材１２で形成され、その構成部位として、側構体１８を左右２面、妻面２４を前後２面、台枠２２、屋根２０とを含んでおり、この六面体が結合されて構成されている。そして、ダブルスキン材１２には、構体の補強手段として、ＣＦＲＰ３０を取り付ける。このＣＦＲＰ３０は、ダブルスキン材１２の表面の、構体の応力集中部を主とした任意の場所に取り付けを行う。しかも、ダブルスキン材１２の表面に取り付けを行うため、新製時の車両構体に対してのみならず、ダブルスキン材１２で形成された既存の鉄道車両用構体に対しても取り付けることで、構体の補強を行うことができ、構体の剛性を向上させることが可能となる。

又、ＣＦＲＰ３０が、側構体１８の吹寄部２６に取り付けられることにより、応力が集中しやすい吹寄部２６、特に吹寄部２６を形成するダブルスキン材接合部の剛性を高め、ダブルスキン材１２からなる鉄道車両用構体１０の補強を行うことができ、構体の剛性を向上させることが可能となる。
又、ＣＦＲＰ３０が、屋根２０と側構体１８との結合部に沿って延在する構体肩部に取り付けられることにより、応力集中しやすい、構体肩部における、構体の補強を行うことができる。そのため、一般的に強度が低いとされる結合部周辺での、応力に起因する亀裂の発生を防ぐことが可能となる。

更に、ＣＦＲＰ３０が、側構体１８と台枠２２との結合部である裾部に取り付けられることにより、応力集中しやすい、側構体１８と台枠２２との結合部における、構体の補強を行うことができる。そのため、一般的に強度が低いとされる結合部での、応力に起因する亀裂の発生を防ぐことが可能となる。
又、ＣＦＲＰ３０が、ダブルスキン材１２の表面のうち、内側スキン１６の車内側の面に取り付けられることとすれば、車両の外観に影響を与えることなく、車内側の面から、構体の必要部分に補強を行うことが可能となる。

なお、ＣＦＲＰ３０のヤング率が、１６０ＧＰａ〜４５０ＧＰａであることにより、鉄道車両の構体への補強として、適切なヤング率を有するＣＦＲＰ３０により、構体の応力集中部に係る部材の強度を補い、剛性を向上させることが可能となる。

１０：鉄道車両用構体、１２：ダブルスキン材、１４：外側スキン、１６：内側スキン、１８：側構体、２０：屋根、２２：台枠、２４：妻面、２６：吹寄部、３０：ＣＦＲＰ

Claims (6)

1. 外側スキンと内側スキンを有するダブルスキン材で形成され、側構体と、台枠と、妻面と、屋根とを構成部位に含む鉄道車両用構体において、前記ダブルスキン材にＣＦＲＰが取り付けられることを特徴とする鉄道車両用構体。
2. 前記ＣＦＲＰが、前記側構体の吹寄部に取り付けられ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ＣＦＲＰが、構体肩部に取り付けられることを特徴とする請求項１又は２記載の鉄道車両用構体。
4. 前記ＣＦＲＰが、前記側構体と前記台枠との結合部に取り付けられることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の鉄道車両用構体。
5. 前記ＣＦＲＰが、前記内側スキンの車内側の面に取り付けられることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の鉄道車両用構体。
6. 前記ＣＦＲＰのヤング率が、１６０ＧＰａ〜４５０ＧＰａであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の鉄道車両用構体。