JP2016037188A - 軌条車両構体 - Google Patents

Abstract

【課題】重量や製作コストを低減できる軌条車両構体を提供すること。【解決手段】屋根構体と、側構体と、台枠と、を有す軌条車両構体において、面板と一体形成された複数のリブを有するシングルスキン形材と、対向する面板とこられ面板を接続するリブを有するダブルスキン形材と、屋根構体と側構体とに備えられる補強フレームを備え、側構体の台枠近傍部および窓部をダブルスキン形材で、それ以外の部位をシングルスキン形材で構成し、シングルスキン形材に一体成型されたリブ形状を断面Ｔ字形状とし、補強フレームを、Ｔ型リブの水平部と、ダブルスキン形材の面板の上に載置し、補強フレームとシングルスキン形材、および、補強フレームとダブルスキン形材を、軌条車両構体の長手方向に連続的に摩擦撹拌接合する。【選択図】 図３

Description

本発明は、敷設された軌道上を走行する軌条車両において、その構体の重量や製作コストを低減する技術に関するものである。

軌条車両とは、敷設された軌道（線路やガイドウェイ等）に沿って運行される輸送システムに供される車両であり、輸送システムとしては高速鉄道、モノレール、新交通システム等がある。軌条車両の高速化や省エネルギー化の要求に伴い、軌条車両に供される構体の軽量化が求められている。一般的に、軌条車両構体（以下、構体と記す）は上面の屋根構体と、側面の側構体と、下面の台枠と、端面の妻構体で構成されており、これらの部材には、軽量化を目的に、アルミニウム合金等の軽金属が適用されている。近年は、アルミニウム合金の押出成形により、対向する２枚の面板を複数のリブで接続したダブルスキン形材が幅広く適用されている。ダブルスキン形材は高剛性という特徴を有するものの、板厚を薄くするほど押出成形が困難になるという課題があり、ダブルスキン形材よる構体の一層の軽量化は困難になりつつある。

軽量化を実現する手段として、１枚の面板にリブを設けたシングルスキン形材と、それを補強するフレームで構体を構成する方法がある。シングルスキン形材と補強フレームの接合には、従来は主に溶接が適用されていたが、近年は摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）が適用されつつある。摩擦撹拌接合は、熱変形や熱ひずみが小さく、従来よりも製作コストを低減することができる。シングルスキン形材と補強フレームを摩擦撹拌接合で接合した構造を採用することにより、構体の軽量化と製作コスト低減を実現できる。

本構造に関連する技術として、特許文献１には、シングルスキン形材と補強フレームを摩擦撹拌点接合（ＦＳＪ）によって接合し、構体を構成する技術が開示されている。具体的には、セミモノコック構造の構体であり、摩擦撹拌点接合でシングルスキン形材と補強フレームを重ね接合し、複数の重ね継手部で構体を構成する構造としている。

特開２００５−２３９０２９号公報

上記の通り、ダブルスキン形材では薄肉化に限界があるため、構体を軽量化するためには、シングルスキン形材と補強フレームで構体を構成する必要がある。また、構体の製作コストを低減するためには、入熱量が小さく接合後の歪の小さい摩擦撹拌接合でシングルスキン形材と補強フレームとを接合する必要がある。上記の特許文献１は、シングルスキン形材と補強フレームを摩擦撹拌点接合で接合した構造であり、両者が離散的に重ね接合されている。一般的に、接合部材と摩擦撹拌接合工具の接合条件が同様であれば、点状に重ね接合する摩擦撹拌点接合よりも、連続的に線状に重ね接合する摩擦撹拌接合の方が、接合部の強度は高い。

このため、摩擦撹拌接合で接合して組み立てる構体において、より一層の軽量化を図りつつ強度を確保するためには、シングルスキン形材と補強フレームの接合に摩擦撹拌接合を適用し、両者を線状に重ね接合することが望ましい。しかしながら、側構体や屋根構体は曲線部を有するため、構体長手方向に交差する断面において、補強フレームをその面上で側構体から屋根構体にかけて連続的に摩擦撹拌接合することは困難である。

さらに、シングルスキン形材はダブルスキン形材よりも剛性が小さいので、構体に気密荷重や機器重量が負荷された場合、シングルスキン形材に発生する変形や応力はダブルスキン形材よりも増加する。特に、シングルスキン形材で構成した構体では、側構体に設けられる窓部の変形や、補強フレーム最下部と台枠との接合部の高い応力を抑制する必要がある。

本発明は、これらの課題を解決するためになされたものであり、シングルスキン形材と補強フレームを連続的に摩擦撹拌接合し構体を軽量化するとともに、シングルスキン形材における窓部の変形や補強フレーム最下部の応力を低減することを目的とする。

本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、「床面をなす台枠と、台枠の幅方向の端部に立設される側構体と、側構体の上部に載置される屋根構体と、を有す軌条車両構体であって、軌条車両構体は、面板と前記面板に一体に成形される水平部と垂直部からなる複数のＴ字リブを有すシングル形材からなる屋根構体と、シングル形材と、対向する２枚の面板とこれら面板を接続するリブとからなるダブルスキン形材と、からなる側構体と、軌条車両構体の長手方向に交差する断面において長手方向に間隔をおいて配設されるとともに、屋根構体および側構体の軌条車両の車内側に接続される補強部材と、から構成されており、補強部材は、水平部と垂直部との接合部と、面板とリブとの接合部と、に軌条車両構体の長手方向に連続的に摩擦撹拌接合される軌条車両構体」であることを特徴とする。

本発明によれば、軌条車両構体において、構体の基本構成をシングルスキン形材と補強フレームにすることによって、板材の薄肉化が可能となり、従来のダブルスキン形材のみで構成する場合と比較して、構体を軽量化できる。また、シングルスキン形材にＴ型形状のリブを設け、その上に補強フレームを設置する構造とすることで、補強フレームを構体の長手方向に連続的に摩擦撹拌接合できる。連続的に摩擦撹拌接合することで、接合部の強度が向上し、一層の軽量化が可能となる。さらに、側構体の窓部や台枠近傍部のみダブルスキン形材を適用することにより、構体重量は微増するものの、シングルスキン形材の課題となる窓部の変形や台枠近傍部の応力を低減することができる。

図１は、軌条車両構体の斜視図である。 図２は、軌条車両構体の内部構成図である。 図３は、実施例１に係る図１の平面Ａの断面図である。 図４は、実施例１に係る図３のＢ−Ｂ断面図である。 図５は、実施例１に係る他の構造例（図３Ｂ−Ｂ断面相当）である。 図６は、実施例１に係る他の構造例（図３Ｂ−Ｂ断面相当）である。 図７は、実施例１に係る他の構造例（図３Ｂ−Ｂ断面相当）である。 図８は、実施例２に係る図１の平面Ａの断面図である。 図９は、実施例３に係る図１の平面Ａの断面図である。

以下に、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。まず、本発明の実施例の説明に供する各方向を定義する。軌条車両構体の長手（レール）方向１０、軌条車両方向の幅（枕木）方向２０、軌条車両構体の高さ方向３０とする。以後、単に長手方向１０、幅方向２０、高さ方向３０と記載する場合がある。なお、各図において、同一の部材には同一の符号を付している。

図１は、一般的な軌条車両構体１００の斜視図である。図２は、本発明に係る軌条車両構体の内部構成図であり、図３は本発明に係る図１の平面Ａの断面図である。軌条車両構体１００は、床面をなす台枠１０３と、台枠１０３の幅方向２０の両端部に立設される一対の側構体１０２と、台枠１０３の長手方向１０の両端部に立設される一対の妻構体１０５と、側構体１０３および妻構体１０５の上端部に載置される屋根構体１０１で構成され、側構体１０２には窓部１０４が設けられる。

一般的に、屋根構体１０１、側構体１０２、台枠１０３は、長手方向３０に交差する断面形状が同一であり、それらは押出加工された形材を接合して成形される。内部構成図２００に示すように、軌条車両構体１００を構成する屋根構体１０１と側構体１０２は、複数のＴ型リブ２０２を外板２０１に一体に備えるシングルスキン形材と、対向する外板２０１および内板２０３を複数のリブ２０４で接合したダブルスキン形材と、これら両形材を車内側から補強する補強フレーム２０５から構成される。Ｔ型リブは、外板２０１に交差する方向に立設される垂直部４０５と、垂直部４０５に載置される水平部４０４からなる（図４参照）。

側構体１０１の高さ方向３０の中央部の窓部１０４と、側構体１０１の下端の台枠近傍部２０６にダブルスキン形材を配設し、それ以外の部位にシングルスキン形材を配設して、軌条車両構体１００が構成される（図３参照）。補強フレーム２０５は、その下端部を台枠近傍部２０６に接続するとともに、側構体１０１の吹き寄せ部（窓と窓との間のダブルスキン形材部）１０４ａを通り屋根構体１０１に掛けて配設される。補強フレーム２０５は、シングルスキン形材のＴ型リブ２０２の水平部４０４とダブルスキン形材の面板の上に載置され、Ｔ型リブ（シングルスキン形材）および面板とリブとの接合部（ダブルスキン形材）に重ね摩擦撹拌接合で接合される。

図４は、実施例１に係る図３のＢ−Ｂ断面図である。補強フレーム２０５は、フランジ部４０１、ウェブ部４０２、中央部４０３を有するハット型の断面形状を有しており、補強フレーム２０５の中央部４０３がシングルスキン形材のＴ型リブ２０２の垂直部４０５と水平部４０４の接続部の上に載置され、これら両者が長手方向１０に沿って車内側（補強フレーム２０５の側）から重ね摩擦撹拌接合（以下、単に摩擦撹拌接合と記す）で接合される。

接合領域（位置）４０６は、補強フレーム２０５と、Ｔ型リブ２０２の水平部４０４と垂直部４０５の交線上のである。接合領域４０６の長さは、補強フレーム２０５の中央部４０３の長さや、摩擦撹拌接合する工具の外径、角度によって変化する。なお、図３に示すように、補強フレーム２０５は、ダブルスキン形材の内板（面板）２０３の上にも設置される。補強フレーム２０５の下部３０２は、ダブルスキン形材の内板（面板）２０３と、リブ２０４とが交わる交線上の接合部４００で、長手方向１０に沿って連続的に摩擦撹拌接合される。この接合部の構成は、後述する実施例２（図８）および実施例３（図９）においても同様である。

上記構成とすることにより、補強フレーム２０５は、軌条車両構体１００をなすシングルスキン形材およびダブルスキン形材に、長手方向１０に沿う線状に連続的に摩擦撹拌接合することができる。接合部を連続的に線状に摩擦撹拌接合することで、点状に摩擦撹拌点接合（スポット摩擦撹拌接合）する場合と比較して、接合部の強度が向上する。接合領域４０６の長さが増加するほど、接合部の強度は向上する。さらに、気密荷重や、機器（乗客）等の重量が作用した際に、変形量が大きく高い応力が観察される傾向がある側構体１０２の窓部１０４および台枠近傍部２０６にのみダブルスキン形材を適用することにより、構体重量は微増するものの、窓部１０４や台枠近傍部２０６の変形や応力を低減することができる。

なお、図３に示すように、軌条車両構体１００に気密圧力や機器（乗客）重量が軌条車両構体１００に負荷された場合、台枠近傍部２０６（特に、下部３０１）の応力が高くなる。このため、補強フレーム２０５の下端部３０２を、台枠近傍部２０６の下部３０１まで延伸しないで、下端部３０２を台枠の近傍部２０６の上部に接合することによって、台枠近傍部２０６の下部３０１の応力を低減している。補強フレーム２０５の下端部３０２を、台枠近傍部２０６の下部３０１まで延伸させない構造は、補強フレーム２０５の長さも低減できるので、軌条車両構体１００の軽量化を促進できる。

図４に示すように、補強フレーム２０５のフランジ部４０１には、内装材を固定するためのレール４０７を設置してもよい。レール４０７の開放した溝の内部に設置したＴ型ボルトなどを利用することで、構体組立後の車内設備（内装パネル、荷棚、照明設備、空調ダクトなど）の取付け作業が容易となる。図４ではレール４０７を高さ方向３０に沿って備えているが、レール４０７を長手方向１０に沿って、複数の補強フレーム２０５に跨って備えても良い。

また、車内設備を補強フレーム２０５内の空間４０８の中に設置してもよい。補強フレームの形状は、図４に示した形状に限ったものではなく、車両のデザインや、構体を構成する部材間の寸法などにより、種々変化させてよい。例えば、図５に示すように、補強フレーム５０１の断面形状をコ型形状とし、接合領域５０２をシングルスキン形材のＴ型リブ２０２の水平部４０４の上に接合してもよい。さらに、図６に示すように、補強フレーム５０３の断面形状を鉤型形状とし、接合領域５０４を接合してもよい。また、図７に示すように、ハット型の断面形状の補強フレーム５０５のフランジ部５０６、５０７をＴ型リブ２０２の上に設置し、接合領域５０８、５０９を接合してもよい。

なお、構体を構成するシングルスキン形材、ダブルスキン形材、補強フレームなど各部材は、同構体内で異種合金を組み合わせて構成してもよい。また、外板２０１、Ｔ型リブ２０２、内板２０３、トラス型リブ２０４、補強フレーム２０５の各板厚は同一でなくてもよいし、Ｔ型リブ２０２やトラス型リブ２０４の配置間隔は、シングルスキン形材内やダブルスキン形材内で等間隔でも不等間隔でもよい。さらに、ダブルスキン形材内部のリブは、トラス構造のように三角形状に配置してもよいし、ラーメン構造のように四角形状に配置してもよい。

図８は、本発明の実施例２に係る図１の平面Ａの断面図である。図８の構成のうち、既に説明した図１から図７までと同一の構成、機能を有する部分に関しては、説明を省略する。本発明の実施例２では、補強フレームを第１補強フレーム６０１と第２補強フレーム６０２に分割した構成としており、それ以外のシングルスキン形材やダブルスキン形材の配置は実施例１と同様である。屋根構体１０１から側構体１０２の上部に延伸する補強フレーム６０１の下端６０３を、窓部（吹き寄せ部）６０６の高さ方向３０の上部に配設するとともに、補強フレーム６０２の上端６０４を窓部（吹き寄せ部）６０６の高さ方向３０の下部に設置する。窓部６０６の高さ方向３０の中央部の補強フレームが配設されない未配設部６０８には、第１補強フレーム６０１と第２補強フレーム６０２を配設しない。補強フレーム６０２の下端６０５は、実施例１と同様に、台枠近傍部６０７上に設置する。

上記構成とすることにより、補強フレームが配設されない未配設部６０８の寸法に対応する補強フレームの長さ相当分の重量を低減できるため、構体を軽量化することができる。また、補強フレームの長さが低減することで、摩擦撹拌接合の回数や接合長さが減少するため、構体の製作コストを低減できる。

第１補強フレーム６０１の下端６０３や、第２補強フレーム６０２の上端６０４および下端６０５は、高剛性のダブルスキン形材上に接合しているため、補強フレームを分割した本実施例においてもシングルスキン形材部分の変形を抑制できる。未配設部６０８の高さ方向３０の寸法は、車両のデザインや構体を構成する部材間の寸法などにより、任意に変化させてもよい。また、窓部６０６や台枠近傍部６０７だけでなく、肩部６０９にダブルスキン形材を配設して、補強フレームを３個以上に分割してもよい。

図９は、実施例３に係る図１の平面Ａの断面図である。既に説明した図１から図８までと同一の構成、機能を有する部分に関しては、説明を省略する。本発明の実施例３では、実施例１と比較して、シングルスキン形材、ダブルスキン形材、補強フレームの配置場所を変更している。屋根構体７０１と窓部上部７０２をシングルスキン形材とし、窓部７０３と窓部下部７０４と台枠近傍部７０５をダブルスキン形材としている。補強フレーム７０６の下端７０７を窓部７０３上に設置し、それより下方の部位には補強フレームを配置しない未配設部７０８を設けている。

上記構成とすることにより、窓部下部７０４や台枠近傍部７０５に、補強フレームが備えられないので、特に幅方向２０の座席空間７０９が拡大し、乗客着座時の快適性が向上する。窓部下部７０４までダブルスキン形材とすることで、実施例１と比較して、その部位の重量は増加するものの、未配設部７０８の寸法に相当する補強フレームの長さを低減できるため、補強フレームの重量を低減できる。さらに、補強フレームの長さの低減に伴い、補強フレームを側構体へ接合する摩擦撹拌接合の回数や接合距離が減少するため、軌条車両構体の製作コストを低減できる。

補強フレーム７０６の下端７０７は、高剛性なダブルスキン形材に接合しているため、本実施例においてもシングルスキン形材部分の変形は小さい。なお、未配設部７０８の距離は、車両のデザインや、構体を構成する部材間の寸法などにより、任意に変化させてもよい。

上記で示した各実施例のように、構体の基本構成をシングルスキン形材と補強フレームにすることによって、板材の薄肉化が可能となり、従来のダブルスキン形材のみで構成する場合と比較して、構体を軽量化できる。また、シングルスキン形材にＴ型形状のリブを設け、その上に補強フレームを設置する構造とすることで、補強フレームを構体の長手方向に連続的に摩擦撹拌接合できる。連続的に摩擦撹拌接合することで、接合部の強度が向上し、一層の軽量化が可能となる。さらに、側構体の窓部や台枠近傍部にダブルスキン形材を適用することにより、構体重量は微増するものの、シングルスキン形材の課題となる窓部の変形や台枠近傍部の応力を低減することができる。

１０：軌条車両構体の長手（レール）方向 ２０：軌条車両構体の幅（枕木）方向
３０：軌条車両構体の高さ方向
１００：軌条車両構体
１０１、７０１：屋根構体 １０２：側構体
１０３：台枠 １０４、６０６、７０３：窓部
１０５：妻構体 ２００：内部構成図
２０１：外板 ２０２：Ｔ型リブ
２０３：内板 ２０４：トラス型リブ
２０５、５０１、５０３、５０５、６０１、６０２、７０６：補強フレーム
２０６、６０７、７０５：台枠近傍部 ３０１：台枠近傍部下部
３０２、６０３、６０５、７０７：補強フレーム下端
４０１、５０６、５０７：フランジ部
４０２：ウェブ部 ４０３：中央部
４０４：水平部 ４０５：垂直部
４０７：レール ４０８：補強フレーム空間
５０２、５０４、５０８、５０９：接合領域
６０４：補強フレーム上端 ６０８：未配設部
６０９：肩部 ７０２：窓部上部
７０４：窓部下部 ７０８：未配設部
７０９：座席空間

Claims (7)

1. 床面をなす台枠と、
   前記台枠の幅方向の端部に立設される側構体と、
   前記側構体の上部に載置される屋根構体と、を有す軌条車両構体であって、
   前記軌条車両構体は、
   面板と前記面板に一体に成形される水平部と垂直部からなる複数のＴ字リブを有すシングル形材からなる前記屋根構体と、
   前記シングル形材と対向する２枚の面板と前記面板同士を接続するリブとからなるダブルスキン形材と、からなる前記側構体と、
   前記軌条車両構体の長手方向に交差する断面において前記長手方向に間隔をおいて配設されるとともに、前記屋根構体および前記側構体の前記軌条車両構体の車内側に接続される補強部材と、
   から構成されており、
   前記補強部材は、前記水平部と前記垂直部との接合部と、前記面板と前記リブとの接合部と、に前記軌条車両構体の前記長手方向に連続的に摩擦撹拌接合されること
   を特徴とする軌条車両構体。
2. 請求項１に記載の軌条車両構体において、
   前記側構体は、
   高さ方向の中央部に配設される窓部と、前記台枠に接続する高さ方向の下部と、に前記ダブルスキン形材を備えており、
   前記補強部材は、
   前記屋根構体から前記側構体の前記下部まで連続的に配設されていること
   を特徴とする軌条車両構体。
3. 請求項２に記載の軌条車両構体において、
   前記補強部材は、
   前記屋根構体から前記窓部の上部までの範囲に配設される第１補強部材と、
   前記窓部の下部から前記下部までの範囲に配設される第２補強部材と、
   から構成されること
   を特徴とする軌条車両構体。
4. 請求項１に記載の軌条車両構体において、
   前記側構体は、
   高さ方向の中央部に配設される窓部から前記台枠に接続する高さ方向の下部に至る範囲に前記ダブルスキン形材を備えており、
   前記補強部材は、
   前記屋根構体から前記窓部の上部までの範囲に配設されること、
   を特徴とする軌条車両構体。
5. 請求項１から４までのいずれかの一項に記載された軌条車両構体において、
   前記補強部材は、
   前記側構体または前記屋根構体に当接される当接部と、
   前記水平部の幅方向の両端部から立設されるウェブと、
   前記ウェブから前記水平部に略平行に延伸するフランジ部と、
   を有するハット状の断面形状を備えており、
   前記当接部が前記側構体または前記屋根構体に摩擦撹拌接合されること
   を特徴とする軌条車両構体。
6. 請求項５に記載の軌条車両構体において、
   前記フランジ部に前記軌条車両構体に備えられる内装材を固定するレールが備えられること
   を特徴とする軌条車両構体。
7. 請求項５に記載の軌条車両構体において、
   前記当接部と前記ウェブとで囲まれる空間に車内設備が配設されること
   を特徴とする軌条車両構体。