JP2018135007A - 鉄道車両用開口フレーム - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストの増大を回避しつつ湾曲コーナ部材の強度を十分に確保でき、かつ段差の無い形状の鉄道車両用開口フレームを提供する。【解決手段】開口フレーム１１は、鉄道車両構体１の開口部に取り付けられる鉄道車両用開口フレーム１１であって、縦方向（第１の方向）に延在する縦部材（第１の直線部材）１２と、横方向（第２の方向）に延在する横部材（第２の直線部材）１３と、縦部材１２と横部材１３とを繋ぐ湾曲コーナ部材１４と、を備え、湾曲コーナ部材１４は、縦部材１２及び横部材１３よりも強度の高い材料によって、縦部材１２及び横部材１３と等厚に形成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、鉄道車両用開口フレームに関する。

鉄道車両構体には、乗降口となる扉や、窓などが取り付けられる開口部が設けられている。開口部の強度を十分に確保するため、開口部には、開口フレームが取り付けられている。例えば特許文献１に記載の鉄道車両の側構体では、開口部の下側隅部を跨ぐように押し出し形材を入口柱の下部に嵌め込むことにより、下側隅部における湾曲部分を形成している。

特許第４８５４７１５号公報

例えば従来の通勤型の鉄道車両構体では、側構体を構成する外板に対して開口フレームが取り付けられている。開口フレームは、車両の上下方向に延びる縦部分、車両の前後方向に延びる横部分、及び縦部分と横部分とを繋ぐ湾曲部分を一体に接合してなる。湾曲部分には、鉄道車両の走行時或いは乗客の乗降時などに応力が集中し易い。このため、応力の集中に耐えられるように、縦部分及び横部分に比べて湾曲部分の厚さを大きくし、湾曲部分の強度を確保する構成が採用されていた。

しかしながら、縦部分及び横部分に比べて湾曲部分の厚さを大きくすると、安価なプレス加工では湾曲部分を形成することが困難となり、高価な削り出し加工によって湾曲部分を形成する必要があった。開口フレームは、車両毎に複数設けられるため、湾曲部分の製造コストが増大すると、鉄道車両構体の製作コストの増大に直結してしまうという問題があった。また、縦部分及び横部分と湾曲部分との間で厚さに差があると、これらの境界部分に段差が生じ、側構体と開口フレームとの間に隙間が生じる。このような隙間は、水滴等による腐食を抑制する観点で望ましくない。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、製造コストの増大を回避しつつ湾曲部分の強度を十分に確保でき、かつ段差の無い形状の鉄道車両用開口フレームを提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る鉄道車両用開口フレームは、鉄道車両構体の開口部に取り付けられる鉄道車両用開口フレームであって、第１の方向に延在する第１の直線部材と、第１の方向に交差する第２の方向に延在する第２の直線部材と、第１の直線部材と前記第２の直線部材とを繋ぐ湾曲コーナ部材と、を備え、湾曲コーナ部材は、第１の直線部材及び第２の直線部材よりも強度の高い材料によって、第１の直線部材及び第２の直線部材と等厚に形成されている。

この鉄道車両用開口フレームでは、第１の直線部材及び第２の直線部材よりも強度の高い材料によって、湾曲コーナ部材が第１の直線部材及び第２の直線部材と等厚に形成されている。第１の直線部材及び第２の直線部材よりも強度の高い材料を用いることにより、湾曲コーナ部材を縦部材及び横部材と等厚とした場合でも、応力の集中し易い湾曲コーナ部材の強度を十分に確保できる。また、湾曲コーナ部材を第１の直線部材及び第２の直線部材と等厚とすることで、これらの接合部分に段差が生じることを回避できる。したがって、構体側との間に隙間が生じることを防止でき、水滴等による腐食を抑制できる。湾曲コーナ部材の厚さを抑制できるので、安価なプレス加工によって湾曲コーナ部材を形成でき、製造コストの増大を回避できる。

また、湾曲コーナ部材は、ＳＵＳ３０１Ｌ−３／４Ｈによって形成されていてもよい。これにより、湾曲コーナ部材の厚さを第１の直線部材及び第２の直線部材の厚さと等厚にした場合でも、湾曲コーナ部材の強度をより確実に確保できる。

また、湾曲コーナ部材は、レーザ溶接によって第１の直線部材及び第２の直線部材に接合されていてもよい。レーザ溶接を用いる場合、接合部の幅を狭い範囲に抑えられると共に、接合部への入熱を抑制できる。ＳＵＳ３０１Ｌ−３／４Ｈは、加工硬化を利用して鋼材の硬度を向上させているため、熱が加わると加工硬化による高度の向上効果が失われることが考えられる。したがって、レーザ溶接を用いることで、接合部及びその近傍においても加工硬化による高度の向上効果が維持される。

また、湾曲コーナ部材の一端部は、第１の直線部材と同方向に延びると共に第１の直線部材に接合される第１の直線部分となっており、湾曲コーナ部材の他端部は、第２の直線部材と同方向に延びると共に第２の直線部材に接合される第２の直線部分となっていてもよい。応力が集中し易い湾曲部分を避けて直線部分で接合を行うことで、接合部の破損を抑制できる。また、接合の作業性も向上できる。

本発明によれば、製造コストの増大を回避しつつ湾曲部分の強度を十分に確保でき、かつ段差の無い形状の鉄道車両用開口フレームが得られる。

本実施形態に係る鉄道車両用開口フレームを適用した鉄道車両構体の一例を示す概略斜視図である。 鉄道車両構体の応力分布を示す図である。 鉄道車両用開口フレームの応力分布を示す図である。 鉄道車両用開口フレームの要部拡大斜視図である。 鉄道車両用開口フレームの製造工程の一例を示す図である。 図５の後続の工程を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係る鉄道車両用開口フレームの好適な実施形態について詳細に説明する。

本実施形態に係る鉄道車両用開口フレームを適用した鉄道車両構体の一例を示す概略斜視図である。同図に示すように、鉄道車両構体１は、床構体２と、側構体３と、屋根構体４と、妻構体５とを備えている。これらの各構体が相互に接合されることにより、鉄道車両構体１は、乗客を収容する空間を内部に有する箱型形状をなしている。

また、ドア部６，６間と側構体３の両端部とには、窓部７が設けられている。妻構体５は、乗客や乗員らが車両間を行き来するための出入口部８が設けられている。屋根構体４は、車両の屋根部を構成する構体として鉄道車両の構体の上部に空間に蓋をするように配置されている。車両の屋根構体４には、上部に車内の温度を調整するためのエアコンディショナーやパンタグラフ（図示しない）などが備えられている。

上述したドア部６及び窓部７には、鉄道車両用開口フレーム１１（以下「開口フレーム１１」と称す）が設けられている。開口フレーム１１は、側構体３におけるドア部６及び窓部７等の開口部を補強するための部材であり、側構体３を構成する外板に対して別パーツとして取り付けられている。また、本実施形態では、妻構体５の出入口部８に対しても同様の開口フレーム１１が適用されている。以下、この開口フレーム１１について詳細に説明する。

図２は、鉄道車両構体の応力分布を示す図である。同図に示す応力分布は、試験用の鉄道車両構体１０１（図１に示した構成とは窓部及びドア部の配置数が異なる）の４隅のうちの任意の３点を支持した場合のＦＥＭ（有限要素法）による解析結果を示している。試験方法は、「ＪＩＳ Ｅ７１０５」に規定された荷重試験方法に準ずる。３点支持により、鉄道車両構体１０１に歪みが生じた場合、図２に示す例では、側構体１０３の開口部に設けられた開口フレーム１１１とその近傍とに応力が集中していることが確認できる。また、図３は、鉄道車両用開口フレームの応力分布を示す図である。同図に示す例では、開口フレーム１１１に応力が発生する場合、縦部分１１２及び横部分１１３に比べて開口フレーム１１１の湾曲部分１１４に応力が集中していることが確認できる。特に、湾曲部分１１４の中間点近傍に最も高い応力が生じていることが分かる。

このような応力の集中に耐えられるように、従来では、縦部分１１２及び横部分１１３に比べて湾曲部分１１４の厚さを大きくして湾曲部分１１４の強度を確保する構成が採用されていた。しかしながら、縦部分１１２及び横部分１１３に比べて湾曲部分１１４の厚さを大きくすると、安価なプレス加工では湾曲部分１１４を形成することが困難となり、高価な削り出し加工によって湾曲部分１１４を形成する必要があった。

開口フレーム１１１は、車両毎に複数設けられるため、湾曲部分１１４の製造コストが増大すると、鉄道車両構体１０１の製作コストの増大に直結してしまうという問題があった。また、縦部分１１２及び横部分１１３と湾曲部分１１４との間で厚さに差があると、これらの境界部分に段差が生じ、側構体１０３と開口フレーム１１１との間に隙間が生じる。このような隙間は、水滴等による腐食を抑制する観点で望ましくない。

これに対し、本実施形態に係る開口フレーム１１は、図４に示すように、縦方向（第１の方向）に延在する縦部材（第１の直線部材）１２と、縦方向に交差する横方向（第２の方向）に延在する横部材（第２の直線部材）１３と、縦部材１２と横部材１３とを繋ぐ湾曲コーナ部材１４とによって構成されている。

開口フレーム１１は、縦部材１２、横部材１３、及び湾曲コーナ部材１４の接合により、全体として枠体状をなしている。開口フレーム１１の外側部分１５は、開口部への取り付け状態において側構体３の面内方向に沿う部分であり、開口部の形状を画成する。また、開口フレーム１１の内側部分１６は、外側部分１５に対して一方側に滑らかに折れ曲がり、開口部の奥行きを形成する。

縦部材１２は、開口フレーム１１を鉄道車両構体１の開口部に適用する際に車両の上下方向を向く直線部分である。縦部材１２は、例えばＳＵＳ３０４などのステンレス鋼によって形成されている。横部材１３は、開口フレーム１１を鉄道車両構体１の開口部に適用する際に車両の前後方向を向く直線部分である。横部材１３は、縦部材１２と同様に、例えばＳＵＳ３０４などのステンレス鋼によって形成されている。本実施形態では、縦部材１２及び横部材１３の厚さは、いずれも数ミリ程度で互いに等しくなっている。また、本実施形態では、縦部材１２の断面形状と横部材１３の断面形状とが略同一となっている。

湾曲コーナ部材１４は、開口フレーム１１の角部１７を構成する部分である。角部１７への応力集中を緩和するため、湾曲コーナ部材１４における外側角部１７ａ及び内側角部１７ｂは、開口フレーム１１の正面視においていずれも丸みを帯びている。本実施形態では、内側角部１７ｂの曲率半径は、外側角部１７ａの曲率半径よりも大きくなっている。また、湾曲コーナ部材１４の厚さは、縦部材１２及び横部材１３の厚さと等厚となっており、湾曲コーナ部材１４の断面形状は、縦部材１２及び横部材１３の断面形状と略同一となっている。

湾曲コーナ部材１４の一端部１４ａ（第１の直線部分）は、縦部材１２と同方向に延びる直線部分となっている。湾曲コーナ部材１４の一端部１４ａは、縦部材１２の一端部１２ａに対して突き合わされ、当該突き合わせ部分に沿って溶接部Ｗが設けられている。溶接部Ｗにより、湾曲コーナ部材１４と縦部材１２とは、互いに強固に接合されている。

湾曲コーナ部材１４の他端部１４ｂ（第２の直線部分）は、横部材１３と同方向に延びる直線部分となっている。湾曲コーナ部材１４の他端部１４ｂは、横部材１３の一端部１３ａに対して突き合わされ、当該突き合わせ部分に沿って溶接部Ｗが設けられている。溶接部Ｗにより、湾曲コーナ部材１４と横部材１３とは、互いに強固に接合されている。

溶接部Ｗを形成する溶接手法には、特に制限はないが、例えばアーク溶接、或いはレーザ溶接を用いることができる。縦部材１２、横部材１３、及び湾曲コーナ部材１４が互いに等厚となっていることで、溶接部Ｗには段差が生じておらず、フラットな状態となっている。溶接部Ｗには、グラインダなどによる研磨を施すことが好適である。この場合、溶接部Ｗを他の部分に対して目立たなくすることが可能となる。

湾曲コーナ部材１４は、縦部材１２及び横部材１３よりも強度の高い材料によって形成されている。このような材料としては、例えばＳＵＳ３０１Ｌなどのステンレス鋼が挙げられる。縦部材１２及び横部材１３をＳＵＳ３０４で形成する場合、湾曲コーナ部材１４をＳＵＳ３０１Ｌ−３／４Ｈで形成することが好適である。

ＳＵＳ３０１は、ＳＵＳ３０４からＮｉとＣｒとを低減し、加工硬化を施したオーステナイト系ステンレス鋼である。ＳＵＳ３０１Ｌは、ＳＵＳ３０１からＣを低減した低炭素鋼であり、加工硬化の程度によってＳＵＳ３０１Ｌ−１／４Ｈ、ＳＵＳ３０１Ｌ−１／２Ｈ、ＳＵＳ３０１Ｌ−３／４Ｈ、及びＳＵＳ３０１Ｌ−Ｈのように区分されている。

このような湾曲コーナ部材１４は、例えばプレス加工によって形成される。上述したＳＵＳ３０１Ｌ−３／４Ｈのような高強度材料によって湾曲コーナ部材１４を形成する場合、通常の曲げ加工が困難であるため、より変形量の得られる絞り加工を行うことが好適である。この場合、例えば図５に示すように、浅絞り加工用の凹状型２１のフランジ部分２２に母材２３を載置し、母材２３の縁部をホルダ（不図示）で押さえながらパンチ２４で母材２３の中央を押圧する。次に、例えば図６に示すように、加工後の母材２３の耳部２５及び凹状部分の底２６を一点鎖線に沿って切断する。これにより、複数（４コーナ分）の湾曲コーナ部材１４を一度に得ることができる。

以上説明したように、開口フレーム１１では、縦部材１２及び横部材１３よりも強度の高い材料によって、湾曲コーナ部材１４が縦部材１２及び横部材１３と等厚に形成されている。縦部材１２及び横部材１３よりも強度の高い材料を用いることにより、湾曲コーナ部材１４を縦部材１２及び横部材１３と等厚とした場合でも、応力の集中し易い湾曲コーナ部材１４の強度を十分に確保できる。また、湾曲コーナ部材１４を縦部材１２及び横部材１３と等厚とすることで、これらの接合部分に段差が生じることを回避できる。したがって、鉄道車両構体１に開口フレーム１１を適用する際に側構体３と開口フレーム１１との間に隙間が生じることを防止でき、水滴等による腐食を抑制できる。さらに、湾曲コーナ部材１４の厚さを抑制できるので、安価なプレス加工によって湾曲コーナ部材１４を形成でき、製造コストの増大を回避できる。

また、本実施形態では、湾曲コーナ部材１４がＳＵＳ３０１Ｌ−３／４Ｈによって形成される形態が含まれている。ＳＵＳ３０１Ｌ−３／４Ｈを用いることにより、湾曲コーナ部材１４の厚さを縦部材１２及び横部材１３の厚さと等厚にした場合でも、湾曲コーナ部材１４の強度をより確実に確保できる。

また、本実施形態では、湾曲コーナ部材１４がレーザ溶接によって縦部材１２及び横部材１３に接合される形態が含まれている。レーザ溶接を用いる場合、溶接部Ｗの幅を狭い範囲に抑えられると共に、溶接部Ｗへの入熱を抑制できる。特に、ＳＵＳ３０１Ｌ−３／４Ｈは、加工硬化を利用して鋼材の硬度を向上させているため、熱が加わると加工硬化による高度の向上効果が失われることが考えられる。したがって、レーザ溶接を用いることで、溶接部Ｗ及びその近傍においても加工硬化による高度の向上効果が維持される。

また、本実施形態では、湾曲コーナ部材１４の一端部１４ａ及び他端部１４ｂがいずれも直線部分となっており、当該部分で縦部材１２及び横部材１３との溶接がなされている。このような構成によれば、応力が集中し易い湾曲部分（特に内側角部１７ｂと外側角部１７ａとを結ぶ領域）を避けて直線部分で溶接を行うことで、溶接部Ｗの破損を抑制できる。また、接合の作業性も向上できる。

１…鉄道車両構体、１１…開口フレーム（鉄道車両用開口フレーム）、１２…縦部材（第１の直線部材）、１３…横部材（第２の直線部材）、１４…湾曲コーナ部材、１４ａ…一端部、１４ｂ…他端部。

Claims (4)

1. 鉄道車両構体の開口部に取り付けられる鉄道車両用開口フレームであって、
   第１の方向に延在する第１の直線部材と、
   前記第１の方向に交差する第２の方向に延在する第２の直線部材と、
   前記第１の直線部材と前記第２の直線部材とを繋ぐ湾曲コーナ部材と、を備え、
   前記湾曲コーナ部材は、前記第１の直線部材及び前記第２の直線部材よりも強度の高い材料によって、前記第１の直線部材及び前記第２の直線部材と等厚に形成されている鉄道車両用開口フレーム。
2. 前記湾曲コーナ部材は、ＳＵＳ３０１Ｌ−３／４Ｈによって形成されている請求項１記載の鉄道車両用開口フレーム。
3. 前記湾曲コーナ部材は、レーザ溶接によって前記第１の直線部材及び前記第２の直線部材に接合されている請求項２記載の鉄道車両用開口フレーム。
4. 前記湾曲コーナ部材の一端部は、前記第１の直線部材と同方向に延びると共に前記第１の直線部材に接合される第１の直線部分となっており、
   前記湾曲コーナ部材の他端部は、前記第２の直線部材と同方向に延びると共に前記第２の直線部材に接合される第２の直線部分となっている請求項１〜３のいずれか一項記載の鉄道車両用開口フレーム。