JP2018167319A - 車両パネル構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な製造工程でダブルスキン構造の車両パネル構造体の製造方法を提供できる。【解決手段】一方のダブルスキン形材１２ａの一対の面板３１を他方のダブルスキン形材１２ｂの一対の面板３１に突き合わせ、当該突き合わせ部分に一対の面板３１及びリブ部３２による中空部Ｓ２を形成する突き合わせ工程と、突き合わせ部分において一対の面板３１の端部同士を摩擦撹拌接合によって接合する接合工程と、を備え、接合工程では、プローブ部５１の先端にショルダ部５２が設けられた回転ツール５０と、プローブ部５１が挿通した状態でショルダ部５２と対向する裏当部材５３とを用い、中空部Ｓ２内に配置したショルダ部５２と中空部Ｓ２の外側に配置した裏当部材５３とによって突き合わせ部分を挟持した状態で、突き合わせ部分に挿入したプローブ部５１を突き合わせ部分に沿って走査する。【選択図】図６

Description

本発明は、車両パネル構造体の製造方法に関する。

従来、一対の面板が複数のリブ部で接続された複数の押出し中空形材（以下、ダブルスキン形材という）を接合することで、車両パネル構造体を形成する手法が知られている。たとえば、特許文献１には、複数のダブルスキン形材が接合された車両パネル構造体を用いることで、ダブルスキン構造を有する鉄道車両構体を製造することが開示されている。

特開２００６−１９２９９５号公報

ダブルスキン形材では、一対の面板の間にリブ部によって形成された中空部が存在するため、例えば摩擦撹拌接合によって複数のダブルスキン形材における面板の端部同士を接合する際に、摩擦撹拌接合時に加わる荷重を支えるための構成が必要となっている。例えば特許文献１では、中空部を形成するリブ部とは別に摩擦撹拌接合時に加わる荷重を支えるためのリブ部が面板間に配置されている。そして、荷重を支えるためのリブ部の一方側と他方側とにおいてそれぞれ摩擦撹拌接合を行うことで、複数のダブルスキン形材同士の接合が実現されている。

しかしながら、このような従来の方法では、ダブルスキン形材の外面に回転ツールのショルダ部を当接させて接合を行うため、該外面に摩擦撹拌接合によるビードが形成される。外面は、例えば鉄道車両構体の外装又は内装として用いられるため、外面に形成されたビードを研削するという工程等が必要となる。このため、製造工程が煩雑になるという問題がある。

本発明は、簡単な製造工程でダブルスキン構造の車両パネル構造体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る車両パネル構造体の製造方法は、互いに対向する一対の面板と、一対の面板間に配置されている複数のリブ部とによって構成される一対のダブルスキン形材同士を接合してなる車両パネル構造体の製造方法であって、一方のダブルスキン形材の一対の面板を他方のダブルスキン形材の一対の面板に突き合わせ、当該突き合わせ部分に一対の面板及びリブ部による中空部を形成する突き合わせ工程と、突き合わせ部分において一対の面板の端部同士を摩擦撹拌接合によって接合する接合工程と、を備え、接合工程では、プローブ部の先端にショルダ部が設けられた回転ツールと、プローブ部が挿通した状態でショルダ部と対向する裏当部材とを用い、中空部内に配置したショルダ部と中空部の外側に配置した裏当部材とによって突き合わせ部分を挟持した状態で、突き合わせ部分に挿入したプローブ部を突き合わせ部分に沿って走査する。

この車両パネル構造体の製造方法では、中空部内に配置したショルダ部と中空部の外側に配置した裏当部材とによって突き合わせ部分を挟持した状態で、突き合わせ部分に挿入したプローブ部を突き合わせ部分に沿って走査する。中空部内の面にショルダ部が当接するため、当該面にビードが形成される。中空部の外側の面に裏当部材が当接するため、当該面にはビードが形成されない。これにより、ビードを研削するという工程等を省くことが可能となる。このため、簡単な製造工程でダブルスキン構造の車両パネル構造体を製造することができる。

柱部材を一対のダブルスキン形材の外面に設置する柱設置工程を更に備え、厚さが１０〜４０ｍｍのダブルスキン形材が用いられてもよい。ダブルスキン形材の厚さが１０〜４０ｍｍであるため、柱部材によってセミモノコック構造を構成することにより、安価で軽量かつ高剛性の構造を実現することができる。

複数のリブ部が一対の面板に対して垂直に配置されているダブルスキン形材が用いられてもよい。これにより、車両パネル構造体を所定形状に加工する場合に、任意の中空部の位置で切断することができる。したがって、例えば、開口フレームの取付位置において専用のリブ部を設ける必要がなくなり、製造コストの低減が図られる。

本発明によれば、簡単な製造工程でダブルスキン構造の車両パネル構造体の製造方法を提供できる。

本実施形態に係る車両パネル構造体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。 図１に示した鉄道車両構体の側構体として用いられる車両パネル構造体の斜視図である。 図２の要部拡大断面図である。 車両パネル構造体の製造工程の一例に用いられるダブルスキン形材の要部拡大断面図である。 車両パネル構造体の製造工程の一例を示す図である。 車両パネル構造体の製造工程の一例を示す図である。 車両パネル構造体の製造工程の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、車両パネル構造体を有する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。

床構体２は、車両の床部を構成する構体として鉄道車両構体１の底部に配置されている。床構体２の下部には、鉄道車両構体１を支持する一対の台車（不図示）が設置されている。側構体３及び妻構体５は、車両の側部を構成する構体として、床構体２の左右の縁部及び前後の縁部を囲むように立設されている。

側構体３には、乗客らが乗り降りするためのドア部６が等間隔に複数設けられている。また、ドア部６，６間と側構体３の両端部とには、窓部７がそれぞれ設けられている。側構体３は、例えば腰パネル、吹き寄せパネル、幕パネル、ドア上パネル等の各部位を形成する車両パネル構造体１１（図２参照）によって構成されている。

腰パネルは、窓部７と床構体２との間に位置するパネルであり、吹き寄せパネルは、ドア部６と窓部７との間、及び窓部７と妻構体５との間に位置するパネルである。幕パネルは、窓部７と屋根構体４との間に位置するパネルであり、ドア上パネルは、ドア部６と屋根構体４との間に位置するパネルである。

妻構体５は、乗客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及びパンタグラフ（図示しない）などが設置されている。

次に、上述した側構体３を構成する車両パネル構造体１１について更に詳細に説明する。

図２は、図１に示した鉄道車両構体１の側構体３として用いられる車両パネル構造体の斜視図である。車両パネル構造体１１は、互いに接合された一対のダブルスキン形材１２によって構成されており、ダブルスキン構造を有している。接合された一対のダブルスキン形材１２は、互いに平行な主面２２ａ，２２ｂを有している。主面２２ａは側構体３の外側面を構成し、主面２２ｂは側構体３の内側面を構成する。車両パネル構造体１１は、３以上のダブルスキン形材１２が接合されることによって構成されていてもよい。

本実施形態において車両パネル構造体１１は、一対のダブルスキン形材１２の主面２２ｂに接合された柱部材１３も有しており、ダブルスキン構造とセミモノコック構造とが併用されている。柱部材１３は、ハット形状を有しており、一対のフランジ部１３ａを含んでいる。柱部材１３は、一対のフランジ部１３ａの溶接部１３ｂにおいて、スポット溶接によって主面２２ｂに接合されている。柱部材１３は、鉄道車両構体１への適用時において、側構体３の高さ方向に延在する。

柱部材１３は、例えば、ダブルスキン形材１２よりも強度が高い材料からなる。柱部材１３の材料としては、例えば７Ｎ０１等の高強度アルミ合金が挙げられる。柱部材１３は、ダブルスキン形材１２と同一の材料を用いて構成されていてもよい。柱部材１３の厚さは、例えば数ミリ程度となっている。

一対のダブルスキン形材１２は、互いに突き合わされて摩擦撹拌接合によって接合されている。摩擦撹拌接合は、回転ツールを回転させながらプローブ部を金属材等の材料に押し込み、摩擦熱で軟化させた母材同士を塑性流動により一体化させる固相接合方法である。摩擦撹拌接合では、アーク溶接及びレーザ溶接のような溶融溶接と比較して母材への入熱量が小さいので、高品質な継手を得ることが可能であり、融点の低いアルミニウム合金の接合に適している。

各ダブルスキン形材１２は、互いに対向する一対の面板３１と、一対の面板３１間に複数の中空部Ｓ１を形成する複数のリブ部３２とによって構成されている。各ダブルスキン形材１２の厚さは、１０〜４０ｍｍである。各ダブルスキン形材１２は、例えば６Ｎ０１等のアルミ合金からなる板材であり、例えば押出成形によって形成される。一対の面板３１は、互いに対向しており、各面板３１の厚さは例えば数ミリ程度である。

複数のリブ部３２は、一対の面板３１間に配置されており、一対の面板３１の対向方向（ダブルスキン形材１２の厚み方向）及び一対のダブルスキン形材１２の突き合わせ方向に対して、直交する方向に平行に延在している。したがって、複数のリブ部３２は、鉄道車両構体１の長手方向に平行に延在する。各リブ部３２の厚さは、例えば数ミリ程度である。複数のリブ部３２は、一対のダブルスキン形材１２の突き合わせ方向において所定間隔で平行に配列されている。各リブ部３２は、一対の面板３１に対して垂直に配置されている。したがって、複数のリブ部３２によって形成された中空部Ｓ１は、断面矩形状となっている。

一対のダブルスキン形材１２の突き合わせ部分においても、一対の面板３１及びリブ部３２によって形成された中空部Ｓ２が設けられている。中空部Ｓ２は、中空部Ｓ１と同様に、鉄道車両構体１の長手方向に平行に延在し、断面矩形状となっている。したがって、各リブ部３２、中空部Ｓ１、及び中空部Ｓ２は、柱部材１３が延在する方向と直交する方向に延在している。

本実施形態では、一対のダブルスキン形材１２の突き合わせ方向Ａにおいて、中空部Ｓ２の幅は、各中空部Ｓ１の幅と同じである。中空部Ｓ２の幅は、各中空部Ｓ１の幅よりも大きくてもよい。この場合、摩擦撹拌接合時において、プローブ部に高い走査精度が要求されることを回避でき、中空部Ｓ２における摩擦撹拌接合の容易化が図られる。

図３は、中空部Ｓ２付近の拡大断面図である。摩擦撹拌接合部４０は、上記突き合わせ部分に対する摩擦撹拌接合による接合痕が現れている領域である。摩擦撹拌接合部４０は、主面２２ａ側の面板３１と主面２２ｂ側の面板３１とに設けられており、一対のダブルスキン形材１２の突き合わせ部分に沿って、鉄道車両構体１の長手方向に平行に延在する。中空部Ｓ２は、主面２２ａ側の摩擦撹拌接合部４０と主面２２ｂ側の摩擦撹拌接合部４０との間に位置する。摩擦撹拌接合部４０は、中空部Ｓ２内の面２２ｃ，２２ｄにビード４１を有する。摩擦撹拌接合部４０の中空部Ｓ２外側の面、すなわち主面２２ａ及び主面２２ｂは、平坦である。

次に、図４〜図６を参照して、本実施形態に係る車両パネル構造体１１の製造工程について説明する。図４は、車両パネル構造体１１の製造工程の一例に用いられるダブルスキン形材の要部拡大断面図である。各ダブルスキン形材１２の一対の面板３１は、接合時に他のダブルスキン形材１２と突き合わされる端面４５を有している。端面４５は、平面である。一方のダブルスキン形材１２ａの端面４５と他方のダブルスキン形材１２ｂの端面４５は、互いに嵌合する凹凸形状であってもよい。

車両パネル構造体１１の製造工程では、まず、図５に示されるように、一方のダブルスキン形材１２ａの一対の面板３１と他方のダブルスキン形材１２ｂの一対の面板３１とを互いの対向方向Ａで突き合わせ、端面４５の境界部分Ｂを形成する。これにより、突き合わせ部分に、一対の面板３１及びリブ部３２による中空部Ｓ２が形成される。次に、回転ツールを回転させながらプローブ部を一対のダブルスキン形材１２の突き合わせ部分に押し込み、当該突き合わせ部分に沿って、一対の面板３１の端部同士を摩擦撹拌接合で接合する。摩擦撹拌接合では、回転ツールとダブルスキン形材１２との間で発生する摩擦熱による塑性流動によって、突き合わせ部分が接合される。摩擦撹拌接合は、境界部分Ｂが摩擦撹拌接合部４０に含まれるように行われる。塑性流動によって境界部分Ｂが摩擦撹拌接合部４０に含まれるように、摩擦撹拌接合が行われてもよい。

具体的には、図６及び図７に示されている回転ツール５０を用いて、摩擦撹拌接合が行われる。図６は摩擦撹拌接合による接合工程を示す斜視図であり、図７は摩擦撹拌接合による接合工程を示す断面図である。回転ツール５０には、プローブ部５１の先端にショルダ部５２が設けられており、プローブ部５１の基端側には裏当部材５３が設けられている。プローブ部５１は、裏当部材５３の中央に設けられている貫通孔５３ａに挿通されており、裏当部材５３に対して回転自在である。裏当部材５３は、プローブ部５１が挿通した状態でショルダ部５２と対向する。

接合工程では、各リブ部３２及び中空部Ｓ２が延在する方向に位置するダブルスキン形材１２の端面側から上述した突き合わせ部分に、プローブ部５１を回転させながら挿入する。この際、プローブ部５１の先端に設けられているショルダ部５２を一対のダブルスキン形材１２の中空部Ｓ２内に配置し、裏当部材５３を中空部Ｓ２の外側に配置する。そして、ショルダ部５２と裏当部材５３とで突き合わせ部分を挟持すると共にダブルスキン形材１２に対して走査方向Ｃ側にプローブ部５１を傾斜した状態で、突き合わせ部分に挿入したプローブ部５１を回転させながら突き合わせ部分に沿って走査する。

上記走査を一対の面板３１の主面２２ｂ側と主面２２ａ側との双方で行う。具体的には、ショルダ部５２が中空部Ｓ２内の面２２ｄに当接し、裏当部材５３が中空部Ｓ２の外側の面、すなわち主面２２ｂに当接している状態で、プローブ部５１を走査する。その後、ショルダ部５２が中空部Ｓ２内の面２２ｃに当接し、裏当部材５３が中空部Ｓ２の外側の面、すなわち主面２２ａに当接している状態で、プローブ部５１を走査する。プローブ部５１の走査は、上記順番と逆の順番で行ってもよいし、同時に行ってもよい。

プローブ部５１の走査において、ショルダ部５２はプローブ部５１と共に一対のダブルスキン形材１２に対して回転しながら走査方向Ｃに移動するが、裏当部材５３は一対のダブルスキン形材１２に対して回転せずにプローブ部５１と共に走査方向Ｃに移動する。中空部Ｓ２内の面２２ｃ，２２ｄには、プローブ部５１の当接によってビード４１が形成される。主面２２ａ，２２ｂには回転しない裏当部材５３が当接するため、主面２２ａ，２２ｂは平坦である。接合工程の後に、主面２２ａ側及び主面２２ｂ側において、摩擦撹拌接合部４０をグラインダ等によって研磨してもよい。

次に、互いに接合された一対のダブルスキン形材１２の外面である主面２２ｂに、柱部材１３を設置する。具体的には、柱部材１３は、複数のリブ部３２等が延在する方向と直交する方向に延在した状態で、面板３１に対してスポット溶接される。柱部材１３は、主面２２ａに設置されてもよい。

以上説明したように、車両パネル構造体１１の製造方法では、中空部Ｓ２内に配置したショルダ部５２と中空部Ｓ２の外側に配置した裏当部材５３とによって突き合わせ部分を挟持した状態で、突き合わせ部分に挿入したプローブ部５１を突き合わせ部分に沿って走査する。中空部Ｓ２内の面２２ｃ，２２ｄにダブルスキン形材１２に対して回転するショルダ部５２が当接するため、当該面２２ｃ，２２ｄにビード４１が形成される。中空部Ｓ２の外側の面、すなわち主面２２ａ，２２ｂに、ダブルスキン形材１２に対して回転しない裏当部材５３が当接するため、当該主面２２ａ，２２ｂにはビードが形成されない。したがって、鉄道車両構体１の内面と外面となる部分にビードが形成されないため、ビードを研削するという工程等を省くことが可能となる。このため、簡単な製造工程でダブルスキン構造の車両パネル構造体１１を製造することができる。

柱部材１３を一対のダブルスキン形材１２の外面に設置する設置工程を更に備え、厚さが１０〜４０ｍｍのダブルスキン形材１２が用いられている。ダブルスキン形材１２の厚さが４０ｍｍ以下であるため、安価かつ軽量な構造を実現できる。ダブルスキン形材１２の厚さが１０ｍｍ以上であるため、摩擦撹拌接合において歪みが少ない構造を実現できる。したがって、柱部材１３を設置してセミモノコック構造を構成することによって、簡単な製造工程で、安価かつ軽量であると共に、ダブルスキン構造とセミモノコック構造を併用した高い剛性を有する構造を実現できる。

複数のリブ部３２が一対の面板３１に対して垂直に配置されているダブルスキン形材１２が用いられている。これにより、車両パネル構造体１１を所定形状に加工する場合に、任意の中空部Ｓ２の位置で切断することができる。したがって、例えば、開口フレームの取付位置において専用のリブ部を設ける必要がなくなり、製造コストの低減が図られる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

１１…車両パネル構造体、１２，１２ａ，１２ｂ…ダブルスキン形材、１３…柱部材、２２ａ，２２ｂ…主面、３１…面板、３２…リブ部、４０…摩擦撹拌接合部、５０…回転ツール、５１…プローブ部、５２…ショルダ部、５３…裏当部材、Ｓ２…中空部。

Claims (3)

1. 互いに対向する一対の面板と、前記一対の面板間に配置された複数のリブ部とによって構成された一対のダブルスキン形材同士を接合してなる車両パネル構造体の製造方法であって、
   一方のダブルスキン形材の前記一対の面板と他方のダブルスキン形材の前記一対の面板とを突き合わせ、当該突き合わせ部分に前記一対の面板及び前記リブ部による中空部を形成する突き合わせ工程と、
   前記突き合わせ部分において前記一対の面板の端部同士を摩擦撹拌接合によって接合する接合工程と、を備え、
   前記接合工程では、
   プローブ部の先端にショルダ部が設けられた回転ツールと、前記プローブ部が挿通した状態で前記ショルダ部と対向する裏当部材とを用い、
   前記中空部内に配置した前記ショルダ部と前記中空部の外側に配置した前記裏当部材とによって前記突き合わせ部分を挟持した状態で、前記突き合わせ部分に挿入した前記プローブ部を前記突き合わせ部分に沿って走査する、車両パネル構造体の製造方法。
2. 柱部材を前記一対のダブルスキン形材の外面に設置する柱設置工程を更に備え、
   厚さが１０〜４０ｍｍのダブルスキン形材が用いられる、請求項１に記載の車両パネル構造体の製造方法。
3. 前記複数のリブ部が前記一対の面板に対して垂直に配置されている、ダブルスキン形材が用いられる、請求項１又は２に記載の車両パネル構造体の製造方法。

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