JP2019059320A - 鉄道車両構体 - Google Patents

Abstract

【課題】車内外の気圧差により作用する圧力荷重に耐えられる強度を有し、且つ、軽量化を図ることが可能なダブルスキン構造の鉄道車両構体を提供する。【解決手段】鉄道車両構体のダブルスキン構造は、車両長手方向から見て、閉空間が四角形であるハモニカ型構造部と、車両長手方向から見て、ハモニカ型構造部に隣接し、閉空間が三角形であるトラス型構造部とを有する。ダブルスキン構造のうち、屋根構体の車幅方向の中央部と軒桁の車体の周方向の中央部との間、軒桁の中央部と側構体の吹寄せ部との間、及び、側構体の吹寄せ部と側梁との間のうちの少なくともいずれかの領域に、当該領域に隣接する隣接領域に比べて内壁部が車外側に配置されることにより構体厚み寸法が縮小された厚み縮小部が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、高速鉄道車両等に用いられる鉄道車両構体に関する。

鉄道車両構体として、外板部と内板部とが多数の連結板部で連結されてなるダブルスキン構造を有するものが知られている。ダブルスキン構造には、例えば車両長手方向から見て、隣接する２つの連結板部と、内板部又は外板部とにより形成される閉空間が三角形であるトラス型や、特許文献１に開示されるように、車両長手方向から見て、前記２つの連結板部と内板部と外板部とにより形成される閉空間が四角形であるハモニカ型がある。

また、トラス型ダブルスキン構造を有する鉄道車両構体については、特許文献２に開示されるように、側構体と屋根構体とにおいて、車内外の気圧差による曲げ荷重が比較的大きく作用する領域の構体厚み寸法を大きくし、当該曲げ荷重が比較的小さく作用する領域の構体厚み寸法を小さくする方法が提案されている。

特開平１０−９５３３５号公報 特許第４１６３９２５号公報

トラス型ダブルスキン構造を有する鉄道車両構体は広く用いられているが、鉄道車両構体の重量が増大する場合がある。これに対してハモニカ型ダブルスキン構造を有する鉄道車両構体は、曲げ強度が同等であるトラス型ダブルスキン構造に比べて、内板部と外板部とを連結する連結板部のトータル長さが短いため軽量化し易いが、車内外の気圧差による圧力荷重によって車体の周方向に垂直に作用するせん断力（以下、単にせん断力とも称する。）に対する強度が低い。

また高速鉄道車両等では、トンネル通過時のように車外圧が変動する場合であっても、乗客や乗務員がいる室内を気密構造とし、車内圧をほぼ一定に維持することが要求される。高速鉄道車両等の鉄道車両構体をハモニカ型ダブルスキン構造により構成する場合、例えば、せん断力に対する強度不足を補うために補強フレームが別途必要となる。これにより、鉄道車両構体構造が複雑になり、鉄道車両構体の重量が増大すると共に生産性が低下する。

そこで本発明は、車内外の気圧差により作用する圧力荷重に耐えられる強度を有し、且つ、軽量化を図ることが可能なダブルスキン構造の鉄道車両構体を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る鉄道車両構体は、側梁を有する台枠と、側構体と、屋根構体とを備え、前記側構体と前記屋根構体と前記側梁とは、内壁部と、外壁部と、前記内壁部と前記外壁部とを壁面を離隔させた状態で連結する複数の連結板部とを含むダブルスキン構造を有し、前記ダブルスキン構造は、車両長手方向から見て、前記複数の連結板部のうちの隣接する２つの連結板部と前記内壁部と前記外壁部とにより形成される閉空間が四角形であるハモニカ型構造部と、車両長手方向から見て、前記ハモニカ型構造部に隣接し、前記２つの連結板部と、前記内壁部又は前記外壁部とにより形成される閉空間が三角形であるトラス型構造部とを有し、車両長手方向から見て、前記ダブルスキン構造のうち、前記屋根構体の車幅方向の中央部と軒桁の中央部との間の領域、前記軒桁の前記中央部と前記側構体の吹寄せ部との間の領域、及び、前記側構体の吹寄せ部と前記側梁との間の領域の少なくともいずれかに、隣接領域に比べて前記内壁部が車外側に配置されることにより構体厚み寸法が縮小された厚み縮小部が形成されている。

これにより、厚み縮小部における連結板部の車両長手方向から見た長さ寸法を短縮して、連結板部を軽量化できる。また、鉄道車両構体の曲げモーメントが最大値未満となる位置に厚み縮小部を配置することで、鉄道車両構体の必要な強度を確保できる。よって、鉄道車両構体の軽量化を図りながら、補強フレームを用いなくても、車内外の差圧により構体に負荷される圧力荷重に耐えることができる。

また、鉄道車両構体のダブルスキン構造が、トラス型構造部とハモニカ型構造部とを有しているため、各構造部を鉄道車両構体の適切な位置に使い分けて配置できる。これにより、例えば、せん断力が比較的大きな鉄道車両構体の部分に、トラス型構造部をハモニカ型構造部に隣接するように配置し、せん断力が比較的小さな鉄道車両構体の部分に、ハモニカ型構造部を配置するように、トラス型構造部とハモニカ型構造部とを配置することで、ハモニカ型構造部により鉄道車両構体の軽量化を図りながら、トラス型構造部により鉄道車両構体の強度を確保できる。

また、本発明の別の態様に係る鉄道車両構体は、側梁を有する台枠と、側構体と、屋根構体とを備え、前記側構体と前記屋根構体と前記側梁とは、内壁部と、外壁部と、前記内壁部と前記外壁部とを壁面を離隔させた状態で連結する複数の連結板部とを含むダブルスキン構造を有し、車両長手方向から見て、前記内壁部、前記外壁部、及び前記複数の連結板部の少なくともいずれかが、複数の位置で異なる板厚寸法を有している。

上記構成によれば、車両長手方向から見て、内壁部、外壁部、及び複数の連結板部の少なくともいずれかが、複数の位置で異なる板厚寸法を有していることにより、例えば、強度が比較的高い位置では板厚寸法を小さくし、強度が比較的低い位置では板厚寸法を大きくすることができる。これにより、ダブルスキン構造の全体の板厚寸法を増大する場合に比べて、鉄道車両構体の軽量化を図りながら、鉄道車両構体の必要な強度を確保できる。

本発明によれば、車内外の気圧差により作用する圧力荷重に耐えられる強度を有し、且つ、軽量化を図ることが可能なダブルスキン構造の鉄道車両構体を提供できる。

実施形態に係る鉄道車両構体の車両長手方向に垂直な鉛直断面図である。 図１の鉄道車両構体の側面を車外から見た側面図である。 図１の第１中空形材の車両長手方向に垂直な鉛直断面図である。 図１の第３中空形材の車両長手方向に垂直な鉛直断面図である。 図１の第４中空形材の車両長手方向に垂直な鉛直断面図である。 図１の第５中空形材の車両長手方向に垂直な鉛直断面図である。 図１の第７中空形材の車両長手方向に垂直な鉛直断面図である。 図１の第８中空形材の車両長手方向に垂直な鉛直断面図である。 図１の第９中空形材の車両長手方向に垂直な鉛直断面図である。 図１の第１１中空形材の車両長手方向に垂直な鉛直断面図である。 図１の鉄道車両構体に車内外の気圧差に発生する曲げモーメントの大きさを示したシミュレーション図である。 図１１に示した曲げモーメントにより、鉄道車両構体に車体の周方向に対して垂直方向に作用するせん断力の大きさを示したシミュレーション図である。

以下、本発明の実施形態について、各図を参照して説明する。

図１は、実施形態に係る鉄道車両構体１の車両長手方向に垂直な鉛直断面図である。図１では、鉄道車両構体１の車幅方向の中央部から一端までの領域の鉛直断面を示している。図２は、図１の鉄道車両構体１の側面を車外から見た側面図である。

本実施形態の鉄道車両構体１を備える鉄道車両は、高速鉄道車両である。この高速鉄道車両では、車内は気密に保たれており、トンネル内の走行時や高速鉄道車両同士のすれ違い時等において、車内外で差圧が生じ鉄道車両構体１には圧力荷重が作用する。なお、鉄道車両構体１を備える鉄道車両は、高速鉄道車両以外のものであってもよい。

図１及び２に示すように、鉄道車両構体１は、台枠２、一対の側構体３、及び屋根構体４、一対の妻構体（図示せず）を備える。なお、鉄道車両構体１の断面は、一例として、車体中心線ＣＬに対して対称である。

台枠２は、一対の側梁２ａと複数の横梁５とを有し、側構体３、屋根構体４、妻構体から構成される車体を支持する 複数の横梁５は、車幅方向に延び、その両端は、一対の側梁２ａと接続されている。本実施形態では、床板構造として横梁５の上方に、床板８が配置されているが、一対の側梁２ａの間をつなぐダブルスキン構造であっても良い。

側構体３には、車両長手方向に間隔をおいて配置された複数の窓部３ａと、複数の吹寄せ部３ｂとが形成されている。 屋根構体４は、鉄道車両の屋根を構成し、その車幅方向の一端（本実施形態では両端）は、側構体３の上端と結合されている。

側構体３、屋根構体４、及び側梁２ａは、複数の中空形材６から構成され、内板部６ａ、外板部６ｂ、及び複数の連結板部６ｃを有するダブルスキン構造である。内板部６ａは、車体の車内側に配置されている。外板部６ｂは、車体の車外側に配置されている。連結板部６ｃは、内板部６ａと外板部６ｂとを板面を離隔させた状態で連結する。

具体的に側構体３、屋根構体４、及び側梁２ａは、複数の中空形材６として、第１〜第１３中空形材１０〜２２を有する。この中空形材１０〜２２は、鉄道車両構体１の上側から下側に向けて、車体の周方向に順に配置されている。中空形材１０〜２２は、隣接する中空形材との間に重ね継手が形成されることにより、車体の周方向に接続されている。

第１〜第４中空形材１０〜１３は、屋根構体４に配置されている。このうち第１中空形材１０は、屋根構体４の車幅方向の中央部４ａに配置されている。第５，６中空形材１４，１５は、鉄道車両構体１の軒桁に配置されている。

第７中空形材１６は，側構体３の吹寄せ部３ｂよりも上方に配置されている。第８，９中空形材１７，１８は、側構体３の吹寄せ部３ｂに配置されている。第１０中空形材１９は、側構体３の吹寄せ部３ｂよりも下方に配置されている。第１１中空形材２０は、第１０中空形材１９の下方に配置されている。第１２，１３中空形材２１，２２は、台枠２の側梁２ａに対応する位置に配置されている。

側構体３、屋根構体４、及び側梁２ａでは、複数の内板部６ａが結合されて内壁部７ａが形成されていると共に、複数の外板部６ｂが結合されて外壁部７ｂが形成されている。複数の中空形材６は、一例として溶接により結合されているが、これに限定されず、例えば摩擦撹拌接合法により結合されていてもよい。

ダブルスキン構造７は、ハモニカ型構造部Ｈ１〜Ｈ３とトラス型構造部Ｔ１〜Ｔ３とを有する。本実施形態のハモニカ型構造部は、屋根構体４の車幅方向の中央部４ａ、軒桁の車体の周方向の中央部１ａ、及び、側構体３の吹寄せ部３ｂのうちの少なくともいずれか（本実施形態では全て）の位置に配置されている。

具体的にハモニカ型構造部Ｈ１は、屋根構体４の中央部４ａに配置されている。ハモニカ型構造部Ｈ２は、軒桁の中央部１ａに配置されている。ハモニカ型構造部Ｈ３は、側構体３の吹寄せ部３ｂに配置されている。ハモニカ型構造部Ｈ１〜Ｈ３は、せん断力が比較的小さな鉄道車両構体１の部分に配置されている。

ハモニカ型構造部Ｈ１〜Ｈ３では、車両長手方向から見て、複数の連結板部６ｃのうちの隣接する２つの連結板部６ｃと内壁部７ａと外壁部７ｂとにより形成される閉空間が、四角形となっている。

ここで車両長手方向から見て、ハモニカ型構造部Ｈ１〜Ｈ３内に配置された複数の連結板部６ｃのうち車体の周方向に隣接する２以上（一例として全て）の連結板部６ｃは、互いに交差する方向に延びており、内壁部７ａと外壁部７ｂとの板面に対して垂直に配置されていない。また、かかる連結板部６ｃの延びる方向は、車内外の気圧差により発生するせん断力（図１２参照）の作用する方向と平行である。

トラス型構造部Ｔ１〜Ｔ３は、鉄道車両構体１のうち、比較的大きなせん断力が加わる部分に配置される。具体的に、トラス型構造部Ｔ１は、ハモニカ型構造部Ｈ１，Ｈ２の間に配置されている。トラス型構造部Ｔ２は、ハモニカ型構造部Ｈ２，Ｈ３の間に配置されている。トラス型構造部Ｔ３は、ハモニカ型構造部Ｈ３の下方に隣接して配置されている。

トラス型構造部Ｔ１〜Ｔ３では、２つの連結板部６ｃと、内壁部７ａ又は外壁部７ｂとにより形成される閉空間が、三角形となっている。

ここでハモニカ型構造部Ｈ１〜Ｈ３では、曲げ強度が同等であるトラス型構造部に比べて、連結板部６ｃのトータル長さや数を減らしたり、内板部６ａと外板部６ｂとの厚み寸法を減らすことで、鉄道車両構体１を軽量化し易くできる。また、トラス型構造部Ｔ１〜Ｔ３に対して、ハモニカ型構造部Ｈ１〜Ｈ３は中空部の角部角度が大きい。このため、ハモニカ型構造部Ｈ１〜Ｈ３の中空形材を押出成型で製造する場合、金型の角部角度も大きくできる。角部角度が大きいほど、金型の当該部の摩耗等による破損が起きにくいため、ハモニカ型構造部Ｈ１〜Ｈ３を利用することで、製造コストを下げることができる。

また、図２に示す窓部３ａは、側構体３を切削加工することで形成される。窓部３ａの開口周縁は、複雑な曲線状に加工する必要があるが、ハモニカ型構造部を用いれば切削加工による加工量を減らすことができ、窓部３ａを形成し易い。

本実施形態では、中空形材１２〜２２は押出成形部材であるが、一部または全部の形材は、内板部６ａ、外板部６ｂ、及び連結板部６ｃを溶接して形成してもよい。

また、ハモニカ型構造部Ｈ１〜Ｈ３には、トラス型構造が部分的に含まれていてもよいし、トラス型構造部Ｔ１〜Ｔ３には、ハモニカ型構造が部分的に含まれていてもよい。

また、軒桁や吹寄せ部３ｂには、トラス型構造部が部分的に含まれていてもよい。一例として、鉄道車両構体１では、ハモニカ型構造部Ｈ３と隣接して、吹寄せ部３ｂの上側部分にトラス型構造部Ｔ２の一部が位置している。

ダブルスキン構造７は、車両長手方向から見て、複数の位置で異なる構体厚み寸法Ｄを有する。即ち、ダブルスキン構造７の構体厚み寸法Ｄは、車両長手方向から見て、鉄道車両構体１の周方向において変化している。これにより鉄道車両構体１では、その強度と重量とのバランスが最適化されている。

具体的に鉄道車両構体１には、車両長手方向から見て、ダブルスキン構造７のうち、屋根構体４の車幅方向の中央部４ａと軒桁の車体の周方向の中央部１ａとの間の領域Ｃ１、軒桁の中央部１ａと側構体３の吹寄せ部３ｂとの間の領域Ｃ２、及び、吹寄せ部３ｂと側梁２ａとの間の領域Ｃ３の少なくともいずれか（ここでは全て）に、隣接領域に比べて内壁部７ａが車外側に配置されることにより構体厚み寸法Ｄが縮小された厚み縮小部Ｒ１〜Ｒ３が形成されている。

厚み縮小部Ｒ１〜Ｒ３は、車体の周方向に離隔して配置されている。車両長手方向から見て、厚み縮小部Ｒ１〜Ｒ３の各々における車体の周方向の両側には、鉄道車両構体１の厚み縮小部Ｒ１〜Ｒ３よりも構体厚み寸法Ｄが大きい部分が配置されている。言い換えると、厚み縮小部Ｒ１〜Ｒ３は、鉄道車両構体１の内壁部７ａが外壁部７ｂに向けて部分的に窪んだ窪み部であると言うことができる。

厚み縮小部Ｒ１〜Ｒ３は、車両長手方向に延びている。車両長手方向から見た厚み縮小部Ｒ１〜Ｒ３の最大深さ寸法は、同一でなくてもよい。本実施形態では、厚み縮小部Ｒ１の最大深さ寸法は、一例として、厚み縮小部Ｒ２，Ｒ３の最大深さ寸法よりも大きくなっている。

厚み縮小部Ｒ１〜Ｒ３は、鉄道車両構体１のうち、車内外の気圧差により発生する曲げモーメントが最大値未満となる（ここでは最小値となる）領域Ｃ１〜Ｃ３に形成されている。厚み縮小部Ｒ１〜Ｒ３では、車両長手方向から見て、連結板部６ｃの長さ寸法が短縮されることにより、鉄道車両構体１の軽量化が図られている。

なお、厚み縮小部Ｒ１〜Ｒ３の車外側の面は、外壁部７ｂと滑らかに連続するように形成されており、鉄道車両構体１の外観形状に影響を与えないような構成としている。

また、厚み縮小部Ｒ１〜Ｒ３における内壁部７ａの最大深さ寸法は、例えば、厚み縮小部Ｒ１〜Ｒ３が形成される位置の鉄道車両構体１の曲げモーメントの大きさや、厚み縮小部Ｒ１〜Ｒ３が形成される位置とその周辺位置とにおける鉄道車両構体１の曲げモーメントの分布によって設定される。

なお、厚み縮小部Ｒ１〜Ｒ３の形状は、同一でなくてもよい。また厚み縮小部Ｒ１〜Ｒ３の形状は、例えば、車両長手方向から見て、内壁部７ａが外壁部７ｂに向けて湾曲した形状でもよいし、内壁部７ａが外壁部７ｂに向けて楔形や矩形に屈曲した形状でもよく、その形状は限定されない。

また鉄道車両構体１では、曲げモーメントが比較的大きい領域（屋根構体４の中央部４ａ、軒桁、及び、側構体３の吹寄せ部３ｂ）におけるダブルスキン構造７の構体厚み寸法Ｄが、実質的に一定となるように設定されている。これにより、当該領域における鉄道車両構体１の強度が高められている。

ダブルスキン構造７では、車両長手方向から見て、内壁部７ａ、外壁部７ｂ、及び複数の連結板部６ｃの少なくともいずれか（ここでは全て）が、複数の位置で異なる板厚寸法を有している。

本実施形態のダブルスキン構造７では、内壁部７ａ、外壁部７ｂ、及び複数の連結板部６ｃの板厚寸法が、曲げモーメントが大きい領域では大きい値に設定され、曲げモーメントが小さい領域では小さい値に設定されている。これにより曲げモーメントが比較的大きい領域では構体の強度が高められていると共に、曲げモーメントが比較的小さい領域では軽量化が図られている。

また、鉄道車両構体１が有する複数の中空形材６のうち、鉄道車両構体１の特に曲げモーメントが大きい領域（軒桁及び側構体３の吹寄せ部３ｂ）に配置された中空形材の内板部６ａ、外板部６ｂ、及び連結板部６ｃのうち少なくともいずれかが、車両長手方向から見て、複数の位置で異なる板厚寸法を有している。

また、第３中空形材１２、第４中空形材１３における屋根構体４の中央部４ａ側の部分、第８中空形材１７の下方部分、第９中空形材１８の上方部分、及び第１０中空形材２０の各々では、複数の連結板部６ｃが、トラス型構造部Ｔ１〜Ｔ３におけるその他の複数の連結板部６ｃ（例えば第２中空形材１１中の複数の連結板部６ｃ）よりも、車体の周方向に比較的高密度に配置されている。これにより鉄道車両構体１では、厚み縮小部Ｒ１〜Ｒ３を設けることで軽量化を図りながら、必要な強度が保持されるように図られている。

なお、曲げモーメントが小さい位置の剛性を高めることは、曲げモーメントが高い位置での変形量を抑える効果がある。そのため、軽量化を妨げない範囲で、Ｒ1〜Ｒ３に位置する形材の内外の板厚を部分的に厚くしたり、トラスの間隔を狭くすることで、厚み縮小部Ｒ1〜Ｒ３での剛性を部分的に高めてもよい。

以下、具体例として、中空形材１０，１２〜１５，１７，１８，２０の各構造を説明する。図３は、図１の第１中空形材１０の車両長手方向に垂直な鉛直断面図である。図３に示すように、車両長手方向から見て、第１中空形材１０は、厚み寸法（構体厚み寸法Ｄ）が実質的に一定である。内板部６ａの板厚寸法ｄ１と外板部６ｂの板厚寸法ｄ２とは、車両長手方向から見て、第１中空形材１０の長手方向の両端から内方に向けて増大している。

複数の連結板部６ｃは、互いに車体の周方向に離隔した位置で、内板部６ａと外板部６ｂとの板面に対して傾斜して連結されている。一例として、車両長手方向から見て、第１中空形材１０の内方に配置された隣接する各連結板部６ｃの裾部を除いた部分の板厚寸法ｄ３は、鉄道車両構体１が有する複数の連結板部６ｃの最小板厚寸法に設定されている。ハモニカ型構造部Ｈ１は、一例として、単一の第１中空形材１０により構成されている。

図４は、図１の第３中空形材１２の車両長手方向に垂直な鉛直断面図である。図４に示すように、車両長手方向から見て、第３中空形材１２の軒桁側の端部には、厚み縮小部Ｒ１が形成されている。

内板部６ａの板厚寸法ｄ１は、厚み縮小部Ｒ１内では比較的小さく、厚み縮小部Ｒ１から屋根構体４の中央部４ａに向けて（図４の紙面の左から右に向けて）、厚みが一度、増大した後に再び減少している。外板部６ｂの板厚寸法ｄ２は、第３中空形材１２の中央よりも軒桁側の位置で部分的に増大している。この外板部６ｂの板厚寸法ｄ２の増大領域における板厚寸法ｄ２は、その周辺領域における板厚寸法ｄ２よりも大きい値の範囲内で、屋根構体４の中央部４ａから軒桁に向けて（図４の紙面の上から下に向けて）、減少した後に増加している。

また、複数の連結板部６ｃのうちいずれかが、車体の車内側と車外側とのうち一方から他方に向けて、板厚寸法ｄ３が漸減した漸減領域を有している。本実施形態の第３中空形材１２では、例えば、外板部６ｂの板厚寸法ｄ２の増大領域と構体厚み方向に重なる連結板部６ｄ（図４の紙面の左側から４番目の連結板部６ｃ）が、車外側から車内側に向けて、板厚寸法ｄ３が減少した漸減領域を有している。

図５は、図１の第４中空形材１３の車両長手方向に垂直な鉛直断面図である。図５に示すように、車両長手方向から見て、第４中空形材１３の屋根構体４の中央部４ａ側の端部には（図５の紙面の上寄りの箇所）、厚み縮小部Ｒ１が形成されている。この厚み縮小部Ｒ１は、鉄道車両構体１において、第３中空形材１２の厚み縮小部Ｒ１と連続する。即ち本実施形態では、厚み縮小部Ｒ１は、隣接する中空形材１２，１３にわたって形成されている。

内板部６ａでは、第４中空形材１３の中央から軒桁側において（図５の紙面では、第４中空形材１３の中央から下寄りにおいて）隣接する連結板部６ｃとの連結部分間の板厚寸法ｄ１が、比較的大きくなっている。また、この隣接する連結板部６ｃとの連結部分間では、板厚寸法ｄ１は、車両長手方向から見て、各連結部分から遠ざかるほど小さくなっている。

外板部６ｂの板厚寸法ｄ２は、連結板部６ｅ，６ｆ（紙面左側から４，５番目の連結板部６ｃ）との連結部分間において、各連結部分から遠ざかるほど小さくなっている。

また第４中空形材１３には、車体の車内側と車外側とのうち一方から他方に向けて、板厚寸法ｄ３が漸減した漸減領域を有する連結板部６ｅ，６ｆが含まれる。

これにより連結板部６ｅ，６ｆは、内板部６ａと外板部６ｂとから前記中間部分に向けて板厚寸法ｄ３が漸減する２つの漸減領域を有している。連結板部６ｅ，６ｆの板厚寸法ｄ３が最小値となる各部分は、連結板部６ｅ，６ｆにおいて最適化されている。

図６は、図１の第５中空形材１４の車両長手方向に垂直な鉛直断面図である。図６に示すように、車両長手方向から見て、第５中空形材１４は、軒の形状に合わせた湾曲形状を有する。

第５中空形材１４の厚み寸法（構体厚み寸法Ｄ）は、第５中空形材１４の車両長手方向から見た屋根構体４の中央部４ａ寄りの端部を除いて実質的に一定である。内板部６ａの板厚寸法ｄ１と外板部６ｂの板厚寸法ｄ２とは、車体の周方向に細かく変化させられることで最適化されている。これにより、鉄道車両構体１の軽量化を図りながら、鉄道車両構体１の軒桁に局所的に荷重が集中した場合でも耐えられるように、第５中空形材１４の強度が確保されている。

連結板部６ｃが、互いに離隔した位置で、互いに交差する方向に延びており、その延びる方向は、鉄道車両構体１に発生するせん断力（図１２参照）の作用する方向と平行である。

ここでハモニカ型構造部Ｈ２の連結板部６ｃの平均間隔が、ハモニカ型構造部Ｈ２以外のハモニカ型構造部Ｈ１，Ｈ３の連結板部６ｃの各平均間隔よりも狭くなっている。これにより軒桁の中央部１ａは、ハモニカ型構造部Ｈ２を有すると共に構体厚み寸法Ｄが比較的小さいにも関わらず、その強度の向上が図られている。

図７は、図１の第７中空形材１６の車両長手方向に垂直な鉛直断面図である。図７に示すように、車両長手方向から見て、第７中空形材１６は、軒の下方の形状に合わせた湾曲形状を有する。

第７中空形材１６の厚み寸法（構体厚み寸法Ｄ）は、第７中空形材１６の上端部を除いて実質的に一定である。内板部６ａの板厚寸法ｄ１は、軒の中央部１ａ側から側構体３の下側に向けて、増大した後に減少している。外板部６ｂの板厚寸法ｄ２は、軒の中央部１ａ側から側構体３の下側に向けて、増大した後に減少し、外板部６ｂの長手方向途中で再度増大した後に減少している。

図８は、図１の第８中空形材１７の車両長手方向に垂直な鉛直断面図である。図８に示すように、第８中空形材１７には、厚み縮小部Ｒ２が形成されている。内板部６ａの板厚寸法ｄ１は、軒の中央部１ａ側から側構体３の下側に向けて増大し、厚み縮小部Ｒ２の内部で最大となった後に減少している。これにより、軽量化を図りながら、吹寄せ部３ｂに局所的に荷重が負荷された場合でも十分な強度が確保されている。内板部６ａの板厚寸法ｄ１が最大となる部分は、第８中空形材１７の内部に配置された１つの連結板部６ｇ（ここでは紙面下側から６番目の連結板部６ｃ）との連結部分に配置されている。外板部６ｂの板厚寸法ｄ２は、実質的に一定である。

図９は、図１の第９中空形材１８の車両長手方向に垂直な鉛直断面図である。図９に示すように、内板部６ａの板厚寸法ｄ１は、第９中空形材１８の上側部分では、隣接する連結板部６ｈ，６ｉとの各連結部分で増大しているが、下側部分では実質的に一定である。外板部６ｂの板厚寸法ｄ２は、軒の中央部１ａ側から側構体３の下側に向けて、細かく変化させられることで最適化されている。

また第９中空形材１８では、車両長手方向から見て、複数の連結板部６ｃのうちいずれかが、車体の車内側と車外側とのうち一方から他方に向けて、板厚寸法ｄ３が漸減した漸減領域を有している。

具体的に、第９中空形材１８の上下方向内方に隣接する２つの連結板部６ｉ，６ｊの板厚寸法ｄ３は、内板部６ａと外板部６ｂとの間の中間部分において最小値となり、内板部６ａと外板部６ｂとから当該中間部分に向けて漸減している。

図１０は、図１の第１１中空形材２０の車両長手方向に垂直な鉛直断面図である。図１０に示すように、第１１中空形材２０には、その上側部分に厚み縮小部Ｒ３が形成されている。第１１中空形材２０の厚み寸法（構体厚み寸法Ｄ）は、全体として、軒から台枠２に向けて増大している。内板部６ａの板厚寸法ｄ１と外板部６ｂの板厚寸法ｄ２とは、それぞれ実質的に一定である。

なお、上記した中空形材１０，１２〜１５，１７，１８，２０における板厚寸法ｄ１〜ｄ３は、一例にすぎず、曲げモーメントの大きさや分布に応じて適宜設定される。

ハモニカ型ダブルスキン構造がトラス型ダブルスキン構造に比較してせん断強度が低い理由については、例えば以下のように考えられる。すなわち、トラス型ダブルスキン構造では、鉄道車両構体の車体の周方向に垂直な方向、つまり内板部と外板部とに垂直な方向に作用するせん断力は、連結板部に対して、面内力（圧縮力又は引張力）として作用し易い。このため、トラス型ダブルスキン構造では、このようなせん断力に対して連結板部が有効に抵抗する。これにより、トラス型ダブルスキン構造は、比較的高いせん断強度を有する。

これに対してハモニカ型ダブルスキン構造では、せん断力は、連結板部に対して、面外力として作用し易い。このためハモニカ型ダブルスキン構造では、せん断力が作用すると、連結板部が、トラス型ダブルスキン構造の連結板部に比べて変形し易い。従ってハモニカ型ダブルスキン構造は、トラス型ダブルスキン構造に比べて、せん断強度が低いと考えられる。

このようにハモニカ型ダブルスキン構造は、トラス型ダブルスキン形材に比較すると、車内外の圧力差により鉄道車両構体に作用する圧力が及んだ場合、大きい変形を生じ且つ高い応力を生じるおそれがある。

図１１は、図１の鉄道車両構体１に車内外の気圧差により発生する曲げモーメントの大きさを示したシミュレーション図である。図１１中の矢印は、長さ寸法が長いほど曲げモーメントが大きいことを示し、矢印の方向は、矢印の起点における鉄道車両構体の表面に対する垂線方向を示す。また、図１１中の輪郭線Ｌ１は、図１の車両長手方向から見た鉄道車両構体１の輪郭線に対応し、線Ｌ２は、複数の矢印の先端を通る線を示す。

図１１に示されるように、発生する曲げモーメントの絶対値は、屋根構体４では車幅方向の中央部４ａにおいて最大となり、軒桁では中央部１ａにおいて最大となり、側構体３では吹寄せ部３ｂにおいて最大となる。また図示していないが、別のシミュレーションの結果により、車内外の気圧差が異なる場合や、車内外の気圧のどちらが高い場合でも、曲げモーメントの絶対値が最大値となる位置は、ほぼ同じ位置であることが分かっている。

鉄道車両構体１の曲げモーメントが小さい部分では、鉄道車両構体１の強度を向上させることで、鉄道車両構体１の変形量を小さくすることができる。これにより、例えば、屋根構体４の中央部４ａに対応する第１中空形材１０と、吹寄せ部３ｂに配置された第８中空形材１７の上側部分とにおいて、連結板部６ｃの数を減らすことができる。

図１２は、図１１に示した曲げモーメントにより、鉄道車両構体１に車体の周方向に対して垂直方向に作用するせん断力の大きさを示したシミュレーション図である。図１２中の輪郭線Ｌ１は、図１の車両長手方向から見た鉄道車両構体１の輪郭線に対応し、線Ｌ３は、複数の矢印の先端を通る線を示す。また、図１２中の矢印は、長さ寸法が長いほどせん断力が大きいことを示し、矢印の方向は、矢印の起点における鉄道車両構体１の表面に対する垂線方向を示す。

図１２に示されるように、鉄道車両構体１の側構体３と台枠２とが結合される結合部以外の領域において、曲げモーメントの絶対値が最大値となる位置では、垂直方向に作用するせん断力が十分に低い。

以上のような点を考慮して、本実施形態の鉄道車両構体１では、強度と重量とのバランスを考慮して、ハモニカ型構造部Ｈ１〜Ｈ３、トラス型構造部Ｔ１〜Ｔ３、及び厚み縮小部Ｒ１〜Ｒ３が最適位置に配置されると共に、鉄道車両構体１の構体厚み寸法Ｄと板厚寸法ｄ１〜ｄ３が最適化されている。

以上説明したように、本実施形態における鉄道車両構体１では、車両長手方向から見て、ダブルスキン構造７の領域Ｃ１〜Ｃ３に厚み縮小部Ｒ１〜Ｒ３が配置されている。これにより、厚み縮小部Ｒ１〜Ｒ３における連結板部６ｃの車両長手方向から見た長さ寸法を短縮して、連結板部６ｃを軽量化できる。また、鉄道車両構体１の曲げモーメントが最大値未満となる位置に厚み縮小部Ｒ１〜Ｒ３が配置されることで、鉄道車両構体１の必要な強度を確保できる。よって、鉄道車両構体１の軽量化を図りながら、補強フレームを用いなくても、車内外の差圧により構体に負荷される圧力荷重に耐えることができる。

また、鉄道車両構体１のダブルスキン構造７が、トラス型構造部Ｔ１〜Ｔ３とハモニカ型構造部Ｈ１〜Ｈ３とを有しているため、各構造部Ｔ１〜Ｔ３，Ｈ１〜Ｈ３を鉄道車両構体１の適切な位置に使い分けて配置できる。

これにより、例えば、せん断力が比較的大きな鉄道車両構体１の部分に、トラス型構造部Ｔ１〜Ｔ３をハモニカ型構造部Ｈ１〜Ｈ３に隣接するように配置し、せん断力が比較的小さな鉄道車両構体１の部分に、ハモニカ型構造部Ｈ１〜Ｈ３を配置することで、ハモニカ型構造部Ｈ１〜Ｈ３により鉄道車両構体１の軽量化を図りながら、トラス型構造部Ｔ１〜Ｔ３により鉄道車両構体１の強度を確保できる。

また厚み縮小部Ｒ１〜Ｒ３は、発生する曲げモーメントの絶対値が最小値となる位置に対応して形成されているので、厚み縮小部Ｒ１〜Ｒ３を設けたことによる鉄道車両構体１の強度低下を防止しながら、鉄道車両構体１を良好に軽量化できる。

また、ハモニカ型構造部Ｈ１〜Ｈ３が、屋根構体４の中央部４ａ、軒桁の車体の中央部１ａ、及び、側構体３の吹寄せ部３ｂのうちの少なくともいずれかの位置に配置されている。

上記したように、屋根構体４の中央部４ａ、軒桁の中央部１ａ、及び側構体３の吹寄せ部３ｂでは、鉄道車両構体１の他の位置に比べて、車内外の気圧差により鉄道車両構体１に圧力荷重が作用した場合でも、鉄道車両構体１に作用するせん断力が十分に低い。よって、鉄道車両構体１の上記した位置にハモニカ型構造部Ｈ１〜Ｈ３を配置することにより、鉄道車両構体１は、補強フレームを用いなくても圧力荷重に耐えることができる。

また、比較的大きなせん断力が作用する鉄道車両構体１の部分に、トラス型構造部Ｔ１〜Ｔ３がハモニカ型構造部Ｈ１〜Ｈ３に隣接して配置され、比較的小さなせん断力が作用する鉄道車両構体１の部分に、ハモニカ型構造部Ｈ１〜Ｈ３が配置されているので、補強フレームを用いなくても、鉄道車両構体１のハモニカ型構造部Ｈ１〜Ｈ３に隣接する位置の強度を確保できる。

また、ダブルスキン構造７の内壁部７ａ、外壁部７ｂ、及び複数の連結板部６ｃの少なくともいずれかが、複数の位置で異なる板厚寸法を有していることにより、例えば、強度が比較的高い位置では板厚寸法を小さくし、強度が比較的低い位置では板厚寸法を大きくすることができる。これにより、ダブルスキン構造の全体の板厚寸法を増大する場合に比べて、鉄道車両構体１の軽量化を図りながら、鉄道車両構体１の必要な強度を得ることができる。

また、車両長手方向から見て、複数の連結板部６ｃのうちいずれかが、板厚寸法が漸減した漸減領域を有するので、例えば、板厚寸法が比較的大きな領域で連結板部６ｃの強度を得ることができると共に、板厚寸法が比較的小さな領域で連結板部６ｃの軽量化を図ることができる。

また、車両長手方向から見て、ハモニカ型構造部Ｈ１〜Ｈ３内に配置された複数の連結板部６ｃのうち車体の周方向に隣接する２以上の連結板部６ｃが、互いに交差する方向に延びているので、ハモニカ型構造部Ｈ１〜Ｈ３内に配置された複数の連結板部６ｃを設計し易い。このため、軽量化を図りながら、鉄道車両構体１の設計自由度を高めることができる。

また、隣接する２以上の連結板部６ｃが、発生するせん断力の作用する方向と平行に延びているので、連結板部６ｃの重量を抑制しながら、連結板部６ｃの必要な強度を得ることができる。

また、複数の中空形材６において、複数の内板部６ａが結合されて内壁部７ａが形成されていると共に、複数の外板部６ｂが結合されて外壁部７ｂが形成されているので、ダブルスキン構造７を効率よく構成できる。

また、複数の中空形材６のうち、軒桁及び吹寄せ部３ｂに配置された中空形材の内板部６ａ、外板部６ｂ、及び連結板部６ｃの少なくともいずれかが、複数の位置で異なる板厚寸法を有しているので、鉄道車両構体１の軽量化を図りながら、必要な強度を得易くすることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、その構成を変更、追加、又は削除できる。ダブルスキン構造において、外壁部と内壁部とを形成する中空形材の数は、上記実施形態に示した数に限定されず、適宜調整が可能である。

Ｄ 構体厚み寸法
ｄ１〜ｄ３ 板厚寸法
Ｈ１〜Ｈ３ ハモニカ型構造部
Ｔ１〜Ｔ３ トラス型構造部
Ｒ１〜Ｒ３ 厚み縮小部
１ 鉄道車両構体
１ａ 軒桁の中央部
２ 台枠
２ａ 側梁
２ｂ 側梁の下側部分
３ 側構体
３ｂ 吹寄せ部
４ 屋根構体
４ａ 屋根構体の中央部
６，１０〜２２ 中空形材
６ａ 内板部
６ｂ 外板部
６ｃ，６ｄ〜６ｊ 連結板部
７ ダブルスキン構造
７ａ 内壁部
７ｂ 外壁部

Claims (9)

1. 側梁を有する台枠と、側構体と、屋根構体とを備え、
   前記側構体と前記屋根構体と前記側梁とは、内壁部と、外壁部と、前記内壁部と前記外壁部とを壁面を離隔させた状態で連結する複数の連結板部とを含むダブルスキン構造を有し、
   前記ダブルスキン構造は、車両長手方向から見て、前記複数の連結板部のうちの隣接する２つの連結板部と前記内壁部と前記外壁部とにより形成される閉空間が四角形であるハモニカ型構造部と、車両長手方向から見て、前記ハモニカ型構造部に隣接し、前記２つの連結板部と、前記内壁部又は前記外壁部とにより形成される閉空間が三角形であるトラス型構造部とを有し、
   車両長手方向から見て、前記ダブルスキン構造のうち、前記屋根構体の車幅方向の中央部と軒桁の中央部との間の領域、前記軒桁の前記中央部と前記側構体の吹寄せ部との間の領域、及び、前記側構体の吹寄せ部と前記側梁との間の領域の少なくともいずれかに、隣接領域に比べて前記内壁部が車外側に配置されることにより構体厚み寸法が縮小された厚み縮小部が形成されている、鉄道車両構体。
2. 前記厚み縮小部は、車両長手方向から見て、鉄道車両構体に負荷される曲げモーメントの絶対値が最小値となる位置に対応して形成されている、請求項１に記載の鉄道車両構体。
3. 前記ハモニカ型構造部が、前記屋根構体の車幅方向の前記中央部、前記軒桁の前記中央部、及び、前記側構体の前記吹寄せ部のうちの少なくともいずれかに配置されている、請求項１又は２に記載の鉄道車両構体。
4. 側梁を有する台枠と、側構体と、屋根構体とを備え、
   前記側構体と前記屋根構体と前記側梁とは、内壁部と、外壁部と、前記内壁部と前記外壁部とを壁面を離隔させた状態で連結する複数の連結板部とを含むダブルスキン構造を有し、
   車両長手方向から見て、前記内壁部、前記外壁部、及び前記複数の連結板部の少なくともいずれかが、複数の位置で異なる板厚寸法を有している、鉄道車両構体。
5. 車両長手方向から見て、前記複数の連結板部のうちいずれかが、前記車体の車内側と車外側とのうち一方から他方に向けて、板厚寸法が漸減した漸減領域を有する、請求項４に記載の鉄道車両構体。
6. 車両長手方向から見て、前記ハモニカ型構造部内に配置された前記複数の連結板部のうち前記車体の周方向に隣接する２以上の連結板部が、互いに交差する方向に延びている、請求項４又は５に記載の鉄道車両構体。
7. 車両長手方向から見て、隣接する２以上の連結板部が、車内外の気圧差により発生するせん断力の作用する方向と平行に延びている、請求項６に記載の鉄道車両構体。
8. 前記側構体と前記屋根構体とは、複数の中空形材を有し、
   前記複数の中空形材の各々は、前記車体の車内側に配置された内板部と、前記連結板部と、前記車体の車外側に配置され、前記内板部と板面を離隔させた状態で前記内板部と前記連結板部により連結された外板部とを含み、
   前記複数の中空形材において、複数の前記内板部が結合されて前記内壁部が形成されていると共に、複数の前記外板部が結合されて前記外壁部が形成されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の鉄道車両構体。
9. 前記複数の中空形材のうち、前記軒桁及び前記吹寄せ部の少なくともいずれかに対応して配置された中空形材の前記内板部、前記外板部、及び前記連結板部の少なくともいずれかが、車両長手方向から見て、複数の位置で異なる板厚寸法を有している、請求項８に記載の鉄道車両構体。
   

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