JP2024047552A - 鉄道車両用車体壁構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ピーク応力の拡散及び減少を助け、パネルからのＦＲＰシステムの剥離の可能性を減少させることができる鉄道車両の車体の壁構造を提供する。
【解決手段】鉄道車両の車体の壁を形成するための壁構造１０であって、該壁構造は、開口２１が形成された金属パネル２０と、開口２１のコーナー２２において金属パネル２０に取り付けられた繊維強化プラスチック強化システム３０と、を備える。ＦＲＰ強化システム３０は、ベースラミナ３１から積層を進めると、積層体内の各ラミナの面積が前のラミナの面積よりも小さくなるように配置されたＦＲＰラミナの積層体を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、鉄道車両の車体の壁を形成するための壁構造に関する。

鉄道車両、特に電化された鉄道車両は、自動車など他の輸送形態に比べて環境への影響が少ない。これは、乗客密度が高いため、乗客１人当たりの単位距離あたりの電力消費量が他の輸送形態よりも少ないことが一因である。

しかし、列車やその他の鉄道車両に関連する電力消費をさらに削減し、それによってそのような車両の運行に関連する二酸化炭素排出量を削減するためには、これらの車両の質量を減らすインセンティブが継続的に存在する。

鉄道車両の質量を減らす公知の方法は、鉄道車両の車体構造の質量を減らすことである。一般に、車体の壁は金属パネルで作られている。金属パネルのゲージを小さくするか、より低密度の材料を使用することにより、車体の質量を低減することができる。例えば、特許文献１（特開２００２－２６４８０３号公報）によって示されているように、このような壁は、２つの金属パネルの間に延びるリブを有するダブルスキン材料から構成することができ、パネルに使用される材料のゲージをさらに低減することができる一方で、リブは、適切な強度と剛性を提供するのに役立つ。しかし、車体には、自重と走行荷重の両方から受ける応力に耐えることが必要である。

窓、ドア、換気口などのために車体の壁に形成された開口は、そのような開口の周囲に応力集中の領域を生じさせる。応力集中の問題は、開口のコーナーにおいて特に深刻であり、コーナーは周囲の金属パネルに応力をさらに集中させるからである。

したがって、車体の質量を低減しようとする場合、多くの場合、車体の開口近傍、特にそのような開口のコーナーにおける応力が、材料の選択及び／又は材料の厚さの低減によって車体の質量をどれだけ低減できるかの制限要因となる。

この制限要因に対処するために、そのような開口を取り囲む金属パネルの領域を繊維強化プラスチック（FRP: fibre-reinforced-plastic）部品で補強することが知られており、その部品は、その領域で金属パネルに接着され、応力が最も集中する領域で壁を強化するように作用する。このような構造により、金属パネルの質量を低減しつつ、使用時にかかる応力に耐える車体を提供することができる。

しかしながら、既存のFRP部材を用いた車体壁構造は、強度／質量比の最適化が図られていない。また、ＦＲＰ部材を用いた車体構造では、ＦＲＰ部材の材料とパネルの金属との熱膨張係数の差により、ＦＲＰ部材と金属パネルとを接着する接着層に高い応力がかかることが多く、ＦＲＰ部材とパネルとの間に剥離が発生するおそれがあるという問題がある。

本発明は、以上の点に鑑みて考案されたものである。

特開２００２－２６４８０３号公報

本開示の第１の態様では、鉄道車両の車体の壁を形成するための壁構造が提供される。壁構造は、その中に形成された開口を有する金属パネルと、開口のコーナーで金属パネルに取り付けられた繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）強化システムと、を備える。ＦＲＰ強化システムは、ベースラミナから積層が進むと、積層体内の各ラミナの面積が前のラミナの面積よりも小さくなるように配置されるＦＲＰラミナの積層体を備える。有利なことに、このような多層ＦＲＰ強化システムを有する壁構造を提供することにより、例えば均一な厚さの単一のＦＲＰラミナのみを有するＦＲＰ強化システムと比較して、ＦＲＰ強化システムの強度対質量比を向上させることができる。また、壁構造内のＦＲＰの使用量を低減することができるため、ＦＲＰシステムの製造に伴う環境負荷を低減することができる。さらに、積層ラミナの面積を漸減させることで、ＦＲＰとパネルの金属との熱膨張係数（ＣＴＥ）の差によるピーク応力を低減することができる。特に、漸進的な面積の減少により、ＦＲＰシステムの厚さが、ＦＲＰシステムの端部における最小の厚さから、ＦＲＰシステムのより中心的な位置における最大の厚さへと漸進的に移行することが可能となり、この漸進的な移行は、ピーク応力の拡散及び減少を助け、ひいてはパネルからのＦＲＰシステムの剥離の可能性を減少させることができる。

ＦＲＰ強化システムのラミナは、ベースラミナから積層が進み、積層体内の各連続ラミナの面積が前のラミナの面積の閾値パーセンテージ以下となるような大きさとしてもよい。閾値パーセンテージは８０％であってもよく、好ましくは７０％又は６０％であってもよい。ＦＲＰ強化システムのラミナは、ベースラミナから積層を進めると、積層方向に見たときに、連続する各ラミナの境界が前のラミナの境界内に完全に位置するような形状であってもよい。

ＦＲＰシステムは、２枚のラミナのみから構成されていてもよく、その場合、ベースラミナから積層を進めると、ベースラミナは第１のラミナであり、次のラミナは第２のラミナである。しかし、ＦＲＰシステムは、２枚より多いラミナから構成されていてもよく、この場合、ベースラミナからラミナの積層を進めると、ベースラミナは第１のラミナであり、次のラミナは第２のラミナであり、後続のラミナは第３のラミナなどである。ＦＲＰシステムのラミナの数は、ＦＲＰシステムによる金属パネルの所望の強化量、得られる壁構造の所望の質量、システムのための利用可能なスペース、ＣＴＥ差などの考慮事項に従って決定することができる。

ＦＲＰ強化システム内の繊維は、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、及び、アラミド繊維のいずれか１つ以上から構成され得る。繊維は典型的には連続繊維である。各ラミナは、例えばレイアッププリプレグシート（lay-up prepreg sheets）の形態で、1つ以上の繊維層から形成されてもよい。各層内では、繊維は多方向性、例えば織物状であってもよいし、一方向性であってもよい。

ＦＲＰ強化システム内の樹脂マトリックスは、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂及びウレタン樹脂のいずれか１つ以上から構成され得る。

金属パネルは、例えばアルミニウム合金やスチール（例えば、ステンレススチールなど）で形成することができる。

壁構造は、複数のＦＲＰ強化システムから構成されてもよい。例えば、実質的に長方形の開口のような開口は、複数のコーナーを有してもよく、各ＦＲＰ強化システムは、開口のそれぞれのコーナーで金属パネルに取り付けられてもよい。加えて、又は代替的に、壁構造は、各々が１つ又は複数のＦRP強化システムを有する複数の開口から構成されてもよい。

開口は窓開口であってもよい。これに対して、FRP強化システムはドア開口にも適用できるが、一般にドア開口は窓開口よりも大きいため、より実質的な、例えば金属ベースの強化及び補強システムを必要とする傾向がある。

ＦＲＰ強化システムの積層ラミナは、金属パネルの片側に取り付けられたモノリシックなＦＲＰ強化システムを形成するために一緒に接着されることがある。積層体のベースラミナは、通常、金属パネルに最も近い積層体内のラミナである。シングルスキンの鉄道車両の車体壁を形成するために使用される壁構造の状況では、このようなモノリシックFRP強化システムは、通常、金属パネルの内部側に取り付けられ、便利なことに、非構造的で装飾的な内部パネルで覆うことができる。

あるいは、ＦＲＰシステムがモノリシックなＦＲＰ強化システムでない場合、ＦＲＰ強化システムのベースラミナを金属パネルの一方の側に取り付け、積層体の別のラミナを金属パネルの他方の側に取り付けて、ラミナ間で金属パネルを挟むこともできる。間隔をあけた外側金属パネル及び内側金属パネルを有するダブルスキンの鉄道車両の車体壁を形成するために使用される壁構造の状況では、ベースラミナは、車体内に面する内側金属パネル側に取り付けられ、積層体の別のラミナは、その反対側（すなわち、内側金属パネルと外側金属パネルとの間の空洞に位置する）で内側金属パネルに取り付けられてもよい。このように配置することで、FRPシステムが占める車体内部の容積を小さくすることができる。なお、複数のリブが車外側金属パネルと車内側金属パネルとの間に延在していてもよい。その場合、内側金属パネルと外側金属パネルとの間の空洞に位置するラミナは、隣接するリブ間に延びる1つ以上のフィンガー部を有することができる。

開口のコーナーに最も近いＦＲＰ強化システムの端部は、その周縁からオフセットされ、ＦＲＰ強化システムによって覆われていない開口のコーナーの金属パネルのマージンを残すことができる。このマージンを接着剤のエッジフィレットで埋めることで、ＦＲＰシステムと金属パネルとの結合を強固にすることができる。さらに、このようなマージンを設けることにより、開口コーナーの形状とＦＲＰシステムの形状との間の許容誤差を大きくすることができる。開口のコーナーにおける金属パネルのマージンの適切な幅は、金属パネル、ＦＲＰ及び接着材料の機械的特性などの要因に依存するが、少なくとも１ｍｍ及び／又は最大２０ｍｍとすることができる。

ＦＲＰ強化システムの積層体のうち、開口のコーナーに最も近い部分の端部は、積層方向から見て一致することがある。

ＦＲＰシステムのベースラミナは、車体の長手方向と実質的に一致する第１の繊維方向と、コーナーにおける開口の周縁部と実質的に接線方向に一致する第２の繊維方向とを有することができる。ベースラミナ内の繊維のこのような配置は、開口のコーナーにおける壁構造の曲げ剛性及びせん断剛性と強度を高めるのに特に効果的である。他の繊維方向が存在する場合は、例えば、製造中の温度変化によって誘発される反り変形を低減するために選択することができる。

壁構造は、ＦＲＰ強化システムを金属パネルに接着する弾性、例えばゴム状の接着材料をさらに含んでもよく、弾性接着材料は、ＦＲＰ強化システム及び金属パネルに比べて相対的に柔軟である。このような接着材料は、ＣＴＥ差によって誘発されるピーク応力をさらに低減することができ、したがって、ＦＲＰ強化システムが金属パネルから剥離するリスクを低減することができる。さらに、弾性接着材料は、鉄道車両の車体の外側から壁構造を介して伝達される振動及び騒音の量を低減する減衰特性を有することができる。弾性接着材は、例えば、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤及びウレタン系接着剤のいずれか１種以上から構成することができる。一般に、接着材料の弾性率が低いと、接着厚さを小さくすることができ、ＦＲＰ強化システムの端部の開口のコーナーの周縁からのオフセットの大きさを小さくすることができる。

壁構造が複数のＦＲＰ強化システムを備える場合、隣接する２つのＦＲＰ強化システムが、それぞれ、同一の開口の隣接するコーナー（例えば、開口の隣接する上コーナー及び下コーナー）のためのものであってもよく、隣接するＦＲＰ強化系のベースラミナが、前記同一の開口のコーナーからコーナーまで切れ目なく延びる単一のラミナから形成されていてもよい。有利なことに、このような構造は、開口の隣接するコーナーの間の領域における壁構造の曲げ強度及び剛性を高めることができる。さらに、金属パネルに取り付ける部品の数を減らすことができ、壁構造の製造を簡素化することができる。ＦＲＰ強化システムのベースラミナのコーナーからコーナーまで延びる部分は、ベースラミナが延びる２つの隣接するコーナー間の方向と実質的に一致する繊維方向を有することができる。

追加的又は代替的に、壁構造が複数のＦＲＰ強化システムからなり、金属パネルが複数の開口からなる場合、隣接する２つのＦＲＰ強化システムは、それぞれ、隣接する開口の隣接するコーナー（例えば、隣接する２つの上部コーナー又は隣接する２つのコーナー及び下部コーナー）用であってもよく、隣接するＦＲＰ強化システムのベースラミナは、前記隣接する開口のコーナーからコーナーまで切れ目なく延びる単一のラミナから形成されてもよい。有利なことに、このような構造は、２つの隣接する開口の間の領域における壁構造のせん断強度と剛性を高めることができる。さらに、金属パネルに取り付ける部品の数を減らすことができ、壁構造の製造を簡素化することができる。一方の開口のコーナーから他方の開口のコーナーまで延びるＦＲＰ強化システムのベースラミナの部分は、ベースラミナが延びる隣接する２つのコーナーの間の方向と実質的に一致する繊維方向を有することができる。有利なことに、これにより、構造によってもたらされる曲げ剛性の増加をさらに改善できます。

隣接するＦＲＰ強化システムのベースラミナが、ＦＲＰ強化システム間に切れ目なく延びる単一のラミナから形成される上述のような壁構造では、開口（複数可）のコーナーにおけるＦＲＰ強化システムの外側の１つ又は複数のさらなるラミナが、ベースラミナを形成する単一のラミナ上に積層され得る。これにより、金属パネルを開口のコーナーから離れた他の領域で大幅に強化し、剛性を高めることができる。

壁構造は、鉄道車両の車体の側壁を形成することがある。

本開示の第２の態様では、本開示の第１の態様による壁構造で形成された壁を有する鉄道車両車体が提供される。第２の態様は、第１の態様に関して上記で規定された任意の特徴を組み込むことができる。本発明は、そのような組み合わせが明らかに許されないか、明示的に回避される場合を除き、記載された態様と好ましい特徴の組み合わせを含む。次に、本開示の態様及び実施形態について、添付の図を参照して説明する。

図１は、鉄道車両の車体を示している。 図２は、鉄道車両の車体の側壁を形成するための壁構造の一部を示す図である。 図３は、線Ａ－Ａ’に沿った図２の壁構造の断面図である。 図４は、図２の壁構造のＦＲＰ強化システムの詳細図である。 図５は、列車車体の側壁を形成するためのダブルスキン壁構造の一部を示す。 図６は、線Ｂ－Ｂ’に沿った図５の壁構造の断面図である。 図７Ａは、図５の壁構造のＦＲＰ強化システムの詳細図である。 図７Ｂは、ＦＲＰ強化システムのベースラミナの詳細図である。 図７Ｃは、ＦＲＰ強化システムの第２のラミナの詳細図である。 図８は、電車の車体の側壁を形成するための別の壁構造の一部を示す図であり、この壁構造は、複数の開口と複数のＦＲＰ強化システムとから構成されている。 図９は、図８に示された壁構造の変形例を示す。 図１０は、図８に示した壁構造のさらなる変形例を示している。

次に、本開示の態様及び実施形態について、添付の図を参照して説明する。さらなる態様及び実施形態は、当業者には明らかであろう。

図１は、鉄道車両の車体１の下から見た概略斜視図である。車体は、側壁２、床３、屋根（図１には図示せず）及び端壁４を有する。側壁にはドア開口５と窓開口２１が形成されている。床３の下には、台車を取り付けるための床下ボルスタビーム６が設けられている。鉄道車両の車体は、側壁２を形成するために、以下に詳述する壁構造を用いている。しかし、床３、屋根、端壁４、及び内部隔壁がある場合はそのいずれかを形成するために、適切な場合には同じ構造又は類似の構造を使用することもできる。

図２は、このような鉄道車両の車体１の側壁２を形成するための壁構造１０の一部を示している。壁構造１０は、窓開口２１がその中に形成された金属パネル２０と、各開口２１のそれぞれのコーナー２２において金属パネル２０に取り付けられた複数の繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）強化システム３０とを備える。しかしながら、本発明は、窓開口用の強化システムに限定されるものではなく、強化システムが適用され得る様々な異なるタイプの開口（例えば、非常脱出ハッチ、アクセスハッチ、ドア、換気孔等）が列車の車体に設けられ得ることが理解され得る。

金属パネル２０は、典型的にはアルミニウム合金から製造されるが、ステンレス鋼などの鋼鉄から製造することもできる。鉄道車両の車体は、乗客が輸送される客車の構造シェルとなる。車体が、自重や列車の走行荷重によって車体にかかる力に耐えられることが重要である。特に、両端をボルスタビーム６で支持された車体の応力は、自重で曲がる梁に類似しており、車体の長さに沿って、また一般に垂直方向に作用するせん断応力を発生させる。

金属パネル２０の窓開口２１は、パネル全体の剛性を低下させ、残りの金属によって担わなければならない荷重を増加させる。さらに、開口２１のコーナー２２は、コーナー２２に隣接する金属パネル２０の領域で応力増加材として機能する。

図２に示すように、このような問題に対処するために、壁構造１０は、金属シート２０の開口２１の各コーナー２２に、金属シート２０に取り付けられたそれぞれのＦＲＰ強化システム３０を有する。ＦＲＰ強化システム３０は、金属シート２０の厚さを、それに作用する力に耐える壁構造の能力を損なうことなく減少させることができるように、コーナー２２において壁構造を局所的に強化し、剛性化する。

各ＦＲＰ強化システム３０は、多層構造であり、ベースラミナ３１から積層を進めると、積層体内の各ラミナの面積が前のラミナの面積よりも小さくなるように配置されたラミナ３１及び３２の積層体からなる。図２の例では、各ＦＲＰシステム３０は、第１（ベース）ラミナ３１と第２ラミナ３２とを備える。しかしながら、他のＦＲＰシステム３０は、３つ以上の積層されたラミナから構成されてもよく、各連続するラミナは、先行するラミナよりも小さい面積を有する。既に述べたように、この壁構造１０の第１の利点は、開口２１のコーナー２２の近傍において金属パネル２０にかかる荷重を低減することにより、金属パネル２０を薄くすることができることである。さらに、積層体においてラミナの面積を漸減させることにより、ＦＲＰシステム３０内で使用される繊維及び樹脂材料を、パネル２０の強化及び剛性の要求が最も高い領域に集中させることができ、ＦＲＰ強化システムが全体的に均一な厚さである場合に使用される繊維及び樹脂材料の量を減らすことができる。これにより、壁構造１０の強度対質量比及び強度対コスト比が向上する。

ＦＲＰシステム３０に使用される繊維は、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、及びアラミド繊維の何れか１種又は２種以上で構成することができる。ＦＲＰシステム３０に使用される樹脂は、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂及びウレタン樹脂のいずれか１つ又は複数から構成され得る。繊維の選択及び樹脂の選択を決定する要因としては、剛性、強度、靭性、質量、コスト、及び熱膨張係数（ＣＴＥ）が挙げられる。

また、図２のＦＲＰ強化システム３０におけるラミナは、第１（基部）ラミナ３１から積層が進むと、第２ラミナ３２の境界が完全に第１（基部）ラミナ３１の境界内に位置するような形状となっている。

材料の節約に加えて、本発明のＦＲＰシステムの構造の別の利点は、金属－ＦＲＰ構造で生じる熱応力に関する。一般に、鉄道車両の車体の金属パネル２０を補強し剛性を高めるために使用される公知のＦＲＰ部品は、接着剤層を用いて金属パネル２０に取り付けられる。しかしながら、アルミニウム合金や鋼のような列車車体の壁に使用される典型的な金属合金は、ＦＲＰ部品の材料のＣＴＥよりも実質的に大きいＣＴＥを有する。

金属パネル２０とＦＲＰ部材は、その材質のＣＴＥ差による膨張差によって、両者を接着する接着層に大きなピーク応力が発生する。ピーク応力の大きさと温度のサイクルによる応力のサイクルのいずれか、又は両方が、接着剤層の破壊とＦＲＰ部品の金属パネル２０からの剥離を引き起こす可能性があり、その結果、ＦＲＰ部品はもはや金属パネル２０を強化及び剛性付与しなくなる。

図３は、線Ａ－Ａ’に沿った図２の壁構造１０の断面を示しており、ＦＲＰシステム３０は接着剤層３３によって金属パネル２０に取り付けられている。図３において、ＦＲＰシステム３０内の積層体の厚さは、ＦＲＰシステム３０が取り付けられている金属パネル２０の領域にわたって不均一である。ベースラミナ３１から積層体内を移動するとき、連続する各ラミナは先行するラミナよりも小さい面積を有する。ラミナの面積が漸進的に減少することにより、ＦＲＰシステムの端部における最小の厚さから、システムのより中心的な位置における最大の厚さまで、ＦＲＰシステムの厚さを漸進的に移行させることができ、この漸進的な移行は、熱膨張及び収縮の差から接着層３３に発生するピーク応力を拡散及び低減するのに役立つ。したがって、ＦＲＰシステム３０が金属パネル２０から剥離する危険性が低減され、壁構造１０の信頼性が向上する。

さらに、図３における接着層３３の材料は、高弾性（例えばゴム状）であり、ＦＲＰシステム３０及び金属パネル２０よりも柔軟であるため、接着層３３は弾性的に、したがって可逆的に、熱膨張及び熱収縮の差に対応するように変形することができる。しかしながら、図２及び図３に示すように、所定のＦＲＰ強化システム３０内で、そのシステムの積層方向に沿って見た場合、開口２１のコーナー２２に最も近いラミナの端部は、通常、互いに整列している。開口周縁の線に垂直な接着剤層３３及び金属パネル２０の面内応力の成分は、周縁でゼロにならざるを得ないので、ラミナの端部のこのような整列は、接着剤層に発生する応力を必ずしも増加させない。

図３では、ＦＲＰシステム３０は、ラミナの積層体の整列したエッジが開口２１の周縁とも整列するように金属パネル２０に取り付けられている。図４は可能な代替配置を示しており、ＦＲＰシステム３０は、ＦＲＰシステム３０の整列されたラミナの端が開口２１の周縁からオフセットされ、ＦＲＰ強化システム３０によって覆われていない開口２１のコーナー２２に金属のマージン２３を残すように、金属パネル２０に取り付けられている。このマージン２３に接着剤のエッジフィレットを充填することで、ＦＲＰ強化システム３０と金属パネル２０との接合が強固になり、開口コーナー２２の形状とＦＲＰ強化システム３０の形状との公差を大きくすることができる。マージンの幅が比較的小さい限り、マージンに沿ったラミナの整列されたエッジは、接着剤層３３に発生する応力を著しく増加させない。

ＦＲＰシステム３０のラミナ内の繊維の配向は、異なる方向におけるＦＲＰシステム３０の強度及び剛性、したがって得られる壁構造１０の特性にも影響を与え得る。例えば、ベースラミナ３１は、２つの方向、すなわち、実質的に車体の長手方向（すなわち、図２における水平方向）に整列された第１の繊維方向と、実質的にコーナー２２における開口２１の周縁部の接線方向に整列された第２の繊維方向とにほぼ整列された繊維を含むことができる。ベースラミナ３０内で第１繊維方向及び第２繊維方向の両方に繊維が整列していることにより、得られるＦＲＰシステム３０及び壁構造１０の曲げ剛性及び強度ならびにせん断剛性及び強度が向上する。同様に、ＦＲＰシステム３０の強度及び剛性に影響を与えるために、ＦＲＰシステム３０を形成する１つ又は複数の追加ラミナ内の繊維方向を選択することができる。

図２、図３及び図４に示す壁構造１０は、各ＦＲＰシステム３０の積層ラミネ３１及び３２を接着して一体化したＦＲＰシステム３０を形成し、これを金属パネル２０の片面に取り付けることにより構成されている。図５及び図６は、壁構造１０の変形例を示している。

図５及び図６の壁構造１０は、間隔をあけて配置された車内側金属パネル２０ａ（内側金属パネル２０ａ）及び車外側金属パネル２０ｂ（外側金属パネル２０ｂ）を有するダブルスキンである。車体の長手方向に沿って互いに平行に延びるリブ２４も、壁構造１０を剛性及び強化するために、内側金属パネル２０ａと外側金属パネル２０ｂとの間の空洞を横切って延びている。図６において、ＦＲＰシステム３０のベースラミナ３１は、内側金属パネル２０ａの車内に面する側に取り付けられており、一方、第２のラミナ３２は、内側金属パネル２０ａの反対側、すなわち、内側金属パネル２０ａと外側金属パネル２０ｂとの間の空洞に取り付けられている。このように、ベースラミナ３１及び第２ラミナ３２は、内側金属パネル２０ａを挟み込む。ＦＲＰシステム３０が２枚以上のラミナからなる場合、追加のラミナは金属パネル２０の両側に配置されてもよい。図５及び図６に示される壁構造１０の変形例では、ラミナとパネルとの付加的な取り付け作業が必要であるが、特にダブルスキン壁構造では、内側金属パネル２０ａの内側に面する側のラミナの数が減少するため、列車車体内の利用可能な内部空間を増大させることができる。

図７Ａは、図５及び図６の変形壁構造１０、特にＦＲＰシステム３０の詳細を示す。図７Ｂはベースラミナ３１の形状を示し、図７Ｃは第２ラミナ３２の形状を示す。補強リブ２４は、内側２０ａ及び外側２０ｂの金属パネルにおける開口２１の周縁の手前で止まっており、開口２１の周縁に隣接する金属パネル２０のマージンが、リブ２４によって遮られないように存在するようになっている。ベースラミナ３１は、内側金属パネル２０ａの内面側に取り付けられている。第２ラミナ３２は、金属パネル２０の縁部に沿って延びるような形状の周方向部分３６を有する。第２ラミナ３２はまた、ラミナ３２の周方向部分３６から離れるように延びるフィンガー部分３７を有し、ラミナが内側金属パネル２０ａに取り付けられたときに、フィンガー部分３７が隣接するリブ２４間の開口２１の周縁から離れるように延びるようになっている。

図８は、２つの開口の上コーナー２２ａ及び２２ｃが互いに隣接し、２つの開口の下コーナー２２ｂ及び２２ｄが同様に互いに隣接するように整列された隣接する開口２１ａ及び２１ｂを有する変形壁構造１０の一部を示す。自重で曲がる典型的な車体の場合、最も大きな応力を受ける車体の領域の１つは、隣り合う２つの開口２１の２つの隣接するコーナー２２の間に位置する金属パネル２０の領域である。図８において、ＦＲＰシステム３０ａ及び３０ｃは、隣接する２つの開口２１ａ及び２１ｃの隣接するトップコーナー２２ａ及び２２ｃでそれぞれ金属パネル２０に取り付けられている。ＦＲＰシステム３０ａ及び３０ｃはそれぞれ、それぞれのベースラミナ３１ａ及び３１ｃと、それぞれの第２ラミナ３２ａ及び３２ｃとからなる。隣接する開口コーナー２２ａ及び２２ｃの間に位置する金属パネル２０の領域のせん断強度と剛性を高めるために、隣接するＦＲＰ強化システム３０ａ及び３０ｃのベースラミナ３１ａ及び３１ｃは、コーナー２２ａからコーナー２２ｃまで切れ目なく延びる（すなわち、ＦＲＰ強化システム３０ａ及び３０ｃは共通のベースラミナを有する）単一のラミナから形成され、高応力領域における壁の強度と剛性をさらに高める。加えて、この構造は、金属パネル２０に接着される部品の数を減らし、この壁構造１０を有する壁の製造を単純化する。同様に、同じ開口２１ａ及び２１ｃの２つの底部コーナー２２ｂ及び２２ｄに配置されたＦＲＰシステム３０ｃ及び３０ｄは、コーナー２２ｂからコーナー２２ｄまで切れ目なく延びる単一のベースラミナを共有している。

図２に関連して上述したＦＲＰシステム３０のベースラミナ３１内の繊維方向に戻ると、図８の壁構造１０では、隣接するＦＲＰシステム３０の切れ目のない共通のベースラミナ内の第１の繊維方向は、繊維自体が隣接するＦＲＰシステム間で切れ目のない状態で延びるように、車体の長さ方向と実質的に一致していることが理解され得る。これにより、得られるＦＲＰシステム３０及び壁構造１０の強度及び剛性がさらに向上する。

図９は、図８に示された壁構造１０の変形例の一部を示す。ＦＲＰシステム３０ａ及び３０ｂは、壁構造１０の一部を形成し、同じ開口２１ａの隣接するコーナー２２ａ及び２２ｂにおいてそれぞれ金属パネル２０に取り付けられている。同様に、ＦＲＰシステム３０ｃ及び３０ｄは、壁構造１０の一部を形成し、第２の開口２１ｃの隣接するコーナー２２ｃ及び２２ｄにおいてそれぞれ金属パネル２０に取り付けられている。４つのＦＲＰシステム３０ａ～ｄのそれぞれは、それぞれのベースラミナ３１ａ～ｄと、それぞれの第２ラミナ３２ａ～ｄとからなる。図８のように、隣接する開口２１の隣接するコーナー２２において金属パネル２０に取り付けられたＦＲＰシステム３０のベースラミナ３１は、単一のラミナから形成されている。ラミナは、１つの開口２１のコーナー２２から隣接する開口２１の隣接するコーナー２２まで切れ目なく延びている。図９の壁構造１０は、同じ開口２１ａの隣接するコーナー２２ａ、２２ｂにおいて金属パネル２０に取り付けられるＦＲＰシステム３０ａ、３０ｂのベースラミナ３１ａ、３１ｂが、隣接する２つのコーナー２２ａ、２２ｂの間に切れ目なく延びる中央部分３４からなる単一のラミナから形成されることによって、図８の壁構造１０と異なる。さらに、同じ開口２１ｃの隣接するコーナー２２ｃ及び２２ｄにおいて金属パネル２０に取り付けられるＦＲＰシステム３０ｃ及び３０ｄのベースラミナ３１ｃ、３１ｄは、ＦＲＰシステム３０ａ、３０ｂのそれと同じ単一のラミナから形成される。従って、ＦＲＰシステム３０ａ～ｄのベースラミナ３１ａ～ｄは全て、互いに隣接する２つの開口２１ａ及び２１ｃの４つのコーナー２２ａ～ｄの間に切れ目なく延びる単一のラミナから形成されている（すなわち、図９の４つのＦＲＰシステム３０ａ～ｄは全て共通のベースラミナ３０を有する）。図８に示す壁構造と比較して、図９の壁構造１０は、同じ開口の隣接するコーナー間に延在する金属パネル２０の領域における曲げ剛性及び強度も増加させる。

共通ベースラミナ３０が同じ開口２１の隣接するコーナー２２間に延びる場合、第３の繊維方向が、切れ目のない共通ベースラミナ３０内に存在し得る。この第３の繊維方向は、共通ベースラミナの中央部分３４が延びる方向（すなわち、図９において垂直方向）と実質的に一致しているため、再び繊維自体が隣接するＦＲＰシステム間で切れずに延びる。これにより、得られるＦＲＰシステム３０及び壁構造１０の曲げ剛性及び強度がさらに向上する。

図１０は、隣接する４つのＦＲＰ強化システム３０ａ～ｄのベースラミナ３１ａ～ｄを形成する単一のラミナ上に、ＦＲＰ強化システムに外在する更なるラミナ３５が積層された、図９に示される壁構造１０の変形例の一部を示す。さらなるラミナ３５は、共通のベースラミナの中央部分３４上に配置される。有利なことに、これにより、さらなるラミナ３５は、壁構造１０の曲げ剛性及び強度の向上に寄与することができる。しかしながら、さらなるラミナ３５の位置は、必ずしも共通のベースラミナの中央部分３４に限定されるものではない。図１０では、単一のさらなるラミナ３５のみが図示されているが、他のさらなるラミナ３５が、隣接するＦＲＰシステム３０のベースラミナ３１を形成する単一のラミナ上に、必要に応じて、単一の積層体内で、又は複数のさらなる積層体を形成して、積層されてもよい。

前述の説明、又は以下の特許請求の範囲、又は添付の図面に開示された特徴は、それらの具体的な形態で、又は開示された機能を実行するための手段、又は開示された結果を得るための方法もしくはプロセスの観点から適宜表現され、別個に、又はそのような特徴の任意の組み合わせで、その多様な形態で本発明を実現するために利用することができる。

本発明を上述した例示的な実施形態と併せて説明したが、本開示が与えられれば、多くの等価な修正及び変形が当業者には明らかであろう。従って、上述した本発明の例示的な実施形態は、例示であって限定的なものではないと考えられる。本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、記載された実施形態に様々な変更を加えることができる。

疑念を避けるために、本明細書で提供される理論的説明は、読者の理解を深める目的で提供されるものである。本発明者らは、これらの理論的説明に拘束されることを望まない。

本明細書で使用されるあらゆるセクションの見出しは、組織的な目的のためだけのものであり、記載される主題を限定するものとして解釈されるものではない。

本明細書全体を通じて、後に続く特許請求の範囲を含め、文脈上別段の必要がない限り、「ｃｏｍｐｒｉｓｅ」及び「ｉｎｃｌｕｄｅ」という語、ならびに「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、及び「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」などの変形は、記載された整数もしくはステップ又は整数もしくはステップの群を含むことを意味するが、他の整数もしくはステップ又は整数もしくはステップの群を排除することを意味しないと理解される。

本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈上明らかにそうでないことが指示されない限り、複数の参照語を含むことに留意しなければならない。本明細書において、範囲は、ある特定の値の「約」から、及び／又は別の特定の値の「約」までとして表現される場合がある。このような範囲が表現される場合、別の実施形態では、１つの特定の値から、及び／又は他の特定の値までが含まれる。同様に、値が近似値として表現される場合、先行詞「約」の使用により、特定の値が別の実施形態を形成することが理解される。数値に関する「約」という用語は任意であり、例えば±１０％を意味する。

Claims (14)

1. 鉄道車両用車体の壁を形成するための壁構造であって、
   前記壁構造は、
   開口が形成された金属パネルと、
   前記開口のコーナーで前記金属パネルに取り付けられたＦＲＰ強化システムと、
   を備え、
   前記ＦＲＰ強化システムは、ベースラミナから積層され、積層体内の各ラミナの面積が前のラミナの面積よりも小さくなるように配置されたＦＲＰラミナの積層体を備える、
   壁構造。
2. 請求項１に記載の壁構造において、
   前記開口が窓開口である
   壁構造。
3. 請求項１に記載の壁構造において、
   前記ＦＲＰ強化システムの積層されたラミナ同士が接着されて、前記金属パネルの片面に取り付けられたモノリシックＦＲＰ強化システムを形成する、
   壁構造。
4. 請求項１に記載の壁構造において、
   前記ＦＲＰ強化システムの前記ベースラミナは、前記金属パネルの一方の側に取り付けられ、
   積層体内の別のラミナが前記金属パネルの他方の側に取り付けられ、前記ラミナの間に前記金属パネルが挟まれる、
   壁構造。
5. 請求項４に記載の壁構造であって、鉄道車両用車体のダブルスキン壁を形成する壁構造において、
   間隔をあけた外側の前記金属パネルと内側の前記金属パネルを有し、
   前記ベースラミナは、車体に面する内側の前記金属パネルの一方の側に取り付けられ、
   積層体内の別のラミナは、内側の前記金属パネルの前記ベースラミナとは反対側に取り付けられている、
   壁構造。
6. 請求項１に記載の壁構造において、
   前記開口のコーナーに最も近い前記ＦＲＰ強化システムの端部が、その周縁部からオフセットされて、前記ＦＲＰ強化システムによって覆われていない前記開口のコーナーの前記金属パネルのマージンを残す、
   壁構造。
7. 請求項１に記載の壁構造において、
   前記開口のコーナーに最も近い前記ＦＲＰ強化システムのラミナの端部が、それらの積層方向で見たときに一致している、
   壁構造。
8. 請求項１に記載の壁構造において、
   前記ベースラミナが、車体の長手方向と実質的に整列する第１の繊維方向と、前記コーナーにおける前記開口の周縁と実質的に接線方向に整列する第２の繊維方向と、を有する、
   壁構造。
9. 請求項１に記載の壁構造において、
   弾性接着材が、前記ＦＲＰ強化システムを前記金属パネルに接着し、
   前記弾性接着材は、前記ＦＲＰ強化システム及び前記金属パネルに比べて相対的に柔軟である、
   壁構造。
10. 請求項１に記載の壁構造において、
    壁構造は複数の前記ＦＲＰ強化システムから構成されている、
    壁構造。
11. 請求項１０に記載の壁構造において、
    ２つの隣接する前記ＦＲＰ強化システムは、それぞれ、同一の開口の隣接するコーナーのためのものであり、隣接する前記ＦＲＰ強化システムのベースラミナは、前記同一の開口のコーナーからコーナーまで切れ目なく延びる単一のラミナから形成されている、
    壁構造。
12. 請求項１０に記載の壁構造において、
    前記金属パネルは、複数の前記開口を有し、
    ２つの隣接する前記ＦＲＰ強化システムは、それぞれ、隣接する前記開口の隣接するコーナーのためのものであり、
    隣接する前記ＦＲＰ強化システムの前記ベースラミナは、前記隣接する開口のコーナーからコーナーまで切れ目なく延びる単一のラミナから形成される、
    壁構造。
13. 請求項１１に記載の壁構造において、
    前記コーナーにおける前記ＦＲＰ強化システムに外在する１つ又は複数のさらなるラミナが、前記ベースラミナを形成する単一のラミナ上に積層されている、
    壁構造。
14. 請求項１に記載の壁構造で形成された壁を有する鉄道車両用車体。

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