JP3727196B2 - 車両 - Google Patents

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JP3727196B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の曲面板を接合して比較的大きな構造体を製作する方法に関する。例えば、鉄道車両の先頭車の先頭部分、船体において水に接する先頭部分のように3次元の曲面を有する構造体の製作に好適である。
【0002】
【従来の技術】
鉄道車両の先頭車の先頭部分は空気抵抗や意匠の観点で3次元曲面を有する。それもかなり複雑な曲面を必要としている。
【0003】
特開昭62−160955号公報のように、先頭車の曲面部分は、外皮の板、縦骨、横骨からなる。縦骨および横骨は外皮の曲面に沿った曲面を有したもので、板から切り出している。縦骨または横骨には一方に他方が入る切り込みを設けている。外皮は小ブロックに分けられ、プレスによって曲面になっている。
【0004】
まず、車体の台枠の上に縦骨、横骨を組み立て、3者を溶接で一体にする。次に、縦骨と横骨とからなる骨組に外皮をかぶせ、溶接で一体にする。
【0005】
また、航空技術 No.506 第32頁から第36頁に、航空機の機体の製作方法が示されている。外板の内面を切削して必要な板厚にし、また、板を重ねて厚さを厚くし、次に、プレス機で曲げ成型する。次に、複数の曲面板を接続し、機体を製作する。
【0006】
特開平9−309164号公報(EP 0797043 A2)のように、接合手段として摩擦攪拌接合方法がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
前記特開昭62−160955号公報の製作方法では、外皮、縦骨、横骨を別々に曲面を有するように作り、溶接で一体にしている。外皮はプレスして製作したものであるので、複数の外皮を接合した際に一様な曲面にならないことが多い。このため、接合後、溶接ビードをグラインダで切削するとともに、さらに外皮の接合部の近傍の切削が必要であり、高価になっている。
【0008】
前記航空技術 No.506の製作方法には、外板の内面を切削して板厚を変え、次に、プレスして曲面にすることが示されている。これによれば、安価に製作できると考えられる。
【0009】
しかし、板厚を変えた後、すなわち、リブを設けた板を3次元曲面を成すようにプレスすると、次のような問題点が発生しやすい。リブとリブの間の板部分が曲面にならないで、直線状になる。また、プレスすると、板の辺の長さが大きく変化する。特に、板の面側から見たとき、板の形状が台形状である場合、これらのことが顕著に表れる。
【0010】
本発明は安価な車両等の構造体を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、車両の先頭車は、先端に向けて突出した3次元曲面を有しており、この3次元曲面を複数のブロックから構成しており、該ブロックは、前記3次元曲面の表面をなす面板と、該面板の外周と設けた第1のリブと、該第1のリブ内に格子状に設けた複数の第2のリブとからなり、前記面板の端部と隣接するブロックの面板とは溶接または摩擦撹拌接合で接合されており、前記ブロックの前記第1のリブと隣接するブロックの第1のリブとは結合されていること、によって達成できる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を鉄道車両の先頭車の先頭部分に適用する場合について、図1から図14によって説明する。図1において、車両の大きさに対するブロック50の大きさ等は模式的に示したものである。
【0013】
図4のように、車体の先頭部分S1、S2、S3は、車体の長手方向および幅方向に沿って曲がった3次元曲面を有する。部分S3には運転席の窓Cがある。部分S3には曲面から更に突出する曲面があることが多い。このため、部分S3は複雑な曲面を有することが多い。部分S4は客室部分であり、出入り口D1、D2、窓Wがある。この部分の外面は車体の長手方向に沿って直線状であるので、従前の構成である。先頭車は、床を構成する台枠100、台枠100の上部に載せた曲面部S3、直線部S4、および曲面部S3の先端に設置した曲面部S2、S1からなる。
【0014】
図1から図14の実施例は比較的大きな曲面部(車体の高さが高い部分)S3に適用した場合である。曲面部S1、S2も同様に製作できる。曲面部S3は、複数のブロック50を車両の長手方向および幅方向に接続して構成している。ブロック50は、車両の外面を成す面板51と、面板51の内面に突出させた複数のリブ55とからなる。リブ55は、縦方向(垂直方向)に沿った複数の縦リブと、横方向(水平方向)に沿った複数の横骨とからなる。リブ55同士は接合し、格子状になっている。リブ55の突出代は一定である。個々のブロック50は端部にリブ55を有している。
【0015】
一方のブロック50の面板51の端部は他方のブロック50の端部のリブ55に重なっている。ブロック同士はこの部分で車外側から溶接W1している。溶接部W1の一方のブロックのリブ55は溶接の裏当てになっている。端部のリブ同士55、55は車内側から溶接W2している。
【0016】
複数のブロック50からなる部分S3の下端は車体の台枠100に載っている。他の部分S4も同様である。
【0017】
鉄道車両の先頭車の先頭部分は先端に行くにしたがって高さが低くなり、また、幅が小さくなっている。このため、図5のように一つのブロック50の平面形状は四角形ではなく、台形状であることが多い。
【0018】
図6は曲面部S3を構成するための複数のブロック50の平面的な配置を示したものである。図6は、図示を簡単にし、理解を容易にするため、曲面なし、かつ、四角形のブロック50の組み合わせを示している。図6は基本的な構成を示すもので、実際のブロック50の形状は図5のように台形状の場合がある。ここでは4角形のブロック50を縦方向に3つ、横方向に3つ配置した例を示している。また、理解を容易にするため、それぞれのブロック50、50を離して示している。実際はブロック50の端部は隣接するブロック50の端部に重なっている。なお、ブロック50は50A、50B、50Cの総称である。実際には3つのブロック50A、50B、50Cを交互に並べて部分S3を構成する。図15、図18も同様である。
【0019】
図6において、中央のブロック50Aは、縦方向に向けて複数列(ここでは2列)のリブ55を有している。横方向において両端のリブ55bは点線で示し、中央の2列のリブ55cは想像線で示している。中央のブロック50Aは、横方向に向けて複数行(ここでは2行)のリブ55を有している。縦方向において両端のリブ55dは点線で示し、中央の2行のリブ55eは想像線で示している。
【0020】
図5から図12において、ブロック50A、50Cの面板51の4辺の端部には4辺に沿った凹部51bを設けている。凹部51bに隣接するブロック50Bの面板51の4辺の端部に沿った突出片51cが重なる。ブロック50A、50Cの面板と端部のリブ55d、55bとの間は溶接の裏当てになっている。凹部51bに沿って面板51に溶接用の斜めの開先を設けている。突出片51cの先端に溶接用の開先を設けている。
【0021】
リブ55(55は55b、55c、55d、55eの総称である。)は交点において接続している。面板51側から見たとき、縦方向のリブ55と横方向のリブ55との交点は円弧状に接続している。
【0022】
中央のブロック50Aの4辺に接する4つのブロック50Bは、縦方向に向けて複数列(ここでは2列)のリブ56b、56cを有している。ブロック50Bは、横方向に向けて複数行(ここでは2行)のリブ56d、56eを有している。ブロック50Bのリブ56b、56c、56d、56eはブロック50A、50Cのリブ55b、55c、55d、55eの延長線上に位置するように設置している。横方向において両端のリブ56bは点線で示し、中央の2列のリブ56cは想像線で示している。縦方向において両端のリブ56dは点線で示し、中央の2行のリブ56eは想像線で示している。
【0023】
ブロック55の面板51の4辺の端部は4辺に沿ったリブ56b、56dよりも端部側に突出している。この面板51の突出片51cはブロック50A、50Cの凹部51bに重なるものである。
【0024】
リブ56(56は56b、56c、56d、56eの総称である。)は交点において接続している。面板51側から見たとき、縦方向のリブ56と横方向のリブ56との交点は円弧状に接続している。
【0025】
ブロック50A(50C)とブロック50Bを所定位置に配置したとき、端部のリブ55b(55d)と端部のリブ56b(56d)とは近接または接触する位置に設けている。
【0026】
ブロック50Bの4辺に接する4つのブロックは50A、50Cである。ブロック50Cはブロック50Aと同様である。
【0027】
面板51側から見たとき、ブロック50A、50Cは外周のリブ55b、55dの交点の外面を面取りCしている。ブロック50Cの面取りが大きい。ブロック50Bは面板51の角部を面取りしている。
【0028】
ブロック50Aの横方向において両端に位置するリブ55bの延長線上にブロック50Bの端部のリブ56bが位置する。ブロック50Aの縦方向において両端に位置するリブ55dの延長線上にブロック50Bの端部のリブ56dが位置する。ブロック50Aの横方向において中央の2行のリブ55cの延長線上にブロック50Bの3行のリブ56cが位置する。ブロック50Aの縦方向において中央の2列のリブ55eの延長線上にブロック50Bの2列のリブ56eが位置する。ブロック50Bとブロック50Cとの関係も同様である。
【0029】
ブロックの組み合わせにおいて、端部に位置するブロック50B、50Cの端部は隣接する部材(ブロックを含む。)との接合形状によって定まる。例えば、図4の下端のブロック50B、50Cの下端を台枠100の側面と上面に接合するのであれば、ブロック50B、50Cの下端は面板51のみとなる。面板51が台枠100の側面に接し、下端のリブ56e、55eが台枠100に載る。接触部を溶接する。
【0030】
かかるブロック50の接合手順を図13とともに説明する。まず、車両の外面形状に沿った架台を製作しておく。架台は従前の縦骨と横骨とからなり、正確に構成している。この架台に複数のブロック50を載せる。ブロック50のリブを下方にして架台に載せる(リブ51が架台に接する。)。面板51同士の接合部が平滑になるように位置合わせする。ブロック50Aの角部とブロック50Cの角部は面取りCを行っているので、4角形のブロックの配置が容易である。同様にブロック50Bの角部も面取りを行っておくとよい。ブロック50Bの面板51の端部はブロック50A、50Cの端部のリブ55b、55dに載る。(ステップS100)
次に、ブロック50同士を面板51側から所定間隔で仮止め溶接(アーク溶接)を行う。(ステップS110)
次に、車両の外面側から面板51同士をアーク溶接で連続溶接する。また、車両の内面側(架台側)から各ブロックの端部のリブ55b、56b(55d、56d)同士をアーク溶接で接合する。(ステップ130)
図2のW1は面板51同士の溶接部を示し、W2はリブ同士の溶接部を示している。
【0031】
リブ55b、56b(55d、56d)同士は近接または接触しているので、アーク溶接のみで接合可能である。リブ55b、56b(55d、56d)同士の溶接は連続して行う必要はなく、間欠的で良い。
【0032】
面板51同士の接合部は、ブロック50Bの面板の突出片51cがブロック50A、50Cの凹部に重なっている。このため、ブロック50A、50Cが裏当てになっており、良好な溶接ができる。
【0033】
リブ55、56同士の接合位置は、水平方向に沿ったリブと垂直方向に沿ったリブの交点位置を含める。つまり、水平方向に沿ったリブ55d、55e、56d、56eの延長線上の位置において、ブロックの端部のリブ55dと56dとを溶接し、リブ55bと56bとを溶接する。垂直方向に沿ったリブ55b、55c、56b、56cの延長線上の位置において、ブロックの端部のリブ55bと56bとを溶接し、リブ55cと56cとを溶接する。ブロックの角部においては4つのリブを溶接する。
【0034】
このため、リブ55、56は水平方向、垂直方向に連続して一体になる。つまり、リブ55、56は従前の縦骨、横骨に相当することになる。
【0035】
図5のような、4角形の一つの台形状に近いブロックの場合も同様である。中間のリブの端部55xは端部のリブ55yに接していないので、リブの端部55xは隣接するブロックのリブに接合できない。
【0036】
次に、面板51側の溶接ビードを切削する。(ステップS150)
このようにして構成した先頭部分S3を台枠100に載せ、アーク溶接で台枠100に接合する。(ステップS170)
このように、リブ55、56は従前の縦骨、横骨に相当するものであるので、リブの板厚と高さは強度および経済性の観点から定める。リブは板を掘って設けるものであるので、従前のピッチよりも小さくできる。
【0037】
次に、ブロック50の製作方法を図14とともに説明する。まず、必要なブロック50の大きさよりも若干大きく板を切断する。板はアルミニウム合金性である。板厚は例えば43mmである。(ステップS210)
次に、前記板をプレスして所定の曲面に曲げ、曲面板を作る。このプレスは金型を約350度に加熱して行う。次に、前記金型に前記曲面板を所定圧力で挟んだ状態で、約350度に数10分保持して焼鈍する。(ステップS230)
次に、5軸のマシニングセンタ等で、曲面板の外面側(車両の外面側)を切削して、面板51の外面を設ける。これは基準面からの切削である。この際に、凹部51bや溶接用開先等を設ける。この作業は曲面板の内面側(車両の内面側)を真空吸着パッドで吸着して、固定して行う。(ステップS250)
次に、曲面板を反転し、真空吸着パッドで固定して、曲面板の内面側(車両の内面側)を切削し、リブ55、56をつくる。まず、曲面板の全面を平滑に切削し、高さを一定にする。次に、リブ55、56を作るように掘り下げる。面板51の内面側は平滑にする。リブ55、56のピッチは例えば205mmである。なお、ブロック50Bについては、図7から図9のように、端部のリブ56b、56dを面板51の端部よりも内側に作る。また、端部のリブ55b、55d、56b、56dの先端には必要により溶接用の開先を設ける。さらに、曲面板のトリミングを行い、不要部分を削除する。(ステップS270)
これによって、正確な曲面を有する面板51の外面と、該外面から正確な高さのリブ55、56が得られる。溶接開先も容易に作ることができる。また、トリミングを行うので、正確な外形を有する曲面板(ブロック)50が得られる。
【0038】
また、ブロック50の外面側を切削するので、この切削の際に車両の型式、ニックネーム等を切削によって表示できる。
【0039】
上記実施例では、ブロック50Bのリブ56c、56eの格子状のリブを囲うようにリブ56b、56dを配置しているが、囲うリブ56b、56dは不要にできる。この場合は、リブ56c、56eの端部を隣接するブロック50A、50Cの端部の囲うリブ55b、55dに溶接する。
【0040】
また、ブロック50A、50Cの囲うリブ55b、55dは不要にできる。
【0041】
上記実施例では、リブによる格子は4角形で横方向、縦方向に沿っているが、斜めでもよい。つまり、菱型でもよい。菱型は、構造体の向きにより作用する力の大きさに差異があるとき、格子の粗密の方向を合わせることにより対応することができるので、軽量化が図れる。
【0042】
また、格子は4角形ではなく、6角形でもよい。つまり、ハニカム状に配置してもよい。ハニカムの場合、4角形よりも発生する応力が分散されるので、軽量化が図れる。
【0043】
曲面部S3の全てをブロック50で製作する必要はない。プレスと切削によるブロックが高価等になる個所は他の方式等で作る。例えば、面板の曲率が小さい個所、形状が複雑な個所が該当する。他の方式としては、従前の方式、または、ブロック形状の鋳物の板を切削して作る。この鋳物の板はリブ付きであってもなくてもよい。また、曲率が大きな個所の曲面板は、切削した後、プレスで曲げて作ることができる。
【0044】
また、従来の格子状の架台の上にブロック50を載せて溶接してもよい。これによれば、ブロック50の板厚を薄くでき、素材費および切削費を低減できる。格子状の架台の板にはブロック50のリブを受け入れる切り欠きを設け、位置決めおよび溶接を容易にする。
【0045】
図15から図17の実施例を説明する。図17はブロックを合わせたときの状態を模式的に表わした平面図である。
【0046】
4角形のブロック60Aの面板61の左右の端部の2辺は端部のリブ65bよりも内側にある。面板61とリブ65bとの間の外面側に凹部61bがある。面板61の端部には溶接開先を設けている。
【0047】
ブロック60Aの面板61の上下の2辺は端部のリブ65dよりも外側にある。つまり、面板61の端部は突出片61cになっている。突出片61cの端部には溶接開先を設けている。
【0048】
ブロック60Aの左右方向に接合するブロック60Bの面板61の左右の端部の2辺は端部のリブ65dよりも外側にある。つまり、面板61の端部は突出片61cになっている。突出片61cの端部には溶接開先を設けている。
【0049】
ブロック60Bの面板61の上下の2辺は端部のリブ65dよりも内側にある。面板61とリブ65dとの間の外面側に凹部61bがある。面板61の端部には溶接開先を設けている。
【0050】
ブロック60Aの突出片61cは隣接するブロック60Bの凹部61bに重なっている。ブロック60Bの突出片61cは隣接するブロック60Aの凹部61bに重なっている。
【0051】
つまり、一つのブロック60において、対向する2辺には凹部61bがあり、他の2辺には凹部61bに重なる突出片61cがある。つまり、ブロック60A、60Bの端部の構成は同一であるが、凹部61b、突出片60cの向き(位置)が異なる。
【0052】
各ブロック60の端部に沿った4辺のリブ65b、65dは隣接するブロック60の4辺のリブ65d、65bに接触または隣接する位置にある。
【0053】
ブロック60の端部の4辺のリブ65b、65dにはボルト穴67を設けている。ボルト穴66はリブとリブの間にある。
【0054】
ブロック60の端部の4辺に沿ったリブ65b、65dが成す形状は面板61側から見たとき4角形である。隣接するブロックとの接触部の角部は面取りを設けるとよい。
【0055】
かかるブロック60を架台に載せた後、まず、複数のブロック60の外面(面板61)が平滑になるように、ブロック同士60をボルトナットで連結する。ボルトナットで連結するリブ65b、65dの間に隙間があれば、スペーサを介在させる。次に、外面側から溶接する。
【0056】
これによれば、外面が所定の曲面になるようにボルトナットで予め連結できるので、正確な曲面を得ることができる。
【0057】
また、ブロック60のリブ65の配置、面板61の突出片51c、凹部51bの配置を単純化できる。
【0058】
図18の実施例を説明する。ブロック60を架台に載せたとき、ブロック60の下辺には突出片61cがあり、上辺には凹部61bがある。左辺には突出片61cがあり、右辺には凹部61bがある。これに隣接するブロックも同様である。
【0059】
かかる構成において、下方から上方に順次ブロック60を並べ、また、左方から右方に順次ブロック60を並べる。これによれば、新たに並べるブロック60は隣接するブロック60の端部に載せればよいので、作業を簡単にできる。ただし、車体の頂部等は前記実施例と同様にする。
【0060】
図19の実施例を説明する。この実施例は、面板51同士の接合に公知の摩擦攪拌接合方法を採用する場合である。面板61の外面側から摩擦攪拌接合を行うと、周知のように接合部に凹部ができる。そこで、公知のように、接合部(面板61の端部)の外面側の面板61、突出片61cのそれぞれに凸部67、67を設けている。凸部67は面板61の端部に沿って連続してある。摩擦攪拌接合用の回転工具120は大径部121とその先端の小径部122とからなる。大径部121と小径部122との境123が面板61の外面と凸部67の頂との間の線125の位置まで挿入する。
【0061】
これによれば、摩擦攪拌接合による凹部は線125の位置にできる。このため、摩擦攪拌接合後、凸部67を切削すれば、凹部はなくなる。
【0062】
凸部67は曲面板の外面側を切削してブロック60を製作する際に曲面板の外面側を切削しないことによって作る。このため、容易に作ることができる。
【0063】
回転工具120の軸心はリブ65bの板厚の範囲内に位置する。凸部67の端部67bはリブ65bの板厚の範囲内にある。突出片61cの端部は端部67bに接するか近接した位置にある。摩擦攪拌接合の接合部には斜めの開先は設けない。
【0064】
図20の実施例はリブ側から摩擦攪拌接合するものである。ブロック60の4辺の端部62はリブ65bよりも突出している。突出片62の端部の内面側には凸部がある。突出片62の突出代は回転工具120で接合できる大きさである。
【0065】
ブロック60の面板61の外面を架台130に載せている。摩擦攪拌接合は、車体の内面側(上方側)から行う。摩擦攪拌接合は小径部122を架台130の近傍に位置させて行う。これによって、面板61の外面側は平滑に接合される。ブロック60、60の間に隙間があっても面板61の外面側には凹部が発生しないように、隙間、回転工具の挿入代等を管理する。
【0066】
接合後、車内側のリブ同士を板で接合する。
【0067】
MIG溶接の場合は、車外側の裏ビードを接合後切削する。
【0068】
図21の実施例を説明する。この実施例は、図4において、曲面部S3よりも前端側の曲面部S2である。曲面部S2は台枠100の先端部および曲面部S3の先端部に接合されている。
【0069】
図21において、曲面部S2のブロック70は車体の幅方向に隣接するブロック70に接合されている。曲面部S2の高さが低いので、ブロック70は台枠100に柱80で支持されている。柱80は台枠100に垂直に設置している。柱80はブロック90のリブ71に溶接している。柱80に接合するリブ71の面は垂直方向に突出している。個々のブロック90の製作および接合は前記の実施例のとおりである。格子状のリブは図示していない。
【0070】
垂直な柱80をリブ71の垂直な面に溶接するので、柱80の特別の加工が不要で、安価にできるものである。
【0071】
本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の各請求項に記載の文言あるいは課題を解決するための手段の項に記載の文言に限定されず、当業者がそれから容易に置き換えられる範囲にも及ぶものである。
【0072】
【発明の効果】
本発明によれば、リブを設けたブロックを架台に載せて接合するので、車両や構造体を安価に製作できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の先頭部分の斜視図である。
【図2】図1の2−2断面図である。
【図3】図1の一つのブロックの斜視図である。
【図4】図1の車体の側面図である。
【図5】図1の車体を構成するブロックの平面図である。
【図6】図1の車体の一部の平面図である。
【図7】図6の7−7断面図である。
【図8】図6の8−8断面図である。
【図9】図6の9−9断面図である。
【図10】図6のブロック60Aの斜視図である。
【図11】図6のブロック60Bの斜視図である。
【図12】図6のブロック60Cの斜視図である。
【図13】車体の製作方法を説明するフローチャートである。
【図14】ブロックの製作方法を説明するフローチャートである。
【図15】本発明の他の実施例の車体の一部の平面図である。
【図16】図15の16−16断面図である。
【図17】図15のブロックを接合した状態の平面図である。
【図18】本発明の他の実施例の車体の一部の平面図である。
【図19】本発明の他の実施例のブロックの接合部の縦断面図である。
【図20】本発明の他の実施例のブロックの接合部の縦断面図である。
【図21】本発明の他の実施例のブロックの接合部の縦断面図である。
【符号の説明】
50、50A、50B、50C:ブロック、51:面板、51b:凹部、51c:突出片、55、55b、55c、55d、55e:リブ、56b、56c、56d、56e:リブ、60A、60B:ブロック、61:面板、61b:凹部、61d:突出片、65b、65c、65d、65e:リブ、66b、66c、66d、66e:リブ、71:リブ、80:柱、90:ブロック、97リブ、100:台枠。

Claims (2)

  1. 車両の先頭車は、先端に向けて突出した3次元曲面を有しており、
    この3次元曲面を複数のブロックから構成しており、
    該ブロックは、前記3次元曲面の表面をなす面板と、該面板の外周と設けた第1のリブと、該第1のリブ内に格子状に設けた複数の第2のリブとからなり、
    前記面板の端部と隣接するブロックの面板とは溶接または摩擦撹拌接合で接合されており、
    前記ブロックの前記第1のリブと隣接するブロックの第1のリブとは結合されていること、
    を特徴とする車両
  2. 請求項1の車両において、
    前記第1のリブまたは第2のリブの所望のリブと前記車両の台枠とを柱で接続していること、
    を特徴とする車両
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