JP4051352B2 - 中空押出形材 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両や建築物などに使用される中空押出形材に関し、特に接合部の剛性を高めた構造の中空押出形材およびその中空押出形材を使用して構成した鉄道車両構体に関する。

鉄道車両では、高速化の要請が大きく車体の軽量化が求められている一方で、例えばトンネルの出入りや対向車とのすれ違い時に車体室内と外との圧力差によって生じる荷重に耐え得る強度を必要とする。鉄道車両を構成する構体には、アルミなどの軽合金材料を押し出し成形した中空押出形材が使用されている。鉄道車両の構体を構成する中空押出形材は、数百ｍｍ幅で車体長手方向に長いパネルであり、それらが幅方向に溶接して構体が構成されている。従って、中空押出形材で構成された高速鉄道車両の車体強度を確保するには、接合部分について剛性を高めることが重要である。

ここで、図９は、下記特許文献１に記載された中空押出形材の接合部構造を示した図である。中空押出形材１０１，１０２は、それぞれ２枚の平行な板材からなる第１及び第２の上面板１１１及び下面板１１２に対し、斜面板１１３，１１３…がそれぞれ斜め方向にトラス状に配置され、端部１２１，１２２には両板材に直交する側面板１１５，１１５が設けられている。そして、端部１２１，１２２には嵌まり合うように形成された突出部１２３，１２４が図示するように平行に重ねられている。そして、ここでは端部１２１，１２２の突き当て部分が回転工具２００を使用した摩擦撹拌溶接によって上面面板１１１及び下面板１１２がともに接続されている。
特開平１０−３２８８５６号公報（第５頁、図２）

しかしながら、従来の中空押出形材では、その接合端部の構造によって剛性が低いという問題があった。すなわち、高速鉄道車両がトンネルの出入りや対向車とのすれ違いの際の圧力変動によって車体室内と外とで高い圧力差を生じると、中空押出形材１０１，１０２を繋ぎ合わせた接合部にせん断荷重を受ける。これに対して中空押出形材１０１，１０２は全体が斜面板１１３，１１３…によってトラス状になっているため、せん断力に対して高い剛性をもっているが、接合部分は上面板１１１及び下面板１１２に直交する平行な側面板１１５，１１５によって支えられているため、そのせん断力に弱い構造になってしまっている。その一方で、側面板１１５，１１５の間に斜面板を入れることはできないため、こうした接合部の形状であって剛性を高くすることが要求されている。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、接合部の剛性を高くした中空押出形材及び、その中空押出形材を使用した鉄道車両構体を提供することを目的とする。

本発明の中空押出形材は、押出方向断面がトラス状になるように上面板と下面板との間に複数の斜面板が連結され、前記複数の斜面板が並べられた方向の両端部に前記上面板と下面板とにほぼ直交する側面板が設けられ、前記側面板と略Ｌ字形状断面をなすように前記上面板及び下面板の延長方向に突き出して、前記各面板よりも厚肉の接合部が形成されたものであって、前記側面板の隣りに設けられた前記斜面板は、その中心線を延長した線と前記上面板の上面又は前記下面板の下面との交点が、前記側面板の上下延長線上よりも前記接合部側にあることを特徴とする。

また、本発明の鉄道車両構体は、押出方向断面がトラス状になるように上面板と下面板との間に複数の斜面板が連結され、前記複数の斜面板が並べられた方向の両端部に前記上面板と下面板とにほぼ直交する側面板が設けられ、前記側面板と略Ｌ字形状断面をなすように前記上面板及び下面板の延長方向に突き出して、前記各面板よりも厚肉の接合部が形成された中空押出形材を、その接合部同士突き合わせて溶接接合して構成したものであって、前記中空押出形材は、前記側面板の隣りに設けられた前記斜面板の中心線を延長した線と、前記上面板の上面又は前記下面板の下面との交点が、前記側面板の上下延長線上よりも前記接合部側にあることを特徴とする。

よって、本発明の中空押出形材によれば、側面板の隣りに設けられた斜面板の中心線を延長した線と、上面板の上面又は下面板の下面との交点が側面板の上下延長線上よりも接合部側にあるようにしたので、例えば、その中空押出形材を利用して構成した鉄道車両構体では、走行中にかかる力に対し、接合部分の側面板に作用する応力を小さくすることができ、接合部分全体の剛性を高めることになった。

次に、本発明に係る中空押出形材の一実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態の中空押出形材について押出し方向端面を示した図である。
この中空押出形材１は、従来のものと同様に２枚の平行な上面板１１と下面板１２との間に、複数の斜面板１３，１３…が交互に傾きを変えて張り渡されたトラス状のパネルである。そして、図面左右の両端部には上面板１１と下面板１２とに直交する側面板１４，１４が設けられ、上面板１１及び下面板１２の両端延長上には、その側面板１４，１４から突き出した厚肉の接合部１５，１５が形成されている。特に、本実施形態の中空押出形材１は、鉄道車両の構体を構成するように数百ｍｍ幅で車体長手方向に長いパネルであって、それが図面左右の幅方向に溶接接合されている。

中空押出形材１，１同士を接合する場合、中空押出形材１，１が横に並べられ、図２に示すように接合部１５，１５の先端が突き当てられる。そして、接合部１５，１５の突き当て部分Ｔが摩擦撹拌溶接によって接合される。接合部１５は、側面板１４より内側の上面板１１や下面板１２よりも厚肉で形成されているが、それは摩擦撹拌溶接を行う際に回転工具５０の荷重がかかるため、その荷重に耐え得る剛性が必要だからである。摩擦撹拌溶接で上面板１１，１１同士を接合する場合には、接合部１５，１５の突き当て部分Ｔに回転工具５０の回転する回転軸が押し付けられ、そのまま回転工具５０が長手方向（図面を貫く方向）に沿って移動する。このとき、接合部１５，１５同士の突き当て部分Ｔが発熱および軟化し、塑性流動を引き起こして固相接合することになる。反対側の下面板１２，１２側においても、接合部１５，１５先端の突き当て部分Ｔが同じように摩擦撹拌溶接される。

次に、こうして接合された本実施形態の中空押出形材１について、その接合部の剛性を従来型の中空押出形材による接合部の剛性と比較して説明する。図３は、本実施形態の中空押出形材や従来型の中空押出形材などの接合部構造を比較して示したものである。このうち図３（ａ）は、従来型の中空押出形材１ｍの接合部分を示し、図３（ｃ）には、本実施形態の中空押出形材１の接合部分を示している。そして、図３（ｂ）は、従来型のものから本実施形態のものに移行する中間段階の中空押出形材１ｎの接合部分を示している。
いずれの中空押出形材１，１ｍ，１ｎも同じ形をしたものである。そこで、同じ構成部材は同じ番号を付け、図３（ａ）（ｂ）のものには末尾にｍ，ｎを付して区別することとする。そして、全てに共通する構成の説明については、中空押出形材１ｍ，１ｎの構成部材の符号を省略するが、適宜末尾にｍ，ｎを付したものの説明とする。

中空押出形材１，１ｍ，１ｎによる接合部分は、図示するようにいずれも同じ形をして
いる。すなわち、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、接合部１５，１５によって上面板１１，１１と下面板１２，１２とがそれぞれ面一になるように連結され、突き当て部分Ｔ（図２参照）に重なる接合線Ｌを挟んだ対称的な位置に、側面板１４，１４が平行に配置されている。そして、側面板１４，１４の隣りに設けられた斜面板１３，１３は左右対称に下面板１２，１２側に傾いて連結されている。そして、比較する中空押出形材１，１ｍ，１ｎは、各部材の肉厚や上面板１１と下面板１２との間隔なども同一寸法で形成されている。

しかし、ほぼ同一形状で形成された中空押出形材１，１ｍ，１ｎであるが、本実施形態の中空押出形材１は、その接合部分の剛性を高めるため、次の点で従来型の中空押出形材１ｍと異なっている。すなわち、側面板１４の隣りに位置する斜面板１３の取り付け方が、図３（ａ）（ｂ）に示す中空押出形材１ｍ，１ｎの斜面板１３ｍ，１３ｎと異なっている。
そこで、その違いついて、斜面板１３の中心線２１が下面板１２の下面に突き当たった作用点２３の位置と、側面板１４の外側面（基準線）２２との関係で比較する。すなわち、作用点２３が、左右の側面板１４，１４と上下の接合部１５，１５によって形成される四角形部４０の内にあるか外にあるかを確認する。

先ず、従来型の図３（ａ）に示す中空押出形材１ｍでは、中心線２１ｍが基準線２２ｍとが交わっていない。すなわち、作用点２３ｍ，２３ｍは、その距離Ｂｍが基準線２２ｍ，２２ｍの間隔より広く、四角形部４０ｍの外側に位置している。
次に、この従来型と本実施形態との中間例として示した図３（ｃ）の中空押出形材１ｎでは、中心線２１ｎと基準線２２ｎが下面板１２ｎの下面で丁度重なっている。そのため、作用点２３ｎ，２３ｎは、その距離Ｂｎが基準線２２ｎ，２２ｎの間隔に一致し、四角形部４０ｎ上に位置している。
そして、本実施形態の中空押出形材１では、中心線２１と基準線２２とが交わっている。そのため、作用点２３，２３は、その距離Ｂが基準線２２，２２の間隔よりも狭く、四角形部４０の内側に位置している。
なお、図３（ａ）の中空押出形材１ｍの距離Ｂｍは２２ｍｍ、図３（ｂ）の中空押出形材１ｎの距離Ｂｎは１６ｍｍ、そして図３（ｃ）の中空押出形材１の距離Ｂが１０ｍｍであった。

こうした作用点２３，２３の位置の違いは、斜面板１３と上面板１１とのなす角度が異なっているからであり、図３（ｂ）の中空押出形材１ｎの当該角度が図３（ａ）の中空押出形材１ｍよりも小さく、更に図３（ｃ）の中空押出形材１の当該角度が図３（ｂ）の中空押出形材１ｎよりも小さく形成されているからである。
そして、こうした違いにより、図３（ａ）の中空押出形材１ｍでは、斜面板１３ｍが下面板１２ｍ側に連結されているのに対し、図３（ｃ）の中空押出形材１では、斜面板１３の下面板１２側連結部分は側面板１４側にせり上がるようにした位置で連結されている。

次に、図４は、中空押出形材１による接合部分の剛性実験について示した図である。なお、図示しないが中空押出形材１ｍ，１ｎについても同じ剛性実験を行っている。この剛性実験では、中空押出形材１，１を一つの斜面板１３，１３で切断して接合部分だけを抽出し、それにブロック３１，３２を両端に固定した接合試験形材３０（中空押出形材１ｍ，１ｎで形成したものを接合試験形材３０ｍ，３０ｎとする。）を使用した。そして、一方のブロック３１を剛性壁に固定して接合試験形材３０を水平にし、他方のブロック３２側に垂直荷重Ｗを与え、その垂直荷重Ｗによって接合試験形材３０の評価位置Ｓがどれだけ垂直方向に変位したかを測定した。

図５は、その剛性実験による実験結果を示した図である。つまり、垂直荷重Ｗによって
変形した接合試験形材３０，３０ｍ，３０ｎを重ねて示したものであり、分かりやすいように実際の変形量を１００倍にして示している。
この実験結果から接合試験形材３０，３０ｍ，３０ｎの変位量が異なっていることが分かる。そして、それぞれ評価位置Ｓの垂直方向変位は、従来型の接合試験形材３０ｍが０．２２７ｍｍ、中間例の接合試験形材３０ｎが０．１５８ｍｍであり、本実施形態の接合試験形材３０が０．１０２ｍｍと、最も値が小さかった。

同じ垂直荷重Ｗが作用した場合に、接合試験形材３０，３０ｍ，３０ｎの間で評価位置Ｓの垂直方向変位がこれだけ違ったのは、トラス状になっていない四角形部４０の変形量の違いによると考えられる。そこで、四角形部４０の剛性について以下に考察する。
先ず、中空押出形材１，１などを接合した場合の側面板１４，１４の間隔は、設計上一定の間隔が必要であるので自由に変更させることができ。そのため、中空押出形材１，１ｍ，１ｎの接合部分は、側面板１４，１４の間隔がどれも等しく形成されている。従って、接合試験形材３０などの四角形部４０，４０ｍ，４０ｎの形状及び寸法は同一に形成されている。

次に、垂直方向変位量の違いを接合試験形材３０，３０ｍ，３０ｎの変形形状について比較すると、接合試験形材３０の側面板１４に対して接合試験形材３０ｍ，３０ｎの側面板１４ｍ，１４ｎの変形が大きいことが分かる。
そこで、垂直荷重Ｗがかかって変形しているときの接合試験形材３０，３０ｍ，３０ｎに生じる応力を検証した。図６乃至図８は、接合試験形材３０ｍ，３０ｎ，３０の応力分布をそれぞれ順番に示した図である。それぞれの図面においては、色が濃くなるに従って相対的に応力が高くなっていることを示している。

図６乃至図８に示されているように、接合試験形材３０，３０ｍ，３０ｎに垂直荷重Ｗがかかった場合、色の濃さから側面板１４，１４ｍ，１４ｎに高い応力がかかっていることが分かる。特に上面板１１と下面板１２との連結部付近の応力が高くなっている。そこで側面板１４，１４ｍ，１４ｎの下面板１２との連結部付近Ｐ，Ｐｍ，Ｐｎの応力を測定した。すると、左右の側面板１４，１４ｍ，１４ｎで多少異なるが、その最大応力は、図６に示す従来の接合試験形材３０ｍが７７．６ＭＰａあったのに対し、図７に示す中間例の接合試験形材３０ｎでは５５．５ＭＰａで、図８に示す本実施形態の接合試験形材３０
は僅かに３８．６ＭＰａであった。

ここで、接合試験形材３０，３０ｍ，３０ｎに垂直荷重Ｗを作用させた場合の力の加わり方について考える。接合試験形材３０（接合試験形材３０ｍ，３０ｎについても同じ）のブロック３２に垂直荷重Ｗが作用すると、上面板１１や下面板１２にはせん断力が作用し、斜面板１３には圧縮力が作用する。こうした力によって左右の側面板１４，１４と上下の接合部１５，１５によって形成される長方形断面の四角形部４０にモーメントが作用して変形が加えられる。

四角形部４０，４０ｍ，４０ｎにモーメントが作用する場合、厚肉で形成された接合部１５は剛性が高いため、図５からも分かるようにほとんど変形していない。それに比べて側面板１４，１４は薄肉であり、モーメントの影響を大きく受けて変形している。そして、その変形量は側面板１４，１４にかかる応力に比例し、連結部付近Ｐｍ，Ｐｍに最も大きな応力が作用した接合試験形材３０ｍについて側面板１４ｍ，１４ｍの変形が最も大きく、それに対して連結部付近Ｐ，Ｐの応力が最も小さかった接合試験形材３０が、側面板１４，１４の変形量も最も小さかった。

つまり、本実施形態の中空押出形材１による接合試験形材３０の変形が小さかった、強いては剛性が高かったのは、四角形部４０の変形が小さかったからであり、すなわち側面
板１４，１４へ作用する応力が小さいからであると考えられる。
そして、そのための構成として、本実施形態の中空押出形材１では、側面板１４に隣接する斜面板１３の連結部の位置に特徴を有し、図３に示す作用点２３が基準線２２の内側、すなわち四角形部４０内に位置するように形成されている。

接合試験形材３０ｍの場合、斜面板１３ｍを圧縮させる圧縮力の反力が作用点２３ｍに作用する。そして、下面板１２ｍに斜面板１３ｍや側面板１４ｍが溶接された剛結された結合部分を介して側面板１４ｍにモーメントが作用し、その側面板１４ｍに応力が作用することになる。
また、接合試験形材３０ｎの場合は、斜面板１３ｎを圧縮させる圧縮力の反力が作用点２３ｎに作用する。そして、下面板１２ｎに斜面板１３ｎや側面板１４ｎが溶接された剛結された結合部分を介して側面板１４ｎにモーメントが作用し、その側面板１４ｎに応力が作用することになる。

その一方、接合試験形材３０の場合は、斜面板１３を圧縮させる圧縮力の反力が作用点２３に作用する。ここで、図６〜図８に示した接合部１５，１５ｍ，１５ｎに加わる応力状態を比べると、接合試験形材３０ｍではかかる応力が小さいのに対し、作用点２３の位置が基準線２２を越えるに従い、接合試験形材３０ｎから接合試験形材３０にかけて次第に応力が大きくなった。従って、作用点２３に作用する力は、その作用点２３を接合部１５上にもっていくことで、接合部１５にかかる応力を大きくする一方で、側面板１４を変形させるモーメントを小さくしていた。

よって、本実施形態の中空押出形材１によれば、作用点２３が基準線２２を越えて接合部１５に位置するように、側面板１４に隣接する斜面板１３を形成したので、中空押出形材１，１同士を接合した接合部分である四角形部４０、特に側面板１４，１４の変形量を小さくすることができた。つまり、本実施形態の中空押出形材１は、その中空押出形材１，１同士を接合した接合部分の剛性を高くすることができた。
また、こうした接合部分の剛性を高めた中空押出形材１を利用して車両構体を構成することで、高速鉄道車両の車体強度を確保することができた。そして、従来から大きく設計変更することなく低コストで車体強度を高めることができた。

以上、本発明に係る中空押出形材の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
前記中空押出形材１では、斜面板１３が側面板１４側において下面板１２に連結された状態の接合部分を示したが、上下を逆にして斜面板１３が側面板１４側において上面板１１に連結されたものであってもよい。

中空押出形材の一実施形態について押出し方向端面を示した図である。 中空押出形材同士の接合について示した図である。 中空押出形材の接合部構造を比較して示したものであり、図（ａ）は従来型、図（ｂ）は中間、図（ｃ）は本実施形態のそれぞれ中空押出形材の接合部分を示した図である。 中空押出形材による接合部分の剛性実験について示した図である。 剛性実験による実験結果を、垂直荷重による接合試験形材の変形形状を比較した図であり、分かりやすいように実際の変形を１００倍にしたものである。 従来型の中空押出形材による接合試験形材の応力分布を示した図である。 中間の中空押出形材による接合試験形材の応力分布を示した図である。 本実施形態の中空押出形材による接合試験形材の応力分布を示した図である。 従来の中空押出形材の接合部構造を示した図である。

符号の説明

１ 中押出形材
１１ 上面板
１２ 下面板
１３ 斜面板
１４ 側面板
１５ 接合部
２１ 斜面板の中心線
２２ 側面板の外側面（基準線）
２３ 作用点
３０ 接合試験形材
４０ 四角形部

Claims (2)

1. 押出方向断面がトラス状になるように上面板と下面板との間に複数の斜面板が連結され、前記複数の斜面板が並べられた方向の両端部に前記上面板と下面板とにほぼ直交する側面板が設けられ、前記側面板と略Ｌ字形状断面をなすように前記上面板及び下面板の延長方向に突き出して、前記各面板よりも厚肉の接合部が形成された中空押出形材において、
   前記側面板の隣りに設けられた前記斜面板は、その中心線を延長した線と前記上面板の上面又は前記下面板の下面との交点が、前記側面板の上下延長線上よりも前記接合部側にあることを特徴とする中空押出形材。
2. 押出方向断面がトラス状になるように上面板と下面板との間に複数の斜面板が連結され、前記複数の斜面板が並べられた方向の両端部に前記上面板と下面板とにほぼ直交する側面板が設けられ、前記側面板と略Ｌ字形状断面をなすように前記上面板及び下面板の延長方向に突き出して、前記各面板よりも厚肉の接合部が形成された中空押出形材を、その接合部同士突き合わせて溶接接合して構成した鉄道車両構体において、
   前記中空押出形材は、前記側面板の隣りに設けられた前記斜面板の中心線を延長した線と、前記上面板の上面又は前記下面板の下面との交点が、前記側面板の上下延長線上よりも前記接合部側にあることを特徴とする鉄道車両構体。