JP5227234B2

JP5227234B2 - 鉄道車両用の車体構造

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Publication number: JP5227234B2
Application number: JP2009086051A
Authority: JP
Inventors: 英之中村; 健川崎; 隆久山本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-01-05
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2029-03-31
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Description

この発明は、台枠に枕梁とそれに交差する中梁とを備えている車体構造に関する。特に、当該床下に配線や配管が敷設される車体構造に関する。

近年、鉄道車両用に、押出性、耐食性、溶接性に優れたアルミニウム合金が開発されている。それに伴い、鉄道車両では、軽量化と製作の合理化の面から、アルミニウム合金製の大型形材を有効に活用した車体が、現在主流となっている。特に、鉄道車両の床部を構成する台枠は大きな車端圧縮荷重を負担する必要があり、強度的に有利なアルミニウム合金製中空押出形材（以下、中空押出形材と称す。）で台枠を構成した車体構造が考案されている。このような車体構造としては、例えば非特許文献１に記載された車体構造が挙げられる。

車体は、側構体、妻構体、屋根構体及び台枠から構成される。このうち、台枠は、車体長手方向の両端部に備えられる端梁と、この端梁に接続するとともに、車両を繋ぐための連結器を備える中梁と、鉄道車両の走行装置である台車との結合を行うための枕梁と、座席等を備えるための床と、車体幅方向の両端部に備えられる側梁とから構成される。

そして、前述した車端圧縮荷重を負担するために、台枠の車体長手方向の両車端部に備えられた中梁と枕梁を組合せ、中梁に取り付けた連結器を介して車体に作用する大荷重を負担できる強度を備えた車体構造が採られている。

これらの車体構造例として、中空押出形材の下面板に中梁を溶接する構造が挙げられる（特許文献１参照）。また、本出願人は、複数の形材によって構成される台枠を効率的に製作可能とした台枠の製作方法を提案している（特許文献２参照）。更に、中空押出形材の下面に枕梁を接合した構造例として、上記、非特許文献１の第３０８頁に記載された車体構造が挙げられる。

従来、鉄道車両の床下には、電源系、制御系、高圧空気系等の各種の機器がひしめいた状態で取り付けられている。このような状況の下において、車体床下には、これら機器を結ぶ配線や配管が配置されているが、特に台車の周りにおいて、これら配線や配管のためのスペースを十分に確保することができない。配線や配管を纏めて通す貫通管は床下構造を簡素化するのに有効な手段である。現在は、枕梁に貫通管を設け、配線や配管をこの貫通管を通して這わせているが、枕梁の剛性と強度の低下や部品点数や製作コストの増加などへの対処まで十分には考慮されてはいない。

図１４〜図１６に、従来の車体構造の一例を示す。図１４は従来の車体構造の底面図、図１５及び図１６はそれぞれ図１４に示す車体構造のＥ−Ｅ断面図とＦ−Ｆ断面図である。この車体構造は、車体幅方向に並んだ２本の中梁７，７を有している。台枠１において、２は床、３は側梁、４は端梁、５は枕梁、６は空気ばね受、８は連結器受、９はアンチローリング装置受である。枕梁５の下面には、中心ピン受２０が備わっている。アンチローリング装置は、車体のローリング振動を抑制するための装置で、車体と台車の間に取り付けられる。台枠１の床２の下面には、車体端部と車体中央部とを結ぶ車体長手方向に延びる配線・配管１１が配置されており、配線・配管１１は、ストレートに配置し車体高さ方向に嵩張らないようにするためにも、車体幅方向に延びる枕梁５を貫通して通す必要がある。配線・配管１１は、枕梁５に別途設けられる貫通管１５を通して配置される。特に、アンチローリング装置から高い荷重を受けるアンチローリング装置受９を備える枕梁５は高い剛性と強度を必要とする。このため、枕梁５には開口部を設けない方が好ましいが、貫通管１５を通すことに起因して枕梁５の剛性と強度が低下する。貫通管１５の本数が多いほど枕梁５の剛性低下の傾向が大きく、貫通管１５の位置がアンチローリング装置受９に近いほど枕梁５の強度が低下する。また、貫通管１５の設置や枕梁５の剛性と強度の低下に伴う補強部材の設置により、部品点数が増加するとともに、床下構造が複雑になり、また床下高さが嵩張って、製作コストが上昇する。

実公昭５７−５６９２９号公報特許第３６２４５２７号公報

アルミニウム合金と車両の軽量化（平成２年、日本アルミニウム連盟発行）、第３０８頁、３２０頁ないし第３６８頁

この発明の目的は、車体床下に各種機器とそれらを結ぶ配線や配管が配置されている車体構造において、枕梁を貫通しての配線や配管の敷設処理を容易にし、部品点数や製作コストの増加等の従来の車体構造が抱える問題を解消するとともに、枕梁の剛性と強度を効率的に確保できる車体構造を提供することである。

上記の課題を解決するため、この発明による車体構造は、台枠に車体幅方向に設けられた枕梁と、前記枕梁と交差し且つ車体端部側に向かって車体長手方向に延びて設けられた中梁とを備えた鉄道車両用の車体構造において、前記中梁は、前記枕梁の車体端部側から車体中央部側に貫通して交差する交差部を有しており、前記中梁の前記交差部は、その長手方向に直交する断面内において、垂直方向上方側の車体幅方向中央部側の角部から、垂直方向下方側の車体幅方向端部側の角部に向う、ひとつの対角線に沿って延びる隔壁が一体形成された、中空の矩形断面の中空押出形材からなる角筒状形材であり、前記角筒状形材の内部に、配線や配管を通していることを特徴とする。

この発明による車体構造は、中梁が枕梁を貫通して交差する交差部を有しており、この交差部の内部スペースを利用して配線や配管を通す貫通部としているので、従来の配線・配管専用の貫通管を設ける必要が無くなるとともに、アンチローリング装置受に作用する荷重を中梁内部に対角線に沿って延びる状態で設置した隔壁で負担するので、枕梁の剛性と強度を確保するための補強部材の設置や中梁の板厚増加を不要にできる。

この発明の車体構造によれば、中梁が枕梁を貫通して交差する交差部を有しており、この交差部の内部スペースを利用して配線や配管を通す貫通部としているので、従来の配線・配管専用の貫通管を設ける必要が無くなるとともに、アンチローリング装置受に作用する荷重を中梁の長手方向垂直断面内の対角線に沿って延びる状態で設置した隔壁で負担するので、枕梁の剛性と強度を確保するために補強部材を設ける必要や中梁の板厚を増加する必要がない。したがって、枕梁を貫通しての配線や配管の敷設処理を容易にし、部品点数や製作コストの増加等の従来の車体構造が抱える問題を解消するとともに、枕梁の剛性と強度を効率的に確保できる。

この発明による車体構造の一実施形態を示す底面図である。図１に示す車体構造のＡ−Ａ断面図である。図１に示す車体構造のＢ−Ｂ断面図である。この発明によらない車体構造である台枠のＡ−Ａ断面図である。図４に示す車体構造の変形図（視Ｇ）である。図２に示す車体構造の変形図（視Ｇ）である。この発明による車体構造の別の実施形態を示すＡ−Ａ断面図である。この発明による車体構造の別の実施形態を示すＡ−Ａ断面図である。この発明による車体構造の別の実施形態を示す底面図である。図９に示す車体構造のＣ−Ｃ断面図である。図９に示す車体構造のＤ−Ｄ断面図である。この発明による車体構造の更に別の実施形態を示すＡ−Ａ断面図である。この発明による車体構造の更に別の実施形態を示すＢ−Ｂ断面図である。従来の車体構造である台枠の底面図である。図１４に示す車体構造のＥ−Ｅ断面図である。図１４に示す車体構造のＦ−Ｆ断面図である。

以下、添付した図面に基づいて、この発明による車体構造の実施形態を説明する。図１は、この発明による車体構造の一実施形態を示す底面図（車体の下面を台車側から見た図）、図２は図１に示す車体構造のＡ−Ａ断面図、図３は図１に示す車体構造のＢ−Ｂ断面図である。図１〜図３に示す車体構造は、図１４〜図１６に示した車体構造と同様に２本の中梁を有している。図１においては、長手方向の一方端部を含む部分図として車体構造を示している。

図１〜図３に示す車体構造において、台枠１は、複数の部材を平面に並べて接合して構成した床２と、床２の車体幅方向の両端部に備えられる側梁３と、床２の車体長手方向の両端部に備えられる端梁４、そして、床２の下面に設けた枕梁５及び中梁７から構成される。詳細に図示はしないが、床２は複数本の中空押出形材よりなる部材の長手方向を車体の長手方向に沿って平面に並べ、隣接する部材同士の幅方向の端部を接合することにより構成される。通常、床２は、隣接する部材の上面及び下面、即ち両面を溶接して接合される。側梁３，３は、床２の車体幅方向両端部に車体長手方向に沿って配置されている。各側梁３は中空押出形材であり、図２及び図３に示すように、床２より垂直寸法が長く構成されている。端梁４は、その長手方向を床２の車体長手方向端部に沿わせて配置されている。

枕梁５は、床２の下面の端梁４から所定距離だけ離れた車体長手方向中央部寄りに備えられている。枕梁５は、台車によって車体が支持される位置に設置されており、側梁３，３間に、車体幅方向の全長に渡って構成されている。枕梁５は、車体長手方向に所定幅を有しており、その両端部分には空気ばね受６，６が配設されている。車体重量は、床２の下面に設置された枕梁５に備えられた空気ばね受６，６の位置において、台車が備える空気ばね（図示せず）を介して台車に支持される。

端梁４と枕梁５との間には、２本の中梁７，７が車体幅中心線に対して対称配置された状態で、車体長手方向に延びる態様で設けられている。中梁７，７の車体長手方向端部位置には、隣接した車両と連結するための連結器（図示せず）が取り付けられる連結器受８が設けられている。中梁７，７の車体長手方向中央部側の端部は、枕梁５に交差して結合される。枕梁５には、空気ばね受６，６の近傍、この例では空気ばね受６，６の車体長手方向中央寄りのスペースに、車体のローリング振動を抑制するアンチローリング装置（図示せず。）を固定するためのアンチローリング装置受９，９が設けられている。連結器を介して作用する車端圧縮荷重は、連結器受８を保持する中梁７，７を経て床２と、中梁７，７に結合される枕梁５へと伝達される。

本実施形態では、中梁７は枕梁５を貫通して交差しており、中梁７と枕梁５との交差部が貫通部１０となっている。図２に示されるように、この貫通部１０の位置における中梁７は、長手方向に直交する断面で見て対角線に沿って延びる隔壁１３を一体物として内部に有する中空の矩形断面の中空押出形材で構成されている。隔壁１３は、中梁７の床２側の車体幅方向中央部側の角部７ａから床２と反対側の車体幅方向端部側の角部７ｂに向かって対角線状に設置されている。つまり、中梁７の枕梁５との交差部である貫通部１０の内部空間は、枕梁５の車体長手方向端部側と車体長手方向中央部側とを連通する空間を構成している。そして、分断された複数の枕梁５とこれら中梁７，７とを接合することによって、車体幅方向全長に渡って枕梁が形成されている。この構造によって、車体長手方向に引き通される配線・配管１１は、貫通部１０の部分を含めて中梁７の中空となった内部スペースを利用して車体長手方向に這わされている。貫通部１０の車体長手方向中央部側は、開口端１２として開いている。

枕梁５と中梁７は、それらの上面が床２の下面に接合されており、中梁７の床２側の角部７ａ，７ａ’は床２の中空押出形材の面板２ａとリブ２ｂの交点近傍に接合されている。そして、枕梁５と中梁７の両方の下面に跨って中心ピン受２０を備えるために、枕梁５の厚さ寸法（車体高さ方向の寸法）と中梁７の厚さ寸法（車体高さ方向の寸法）を揃えて平面を構成している。ここで示される中梁７を枕梁５に貫通させた構成は、中梁７の長手方向垂直断面形状と本数に拠らず、ほぼ同じ厚さ寸法の中梁７と枕梁５とを接合することによって、車体幅方向の全長に渡って、中梁７と枕梁５との双方に跨る連続面を有する枕梁を成す。また、この例では、貫通部１０の位置を除いた中梁７は貫通部１０の位置における中梁７をそのまま延長して一方の側面と隔壁１３を取り除いたコ型断面であるが、コ型断面、一部に開口を有する中空断面、Ｉ型断面等の別部材を貫通部１０の位置における中梁７に接合しても良い。更に、中梁７の厚さ寸法（車体高さ方向の寸法）が枕梁５の厚さ寸法（車体高さ方向の寸法）より小さい場合であっても、中梁７と枕梁５の交差部を上述した構成とすることにより、配線・配管１１が中梁７の内部に通される貫通部とすることができる。

かかる構成においては、枕梁５に配線・配管専用の貫通管を備える必要がないため、部品点数や製作コストを低減することができる。また、貫通部１０の位置における中梁７の内部に対角線に沿って延びる状態で設置した隔壁１３がアンチローリング装置受９に作用する荷重を負担するので、枕梁５の剛性と強度を確保するための補強部材の設置や中梁７の板厚増加を不要にでき、枕梁５の剛性と強度を効率的に確保できる。この原理は、以下のように説明できる。

図４に貫通部１０の位置における中梁７の内部に隔壁１３が設置されない場合の図１に示す車体構造におけるＡ−Ａ断面図を示し、図５に図４に示す車体構造にアンチローリング装置からの荷重１４が作用した場合の変形図（図１中の視Ｇ）を示す。中梁７の床２側の角部７ａ’，７ａ’が床２の中空押出形材の面板２ａとリブ２ｂの交点近傍に接合されている。車体のローリング振動が発生した際、この振動を抑制するために、一方のアンチローリング装置受９には上方向、他方のアンチローリング装置受９には下方向の荷重が作用する。即ち、床２、枕梁５、貫通部１０の位置における中梁７には厚さ方向（車体高さ方向）のせん断荷重が作用する。その際、車体長手方向に連続した空洞を有している貫通部１０の位置における中梁７は、せん断荷重を十分に支持することができず大きくせん断変形し、その周辺の枕梁５は強度的に厳しい状態になる。これを防止するためには、補強部材の設置や貫通部１０の位置における中梁７の板厚増加が必要となり、部品点数や製作コストの増加に繋がる。一方、図６に、図２に示す車体構造にアンチローリング装置からの荷重１４が作用した場合の変形図（視Ｇ）を示す。厚さ方向（車体高さ方向）のせん断荷重に対する主応力方向である４５度に近い角度で配置された隔壁１３が、貫通部１０の位置における中梁７のせん断変形を効率的に抑制する。また、アンチローリング装置受９の近傍と床２の中空押出形材の面板２ａとリブ２ｂの交点近傍を隔壁１３で結合しているので、アンチローリング装置からの荷重１４をスムーズに床２に伝達できる。即ち、枕梁５の剛性と強度を効率的に確保できる。

また、図３に示すように、枕梁５の車体長手方向端部側の近傍位置における中梁７はコ型断面であり、中梁７に沿って這わされている配線・配管１１は、コ型断面の開放面から引き入れられ、貫通部１０の位置における中梁７の内部を貫通し、貫通部１０の車体長手方向中央部側の開口端１２（図１参照）から台枠１の車体長手方向中央部側へと延びて設けられる。即ち、これらの配線・配管１１は、貫通部１０の位置における中梁７の内部を通って、枕梁５の車体長手方向端部側から車体長手方向中央部側まで延びるように這わされている。

図７及び図８は、この発明による車体構造の別の実施形態を示す図であって、図１に示す車体構造のＡ−Ａ断面図である。図７に示す実施例は貫通部１０の位置における中梁７の隔壁１３が図２に示す実施例と反対の対角線に沿って延びる状態で設置されており、図８に示す実施例は貫通部１０の位置における中梁７の隔壁１３が両方の対角線に沿って延びる状態で同時に設置されている。いずれも、図２に示す実施例と同様の効果を有するものである。

また、図９〜図１１に示す車体構造は、車体幅方向の中央に１本の中梁を有する実施形態である。図９は車体幅方向の中央に１本の中梁を有する車体構造の底面図、図１０及び図１１はそれぞれ図９に示す車体構造のＣ−Ｃ断面図とＤ−Ｄ断面図である。図９〜図１１に示す車体構造は、中梁とそれに関する枕梁の構造以外の他の車体構造については図１〜図３に示した車体構造と変わるところはないので、図１〜図３に示した車体構造と同様の構成要素に関しての詳細な説明を省略する。

図９〜図１１に示す台枠１は、１本の中梁７が枕梁５と車体幅方向中央部位置で交差している。中梁７は枕梁５を貫通して延びており、中梁７と枕梁５との交差部は貫通部１０となっている。この貫通部１０の位置における中梁７は、長手方向に直交する断面で見て対角線に沿って角部７ａと角部７ｂに渡って延びる隔壁１３を一体物として内部に有する中空の矩形断面の中空押出形材で構成されている。つまり、中梁７の枕梁５との交差部である貫通部１０の内部空間は、枕梁５の車体長手方向端部側と車体長手方向中央部側とを連通する空間を構成している。中梁７は、貫通部１０の位置で枕梁５に溶接で結合されている。車体長手方向に引き通される配線・配管１１は、貫通部１０の部分を含めて中梁７の中空となった内部スペースを利用して這わされている。枕梁５と中梁７は、それらの上面が床２の下面に接合されており、中梁７の床２側の角部７ａ，７ａ’は床２の中空押出形材の面板２ａとリブ２ｂの交点近傍に接合されている。

図１１に示すように、枕梁５の車体長手方向端部側の近傍位置における中梁７にはその両側面に開口部が形成されており、中梁７の外側に這わされている配線・配管１１は、開口部を通じて貫通部１０の位置における中梁７の内部を貫通し、貫通部１０の車体長手方向中央部側の開口端１２（図９参照）から台枠１の車体長手方向中央部側へと延びて設けられる。即ち、これらの配線・配管１１は、貫通部１０の位置における中梁７の内部を通って、枕梁５の車体長手方向端部側から車体長手方向中央部側まで延びるように這わされている。なお、図９〜図１１に示す実施形態においては、隔壁１３は一方の対角線に沿ってのみ設けられているが、先の実施形態において図７又は図８に示したように、他方の対角線に沿って延びる状態で設けても、或いは両方の対角線に沿って延びる状態で設けてもよいことは明らかである。

図１２及び図１３は、この発明による車体構造の更に別の実施形態を示す図であって、図１のＡ−Ａ断面図およびＢ−Ｂ断面図である。図１２及び図１３に示される台枠１は、中梁７及び枕梁５の上面が床２の面板２ｃまで持ち上げられており、鉄道車両の床部が中梁７、枕梁５及び床２から構成されている。この構成以外のその他の車体構造については、図１から図３に示した車体構造と変わるところはないので、図１から図３に示した車体構造と同様の構成要素に関しての詳細な説明を省略する。

中梁７の床２側の車体幅方向中央部側の角部７ａ，７ａ’と床２の面板２ｃとは溶接によって接合されており、床部が形成されている。また、枕梁５の上面も、その車体長手方向端部において、床２の面板２ｃと溶接によって接合されており、床部が形成されている。これにより、図１２に示すように、中梁７の交差部の長手方向に垂直な断面全体を貫通部１０とし、配線・配管１１をその内部に配設している。

また、図１３に示すように、枕梁５の車体長手方向端部側の近傍位置における中梁７はコ型断面である。そして、中梁７に沿って這わされている配線・配管１１は、枕梁５の近傍において、中梁７のコ型断面の開放面と床２との隙間７ｃから中梁７の内部に引き入れられ、貫通部１０の位置における中梁７の内部を貫通し、貫通部１０の車体長手方向中央部側の開口端１２（図１参照）から台枠１の車体長手方向中央部側へと延びて設けられる。即ち、これらの配線・配管１１は、貫通部１０の位置における中梁７の内部を通って、枕梁５の車体長手方向端部側から車体長手方向中央部側まで延びるように這わされている。

かかる構成においては、枕梁５に配線・配管専用の貫通管を備える必要がないため、部品点数や製作コストを低減することができる。また、貫通部１０の位置における中梁７の内部に対角線に沿って延びる状態で設置した隔壁１３がアンチローリング装置受９に作用する荷重を負担するので、枕梁５の剛性と強度を確保するための補強部材の設置や中梁７の板厚増加を不要にでき、枕梁５の剛性と強度を効率的に確保できる。さらに、台枠１の厚みを小さくできる利点がある。また、台枠１の厚みが図１に示した車体構造と同じであれば、貫通部１０の位置における中梁７の空間を台枠２の厚みに相当する分広くすることができ、貫通部１０の位置における中梁７の内部を通す配線・配管１１の量を増やすことができる。

プラットホームの高さが低い場合には、車両側においても床高さが低くなる。床高さが低い車両においては、枕梁の厚さ寸法（車体高さ方向の寸法）を大きくとることができない傾向がある。枕梁のみに車体長手方向に延びる貫通管を設けるだけでは、十分な数の配線や配管を通すことができないが、この発明によれば、十分な断面広さを有する中梁を通して配線や配管を這わせることができる。また、貫通管と中梁の貫通部を併用することにより、より多くの配線や配管を這わせることもできる。

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。

１台枠２床
２ａ，２ｃ面板２ｂリブ
３，３側梁４端梁
５枕梁６，６空気ばね受
７，７中梁７ａ，７ａ’，７ｂ，７ｂ’ 角部
７ｃ隙間８連結器受
９，９アンチローリング装置受１０，１０貫通部
１１配線・配管１２，１２開口端
１３隔壁１４荷重
１５貫通管２０中心ピン受

Claims

台枠に車体幅方向に設けられた枕梁と、前記枕梁と交差し且つ車体端部側に向かって車体長手方向に延びて設けられた中梁とを備えた鉄道車両用の車体構造において、
前記中梁は、前記枕梁の車体端部側から車体中央部側に貫通して交差する交差部を有しており、
前記中梁の前記交差部は、その長手方向に直交する断面内において、垂直方向上方側の車体幅方向中央部側の角部から、垂直方向下方側の車体幅方向端部側の角部に向う、ひとつの対角線に沿って延びる隔壁が一体形成された、中空の矩形断面の中空押出形材からなる角筒状形材であり、
前記角筒状形材の内部に、配線や配管を通していること、
を特徴とする鉄道車両用の車体構造。
請求項１に記載された鉄道車両用の車体構造において、
前記交差部をなす前記中梁および前記枕梁の垂直方向の寸法は揃えてあり、
前記枕梁および前記中梁の垂直方向下面側に、前記枕梁と前記中梁とに跨って中心ピン受が備えられていること、
を特徴とする鉄道車両用の車体構造。
請求項２に記載された鉄道車両用の車体構造において、
垂直方向下方側の車体幅方向端部側の前記角部の近傍であって、前記中梁の前記車体中央部の側に、車体のローリング振動を抑制するアンチローリング装置受が備えられていること、
を特徴とする鉄道車両用の車体構造。