JP5302973B2

JP5302973B2 - 鉄道車両構体及びその製造方法

Info

Publication number: JP5302973B2
Application number: JP2010537066A
Authority: JP
Inventors: 友則梅林; 文秀稲村; 江杉浦
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: CN103465919B; US20120042805A1; EP2415649A1; TW201040055A; CN102099236B; US8424462B2; CN103465919A; WO2010116677A1; HK1154369A1; TWI395683B; HK1190370A1; JPWO2010116677A1; CN102099236A; EP2415649A4

Description

本発明は、側外板及び骨部材を有する側構体を備えた鉄道車両構体及びその製造方法に関するものである。

従来、鉄道車両構体としてステンレス鋼を用いたものが知られている。ステンレス鋼からなる構体は、腐食がないために塗装が不要となり且つメンテナンスが容易となるなどの多くの利点を有する。図１３（ａ）は従来の鉄道車両の側構体を室内側からみた正面図、図１３（ｂ）はそのXIIIb−XIIIb線断面図である。図１３（ａ）（ｂ）に示すように、側構体１０１は、側外板１０２と、戸袋部にて側外板１０２の内面に溶接された縦骨部材１０３と、窓開口の下方にて側外板１０２の内面に溶接された横骨部材１０４とを備えている。ところで、特許文献１及び２には、外板に骨部材をレーザ溶接により接合した鉄道車両構体が提案されている。これによれば、外板の表側の仕上げ面に現れる溶接痕が目立たなくなるので、鉄道車両構体の外観の向上を図ることができる。

図１４は従来の鉄道車両の各部材がレーザ溶接を用いて接合された構体を示す斜視図である。図１５は図１４に示す側構体を室内側から見た正面図である。図１６（ａ）は図１５に示す側構体の窓開口の近傍を示す要部拡大図、図１６（ｂ）はそのXVIb−XVIb線断面図である。図１４に示すように、構体１１１は、屋根構体１１２、側構体１１３、妻構体（図示せず）及び台枠１１４を備える。図１５及び１６に示すように、側構体１１３は、窓開口１１７ａが形成された側外板１１７に横骨部材１１８を室内側からレーザ溶接して接合し、さらに横骨部材１１８に縦骨部材１１９を室内側からレーザ溶接して接合することで形成されている。

窓開口１１７ａを画定する周縁部のコーナ部分は高応力が発生するので、補強板１１５が設けられる。この補強板１１５は、コーナ部分に対応した略Ｌ字形状であり、側外板１１７に対してスポット溶接により接合される。ここで、補強板１１５をスポット溶接により接合する理由は、レーザ溶接装置の構造上の制約から、補強箇所への補強板１１５の取り付けをレーザ溶接によっては行うことができないからである。例えば、図１６に示した例では、補強板１１５はスポット溶接を１０箇所行うことで側外板１１７に接合されている。

特開２００７−１１２３４４号公報特開２００７−１３７２６３号公報特開平５−２１３１８９号公報特開平６−２６３０２９号公報特開平７−８１５５６号公報特許第３２１９２７８号公報

しかしながら、窓枠１１６を側外板１１７の窓開口１１７ａの周縁部にレーザ溶接した後、コーナ部分の補強のために補強板１１５をスポット溶接する方法では、スポット溶接の溶接痕が残ってしまう。つまり、レーザ溶接を用いて鉄道車両構体を製造すれば外観を向上させることができるにも拘らず、補強板を取り付けることで外観を低下させるという問題がある。また、スポット溶接による熱歪みの影響により構体の寸法に誤差が生じ、製作精度が低下するという問題もある。さらに、レーザ溶接を行うことにより、構体にはレーザ照射で融解した母材の連続した起伏であるレーザ溶接ビードが生じるが、補強板１１５は室内側に取り付けられるので、側外板１１７と窓枠１１６とのレーザ溶接ビードをグラインダーにて除去しなければならず、工程が増加するという問題もある。

ところで、特許文献３乃至６には、鉄道車両の外板や骨部材に炭素繊維強化樹脂を用いる技術が提案されている。これによれば、車両構体の大幅な軽量化を図るとともに、組立も高効率に行なうことができるとしている。しかしながら、これら文献に記載された技術は、鉄道車両構体の主要部を炭素繊維強化樹脂で構成しているため、構体に占める炭素繊維強化樹脂の使用割合が高い。炭素繊維強化樹脂は金属と違ってリサイクルが難しいため、構体の主要部を炭素繊維強化樹脂で構成すると、リサイクル性が悪くなるという問題がある。よって、リサイクル性を考慮するのであれば、ステンレス鋼などの金属を用いて構体を形成しているのが現状である。

そこで本発明は、鉄道車両構体において、外観、製作精度及び製造効率を向上させながら、リサイクル性も良好に保つことができるようにすることを目的としている。

本発明の鉄道車両構体は、開口が形成された金属製の側外板と、前記側外板の内面に接合されて車両前後方向に延びる金属製の複数の横骨部材と、前記横骨部材の上に接合されて車両上下方向に延びる金属製の複数の縦骨部材と、前記側外板の内面側であって前記開口を画定する周縁部のコーナ部分又は前記横骨部材間の一部分を含む所定部分に接合された繊維強化樹脂部材と、を備え、前記縦骨部材は、前記側外板の室内側の法線方向から見て、前記繊維強化樹脂部材の一部に重なるように前記繊維強化樹脂部材の室内側に配置されている。

前記構成によれば、開口を画定する周縁部のコーナ部分又は骨部材間の一部分を含む所定部分には繊維強化樹脂部材を接合しているため、前記所定部分の補強のために溶接痕が残ることがなく、熱歪みによる寸法誤差も発生せず、また施工も容易である。よって、外観、製作精度及び製造効率が向上する。しかも、繊維強化樹脂部材を設ける箇所は、開口を画定する周縁部のコーナ部分又は骨部材間の一部分を含む所定部分だけであり、主要部である側外板及びそれに接合される骨部材は金属製であるため、リサイクル性も良好に保つことができる。さらには、開口を画定する周縁部のコーナ部分又は骨部材間の一部分を含む所定部分に繊維強化樹脂部材を設けることで、金属製の骨部材の本数を低減することができ、車体重量及び製造工数の低減を図ることもできる。以上より、鉄道車両構体において、外観、製作精度及び製造効率を向上させることと、リサイクル性を良好に保つこととを好適に両立することが可能となる。

また本発明の鉄道車両構体の製造方法は、開口が形成された金属製の側外板の内面に、車両前後方向に延びる金属製の複数の横骨部材と前記横骨部材の上に接合されて車両上下方向に延びる金属製の複数の縦骨部材とを接合する工程と、前記側外板の内面側であって前記開口を画定する周縁部のコーナ部分又は前記横骨部材間の一部分を含む所定部分に、繊維シートを含浸接着樹脂により接着して繊維強化樹脂部材を形成する工程と、を備え、前記側外板の室内側の法線方向から見て、前記繊維強化樹脂部材の一部に重なるように前記縦骨部材を前記繊維強化樹脂部材の室内側に配置する。

前記方法によれば、前記同様に、外観、製作精度及び製造効率を向上させることと、リサイクル性を良好に保つこととを好適に両立することが可能となる。しかも、繊維シートは可撓性を有するので、所定部分に対して繊維シートを沿わせて含浸接着樹脂により含浸接着することで、容易に所定部分に接着された繊維強化樹脂部材を形成することができ、簡単な施工で側構体を補強することができる。なお、「繊維シート」とは、炭素繊維等のように繊維強化樹脂に利用される繊維を布状に形成したものであって、樹脂が含浸されていないものいう。

本発明によれば、鉄道車両構体において、外観、製作精度及び製造効率を向上させることと、リサイクル性を良好に保つこととを好適に両立することが可能となる。

（ａ）は本発明の実施形態に係る鉄道車両の側構体１を室内側から見た正面図であり、図１（ｂ）はそのIb−Ib線断面図である。図１（ｂ）の要部拡大図である。変形例の図２相当の図面である。変形例の下部開口の補強を説明する図面である。別の実施形態の側構体の窓開口の近傍の要部拡大図である。図５の要部を拡大して示す要部斜視図である。図６のVII−VII線断面図である。鉄道車両構体への荷重を説明する模式図であり、（ａ）は無負荷状態、（ｂ）は乗客が乗り込むことで車両前後方向の中央を最大撓みとして構体が撓んだ状態、（ｃ）は側外板２の窓開口２ｂの変形を示している。変形例の窓開口の補強を説明する図面である。炭素繊維強化樹脂部材が接合された側構体のさらに他の実施形態を示す要部正面図である。（ａ）はストレート形状の側構体の車両前後方向から見た縦断面図であり、（ｂ）は曲率半径が大きい湾曲部を有する側構体の縦断面図、（ｃ）は曲率半径が小さい湾曲部を有する側構体の縦断面図、（ｄ）は曲率半径が小さい湾曲部に対するレーザ溶接を説明する図面である。（ａ）は台枠の横梁の要部斜視図であり、（ｂ）は従来の横梁の要部斜視図である。（ａ）は従来の鉄道車両の側構体を室内側からみた正面図、（ｂ）はそのXIIIB−XIIIB線断面図である。は従来の鉄道車両の各部材がレーザ溶接を用いて接合された構体を示す斜視図である。図１４に示す側構体を室内側から見た正面図である。（ａ）は図１５に示す側構体の窓開口の近傍を示す要部拡大図、（ｂ）はそのXVIb−XVIb線断面図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。

図１（ａ）は本発明の実施形態に係る鉄道車両の側構体１を室内側から見た正面図であり、図１（ｂ）はそのIb−Ib線断面図である。図２は図１（ｂ）の要部拡大図である。図１及び２に示すように、側構体１は、鉄道車両構体の左右の側壁を構成する金属製（例えば、ステンレス鋼等）の側外板２と、互いに間隔をあけた状態で車両前後方向に延びる金属製（例えば、ステンレス鋼等）の複数の横骨部材３と、互いに間隔をあけた状態で車両上下方向に延びる金属製（例えば、ステンレス鋼等）の複数の縦骨部材４と、側外板２の内面の所定部分に接合された板状の炭素繊維強化樹脂部材５Ａ〜５Ｃとを備えている。

側外板２には、扉開口２ａと、扉開口２ａと前後に間隔をあけて設けられた窓開口２ｂと、窓開口２ｂの下方に設けられて窓開口２ｂよりも小さい機器取付用の下部開口２ｃと、窓開口２ｂの上方に設けられて窓開口２ｂよりも小さい機器取付用の上部開口２ｄとが形成されている。各開口２ａ〜２ｄは、略矩形状に形成されている（本願明細書で「略矩形状」は、完全に矩形であるものの他に、矩形の角部を円弧状にして角取りしたものも含む意味である。）。側外板２には、扉開口２ａと窓開口２ｂとの間に扉が収容される戸袋部２ｅが設けられている。

横骨部材３は、側外板２に向かって開口する断面略馬蹄形状の本体部３ａ（図６参照）と、本体部３ａの開口端縁から互いに離反方向に突出するフランジ部３ｂ（図６参照）とを有し、断面略ハット形状に形成されてなる。横骨部材３は、そのフランジ部３ｂを側外板２にスポット溶接することで側外板２の内面に接合されている。

縦骨部材４は、側外板２の内面に接合されるか、又は、横骨部材３に直交した状態で横骨部材３の本体部３ａの上に接合されている。縦骨部材４は、側外板２に向かって開口する断面略馬蹄形状の本体部４ａと、本体部４ａの開口端縁から互いに離反方向に突出するフランジ部４ｂとを有し、断面略ハット形状に形成されてなる。縦骨部材４は、そのフランジ部４ｂを側外板２又は横骨部材３の内面側にスポット溶接することで側外板２に接合されている。

炭素繊維強化樹脂部材５Ａは、側外板２の戸袋部２ｅの室内側の面であって隣り合う縦骨部材４の間の部分に接合されている。炭素繊維強化樹脂部材５Ａの板厚は、骨部材３，４の板厚よりも大きくなっている。炭素繊維強化樹脂部材５Ａの具体的な接合手順は、側外板２における隣り合う縦骨部材４の間の部分を脱脂処理して当該部分に含浸接着樹脂からなるプライマー６（例えば、エポキシ樹脂）を塗布して放置し、その固化したプライマー６の上に含浸接着樹脂８（例えば、エポキシ樹脂）を下塗りし、その下塗りが固化する前に樹脂未含浸の炭素繊維シート７を重ね、さらにその上に含浸接着樹脂８を塗布し、ローラ等を用いて炭素繊維シート７に含浸接着樹脂８を浸透させるとともに表面を平坦化させ、含浸接着樹脂８が固化するのを待つと、側外板２に接着された炭素繊維強化樹脂部材５Ａが形成される。これにより、炭素繊維強化樹脂部材５Ａは、縦骨部材４と共に側外板２の戸袋部２ｅを補強する効果を発揮する。戸袋部２ｅに設ける炭素繊維強化樹脂部材５Ａは、その繊維方向が車両上下方向と略平行となるように配置されている。なお、炭素繊維シート７は一層としてもよいし、複数層にしてもよい。

本実施形態では、炭素繊維強化樹脂部材５Ａを隣り合う縦骨部材４の間に設けることにより、縦骨部材４の数を従来の６本から４本に減らしている。このように、従来の側構体と同程度の剛性を確保する場合には、縦骨部材４の本数を減らすことができるので、側構体１の軽量化を図ることができる。また、従来のスポット溶接は点接合であり、荷重分担はスポット溶接点の点数によって左右されるが、側外板２に炭素繊維シート７を含浸接着して形成される炭素繊維強化樹脂部材５Ａはシート全体で面接合されるので、従来に比べて単位面積あたりの荷重負担を低減することができる。

なお前記した例において、炭素繊維強化樹脂部材５Ａは、各縦骨部材４間に設けられたが、これに限られない。例えば、図３に示すように、側外板２の内面に複数の縦骨部材４を接合した後に、その内面側の全体を覆うようにプライマー６を塗布し、その内面側の全体を覆うように炭素繊維シート７を設け、その炭素繊維シート７に含浸接着樹脂８を含浸させて炭素繊維強化樹脂部材５Ａ´を形成してもよい。この際、樹脂未含浸の炭素繊維シート７は可撓性を有するので、側外板２の内面に複数の縦骨部材４を互いに間隔をあけて接合して形成される波状部分に沿うように炭素繊維シート７を配置して容易に含浸接着することができ、施工も容易である。

また、図１（ａ）に示すように、側外板２の内面であって下部開口２ｃ及び上部開口２ｄを画定する周縁部２ｆ，２ｇの全周には、周縁部２ｆ，２ｇに沿った形状の環状の炭素繊維強化樹脂部材５Ｂ，５Ｃが接合されている。その具体的な接合手順は、炭素繊維強化樹脂部材５Ａと同様である。また、樹脂未含浸の炭素繊維シートは簡単に切断することができるので、このような環状の炭素繊維強化樹脂部材５Ｂ，５Ｃも容易に形成することができる。なお、この例では環状の炭素繊維強化樹脂部材５Ｂ，５Ｃを用いているが、これに限られず、炭素繊維強化樹脂部材は複数に分割してもよい。例えば図４に示すように、車体前後方向に延びる炭素繊維シート７ａと車体上下方向に延びる炭素繊維シート７ｂとを周縁部２ｆのコーナ部分で突合せ、その突合せ部分の上にさらに炭素繊維シート７ｃを積層させてもよい。その際、炭素繊維シート７ａ，７ｂの繊維方向はそれぞれ車体前後方向および車体上下方向であり、炭素繊維シート７ｃの繊維方向はその仮想延長線が開口２ｃに交差しない角度（例えば、上下方向及び前後方向に対して略４５°）となるように設定される。なお、図４は下部開口２ｃについて図示したが、上部開口２ｄについても同様である。

以上に説明したように、側外板２の縦骨部材４間の一部分又は開口２ｃ，２ｄを画定する周縁部２ｆ，２ｇを含む所定部分に繊維強化樹脂部材５Ａ〜５Ｃを接合しているため、側外板２の補強のための溶接痕が抑制され、熱歪みによる寸法誤差の発生が抑制されて歪み除去作業も大幅に低減され、また施工も容易である。また、繊維強化樹脂部材５Ａ〜５Ｃにより所定部分を補強することで、金属製の骨部材の本数を低減することができ、車体重量及び製造工数の低減を図ることもできる。よって、外観、製作精度及び製造効率等が向上する。しかも、繊維強化樹脂部材５Ａ〜５Ｃを設ける箇所は、縦骨部材４間の一部分又は開口２ｃ，２ｄを画定する周縁部２ｆ，２ｇを含む所定部分だけであり、側外板２、横骨部材３及び縦骨部材４で構成される主要部は金属製であるため、廃棄物を減らしてリサイクル性も良好に保つことができる。以上より、鉄道車両構体において、外観、製作精度及び製造効率を向上させることと、リサイクル性を良好に保つこととを好適に両立することが可能となる。しかも、樹脂未含浸の繊維シート７は可撓性を有するので、側外板２の所定部分に対して繊維シートを沿わせて含浸接着樹脂により含浸接着することで、容易に繊維強化樹脂部材５Ａ〜５Ｃを形成することができ、簡単な施工で側構体１を補強することができる。

図５は別の実施形態の側構体２１の窓開口２ｂの近傍の要部拡大図である。図６は図５の要部を拡大して示す要部斜視図である。図７は図６のVII−VII線断面図である。なお、図５は窓枠の図示が省略されている。図５乃至７に示すように、本実施形態の側構体２１では、複数の横骨部材３がレーザ溶接により側外板２の内面に接合されており、縦骨部材４が横骨部材３に直交した状態で横骨部材３の本体部３ａの上にレーザ溶接により接合されている。つまり、側構体２１では、全ての骨部材３，４の接合がスポット溶接ではなくレーザ溶接により行われている。

具体的には、横骨部材３のフランジ部３ｂを側外板２の室内側の内面に重ね、その室内側の法線方向からフランジ部３ｂにレーザビームを連続的に照射して側外板２の内部まで加熱溶融し、それにより生じる溶融池の底部が側外板２の室外側の外面に到達しないように、レーザビーム出力又はビーム移動速度を制御する。このようにして側外板２に横骨部材３を接合することにより、溶接痕による側構体の外観低下が防止されている。また、縦骨部材４においても、レーザビーム出力又はビーム移動速度を制御して溶接痕による側構体の外観低下を防止する点は横骨部材３と同様である。なお、側外板２を複数の金属板を互いに接合して形成する場合にも、同様な方法でレーザ溶接により接合すればよい。

側外板２の内面であって窓開口２ｂを画定する周縁部２ｈの四隅のコーナ部には、それぞれ略Ｌ字状の炭素繊維強化樹脂部材５Ｄが接合されている。炭素繊維強化樹脂部材５Ｄの具体的な接合手順は、炭素繊維強化樹脂部材５Ａと同様である。複数の横骨部材３のうちその延長線が周縁部２ｈのコーナ部分に干渉する横骨部材３Ａは、周縁部２ｈのコーナ部分の内面に炭素繊維強化樹脂部材５Ｄを設けるために他の横骨部材３Ｂよりも窓開口２ｂと距離をあけて配置されている。

側外板２の窓開口２ｂの周縁部２ｈの外面には、金属製（例えば、ステンレス鋼等）からなる窓枠１１がレーザ溶接により接合されている。なお、図６中の符号Ｌはレーザ溶接ビードを示している。具体的には、窓枠１１を周縁部２ｈの室外側の外面に重ね、その室内側の法線方向から当該重なり部分にレーザビームを連続的に照射して窓枠１１の内部まで加熱溶融し、それにより生じる溶融池の底部が窓枠１１の外面に到達しないようにレーザビーム出力又はビーム移動速度を制御する。

炭素繊維強化樹脂５Ｄは、窓枠１１を側外板２の窓開口２ｂの周縁部２ｈにレーザ溶接した後に、側外板２の法線方向から見て窓枠１１と側外板２との接合部分に重なる位置に接合されている。ここで、側外板２の周縁部２ｈの内面には、レーザ照射で融解した母材の連続した起伏であるレーザ溶接ビードＬが生じている。しかし、炭素繊維強化樹脂部材５Ｄは炭素繊維シート７を含浸接着樹脂８により接着して形成するので、炭素繊維シート７をレーザ溶接ビードＬに滑らかに沿わせて覆うことができ、ビードを除去する工程を省くことが可能となっている。また、横骨部材３の上面には、縦骨部材４がレーザ溶接により接合されている。詳しくは、縦骨部材４は、側外板２の室内側の法線方向から見て、炭素繊維強化樹脂部材５Ｄの一部に重なるように炭素繊維強化樹脂部材５Ｄの上方に配置されている。これにより、縦骨部材４を窓開口２ｂに近接した位置に設けることができる。なお、横骨部材３、縦骨部材４及び窓枠１１をレーザ溶接により側外板２に接合した後に、炭素繊維強化樹脂部材５Ｄを側外板２に接着すれば、レーザ溶接の工程をまとめて一度に行える。但し、側外板２に横骨部材３、窓枠１１及び炭素繊維強化樹脂部材５Ｄを接合した後に、横骨部材３の上面に縦骨部材４をレーザ溶接により接合してもよい。

四隅の炭素繊維シート７の夫々の繊維方向は、その仮想延長線が窓開口２ｂに交差しない角度（例えば、上下方向及び前後方向に対して略４５°）となるように設定されている。以下、その理由について説明する。

図８は鉄道車両構体への荷重を説明する模式図であり、（ａ）は無負荷状態、（ｂ）は乗客が乗り込むことで車両前後方向の中央を最大撓みとして構体が撓んだ状態、（ｃ）は側外板２の窓開口２ｂの変形を示している。なお、図８（ａ）中、符号Ｃは支点を示す。図８（ａ）に示す鉄道車両に乗客が乗り込むことで、図８（ｂ）のように側構体２１が変形する。その際、図８（ｃ）に示すように、側外板２の窓開口２ｂは略平行四辺形状に変形し、窓開口２ｂを画定する周縁部の対角線上の一対のコーナ部分に引張応力が発生し、別の対角線上の一対のコーナ部分に圧縮応力が発生する。この引張応力及び圧縮応力は、それら応力方向の仮想延長線が窓開口２ｂに交差しない角度であって上下方向及び前後方向に対して略４５°となる方向に生じる。そして、炭素繊維強化樹脂は、その繊維方向に対して大きな強度と弾性とを有する。よって、図５に示す炭素繊維シート７は、その繊維方向が大きな応力が発生する方向に沿うように配置されることとなる。

ところで、炭素繊維強化樹脂は、その繊維方向によってヤング率が大きく変化する。したがって、複数の炭素繊維シートをそれぞれ繊維方向が異なるように積層して、補強効果を向上させてもよい。例えば、図９に示すように、複数の炭素繊維シート７ａ〜７ｄを略同一形状に形成し、互いの外形が合致するように積層した状態で互いの繊維方向が異なるように配置してもよい。このとき、一層目の炭素繊維シート７ａの繊維方向は車両前後方向とし、二層目の炭素繊維シート７ｂの繊維方向は車両前後方向及び上下方向に対して略４５°（繊維方向の仮想延長線が窓開口２ｂに交差しない）とする。順次、三層目の炭素繊維シート７ｃの繊維方向は車両上下方向とし、四層目の炭素繊維シート７ｄの繊維方向は二層目と同一とする。また、これに限られず、複数の炭素繊維シートを、その繊維方向が互いに直交するように積層してもよく、織物や編物構成による炭素繊維シートとしてもよい。

図１０は炭素繊維強化樹脂部材が接合された側構体２１´のさらに他の実施形態を示す要部正面図である。図１０に示すように、炭素繊維強化樹脂部材２５Ｄは、側構体２１´の側外板２の窓開口２ｂの周縁部２ｈにおけるコーナ部分と当該コーナ部分を上下に連結する縦辺の中間部分とを覆うように、コーナ部２５Ｄａとそれを連結する中間部２５Ｄｂとを有する形状としてもよい。なお、コーナ部２５Ｄａと中間部２５Ｄｂとは一体に形成されてもよいし、別体に構成されてもよい。

また、図１０の上部開口２ｄには、複数の炭素繊維シート２７ａ〜２７ｃを用いて形成された炭素繊維強化樹脂部材２５Ｃが接合されている。このとき、上部開口２ｄの縦辺に沿って設ける炭素繊維シート２７ａの繊維方向は車両上下方向とし、上部開口２ｄの横辺に沿って設ける炭素繊維シート２７ｂの繊維方向は車両前後方向とし、上部開口２ｄのコーナ部分に沿って設ける炭素繊維シート２７ｃの繊維方向は車両前後方向及び上下方向に対して略４５°（繊維方向の仮想延長線が上部開口２ｄに交差しない）とする。このとき、炭素繊維シート２７ａの端部と炭素繊維シート２７ｂの端部とを互いに突合せ、その突合せ部分となるコーナ部分に炭素繊維シート２７ｃを積層してもよい。また、開口前後方向に延びる部位と開口上下方向に延びる部位とを補強すべく、それぞれ各方向に延びる炭素繊維強化を有する二方向性シートを用いて開口周縁を囲むようにしてもよい。

図１１（ａ）はストレート形状の側構体３１の車両前後方向から見た縦断面図であり、（ｂ）は曲率半径が大きい湾曲部を有する側構体４１の縦断面図、（ｃ）は曲率半径が小さい湾曲部を有する側構体５１の縦断面図、（ｄ）は曲率半径が小さい湾曲部に対するレーザ溶接を説明する図面である。レーザ溶接によって側構体を製造する場合には、側外板３２に車両上下方向に略ストレートに延びた板材を使うことが望ましい（図１１（ａ））。これにより、横骨部材３３を側外板３２に確実に接合させることができる。しかし、建築限界や車両限界との関係から、側外板は、その下部を車両内側に向けるように曲げられた湾曲部を有していることが多い（図１１（ｂ）（ｃ））。図１１（ｂ）に示すように、側外板４２の湾曲部４２ａの曲率半径（例えば、１５００ｍｍ）が大きい場合、横骨部材４３は押さえローラＲを用いて側外板４２に密着させて接合することができる。一方、図１１（ｃ）に示すように湾曲部５２ａの曲率半径（例えば、５００ｍｍ）が小さい場合、図１１（ｄ）に示すように押さえローラＲを用いて横骨部材５３にかなり大きな圧力を加えないと横骨部材５３を側外板５２に密着させることができないため、レーザ溶接を用いることができない。

その場合には図１１（ｃ）に示すように、横骨部材５３は、湾曲部５２ａを避けた位置に接合されることになる。そこで、湾曲部５２ａの剛性が低下するのを回避するために、隣り合う横骨部材５３の間において湾曲部５２ａの内面に板状の炭素繊維強化樹脂部材５Ｅを接合するとよい。このとき、炭素繊維強化樹脂部材５Ｅの繊維方向は車両上下方向とする。なお、炭素繊維強化樹脂部材５Ｅの形成方法は前述した炭素繊維強化樹脂部材５Ａと同様である。このように側外板５２の曲率半径が小さい部分は、横骨部材５３を設置することができないので、炭素繊維強化樹脂部材５Ｅを設けることにより側構体５１に必要な剛性を確保することができる。

以上に説明したように、レーザ溶接により製作される鉄道車両構体において、側外板２の開口２ｂを画定する周縁部２ｈのコーナ部分等の所定部分に繊維強化樹脂部材５Ｄ，２５Ｄ、５Ｅを接合しているため、側外板２の補強のために溶接痕が残ることがなく、熱歪みによる寸法誤差も発生しないことで歪み除去作業も大幅に低減され、また施工も容易である。よって、外観、製作精度及び製造効率等が向上する。しかも、繊維強化樹脂部材５Ｄ，２５Ｄ、５Ｅを設ける箇所は、開口２ｂを画定する周縁部２ｈのコーナ部分等の所定部分だけであり、側外板２、横骨部材３及び縦骨部材４で構成される主要部は金属製であるため、廃棄物を減らしてリサイクル性も良好に保つことができる。以上より、鉄道車両構体において、外観、製作精度及び製造効率を向上させることと、リサイクル性を良好に保つこととを好適に両立することが可能となる。しかも、樹脂未含浸の繊維シート７は可撓性を有するので、側外板２の所定部分に対して繊維シートを沿わせて含浸接着樹脂により含浸接着することで、容易に繊維強化樹脂部材５Ｄ，２５Ｄ、５Ｅを形成することができ、簡単な施工で側構体２１，２１´，５１を補強することができる。

なお、必要となる炭素繊維シートの形状、大きさ、積層枚数等は個々の設計条件に合わせて決定される。また、側外板及び骨部材はステンレス鋼に限定されず、例えばアルミニウム合金等であってもよい。本実施形態は炭素繊維強化樹脂による補強構造を側構体１に適用した例について説明したが、これに限られず、妻構体に適用してもよい。また、炭素繊維強化樹脂を用いた補強構造は、側構体及び妻構体だけでなく、台枠の床板についても適用可能である。

図１２（ａ）は台枠の横梁６０の要部斜視図であり、（ｂ）は従来の横梁１６０の要部斜視図である。図１２（ｂ）に示すように、従来の横梁１６０は、鉛直方向の基板部６０ａと、その基板部６０ａの上下端縁において同一方向に平行に延びる水平部６０ｂ，６０ｃとを有する。さらに、その基板部６０ａにはダクト穴６０ｄが形成されている。ダクト穴６０ｄの両側には、曲げ剛性の低下を回避するために補強リブ１６１が設けられている。ここで、台枠の平面度は、台枠としての機能を発揮するために重要な要素であるが、横梁１６０に補強リブ１６１を溶接により接合する際に発生する熱により歪みが発生してしまう。一方、図１２（ａ）に示すように、本発明の横梁６０は、補強リブ１６１を設けずに、基板部６０ａにおいてダクト穴６０ｄの周囲に沿って環状かつ板状の炭素繊維強化樹脂部材５Ｆを設けることにより、曲げ剛性の低下が防止されている。また、溶接により補強リブを接合する必要がないので、熱歪みが発生しない。これにより、高い平面度が要求される台枠の製作精度を向上させることができる。また、歪みを除去するための作業を大幅に減少させることができる。

以下、鉄道車両構体に炭素繊維強化樹脂部材を接合する際の施工手順の実施例について説明する。なお、施工は０〜４０℃程度の雰囲気温度で行うものとする。まず、炭素繊維シート、プライマー及び含浸接着樹脂の各材料を用意する。炭素繊維シートは、高弾性タイプ一方向材（日鉄コンポジット株式会社製ＦＴＳ−Ｃ８−３０）を用いる。その炭素繊維シートに含まれる炭素繊維単体の特性は、引張強度が１９００Ｎ／ｍｍ²、引張弾性率が６．４×１０⁵Ｎ／ｍｍ²である。プライマーは、２液混合型エポキシ樹脂（日鉄コンポジット株式会社製 FP-NSL：粘度は１０００ｍＰａ・ｓ程度）、含浸接着樹脂は２液混合型エポキシ樹脂（日鉄コンポジット株式会社製ＦＲ−Ｅ３ＰＬ：粘度は４４００ｍＰａ・ｓ程度）を用いる。そして、以下の(1)〜（7）の工程を順に行う。

(1)下地処理
補強を必要とする所定部分をグラインダー（例えば＃１００）で研磨する、又は、いわゆるＢＧ＃８０仕上げ（仕上げ方向は車両前後方向）のままとする。そして、その所定部分の表面をアセトンにて十分に脱脂処理して汚れを取り除く。

(2)炭素繊維シートの裁断
例えばカッターナイフや定規などの裁断用道具を用いて、炭素繊維シートを前記所定部分に対応する所望の形状に切断する。特に、窓開口を画定する周縁部のコーナ部分のような曲線部分に適用する場合には、炭素繊維シートを切断型やポンス等を用いて裁断することで、作業効率を高めるともに精度・品質を高めることができる。

(3)プライマー塗布
ローラ刷毛にて、プライマーを例えば２００ｇ／ｍ²の割合で塗布し、２〜４時間以上（好ましくは１日程度）養生する。ここで、プライマーを塗布するのは、側外板の研磨後直ちに表面を保護するため、及び、炭素繊維強化が側外板に直接接触して炭素繊維と側外板との電位差により腐食が発生するのを回避するためである。つまり、プライマーは絶縁層としても機能する。また、プライマーの塗布量を管理するのは、施工中に樹脂厚さを管理することが困難であるからである。また、プライマーの粘度が含浸接着樹脂より低いのは、プライマーが側外板の表面によく馴染むようにするためである。

(4)含浸接着樹脂下塗り
含浸接着樹脂をローラ刷毛にて下塗りする。例えば、含浸接着樹脂は１層あたり５００ｇ／ｍ²で下塗りする。なお、含浸接着樹脂は、所定の混合比（主剤：硬化剤＝２：１）で混合・計量した後、ヘラで均一に練り混ぜる。

(5)炭素繊維シートの貼り付け
前記下塗りが固化する前に、その上に炭素繊維シートを貼り付ける。この際、含浸接着樹脂の粘度は高いため、炭素繊維シートがずれることはない。そして、炭素繊維シートを脱泡ローラにてしごき、含浸接着樹脂を繊維に含浸させた後、３０分間程度放置する。この放置により、毛細管現象で含浸が進む（含浸した樹脂が繊維間から浮き上がってくる）。

(6)含浸接着樹脂上塗り
さらにその上から含浸接着樹脂をローラ刷毛にて上塗りする。例えば、含浸接着樹脂は１層あたり３００ｇ／ｍ²として、下塗りより少なくする。ここで、下塗り１層あたり５００ｇ／ｍ²とするのに対し、上塗り１層あたり３００ｇ／ｍ²とし、上塗りに比べて下塗りを多くしているのは、含浸作業中にシートを保持する目的のため、毛細管現象によりシート内に樹脂を効率よく含浸させるためである。

(7)二層目以降
必要に応じて、(4)に戻って、２層目以降の炭素繊維シートを貼り付ける。なお、２層目以降は、接着端の応力集中を緩和するために、各層のシート端部を５〜１０ｍｍ程度ずらす。この場合、シート間の樹脂の使用量は、作業性や含浸し易さを考慮して決定するが、繊維と樹脂の比率が同じ程度になるように単位容積あたりの繊維量に応じて変更することができる。

１，２１，２１´，５１側構体
２，５２側外板
２ｂ窓開口
２ｅ戸袋部
２ｆ〜２ｈ周縁部
３，５３横骨部材
４縦骨部材
５Ａ〜５Ｆ炭素繊維強化樹脂部材
６プライマー
７炭素繊維シート
８含浸接着樹脂
５２ａ湾曲部

Claims

開口が形成された金属製の側外板と、
前記側外板の内面に接合されて車両前後方向に延びる金属製の複数の横骨部材と、
前記横骨部材の上に接合されて車両上下方向に延びる金属製の複数の縦骨部材と、
前記側外板の内面側であって前記開口を画定する周縁部のコーナ部分又は前記横骨部材間の一部分を含む所定部分に接合された繊維強化樹脂部材と、を備え、
前記縦骨部材は、前記側外板の室内側の法線方向から見て、前記繊維強化樹脂部材の一部に重なるように前記繊維強化樹脂部材の室内側に配置されている、鉄道車両構体。
前記繊維強化樹脂部材は、前記所定部分に繊維シートを含浸接着樹脂により接着して形成されている、請求項１に記載の鉄道車両構体。
開口が形成された金属製の側外板と、
前記側外板の内面に接合されて車両前後方向に延びる金属製の複数の横骨部材と、
前記側外板の内面側であって前記横骨部材間の一部分を含む所定部分に接合された繊維強化樹脂部材と、を備え、
前記繊維強化樹脂部材は、前記所定部分に繊維シートを含浸接着樹脂により接着して形成され、
前記側外板は、その下部を車両内側に向けるように曲げられた湾曲部を有し、
前記横骨部材は、車両前後方向に延びるように前記側外板の内面の前記湾曲部を避けた位置に接合され、
前記湾曲部における前記側外板の内面には、前記繊維シートが繊維方向を車両上下方向とするように沿わされて含浸接着樹脂により接着されている、鉄道車両構体。
前記開口は、窓開口であり、
前記窓開口を画定する周縁部にて前記側外板の外面に接合された金属製の窓枠をさらに備え、
前記繊維強化樹脂部材は、前記側外板の法線方向から見て前記窓枠と前記側外板との接合部に重なる位置に接合されている、請求項１乃至３のいずれかに記載の鉄道車両構体。
前記開口は、略矩形状であり、
前記繊維強化樹脂部材は、前記開口を画定する周縁部の各コーナ部分にそれぞれ接合されており、
前記繊維強化樹脂部材の繊維方向は、その繊維方向の仮想延長線が前記開口に交差しない角度に設定されている、請求項１乃至４のいずれかに記載の鉄道車両構体。
前記開口は、略矩形状であり、
前記開口を画定する周縁部に前記繊維強化樹脂部材が接合されているとともに、前記周縁部のコーナ部分には前記繊維強化樹脂部材に重ねて別の繊維強化樹脂部材が繊維方向を異ならせて積層されており、
前記積層された何れの繊維強化樹脂部材の繊維方向も、その繊維方向の仮想延長線が前記開口に交差しない角度に設定されている、請求項５に記載の鉄道車両構体。
前記横骨部材は、室内側からレーザビームを照射して前記側外板の内部まで加熱溶融し、それにより生じる溶融池の底部が前記側外板の室外側の外面に到達しないように車両前後方向に沿ってレーザ溶接することによって前記側外板に接合されている、請求項１乃至６のいずれかに記載の鉄道車両構体。
開口が形成された金属製の側外板の内面に、車両前後方向に延びる金属製の複数の横骨部材と前記横骨部材の上に接合されて車両上下方向に延びる金属製の複数の縦骨部材とを接合する工程と、
前記側外板の内面側であって前記開口を画定する周縁部のコーナ部分又は前記横骨部材間の一部分を含む所定部分に、繊維シートを含浸接着樹脂により接着して繊維強化樹脂部材を形成する工程と、を備え、
前記側外板の室内側の法線方向から見て、前記繊維強化樹脂部材の一部に重なるように前記縦骨部材を前記繊維強化樹脂部材の室内側に配置する、鉄道車両構体の製造方法。
前記繊維強化樹脂部材を形成する工程は、前記側外板の内面にプライマーを塗布し、そのプライマーが固化した後に含浸接着樹脂を下塗りし、その下塗りされた含浸接着樹脂が固化する前に前記繊維シートを重ね、さらにその上に含浸接着樹脂を上塗りし、前記繊維シートに含浸接着樹脂を浸透させることを含んでいる、請求項８に記載の鉄道車両構体の製造方法。