JP6230981B2 - 軌条車両構体 - Google Patents

Description

本発明は敷設された軌道に沿って走行する軌条車両に供される軌条車両構体に関するものであり、特に、一枚の板部を有す板部材（シングルスキン形材）と、この部材を補強する補強部材と、から構成される側構体や屋根構体を有す軌条車両構体に関する。

従来、高速鉄道車両用構体を押出成形によって得られるアルミニウム合金等の軽合金製の部材（形材）で構成することによって、高速鉄道車両用構体の軽量化が進められてきた。
高速鉄道車両用構体に供される軽合金製の代表的な部材（形材）として、一枚の板部とこの板部に交差する方向に板部に一体に成型された複数のＴ字断面形状を有する補強部とを備えるシングルスキン形材と、対向する２枚の面板とこれら面板をリブで接続したダブルスキン形材と、がある。

近年、鉄道車両構体を構成する部品点数を小さくできるとともに高い剛性を有すダブルスキン形材から構成される高速鉄道車両構体が主流になりつつある。しかしながら、アルミニウム合金を押出成形する際の押出成形の精度が限界に近付いておりこれ以上の板厚の低減は困難であるため、ダブルスキン形材を主な構成要素とする鉄道車両構体の一層の軽量化を進めることが難しくなりつつある。

そこで、さらなる軽量化を実現するためには、ダブルスキン形材による鉄道車両構体に代えて、板部の厚さを小さくしたシングルスキン形材と軽量化された補強部材とを組み合わせて鉄道車両構体を製作することが必要となる。さらに、これらシングルスキン形材と補強部材とを接合する接合部の歪を低減できる接合構造や接合方法を開発する必要がある。しかしながら、シングルスキン形材と補強部材との接合部の歪を低減し、かつ、構体全体の剛性及び強度を確保するための構成や製作方法に関する検討が十分ではなかった。

特許文献１に、板材とこの板材に備えられる補強部材とを摩擦撹拌点接合によって接合する技術が開示されている。具体的には、セミモノコック構造の鉄道車両構体であって、構成要素として板状の外板パネルと補強部材であるリングフレームとを備え、外板パネルと外板パネルとの接合、および、外板パネルとリングフレームとの間において、複数の継手を有する。この継手のうち一部または全部が、これら２つの部材を重ね、鉄道車両構体の車内側からの摩擦撹拌点接合による重ね継手とされる。

特開２００５−２３９０２９号公報

営業速度の向上に伴い、軌道への衝撃の増大、運転動力費の増大などの問題が生じる。これらの問題点を解決するために、高速鉄道車両を軽量化することが必要不可欠である。

図１から図３に、従来のシングルスキンを採用した高速鉄道車両用構体１を示す。従来の高速鉄道車両用構体１は、外面をなすシングルスキン形材２と、このシングルスキン形材２の車内側の面に備えられるフレーム３と、から構成される。

シングルスキン形材２は、図２および図３に示すように、シングルスキン形材２と一体に押出成形されたＴ字断面を有す補強リブの水平フランジ１０を備えており、フレーム３の長手方向に交差する断面形状がＣ字状のチャンネル材である。シングルスキン形材２とフレーム３との接合は、シングルスキン２の水平フランジ１０の上面に、フレーム３の端部板の端部を載置した後、水平フランジ１０の上面と端部板の端部とをアーク溶接により隅肉溶接４して接合されている。

軽量化を促進するために、シングルスキン２の板部やその補強リブの板厚をさらに小さくするとともに、フレーム３の板厚を小さくした上で、上述した構成と同様にアーク溶接によって隅肉溶接すると、溶接に伴う大きな入熱のために溶接部を含むシングルスキン形材２が大きく歪んでしまう問題があった。この歪は、構体全体の歪となるため、シングルスキン形材２とフレーム３との溶接部の強度が低下するだけでなく、構体全体の剛性や強度も低下するおそれがあった。さらに、溶接によって生じた歪を補修するための補修工数が生じる等の課題があった。

本発明の目的は、より一層の薄肉化を図ったシングルスキン形材で高速鉄道車両用構体を構成するにあたり、シングルスキン形材とフレームの接合部の歪を低減し、かつ、構体全体の剛性及び強度を確保した構体を提供することにある。

上記課題を解決するために、代表的な本発明の軌条車両構体の一つは、屋根構体、側構体、台枠を備える軌条車両構体であって、前記屋根構体および前記側構体は、板部と前記板部に一体に押出成形されたリブとを有すシングルスキン形材と、前記リブに接合される補強部材と、を有する軌条車両構体において、前記台枠は幅方向の両端部に前記台枠の長手方向に沿って配設される側梁を備えており、前記補強部材の長手方向の一方の端部は一方の前記側梁の上部に接続されるとともに、前記補強部材の長手方向の他方の端部は他方の前記側梁の上部に接続されており、前記補強部材は前記側構体および前記屋根構体および他方の前記側構体の前記軌条車両構体の車内側に備えられる前記リブに接合されており、前記リブは前記シングルスキン形材から延伸する支持部と、前記支持部から前記シングルスキン形材に沿う方向に延伸する水平フランジと、を有しており、前記補強部材は、底部と前記底部の両端から前記底部に交差する方向に立ち上がる縁部と、前記縁部から前記底部に沿う方向に延伸する延伸部と、を有しており、前記水平フランジと前記底部とが摩擦撹拌接合によって接合されていることを特徴とする。

本発明によれば、より一層の薄肉化を図ったシングルスキン形材で高速鉄道車両用構体を構成するにあたり、シングルスキン形材とフレームの接合部の歪を低減し、かつ、構体全体の剛性及び強度を確保した構体を提供することができる。

図１は、従来の鉄道車両用構体の断面斜視図である。 図２は、従来の鉄道車両用構体を示す図１のＡ部拡大図である。 図３は、従来の鉄道車両用構体を示す図２のＢ部拡大図である。 図４は、本発明による鉄道車両用構体の断面斜視図である。 図５は、本発明による鉄道車両用構体を示す図４の視Ｃ−視Ｃ図である。 図６は、本発明による鉄道車両用構体を示す図５のＤ−Ｄ断面図である。 図７は、本発明による鉄道車両用構体を示す図６の視Ｅ−視Ｅ図である。 図８は、本発明による他の鉄道車両構体の屋根構体と側構体との接続部の長手方向断面図である。 図９は、本発明による他の鉄道車両構体を示す図８のＦ−Ｆ断面図である。 図１０は、本発明による他の鉄道車両構体の屋根構体の長手方向断面図である。 図１１は、本発明による他の鉄道車両構体を示す図１０のＧ−Ｇ断面図である。

軌条車両とは、敷設された軌道（線路やガイドウェイ等）に沿って運行される輸送システムに供される車両であり、高速鉄道、モノレール、新交通システム等を意味する。したがって、軌条車両構体とはこれら輸送機関に供される構体を示す。

以下、図４から図７によって、本発明の実施の形態を軌条車両の代表例として高速鉄道車両を例に挙げ、この高速鉄道車両に供される高速鉄道車両構体（以下、鉄道車両構体）を説明する。

図４は、本発明を適用した高速鉄道車両用構体の断面斜視図である。一般に、鉄道車両構体５は、床面をなす台枠２７と、側面をなす側構体２０と、屋根構体２６と、長手方向３０の端部に備えられる妻構体（図示なし）と、から構成された直方体である。屋根構体２６および側構体２０は、鉄道車両構体５の車外側に向けて緩やかに突出した曲面である。

台枠２７は、幅方向３２の両端部に備えられる側梁２２と、側梁２２に交差する態様で幅方向３２に沿って備えられる複数の横梁２４と、複数の横梁２４の上面を覆う態様で備えられる床板２３と、床板２３と一体に押出成形される根太２５と、から構成される。なお、図示はしないが根太２５の上部には座席等が載置される室内床板が固定される。

側構体２０と屋根構体２６とは、長手方向３０の方向に押し出されたアルミ合金製の押出形材からなるシングルスキン形材６と、シングルスキン形材６の車内側に備えられるとともにシングルスキン形材６の押出方向（長手方向３０）に交差する方向に備えられる補強部材７から構成される。

シングルスキン形材６は、長手方向３０の方向に押出成形された押出形材であり、鉄道車両構体５の車内側に位置するＴ字状の断面形状を有す複数のリブが長手方向３０に沿って一体に押出成形されている。補強部材７は、シングルスキン形材６と同様にアルミ合金製の押出形材であり、断面形状がＣ字状の部材である。

補強部材７の両端部は鉄道車両構体５の幅方向３２の両側の側梁２２の上部に接続しており、鉄道車両構体５の長手方向３０に交差する断面内において、一方の側梁２２の上部から一方の側構体２０と、屋根構体２６を経て、他方の側構体２０と、他方の側梁２２の上部に接続している。
補強部材７はその全長に渡って、側構体２０および屋根構体２６をなすシングルスキン形材６のリブに後述する摩擦撹拌接合によって接合されている。

図５は、本発明による鉄道車両用構体を示す図４の視Ｃ−視Ｃ図である。シングルスキン形材６に一体成型されたリブは、面板に交差する方向に立設される支持部１１と、支持部１１の端部に備えられる水平フランジ１０と、から構成される。補強部材７は、この水平フランジ１０の上面に載置された後、補強部材７の側から挿入される摩擦撹拌接合用工具８（図６参照）によって、補強部材７と水平フランジ１０とを摩擦撹拌接合することでシングルスキン形材６と一体となる。

図６は、本発明による鉄道車両用構体を示す図５のＤ−Ｄ断面図である。補強部材７は、底部１４と、底部１４の両端部から立ち上がる縁部１５と、縁部１５からシングルスキン形材６の面に沿う方向に延伸する延伸部１６と、を備えており、その長手方向の断面形状は略Ｃ字状をなしている。摩擦撹拌接合用工具８は、円筒状の大径部と、この大径部の一方の端部から軸方向に延びる円筒状の小径部とからなる２段円筒状の工具であり、大径部と小径部とは同軸に備えられている。

シングルスキン形材６のリブの水平フランジ１０の上面に、補強部材７の底部１４を載置して位置決めした後、摩擦撹拌接合用工具８を補強部材７の一方の縁部１５の側から挿入して、他方の縁部１５の近傍まで連続的にシングルスキン形材６と補強部材７とを摩擦撹拌接合する。

補強部材７の延伸部１６は、縁部１５から補強部材７の幅方向３４の中心から離れる方向に延伸している。この構成によって、摩擦撹拌接合用工具８が延伸部１６と干渉することなく、一方の縁部１５の近傍から他方の縁部１５の近傍まで接合しながら移動して、補強部材７とシングルスキン形材６とを長い接合線Ｌで接合することができる。接合線Ｌを長くすることができるので、接合部の強度を高めることができる、剛性の高い軌条車両構体を得ることができる。

図７は、本発明による鉄道車両用構体を示す図６の視Ｅ−視Ｅ図であり、補強部材７をシングルスキン形材６に接合した後の様子を示している。

摩擦撹拌接合用工具８によって接合された接合部１８の幅ｔ１の中心は、シングルスキン形材６に一体に押出成形されたリブの支持部１１の厚さｔ２の中心の近傍に位置するように、摩擦撹拌接合用工具８を位置決めしている。これは、摩擦撹拌接合する際に、摩擦撹拌接合用工具８を支持部１１の高さ方向に強圧することによってリブが倒れるなどの理由によって、接合部１８の接合品質が劣化することを抑制するためである。

本発明の鉄道車両構体（軌条車両構体）は、板厚を小さくした軽合金製（アルミ合金製）Ｔ字型リブ付シングルスキン形材６と、軽合金製の補強部材７で構成されており、軽合金製Ｔ字型リブ付シングルスキン形材６と補強部材７の接合において、Ｔ字型リブの支持部の位置で水平フランジと、補強部材７を摩擦撹拌接合８で接合する工法が採用されている。
この構成によって、接合に伴う歪が小さく、高い剛性と強度とを備えるとともに一層の軽量化を促進した鉄道車両構体（軌条車両構体）を提供することができる。

図８は、本発明による他の鉄道車両構体の屋根構体と側構体との接続部の長手方向断面図である。屋根構体２６と側構体２０を接続する端部屋根構体２６ａは、構体の外側に向けて屋根構体２６や側構体２０よりも曲率の高い凸の曲面を有しており、特に小さい半径で押し出し成型されるシングルスキン形材で構成されており、これらは接続部９において摩擦撹拌接合あるいは溶融溶接によって接合されている。屋根構体２６から端部屋根構体２６ａを経て側構体２０に至る範囲の車内側に備えられる補強部材７ａを、高い剛性を備える部材なので、上述した小さい半径に合致するように塑性加工（曲げ加工）することは、多くの製作工数が生じる等の困難が伴う。

そこで、補強部材７ａの曲げ加工を低減するために、端部屋根構体２６ａを構成するシングルスキン形材６に一体成形される支持部１１の高さ（シングルスキン形材６の法線方向の寸法）寸法を、この支持部１１に接続する水平フランジ１０がほぼ同一の平面に属する高さに揃えて押出成形したものである。

この構成によって、端部屋根構体２６ａを車内側から支持する補強部材７ａを曲げ加工することなく、平面状の底部を有する補強部材７ａを端部屋根構体２６ａの水平フランジ１０に当接して、重ね摩擦撹拌接合によって接合することができるので、補強部材７ａに係る製作工数を低減することができるとともに、小さい製作工数で軽量で且つ高い剛性を備える鉄道車両用構体を提供することができる。

図９は、本発明による他の鉄道車両構体を示す図８のＦ−Ｆ断面図である。補強部材７ａの断面形状は、短辺の底部１４ａをシングルスキン形材６の水平フランジ１０に当接するとともに長辺の天井部１４ｂを車内側に配置し両側の縁部１５が側辺となる略台形状をなしている。なお、天井部１４ｂは、開口部Ｐが設けられている。補強部材７ａを構成する縁部１５はシングルスキン形材６から車内側に向けて対向する縁部１５の間隔が大きくなる態様で備えられる。フランジ部１４ａ１は、縁部１５から底部１４の延長面に沿う態様で突出して備えられ、底部１４とともに水平フランジ１０に当接され摩擦撹拌接合により接合される。

摩擦撹拌接合用工具８は、その先端部よりその上端部が後ろに位置する姿勢で、補強部材７ａと水平フランジ１０を重ね摩擦撹拌接合する。この時、縁部１５を底部１４ａに直交する態様で備えると、接合部の始点に摩擦撹拌接合工具８を位置決めする時、摩擦撹拌接合工具８の上端部と縁部１５とが干渉するため、摩擦撹拌接合できない範囲Ｌ０（図６参照）が生じる。この範囲Ｌ０を小さくするために、補強部材７ａの長手方向に交差する断面形状を略台形としている。

この構成によって、摩擦撹拌接合工具８の上端部と縁部１５とが干渉することを回避できるので、摩擦撹拌接合できない範囲Ｌ０を小さくすることができるので、十分な接合強度を備えた高い剛性の鉄道車両構体を製造することができる。

図１０は、本発明による他の鉄道車両構体の屋根構体の長手方向断面図であり、図１１は、本発明による他の鉄道車両構体を示す図１０のＧ−Ｇ断面図である。補強部材７ｂは剛性の高い部材であるので、上述したように屋根構体２６の曲率に沿って曲げることは大きな困難を伴う。このため、補強部材７ｂの断面形状は中空の角パイプ状の部材を高さ方向に２段に積層した構成（図１１参照）であり一体で押出成形したものである。補強部材７ｂは、屋根構体２６と干渉しないように屋根構体２６の形状に合わせて、補強部材７ｂの幅方向３２寸法Ｗ０の両端部からＷ１の範囲の補強部材７ｂの高さ寸法Ｈ１に相当する部位を切削して取り除いてある。

屋根構体２６を構成するシングルスキン形材２６の補強部材７ｂの中央部Ｗ２に対応する支持部１１ａは、支持部１１ａの高さを調整して、支持部１１ａに接続する水平フランジ１０を補強部材７ｂの中央部Ｗ２の板部１４ａに当接している。さらに、補強部材７ｂの端部Ｗ１に対応する支持部１１ｂの高さを調整して、支持部１１ｂに接続する水平フランジ１０を高さ寸法Ｈ１の範囲が取り除かれた範囲の補強部材７ｂの端部Ｗ２の板部１４ｂに当接している。補強部材７ｂの板部１４ｂおよび板部１４ｃは、摩擦撹拌接合用工具８が挿入できるように、開口部Ｐが設けられている。

以上の構成によって、屋根構体２６を車内側から支持する補強部材７ｂを曲げ加工することなく、補強部材７ｂを屋根構体２６の水平フランジ１０に当接して、重ね摩擦撹拌接合によって接合することができるので、製作工数を低減するとともに高い剛性を備える軽量の鉄道車両構体を小さい製作工数で製造することができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１、５…鉄道車両構体 ２、６…シングルスキン形材
３…フレーム ４…隅肉溶接
７…補強部材 ８…摩擦撹拌接合用工具
９…接続部
１０…水平フランジ １１…支持部
１４、１４ａ…底部 １４ｂ…天井部
１４ａ１…フランジ部 １５…縁部
１６…延伸部 １８…接合部
２０…側構体 ２２…側梁
２３…床板 ２４…横梁
２５…根太 ２６…屋根構体
２６ａ…端部屋根構体
３０…長手方向 ３１…高さ方向
３２、３４…幅方向 Ｐ…開口部
Ｗ１…端部 Ｗ０…中央部

Claims (6)

1. 屋根構体、側構体、台枠を備える軌条車両構体であって、
   前記屋根構体および前記側構体は、
   板部と前記板部に一体に押出成形されたリブとを有すシングルスキン形材と、
   前記リブに接合される補強部材と、を有する軌条車両構体において、
   前記台枠は幅方向の両端部に前記台枠の長手方向に沿って配設される側梁を備えており、
   前記補強部材の長手方向の一方の端部は一方の前記側梁の上部に接続されるとともに、前記補強部材の長手方向の他方の端部は他方の前記側梁の上部に接続されており、
   前記補強部材は前記側構体および前記屋根構体および他方の前記側構体の前記軌条車両構体の車内側に備えられる前記リブに接合されており、
   前記リブは、前記シングルスキン形材から延伸する支持部と、前記支持部から前記シングルスキン形材に沿う方向に延伸する水平フランジと、を有しており、
   前記補強部材は、底部と前記底部の両端から前記底部に交差する方向に立ち上がる縁部と、前記縁部から前記底部に沿う方向に延伸する延伸部と、を有しており、
   前記水平フランジと前記底部とが摩擦撹拌接合によって接合されていること
   を特徴とする軌条車両構体。
2. 請求項１に記載された軌条車両構体において、
   前記支持部の板厚を含む領域内で、前記支持部に前記底部が摩擦撹拌接合されていること
   を特徴とする軌条車両構体。
3. 請求項１に記載された軌条車両構体において、
   前記延伸部は前記底部の幅方向の中心部から離れる方向に延伸する態様で前記補強部材に備えられていること
   を特徴とする軌条車両構体。
4. 屋根構体、側構体、台枠を備える軌条車両構体であって、
   前記屋根構体および前記側構体は、
   板部と前記板部に一体に押出成形されたリブとを有すシングルスキン形材と、
   前記リブに接合される補強部材と、を有する軌条車両構体において、
   前記台枠は幅方向の両端部に前記台枠の長手方向に沿って配設される側梁を備えており、
   前記補強部材の長手方向の一方の端部は一方の前記側梁の上部に接続されるとともに、前記補強部材の長手方向の他方の端部は他方の前記側梁の上部に接続されており、
   前記補強部材は前記側構体および前記屋根構体および他方の前記側構体の前記軌条車両構体の車内側に備えられる前記リブに接合されており、
   前記屋根構体と前記側構体を接続する端部屋根構体を備え、
   前記端部屋根構体は構体の外側に向けて凸の曲面を有しており、
   前記端部屋根構体をなす前記シングルスキン形材は、前記板部と、前記板部から前記軌条車両構体の車内側に突設される複数の支持部と、前記支持部の端部に前記支持部に交差する態様で備えられる複数の水平フランジと、を有しており、
   前記支持部の高さ寸法を、前記複数の水平フランジが前記補強部材に当接するほぼ同一の平面となるようにしていること
   を特徴とする軌条車両構体。
5. 屋根構体、側構体、台枠を備える軌条車両構体であって、
   前記屋根構体および前記側構体は、
   板部と前記板部に一体に押出成形されたリブとを有すシングルスキン形材と、
   前記リブに接合される補強部材と、を有する軌条車両構体において、
   前記台枠は幅方向の両端部に前記台枠の長手方向に沿って配設される側梁を備えており、
   前記補強部材の長手方向の一方の端部は一方の前記側梁の上部に接続されるとともに、前記補強部材の長手方向の他方の端部は他方の前記側梁の上部に接続されており、
   前記補強部材は前記側構体および前記屋根構体および他方の前記側構体の前記軌条車両構体の車内側に備えられる前記リブに接合されており、
   前記リブは、前記板部から前記軌条車両構体の車内側に突設される支持部と、前記支持部の端部に前記支持部に交差する態様で備えられる水平フランジと、を有しており、
   前記補強部材の断面形状は、短辺が底部であり、長辺が天井部であり、側辺が車内側に向けて対向するそれぞれの間隔が大きくなる縁部である略台形状であり、
   前記水平フランジと前記底部とが摩擦撹拌接合によって接合されていること
   を特徴とする軌条車両構体。
6. 屋根構体、側構体、台枠を備える軌条車両構体であって、
   前記屋根構体および前記側構体は、
   板部と前記板部に一体に押出成形されたリブとを有すシングルスキン形材と、
   前記リブに接合される補強部材と、を有する軌条車両構体において、
   前記台枠は幅方向の両端部に前記台枠の長手方向に沿って配設される側梁を備えており、
   前記補強部材の長手方向の一方の端部は一方の前記側梁の上部に接続されるとともに、前記補強部材の長手方向の他方の端部は他方の前記側梁の上部に接続されており、
   前記補強部材は前記側構体および前記屋根構体および他方の前記側構体の前記軌条車両構体の車内側に備えられる前記リブに接合されており、
   前記屋根構体は構体の外側に向けて凸の曲面であり、
   前記屋根構体をなす前記シングルスキン形材は、前記板部と、前記板部から前記軌条車両構体の車内側に突設される複数の支持部と、前記支持部の端部に前記支持部に交差する態様で備えられる複数の水平フランジと、を有しており、
   前記補強部材は中空の角パイプ状であり、
   前記シングルスキン形材は、前記水平フランジが前記補強部材の一面に当接できる高さを有する複数の前記支持部を備え、
   前記補強部材は前記中空の角パイプ状部材を積層した構成であり、前記積層した角パイプ状部材の一部を取り除いていること
   を特徴とする軌条車両構体。

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