JP6552971B2 - 軌条車両の台枠構造 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両やモノレール車両のような軌条車両に適用され、特に、床下に空調装置を備え高速で走行する新幹線車両を代表とする高速車両の台枠構造に関する。

軌条車両の構造体である軌条車両構体は、一般に、上面を構成する屋根構体、側面を構成する側構体、下面を構成する台枠及び長手方向の端面を構成する妻構体から成る。近年では、製作性及び遮音性の向上を目的として、対向する二枚の面板と該面板同士を接続する複数のリブから成るアルミニウム合金製の中空形材によって、屋根構体、側構体及び台枠などを構成し、軌条車両構体に組み立てる手法が広まりつつある。

軌条車両構体への中空形材の適用によって、梁部材や補強を複雑に配置することなく、軌条車両構体に必要な剛性や強度を確保できるため、製作が単純化される。また、機器や内装部材を取り付けるための受金を、軌条車両構体を構成する中空形材と一体で成型することができるため、機器や内装部材の取り付け部に別途受金を設ける必要がなく、さらなる製作の単純化をもたらす。

在来線車両を代表とする低・中速車両では、特許文献１の図１に示されるような、屋根構体、側構体及び台枠を全て中空形材で構成した軌条車両構体が実用化されている。一方、新幹線車両を代表とする高速車両では、特許文献２の図１に示されるような、屋根構体及び側構体を中空形材で構成し、台枠をＴリブ付形材に複数の梁部材を溶接した複合構造で構成した軌条車両構体が採用されている。

このように、高速車両の台枠が中空形材で構成されていない背景を、図１及び図６で説明する。図１は高速車両の鉄道車両構体１の斜視図であり、図６は図１に示す高速車両の鉄道車両構体１のＡ−Ａ断面図である。
高速車両では、高速走行での安定性を確保するため、重心位置を低く保つ必要がある。このため、質量の大きい空調装置７は、台枠４の下に搭載され、台枠４と中央部床板２２および端部床板２３の間の給気用ダクト１３及び還気用ダクト５４を通じて、車両の長手方向全体に空気を循環させている。ここで、中央部床板２２および端部床板２３の高さ方向の位置は、駅のホームとの段差を生じないように決定されているため、台枠４は、給気用ダクト１３及び還気用ダクト５４と干渉しないように、下方に配置される必要がある。その上で、台枠４の下方には床下機器が搭載されているため、台枠４は床下機器と干渉しない構造である必要がある。

一方、高速車両がトンネルに突入した場合、車両の周囲の圧力が大きく変動するため、圧力変動が車内に及び、乗客に耳つんが生じないように、高速車両の鉄道車両構体１は気密構造となっている。これにより、車内外に圧力差が生じるため、鉄道車両構体１は、断面方向に膨らんだり縮んだりする。この圧力差を気密圧力と呼ぶ。ここで、台枠４は、中央部床板２２および端部床板２３や床下機器を水平に取り付けるため、平面状となっている。平面板は、曲面板と比較して、面外方向に作用する圧力に対して、構造的に弱く過大な変形や応力を生じる。これより、台枠４は、これらの変形や応力を低減するため、十分な断面二次モーメントや断面係数を有した構造である必要がある。

以上の条件を満足するため、高速車両の台枠４は、厚みの薄いＴリブ付形材５１を主体として、給気用ダクト１３、還気用ダクト５４及び床下機器との干渉を回避するとともに、車両の上下方向に高さを有する横梁５２を床下機器と干渉しない位置に配置することで、気密圧力に対して十分な断面二次モーメントや断面係数を確保している。すなわち、高速車両の台枠では、その上下に空調用ダクトや床下機器が密集しているため、それらとの干渉を回避した中空形材により気密圧力に対する剛性や強度を確保することが困難な状態にある。

特許第３７２５０５７号公報 特許第４１６３９２５号公報

軌条車両の製作コストを低減するためには、軌条車両構体を中空形材で構成して、製作を単純化することが望ましい。しかし、高速車両の台枠では、その上下に空調用ダクトや床下機器が密集しているため、それらとの干渉を回避した中空形材によって気密圧力に対する剛性や強度を確保することは困難な状態にある。すなわち、高速車両の台枠を中空形材で構成し、空調用ダクトや床下機器との干渉を回避した上で気密圧力に対する剛性や強度を確保する点において、解決すべき課題がある。
本発明の目的は、空調用ダクトや床下機器との干渉を回避した上で、気密圧力に対する剛性や強度を確保できる中空形材で台枠を構成することにより、製作を単純化し、製作コストを低減した軌条車両を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明に係る軌条車両は、上面を構成する屋根構体と、側面を構成する側構体と、長手方向の端面を構成する妻構体と、下面を構成する台枠とから成り、台枠を二枚の面板と該面板同士を接続するリブから成る中空形材で構成し、台枠の幅方向中央部を構成する中空形材の厚みを台枠の幅方向端部を構成する中空形材の厚みより厚くすることを特徴とする。

本発明によれば、床下機器との干渉を回避できる位置に台枠を配置した上で、厚みの薄い中空形材の上部に給気用ダクトを配置して給気を運搬し、厚みの厚い中空形材の内部の空間を利用して還気を運搬することができる。また、気密圧力に対して多大な曲げ荷重が作用する幅方向中央部の台枠の厚みが厚いので、気密圧力に対する剛性や強度を確保できる。これにより、高速車両の台枠を中空形材で構成することを可能にし、軌条車両の製作を単純化して製作コストを低減できる。

図１は、高速車両用の鉄道車両構体の斜視図である。 図２は、本発明の実施例に係る図１に示す鉄道車両構体の一般部（Ａ−Ａ部分）の垂直断面図である。 図３は、本発明の実施例に係る図１に示す鉄道車両構体の空調装置取付部（Ｂ−Ｂ部分）の垂直断面図である。 図４は、本発明の実施例に係る図１に示す鉄道車両構体の吹寄せ部（Ｃ−Ｃ部分）の垂直断面図である。 図５は、本発明の実施例に係る図１に示す鉄道車両構体の窓部（Ｄ−Ｄ部分）の垂直断面図である。 図６は、従来技術における図１に示す鉄道車両構体の一般部（Ａ−Ａ部分）の垂直断面図である。 図７は、等分布荷重を負荷した梁の曲げ荷重分布を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態である軌条車両の一例を実施例を説明する。

図１は、鉄道車両構体の一例を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、鉄道車両構体１の上下（高さ）方向を１０１とし、それに直交する幅方向と長手方向をそれぞれ１０２、１０３とする。鉄道車両構体１は、台枠４の幅方向１０２の両端部に立設された側構体３、３（一方のみ図示）、台枠４の長手方向１０３の両端部に立設された妻構体５、５（一方のみ図示）及び側構体３、３と妻構体５、５との上下（高さ）方向１０１の上端部に載置された屋根構体２から構成される。側構体３、３には、乗客が乗降するための出入口や乗客が車外の景色を見るための窓６が備えられる。台枠４の下方には、車内の空気を循環させる空調装置７が備えられる。

図２に、図１に示す鉄道車両構体１のＡ−Ａ断面図を示す。屋根構体２、側構体３及び台枠４は、対向する二枚の面板と該面板同士を接続する複数のリブから成るアルミニウム合金製の中空形材を接合することによって構成される。また、その押出方向を鉄道車両構体１の長手方向１０３にしている。以下、台枠４の構成について、詳細に説明する。

幅方向１０２の中央部に位置する中央部台枠１１を構成する中空形材の厚み（上下方向１０１の高さ）は、幅方向１０２の端部に位置する端部台枠１２を構成する中空形材の厚み（上下方向１０１の高さ）より厚い。中央部台枠１１と端部台枠１２の下側面板１８は略同一水平面上にある。中央部台枠１１と端部台枠１２の上側面板１７は、中央部台枠１１の方が端部台枠１２より上方に位置し、その境界部で滑らかに接続される。すなわち、台枠４は、端部台枠１２の位置で、下方への凹みを有する態様となっている。

端部台枠１２の上部には、空調装置７から車内に空気を運搬する給気用ダクト１３が備えられる。給気用ダクト１３は、鉄道車両構体１の長手方向１０３に延伸しており、空間を有効に活用できるよう、給気用ダクト１３の下面は、端部台枠１２から該端部台枠１２と中央部台枠１１とを滑らかに接続する部位までの上側面板１７に沿っている。一方、車内から空調装置７への空気の運搬は、中央部台枠１１を構成する厚みの厚い中空形材の内部の還気用空間１４を通じて行われる。従って、従来の高速車両に使用されていた還気用ダクトは存在しない（例えば、図６の還気用ダクト５４）。

中央部台枠１１の上側面板１７の上部には床板支持台２１が設けられ、側構体３の車内側には床板受１６が設けられる。中央部床板２２は中央部台枠１１の上方で床板支持台２１により略水平面上に支持される。端部床板２３は給気用ダクト１３の上方で床板支持台２１と床板受１６により略水平面上に支持される。端部床板２３が側構体３に支持されることにより、台枠４からの振動が車内に伝わりにくくなる。中央部床板２２と端部床板２３の高さ方向１０１の位置は概ね同一である。また、両者の間には隙間２５が存在するとともに、両者の上面には床敷物２４が取り付けられる。

中央部床板２２と端部床板２３の上部には座席支持台３２が設けられ、側構体３の車内側には座席受１５が設けられる。座席３１は、座席支持台３２と座席受１５により略水平上に支持される。座席３１の側面には、車内の外観を良好にするための内装パネル３３（破線表示）が設けられる。中央部床板２２と端部床板２３の間の隙間２５は、座席３１の下方に位置する。

図１に示す鉄道車両構体１のＢ−Ｂ断面図を図３に、Ｃ−Ｃ断面図を図４に、Ｄ−Ｄ断面図を図５に、それぞれ示す。図３は空調取付部の垂直断面図、図４は窓と窓の間の吹寄せ部の垂直断面図及び図５は窓部の垂直断面図、をそれぞれ表している。以下、これらの図を用いて、本実施例における車内の空気循環について説明する。
図３に示す空調取付部において、端部台枠１２を構成する中空形材、給気用ダクト１３の下面、及び、中央部台枠１１の下側面板１８に、それぞれ上下（高さ）方向１０１に貫通する開口が設けられる。

空調装置７から車内に運搬される給気４１は、端部台枠１２を構成する中空形材と給気用ダクト１３の下面に設けられた開口を通じて給気用ダクト１３の内部に供給され、また、給気用ダクト１３を通じて鉄道車両構体１の長手方向１０３の全体に行き渡る。
一方、車内から空調装置７に運搬される還気４２は、中央部台枠１１の下側面板１８に設けられた開口を通じて、空調装置７に戻される。

給気用ダクト１３を通じて運搬される給気４１は、図４に示す吹寄せ部において、側構体３と内装パネル３３の間で上下（高さ）方向１０１に延伸する給気用ダクト１３を通じて、窓の上部から車内に供給される。
一方、車内からの還気４２は、図５に示す窓部において、中央部床板２２と端部床板２３の間の隙間２５と中央部台枠１１の上側面板１７に設けられた開口を通じて、中央部台枠１１を構成する中空形材の内部の還気用空間１４（図４）に供給される。そして、該還気用空間１４を通じて運搬される還気４２は、空調装置７に戻される。車内からの還気４２の取り込み口では、床敷物２４にも上下（高さ）方向１０１に貫通する開口が設けられる。なお、ここでは、車内からの還気４２の取り込み口を窓部（図５）に設けているが、車内の見栄えが悪化しないように座席３１の下方である限り、吹寄せ部（図４）に設けても良い。

以上の構成によれば、厚みの厚い中空形材の内部の空間を利用して還気を運搬する。これにより、台枠と床板の間に必要な空間が小さくて済み、床板の高さ方向の位置を維持したままで、床下機器との干渉を回避できる位置に中空形材で構成した台枠を配置することができる。なお、従来使用していた還気用ダクト（例えば、図６の還気用ダクト５４）の省略は、材料コスト及び製作コストの低減に繋がる。
ここで、気密圧力が作用した際の台枠４の曲げ荷重分布について述べる。図７は、梁６３を支持部６１で単純支持し等分布荷重６２を負荷した際の曲げ荷重分布６４を示す図である。台枠４の曲げ荷重分布は、図に示す曲げ荷重分布６４で置き換えられるため、中央部台枠１１には端部台枠１２と比較して多大な曲げ荷重が作用する。

本実施例では、気密圧力に対して多大な曲げ荷重が作用する中央部台枠の厚みを厚くしているため、端部台枠の厚みを薄くしてその上部に給気用ダクトを設けても、気密圧力に対する剛性や強度を確保できる。これにより、高速車両の台枠を中空形材で構成することが可能になるので、軌条車両の製作を単純化でき、製作コストも低減できる。

また、台枠を構成する中空形材の下側面板が略同一水平面上に配置されているので、中空形材と一体で成型した受金を利用して、床下機器を取り付けることが可能となる。すなわち、床下機器の取り付け部に別途受金を設ける必要がなく、さらなる製作の単純化をもたらす。加えて、台枠を構成する中空形材の上側面板は中央部から端部にかけて滑らかに接続されているため、中空形材の厚みの急変による応力集中を回避することができる。

本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の各請求項の記載又は課題を解決するための手段の項の記載に基づいて定められるが、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：鉄道車両構体、２：屋根構体、３：側構体、４：台枠、５：妻構体、６：窓、
７：空調装置、１１：中央部台枠、１２：端部台枠、１３：給気用ダクト、
１４：還気用空間、１５：座席受、１６：床板受、１７：上側面板、１８：下側面板、
２１：床板支持台、２２：中央部床板、２３：端部床板、２４：床敷物、２５：隙間、
３１：座席、３２：座席支持台、３３：内装パネル、４１：給気、４２：還気、
５１：Ｔリブ付形材、５２：横梁、５３：床板、５４：還気用ダクト、
６１：支持部、６２：等分布荷重、６３：梁、６４：曲げ荷重分布、
１０１：上下（高さ）方向、１０２：幅方向、１０３：長手方向

Claims (6)

1. 上面を構成する屋根構体と、側面を構成する側構体と、長手方向の端面を構成する妻構体と、下面を構成する台枠と
   から成り、
   前記台枠は、二枚の面板と該面板同士を接続するリブから成る中空形材で構成され、
   前記台枠の幅方向中央部を構成する前記中空形材の厚みが、前記台枠の幅方向端部を構成する前記中空形材の厚みより厚く、
   前記台枠を構成する前記中空形材は、略同一水平面上に配置した下側面板と、前記台枠の前記幅方向中央部に配置した第１の上側面板と、前記台枠の前記幅方向端部に配置しかつ前記第１の上側面板より下方に位置する第２の上側面板と、前記第１の上側面板と前記第２の上側面板とを滑らかに接続した第３の上側面板とを有し、
   前記下側面板の下方に配置される空調装置と、前記第２及び前記第３の上側面板の上方に配置されかつ前記台枠の長手方向に延伸する空調用ダクトとを備え、
   前記台枠の前記幅方向端部を構成する前記中空形材に設けた上下方向に貫通する給気用開口が、前記空調装置の上方に位置し、
   前記給気用開口を通じて前記空調装置から車内に運搬される給気が、前記空調用ダクトの内部を通過する
   ことを特徴とする軌条車両。
2. 請求項１に記載の軌条車両であって、
   前記第１の上側面板及び前記台枠の前記幅方向中央部で前記空調装置の上方に位置する前記下側面板は、それぞれ還気用開口を有し、
   それぞれの前記還気用開口を通じて前記車内から前記空調装置に運搬される還気が、前記台枠の前記幅方向中央部を構成する前記中空形材の内部を通過する
   ことを特徴とする軌条車両。
3. 請求項２に記載の軌条車両であって、
   前記第１の上側面板が有する前記還気用開口は、前記車内に複数配置される座席の下方に設けられる
   ことを特徴とする軌条車両。
4. 請求項１に記載の軌条車両であって、
   前記空調用ダクトの下面は、前記第２の上側面板及び前記第３の上側面板に沿った形状である
   ことを特徴とする軌条車両。
5. 請求項１に記載の軌条車両であって、
   前記第１の上側面板の上方及び前記空調用ダクトの上面の上方に、略水平面上に配置される床板を備える
   ことを特徴とする軌条車両。
6. 請求項５に記載の軌条車両であって、
   前記床板は、前記第１の上側面板に設けた床板支持台及び前記側構体の車内側に設けた床板受に支持される
   ことを特徴とする軌条車両。

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