JP7237692B2 - 鉄道車両構体 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両構体に関する。

鉄道車両構体として、側構体にドア部を設けた構成が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１には、側構体において、外板にドアフレームを溶接する構成が開示されている。

特開２００７－１１２３４３号公報

鉄道車両構体では、デザイン性の問題など様々な観点から、外板よりも内側にドアフレームが配置され（以下、「内嵌め構造」という）、ドアフレームを挟んで外板と側梁とを溶接することがある。ドアフレームの板厚は、鉄道車両構体の強度を確保するために、一般に外板の板厚より厚くなっている。このため、内嵌め構造の形成においては、溶接の接合強度の確保と入熱の抑制との両立が課題となっていた。

また、内嵌め構造を採用する場合、ドアフレームが配置されていない位置では、ドアフレームの板厚の分だけ外板と側梁との間に隙間が生じ得る。この隙間を埋めるには、例えば当該隙間にドアフレームの板厚と等しい厚さを有する別の強度部材を設けることが考えられる。しかしながら、かかる別部材が配置された場合にも、上述したドアフレームの溶接の場合と同様に、溶接の接合強度の確保と入熱の抑制との両立が課題となる。

本発明は、内嵌め構造において溶接の接合強度の確保と入熱の抑制とを両立できる鉄道車両構体を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る鉄道車両構体は、ドア用開口部が設けられた外板と、外板の内側に配置された側梁と、ドア用開口部に対応する位置で外板と側梁とに挟まれたドアフレームと、を備え、ドアフレームは、厚肉の本体部と、本体部よりも薄い薄肉部と、を有し、ドアフレームは、薄肉部において外板及び側梁に溶接されている。

この鉄道車両構体では、ドアフレームは、外板と側梁とに挟まれ、本体部よりも薄い薄肉部において外板及び側梁に溶接されている。このため、内嵌め構造において、本体部によってドアフレームの強度を確保しつつ、薄肉部によって入熱が抑制された溶接を行うことができる。また、外板と側梁とに挟まれた薄肉部が本体部よりも薄い分だけ、ドアフレームが配置されていない位置でも外板と側梁との間の隙間が縮小されている。このため、ドアフレームが配置されていない位置に別の強度部材を配置する場合においても、溶接の接合強度の確保と入熱の抑制とを両立できる。

本体部と薄肉部との間には、湾曲面が設けられていてもよい。この場合、本体部と薄肉部との間における応力集中を緩和できる。

本体部と薄肉部との間には、傾斜面が設けられており、傾斜面と薄肉部の表面とのなす角は、鈍角であってもよい。この場合、本体部と薄肉部との間における応力集中を緩和できる。

薄肉部は、側梁に沿って延在していてもよい。この場合、ドアフレームにおける薄肉部の形成面積が抑えられるので、ドアフレーム自体の強度の低下を抑えられる。

ドア用開口部に対応する位置を除く位置において、外板と側梁とは、別の強度部材を介して溶接されていてもよい。上記構成を有する鉄道車両構体によれば、当該別の強度部材を薄くできる。

本発明によれば、内嵌め構造において溶接の接合強度の確保と入熱の抑制とを両立できる鉄道車両構体を提供することができる。

本実施形態に係る鉄道車両構体を示す概略斜視図である。 鉄道車両構体の部分断面図である。 外板の概略的な正面図である。 外板とドアフレームと側梁との結合体を示す概略的な正面図である。 ドアフレームの概略的な正面図である。 ドアフレームの概略的な側面図である。 外板とドアフレームと側梁との溶接箇所の拡大断面図である。 外板と長土台と側梁との溶接箇所の拡大断面図である。 外板とドアフレームと側梁との溶接箇所の拡大断面図である。 比較例に係る外板とドアフレームと側梁との溶接箇所の拡大断面図である。 比較例に係る外板と長土台と側梁との溶接箇所の拡大断面図である。 本実施形態の変形例に係る鉄道車両構体のドアフレームの概略的な正面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。

まず、図１及び図２を参照して、本実施形態に係る鉄道車両構体について説明する。図１は、鉄道車両構体の一例を示す斜視図である。図１に示されているように、鉄道車両構体１は、台枠２と、側構体３と、屋根構体４と、妻構体５とを備えている。鉄道車両構体１は、台枠２、側構体３、屋根構体４、及び妻構体５が相互に接合されることにより、乗客を収容する空間を内部に有する箱型形状をなしている。

台枠２は、鉄道車両の床部を構成する構体として鉄道車両構体１の底部に配置されている。側構体３及び妻構体５は、車両の側部を構成する構体として、台枠２の左右の縁部及び前後の縁部を囲むように立設されている。側構体３には、ドア扉が取り付けられるドア部６が等間隔に設けられている。

また、ドア部６，６間と側構体３の両端部とには、窓部７が設けられている。妻構体５には、乗員が車両間を行き来するための出入口部８が設けられている。屋根構体４は、鉄道車両の屋根部を構成する構体であり、台枠２、側構体３及び妻構体５によって囲まれる空間に対して蓋をするように鉄道車両構体１の上部に配置されている。車両の屋根構体４には、その上部に車内の温度を調整するためのエアコンディショナー、及びパンタグラフ（図示しない）などが設置されている。

図２は、鉄道車両構体１からドア扉及び窓が取り外された状態における部分断面図である。側構体３は、外板１０と、外板１０に溶接されたドアフレーム２０とを含む。台枠２は、側梁３０を含む。側梁３０は、鉄道車両構体１の長手方向に延在しており、外板１０の内側に配置されている。側構体３と側梁３０とは、互いに溶接されている。本実施形態に係る鉄道車両構体１では、ドアフレーム２０が外板１０の内側に配置されている。換言すれば、ドアフレーム２０は、外板１０よりも鉄道車両構体１の内側に配置されている。

次に、図３から図６を参照して、外板１０とドアフレーム２０とについて詳細に説明する。図３は、外板１０を示す概略平面図である。図４は、外板１０にドアフレーム２０が設けられた状態を示す概略平面図である。

図３に示されているように、外板１０は、幕板１２と腰板１３とが接合されて構成されている。幕板１２は車両上側に位置し、腰板１３は車両下側に位置する。幕板１２は、複数の切欠部１２ａ，１２ｂを有する。腰板１３は、複数の切欠部１３ａ，１３ｂを有する。２つの幕板１２の切欠部１２ａと２つの腰板１３の切欠部１３ａとによって、ドア部６を構成するドア用開口部６ａが画定されている。１つの幕板１２の切欠部１２ｂと１つの腰板１３の切欠部１３ｂとによって、窓部７を構成する窓用開口部７ａが画定されている。図４に示されているように、ドア用開口部６ａには、矩形枠状のドアフレーム２０が溶接されている。ドアフレーム２０は、外板１０の厚さ方向から見て、四辺のうち三辺で外板１０に溶接されている。

図５は、ドアフレーム２０を開口方向から見た状態を示す図である。図６は、ドアフレーム２０を開口方向に直交する方向から見た状態を示す図である。図５及び図６に示されているように、ドアフレーム２０は、外板１０の内面１０ａに接する平板部２１と、平板部２１と交差する方向に延在する平板部２２とを有する。側面１０ｂは、ドア用開口部６ａを画定する面である。平板部２１と平板部２２とは、互いに一体に成形されている。

ドアフレーム２０に設けられた開口の四隅は、湾曲している。平板部２１の外周縁２１ａは角張っているのに対して、平板部２１の内周縁２１ｂは外周縁２１ａよりも丸められている。平板部２２は、ドアフレーム２０の四隅において、平板部２１の内周縁２１ｂに沿った湾面を有する。

図５に示されているように、ドアフレーム２０の平板部２１は、厚肉の本体部２３、本体部２３よりも薄い薄肉部２４、及び、本体部２３と薄肉部２４との間に位置する段差部２５とを含む。本体部２３、薄肉部２４、及び段差部２５は、互いに一体に成形されている。本体部２３の板厚は、外板１０の板厚よりも厚い。薄肉部２４は、本体部２３の下方において、本体部２３に接続されている。薄肉部２４は、鉄道車両構体１の長手方向に延在している。段差部２５は、本体部２３と薄肉部２４とを接続している。段差部２５も、鉄道車両構体１の長手方向に延材している。本実施形態では、平板部２１は、段差部２５を境に、外板１０に接する面と反対側の面が薄肉部２４の位置で窪むように形成されている。換言すれば、薄肉部２４は、厚さ方向において外板１０側に窪んでいる。

本実施形態では、平板部２１において外板１０に接する面は、本体部２３の位置と薄肉部２４の位置とで面一に構成されている。平板部２１の構成はこれに限定されず、例えば、段差部２５が外板１０側に設けられていてもよい。換言すれば、平板部２１は、外板１０に接する面が薄肉部２４の位置で窪むように形成されていてもよい。外板１０に接する面が窪む構成では、外板１０は、平板部２１の窪んだ形状に沿って湾曲していてもよい。

次に、図７及び図８を参照して、側構体３と側梁３０との溶接箇所の構成について更に詳細に説明する。図７は、ドアフレーム２０が配置されている位置の溶接箇所の断面を示している。図８は、ドアフレーム２０が配置されていない位置の溶接箇所の断面を示している。側梁３０は、断面Ｕ字形状であり、外板１０の厚さ方向に直交する平板部３１と、側梁３０の延在方向から見て平板部３１に直交する平板部３２，３３とを有する。

平板部３２，３３は、側梁３０の延在方向から見て、それぞれ平板部３１の一端と他端とに接続されている。平板部３２は、平板部３３に対向しており、平板部３１，３３よりも上方に位置する。平板部３１，３２，３３は、鉄道車両構体１の長手方向に延在している。ドアフレーム２０の薄肉部２４は、平板部３１に沿って延在している。図７及び図８に示されている断面は、薄肉部２４の延在方向に直交する面である。

図７に示されているように、側梁３０の平板部３１は、ドアフレーム２０を挟んで外板１０に溶接されている。ドアフレーム２０は、薄肉部２４において側梁３０と外板１０とに挟まれている。換言すれば、側梁３０は、厚さ方向から見て薄肉部２４の形成位置でドアフレーム２０及び外板１０に溶接されている。本実施形態では、外板１０とドアフレーム２０と側梁３０とは抵抗スポット溶接で溶接されている。このため、外板１０とドアフレーム２０と側梁３０との溶接箇所にはナゲット４１が形成されている。ナゲット４１は、薄肉部２４を貫通し、外板１０と側梁３０とを接続している。外板１０とドアフレーム２０と側梁３０とは、抵抗スポット溶接以外の溶接方法によって溶接されてもよい。

図８に示されているように、側構体３は、厚さ方向から見てドアフレーム２０が配置されていない位置に長土台５０を含んでいる。長土台５０は、外板１０の厚さ方向に直交する平板部５１を有する。平板部５１は、鉄道車両構体１の長手方向に延在している。側梁３０の平板部３１は、図８に示されているように、ドアフレーム２０が配置されていない位置において長土台５０を挟んで外板１０に溶接されている。長土台５０は、平板部５１において側梁３０と外板１０とに挟まれている。本実施形態では、外板１０と長土台５０と側梁３０は、抵抗スポット溶接で溶接されている。このため、外板１０と長土台５０と側梁３０との溶接箇所には、ナゲット４２が形成されている。ナゲット４２は、長土台５０を貫通し、外板１０と側梁３０とを接続している。外板１０と長土台５０と側梁３０とは、抵抗スポット溶接以外の溶接方法によって溶接されてもよい。

本実施形態では、図７に示されているように、段差部２５は、外板１０に向かって湾曲する湾曲面２５ａを有している。湾曲面２５ａは、本体部２３と薄肉部２４との間に設けられている。湾曲面２５ａは、本体部２３の表面２３ａ及び薄肉部２４の表面２４ａに接続されている。本体部２３の表面２３ａ及び薄肉部２４の表面２４ａは、外板１０の厚さ方向に直交する平面である。

薄肉部２４の段差部２５は、図７に示した形状に限定されない。例えば、薄肉部２４の段差部２５は、図９に示した形状を有していてもよい。図９は、一例として、ドアフレーム２０が配置されている位置の溶接箇所の断面を示している。この場合においても、外板１０とドアフレーム２０と側梁３０とは、抵抗スポット溶接によって溶接されてもよいし、他の溶接方法によって溶接されてもよい。図９に示されている構成では、段差部２５は、傾斜面２５ｂを有している。換言すれば、傾斜面２５ｂが、本体部２３と薄肉部２４との間に設けられている。傾斜面２５ｂは、本体部２３の表面２３ｂ及び薄肉部２４の表面２４ｂに接続されている。本体部２３の表面２３ｂ及び薄肉部２４の表面２４ｂは、外板１０の厚さ方向に直交する平面である。傾斜面２５ｂと薄肉部２４の表面２４ｂとのなす角αは、鈍角である。例えば、なす角αは、９０°より大きく１８０°未満である。

図７から図９に示されているように、ドアフレーム２０の本体部２３の板厚ｔ１は、外板１０の板厚ｔ２及び側梁３０の平板部３１の板厚ｔ３よりも厚い。ドアフレーム２０の薄肉部２４の板厚ｔ４は、ドアフレーム２０の本体部２３の板厚ｔ１よりも薄い。ドアフレーム２０の薄肉部２４の板厚ｔ４は、長土台５０の平板部５１の板厚ｔ５と等しくなっている。「等しい」には、製造誤差の範囲も含まれる。本実施形態では、例えば、板厚ｔ１は４ｍｍであり、板厚ｔ２は１．５ｍｍであり、板厚ｔ３は３ｍｍであり、板厚ｔ４は１．５ｍｍであり、板厚ｔ５は１．５ｍｍである。

抵抗スポット溶接を行う場合には、抵抗スポット溶接に用いられる一対の電極で挟まれる部分の厚さが、板厚ｔ２の５倍以下であることが好ましい。したがって、本実施形態では、板厚ｔ２と板厚ｔ３と板厚ｔ４の合計は、板厚ｔ２の５倍以下であることが好ましい。板厚ｔ２と板厚ｔ３と板厚ｔ５の合計は、板厚ｔ２の５倍以下であることが好ましい。

次に、図１０及び図１１を参照して、本実施形態に係る鉄道車両構体１における作用効果について説明する。図１０は、比較例に係る外板とドアフレームと側梁との溶接箇所の拡大断面図である。図１１は、比較例に係る外板と長土台と側梁との溶接箇所の拡大断面図である。

図１０には、ドアフレーム６０が側梁３０の平板部３１と外板１０とに挟まれた内嵌め構造が示されている。ドアフレーム６０の板厚ｔ６は、鉄道車両構体の強度を確保するために、外板１０の板厚ｔ２よりも厚い。例えば、ドアフレーム６０の板厚ｔ６は、ドアフレーム２０の本体部２３の板厚ｔ１と等しい。板厚ｔ６は、例えば、４ｍｍである。この場合、ドアフレーム６０が比較的厚いため、外板１０とドアフレーム６０と側梁３０の平板部３１とが適切に溶接され難い。仮に、外板１０とドアフレーム６０と側梁３０の平板部３１との溶接において溶接強度を確保しようとすれば、比較的大きな入熱が発生するため、溶接歪みが懸念される。したがって、内嵌め構造において、溶接の接合強度の確保と入熱の抑制との両立が課題となっている。

また、ドアフレーム６０が配置されていない位置では、ドアフレーム６０の板厚ｔ６の分だけ外板１０と側梁３０の平板部３１との間に隙間が生じる。例えば、図１１に示されているようにドアフレーム６０が配置されていない位置に長土台５０が配置される構成では、長土台５０の板厚ｔ５がドアフレーム６０の板厚ｔ６よりも薄いため、長土台５０と側梁３０との間にスペーサ７０が配置されている。スペーサ７０の板厚ｔ７は、例えば、２．５ｍｍである。この場合、板厚ｔ５と板厚ｔ７との合計が板厚ｔ６と等しい。この場合、外板１０と側梁３０との間に複数の別部材が含まれるため、溶接作業は更に困難である。

外板１０と側梁３０との間に生じた隙間を埋めるように、長土台５０を厚くする構成も考えられる。しかし、この場合も、ドアフレーム６０の溶接の場合と同様に、溶接の接合強度の確保と入熱の抑制との両立が課題となる。さらには、長土台５０を厚くした分だけ、鉄道車両構体１の全体の重量も増加するという問題も生じる。

鉄道車両構体１では、ドアフレーム２０は、外板１０と側梁３０とに挟まれ、本体部２３よりも薄い薄肉部２４において外板１０及び側梁３０に溶接されている。このため、内嵌め構造において、本体部２３によってドアフレーム２０の強度を確保しつつ、薄肉部２４によって入熱が抑制された溶接を行うことができる。また、外板１０と側梁３０とに挟まれた薄肉部２４が本体部２３よりも薄い分だけ、ドアフレーム２０が配置されていない位置でも外板１０と側梁３０との間の隙間が縮小されている。図８に示されているように、ドアフレーム２０が配置されていない位置に別の強度部材として長土台５０を配置する場合においても、長土台５０の板厚ｔ５を大きくしたりスペーサ７０を配置したりすることなく、外板１０と側梁３０との間の隙間を埋めることができる。この結果、内嵌め構造においても、溶接の接合強度の確保と入熱の抑制とが両立され得る。

本体部２３と薄肉部２４との間には、湾曲面２５ａが設けられている。この場合、本体部２３と薄肉部２４との間における応力集中を緩和できる。

本体部２３と薄肉部２４との間には、傾斜面２５ｂが設けられており、傾斜面２５ｂと薄肉部２４の表面２４ａとのなす角αは、鈍角である。この場合、本体部２３と薄肉部２４との間における応力集中を緩和できる。

薄肉部２４は、側梁３０に沿って延在している。この場合、ドアフレーム２０における薄肉部２４の形成面積が抑えられるので、ドアフレーム２０自体の強度の低下を抑えられる。

ドア用開口部６ａに対応する位置を除く位置において、外板１０と側梁３０とは、別の強度部材を介して溶接されている。例えば、図８に示される構成では、外板１０と側梁３０とが長土台５０を介して溶接されている。上記構成を有する鉄道車両構体１によれば、これら別の強度部材を薄くできる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

例えば、薄肉部２４は、溶接を行う箇所のみに設けられてもよい。薄肉部２４が、例えば切削加工で形成される場合、薄肉部２４を溶接箇所のみに設けることで加工部分が削減される。この結果、作業工数及びコストが削減され得る。

本実施形態では、薄肉部２４が側梁３０に沿って延在している場合について説明した。しかし、本実施形態の変形例として、図１２に示されているように、薄肉部２４は、ドアフレーム２０の下方において、２箇所の角部に設けられていてもよい。この場合、各薄肉部２４は、例えば、ドアフレーム２０を開口方向から見て矩形状である。２つの薄肉部２４の間には、本体部２３が位置している。この場合、段差部２５も各薄肉部２４に沿って設けられる。図１２は、本実施形態の変形例に係る鉄道車両構体のドアフレームの概略的な正面図である。

１…鉄道車両構体、６ａ…ドア用開口部、１０…外板、２０…ドアフレーム、２３…本体部、２４…薄肉部、２５ａ…湾曲面、２５ｂ…傾斜面、３０…側梁、α…なす角、５０…長土台。

Claims (5)

1. ドア用開口部が設けられた外板と、
   前記外板の内側に配置された側梁と、
   前記ドア用開口部に対応する位置で前記外板と前記側梁とに挟まれたドアフレームと、を備え、
   前記ドアフレームは、
   厚肉の本体部と、前記本体部よりも薄い薄肉部と、を有し、
   前記ドアフレームは、前記薄肉部において前記外板及び前記側梁に溶接されている、鉄道車両構体。
2. 前記本体部と前記薄肉部との間には、少なくとも湾曲面が設けられている、請求項１に記載の鉄道車両構体。
3. 前記本体部と前記薄肉部との間には、少なくとも傾斜面が設けられており、
   前記傾斜面と前記薄肉部の表面とのなす角は、鈍角である、請求項１又は２に記載の鉄道車両構体。
4. 前記薄肉部は、前記側梁に沿って延在している、請求項１～３のいずれか一項に記載の鉄道車両構体。
5. 前記ドア用開口部に対応する位置を除く位置において、前記外板と前記側梁とは、別の強度部材を介して溶接されている、請求項１～４のいずれか一項記載の鉄道車両構体。

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