JP7241585B2 - 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

鉄道車両構体の製造において、互いに異なる板厚を有する部材を重ねて溶接する場合がある。例えば外板のドア用開口部に溶接され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、一般に外板の板厚より厚くなっている。この場合において、例えばレーザ溶接又は摩擦攪拌接合では、美観の向上など様々な観点から、板厚が厚い部材側から溶接を行うことがある。しかしながら、板厚が厚い部材側から溶接を行う場合には、板厚が薄い部材側から溶接する場合よりも大きな入熱を要することが考えられる。入熱が大きいほど、溶接箇所での溶接歪みが大きくなるという問題が生じ得る。

また、例えば抵抗スポット溶接では、溶接部材を挟む電極間の中央付近を中心にナゲットが形成される。このため、互いに異なる板厚を有する部材を溶接する場合には、ナゲットの中心が部材間の境界から厚さ方向にずれてしまうことが考えられる。そのため、部材間の境界における接合面積を大きくするためには、同一の板厚を有する部材を溶接する場合に比べて大きなナゲットを形成する必要があり、やはり溶接箇所での溶接歪みが大きくなるという問題が生じ得る。

本発明は、互いに異なる板厚を有するドアフレームと外板とが溶接歪みを抑えた状態で溶接された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、ドア用開口部に溶接されたドアフレームと、を備え、ドアフレームは、外板の板厚よりも厚い本体部と、厚さ方向において外板側に窪んだ窪み部と、を有し、外板とドアフレームとは、厚さ方向から見て窪み部の形成位置で溶接されている。

この鉄道車両構体では、ドアフレームが外板側に窪んだ窪み部を有しており、ドアフレームと外板とは、窪み部の形成位置で溶接されている。窪み部は本体部よりも板厚が薄いため、例えばレーザ溶接又は摩擦攪拌接合によってドアフレーム側から溶接を行う場合にも、ドアフレームと外板との溶接時の入熱を抑制できる。また、例えば抵抗スポット溶接を行う場合にも、ナゲットを過剰な大きさにすることなくナゲットの中心をドアフレームと外板との境界近くに位置させることが可能となる。したがって、この鉄道車両構体では、互いに異なる板厚を有するドアフレームと外板とが溶接歪みを抑えた状態で溶接できる。

窪み部におけるドアフレームの板厚は、外板の板厚と等しくなっている。この場合、ドアフレームと外板との溶接時の入熱を更に抑制できる。したがって、溶接歪みを一層抑えることが可能となる。

ドアフレームは、外板の内側に配置されていてもよい。この場合、溶接箇所が車内側を向くため、鉄道車両構体の外観を向上させることができる。

窪み部の内側面と底面との間には、湾曲面が設けられていてもよい。この場合、窪み部での応力集中を緩和できる。

窪み部の内側面と底面とのなす角は、鈍角であってもよい。この場合、窪み部での応力集中を緩和できる。

窪み部は、外板のドア用開口部の縁に沿って延在していてもよい。この場合、窪み部を基準としてドアフレームと外板との溶接位置の位置決めを容易化できる。また、窪み部を溶接時のガイドとして利用できるので、溶接作業性の向上が図られる。

窪み部は、外板のドア用開口部の縁に沿って点在していてもよい。この場合、ドアフレームにおける窪み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。

本発明によれば、互いに異なる板厚を有するドアフレームと外板とが溶接歪みを抑えた状態で溶接された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。 ドアフレーム及び外板の溶接箇所の拡大断面図である。 ドアフレーム及び外板の溶接箇所の拡大断面図である。 変形例に係るドアフレームの概略的な正面図である。 変形例に係るドアフレームの概略的な正面図である。 比較例に係るドアフレーム及び外板の溶接箇所の拡大断面図である。

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からドア扉及び窓などが取り外された状態における部分断面図である。図２に示されているように、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。外板１０とドアフレーム２０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との溶接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、外板１０の側面１０ｂに接する平板部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、互いに一体に形成されている。

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、本体部２３と窪み部２４とを含む。本体部２３の板厚は、外板１０の板厚よりも厚い。窪み部２４は、平板部２１において、外板１０に接する平面と反対側に設けられている。窪み部２４は、厚さ方向において本体部２３から外板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に接する平面は面一で構成されている。

外板１０とドアフレーム２０とは、厚さ方向から見て窪み部２４の形成位置で溶接されている。本実施形態において、窪み部２４は、溝形状を有し、平板部２１の内周縁２１ｂに沿って延在している。換言すれば、窪み部２４は、ドア用開口部６ａの縁に沿って延在している。ドアフレーム２０には、厚さ方向から見てドア用開口部６ａを囲むように形成された１つの窪み部２４が設けられている。

次に、図７を参照して、窪み部２４の構成について更に詳細に説明する。図７は、一例として抵抗スポット溶接を行った場合における外板１０とドアフレーム２０の平板部２１との断面を示している。外板１０とドアフレーム２０の平板部２１とは、他の溶接方法によって溶接されてもよい。図７に示されている断面は、窪み部２４の延在方向に直交する面である。窪み部２４は、内側面２４ａと底面２４ｂとを有し、内側面２４ａと底面２４ｂとによって画定されている。底面２４ｂは、外板１０に平行な平面である。換言すれば、底面２４ｂは、外板１０の厚さ方向に直交する平面である。本実施形態では、内側面２４ａは、外板１０の厚さ方向に平行な平面であり、底面２４ｂの法線方向と平行である。本実施形態では、窪み部２４の内側面２４ａと底面２４ｂとの間には、湾曲面２４ｃが設けられている。

窪み部２４の断面は、図７に示した形状に限定されない。例えば、窪み部２４の断面は、図８に示した形状を有していてもよい。図８は、一例として、抵抗スポット溶接を行った場合における外板１０とドアフレーム２０の平板部２１と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の平板部２１とは、他の溶接方法によって溶接されてもよい。図８に示されている断面は、窪み部２４の延在方向に直交する面である。図８に示されているように、窪み部２４の内側面２４ａは、底面２４ｂの法線方向に対して傾斜していてもよい。この構成では、窪み部２４の内側面２４ａと底面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°より小さい。

図７及び図８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よりも厚い。図７及び図８に示した構成では、窪み部２４におけるドアフレーム２０の板厚ｔ３は、外板の板厚ｔ２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。例えば、板厚ｔ１は２．５～４．０ｍｍであり、板厚ｔ２は１．２～２．０ｍｍであり、板厚ｔ３は１．２～２．０ｍｍである。なお、外板１０とドアフレーム２０とが溶接されている状態では、板厚ｔ３は、ドアフレーム２０の本体部２３の板厚ｔ１から窪み部２４の深さｄを引くことで求められる。抵抗スポット溶接を行う場合には、板厚ｔ３は、板厚ｔ２の４倍以下であることが好ましい。板厚ｔ３は、板厚ｔ２以上であることが好ましい。

図７及び図８に示されているように、外板１０と平板部２１とは、ナゲット４０によって接合されている。ナゲット４０は、厚さ方向から見て、窪み部２４の形成位置に配置されている。ナゲット４０の中心は、外板１０と平板部２１との境界に位置する。このため、外板１０と平板部２１との境界における接合部分の直径Ｌは、厚さ方向から見たナゲット４０の直径と等しくなっている。

ドアフレームに形成される窪み部２４は、上述した形状に限定されない。図９及び図１０を参照して、本実施形態の変形例におけるドアフレームについて説明する。図９は、本実施形態の変形例におけるドアフレーム２０Ａを開口方向から見た状態を示す図である。図１０は、本実施形態の別の変形例におけるドアフレーム２０Ｂを開口方向から見た状態を示す図である。これらの変形例は、概ね、上述した実施形態と類似又は同じである。以下、図５に示した構成との相違点を主として説明する。

図９に示されているドアフレーム２０Ａでは、窪み部２４は、平板部２１の内周縁２１ｂに沿って点在している。換言すれば、窪み部２４は、ドア用開口部６ａの縁に沿って点在している。さらに換言すれば、ドアフレーム２０Ａには、厚さ方向から見て、ドア用開口部６ａを囲むように、複数の窪み部２４が互いに離間して形成されている。本変形例では、ドアフレーム２０Ａの窪み部２４は、厚さ方向から見て円形状に窪んでいる。この場合も、窪み部２４は、内側面２４ａと底面２４ｂとを有する。窪み部２４の厚さ方向から見た形状は、円形状に限定されない。

図１０に示されているドアフレーム２０Ｂでは、厚さ方向から見て、ドア用開口部６ａを囲むように、溝形状を有する複数の窪み部２４が互いに離間して形成されている。複数の窪み部２４が、それぞれ、ドア用開口部６ａの縁に沿って延在している。この場合も、窪み部２４は、内側面２４ａと底面２４ｂとを有する。異なる形状の窪み部２４が混在していてもよい。ドアフレーム２０Ｂでは、溝形状を有する窪み部２４に加えて、円形状を有する窪み部２４が最下部に設けられている。

以上のように、鉄道車両構体１では、ドアフレーム２０，２０Ａ，２０Ｂが外板１０側に窪んだ窪み部２４を有しており、ドアフレーム２０，２０Ａ，２０Ｂと外板１０とは、窪み部２４の形成位置で溶接されている。窪み部２４は本体部２３よりも板厚が薄いため、例えばレーザ溶接又は摩擦攪拌接合によってドアフレーム２０，２０Ａ，２０Ｂ側から溶接を行う場合にも、ドアフレーム２０，２０Ａ，２０Ｂと外板１０との溶接時の入熱を抑制できる。また、例えば抵抗スポット溶接を行う場合には、ナゲット４０を過剰な大きさにすることなくナゲット４０の中心をドアフレーム２０，２０Ａ，２０Ｂと外板１０との境界近くに位置させることが可能となる。したがって、この鉄道車両構体では、互いに異なる板厚を有するドアフレームと外板とが溶接歪みを抑えた状態で溶接できる。

図１１を参照して、抵抗スポット溶接を行う場合における作用効果について詳細に説明する。図１１は、比較例として、窪み部２４を有さないドアフレーム２０と外板１０との断面を示している。外板１０と平板部２１との境界における接合部分の直径Ｌは、図７及び図８に示した構成と等しくなっている。図１１に示した構成では、ナゲット４０の中心がドアフレーム２０と外板１０との境界から離れて位置する。一方、図７及び図８に示した構成では、ドアフレーム２０，２０Ａ，２０Ｂが窪み部２４を有しているため、ナゲット４０の中心はドアフレーム２０，２０Ａ，２０Ｂと外板１０との境界近くに位置する。このため、図７及び図８に示した構成と図１１に示した構成とで接合部分の直径Ｌが等しい状態でも、図７及び図８に示した構成におけるナゲット４０の方が図１１に示した構成のナゲット４０よりも小さく形成される。したがって、図７及び図８に示した構成では、入熱が抑制されるため、溶接歪みも抑制されている。

窪み部２４におけるドアフレーム２０，２０Ａ，２０Ｂの板厚ｔ３は、外板１０の板厚ｔ２と等しくなっている。この場合、ドアフレーム２０，２０Ａ，２０Ｂと外板１０との溶接時の入熱を更に抑制できる。したがって、溶接歪みを一層抑えることが可能となる。例えば、抵抗スポット溶接を用いる場合には、ナゲット４０の中心がドアフレーム２０，２０Ａ，２０Ｂと外板１０との境界付近に形成されるため、入熱が抑制されながら接合強度が向上する。

ドアフレーム２０，２０Ａ，２０Ｂは、外板１０の内側に配置されている。この場合、溶接箇所が車内側を向くため、鉄道車両構体１の外観を向上させることができる。

図７に示されている構成では、窪み部２４の内側面２４ａと底面２４ｂとの間には、湾曲面２４ｃが設けられている。この場合、窪み部２４での応力集中を緩和できる。

図８に示されている構成では、窪み部２４の内側面２４ａと底面２４ｂとのなす角は、鈍角である。この場合も、窪み部２４での応力集中を緩和できる。

ドアフレーム２０，２０Ｂの窪み部２４は、外板１０のドア用開口部６ａの縁に沿って延在している。この場合、窪み部２４を基準としてドアフレーム２０，２０Ｂと外板１０との溶接位置の位置決めを容易化できる。例えば、窪み部２４の縁を画像認識することで、溶接位置を自動で決定できる。また、窪み部２４を溶接時のガイドとして利用できるので、溶接作業性の向上が図られる。例えば、窪み部２４をガイドレールとして、接触子でなぞりながら自動で溶接を行うことができる。

ドアフレーム２０Ａ，２０Ｂの窪み部２４は、外板１０のドア用開口部６ａの縁に沿って点在している。この場合、ドアフレームにおける窪み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。この場合も、例えば、窪み部２４の縁を画像認識することで、溶接位置を自動で決定できる。

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、本実施形態及び変形例では、窪み部２４の底面２４ｂは平面であるとしたが、底面２４ｂは厚さ方向に勾配を有していてもよい。この場合、板厚ｔ３は、窪み部２４の最も窪んでいる位置の厚さである。したがって、この場合の板厚ｔ３は、本体部２３の板厚ｔ１から窪み部２４の最も窪んでいる位置の深さを引くことでも求められる。

１…鉄道車両構体、６ａ…ドア用開口部、１０…外板、２０，２０Ａ，２０Ｂ…ドアフレーム、２３…本体部、２４…窪み部、２４ａ…内側面、２４ｂ…底面、２４ｃ…湾曲面、α…なす角。

Claims (8)

1. ドア用開口部が設けられた外板と、
   前記ドア用開口部に溶接されたドアフレームと、を備え、
   前記ドアフレームは、前記外板の板厚よりも厚い本体部と、厚さ方向において前記外板側に窪んだ窪み部と、を有し、
   前記外板と前記ドアフレームとは、前記厚さ方向から見て前記窪み部の形成位置に配置されたナゲットによって溶接されており、
   前記窪み部における前記ドアフレームの板厚は、前記外板の板厚以上であると共に、前記外板の板厚の４倍以下である、鉄道車両構体。
2. 前記窪み部における前記ドアフレームの板厚は、前記外板の板厚と等しくなっている、請求項１に記載の鉄道車両構体。
3. 前記ドアフレームは、前記外板の内側に配置されている、請求項１又は２に記載の鉄道車両構体。
4. 前記窪み部の少なくとも一部において、前記窪み部の内側面と前記窪み部の底面との間には、湾曲面が設けられている、請求項１～３のいずれか一項に記載の鉄道車両構体。
5. 前記窪み部の少なくとも一部において、前記窪み部の内側面は、前記窪み部の底面に対して傾斜しており、前記内側面と前記底面とのなす角は、鈍角である、請求項１～４のいずれか一項に記載の鉄道車両構体。
6. 前記窪み部は、前記外板の前記ドア用開口部の縁に沿って延在している、請求項１～５のいずれか一項に記載の鉄道車両構体。
7. 前記窪み部は、前記外板の前記ドア用開口部の縁に沿って点在している、請求項１～６のいずれか一項に記載の鉄道車両構体。
8. 前記ナゲットの中心は、前記外板と前記ドアフレームとの境界に位置している、請求項１～７のいずれか一項に記載の鉄道車両構体。

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