WO2016135781A1 - 鉄道車両 - Google Patents

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利行 平嶋
志郎 本間
斉 永原
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Kawasaki Heavy Industries Ltd
Kawasaki Motors Ltd
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Kawasaki Heavy Industries Ltd
Kawasaki Jukogyo KK
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B61F—RAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/26—Rail vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a railway vehicle, and more particularly to a railway vehicle having a floor structure having a floor pan.
  • the railway vehicle structure includes a frame, a pair of side structures provided on both sides of the frame in the vehicle width direction, a roof structure provided over each side structure, and a wife structure provided at both ends in the vehicle longitudinal direction.
  • the underframe has a pair of side beams extending in the vehicle longitudinal direction and a plurality of horizontal beams extending in the vehicle width direction and connected to the pair of side beams.
  • a floor pan (also referred to as a sub-floor pan) is provided in a region surrounded by a pair of side beams and a pair of adjacent horizontal beams, and a floor board is provided above the floor pan.
  • a heat insulating material may be provided between the floor pan and the floor plate, for example, as disclosed in Patent Document 1.
  • a railway vehicle structure is required to have a structural strength that can withstand, for example, a compressive load received from the vehicle end in the longitudinal direction of the vehicle and a torsional load received during jacking up or lifting by a crane during traveling or maintenance. .
  • the strength of the structure may be increased by increasing the thickness of the side beams and the cross beams, or by increasing the number of members that reinforce the underframe, but doing so may increase the weight of the railway vehicle. .
  • an object of the present invention is to increase the structural strength of a railway vehicle structure with a simple configuration while suppressing an increase in weight.
  • a railway vehicle includes a pair of side beams and a plurality of horizontal beams that are connected to the pair of side beams and arranged at intervals in the vehicle longitudinal direction.
  • a floor pan disposed in a region surrounded by a pair of side beams adjacent to each other among the pair of side beams and the plurality of lateral beams, and fixed to the underframe, the floor pan comprising:
  • the strength member is configured to bear at least one of a compressive load and a shear load received from the frame.
  • the floor pan is disposed and fixed to the underframe in the region surrounded by the pair of side beams adjacent to each other among the pair of side beams and the plurality of horizontal beams.
  • the strength member is configured to bear at least one of a compressive load and a shear load to be received.
  • the structural strength of the railway vehicle structure can be increased with a simple configuration while suppressing an increase in weight.
  • FIG. 1 is a schematic side view of a railway vehicle according to an embodiment. It is a top view of the underframe looked down from the perpendicular direction. It is a disassembled perspective view which shows a part of underframe and a floor pan. It is a top view which shows a part of underframe and floor pan looked down from the perpendicular direction. It is the fragmentary sectional view of the floor pan seen from the vehicle longitudinal direction. It is the fragmentary sectional view of the floor pan seen from the vehicle width direction. It is the fragmentary sectional view seen from the vehicle longitudinal direction of the floor pan in which repair was performed. It is the fragmentary sectional view seen from the vehicle longitudinal direction of the floor pan in which opening was formed.
  • FIG. 1 is a schematic side view of a railway vehicle 1 according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view of the underframe 3 as viewed from the vertical direction.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view showing a part of the underframe 3 and the floor pan 15.
  • FIG. 4 is a plan view showing a part of the frame 3 and the floor pan 15 as viewed from the vertical direction. 3 and 4, only the floor pan 15 is shown for convenience.
  • FIG. 5 is a partial cross-sectional view of the floor pan 15 as seen from the vehicle longitudinal direction.
  • FIG. 6 is a partial cross-sectional view of the floor pan 15 as seen from the vehicle width direction.
  • the railway vehicle 1 includes a carriage 2 and a vehicle body (a railway vehicle structure) 7 supported by the carriage 2.
  • the vehicle body 7 includes a frame 3, a side structure 4, a roof structure 5, and a wife structure 6.
  • a pair of carriages 2 are arranged at positions separated in the longitudinal direction of the vehicle.
  • the side structure 4 is arrange
  • the roof structure 5 is disposed above each side structure 4 and connected to each side structure 4.
  • the wife structures 6 are disposed on both sides of the frame 3 in the longitudinal direction of the vehicle.
  • the underframe 3 includes a side beam 10, an end beam 11, a middle beam 12, a pillow beam 13, a lateral beam 14, and a floor pan 15.
  • a pair of side beams 10 are arranged in the vehicle longitudinal direction and spaced apart in the vehicle width direction.
  • the side beam 10 is combined with the first plate member 16 having a substantially L-shaped cross section when viewed from the vehicle longitudinal direction and the second plate member having a substantially W-shaped cross section when viewed from the vehicle longitudinal direction. 17 and an upper surface 18 a that protrudes inward in the vehicle width direction of the underframe 3 in the horizontal direction and has a third plate member 18 connected to the second plate member 17.
  • Each of the first plate member 16, the second plate member 17, and the third plate member 18 extends in the vehicle longitudinal direction.
  • a hollow structure is formed in the side beam 10 by combining the second plate member 17 with the first plate member 16 so as to form an internal space with the first plate member 16.
  • a support member 19 that reinforces the side beam 10 and supports a floor plate 30 described later is provided on the upper surface 18 a of the third plate member 18.
  • the support member 19 extends in the longitudinal direction of the vehicle and has a hat-shaped cross section when viewed from the longitudinal direction of the vehicle.
  • the support member 19 has a main body portion 19b that has a convex upper surface and a flat upper surface when viewed from the longitudinal direction of the vehicle, and a third plate member that protrudes in opposite directions from the lower end of the main body portion 19b. 18 and a pair of flange portions 19a fixed to the upper surface 18a.
  • a floor board 30 is disposed above the support member 19.
  • the support member 19 supports the floor board 30 (see FIGS. 5 and 6) from below on the flat upper surface of the main body 19b.
  • the end beam 11 extends in the vehicle width direction and is connected to each end portion of the pair of side beams 10 in the vehicle longitudinal direction.
  • the pair of pillow beams 13 extend in the vehicle width direction, are disposed in pairs in the vehicle longitudinal direction of the railway vehicle 1 with respect to the end beams 11, and are connected to the pair of side beams 10.
  • the carriage 2 is connected to the lower part of each pillow beam 13. Thereby, the load from the vehicle body 7 is transmitted to the carriage 2.
  • the intermediate beam 12 extends in the longitudinal direction of the vehicle, is disposed between the end beam 11 and the pillow beam 13, and is connected to the end beam 11 and the pillow beam 13.
  • the horizontal beam 14 is a member that extends in the vehicle width direction and connects the pair of side beams 10 and is disposed between a pair of pillow beams 13 that are adjacent in the vehicle longitudinal direction.
  • the cross beam 14 has a C-shaped cross section when viewed from the vehicle width direction (see FIG. 6).
  • the horizontal beam 14 includes an upper plate portion 14a extending in the horizontal direction, a lower plate portion 14c extending downward in the horizontal direction from the upper plate portion 14a, and one end of the upper plate portion 14a in the vehicle longitudinal direction and the lower plate portion 14c. And a side plate portion 14b connected to one end in the longitudinal direction of the vehicle.
  • a large number of cross beams 14 are arranged at intervals in the longitudinal direction of the vehicle. Thereby, a plurality of regions S1 surrounded by the pair of side beams 10 and the pair of adjacent lateral beams 14 are arranged in parallel in the vehicle longitudinal direction.
  • the floor pan 15 extends in the vehicle width direction, is disposed in the region S1, and is fixed to the pair of side beams 10 and the pair of lateral beams 14.
  • the floor pan 15 is disposed in a region S1 of the plurality of regions S1 that is located with one or more regions S1 from the pillow beams 13 inward in the vehicle longitudinal direction. That is, the floor pan 15 is not disposed in the region S1 closest to the pillow beam 13.
  • the several floor pan 15 is arrange
  • the floor pan 15 has a bathtub shape having a bottom wall portion 15a, a side wall portion 15b, and a flange portion 15c.
  • the bottom wall portion 15 a is located below the upper surface 14 a 1 of the upper plate portion 14 a in the horizontal beam 14 and the upper surface 18 a of the third plate material 18 in the side beam 10.
  • the bottom wall portion 15a has a rectangular outline in plan view, and has a long side extending in the vehicle width direction and a short side extending in the vehicle longitudinal direction. Further, the bottom wall portion 15a has a plurality of peak portions 15a1 arranged at intervals, and a flat portion 15a2 continuous so as to surround each of the plurality of peak portions 15a1.
  • the mountain portion 15a1 is a bulging portion that bulges in the vertical direction (here, the upper side in the vertical direction).
  • the mountain portion 15a1 has a base portion 15a3 extending in the longitudinal direction of the vehicle and end portions 15a4 formed at both ends in the longitudinal direction of the base portion 15a3.
  • the plurality of peak portions 15a1 are juxtaposed in the vehicle width direction at intervals.
  • the contour shape of the end portion 15a4 is a curved shape that is convex outward in the longitudinal direction of the vehicle (the vehicle longitudinal direction), and specifically, an arc shape.
  • the mountain portion 15a1 when viewed from the longitudinal direction of the vehicle, has a curved shape whose contour shape is convex upward, specifically, an arc shape.
  • the plurality of peak portions 15a1 are formed in a gentle wave shape across the flat portion 15a2.
  • the contour shape of the mountain portion 15a1 when viewed from the vehicle width direction, includes a straight portion 15a5 and a pair of curved portions 15a6.
  • the straight portion 15a5 is spaced apart from the flat portion 15a2 and extends in the vehicle longitudinal direction.
  • the pair of curved portions 15a6 are connected to both ends of the straight portion 15a5 in the vehicle longitudinal direction and the flat portion 15a2 in a curved shape.
  • the curved portion 15a6 has a curved shape that is convex upward as viewed from the vehicle width direction, and specifically has an arc shape.
  • the mountain portion 15a1 does not have a corner portion when viewed from the vehicle longitudinal direction or the vehicle width direction. Even when viewed from the vertical direction, the base portion 15a3 and the end portion 15a4 of the mountain portion 15a1 are connected at a gentle angle. For this reason, local stress concentration in the peak portion 15a1 is avoided.
  • the bulging height h1 of the mountain portion 15a1 in the vertical direction is set to be lower than the side wall portion 15b.
  • the side wall 15b1 on the side beam 14 side is lower than the side wall 15b2 on the side beam 10 side.
  • the bulging height h1 of the peak portion 15a1 is set to a value that is not less than 10% and not more than 50% of the height h2 of the side wall portion 15b1 on the side beam 14 side.
  • the width D1 in the vehicle width direction of the mountain portion 15a1 is set wider than the interval D2 between the mountain portions 15a1 in the vehicle width direction. More specifically, the width D1 is set to a value not less than 3 times and not more than 15 times the interval D2. By setting the width D1 in this way, it is possible to prevent the flat portion 15a2 from buckling when receiving a load. Further, the length L1 of the mountain portion 15a1 in the vehicle longitudinal direction is shorter than the length L2 of the bottom wall portion 15a in the vehicle longitudinal direction. As an example, the length L1 is set to a value not less than 70% and not more than 95% of the length L2. By setting the length L1 in this way, a space between the peak portion 15a1 and the side wall portion 15b is secured, and the floor pan 15 can be easily manufactured by pressing as described later.
  • the flat portion 15a2 is formed so as to surround each mountain portion 15a1.
  • the mountain parts 15a1 adjacent in the vehicle width direction are separated from each other via the flat part 15a2, and all the mountain parts 15a1 are separated from any side wall part 15b via the flat part 15a2.
  • the apparent total area of the mountain portion 15a1 is set larger than the apparent total area of the flat portion 15a2.
  • the “apparent area” means a projected area when the bottom wall portion 15a is viewed in plan from the vertical direction.
  • the side wall 15b surrounds the periphery of the bottom wall 15a and extends upward from the periphery of the bottom wall 15a.
  • the flange portion 15c is connected to the upper end of the side wall portion 15b.
  • the flange portion 15c has a long side portion 15c1 extending in the vehicle width direction and a short side portion 15c2 extending in the vehicle longitudinal direction.
  • the long side portion 15 c 1 is fixed to the upper surface 14 a 1 of the upper plate portion 14 a of the cross beam 14.
  • the short side portion 15 c 2 is fixed to the upper surface 19 a 1 of the flange portion 19 a of the support member 19. Thereby, the short side part 15c2 is arrange
  • the floor pan 15 is integrally formed by pressing a metal (for example, stainless steel) plate material.
  • the thickness of the floor pan 15 is thinner than any of the first plate member 16, the second plate member 17, and the third plate member 18 in the side beam 10 and thinner than the thickness of the cross beam 14.
  • the thickness of the floor pan 15 is preferably 0.6 mm or more and 1.2 mm or less, and 0.9 mm or more and 1.0 mm or less from the viewpoint of processability of the floor pan 15, ensuring structural strength and suppressing weight increase. The value of is more desirable.
  • An end portion 15c3 of the long side portion 15c1 of the floor pan 15 is opposed to an end portion 15c3 of the long side portion 15c1 of another adjacent floor pan 15 on the upper surface 14a1 of the upper plate portion 14a of the cross beam 14 with a space therebetween ( (See FIG. 6).
  • the long side portion 15c1 of the flange portion 15c is fixed to the upper plate portion 14a of the cross beam 14 by spot welding.
  • the short side portion 15c2 of the flange portion 15c is fixed to the flange portion 19a of the support member 19 by spot welding.
  • a heat insulating material (not shown) is disposed between the floor pan 15 and the floor board 30 and around the support member 19. Below the floor pan 15, a plurality of unshown floor devices (for example, high voltage devices such as a main transformer and a main converter) fixed to the vehicle body 7 are arranged.
  • unshown floor devices for example, high voltage devices such as a main transformer and a main converter
  • the bottom wall portion 15a of the floor pan 15 has a plurality of mountain portions 15a1 extending in the vehicle longitudinal direction and arranged in parallel in the vehicle width direction, and a flat portion 15a2 surrounding each mountain portion 15a1. Is formed. For this reason, the floor pan 15 is not easily deformed even if an external force is applied from any of the vertical direction, the vehicle longitudinal direction, and the vehicle width direction. Thereby, the floor pan 15 functions as a strength member that bears a compressive load and a shear load received from the pair of side beams 10 or the lateral beams 14. That is, the frame structure of the underframe 3 having the pair of side beams 10 and the plurality of lateral beams 14 in the vehicle body 7 is reinforced by the plurality of floor pans 15.
  • the vehicle body 7 can be reinforced with a simple configuration, and the structural strength of the vehicle body 7 can be increased. Further, since the floor pan 15 firmly connects the pair of side beams 10 to each other, when a vehicle end compression load is applied, the floor pan 15 can increase the strength against lateral buckling of the underframe 3 or buckling of the side beams 10 alone. it can. Therefore, in order to increase the strength of the underframe 3, it is not necessary to increase the thickness of the side beams 10 and the lateral beams 14, or increase the number of reinforcing members that reinforce the underframe 3, and the weight of the vehicle body 7 increases. Can be suppressed.
  • each floor pan 15 is prevented from being deformed against the compressive load by a plurality of peak portions 15a1 extending in the vehicle longitudinal direction. Is done. For this reason, the vehicle body 7 is reinforced to withstand this compressive load. Further, when a torsional load is applied to the vehicle body 7 due to traveling, jacking up during maintenance, lifting by a crane, or the like, and as a result, a shear load is applied to the underframe 3, each floor pan 15 is The plurality of peak portions 15a1 and the flat portion 15a2 prevent deformation so as to resist the shear load. For this reason, the vehicle body 7 is reinforced to withstand this torsional load.
  • the contour shape of the mountain portion 15a1 is a curve when viewed from the vehicle longitudinal direction, local stress concentration in the mountain portion 15a1 is prevented when a load is applied to the vehicle body 7 from the vehicle width direction.
  • the straight portion 15a5 of the mountain portion 15a1 and the pair of curved portions 15a6 are connected in a curved shape when viewed from the vehicle width direction, when a load is applied to the vehicle body 7 from the vehicle longitudinal direction, Local stress concentration at each connecting portion between the straight portion 15a5 of the portion 15a1 and the pair of curved portions 15a6 is prevented.
  • the vehicle body 7 is in any one of the vehicle longitudinal direction and the vehicle width direction.
  • a load is applied, local stress concentration at the connecting portion between the base portion 15a3 of the peak portion 15a1 and the pair of end portions 15a4 is prevented.
  • the floor pan 15 can be appropriately prevented from being damaged or deformed by local stress concentration.
  • the bottom wall portion 15a of the floor pan is formed with a mountain portion 15a1 and a flat portion 15a2, and the bottom wall portion 15a is formed by the upper surface portion 14a1 of the upper plate portion 14a of the lateral beam 14 and the third plate material 18 of the side beam 10. It is located below the upper surface 18a. For this reason, even when a load is applied to the flange portion 15c from the outside, the load is not easily transmitted to the bottom wall portion 15a. Therefore, it is possible to appropriately prevent the floor pan 15 from being damaged.
  • the apparent total area of the mountain portion 15a1 is set to be larger than the apparent total area of the flat portion 15a2, so that the buckling strength of the flat portion 15a2 is increased.
  • the function of the floor pan 15 as a strength member can be improved without increasing the thickness of the floor pan 15.
  • the floor pan 15 is arranged in a region S1 that is located at one or more regions S1 from the pillow beam 13 inward in the longitudinal direction of the vehicle among the plurality of regions S1. This prevents an excessive compressive load from being directly applied to the floor pan 15 from the pillow beam 13 and secures the space above the carriage 2 (prevents interference between the carriage 2 and the floor pan 15).
  • the vehicle body 7 is strengthened mainly in the longitudinal direction of the vehicle in the longitudinal direction, and the railway vehicle structure is effectively The structural strength of can be improved.
  • the height of the cross beam 14 can be reduced by improving the strength of the frame 3, for example, the position of the upper surface 14a1 of the horizontal beam 14 is lowered while maintaining the position of the floor plate 30 in the vertical direction. By doing so, the space between the cross beam 14 and the floor board 30 can be ensured thick, and heat insulation performance can also be improved.
  • FIG. 7 is a partial cross-sectional view of the floor pan 15 that has been repaired as seen from the longitudinal direction of the vehicle.
  • a flat portion 15a2 is formed in the bottom wall portion 15a of the floor pan 15
  • a hole H is generated in the bottom wall portion 15a of the floor pan 15 due to a stepping stone or the like.
  • the lower portions 15a7 and 15a8 of the flat portion 15a2 located on both sides in the vehicle width direction of one mountain portion 15a1 are flattened so as to cover the problematic bottom wall portion 15a.
  • the floor pan 15 can be repaired quickly by arranging the reinforcing plates 20 so as to overlap and fixing the reinforcing plates 20 to the lower portions 15a7 and 15a8 by spot welding, plug welding, rivets or the like. Moreover, the floor pan 15 can be reinforced also by forming a hollow structure by bonding the peak portion 15a1 and the reinforcing plate 20 together.
  • FIG. 8 is a partial cross-sectional view of the floor pan 15 in which the opening 15d is formed as seen from the vehicle longitudinal direction.
  • a wide flat portion 21 is formed below the peak portion 15a1. Therefore, using this flat portion 21, for example, an opening 20a is formed in the reinforcing plate 20 below the peak portion 15a1 of the floor pan 15, and a through tube 22 with the tube axis directed vertically is inserted through the opening 20a.
  • the through pipe 22 can be fixed to the upper surface of the reinforcing plate 20 by welding or the like at the periphery of the opening 20a.
  • the cable 23 can be passed through the through pipe 22 and passed over the floor pan 15 through an opening 15d formed in the peak portion 15a1 with a minimum size.
  • the periphery of the opening 20a can be reinforced with the through pipe 22 while forming the opening 20a necessary for the reinforcing plate 20, and the degree of freedom in designing the railway vehicle 1 can be increased.
  • the cable 23 can be protected from a stepping stone or the like by forming the hollow structure by bonding the peak portion 15a1 and the reinforcing plate 20 together.
  • the floor pan 15 is a strength member that bears the compressive load and shear load received from the frame 3, but may be a strength member that bears at least one of the compressive load and shear load received from the frame 3. That's fine.
  • the bulging portion (mountain portion 15a1) formed on the bottom wall portion 15a of the floor pan 15 is bulged upward in the vertical direction, but the bulging portion may be bulged downward in the vertical direction.
  • the bottom wall portion 15a of the floor pan 15 is formed with a bulging portion (peak portion 15a1) bulging upward in the vertical direction and a bulging portion (valley portion) bulging downward in the vertical direction. May be.
  • a heat insulating material may not necessarily be provided between the floor pan 15 and the floor board 30 and around the support member 19.
  • An air layer may be provided between the floor pan 15 and the floor board 30 and around the support member 19.
  • the method of welding the floor pan 15 to the side beams 10 and the cross beams 14 is not limited to the spot welding method, but may be other welding methods such as a laser welding method.
  • the long side portions 15c1 of the floor pans 15 adjacent in the vehicle longitudinal direction may partially overlap each other.

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Abstract

　鉄道車両は、一対の側梁と、前記一対の側梁に接続されて車両長手方向で間隔をおいて配置された複数の横梁とを有する台枠と、前記一対の側梁と前記複数の横梁のうちで隣接する一対の横梁とで囲まれた領域に配置され、前記台枠に固定されたフロアパンと、を備え、前記フロアパンが、前記台枠から受ける圧縮荷重及びせん断荷重の少なくともいずれかを負担する強度部材として構成されている。

Description

鉄道車両
　本発明は、鉄道車両に関し、特にフロアパンを有する床構造を備えた鉄道車両に関する。
　鉄道車両構体は、台枠と、台枠の車幅方向両側に設けられた一対の側構体と、各側構体の上にわたって設けられた屋根構体と、車両長手方向両端に設けられた妻構体とを備える。台枠は、車両長手方向に延びる一対の側梁と、車幅方向に延びて一対の側梁に接続される複数の横梁とを有する。一対の側梁と、隣接する一対の横梁とで囲まれた領域には、フロアパン（サブフロアパンとも称する。）が設けられ、フロアパンの上方には、床板が設けられる。フロアパンと床板との間には、例えば、特許文献１に開示されるように、断熱材が設けられることがある。
特開２０１２－１０１６３９号公報
　鉄道車両構体には、例えば、車端から車両長手方向に受ける圧縮荷重と、走行中またはメンテナンスにおけるジャッキアップ時あるいはクレーンによる吊り上げ等の際に受ける捩り荷重等に耐えうる構造的強度が要求される。このため、側梁及び横梁の肉厚を大きくしたり、台枠を補強する部材を増やしたりすることで、構体の強度を高める場合があるが、そのようにすると鉄道車両の重量が増大しうる。
　そこで本発明は、重量の増大を抑制しつつ、簡素な構成で鉄道車両構体の構造的強度を高められるようにすることを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明の一態様における鉄道車両は、一対の側梁と、前記一対の側梁に接続されて車両長手方向で間隔をおいて配置された複数の横梁とを有する台枠と、前記一対の側梁と前記複数の横梁のうちで隣接する一対の横梁とで囲まれた領域に配置され、前記台枠に固定されたフロアパンと、を備え、前記フロアパンが、前記台枠から受ける圧縮荷重及びせん断荷重の少なくともいずれかを負担する強度部材として構成されている。
　上記構成によれば、一対の側梁と前記複数の横梁のうちで隣接する一対の横梁とで囲まれた領域にフロアパンが配置されて台枠に固定され、このフロアパンが、台枠から受ける圧縮荷重及びせん断荷重の少なくともいずれかを負担する強度部材として構成される。このように、フロアパンを強度部材として用いることで、簡素な構成で鉄道車両構体を補強し、その構造的強度を向上できる。また、鉄道車両構体の強度を高めるために、側梁及び横梁の肉厚を大きくしたり、台枠を補強するための補強部材を増やしたりしなくてもよいので、鉄道車両の補強に伴って、鉄道車両の重量が増大するのを抑制できる。
　上記した本発明の一態様によれば、重量の増大を抑制しつつ、簡素な構成で鉄道車両構体の構造的強度を高めることができる。
実施形態に係る鉄道車両の概略側面図である。 鉛直方向から見下ろした台枠の平面図である。 台枠の一部とフロアパンとを示す分解斜視図である。 鉛直方向から見下ろした台枠の一部とフロアパンとを示す平面図である。 車両長手方向から見たフロアパンの部分断面図である。 車幅方向から見たフロアパンの部分断面図である。 補修が施されたフロアパンの車両長手方向から見た部分断面図である。 開口が形成されたフロアパンの車両長手方向から見た部分断面図である。
　以下、本発明の実施形態について、各図を参照しながら説明する。図１は、実施形態に係る鉄道車両１の概略側面図である。図２は、鉛直方向から見下ろした台枠３の平面図である。図３は、台枠３の一部とフロアパン１５とを示す分解斜視図である。図４は、鉛直方向から見下ろした台枠３の一部とフロアパン１５とを示す平面図である。図３及び４では、便宜上、フロアパン１５を単体のみ図示する。図５は、車両長手方向から見たフロアパン１５の部分断面図である。図６は、車幅方向から見たフロアパン１５の部分断面図である。
　図１に示すように、鉄道車両１は、台車２と、台車２に支持される車体（鉄道車両構体）７とを備える。車体７は、台枠３、側構体４、屋根構体５及び妻構体６を備える。台車２は、車両長手方向に離間した位置に一対配置される。側構体４は、台枠３の車幅方向両側に配置され、外板にはドア開口４ａ及び窓開口４ｂが形成される。屋根構体５は、各側構体４の上方に配置され、各側構体４と連結される。妻構体６は、台枠３の車両長手方向両側に配置される。
　図２及び３に示すように、台枠３は、側梁１０、端梁１１、中梁１２、枕梁１３、横梁１４及びフロアパン１５を有する。側梁１０は、車両長手方向に延び、車幅方向に間隔をあけて一対配置される。側梁１０は、車両長手方向から見て略Ｌ字状の断面を有する第１板材１６と、第１板材１６と組み合わされ、車両長手方向から見て略Ｗ字状の断面を有する第２板材１７と、上面１８ａが台枠３の車幅方向内方に向けて水平方向に突出し、第２板材１７に接続される第３板材１８とを有する。第１板材１６、第２板材１７及び第３板材１８のそれぞれは、車両長手方向に延びる。第２板材１７が、第１板材１６との間で内部空間を形成するように第１板材１６に組み合わされることで、側梁１０に中空構造が形成される。第３板材１８の上面１８ａには、側梁１０を補強して且つ後述する床板３０を支持する支持部材１９が設けられる。支持部材１９は、車両長手方向に延び、且つ、車両長手方向から見てハット形状の断面を有する。支持部材１９は、車両長手方向から見て、輪郭形状が上方に向けて凸状であり、かつ平坦な上面を有する本体部１９ｂと、本体部１９ｂの下端から互いに反対方向に突出して第３板材１８の上面１８ａに固定される一対のフランジ部１９ａとを有する。支持部材１９の上方には、床板３０が配置される。支持部材１９は、本体部１９ｂの平坦な上面において、床板３０（図５及び６参照）を下方から支持する。
　図２に示すように、端梁１１は、車幅方向に延び、一対の側梁１０の車両長手方向の各端部に接続される。枕梁１３は、車幅方向に延び、各端梁１１よりも鉄道車両１の車両長手方向の内方に一対配置されて、一対の側梁１０に接続される。それぞれの枕梁１３の下部には、台車２が連結される。これにより、車体７からの荷重を台車２に伝達する。中梁１２は、車両長手方向に延び、端梁１１と枕梁１３との間に配置されて、端梁１１と枕梁１３とに接続される。
　横梁１４は、車幅方向に延びて一対の側梁１０を接続する部材であって、車両長手方向で隣接する一対の枕梁１３の間に配置される。横梁１４は、一例として、車幅方向から見て、Ｃ字状の断面を有する（図６を参照）。横梁１４は、水平方向に延びる上板部１４ａと、上板部１４ａから下方に離間して水平方向に延びる下板部１４ｃと、上板部１４ａの車両長手方向の一端と下板部１４ｃの車両長手方向の一端とに接続された側板部１４ｂとを有する。鉄道車両１では、多数の横梁１４が、車両長手方向に間隔をおいて配置される。これにより、一対の側梁１０と、隣接する一対の横梁１４とで囲まれた領域Ｓ１が、車両長手方向に複数並設される。
　フロアパン１５は、車幅方向に延び、領域Ｓ１に配置されて、一対の側梁１０と一対の横梁１４とに固定される。一例として、フロアパン１５は、複数の領域Ｓ１のうち、各枕梁１３から車両長手方向の内方に向けて１以上の領域Ｓ１をおいて位置する領域Ｓ１に配置される。即ち、枕梁１３に最も近い領域Ｓ１には、フロアパン１５が配置されていない。これにより車両長手方向において、複数のフロアパン１５が、鉄道車両１の中央部を中心にして、各領域Ｓ１に配置される。
　フロアパン１５は、底壁部１５ａ、側壁部１５ｂ及びフランジ部１５ｃを有する、バスタブ形状である。底壁部１５ａは、横梁１４における上板部１４ａの上面１４ａ１及び側梁１０における第３板材１８の上面１８ａよりも下方に位置する。底壁部１５ａは、平面視で矩形の輪郭を有し、車幅方向に延びる長辺と、車両長手方向に延びる短辺とを有する。また、底壁部１５ａは、互いに間隔をあけて配置された複数の山部１５ａ１と、複数の山部１５ａ１をそれぞれ囲むように連続した平坦部１５ａ２とを有する。山部１５ａ１は、鉛直方向（ここでは鉛直方向上側）に向かって膨出する膨出部である。
　図４に示すように、山部１５ａ１は、車両長手方向に延びるベース部１５ａ３と、ベース部１５ａ３の長手方向の両端にそれぞれ形成された端部１５ａ４とを有する。底壁部１５ａにおいて、複数の山部１５ａ１は、互いに間隔をあけて車幅方向に並設される。鉛直方向から見ると、端部１５ａ４の輪郭形状は、車両長手方向外方（車両前後方向）に向けて凸な曲線状であり、具体的には円弧状である。図５に示すように、車両長手方向から見ると、山部１５ａ１は、輪郭形状が上方に向けて凸な曲線状であり、具体的には円弧状である。複数の山部１５ａ１は、平坦部１５ａ２を挟んで緩やかな波状に形成される。図６に示すように、車幅方向から見ると、山部１５ａ１の輪郭形状は、直線部１５ａ５と、一対の曲線部１５ａ６とからなる。直線部１５ａ５は、平坦部１５ａ２と離間して車両長手方向に延びる。一対の曲線部１５ａ６は、直線部１５ａ５の車両長手方向の両端部と平坦部１５ａ２とのそれぞれに曲線状に接続される。曲線部１５ａ６は、車幅方向から見て、上方に向けて凸な曲線状であり、具体的には円弧状である。このように、車両長手方向から見ても車幅方向から見ても、山部１５ａ１は、角部を有していない。また、鉛直方向から見下ろしても、山部１５ａ１のベース部１５ａ３と端部１５ａ４とは、緩やかな角度で繋がっている。このため、山部１５ａ１における局所的な応力集中が回避されている。
　鉛直方向における山部１５ａ１の膨出高さｈ１は、側壁部１５ｂよりも低い高さに設定される。底壁部１５ａを囲む４つの側壁部１５ｂにおいては、横梁１４側の側壁部１５ｂ１が、側梁１０側の側壁部１５ｂ２よりも低い。一例として、山部１５ａ１の膨出高さｈ１は、横梁１４側の側壁部１５ｂ１の高さｈ２の１０％以上５０％以下の値に設定される。このように膨出高さｈ１を設定することで、鉛直方向における床板３０と山部１５ａ１の直線部１５ａ５との間の間隔がある程度広く確保され、山部１５ａ１から床板３０への伝熱が抑制される。
　山部１５ａ１の車幅方向の幅Ｄ１は、一例として、車幅方向の山部１５ａ１同士の間隔Ｄ２よりも広く設定される。より具体的には、幅Ｄ１は、間隔Ｄ２の３倍以上１５倍以下の値に設定される。このように幅Ｄ１を設定することで、荷重を受けたときに平坦部１５ａ２が座屈するのを防ぐことができる。また、車両長手方向の山部１５ａ１の長さＬ１は、車両長手方向の底壁部１５ａの長さＬ２よりも短い。一例として、長さＬ１は、長さＬ２の７０％以上９５％以下の値に設定される。このように長さＬ１を設定することで、山部１５ａ１と側壁部１５ｂとの間の間隔が確保され、後述するように、フロアパン１５をプレス加工により作製し易くすることができる。
　平坦部１５ａ２は、それぞれの山部１５ａ１の周囲を取り囲むように形成される。言い換えると、車幅方向で隣接する山部１５ａ１同士が、平坦部１５ａ２を介して離隔するとともに、全ての山部１５ａ１が、何れの側壁部１５ｂからも平坦部１５ａ２を介して離隔する。底壁部１５ａを鉛直方向から見た場合、一例として、山部１５ａ１の見掛けの総面積は、平坦部１５ａ２の見掛けの総面積よりも大きく設定される。ここで言う「見掛けの面積」とは、底壁部１５ａを鉛直方向から平面視した際の投影面積を意味する。
　側壁部１５ｂは、底壁部１５ａの周縁を囲み、底壁部１５ａの周縁から上方に延びる。フランジ部１５ｃは、側壁部１５ｂの上端に接続される。フランジ部１５ｃは、車幅方向に延びる長辺部１５ｃ１と、車両長手方向に延びる短辺部１５ｃ２とを有する。長辺部１５ｃ１は、横梁１４の上板部１４ａの上面１４ａ１に固定される。短辺部１５ｃ２は、支持部材１９のフランジ部１９ａの上面１９ａ１に固定される。これにより、短辺部１５ｃ２は、長辺部１５ｃ１よりも高い位置に配置される。
　フロアパン１５は、金属（一例として、ステンレス）の板材をプレス加工することで一体成形される。フロアパン１５の厚みは、側梁１０における第１板材１６、第２板材１７及び第３板材１８のいずれの厚みよりも薄く、かつ横梁１４の厚みよりも薄い。フロアパン１５の加工性、構造的強度の確保及び重量増加の抑制等の観点より、フロアパン１５の厚みは、０．６ｍｍ以上１．２ｍｍ以下の値が望ましく、０．９ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の値がさらに望ましい。
　フロアパン１５の長辺部１５ｃ１の端部１５ｃ３は、横梁１４の上板部１４ａの上面１４ａ１において、隣接する別のフロアパン１５の長辺部１５ｃ１の端部１５ｃ３に間隔をあけて対向する（図６参照）。フランジ部１５ｃの長辺部１５ｃ１は、スポット溶接法により横梁１４の上板部１４ａに固定される。また、フランジ部１５ｃの短辺部１５ｃ２は、スポット溶接法により支持部材１９のフランジ部１９ａに固定される。
　フロアパン１５と床板３０との間、及び、支持部材１９の周囲には、不図示の断熱材がそれぞれ配置される。フロアパン１５の下方には、車体７に固定された不図示の複数の床下機器（例えば、主変圧器及び主変換装置等の高電圧機器）が配置される。
　以上に説明したように、フロアパン１５の底壁部１５ａには、車両長手方向に延びて車幅方向に並設された複数の山部１５ａ１と、各山部１５ａ１を取り囲む平坦部１５ａ２とが形成されている。このため、フロアパン１５は、鉛直方向、車両長手方向及び車幅方向のうちのいずれの方向から外力が及んでも変形しにくい。これにより、フロアパン１５は、一対の側梁１０または各横梁１４から受ける圧縮荷重及びせん断荷重を負担する強度部材として機能する。即ち、車体７における一対の側梁１０と、複数の横梁１４とを有する台枠３のフレーム構造が、複数のフロアパン１５によって補強される。これにより、簡素な構成で車体７を補強し、車体７の構造的強度を高められる。また、フロアパン１５は、一対の側梁１０を相互に強固に繋ぐため、車端圧縮荷重が加わった際に、台枠３の横座屈や側梁１０単体の座屈に対する強度を高めることができる。そのため、台枠３の強度を高めるために、側梁１０及び横梁１４の肉厚を大きくしたり、台枠３を補強する補強部材を増やしたりしなくてもよく、車体７の重量が増大するのを抑制できる。
　具体的に、車体７に車端から車両長手方向の圧縮荷重が負荷された場合には、各フロアパン１５は、車両長手方向に延びる複数の山部１５ａ１により、圧縮荷重に抗うように変形防止される。このため、この圧縮荷重に耐えるように車体７が補強される。また、走行時、メンテナンスの際のジャッキアップ時またはクレーンによる吊り上げ等により、車体７に捩り荷重が負荷され、結果として台枠３にせん断荷重が負荷された場合には、各フロアパン１５は、複数の山部１５ａ１と平坦部１５ａ２とにより、せん断荷重に抗うように変形防止される。このため、この捩り荷重に耐えるように、車体７が補強される。
　また、車両長手方向から見て、山部１５ａ１の輪郭形状が曲線状であるため、車体７に車幅方向から荷重が負荷された場合には、山部１５ａ１における局所的な応力集中が防止される。また、車幅方向から見て、山部１５ａ１の直線部１５ａ５と一対の曲線部１５ａ６とが曲線状に接続されているため、車体７に車両長手方向から荷重が負荷された場合には、山部１５ａ１の直線部１５ａ５と一対の曲線部１５ａ６との各接続部分における局所的な応力集中が防止される。また、鉛直方向から見て、山部１５ａ１のベース部１５ａ３と一対の端部１５ａ４とが緩やかな角度で接続されているので、車体７に車両長手方向及び車幅方向のうちのいずれかの方向から荷重が負荷された場合には、山部１５ａ１のベース部１５ａ３と一対の端部１５ａ４との接続部分における局所的な応力集中が防止される。以上により、フロアパン１５が、局所的な応力集中によって損傷したり変形したりするのを適切に防止できる。
　また、フロアパンの底壁部１５ａには、山部１５ａ１及び平坦部１５ａ２が形成されるとともに、底壁部１５ａが、横梁１４の上板部１４ａの上面１４ａ１及び側梁１０の第３板材１８の上面１８ａよりも下方に位置している。このため、フランジ部１５ｃに外部から荷重が負荷された場合でも、荷重が底壁部１５ａに伝わりにくい。よって、フロアパン１５が損傷するのを適切に防止できる。
　また、底壁部１５ａを鉛直方向から見た場合、山部１５ａ１の見掛けの総面積が、平坦部１５ａ２の見掛けの総面積よりも大きく設定されていることから、平坦部１５ａ２の座屈強度を高めることができ、フロアパン１５を厚肉化せずともフロアパン１５の強度部材としての機能を向上させることができる。
　また、鉄道車両１では、複数の領域Ｓ１のうち、枕梁１３から車両長手方向の内方に向けて１以上の領域Ｓ１をおいて位置する領域Ｓ１に、フロアパン１５が配置されている。これは、枕梁１３から直接フロアパン１５に過大な圧縮荷重が負荷されるのを防止するとともに、台車２の上部の空間を確保する（台車２とフロアパン１５との干渉を防ぐ）ことを主目的とするものであるが、結果として、フロアパン１５の数を減らして重量増加を抑制しながらも、車体７の車両長手方向中央部寄りを重点的に補強し、効果的に鉄道車両構体の構造的強度を向上させることができる。
　また、台枠３の強度が向上することで、横梁１４の高さ寸法を低減することができるため、例えば、鉛直方向における床板３０の位置を維持したまま、横梁１４の上面１４ａ１の位置を低くすることにより、横梁１４と床板３０との間の空間を厚く確保して、断熱性能を向上させることもできる。
　図７は、補修が施されたフロアパン１５の車両長手方向から見た部分断面図である。図７に示すように、フロアパン１５の底壁部１５ａには平坦部１５ａ２が形成されているので、仮に、飛び石等によりフロアパン１５の底壁部１５ａに孔Ｈが生じたり、底壁部１５ａが変形したりした場合等には、問題のある底壁部１５ａの領域を覆うように、例えば、１つの山部１５ａ１の車幅方向両側に位置する平坦部１５ａ２の下部１５ａ７、１５ａ８に平坦な補強板２０を重ねて配置し、下部１５ａ７、１５ａ８に補強板２０をスポット溶接やプラグ溶接、あるいはリベット等により貼り合わせて固定することで、フロアパン１５を迅速に補修できる。また、山部１５ａ１と補強板２０とが貼り合わせられることで中空構造が形成されることによっても、フロアパン１５を補強できる。
　図８は、開口１５ｄが形成されたフロアパン１５の車両長手方向から見た部分断面図である。下部１５ａ７、１５ａ８に平坦な補強板２０を貼り合わせて固定することで、山部１５ａ１の下方に広い平坦部２１が形成される。従って、この平坦部２１を利用して、例えば、フロアパン１５の山部１５ａ１の下方で補強板２０に開口２０ａを形成し、鉛直方向に管軸を向けた貫通管２２を開口２０ａに挿通し、貫通管２２を開口２０ａの周縁で補強板２０の上面に溶接等により固定することができる。ケーブル２３を貫通管２２に通し、山部１５ａ１に必要最小限のサイズで形成した開口１５ｄを介してフロアパン１５の上方に通すことができる。これにより、補強板２０に必要な開口２０ａを形成しながら、開口２０ａの周縁を貫通管２２で補強でき、鉄道車両１の設計の自由度を高められる。また、山部１５ａ１と補強板２０とが貼り合わせられることで中空構造が形成されることによって、飛び石等からケーブル２３を保護することができる。
　なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、その構成を変更、追加、又は削除することができる。上記実施形態では、フロアパン１５は、台枠３から受ける圧縮荷重及びせん断荷重を負担する強度部材としたが、台枠３から受ける圧縮荷重及びせん断荷重の少なくともいずれかを負担する強度部材であればよい。
　上記実施形態では、フロアパン１５の底壁部１５ａに形成する膨出部（山部１５ａ１）を鉛直方向上側に膨出させたが、膨出部は鉛直方向下側に膨出させてもよい。また、フロアパン１５の底壁部１５ａには、鉛直方向上側に膨出する膨出部（山部１５ａ１）と、鉛直方向下側に膨出する膨出部（谷部）とをそれぞれ形成してもよい。
　車両長手方向から見た山部１５ａ１の輪郭形状と、車幅方向から見た山部１５ａ１の一対の曲線部１５ａ６の輪郭形状と、鉛直方向から見た一対の端部１５ａ４の輪郭形状とのそれぞれは、単一の曲率で構成される形状に限定されず、複数の曲率で構成される形状でもよい。
　フロアパン１５と床板３０との間、及び、支持部材１９の周囲には、断熱材を必ずしも設けなくてもよい。フロアパン１５と床板３０との間、支持部材１９の周囲には、空気層をそれぞれ設けてもよい。
　フロアパン１５を側梁１０及び横梁１４にそれぞれ溶接する方法は、スポット溶接法に限定されず、レーザー溶接法などの他の溶接法でもよい。車両長手方向において隣接する各フロアパン１５の長辺部１５ｃ１は、互いに部分的に重ねてもよい。
　１　　鉄道車両
　２　　台車
　３　　台枠
　１０　　側梁
　１３　　枕梁
　１４　　横梁
　１４ａ１　　横梁の上面（上板部の上面）
　１５　　フロアパン
　１５ａ　　底壁部
　１５ａ１　　山部（膨出部）
　１５ａ２　　平坦部
　１５ａ４　　端部
　１５ａ５　　直線部
　１５ａ６　　曲線部
　１５ｂ　　側壁部
　１５ｃ　　フランジ部
　１８ａ　　第３板材の上面（側梁の上面）

Claims (10)

  1. 　一対の側梁と、前記一対の側梁に接続されて車両長手方向で間隔をおいて配置された複数の横梁とを有する台枠と、
    　前記一対の側梁と前記複数の横梁のうちで隣接する一対の横梁とで囲まれた領域に配置され、前記台枠に固定されたフロアパンと、を備え、
    　前記フロアパンが、前記台枠から受ける圧縮荷重及びせん断荷重の少なくともいずれかを負担する強度部材として構成されている、鉄道車両。
  2. 　前記フロアパンの底壁部は、鉛直方向に膨出する１以上の膨出部と、前記膨出部の周囲を囲む平坦部とを有する、請求項１に記載の鉄道車両。
  3. 　車両長手方向から見て、前記膨出部の輪郭形状が、曲線状である、請求項２に記載の鉄道車両。
  4. 　車幅方向から見て、前記膨出部の輪郭形状が、前記平坦部と離間して車両長手方向に延びる直線部と、前記直線部の車両長手方向の両端部と前記平坦部とにそれぞれ曲線状に接続された一対の曲線部とからなる形状である、請求項２または３に記載の鉄道車両。
  5. 　鉛直方向から見て、前記膨出部の車両長手方向の両端部の各輪郭形状が、曲線状である、請求項２～４のいずれか１項に記載の鉄道車両。
  6. 　鉛直方向から見て、前記膨出部の見掛けの総面積が、前記平坦部の見掛けの総面積よりも大きい、請求項２～５のいずれか１項に記載の鉄道車両。
  7. 　前記フロアパンの底壁部において、複数の前記膨出部が、車幅方向に並設されている、請求項２～６のいずれか１項に記載の鉄道車両。
  8. 　前記フロアパンの底壁部において、複数の前記膨出部が、車両長手方向に延びている、請求項７に記載の鉄道車両。
  9. 　前記フロアパンは、その底壁部の周縁から上方に延びる側壁部と、前記側壁部の上端に接続されたフランジ部とを有し、前記フランジ部が前記台枠に固定され、
    　前記フロアパンの底壁部が、前記横梁の上面及び前記側梁の上面よりも下方に位置している、請求項１～８のいずれか１項に記載の鉄道車両。
  10. 　前記台枠は、一対の台車に支持される一対の枕梁をさらに有し、
    　前記複数の横梁は、前記一対の枕梁の間に配置され、
    　前記台枠には、前記一対の側梁と前記一対の横梁とで囲まれた領域が車両長手方向に複数並設されており、
    　前記フロアパンは、前記複数の領域のうち、前記枕梁から車両長手方向の内方に向けて１以上の領域をおいて位置する領域に配置されている、請求項１～９のいずれか１項に記載の鉄道車両。
     
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