JP2006290027A - 車両構体 - Google Patents

Abstract

【課題】 構体質量の増加を極力抑えながら、構体の曲げ剛性を向上することによって、鉄道車両の良好な乗心地性能を提供する。
【解決手段】 屋根構体１、側構体２、台枠３、妻構体４から成る鉄道車両構体１０の長手方向中央部の屋根構体１の車内側に強度板７を貼り付けする。強度板７の鉄道車両構体１０の長手方向の貼り付け範囲は２つの枕梁６の間であり、屋根構体１の左右方向の貼付範囲は屋根構体１の左右方向の長さの半分程度である。強度板７の板厚は、屋根構体１の上下方向の高さが高くなるに従って厚くなっている。かかる構造においては、多大な変形が生じる鉄道車両構体１０の長手方向中央部の屋根構体１の変形を抑えられるので、鉄道車両構体１０の曲げ剛性を効率的に向上できる。すなわち、鉄道車両の上下方向の曲げ振動を抑制できるので、良好な乗心地性能を提供できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鉄道車両やモノレール車両の車両構体の構成に関する。

鉄道車両構体は、上面を構成する屋根構体と側面を構成する２枚の側構体と下面を構成する台枠と端面を構成する２枚の妻構体から成る。近年では、軽量化や製作性向上を主な目的として、屋根構体、側構体及び台枠にアルミニウム合金製の中空押出形材を、妻構体にアルミニウム合金製のリブ付き押出形材を使用するようになった。これは、下記特許文献１に示されている。
特許第２６０４２２６号公報

鉄道車両においては、良好な乗心地性能を確保するため、上下方向の曲げ振動を抑制する必要がある。この曲げ振動の抑制には構体の曲げ剛性の向上（堅くすること）が有効であり、その具体的な方法としては「構体の断面二次モーメントを高くする」、「構体に使用する材料の縦弾性係数を高くする」といったものが挙げられる。
構体の断面二次モーメントを高くするための最も有効な手段は、構体の高さ及び幅を拡張することである。しかし、これは、周囲のインフラ設備との干渉を引き起こすため、現実的でない。

よって、構体の断面二次モーメントを高くするための現実的に有効な手段は、構体に使用する部材の板厚を増加することである。しかし、構体に使用する全ての部材の板厚を増加することは、構体質量の大幅な増加を引き起こす。また、同様に、構体に使用する全ての材料の縦弾性係数を高くすることは、構体質量の大幅な増加を引き起こす。これは、一般に、縦弾性係数の高い材料は、密度も高いからである。
本発明の目的は、構体質量の増加を極力抑えながら、構体の曲げ剛性を向上し、鉄道車両の上下方向の曲げ振動を抑制することによって、良好な乗心地性能を提供することにある。

上記目的は、車両構体の長手方向中央部の屋根構体の剛性を他の部位の屋根構体の剛性より高くする（板厚を厚くする、または、材料の縦弾性係数を高くする）こと、または、車両構体の長手方向中央部の側構体の下部の剛性を他の部位の側構体の下部の剛性より高くする（板厚を厚くする、もしくは、材料の縦弾性係数を高くする）こと、によって達成できる。

本発明の各種の実施例を以下に説明する。

本発明の第１の実施例を図１、図２により説明する。鉄道車両構体１０は、上面を構成する屋根構体１、側面を構成する２枚の側構体２、下面を構成する台枠３、端面を構成する２枚の妻構体４から成る。側構体２の幅方向端部で、下部には、側梁５が存在する。台枠３には、台枠３と走行装置（図示せず）とを接続する枕梁６が存在する。

屋根構体１、側構体２、台枠３、妻構体４は、それぞれ複数の押出形材を接合して構成している。屋根構体１、側構体２、台枠３を構成する押出形材は、アルミニウム合金製の中空形材であり、押出方向を鉄道車両構体１０の長手方向にしている。妻構体４を構成する押出形材は、アルミニウム合金製のリブ付き形材であり、押出方向を鉄道車両構体１０の上下方向にしている。

鉄道車両構体１０の変形状態を図１９、図２０により説明する。図１９（ａ）は、鉄道車両構体１０の側面図である。鉄道車両構体１０は、枕梁６の長手方向中心で走行装置（図示せず）に支持されている。

鉄道車両構体１０には、鉄道車両構体１０に加えて電気機器などのぎ装部材や人員による鉄道車両構体１０の上下方向の荷重１７が負荷される。この上下方向の荷重１７により、鉄道車両構体１０には、モーメント分布１８が発生する。

ここで、図１９（ｂ）の横軸は鉄道車両構体１０の長手方向の位置を、縦軸は該当位置に発生するモーメント量を示している。このモーメント量に比例して、図２０に示すように、ひずみ分布１９が発生する。ここで、縦軸は鉄道車両構体１０の上下方向の位置を、横軸は該当位置に発生するひずみ量を示している。

これより、鉄道車両構体１０は、鉄道車両構体１０の長手方向中央部の屋根構体１及び側梁５において大きく変形することがわかる。すなわち、鉄道車両構体１０の曲げ剛性を効率的に向上するためには、鉄道車両構体１０の長手方向中央部の屋根構体１及び側梁５の変形を抑えることが有効であることがわかる。

ここで、図２の構造を説明する。鉄道車両構体１０の長手方向中央部の屋根構体１の車内側の屋根構体の中空形材１ｂに強度板７を貼り付けしている。貼り付けは、溶接によって行っている。この溶接は、強度板７の外周部は隅肉溶接７ｂ、強度板７の外周部の間は、強度板７を貫通する穴８を設け、この穴８を中空形材に栓溶接９している。栓溶接といっても、穴８を埋める必要はなく、強度的に接合していればよい、ここも隅肉溶接でよい。穴８は、中空形材１ｂの車内側の面板１ｃと車外側の面板１ｄとを接続する接続板１ｅと面板１ｃとの交点に溶接している。交点に車両長手方向に沿って、連続的に溶接しても間欠的に溶接してもよい。

強度板７の鉄道車両構体１０の車両長手方向の貼付範囲は、２つの枕梁６の間であり、鉄道車両構体１０の長手方向中心からほぼ対称である。
強度板７の幅方向（車両の幅方向、車両長手方向に対して直角方向を言う。）の貼付範囲は、屋根構体１の幅方向の長さの半分程度であり、屋根構体１の幅方向中心からほぼ対称である。

これらの範囲及び強度板７の板厚は、鉄道車両構体１０に必要とされる曲げ剛性、鉄道車両構体１０の質量制限、許容空間、施工制限などによって変化する。また、強度板７は、複数の板から構成されることもある。補強板７の板厚の変化は中空形材１ｂの面板１ｃ、１ｄの板厚で対応できる。

強度板７の板厚は、車両の幅方向中心に近づくに従って厚くなっている。言い換えれば、強度板７の板厚は、屋根構体１の上下方向の高さが高くなるに従って厚くなっている。

これは、一般に、屋根構体１の上下方向の高さは、屋根構体１の幅方向中心に近づくに従って高くなっているからである。強度板７の車外側の面（屋根構体１の中空形材の車内側の面板１ｂに沿う面）は、屋根構体１の車内側の面に沿うように機械加工されており、面板１ｂに接することができる。強度板７の車内側の面は、加工コストの面から機械加工されていない。

強度板７の材料は、アルミニウム合金である。強度板７の材料は、鉄などの他の材料でも良い。強度板７の材料を鉄などの縦弾性係数が高い材料にすると、剛性や空間の面で有利になるが、リサイクル性や接合性の面で不利になる。異種材料を接合して用いる場合には、リサイクル時にこれらの材料を分離する必要がある。また、異種材料を接合する方法として、溶接を主として用いることは困難である。

強度板７が複数の板から構成される場合には、複数の板同士を突き合わせ溶接にて溶接する。強度板７を複数の板で構成すると、運搬やハンドリングの面で有利になるが、部品点数や溶接コストの面で不利になる。

強度板７は、リベット接合やボルト締結などの他の方法にて屋根構体１に接合されていても良い。異種金属を接合する方法としては、これらの方法が主として用いられる。

かかる構成によれば、鉄道車両構体１０の長手方向中央部の屋根構体１の変形が抑えられるので、鉄道車両構体１０の曲げ剛性を効率的に向上できる。すなわち、鉄道車両の上下方向の曲げ振動を抑制できるので、良好な乗心地性能を提供できる。

上記実施例では、屋根構体の車内側の面に平行に強度板７を張っているので、車外側の面に張るよりも車両の外観を損ねることがない。

本発明の第２の実施例を図３から説明する。図３において、板厚が同一の強度板７を用いた例である。強度板７を機械加工で曲げている。強度板７の固定構造は図２と同様である。
これによれば、強度板７の車外側の機械加工を不要にでき、コスト面で有利にできる。

本発明の第３の実施例を図４、図５、図６から説明する。この実施例では強度板７を用いていない。
屋根構体１の長手方向の中央部（Ｖ部を言う。）の屋根構体１の中空形材の車内側の面板１ｂ、車外側の面板１ｃの板厚は、長手方向端部（VI部を言う。）の中空形材の面板１ｂ、１ｃの板厚よりも厚い。
これによれば、強度板７を不要にでき、空間、部品点数、溶接コストなどの面で有利となる。なお、IV部とＶ部との間に点線で示す枠は区分を示すものであり、枠そのものはない。

本発明の第４の実施例を図７、図８から説明する。図４は屋根構体１の長手方向中央部Ｖの中空形材の材質は縦弾性係数の高い材料である。屋根構体１の長手方向端部VIの中空形材は通常使用する中空形材である。長手中央部Ｖの中空形材がアルミ合金でできない場合は、通常の板（鉄系材料）１ｂ、１ｃに接続板（鉄系材料）１ｄを溶接する、または機械的に結合する。

本発明の第５の実施例を図９、図１０により説明する。鉄道車両構体１０の長手方向中央部の台枠の側梁５の台枠の水平面よりも下方の垂直面の車内側（ここでの車内側とは車内に面しているという意味ではなく、車外側に面した面ではないの意味である。）の面板５ｂに強度板７を貼り付けしている。強度板７の鉄道車両構体１０の長手方向の貼り付け範囲は、２つの枕梁６の間であり、鉄道車両構体１０の長手方向中心からほぼ対称である。強度板７の上下方向の貼り付け範囲は、側梁５の垂直面の面板５ｂ、台枠３の下面に隅肉溶接７ｃしている。台枠３の下面に溶接しないで、面板５ｂに溶接してもよい。また、強度板７の下端も側梁の下端で溶接してもよいが、垂直面の途中で終了してもよい。補強板７の下端には開先を設け、この開先の空間を溶接７ｄしている、

補強板７の上下の間は、中空形材５ａの車内側の面板５ｂと車外側の面板５ｃとを接続する接続板５ｄと面板５ｂとの交点に栓溶接９している。補強板７は栓溶接９の個所に穴８を開口している。栓溶接９は隅肉溶接でもよい。

補強板７の下端の垂直面には開先が設けられ、垂直面５ｂと溶接されている。開口は長手方向に沿って間欠的にある。なお、前記開口の溶接は栓溶接ではなく、垂直面５ｂに隅肉夭折してもよい。

補強板７は台枠側が下端よりも板厚が小さい。これは機械加工によって形成している。強度板７の車外側の面は、側梁５の車内側の面に沿うように機械加工されている。側梁５の垂直面の車内側の面が直線である場合には、強度板７の車外側の面を加工コストの面から機械加工しない。強度板７の車内側の面は、必要な板厚に応じて機械加工されている。

強度板７の材料は、アルミニウム合金である。また、強度板７の材料は、鉄などの他の材料でも良い。強度板７の材料を鉄などの縦弾性係数が高い材料にすると、剛性や空間の面で有利になるが、リサイクル性や接合性の面で不利になる。異種材料を接合して用いる場合には、リサイクル時にこれらの材料を分離する必要がある。また、異種材料を接合する方法として、溶接を主として用いることは困難である。
この強度板７の範囲及び強度板７の板厚は、鉄道車両構体１０に必要とされる曲げ剛性、鉄道車両構体１０の質量制限、許容空間、施工制限などによって変化する。また、強度板７は、複数の板から構成されることもある。

かかる構造によれば、鉄道車両構体１０の長手方向中央部の側梁５の変形が抑えられるので、鉄道車両構体１０の曲げ剛性を効率的に向上できる。すなわち、鉄道車両の上下方向の曲げ振動を抑制できるので、良好な乗心地性能を提供できる。補強板７は下端にいくにしたがって厚くなっているので、図２０のように、車外側から離れるに従って、ひずみが大きくなるのに対応させることができる。

本発明の第６の実施例を図１１により説明する。図１１は補強板７の板厚を一定にしたものである。強度板７は、側梁５の車内側の垂直面５ｂが曲がっていれば、面に沿うように曲げ加工されている。側梁５の車内側の面が直線である場合には、強度板７を加工コストの面から曲げ加工しない。

本発明の第７の実施例を図１２、図１３から説明する。これは、強度板７を側梁５の最下部の面が円弧状であるので、円弧状に曲げて円弧面に沿うようにしている。補強板７の車外側は中空形材に隅肉溶接７ｅしている。補強板の車内側の個所は中空形材との間に開先を設け、この開先を溶接７ｇしている。

図２０のように対象位置が車体の中止から離れるに従ってひずみ量が大きくなるので、その大きい個所に貼り付けており、好都合である。
これによれば、補強板の大きさを小さくできる。他の補強板７の外端部も隅肉溶接している。

本発明の第８の実施例を図１４、図１５、図１６から説明する。これは、強度板７の貼付けではなく、側梁５の板厚の増加により側梁５の変形の抑制を図った例である。鉄道車両構体１０の長手方向中央部（ＸＶ部と言う。）の側梁５の下部１６の板厚は、鉄道車両構体１０の長手方向端部（ＸVI部という。）を構成する側梁５の下部１５の板厚より厚い。
これによれば、強度板７の貼付が不要となるため、空間、部品点数、溶接コストなどの面で有利となる。

本発明の第９の実施例を図１７、図１８から説明する。これは、側梁５の長手方向中央部（ＸＶ部で示す。）を構成する側梁１５の下部１６の材料の縦弾性係数は、長手方向端部（ＸVI部で示す。）を構成する側梁１５の下部１６の材料の縦弾性係数より高い。
これによれば、側梁５の長手方向中央部（IX部）を構成する側梁１４の下部１６の板厚の増加が不要となるため、鉄道車両構体１０の長手方向の位置に関わらず、側梁５の形状しいては鉄道車両構体１０の形状を統一できる。

本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の各請求項に記載の文言あるいは課題を解決するための手段の項に記載の文言に限定されず、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。

本発明の一実施例の鉄道車両構体の斜視図。 図１のII−II断面図。 図１のIII−III断面図。 本発明の第３実施例の鉄道車両構体の斜視図。 図４のＶ部の屋根構体の縦断面図。 図４のVI部の屋根構体の縦断面図。 本発明の第４実施例であり、図５相当図。 本発明の第４実施例であり、図６相当図。 本発明の第５実施例の鉄道車両構体の斜視図。 図９のＸ−Ｘ断面図。 本発明の第６実施例であり、図１０相当図。 本発明の第７実施例の鉄道車両構体の斜視図。 図１２のＩIII−ＩIII断面図。 本発明の第８実施例の鉄道車両構体の斜視図。 図１４のＸＶ−ＸＶ部断面図。 図１４のＸVI−ＸVI部断面図。 本発明の第９実施例であり、図１５相当図。 図１６相当図。 鉄道車両構体のモーメントを説明する図であり、（ａ）は鉄道車両構え体の側面図、（ｂ）はモーメント分布図。 鉄道車両構体の垂直方向のひずみ量を説明する図。

符号の説明

１：屋根構体
２：側構体
３：台枠
４：妻構体
５：側梁
６：枕梁
７ 補強板
１０：鉄道車両構体

Claims (13)

1. 車両構体の長手方向中央部の屋根構体または台枠の側梁が他の部位の前記屋根構体または前記側梁の剛性よりも高くなっていること、
   を特徴とする車両構体。
2. 請求項１の車両構体において、
   前記長手方向中央部の前記屋根構体または前記側梁の板厚が、他の部位の前記屋根構体または前記側梁の板厚より厚くなっていること、
   を特徴とする車両構体。
3. 請求項２の車両構体において、
   前記長手方向中央部の前記屋根構体の車内側の板厚は、前記屋根構体の幅方向中心に近づくに従って厚くなっていること、
   を特徴とする車両構体。
4. 請求項３の車両構体において、
   前記長手方向中央部の前記屋根構体の前記車内側の板厚は、前記屋根構体の車内側の板に補強板を貼り付けて厚くなっていること、
   を特徴とする車両構体。
5. 請求項４の車両構体において、
   前記屋根構体は中空形材であり、
   前記強度板は、前記中空形材の車内側の面板に溶接されており、前記強度板の全周が隅肉溶接されており、また、前記強度板は、前記中空形材の車内側の面板と接続板との交点に栓溶接していること、
   を特徴とする車両構体。
6. 請求項１の車両構体において、
   前記車両構体の長手方向中央部の屋根構体の材料の縦弾性係数が、他の部位の屋根構体の材料の縦弾性係数より高くなっていること、
   を特徴とする車両構体。
7. 請求項６の車両構体において、
   前記長手方向中央部の前記屋根構体の材料の縦弾性係数は、前記屋根構体の幅方向中心に近づくに従って高くなっていること、
   を特徴とする車両構体。
8. 請求項１の車両構体において、
   前記側梁の垂直面の車外側と反対側の面の板厚は、他の部位の前記側梁の車外側と反対側の面の板厚より厚くなっていること、
   を特徴とする車両構体。
9. 請求項８の車両構体において、
   前記側梁の長手方向中央部の垂直面の車外側と反対側の板厚は、前記側梁の最下部に近づくに従って厚くなっていること、
   を特徴とする車両構体。
10. 請求項８の車両構体において、
    前記側梁の前記長手方向中央部の前記垂直面の車外側と反対側の前記板厚は、前記車外側と反対側の面に強度板を貼り付けすることにより厚くなっていること、
    を特徴とする車両構体。
11. 請求項１０の車両構体において、
    前記強度板の板厚は、前記側梁の下端側に行くに従って厚くなっていること、
    を特徴とする車両構体。
12. 請求項１０の車両構体において、
    前記側梁は中空形材であり、前記強度板は、前記車外側と反対側の面に溶接されており、前記強度板の全周が隅肉溶接されており、また、前記強度板は、前記中空形材の車外側の面板と反対側の面の面板とを接続する板と前記反対側の面板との交点に栓溶接していること、
    を特徴とする車両構体。
13. 請求項１２の車両構体において、
    前記車両構体の長手方向中央部の側構体の下部の材料の縦弾性係数は、側構体の最下部に近づくに従って高くなっていること、
    を特徴とする車両構体。

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