JP4912614B2

JP4912614B2 - 軌条車両

Info

Publication number: JP4912614B2
Application number: JP2005136356A
Authority: JP
Inventors: 英之中村; 澄生奥野; 俊昭牧野; 年旦佐川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-05-09
Filing date: 2005-05-09
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2021-09-25
Also published as: JP2005239160A

Description

本発明は、軌条に沿って走行する車両の車体に係り、軽合金製中空形材によって構成される鉄道車体に好適である。

鉄道車両において、衝突の際、乗客に加わる衝撃力を緩和することが求められている。特許文献１のように、先頭の車体の先頭部に衝突時の衝撃によって生成するエネルギーをその変形によって吸収するようにしている。

鉄道車両は複数の部材を溶接して構成している。前記衝撃吸収部分も同様である。

部材を接合する手段として、摩擦攪拌接合が提案され、鉄道車両にも適用されている。これは特許文献２に示されている。

特許文献３によれば、部材に対して摩擦攪拌処理を行うと、摩擦攪拌処理の部分の金属組織が微細になり、エネルギー吸収値が高くなることが報告されている。

これはアルミニウム合金の中空の押出し材に対して、輪状またはらせん状に摩擦攪拌処理して、自動車のステアリング用シャフトに用いている。衝撃エネルギーの方向に対して直角方向に摩擦攪拌処理されており、この部分で衝撃エネルギーを吸収する。また、長さの短い筒を衝撃エネルギーの方向に沿って直列に配置し、部材同士を摩擦攪拌接合して構成している。
特開平７−１８６９５１号公報（ＵＳＰ５７１５７５７）特許第３０１４６５４号公報（ＥＰ０７９７０４３Ａ２）特開平１１−５１１０３号公報

衝撃エネルギーの吸収部分は車体に設けるので、乗客スペースの確保の点から衝突エネルギーの吸収部分の長さは短いほうがよい。このため、元来、車体に存在する部分を衝撃エネルギーの吸収部分とすることが望ましい。

衝撃エネルギーの吸収部分は複数の部材を接合して構成される。このため、接合部分にも衝撃エネルギーがかかる。衝撃エネルギーの吸収は部材が蛇腹状に変形することによって大きなエネルギーを吸収できる。しかし、溶接した部分は衝撃エネルギーに対して弱く、破断しやすい。破断すると、部材が蛇腹状に変形しなくなり、衝撃エネルギーを吸収できなくなる。

本発明は、衝撃エネルギーを吸収できる軌条車両を提供することを目的とする。

上記目的は、二つの側構体と、屋根構体と、台枠とから構成される軌条車両であって、
前記二つの側構体、前記屋根構体、前記台枠は、それぞれ軽合金製押出し形材からなる複数の中空形材によって構成されており、前記各中空形材は、二枚の面板と前記面板同士を接続する接続板とからなるとともに、その押出し方向を前記軌条車両の長手方向に沿って配置されており、前記二つの側構体、前記屋根構体及び前記台枠において、前記複数の中空形材は前記軌条車両の周方向に並べて配置され、且つ隣接する前記中空形材同士は摩擦撹拌接合によって接合されており、前記二つの側構体、前記屋根構体、前記台枠を構成する前記中空形材は、前記軌条車両の長手方向の中央部に配設される中央部中空形材と、前記中央部中空形材の長手方向の両端部に接続される二つの車端部中空形材と、から構成されており、前記車端部中空形材は焼きなまし材であるとともに、前記車端部中空形材は前記中央部中空形材の強度より低い強度を有している軌条車両において、前記中央部中空形材と前記車端部中空形材とのうち一方の前記中空形材の端部の二枚の面板は取り除かれるとともに接続板が突出しており、前記中央部中空形材と前記車端部中空形材とのうち他方の前記中空形材の端部の接続板が取り除かれるとともに前記二枚の面板が突出しており、前記一方の中空形材の突出した前記接続板が、前記他方の中空形材の前記二枚の面板の間に嵌め込まれると共に、当該嵌め込まれた状態にある前記中央部中空形材の長手方向の両端部と前記車端部中空形材とが溶接によって接続されていること、によって達成できる。

本発明による軌条車両は、少なくとも台枠において、車体の長手方向に沿った部材同士を摩擦攪拌接合で接合したので、衝突事故の際、接合部が破断せず、衝撃力を吸収でき、安全にできるものである。また、本発明である軌条車両によれば、軌条車両の各構体を構成する二つの中空形材（中央部中空形材と車端部中空形材）については、一方の中空形材の端部の二枚の面板は取り除かれるとともに接続板が突出しており、他方の中空形材の端部の接続板が取り除かれるとともに二枚の面板が突出しているので、両中空形材の端部は、突出した接続板が突出した面板の間に嵌め込むことができる構造になっている。このように両中空形材の面板同士を嵌め合わせた状態で外方から溶接するので、突き合わせ部に段差や曲がりが生じることを抑制でき、溶接作業を容易に行うことができる。

本発明の一実施例を図１〜図１０により説明する。図２において、中空形材４０を示していない。しかし、複数の中空形材４０があることを想定して、該中空形材４０の下方の部材３５，３６，３８を点線で示している。

車体は、側面を構成する側構体１０，屋根構体２０，床を構成する台枠３０等から構成している。側構体１０，屋根構体２０，台枠３０はそれぞれ複数の中空形材を接合して構成している。中空形材は軽合金（例えば、アルミニウム合金）製の押出し形材で、その押出し方向（すなわち、長手方向）を車体の長手方向に向けている。中空形材の幅方向を車体の周方向に並べ、溶接して一体にしている。Ｗは窓である。この車体は２つの台車で支持されている。１つの車体と隣接する車体とは連結器で連結されている。

台枠３０は、床部分と、その両側の側梁３１と、連結器を結合するための連結部材と、からなる。床部分は、押出し方向を車体の長手方向に向けた複数の中空形材４０からなる。幅方向の両側には中空形材の側梁３１がある。側梁３１は大きく、その板厚が厚く，強固である。

また、台枠３０は、長手方向の両端の下面に、車体相互間を連結する連結器を結合するための連結部材を有する。連結部材は、車体の幅方向に向けた枕梁３５と、枕梁３５から車体の端部に設置した２つの中梁３６，３６と、中梁３６の端部に設置した端梁３９とからなる。２つの中梁３６，３６は部材３８で連結している。中梁３６は車体の幅方向において中央付近にある。２つの中梁３６，３６の間に車体相互間を連結する連結器が配置される。連結器は部材３８よりも端部側に連結されるので、この部分の中梁３６，３６の高さは大きくなっている。これら部材の相互間は溶接で接合されている。枕梁３５の両端は側梁３１，３１に溶接している。端梁３９は複数の中空形材４０の端部に溶接している。端梁３９の両端は側梁３１の側面に溶接している。

車体を構成する一対の側構体１０，屋根構体２０，台枠３０の長手方向の両端部の中空形材（図１，図２の斜線部）Ｂは、車体の中央部の中空形材Ａとは機械的性質が異なる。中空形材Ｂは材料として中空形材Ａの材料よりも柔らかく，衝突時に潰れやすく，衝撃エネルギー吸収部分になっている。中空形材Ａ，Ｂの断面形状は同一である。前記両端すなわち中空形材Ｂが設置される部分は、運転室の運転機器（運転席よりも前方にある。）が設置される部分や、車体の客室（トイレ，洗面所，乗務員室を含む。）を構成する。

車体の端部すなわち中空形材Ｂが配置される範囲の中梁３６および側梁３１は、中空形材Ｂと同様に、衝撃力で潰れやすくしている。この範囲Ｂの中梁３６の上面および側面の板には長穴３６ｂを空けている。中梁３６は断面がチャンネル状で、下面には板がない。前記範囲Ｂの側梁３１には、車外の側面を向いた面板を除く面板（車内側を向いた面板）には長穴３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅ，３１ｆを空けている。車外側に長穴を設けないのは見栄えの低下を防止するためである。車外に露出した長穴３１ｅ，３１ｆには薄い板（図示せず）を溶接して長穴を閉鎖している。これは側梁３１内に水が浸入するのを防止するためである。

車体を構成する側構体１０，屋根構体２０，台枠３０のそれぞれの中空形材は長手方向の両端部の中空形材Ｂ，Ｂとその他の部分（中央部）の中空形材とからなる。中空形材Ｂの長さは例えば１００ｍｍから１０００ｍｍ程度である。中空形材Ｂは中空形材Ａよりも柔らかい。中空形材Ｂは焼なましして柔らかくしている。

この焼なましは例えばＯ材処理である。一般に、押出し形材は押出し加工の後、各種の熱処理が行われる。押出し形材の材質がＡ６Ｎ０１のとき、Ｔ５の人工時効硬化処理が行われる。前記Ｏ材の焼なましはその後行うものである。Ｏ材への焼なまし処理は３８０℃×２時間であり、耐力は３６.８ＭＰａである。Ｔ５は耐力２４５ＭＰａである。前記Ｏ材への焼なましは中空形材の材料として柔らかくすることを目的としたものである。中空形材Ｂの伸びは中空形材Ａよりも大きい。中空形材Ｂの耐力は中空形材Ａよりも小さい。強度と必要な柔らかさのためには、Ｏ材以外の焼なまし処理も選択される。

この熱処理としては、図４のように中空形材Ｂの長さに切断した状態で実施する場合と、長尺の中空形材の状態で実施する場合が考えられる。長尺の中空形材の場合、前記熱処理の後、所用の長さ（Ｂ，Ｂ）に切断する。

このように加工した中空形材Ａと中空形材Ｂ，Ｂとをそれぞれアーク溶接で接合Ｗ_１し、車体全長に相当する中空形材４０を構成する。このようにして製作した中空形材４０を図５に示すように幅方向（車体の周方向）に並べ、車体の長手方向に沿って摩擦攪拌接合により接合Ｗ₂ し、台枠３０，側構体１０，屋根構体２０を製作する。台枠３０の場合、側梁３１，３１および中梁３６等の連結部材をアーク溶接する。なお、図１の中空形材４０の数と図５の中空形材４０の数が異なるのは、図１を簡単にするために中空形材４０の数を少なくしたためである。このようにして構成した台枠３０，側構体１０，屋根構体２０はその端部を溶接で接合して車体とする。

この中空形材Ａと中空形材Ｂ，Ｂとの溶接構造を図６，図７によって説明する。中空形材４０（Ａ，Ｂ）は、公知のように、２枚の面板４１，４２と、この面板４１，４２を接続する接続板４３とからなる。接続板４３は傾斜しており、斜材４３，４３はトラスを構成するように配置している。

中空形材Ａ，Ｂの端部は互いに嵌め込むことのできる構造になっている。中空形材Ａの長手方向の端部は、面板４１，４２が切削によって除かれ、複数の斜材４３が突出している。他方の中空形材Ｂは端部の複数の斜材４３が除かれている。中空形材Ａの端部の斜材４３は中空形材Ｂの２枚の面板４１，４２の間に入ることができる。このように嵌め合わせた状態で、面板４１，４１（４２，４２）同士を外方から溶接する。嵌め合わせて溶接するので、突き合わせ部に段差や曲がりが生じることを抑制でき、溶接作業を容易に行うことができる。

中空形材Ａ（Ｂ）と中空形材Ａ（Ｂ）との車体の幅方向に沿った接合部を図１０によって説明する。一方の中空形材４０の端部は面板４１，４２に実質的に直交する接続板４５で接続している。面板４１（４２）と接続板４５との接続部から端部側に片４６が突出している。接続板４５の端部側は面板４１，４２の外面よりも凹んでいる。突出片４６はこの凹んだ位置にある。この凹部に他方の中空形材４０の面板４１，４２が重なる。２つの中空形材の面板４１，４２は突き合わせられている。接続板４５がある中空形材４０の面板４１，４２の端面（凹部に至る面）は接続板４５の板厚の中心の延長線上に実質的にある。突き合わせる中空形材の面板４１，４２の端部の外面側には中空形材の厚さ方向に突出する凸部４７がある。凸部４７同士も突き合わせられている。

摩擦攪拌接合を説明する。図１０のように、一対の中空形材４０，４０は架台１００に載せられている。下方の凸部４７，４７は架台１００に載っている。突き合わせ部はアーク溶接によって長手方向に沿って仮止め溶接している。この状態で、上方の突き合わせ部を回転工具１１０によって摩擦攪拌接合する。回転工具１１０の大径部の下端は面板４１（４２）の外面と凸部４７，４７の頂との間に位置させる。残った凸部は必要により切削して除く。上方を摩擦攪拌接合したら、この中空形材４０，４０を反転させ、同様に摩擦攪拌接合する。

中空形材４０と側梁３１との接合部の構成は図９のように図１０と同様であり、同様に摩擦攪拌接合する。一般に、側梁は台枠３０の一部として接合されており、その後、側構体１０に溶接する。

中空形材Ａと中空形材Ｂとをアーク溶接した後、摩擦攪拌接合することが望ましい。

車両が障害物に衝突した場合、中空形材Ｂに衝撃荷重がかかる。車体と車体とを連結する連結器は、その衝撃で脱落する。このため、一方の車体の端部が隣接する車体の端部に衝突する。これらによって、台枠３０の端梁３９から複数の中空形材Ｂ，側梁３１，中梁３６に衝撃が作用する。また、側構体１０，屋根構体２０にも端部に衝撃力が作用する。

車体の端部には中央部の中空形材Ａより柔らかい中空形材Ｂがあるので、衝撃が加わった際、台枠３０の中空形材Ｂが中空形材Ａの一般部よりも先に変形し、衝撃を緩和する。中空形材Ｂの範囲の中梁３６，側梁３１も長穴によって変形を容易にしているので、同様に変形し、台枠３０の中空形材Ｂの変形を許容する。また、側構体１０，１０、屋根構体２０も台枠３０と同様に端部を柔らかい中空形材Ｂで構成しているので、変形する。

ここで、中空形材Ｂの衝撃力緩和特性について述べる。圧縮荷重が負荷されると、図１１に示す通りの荷重−変形の挙動を示す。材料の特性により、図１２に示すように、引張り強さや耐力などの強度が高く、伸びの小さい（脆い）材料Ｉ、強度は低いが伸びの良い（粘い）材料ＩＩＩ、上記材料Ｉ，ＩＩＩの中間の特性を示す材料ＩＩが考えられる。図１１のＸ（Ｘ_１，Ｘ_２）で示す曲線（図１２の強度特性Ｉに相当する材料）の材料では、耐荷重は大きくなるが、最大荷重を超えた後の耐荷重が急激に低下することになる。一方、強度が低く、伸びの大きい材料（図１２の強度特性ＩＩＩに相当する材料）では、図１１のＹで示す曲線のように最大の耐荷重は低くなるが、その後の耐荷重が急激に低下しない特性を示す。

Ｙ曲線の例で示す斜線部の範囲は、この材料の破壊エネルギーを示している。ＸとＹ曲線を比較すると、最大耐荷重後の変形挙動により、そこそこの強度を持ち、伸びの良い材料の方（この場合、Ｙ曲線の材料）が、破壊エネルギーは高くなることが解る。このような強度特性Ｙを持つ材料を緩衝部材Ｂとして選ぶことが重要となる。Ｙ曲線の材料は押出し形材を例えばＯ材処理することによって容易に得ることができる。

Ｘ曲線の場合、材料の強度が高く，伸びが小さいため、部材断面内における応力のアンバランスに伸びが追随できず、部分的に破壊が生じることになり、急激に耐荷重が低下することになる。一方、Ｙ曲線の場合、部材の最大耐荷重は、Ｘ曲線の場合より低下するが、材料の伸びが大きいため、断面内の応力のばらつきに対して部分的に塑性変形する（伸びが追随できる）ことができ、全体として急激な耐荷重の低下につながらず、ある程度の耐荷重を維持しながら大きく変形することができることになる。

このため、車体の端部に衝撃が加わると、中空形材Ｂが中空形材の一般部Ａより先に変形，崩壊し、車体に加わる衝撃を緩和することになる。中空形材は蛇腹状に変形する。さらに、部材Ｂを中空形材で構成しているので、一般の薄板構造に比較して、その面内曲げ剛性および面外曲げ剛性が高く、しかも、２枚の面板と斜材からなる複合構造であることから、圧縮荷重に対して破壊エネルギーの吸収特性が高い（単位平面積当たりの）という効果も有している。

複数の中空形材Ｂ，Ｂ同士は衝撃がかかる車体の長手方向に沿って摩擦攪拌接合によって接合している。この接合がアーク溶接であった場合は、溶接部が破断し、蛇腹状に変形することが困難になり、エネルギー吸収特性が低下する。これはアーク溶接の場合、溶接部の衝撃値が母材の衝撃値に比べて大きく低下することから理解できる。しかし、摩擦攪拌接合部の衝撃値はアーク溶接の溶接部に比べて高く、接合部が破断するようなことがない。これは摩擦攪拌接合によって接合部の金属組織が微細になり、エネルギー吸収値が高くなっているためと考えられる。このため、摩擦攪拌接合した場合は、それぞれの中空形材が所定とおり変形し、衝撃エネルギーを吸収できる。

中梁３６，側梁３１の端部を前記中空形材Ｂのように熱処理によって柔らかくしてもよい。この場合、端部と中央部は１つの部材でも溶接によって一体にしたものでもよい。中空形材の場合、前記のように嵌め合わせるようにする。

上記実施例では中空形材の両面から摩擦攪拌接合しているが、前記特許文献２の図９のように、中空形材の一方の面から他方の面板同士を接合し、次に前記一方の面板同士を、接続材を介して接合するようにできる。

図１３の実施例を説明する。車体の全長にわたる中空形材において、中空形材を分離する加工は行わない。長尺の中空形材の両端部において、所用の長さの部分Ｂ，Ｂを長尺のまま熱処理（焼なまし）を行う。この熱処理の方法としては、加熱炉の中で部分的に行う場合と、高周波焼入れのように部分的に加熱して所用の特性を有する中空形材にする場合などが考えられる。このようにして、車体全長の中空形材を構成した後、複数の中空形材を接合して台枠を製作する。

上記実施例では、台枠，側構体，屋根構体を同一長さにしているが、先頭車の先頭部分の車体の比較的下部を前方に突出させて設け、この突出部の床を前記中空形材Ｂで構成することができる。この床は台枠の端部を構成する、この突出部の床の上方は空間であっても、運転用機器の設置スペースでもよい。

図１４の実施例を説明する。この実施例は衝突した後、車体の端部の交換を容易にしたものである。中空形材Ａ，Ｂの端部にフランジ６１，６１をアーク溶接している。フランジ６１は車内側に突出している。フランジ６１，６１をボルトナットで結合している。

また、中空形材に焼きなまし加工をしない場合は、面板とトラス状の接続材との接続部を部分的に除き、衝撃荷重によって変形しやすくする。面板の外面側から切削によって前記接続部を除く。また、前記接続部を除くことは焼きなまし材に対して行うことができる。また、構体を中空形材で構成しているが、適宜、薄板と骨部材とで構成することができる。

本発明の技術範囲は、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軌条車両の車体の端部の斜視図である。図１の車体の端部の台枠の平面図である。図１のIII−III断面図である。本発明の一実施例の中空形材の製作方法の説明図である。台枠の全体構造の平面図である。図１の台枠の端部の斜視図である。図６のVII−VII断面図である。図２のVIII−VIII断面図である。図２のIX−IX断面図である。図５のX−X断面図である。材料の衝撃エネルギーの説明図である。材料の応力−ひずみ線図である。本発明の他の実施例の中空形材の製作方法の説明図である。本発明の他の実施例の要部の断面図である。

符号の説明

１０…側構体、２０…屋根構体、３０…台枠、３１…側梁、３５…枕梁、３６…中梁、３８…部材、３９…端梁、Ａ，Ｂ，４０…中空形材、４１，４２…面板、４３，４５…接続板。

Claims

二つの側構体と、屋根構体と、台枠とから構成される軌条車両であって、
前記二つの側構体、前記屋根構体、前記台枠は、それぞれ軽合金製押出し形材からなる複数の中空形材によって構成されており、
前記各中空形材は、二枚の面板と前記面板同士を接続する接続板とからなるとともに、その押出し方向を前記軌条車両の長手方向に沿って配置されており、前記二つの側構体、前記屋根構体及び前記台枠において、前記複数の中空形材は前記軌条車両の周方向に並べて配置され、且つ隣接する前記中空形材同士は摩擦撹拌接合によって接合されており、
前記二つの側構体、前記屋根構体、前記台枠を構成する前記中空形材は、前記軌条車両の長手方向の中央部に配設される中央部中空形材と、前記中央部中空形材の長手方向の両端部に接続される二つの車端部中空形材と、から構成されており、
前記車端部中空形材は焼きなまし材であるとともに、前記車端部中空形材は前記中央部中空形材の強度より低い強度を有している軌条車両において、
前記中央部中空形材と前記車端部中空形材とのうち一方の前記中空形材の端部の二枚の面板は取り除かれるとともに接続板が突出しており、
前記中央部中空形材と前記車端部中空形材とのうち他方の前記中空形材の端部の接続板が取り除かれるとともに前記二枚の面板が突出しており、
前記一方の中空形材の突出した前記接続板が、前記他方の中空形材の前記二枚の面板の間に嵌め込まれると共に、当該嵌め込まれた状態にある前記中央部中空形材の長手方向の両端部と前記車端部中空形材とが溶接によって接続されていること
を特徴とする軌条車両。