JP6178874B2

JP6178874B2 - 鉄道車両の車体

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Publication number: JP6178874B2
Application number: JP2015560848A
Authority: JP
Inventors: 吉田　直弘; 直弘吉田; 直朗川上; 宏幸桜井
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2014-02-05
Filing date: 2014-02-05
Publication date: 2017-08-09
Anticipated expiration: 2034-02-05
Also published as: JPWO2015118571A1; US20170144677A1; WO2015118571A1; US10124817B2

Description

本発明は、屋根構体と側構体とが軒桁を介して接続されてなる鉄道車両の車体に関する。

従来、鉄道車両の車体においては、軽量化、部品点数の削減及び生産性の向上等のために、アルミニウム合金等を材料として押し出し成形された所定形状の中空形材を用いた構体が知られている。例えば、特許文献１では、屋根ブロックと側ブロックとの間の軒桁の領域において、閉断面部材が設けられている。閉断面部材は、個別に押し出し成形された中空状の側接合部材、肩部材及び屋根接合部材を有し、側接合部材、肩部材及び屋根接合部材は互いに溶接されている。肩部材では、屈曲形状の外板の屈曲点と円弧形状の内板の中央部とがリブで連結されているが、側接続部材及び屋根接合部材には連結用のリブが設けられていない。

ところで、車両がトンネルを出入りするとき又はトンネル内を走行するときなどに、車外の空気圧変動により車体の内圧と外圧とに差が生じることで、気密荷重と呼ばれる外力が構体に作用する。近年は、鉄道車両の高速化に伴い、この気密荷重を十分に考慮して構体の強度を設計する必要がある。特許文献１の構体では、ラーメン構造のような断面が形成され、気密荷重により構体断面の各四角形が形状変形しうるため、その形状変形に対して構体全体の曲げ抵抗で抗する。そのため、構体の角部に大きな曲げ応力が作用し、軒桁の強度を十分に高める必要がある。

そこで、特許文献２では、外側板部及び内側板部に複数の三角形を形成するように複数の隔壁部を連結することでトラス構造のような断面が形成された軒桁を備えるダブルスキン構体が開示されている。この軒桁は、その断面の各三角形の頂点を仮想的に繋いだ基本断面形状線を円弧状とすることで、大きな屈曲箇所を無くして曲げモーメントによる応力の局所集中を防ぐとともに、内側板部及び外側板部のうち三角形を形成する各セクションの全てを平坦とすることで、内側板部及び外側板部に伝達される荷重を面内応力として負担させて面外変形を防止している。

特開平２−１１４０５８号公報特許第２８９６３５４号公報

しかしながら、特許文献２の軒桁は、基本断面形状線が円弧状であり、内側板部及び外側板部が各三角形の頂点の全てを屈曲させた多角形状であるため、構体に作用する気密荷重が大きくなると三角形の頂点における曲げ荷重が大きくなる。そのため、全ての頂点における曲げ荷重を十分に考慮し、軒桁を全体的に厚くして強度を高める必要が生じる。軒桁が全体的に厚くなると、車内空間が減少してしまうとともに重量増にも繋がる。

そこで本発明は、鉄道車両の車体において、トラス構造の断面が形成された軒桁を改良し、軒桁の厚さの増加を抑制できる構造を提供することを目的とする。

本発明に係る鉄道車両の車体は、屋根構体と、側構体と、軒桁とを備え、前記屋根構体と前記側構体とが前記軒桁を介して接続されてなる鉄道車両の車体であって、前記軒桁は、外板と、前記外板に対して車内側に隙間をあけて配置された内板と、前記外板及び前記内板に連結され且つ前記外板及び前記内板とともにトラス状に複数の三角形を形成する複数の連結リブ板とを有し、前記外板及び前記内板の各々は、前記三角形の頂点同士を繋ぐセクションを複数有し、前記外板及び前記内板の少なくとも一方の板の前記複数のセクションは、複数の平板セクションを含み、前記少なくとも一方の板では、隣接する２つ以上の前記平板セクションが直線上に配置される。

前記構成によれば、トラス構造の断面が形成された軒桁において、隣接する２つ以上の平板セクションが直線上に配置されるので、構体に作用する気密荷重に大きな変動が生じても、直線上で隣り合う平板セクションの接続点（三角形の頂点）において曲げ荷重の発生が抑制される。したがって、軒桁の強度を構造的に高めることができ、軒桁の厚さの増加を抑制することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、軒桁の強度を構造的に向上させて、軒桁の厚さの増加を抑制することができる。

実施形態に係る鉄道車両の車体を示す斜視図である。図１に示す車体の車両長手方向に直交する断面における軒桁を含む要部の断面図である。図２に示す軒桁の一部の拡大断面図である。図２に示す軒桁の別の一部の拡大断面図である。

以下、実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、実施形態に係る鉄道車両の車体１を示す斜視図である。図１に示すように、鉄道車両の車体１は、車体底部となる台枠２と、窓又は出入口に用いる開口部３ａが形成され且つ台枠２の車幅方向の両側部にそれぞれ下端部が接続された左右一対の側構体３と、側構体３の上端部に下端部が接続された軒桁４と、台枠２の車両長手方向の端部に下端部が接続された妻構体５と、軒桁４及び妻構体５の上側の端部に接続された屋根構体６と、を備えている。鉛直方向に沿って延びる側構体３と水平方向に沿って延びる屋根構体６とは軒桁４を介して接続されるため、軒桁４は、車両長手方向に見て、全体として概ね車外側に向けて凸となるように曲がった形状を呈している。

図２は、図１に示す車体１の車両長手方向に直交する断面における軒桁４を含む要部の断面図である。図３は、図２に示す軒桁４の一部の拡大断面図である。図４は、図２に示す軒桁４の別の一部の拡大断面図である。図２に示すように、軒桁４の下側の端部４ａが側構体３の上端部３ａに車両長手方向に沿って溶接で接合され、軒桁４の上側の端部４ｂが屋根構体６の車幅方向の端部６ａに車両長手方向に沿って溶接で接合されている。軒桁４は、外板１１と、外板１１に対して車内側に隙間をあけて配置された内板１２と、外板１１及び内板１２に連結され且つ外板１１及び内板１２とともにトラス状に複数の三角形を形成する複数の連結リブ板１３とを有している。即ち、軒桁４は、トラス構造の断面を有するダブルスキン構体であり、アルミニウム合金等の金属を用いて押し出し成形により一体成形される。

外板１１は、その下側において円弧部Ａ１を有している。外板１１は、円弧部Ａ１に上側に連続した第１直線部Ｂ１と、第１直線部Ｂ１の上側に連続して且つ第１直線部Ｂ１とは異なる配置角度の第２直線部Ｂ２とを有している。第１直線部Ｂ１は、その上側が車幅方向内側に向くように鉛直方向に対して傾斜している。第２直線部Ｂ２は、その上側が車幅方向内側に向くように鉛直方向に対して傾斜し且つその傾斜角は第１直線部Ｂ１よりも大きい。即ち、外板１１には、第１直線部Ｂ１と第２直線部Ｂ２とが互いに角度をもつことで車外側に向けて突出する１つの屈曲点Ｍ１が形成されている。円弧部Ａ１は、屈曲点Ｍ１との間に第１直線部Ｂ１を介在させている。

外板１１は、複数の平板セクション１１ａと、複数の曲面板セクション１１ｂとを有している。平板セクション１１ａの各々は、トラス構造の中空の三角形の外板１１側の２つの頂点を繋ぐセクションであり、その厚さ方向の中心を通る中立線が直線である。曲面板セクション１１ｂの各々は、トラス構造の中空の三角形の外板１１側の２つの頂点を繋ぐセクションであり、その厚さ方向の中心を通る中立線が車外側に向けて凸な円弧状である。さらに、外板１１は、平板セクション１１ａと曲面板セクション１１ｂとに挟まれた１つの混合セクション１１ｃを有している。混合セクション１１ｃは、トラス構造の中空の三角形の外板１１側の２つの頂点を繋ぐセクションであり、その厚さ方向の中心を通る中立線が、車外側に向けて凸な曲面板部とそれに滑らか連続する平板部とを有している。

外板１１の円弧部Ａ１は、外板１１の下端部から連続して並んだ複数の曲面板セクション１１ｂを有している。詳細には、円弧部Ａ１は、複数の曲面板セクション１１ｂと混合セクション１１ｃの曲面板部とにより形成されている。外板１１の第１直線部Ｂ１は、単一の直線上に並んで配置された複数の平板セクション１１ａを有している。詳細には、第１直線部Ｂ１は、複数の平板セクション１１ａと混合セクション１１ｃの平板部とが単一の直線上に並んで配置されることで形成されている。外板１１の第２直線部Ｂ１は、１つの平板セクション１１ａにより形成されている。即ち、外板１１の複数のセクションは、平板セクション１１ａと曲面板セクション１１ｂとを含み、外板１１では平板セクション１１ａの数が曲面板セクション１１ｂの数よりも多い。外板１１の屈曲点Ｍ１は、隣接する２つの平板セクション１１ａが互いに角度をもつことで形成されている。

内板１２は、互いに連続して且つ互いに角度の異なる第１〜第４直線部Ｃ１〜Ｃ４を有している。第１〜第４直線部Ｃ１〜Ｃ４の何れも、その上側が車幅方向内側に向くように鉛直方向に対して傾斜し、上側に配置された直線部Ｃ４〜Ｃ１ほど当該傾斜角が大きくなっている。即ち、内板１２には、隣接する第１〜第４直線部Ｃ１〜Ｃ４が互いに角度をもつことで車外側に向けて突出する複数（例えば、３つ）の屈曲点Ｎ１〜Ｎ３が形成されている。

内板１２は、複数の平板セクション１２ａを有している。平板セクション１２ａの各々は、トラス構造の中空の三角形の内板１２側の２つの頂点を繋ぐセクションであり、その厚さ方向の中心を通る中立線が直線である。内板１２の第１及び第２直線部Ｃ１，Ｃ２の各々は、複数の平板セクション１２ａが単一の直線上に並んで配置されることで形成されている。第２直線部Ｃ２の平板セクション１２ａの数は、第１直線部Ｃ１の平板セクションの数よりも多い。内板１２の第３及び第４直線部Ｃ３，Ｃ４の各々は、１つの平板セクション１２ａで形成されている。内板１２の屈曲点Ｎ１〜Ｎ３は、隣接する２つの平板セクション１２ａが互いに角度をもつことで形成されている。内板１２は、曲面板セクションを有さず、内板１２の各セクションは平板セクション１２ａのみからなる。

屈曲点Ｍ１における外板１１の車外側の角度は、軒桁４の各三角形の外板１１側の各頂点における外板１１の車外側の角度のうちで最も大きい。外板１１の屈曲点Ｍ１は、最大屈曲点Ｍ１とも称す。最大屈曲点Ｍ１における外板１１の車外側の角度は、軒桁４の各三角形の内板１２側の各頂点における外板１２の車外側の角度よりも大きい。即ち、最大屈曲点Ｍ１における外板１１の車外側の角度は、屈曲点Ｎ１〜Ｎ３における内板１２の車外側の角度よりも大きい。

内板１２における屈曲点Ｎ１〜Ｎ３の数は、外板１１における屈曲点Ｍ１の数よりも多い。具体的には、内板１２における屈曲点Ｎ１〜Ｎ３の数は、外板１１における屈曲点Ｍ１の数の２倍よりも多い。本実施形態では、内板１２における屈曲点Ｎ１〜Ｎ３の数は３つであり、外板１１における屈曲点Ｍ１の数は１つである。外板１１及び内板１２の各々は、互いに角度が異なる複数の直線部Ｂ１，Ｂ２，Ｃ１〜Ｃ４を有し、内板１２における直線部Ｃ１〜Ｃ４の数は、外板１１における直線部Ｂ１，Ｂ２の数よりも多い。具体的には、内板１２における直線部Ｃ１〜Ｃ４の数は、外板１１における直線部Ｂ１，Ｂ２の数の２倍以上である。本実施形態では、内板１２における直線部Ｃ１〜Ｃ４の数は４つであり、外板１１における直線部Ｂ１，Ｂ２の数は２つである。

また、内板１２における複数の平板セクション１２ａで形成された直線部Ｃ１，Ｃ２の数は、外板１１における複数の平板セクション１１ａで形成された直線部Ｂ１の数よりも多い。本実施形態では、内板１２における複数の平板セクション１２ａで形成された直線部Ｃ１，Ｃ２の数は２つであり、外板１１における複数の平板セクション１１ａで形成された直線部Ｂ１の数は１つである。外板１１の直線部Ｂ１，Ｂ２及び内板１２の直線部Ｃ１〜Ｃ４のうち最も長い直線部Ｃ２は、内板１２に設けられている。即ち、内板１２の第１〜第４直線部Ｃ１〜Ｃ４のうち最大長さの第２直線部Ｃ２は、外板１１の第１及び第２直線部Ｂ１，Ｂ２の最大長さの第１直線部Ｂ１よりも長い。

図２及び３に示すように、外板１１のうち最大屈曲点Ｍ１に隣接する両側には、それぞれ平板セクション１１ａを有する第１及び第２直線部Ｂ１，Ｂ２が配置されている。内板１２のうち最大屈曲点Ｍ１に車内側に対向する部分は、平板セクション１２ａであり、かつ、最大屈曲点Ｍ１に対向する平板セクション１２ａの中間部は、最大屈曲点Ｍ１に対して直接接続しておらず、非連結である。最大屈曲点Ｍ１に直接接続された連結リブ部１３は２つである。最大屈曲点Ｍ１の断面積は、軒桁４の他の屈曲点Ｎ１〜Ｎ３の何れの断面積よりも大きい。また、最大屈曲点Ｍ１の断面積は、単一の直線上に配置された隣接する平板セクション１１ａ，１２ａの間の頂点Ｐの何れの断面積よりも大きい。

軒桁４の屋根構体６側の端部４ｂには、軒桁４の厚さ方向に対して傾斜した端板１４が設けられている。端板１４は、その上部がその下部よりも車幅方向外側に位置するように傾斜している。端板１４の上部及び下部には、それぞれ屋根構体６と嵌合するための上下一対の凸部１５，１６が車幅方向内側に向けて突設されている。上側の凸部１５は、下側の凸部１６よりも車幅方向外側に位置している。また、軒桁４には、外板１１の最大屈曲部Ｍ１から上方に向けて突出したブラケット部１７が設けられている。

図２に示すように、外板１１の最大屈曲点Ｍ１は、軒桁４の上側に配置されている。最大屈曲点Ｍ１から外板１１の側構体３側の端部までの長さは、最大屈曲点Ｍ１から外板１１の屋根構体６側の端部までの長さよりも長い。軒桁４の全体の車幅方向の幅は、軒桁４の全体の鉛直方向の高さよりも小さい。外板１１の第１直線部Ｂ１と内板１２の第２直線部Ｃ２とは、互いに平行である。外板１１の第２直線部Ｂ２と内板１２の第４直線部Ｃ４とは、互いに平行である。内板１２には、外板１１の円弧部Ａ１の車内側に対向する領域に第１屈曲部Ｎ１が配置されている。

次に、トラス構造の断面を有する軒桁４における気密荷重の力学的作用について図４を参照して説明する。外板１１の曲面板セクション１１ｂに掛かる応力σは、下記の数式１で表される。なお、σ_bendは曲げ成分応力、σ_compは単純圧縮成分応力である。

曲げ成分応力σ_bendは、下記の数式２で求められ、単純圧縮成分応力σ_compは、下記の数式３で求められる。なお、Ｍは外板１１に負荷されるモーメント、Ｚは断面係数、Δｄは三角形の外板１１側の２つの頂点間を結ぶ直線と外板１１との間のズレ量、Ｆは外板１１の圧縮荷重、Ｌは外板１１の車両長手方向寸法、ｔは外板１１の板厚である。

前記した数式１〜３より分かるように、ズレ量Δｄが小さくなるほど曲げ成分応力σ_bendが低減される。即ち、曲面板セクション１１ｂにおいては、ズレ量Δｄに応じた曲げ成分応力σ_bendが発生し、平板セクション１１ａ，１２ａにおいては、曲げ成分応力σ_bendが発生しないことになる。軒桁４の全体では、平板セクション１１ａ，１２ａの数が、外板１１及び内板１２の全てのセクション１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１２ａの数の半分よりも多い。本実施形態では、平板セクション１１ａ，１２ａの数が１０個で、外板１１及び内板１２の全てのセクション１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１２ａの数が１３個である。そして、外板１１では、平板セクション１１ａの数は、曲面板セクション１１ｂの数の半分以上であり、内板１２では、全てのセクションが平板セクション１２ａである。よって、外板１１及び内板１２に伝達される気密荷重は、平板セクション１１ａ，１２ａにおいて面内応力として負担されて面外変形が防止される。

さらに、図３に示すように、例えば、屈曲点Ｍ１を挟んだ２つの平板セクション１１ａの面内応力の各方向は同一直線上にないため、その屈曲点Ｍ１には曲げ荷重が生じるが、頂点Ｐを挟んで隣接する２つ以上の平板セクション１１ａ，１２ａは直線上に並んで配置されるので、軒桁４に作用する気密荷重に大きな変動が生じても、直線上で隣り合う平板セクション１１ａ，１２ａの間の接続点（三角形の頂点）において曲げ荷重の発生が抑制される。よって、外板１１及び内板１２を薄くして軽量化を図っても、面外変形による座屈を好適に防ぐことができる。また、最大屈曲部Ｍ１には、直線上に配置された隣接する平板セクション１１ａ，１２ａの間の頂点Ｐや軒桁４の他の屈曲点Ｎ１〜Ｎ３に発生する応力よりも大きな応力が発生する。最大屈曲部Ｍ１の断面積は、直線上に配置された隣接する平板セクション１１ａ，１２ａの間の頂点Ｐの何れの断面積よりも大きく、軒桁４の他の屈曲点Ｎ１〜Ｎ３の何れの断面積よりも大きい。よって、最大屈曲部Ｍ１における曲げ変形が好適に防止されるとともに、軒桁４に負荷される車両長手方向の圧縮荷重に対する強度も向上する。

また、外板１１の最大屈曲点Ｍ１に車内側に対向する内板１２の平板セクション１２ａの中間部は、最大屈曲点Ｍ１に対して直接接続されておらず、非連結であるので、最大屈曲部Ｍ１に作用する応力が当該平板セクション１２ａに面外方向の局所応力として作用することも防止される。

また、内板１２における屈曲点Ｎ１〜Ｎ３の数は、外板１１における屈曲点Ｍ１の数よりも多いので、車内空間を効率的に広く確保することが可能となる。また、外板１１は、平板セクション１１ａと曲面板セクション１１ｂとの両方を有しているので、曲面板セクション１１ｂで外観を良好にしながらも、平板セクション１１ａにより強度向上を図ることができる。特に、本実施形態の曲面板セクション１１ｂは、外観に影響しやすい外板１１の下部に設けられているので、外観向上と強度向上とを効果的に両立することができる。

外板１１の直線部Ｂ１，Ｂ２及び内板１２の直線部Ｃ１〜Ｃ４のうち最も長い直線部Ｃ２は、内板１２に設けられているので、内板１２において十分な強度を確保することができる。また、外板１１における円弧部Ａ１と第１直線部Ｂ１との境界が三角形の頂点ではなく混合セクション１１ｃの中間部に位置しているので、外板１１において第１直線部Ｂ１と円弧部Ａ１との長さを設定する際の設計自由度が向上する。また、混合セクション１１ｃは、内板１１のうち最も長い第２直線部Ｃ２に対向しており、軒桁４の強度を良好に保つことができる。

以上より、軒桁４の外観を良好にしながらも、軒桁４の強度を構造的に向上させて軒桁４の厚さの増加を好適に抑制することが可能となる。

以上のように、本発明に係る鉄道車両の車体は、軒桁の強度を構造的に向上させて、軒桁の厚さの増加を抑制することができる優れた効果を有し、この効果の意義を発揮できる鉄道車両に広く適用すると有益である。

１車体
３側構体
４軒桁
６屋根構体
１１外板
１１ａ平板セクション
１１ｂ曲面板セクション
１２内板
１２ａ平板セクション
１３連結リブ板
Ａ１円弧部
Ｂ１，Ｂ２，Ｃ１〜Ｃ４直線部
Ｍ１最大屈曲点
Ｎ１〜Ｎ３屈曲点

Claims

屋根構体と、側構体と、軒桁とを備え、前記屋根構体と前記側構体とが前記軒桁を介して接続されてなる鉄道車両の車体であって、
前記軒桁は、外板と、前記外板に対して車内側に隙間をあけて配置された内板と、前記外板及び前記内板に連結され且つ前記外板及び前記内板とともにトラス状に複数の三角形を形成する複数の連結リブ板とを有し、
前記外板及び前記内板の各々は、前記三角形の頂点同士を繋ぐセクションを複数有し、
前記外板及び前記内板の少なくとも一方の板の前記複数のセクションは、複数の平板セクションを含み、
前記少なくとも一方の板では、隣接する２つ以上の前記平板セクションが直線上に配置され、
前記外板及び前記内板の各々には、隣接する２つの前記平板セクションが互いに角度をもつことで車外側に向けて突出する少なくとも１つの屈曲点が形成され、
前記外板には、前記複数の三角形の複数の頂点のうちの１つとして、車外側に向けて突出する最大屈曲点が形成され、前記最大屈曲点における前記外板の車外側の角度は、前記複数の頂点における前記外板の車外側の角度のうちで最も大きく、
前記最大屈曲点の断面積は、前記軒桁の他の前記屈曲点の何れの断面積よりも大きい、鉄道車両の車体。
前記外板は、前記複数の平板セクションを有し、
前記外板のうち前記最大屈曲点に隣接する両側の少なくとも一方では、隣接する２つ以上の前記平板セクションが直線上に配置され、
前記内板のうち前記最大屈曲点に車内側に対向する部分は、前記平板セクションであり、かつ、前記最大屈曲点に対向する前記平板セクションの中間部は、前記最大屈曲点に対して非連結である、請求項１に記載の鉄道車両の車体。
前記内板における前記屈曲点の数は、前記外板における前記屈曲点の数よりも多い、請求項１又は２に記載の鉄道車両の車体。
前記少なくとも一方の板の前記複数のセクションは、前記複数の平板セクションと、少なくとも１つの曲面板セクションと、を含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の鉄道車両の車体。
前記外板及び前記内板の各々には、少なくとも１つの前記平板セクションで形成された直線部が設けられ、
前記外板の前記直線部及び前記内板の前記直線部のうち最も長い直線部は、前記内板に設けられる、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の鉄道車両の車体。
屋根構体と、側構体と、軒桁とを備え、前記屋根構体と前記側構体とが前記軒桁を介して接続されてなる鉄道車両の車体であって、
前記軒桁は、外板と、前記外板に対して車内側に隙間をあけて配置された内板と、前記外板及び前記内板に連結され且つ前記外板及び前記内板とともにトラス状に複数の三角形を形成する複数の連結リブ板とを有し、
前記外板及び前記内板の各々は、前記三角形の頂点同士を繋ぐセクションを複数有し、
前記外板及び前記内板の少なくとも一方の板の前記複数のセクションは、複数の平板セクションを含み、
前記少なくとも一方の板では、隣接する２つ以上の前記平板セクションが直線上に配置され、
前記外板には、前記複数の三角形の複数の頂点のうちの１つとして、車外側に向けて突出する最大屈曲点が形成され、前記最大屈曲点における前記外板の車外側の角度は、前記複数の頂点における前記外板の車外側の角度のうちで最も大きく、
前記最大屈曲点の断面積は、単一の直線上に配置された隣接する前記平板セクションの間の前記頂点の何れの断面積よりも大きい、鉄道車両の車体。