JP6430766B2 - 鉄道車両構体 - Google Patents

Description

本発明は、各部材が突き合わせられて接合された側構体等で組み立てられる鉄道車両構体に関するものである。

鉄道車両構体として、例えば図８に示すように、側構体が構体ブロックなどのパーツを接合して組み合わされたものがある。鉄道車両構体として使用される材料は、鋼材、ステンレス鋼、アルミニウム合金などである。そして、最近の通勤車両では、ステンレス鋼が主に使用されている。この種の鉄道車両構体は、そうした側構体の上部に屋根構体が、前後には妻構体がそれぞれ接合され、更にその下には台枠が接合して構成されている。図８に示す側構体１００は、車端窓ブロック１０２と中間窓ブロック１０３、そして窓ブロック１０２，１０３の間に側入口ブロック１０４が接合されている。車端窓ブロック１０２や中間窓ブロック１０３は、例えば上下に分けられた上部外板と下部外板との接合によって側外板が形成され、その車体内側には強度を保つため骨部材（横骨や縦骨）などが接合されている。

このように側構体１００は、外板、横骨、縦骨が主な部材であり、これらを直接あるいはガセット（ツナギ板）を介して結合し、構造体として構成されている。各部材の結合は、スポット溶接、ＭＩＧ溶接、又はレーザ溶接などにより行われている。
例えば、中間窓ブロック１０３では、図９に示すように、２分割された外板１１１ａ、１１１ｂが各端部同士の一部が重ね合わせられて接合され、その接合された外板に対して、図１０に示すようなハット形状をなす横骨１１２が複数、接合されている。この横骨１１２は、フランジ部分１１３，１１３で外板１１１ａ又は外板１１１ｂに溶接されている。なお、横骨１１２は、図９に破線で示す位置に配置される。その後、図示していないが、横骨１１２が接合された外板に対して、横骨１１２の上に複数の縦骨が接合されて中間窓ブロック１０３が構成されている。

特開２０１０−１２８６３号公報

しかしながら、従来の鉄道車両構体では、外板と骨部材を別々に用意して各々を接合するため、接合点あるいは接合線が非常に多くなってしまい、作業工数が増加していた。
また、各部材の接合（外板同士の接合も含む）は重ね溶接となるため、重ね合わせられた部分で重量が増してしまい（車両完成後はデッドウエイトになる）、車両の軽量化を困難にしていた。
さらに、最近の鉄道車両では、溶接痕が目立たない良好な車両外観が要望されている。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、部材の接合数の削減及び車両の軽量化を図ることができる鉄道車両構体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一形態は、開口部を備える外板と、前記外板の内側に配置される骨部材とを有し、前記骨部材が前記外板に接合された鉄道車両構体において、前記外板は、車両上下方向に４以上に分割されており、各外板の車両上下方向の一端部には、車両内側に曲げ加工された曲げ部が形成されており、一の外板の前記曲げ部の車両外側の角部と、他の外板の前記曲げ部とは反対側に位置する板状の先端部とが突き合わせられて、前記一の外板と前記他の外板とが、互いに突き合わせられた部分で車両前後方向に沿って接合されていることを特徴とする。

この鉄道車両構体では、外板同士が突き合わせられて接合されているため、車両完成後はデッドウエイトになる部分がなくなり、車両の軽量化を図ることができる。
また、曲げ部が車両前後方向に配置される骨部材（横骨）として機能するため、接合点あるいは接合線を削減することができる。そのため、作業工数を減らすことができる。
そして、外板が車両上下方向に４以上に分割されているため、一の外板と他の外板とを互いに突き合わせた部分で車両前後方向に沿って接合することにより、十分な接合強度を確保することができる。
さらに、外板同士が車両前後方向に接合されているため、接合部分が目立たない良好な車両外観を得ることができる。

そして、上記した鉄道車両構体において、前記一の外板と前記他の外板とは、車両外側から車両前後方向にレーザを走らせるレーザ溶接またはレーザ・アークハイブリッド溶接により接合されていることが望ましい。

このようにすることにより、一の外板と他の外板とを連続的に精度良く溶接することができるため、外板同士の接合強度を高めることができる。また、溶接痕も目立たないため、非常に良好な車両外観を得ることができる。

また、上記した鉄道車両構体において、前記開口部に配置される外板の１つは、車両上下方向の両端部にそれぞれ前記曲げ部が形成されていることが望ましい。

このようにすることにより、開口部に車両前後方向に配置される骨部材（横骨）として機能する曲げ部を他の部分よりも多く配置することができるため、せん断力がかかりやすい開口部の強度を高めることができる。その結果として、車両の強度を高めることができる。また、面外変形に対する強度を増加させることができるため、車両の外観性も向上する。

また、上記した鉄道車両構体において、前記曲げ部は、接合される外板の一部とで閉断面形状をなしていることが望ましい。

このようにすることにより、車両前後方向に配置される骨部材（横骨）として機能する部分の強度を高めることができる。従って、車両の強度をより高めることができる。また、面外変形に対する強度をより増加させることができるため、車両の外観性も一層向上する。

さらに、上記した鉄道車両構体において、前記曲げ部の曲げ半径Ｒは、外板の板厚ｔの２倍（Ｒ＝２ｔ）であることが好ましい。

このようにすることにより、外板同士を突き合わせたときに生じる隙間を一定に保つことができる。つまり、外板同士を突き合わせたときに生じる隙間を精度良く管理することができる。その結果、外板同士の接合精度を高めることができ、十分な接合強度を確保することができる。

本発明に係る鉄道車両構体によれば、部材の接合数の削減及び車両の軽量化を図ることができる。

実施形態に係る鉄道車両構体の中間窓ブロックを車外側から示す図である。 図１に示す中間窓ブロックの側面図の一部を示す図である。 外板を治具上に配置した状態を示す図である。 溶接前後の状態を示す図であり、（ａ）が溶接前、（ｂ）が溶接後を表している。 溶接前後の反りについて説明するための図であり、（ａ）が溶接前、（ｂ）が溶接後を表している。 変形例に係る曲げ部を示す側面図である。 変形例に係る曲げ部を示す側面図である。 鉄道車両の側構体を示す図である。 従来の中間窓ブロックを車外側から示す図である。 横骨が外板に接合されている状態を示す図である。

以下、本発明の係る鉄道車両構体の実施形態について、図面に基づき詳細に説明する。本実施形態の鉄道車両構体は、図８に示す従来例と同様に、側構体が構体ブロックなどのパーツを接合して組み合わされたものである。本実施形態では、中間窓ブロックを例示してその構成について説明する。

そこで、中間窓ブロックについて、図１を参照しながら説明する。図１に示すように、中間窓ブロック３は、例えば、７分割された外板が接合されて窓開口部２０を備える側外板１１が形成され、その車体内側には剛性を保つために骨部材などが接合されている。なお、図１は、中間窓ブロックを車外側から表した図である。

中間窓ブロック３は、ステンレス製の側外板１１（外板１１ａ〜１１ｇ）に対し、ステンレス製板材から形成された補強部材である骨部材が接合されている。骨部材は、断面コ字形状に折り曲げられたハット形状をしたものである。そして、側外板１１は、外板１１ａ〜１１ｇが接合されたものである。なお、本実施形態では、側外板１１は７分割されているが、４分割より多く分割されていればよい。このように、側外板１１を車両上下方向に４以上に分割するのは、各外板同士を互いに突き合わせた部分で車両前後方向に沿って接合するだけで、要求される接合強度を確保するためである。

ここで、各外板１１ａ〜１１ｇについて、図２も参照しながら説明する。図２は、中間窓ブロックの側面図の一部を示す図である。外板１１ｃを除く各外板１１ａ，１１ｂ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ，１１ｇは、車両上下方向の長さ（高さ）が異なる場合はあるが、その他の構成は基本的に同じであり、図２に示すように、各外板の車両上下方向の一端部に、車両内側に曲げ加工された略Ｌ字形状の曲げ部１５が形成され、反対側の端部は板状端部１６になっている。但し、外板１１ｃ，１１ｄは、窓開口部における形状が他の外板とは異なっている。また、外板１１ａ，１１ｂと外板１１ｄ〜１１ｇとでは、曲げ部１５が形成されている位置が上下逆になっている。そして、曲げ部１５は、車両前後方向に連続的に形成されている。

一方、外板１１ｃには、車両上下方向の両端部に、車両内側に曲げ加工された曲げ部１５ａ，１５ｂが形成されている。曲げ部１５ａ，１５ｂは、曲げ部１５と同じ形状である。曲げ部１５ａ，１５ｂも車両前後方向に連続的に形成されている。このような外板１１ｃは、窓開口部２０が形成される一部分に配置される。

そして、各外板同士が突き合わせられて端部同士が接合部３２において接合（溶接）されている。具体的には、外板１１ａの板状端部１６と外板１１ｂの曲げ部１５の車両外側の角部１５ｃとが接合され、外板１１ｂの板状端部１６と外板１１ｃの曲げ部１５ａの車両外側の角部１５ａｃとが接合され、外板１１ｃの曲げ部１５ｂの車両外側の角部１５ｂｃと外板１１ｄの板状端部１６とが接合され、外板１１ｄの曲げ部１５の車両外側の角部１５ｃと外板１１ｅの板状端部１６とが接合され、外板１１ｅの曲げ部１５の車両外側の角部１５ｃと外板１１ｆの板状端部１６とが接合され、外板１１ｆの曲げ部１５の車両外側の角部１５ｃと外板１１ｇの板状端部１６とが接合されている。このようにして、側外板１１が形成される。

ここで、各外板１１ａ〜１１ｇの接合は、車両外側から車両前後方向にワイヤを供給するとともにレーザを走らせるレーザ溶接により接合されている。これにより、各外板同士を連続的に精度良く溶接することができるので、外板同士の接合強度を高めることができる。また、溶接痕も目立たないため、非常に良好な車両外観を得ることができる。なお、各外板１１ａ〜１１ｇの接合は、レーザ溶接に限られることはなく、各外板同士を連続的に接合することができる接合方法（例えば、レーザ・アークハイブリッド溶接、摩擦攪拌接合など）であればよい。なお、具体的な接合手順については後述する。

このようにして、各外板１１ａ〜１１ｇが接合されて側外板１１が構成されると、曲げ部１５（１５ａ，１５ｂ）は、車両前後方向に連続的に形成されているので、車両前後方向に配置される骨部材（横骨）として機能する。そのため、補強部材としての横骨が不要となり、横骨を側外板１１に接合する作業をなくすことができる。従って、部材の接合数（接合線）の削減を図ることができる。また、従来の横骨のように外板との重なり部分がないため、車両の軽量化を図ることもできる。

そして、車両上下方向の両端部に曲げ部１５ａ，１５ｂが形成された外板１１ｃが窓開口部２０に配置されている。このため、窓開口部２０の部分において、車両前後方向に配置される骨部材（横骨）として機能する曲げ部を、他の部分よりも多く配置することができる。その結果、他の部分に比べて強度が低い（せん断力がかかりやすい）窓開口部２０の強度を高めることができる。これにより、車両の強度を高めることができ、また、面外変形に対する強度を増加させることができるので、車両の外観性も向上させることができる。

本実施形態では、曲げ部１５（１５ａ，１５ｂ）の曲げ半径Ｒは、外板の板厚ｔの２倍としている（Ｒ＝２ｔ）。なお、曲げ部１５（１５ａ，１５ｂ）の外側の曲げ半径Ｒ’は、Ｒ’＝３ｔとなる。例えば、外板１１ａ〜１１ｇの板厚ｔが、２．０ｍｍであれば、曲げ部１５（１５ａ，１５ｂ）の曲げ半径Ｒは、Ｒ＝４．０ｍｍ（Ｒ’＝６．０ｍｍ）となる。このように曲げ部１５（１５ａ，１５ｂ）の曲げ半径Ｒを規定することにより、外板同士を突き合わせたときに生じる隙間３１（図３参照）を一定に保つことができる。つまり、外板同士を突き合わせたときに生じる隙間３１を精度良く管理することができる。その結果として、外板同士の接合精度を高めることができる。従って、側外板１１を７分割していることと相まって、各外板同士の接合において、十分な接合強度を確保することができ、剛性の高い車両構体を得ることができる。

次に、外板同士の接合手順について、図３及び図４を参照しながら説明する。図３は、外板を治具上に配置した状態を示す図である。図４は、溶接前後の外板の状態を示す図であり、（ａ）が溶接前、（ｂ）が溶接後を表している。ここでは、外板１１ｃと外板１１ｄとの接合について例示する。なお、他の外板同士の接合も同様にして行われる。

まず、外板１１ｃ，１１ｄが、それぞれ治具５０，５１上に、車両外側面を上側にして配置される。これにより、外板１１ｃの曲げ部１５ｂ（外側の角部１５ｂｃ）と外板１１ｄの板状端部１６とが突き合わせられる。このとき、図４（ａ）に示すように、突き合わせ部３０が最も高く（頂点と）なって外板１１ｃ及び外板１１ｄが配置されるように、治具５０，５１が作られている（調整されている）。つまり、治具５０上に配置された外板１１ｃは曲げ部１５ｂ（外側の角部１５ｂｃ）側が曲げ部１５ａ（外側の角部１５ａｃ）側よりも少し高くなっており、治具５１上に配置された外板１１ｄは板状端部１６側が曲げ部１５（外側の角部１５ｃ）側よりも少し高くなっている。

そして、突き合わせ部３０（より正確には突き合わせ部３０に形成される隙間３１）に、ワイヤが供給されるとともにレーザを照射させることによりレーザ溶接が行われる。このレーザ溶接は、車両外側から車両前後方向にワイヤを供給しながらレーザを走らせることにより行われる。これにより、隙間３１が埋められていき、外板１１ｃと外板１１ｄとが連続的に精度良く溶接される。従って、外板１１ｃと外板１１ｄの接合強度を高めることができる。また、溶接痕も目立たないため、非常に良好な車両外観を得ることができる。

ここで、図５（ａ）に示すように、外板１１ｃ，１１ｄが、治具５０，５１上に水平に配置されていると、接合された外板１１ｃ，１１ｄは、図５（ｂ）に示すように、レーザ溶接された接合部３２が底となるように車両外側へ少し反ってしまう（車両内側に凸状になる）。このような反りが各外板１１ａ〜１１ｇのそれぞれの接合部で発生してしまうと、車両内側に（凸状に）湾曲した側外板が形成されてしまう。

しかしながら、本実施形態では、図４（ａ）に示すように、外板１１ｃは、曲げ部１５ｂ側が曲げ部１５ａ側よりも少し高く、外板１１ｄは板状端部１６側が曲げ部１５側よりも少し高くなるように配置されている。これにより、レーザ溶接を行うと、図４（ｂ）に示すように、外板１１ｃと外板１１ｄとが水平になった状態で接合することができる。そして、各外板１１ａ〜１１ｇの接合が終了すると、ハット形状をなす縦骨が所定の位置に接合されて、中間窓ブロック３が完成する。

ここで、上記の実施形態では、曲げ部１５（１５ａ，１５ｂ）が略Ｌ字形状に形成されているが、曲げ部の形状はこれに限られない。例えば、図６に示すように、車両外側（図面左側）に開口するコ字形状に形成することもできる。あるいは、図７に示すように、車両外側（図面左側）に開口するハット形状に形成することもできる。

曲げ部１５（１５ａ，１５ｂ）の形状をこのような形にすることにより、外板同士を接合すると、曲げ部１５（１５ａ，１５ｂ）が、接合される外板の一部（板状部分）とで閉断面形状をなす。そのため、上記の実施形態で例示した略Ｌ字形状の場合に比べて、横骨として機能する曲げ部１５（１５ａ，１５ｂ）の強度を高めることができる。従って、車両の強度をより高めることができる。また、面外変形に対する強度をより増加させることができるため、車両の外観性を一層向上させることができる。

以上、詳細に説明したように実施形態に係る鉄道車両構体によれば、車両上下方向に７分割された外板１１ａ〜１１ｇが互いに突き合わせられて接合されているため、車両完成後にデッドウエイトになる部分がなくなり、車両の軽量化を図ることができる。また、曲げ部１５（１５ａ，１５ｂ）が車両前後方向に配置される骨部材（横骨）として機能するため、接合点あるいは接合線を削減することができる。そのため、作業工数を減らすことができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。上記した実施形態では、中間窓ブロック３に対して本発明を適用した場合を例示したが、本発明は他のブロック（例えば、車端窓ブロックなど）にも本発明を適用することができる。

また、上記した実施形態では、車両上下方向の両端部に曲げ部が形成される形状を外板１１ｃに適用しているが、外板１１ｃの代わりに外板１１ｄを車両上下方向の両端部に曲げ部が形成される形状にすることもできる。その場合には、外板１１ｃは、外板１１ｂと同じ形状にすればよい。

３ 中間窓ブロック
１１ 側外板
１１ａ〜１１ｇ 外板
１５（１５ａ，１５ｂ） 曲げ部
１５ｃ（１５ａｃ、１５ｂｃ） 車両外側の角部
１６ 板状端部
２０ 窓開口部
３０ 突き合わせ部
３１ 隙間
３２ 接合部
５０ 治具
５１ 治具

Claims (5)

1. 開口部を備える外板と、前記外板の内側に配置される骨部材とを有し、前記骨部材が前記外板に接合された鉄道車両構体において、
   前記外板は、車両上下方向に４以上に分割されており、
   各外板の車両上下方向の一端部には、車両内側に曲げ加工された曲げ部が形成されており、
   一の外板の前記曲げ部の車両外側の角部と、他の外板の前記曲げ部とは反対側に位置する板状の先端部とが突き合わせられて、前記一の外板と前記他の外板とが、互いに突き合わせられた部分で車両前後方向に沿って接合されている
   ことを特徴とする鉄道車両構体。
2. 請求項１に記載する鉄道車両構体において、
   前記一の外板と前記他の外板とは、車両外側から車両前後方向にレーザを走らせるレーザ溶接またはレーザ・アークハイブリッド溶接により接合されている
   ことを特徴とする鉄道車両構体。
3. 請求項１又は請求項２に記載する鉄道車両構体において、
   前記開口部に配置される外板の１つは、車両上下方向の両端部にそれぞれ前記曲げ部が形成されている
   ことを特徴とする鉄道車両構体。
4. 請求項１から請求項３に記載するいずれか１つの鉄道車両構体において、
   前記曲げ部は、接合される外板の一部とで閉断面形状をなしている
   ことを特徴とする鉄道車両構体。
5. 請求項１から請求項４に記載するいずれか１つの鉄道車両構体において、
   前記曲げ部の曲げ半径Ｒは、外板の板厚ｔの２倍（Ｒ＝２ｔ）である
   ことを特徴とする鉄道車両構体。

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