TWI507313B - Railway vehicle frame - Google Patents

Description

鐵道車輛的車架

本發明關於鐵道車輛的車架，特別是有關下述之鐵道車輛的車架：著眼於將主電動機、齒輪裝置、煞車裝置等機能零件安裝於車架的承座，可提高將該承座焊接接合於車架時的焊接施工性，並可提高機能零件之安裝位置的設計自由度。

一般來說，鐵道車輛是由車體、及用來支承車體的車台所構成，在車台的車架安裝有作為機能零件的主電動機、齒輪裝置、煞車裝置等。鐵道車輛，是藉由使主電動機的動力透過齒輪裝置而傳達至輪軸，進而行走於軌道上，且譬如藉由伴隨著煞車裝置的作動來抑制輪軸的轉動，進而形成制動。

第1圖，是顯示習知車架的俯視圖。第2圖，是示意地顯示習知車架中機能零件之安裝構造的其中一例之橫樑的橫剖面圖。在第2圖中，是顯示沿著軌道方向的剖面，為了能理解該構造，也明確地標示出車體5、及來自於車體側的中心銷6。

如第1圖所，車架具備：沿著軌道方向配置的左右一對側樑1、及連結上述側樑1的橫樑2。橫樑2如第2圖所示，是將2根圓形橫剖面的圓管配置成並列所構成，並藉由焊接將2根圓管的兩端分別焊接接合於側樑1。圓管的橫樑2彼此，為了確保一體的剛性，而在上下架設一對補強板2a、2b並予以焊接接合。

在橫樑2，被稱為主電動機安裝用的承座3a、齒輪裝置安裝用的承座3b及煞車裝置安裝用的承座3c之機能零件安裝用的承座3，分別藉由焊接而接合於橫樑2的外周面。在第2圖中列舉顯示：2根圓管的橫樑2之中，於其中一個橫樑2之外側半分的外周面焊接接合有承座3，並將主電動機作為機能零件4而安裝於該承座3的狀態。承座3，是藉由焊接複數張的鋼板材所組合形成。

在此，由於主電動機、齒輪裝置、煞車裝置等的機能零件使車架(橫樑)承受大量的負荷，因此機能零件安裝用的承座必須十分穩固且疲勞強度高。但是，在藉由焊接複數張鋼板材所組合而成的場合中，與橫樑之間的焊接部，甚至是構成承座的鋼板材彼此的焊接部，其疲勞強度(譬如，依據JlS-E-4207)較鋼板材本身的母材部更低。因此，需要研究如何抑制承座之疲勞強度的不經意下降。

就對應於該要求的習知技術而言，在專利文獻1中揭示一種：改變構成承座之鋼板材的形狀，以降低 應力的技術。此外，在專利文獻2中揭示一種：改變構成承座之鋼板材的形狀，並使組裝承座時的焊接順序手順合理化，而提升焊接結合部之品質的技術。

然而，在包含專利文獻1、2所揭示的技術，而如第1圖及第2圖所示的習知車架中，由於承座3是藉由焊接複數張鋼板材所組合構成，並且將承座3焊接於由圓管所形成的橫樑2的外周面，因此存在為數不少的短焊接線及曲線狀焊接線。其結果導致焊接施工的效率低，且致使利用焊接機器人的自動焊接也變得困難。

此外，實際的使用上，機能零件對應於鐵道車輛的規格而使種類各不相同，重量和性能(作用力、荷重等)也不盡相同。因此，機能零件對車架(橫樑)的安裝位置並不相同，必須依據鐵道車輛的規格而個別地設計。這點在習知的設計中，為了配合機能零件對應於鐵道車輛規格的安裝位置，則是變更承座的尺寸形狀，亦即「構成承座之鋼板材的尺寸形狀」來加以對應。當然，在前述的設計變更之際，為了避免承座的疲勞強度下降，必須使承座形成十分穩固的形狀。

然而，在習知的車架中，機能零件的安裝產生了困難的狀況。以下說明該狀況。

第3圖，是示意地顯示習知車架中，安裝機能零件之困難狀況的其中一例之橫樑的橫剖面圖。在該圖中，與前述第2圖相同，是顯示沿著軌道方向的剖面。

如第3圖所示，基於鐵道車輛的規格，機能 零件4的安裝位置，是在2根圓管的橫樑2中之一個橫樑2的最頂部處的略下方，在靠近其中一個橫樑2的場合中，並無用來設置承座的空間，而成為機能零件4對橫樑2產生干涉的狀況。在該場合中，無論如何改變承座的尺寸形狀也無法安裝機能零件4，因此包含橫樑2，必須重新檢討整個車架的尺寸構造。因為這個緣故，在習知的車架中，機能零件之安裝位置的設計自由度明顯地不足。

〔專利文獻1〕日本特許第4292980號公報

〔專利文獻2〕日本特許第3873659號公報

本發明，是有鑑於上述問題所研發而成的發明，本發明的目的是提供一種：可提高機能零件安裝用承座的焊接施工性，並能提升機能零件之安裝位置的設計自由度之鐵道車輛的車架。

本案的發明者們，為了達成上述目的，乃針對以下的技術反覆地進行檢討：當將機能零件安裝用的承座焊接接合於橫樑時，使焊接線變的較長以符合成為直線狀的條件，並且在不改變「包含橫樑之車架整體的尺寸構造」的前提下，可在對應於鐵道車輛之規格的正確位置安 裝機能零件。其結果，發現以下的作法有效：採用橫剖面呈矩形，且具有頂板部、底板部及一對側板部的橫樑，並在頂板部形成「到達其中一個側板部為止的切除孔」，將承座***該切除孔，藉由將承座與頂板部予以對接焊接而形成接合。

本發明，是根據上述的發現所完成的發明，其要旨在於下述之鐵道車輛的車架。亦即，是具備「沿著軌道方向所配置的左右一對側樑、連結該側樑的橫樑、及接合於該橫樑之機能零件安裝用承座」的鐵道車輛的車架，其特徵為：橫樑的橫剖面呈矩形且具有頂板部、底板部及一對側板部，在頂板部形成有「到達其中一個側板部為止」的切除孔，將承座***該切除孔，並藉由將承座與頂板部予以對接焊接而形成接合。

在上述的車架中，前述承座最好是藉由鍛造或者切削加工所成形的一體成形構件。

此外，上述的車架中，前述橫樑最好是由4個面板接合、角管或者沖壓成形材所構成。

根據本發明之鐵道車輛的車架，當將承座焊接接合於橫樑時，由於橫樑與機能零件安裝用承座之間的焊接線比較長而成為直線狀，因此可提高焊接施工性。不僅如此，對應於鐵道車輛的規格，只需變更承座與切除孔的尺寸形狀，便能將所有的機能零件安裝於橫樑，可提高 機能零件之安裝位置的設計自由度。

1‧‧‧側樑

2‧‧‧橫樑

2a、2b‧‧‧補強板

2c‧‧‧補強肋

3、3a、3b、3c‧‧‧承座

4‧‧‧機能零件(functional component)

5‧‧‧車體

6‧‧‧中心銷

21‧‧‧頂板部

22‧‧‧底板部

23、24‧‧‧側板部

25‧‧‧切除孔

26‧‧‧上側切除孔

27‧‧‧下側切除孔

28‧‧‧開孔

29‧‧‧螺栓

31‧‧‧上側承座

32‧‧‧下側承座

wg1‧‧‧對接焊接(butt welding)的焊珠(weld bead)

wg2‧‧‧填角焊(fillet welding)的焊珠

第1圖：為顯示習知車架的俯視圖。

第2圖：是示意地顯示習知車架中，機能零件之安裝構造的其中一例之橫樑的橫剖面圖。

第3圖：是示意地顯示習知車架中，安裝機能零件之困難狀況的其中一例之橫樑的橫剖面圖。

第4圖：是示意地顯示本發明第1實施形態之車架中，機能零件之安裝構造的其中一例之橫樑的橫剖面圖，其中第4圖(a)是顯示機能零件與承座已從橫樑分離的狀態，而第4圖(b)則顯示將承座接合於橫樑並安裝了機能零件的狀態。

第5圖：是示意地顯示本發明第2實施形態之車架中，機能零件之安裝構造的其中一例之橫樑的橫剖面圖，其中第5圖(a)是顯示機能零件與承座已從橫樑分離的狀態，而第5圖(b)則是顯示將承座接合於橫樑並安裝了機能零件的狀態。

第6圖：是示意地顯示本發明第3實施形態之車架中，機能零件之安裝構造的其中一例之橫樑的橫剖面圖，其中第6圖(a)是顯示機能零件與承座已從橫樑分離的狀態，而第6圖(b)則顯示將承座接合於橫樑並安裝了機能零件的狀態。

第7圖：是示意地顯示本發明第4實施形態之車架中，機能零件之安裝構造的其中一例之橫樑的橫剖面圖，其中第7圖(a)是顯示機能零件與承座已從橫樑分離的狀態，而第7圖(b)則顯示將承座接合於橫樑並安裝了機能零件的狀態。

第8圖：是示意地顯示本發明第5實施形態之車架中，機能零件之安裝構造的其中一例之橫樑的橫剖面圖，其中第8圖(a)是顯示機能零件與承座已從橫樑分離的狀態，而第8圖(b)則顯示將承座接合於橫樑並安裝了機能零件的狀態。

以下，針對本發明之鐵道車輛的車架，詳述其實施形態。

<第1實施形態>

第4圖，是示意地顯示本發明第1實施形態之車架中，機能零件之安裝構造的其中一例之橫樑的橫剖面圖，其中第4圖(a)是顯示機能零件與承座已從橫樑分離的狀態，而第4圖(b)則顯示將承座接合於橫樑並安裝了機能零件的狀態。在第4圖中，與前述的第2圖相同，是顯示沿著軌道方向的剖面，並列舉將主電動機作為機能零件4的例子。在後述的第2~第5實施形態中也相同。第4圖所示之第1實施形態的車架，是將前述第1圖、第2 圖所示之車架的構造作為基本的結構，重複的說明則適當地省略。

在第1實施形態中，如第4圖所示，承座3是由被分割成上下的上側承座31與下側承座32所構成。上側承座31保持著機能零件4的上側，而下側承座32則保持著該機能零件4的下側。上側承座31及下側承座32分別為一體成形構件。

這些一體成形構件的承座3(上側承座31及下側承座32)，最好是藉由鍛造或者切削加工所成形的構件。這是由於藉由鍛造或者切削加工的話，即使是複雜形狀的承座3，也能比較容易成形，承座3本身(母材部)的強度也能顯著地提升。

橫樑2的橫剖面呈現橫長的矩形，且具有頂板部21、底板部22及一對側板部23、24。第1實施形態的橫樑2，是由橫剖面呈橫長的角管所構成。除此之外，也可以構成：將沖壓成形為ㄈ字型剖面的一對沖壓成形材予以組合後焊接接合，或者將鋼板材組合成ㄈ字型剖面的沖壓成形材再加以焊接接合。

如第4圖(a)所示，在橫樑2的頂板部21形成有：到達其中一個側板部23(在第4圖中為右端的側板部)為止，可供上側承座31放入的上側切除孔26。在橫樑2的底板部22形成有：到達同一個側板部23為止，可攻下側承座32放入的下側切除孔27。以下，將上述的上側切除孔26及下側切除孔27統稱為切除孔25。

接著，將上側承座31***橫樑2的上側切除孔26，上側承座31，沿著上側切除孔26的輪廓施以適當的開槽加工，並施以焊接。亦即，如第4圖(b)所示，上側承座31，是藉由對接焊接而接合於橫樑2的頂板部21，並在側板部23(嚴格地說，也包括頂板部21靠近側板部23的局部)藉由填角焊而形成接合。

同樣地，將下側承座32***橫樑2的下側切除孔27，該下側承座32沿著下側切除孔27的輪廓施以焊接。亦即，如第4圖(b)所示，下側承座32，是藉由對接焊接而接合於橫樑2的底板部22，並在側板部23(嚴格地說，也包括底板部22靠近側板部23的局部)藉由填角焊而形成接合。在第4圖(b)中，明顯地顯示出對接焊接的焊珠wg1、與填角焊的焊珠wg2。而在第4圖(b)中則省略了焊接部的開槽形狀。

已將承座3(上側承座31及下側承座32)焊接接合於橫樑2的車架，該承座3可供機能零件4安裝。

根據以上所述之第1實施形態的車架，除了採用「矩形的橫剖面，且具有頂板部21、底板部22及一對側板部23、24」的橫樑2，並在頂板部21形成「到達其一個側板部23為止」的切除孔25，將承座3***該切除孔25，再藉由對接焊接將承座3與頂板部21接合，故焊接線較長並形成直線狀。因此，當將承座3焊接接合於橫樑2時，可提高焊接施工性，且即使是利用焊接機器人的自動焊接也能輕易地對應。不僅如此，只需對應於鐵道 車輛的規格，變更承座3與切除孔25的尺寸形狀，便能在橫樑2安裝所有的機能零件4，就其結果而言，可提高機能零件4之安裝位置的設計自由度。

此外，也能提高承座3之疲勞強度的安全度。其理由如以下所述。就技術常識而言，疲勞強度(譬如，依據JIS-E-4207)，是母材部較焊接部更高。在習知的車架中，由於承座3與橫樑2之間的焊接部為形狀變化的部位，因此在該處產生應力集中。相對於此，在第1實施形態的車架中，由於承座3與橫樑2(頂板部21)之間的焊接部是藉由對接焊接所形成，因此在該處不會產生應力集中。此外，可對應機能零件4的安裝位置，在一體成形構件的承座3做出形狀變化的部位，如此一來，可使應力集中部遠離焊接部。不僅如此，由於一體成形構件的承座3，可較「如同習知車架般，藉由焊接複數張鋼板材所組合而成」的承座，增加「沿著與軌道方向呈直角之枕木方向」的剖面積，因此能使應力集中變得更小。由於上述的緣故，第1實施形態的車架，提高了承座3之疲勞強度的安全度。

<第2實施形態>

第5圖，是示意地顯示本發明第2實施形態之車架中，機能零件之安裝構造的其中一例之橫樑的橫剖面圖，其中第5圖(a)是顯示機能零件與承座已從橫樑分離的狀態，而第5圖(b)則是顯示將承座接合於橫樑並安裝 了機能零件的狀態。第5圖所示之第2實施形態的車架，是前述第4圖所示第1實施形態之車架的構造中，將承座的構造予以改變，並隨著該變更而改變橫樑之切除孔的構造的車架。

在第2實施形態中，如第5圖所示，承座3並未分割成上下。亦即，第2實施形態的承座3，是藉由其本身來保持機能零件4之上側與下側雙方的一個一體成形構件。

另外，第2實施形態的切除孔25，為了能放入一個承座3，如第5圖(a)所示，並未形成上下分離，是從橫樑2的頂板部21到達其中一個側板部23(在第5圖中為右端的側板部)，並且形成直接到達底板部22為止。

接著，將承座3***橫樑2的切除孔25，該承座3沿著切除孔25的輪廓實施焊接。亦即，如第5圖(b)所示，承座3是藉由對接焊接而接合於橫樑2的頂板部21及底板部22，並且在側板部23，雖然其下端部是極為窄小的領域，也藉由填角焊形成接合。已將承座3焊接接合於橫樑2的車架，其承座3可供機能零件4安裝。

即使是上述第2實施形態的車架，也能達到與前述第1實施形態相同的效果。特別的是第2實施形態的車架，其機能零件4的安裝位置，是位在橫樑2之最頂部的下方，在靠近該橫樑2的場合中，也就是指在該狀態下機能零件4對橫樑2產生干涉的場合中，這樣的車架十 分有用。

<第3實施形態>

第6圖，是示意地顯示本發明第3實施形態之車架中，機能零件之安裝構造的其中一例之橫樑的橫剖面圖，其中第6圖(a)是顯示機能零件與承座已從橫樑分離的狀態，而第6圖(b)則顯示將承座接合於橫樑並安裝了機能零件的狀態。第6圖所示之第3實施形態的車架，是前述第4圖所示第1實施形態之車架的構造中，將橫樑的構造予以改變的車架。

在第3實施形態中，如第6圖所示，橫樑2，是將橫剖面呈正方形的角管並列配置2根所構成。角管的橫樑2之間，與前述第1圖、第2圖所示之圓管的橫樑2相同，在上下架設一對補強板2a、2b並予以焊接接合。

另外，第3實施形態的切除孔25，如第6圖(a)所示，是由承接上側承座31的上側切除孔26、與承接下側承座32的下側切除孔27所構成。上側切除孔26形成：從2根角管的橫樑2之中的其中一個橫樑2的頂板部21，到達連結於該頂板部21的其中一個側板部23(在第6圖中為右端的側板部)為止。下側切除孔27是形成：從形成有上側切除孔26之角管的橫樑2的底板部22，到達同樣連結於該底板部22之其中一個側板部23(在第6圖中為右端的側板部)為止。

接著，與前述第1實施形態相同，分別將上 側承座31、下側承座32***橫樑2的上側切除孔26、下側切除孔27並施以焊接後，其承座3(上側承座31及下側承座32)可供機能零件4安裝。

上述第3實施形態的車架，也能達成與前述第1實施形態相同的效果。

特別是在第3實施形態之車架的場合中，相較於習知車架，具有因橫樑之面積慣性矩(area moment of inertia)的增加而使應力下降的效果。其理由如以下所述。

假設第3實施形態的車架與習知車架中之橫樑的外形尺寸相同，並對兩者的面積慣性矩進行比較。亦即，由於習知的橫樑是橫剖面呈圓形的圓管，而將其外徑定義為d₂ ，並將內徑定義為d₁ ，由於第3實施形態的橫樑是橫剖面呈正方形的角管，因此其外側寬度幅成為d₂ ，內側寬度成為d₁ (請參考前述第2圖、第6圖(b))。

在上述的場合中，依據公式，習知之橫樑的面積慣性矩I_A 可是利用下述的計算式(1)所求出，第3實施形態之橫樑的面積慣性矩I_B 則可利用下述的計算式(2)所求出。

I_A =(d₂ ⁴ -d₁ ⁴ )×π÷64=0.049×(d₂ ⁴ -d₁ ⁴ )‧‧‧(1)

I_B =(d₂ ⁴ -d₁ ⁴ )÷12=0.083×(d₂ ⁴ -d₁ ⁴ )‧‧‧(2)

此外，彎曲應力(bending stress)σ，依據公式，可根據面積慣性矩I與彎曲力矩M而以下述的計算式(3)所求出。

σ=M×h÷I‧‧‧(3)

在上述的計算式(3)中，h意味著任意的高度。

在此，根據上述的計算式(3)，在作用相同彎曲力矩的場合中，面積慣性矩I越大，而彎曲應力σ則變小。根據上述計算式(1)、(2)，倘若對習知橫樑的I_A 與第3實施形態之橫樑的I_B 進行比較時，其係數是第3實施形態大於習知。因此，第3實施形態的車架，相較於習知車架，作用於橫樑的彎曲應力變小，具有降低應力的效果。

而第3實施形態之車架中橫樑的構造，也能適用於前述第2實施形態的車架。

<第4實施形態>

第7圖，是示意地顯示本發明第4實施形態之車架中，機能零件之安裝構造的其中一例之橫樑的橫剖面圖，其中第7圖(a)是顯示機能零件與承座已從橫樑分離的狀態，而第7圖(b)則顯示將承座接合於橫樑並安裝了機能零件的狀態。第7圖所示之第4實施形態的車架，是前述第4圖所示第1實施形態之車架的構造中，將橫樑的構造予以改變的車架。

在第4實施形態中，如第7圖所示，橫樑2是4面板所組合構成，而使其橫剖面成為橫長的矩形。亦即，第4實施形態的橫樑2，其頂板部21、底板部22及一對側板部23、24分別是以鋼板材做為素材，並將上述 的鋼板材予以組合且施以焊接接合所構成。在該橫樑2的內部，為了確保強度，與側板部23、24保持平行地立設有補強肋2c。與前述第1實施形態相同，在這樣的橫樑2也形成有上側切除孔26與下側切除孔27。

接著，與前述第1實施形態相同，分別將上側承座31、下側承座32***橫樑2的上側切除孔26、下側切除孔27，並在施以焊接後，該承座3(上側承座31及下側承座32)可供機能零件4安裝。

即使是這種第4實施形態的車架，也能達到與前述第1實施形態相同的效果。

而第4實施形態之車架中的橫樑的構造，也能適用於前述第2實施形態的車架。

<第5實施形態>

第8圖，是示意地顯示本發明第5實施形態之車架中，機能零件之安裝構造的其中一例之橫樑的橫剖面圖，其中第8圖(a)是顯示機能零件與承座已從橫樑分離的狀態，而第8圖(b)則顯示將承座接合於橫樑並安裝了機能零件的狀態。第8圖所示之第5實施形態的車架，是前述第4圖所示之第1實施形態的車架的構造中，將承座的構造予以改變，並伴隨著前述改變而變更橫樑之切除孔的構造的車架。

在第5實施形態中，如第8圖所示，承座3被分割成上側承座31與下側承座32，其中的下側承座 32，被配置在較橫樑2的最下部更上方。

另外，如第8圖(a)所示，與前述第1實施形態相同，在橫樑2的頂板部21形成有：到達其中一個側板部23(在第8圖中為右端的側板部)為止，可供上側承座31放入的上側切除孔26。此外，在橫樑2的同一個側板部23形成有：可供下側承座32放入的下側切除孔27。不僅如此，在橫樑2的底板部22，於下側切除孔27的附近形成有作業用的開孔28。

接著，與前述第1實施形態相同，將上側承座31***橫樑2的上側切除孔26並施以焊接。此外，將下側承座32***橫樑2的下側切除孔27並施以焊接。此時，如第8圖(b)所示，下側承座32是藉由填角焊而接合於橫樑2的側板部23。已將承座3(上側承座31及下側承座32)焊接接合於橫樑2的車架，其承座3可供機能零件4安裝。在此，機能零件4譬如是藉由螺栓29而固定於下側承座32，其固定作業可透過形成於橫樑2之底板部22的開孔28來執行。

即使是這種第5實施形態的車架，也能達成與前述第1實施形態相同的效果。

而第5實施形態之車架中的承座及橫樑的構造，也能適用於前述第3、第4實施形態的車架。

〔產業上的利用性〕

本發明之鐵道車輛的車架，有益於所有的鐵 道車輛。

wg1‧‧‧對接焊接的焊珠

wg2‧‧‧填角焊的焊珠

2‧‧‧橫樑

3‧‧‧承座

4‧‧‧機能零件

5‧‧‧車體

6‧‧‧中心銷

21‧‧‧頂板部

22‧‧‧底板部

23、24‧‧‧側板部

25‧‧‧切除孔

26‧‧‧上側切除孔

27‧‧‧下側切除孔

31‧‧‧上側承座

32‧‧‧下側承座

Claims (3)

1. 一種鐵道車輛的車架，是具備以下構件之鐵道車輛的車架：沿著軌道方向配置的左右一對側樑、和連結該一對側樑的橫樑、及接合於該橫樑之機能零件安裝用的承座，其特徵為：橫樑的橫剖面呈矩形，且具有頂板部、底板部及一對側板部，在頂板部形成有：到達其中一個側板部為止的切除孔，將承座***該切除孔，並藉由對接焊接將承座與頂板部接合。
2. 如申請專利範圍第1項所記載之鐵道車輛的車架，其中前述承座是藉由鍛造或者切削加工所成形的一體成形構件。
3. 如申請專利範圍第1或2項所記載之鐵道車輛的車架，其中前述橫樑是由4個面板接合、角管或者沖壓成形材所構成。