JP7664103B2 - 鉄道車両構体 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両構体の妻構体の構造に関する。

鉄道車両の構体は、床面をなす台枠と、台枠の幅方向の両端部に立設される側構体と、台枠の長手方向の両端部に立設される妻構体と、側構体及び妻構体の上端部に載置される屋根構体と、から構成される箱状態（六面体）である。妻構体は、妻構体を構成する外板の中心に穴あけされた貫通路を有し、その貫通路周辺は妻柱や妻カモイにより補強される。妻構体において、横骨を用いて外板を補強する例が、特許文献１に開示されている。

特開２０１０－２６０５５０号公報

特許文献１に、横骨が鉄道車両構体の幅（枕木）方向、又は高さ方向に向いて配置され妻構体の外板を横骨によって補強する構造体が記載されている。しかし、横骨を幅方向又は高さ方向に配置する構造と比較し、それにも増して、より高剛性な妻構体を構成すれば、鉄道車両構体の剛性や乗り心地を向上させることが期待できる。本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、妻構体の剛性を高めた鉄道車両構体を提供することにある。

妻構体を備えて構成される鉄道車両構体であって、妻構体に補強構造体を備え、補強構造体は、妻構体の幅方向と高さ方向との何れに対しても斜め方向に延設される。

本発明によれば、妻構体の剛性を高めた鉄道車両構体を提供できる。

本発明の適用対象となる鉄道車両構体（以下、「鉄道車両」又は単に「本構体」ともいう）の斜視図である。 本発明の実施例１に係る妻構体の正面図である。 図２に示した妻構体のＡ－Ａ断面図である。 本発明の実施例２に係る妻構体の正面図である。 本発明の実施例３に係る妻構体の正面図である。 図５に示した妻構体のＢ－Ｂ断面図である。 本発明の実施例４に係る妻構体の正面図である。

以下、図面を用いて実施例の説明をする。まず、各方向を定義する。鉄道車両構体の長手（レール）方向をＸ方向、鉄道車両構体の幅（枕木）方向をＹ方向、鉄道車両構体の高さ（Ｚ）方向をＺ方向とする。以降、単に、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向と記す場合がある。

図１は、本構体１の斜視図である。本構体１は、床面をなす台枠１０と、台枠１０のＹ方向の両端部に立設される側構体２０と、台枠１０のＸ方向の両端部に立設される妻構体４０と、側構体２０及び妻構体４０の上端部に載置される屋根構体３０と、を備えて構成される６面体である。

図１に示す妻構体４０は、後ほど、図２に示す実施例１の妻構体４０Ａと、図４に示す実施例２の妻構体４０Ｂと、図５に示す実施例３の妻構体４０Ｃと、図７に示す実施例４の妻構体４０Ｄと、に例示列挙されるが、これらを特に区別する必要のない場合は、まとめて妻構体４０とする。

側構体２０のＸ方向の両端部には、乗客等が乗降する乗降口２２と窓２３など開口部が備えられる。妻構体４０には、隣接する車両に乗客等が行き来する貫通路口４２が備えられる。

図２は、本発明の実施例１に係る妻構体４０Ａの正面図である。すなわち、図２は、鉄道車両１のＸ方向両端の妻構体４０のうち、Ｘ方向正側に位置する一例として妻構体４０Ａを示す。その妻構体４０Ａは、台枠１０のＺ方向上部に妻構体外板（以下、単に「外板」ともいう）４１により構成され、その外形が規定される。

妻構体４０Ａの中心近傍には貫通路口４２が設けられる。貫通路口４２の周囲には、Ｚ方向に向く妻柱４４やＹ方向に向く妻カモイ４５が設けられ、妻構体４０Ａが補強される。妻構体４０Ａの貫通路口４２近傍以外の外板４１は、横骨４６Ａ又は横骨４６Ｂにより補強される。

横骨４６Ａは、妻構体外板４１に対しＹ方向又はＺ方向に延設される。妻構体４０Ａの外板４１は、Ｙ方向又はＺ方向の横骨４６Ａに加え、貫通路口中心（妻構体中心）４３に向かって延設される横骨４６Ｂも有する。横骨４６Ｂは、妻構体中心４３を焦点として放射状に妻構体４０Ａに延設される。妻構体４０Ａに延設された横骨４６Ｂによる剛性向上の作用効果は、つぎのとおりである。

妻構体４０Ａを含む鉄道車両１の内部に均一な圧力荷重が加わる気密荷重条件や、鉄道車両１にねじり荷重が加わる条件を想定する。この条件において、横骨４６Ｂを有する妻構体４０Ａは、貫通路中心４３を中心とした周方向への変形に対する剛性を向上させることが可能となる。これにより、上述した気密荷重やねじり荷重に対して妻構体４０Ａが剛性向上し、鉄道車両１自体も剛性向上する。

図３は、図２に示した妻構体４０ＡのＡ－Ａ断面図であり、横骨４６Ａの断面を示す。妻構体外板４１（図２参照）の車内側（Ｘ方向負側）に閉空間を構成するよう凸部を有する横骨４６Ａが設置される。横骨４６Ａの長手方向、すなわち、図２の紙面奥行き方向に対して外板４１の剛性を向上させられる。

図３において、外板４１（図２参照）との間で閉空間を構成する横骨４６Ａを一例として示した。これに限ることなく、外板４１の剛性向上を実現する補強構造体であれば、任意の形状による他の補強構造体でも本発明を実現できる。例えば、Ｔ字の形をした横骨でも良いし、外板４１より高い剛性率を有する材料の平板を外板４１に接合してもよい。

図４は、本発明の実施例２に係る妻構体４０Ｂの正面図である。実施例１では、妻構体４０Ａの貫通路口４２の貫通路口中心４３に向かって横骨４６Ｂを延設する形態を示した。一方、図４に示す実施例２の特徴は、横骨４６Ｂを延設する方向を妻構体４０Ｂの変形に基づいて決定する点である。

妻構体４０Ｂを備えた鉄道車両１に気密荷重が負荷された場合の応力変形について説明する。その前に、横骨４６Ｂを有さない妻構体４０の変形モードを考える。図１を用いて説明したように、妻構体４０は、その外周が台枠１０、側構体２０及び屋根構体３０に接続され拘束される。これら台枠１０、側構体２０及び屋根構体３０は、外板４１（図２参照）よりも、高い剛性の構造である。したがって、気密荷重により妻構体４０の外板４１に面圧がかかった際、妻構体４０は貫通路口４２に向かって大きく変形する。

図４において、妻構体４０の外板４１が示す変形量分布を変位等高線５１，５２で模式的に示す。変位等高線５１，５２は、それぞれ変形量が同じになる位置を点線で示している。外板４１は貫通路口４２に向かって変形量が大きくなるため、図４において、変位等高線５１よりも変位等高線５２の方が大きい変形量を示している。

変形する物体の剛性を向上させて変形量を低減させるには、物体の変位等高線に直交する方向に剛性を向上させる補強構造体を付設することが効果的である。そのため、図４の実施例２に係る妻構体４０Ｂに示すとおり、横骨４６Ｂを変位等高線５１，５２と直交する方向に貼り付けることを特徴とする。これにより妻構体４０Ｂの剛性向上が可能となり、変形量が低減される。なお、ここでいう「直交」は、９０度±３０度の範囲で直角を理想とする程度を意味する。

図４において、横骨４６ＢはＹ方向又はＺ方向とは異なる方向に延設された例を示した。しかし横骨４６Ｂの延設方向は、変位等高線５１，５２に直交する仮想線に基づいて決定する限り、妻構体４０Ｂを剛性向上できるので、たまたま、Ｙ方向又はＺ方向に方向が一致したとしても構わない。

図５は、本発明の実施例３に係る妻構体４０Ｃの正面図である。実施例１又は実施例２において、妻構体４０Ａ，４０Ｂは、外板４１に横骨４６Ａと、横骨４６Ｂと、の少なくとも何れかを有する構成を例示した。一方、図５に示す実施例３の特徴は、妻構体４０が押出形材４７Ａ，４７Ｂにより構成される点である。

図６は、図５に示した妻構体４０ＣのＢ－Ｂ断面図である。同一の断面形状が押出成形されることで押出形材４７Ａ，４７Ｂが構成される。図５における押出形材４７Ａ，４７Ｂの点線は押出成形される方向、すなわち強い剛性を発揮できる方向を表す。

図５において、Ｙ方向又はＺ方向と押出方向が一致する押出形材４７Ａに加え、貫通路口中心４３に向いて押出成形される押出形材４７Ｂを妻構体４０Ｃが有することで、剛性を高めた妻構体４０が構成される。

図７は、本発明の実施例４に係る妻構体４０Ｄの正面図である。図７に示す実施例４の特徴は、補強部材を貫通路口中心４３とは異なる方向に向けて延設した点にある。補強部材が強い剛性を発揮させる方向について、実施例１～実施例３では、妻構体４０の横骨４６Ｂ又は押出形材４７Ａ，４７Ｂの押し出し方向が概して貫通路口中心４３を向く方向となる構成を例示した。

一方、図７の実施例４に係る妻構体４０Ｄは、補強部材としての横骨４６Ｂの向く方向を、貫通路中心４３に向かず、さらにＹ方向又はＺ方向にも向けいていないにも関わらず、妻構体４０の剛性向上を実現できる。以下に、その作用効果を説明する。

ここで、妻構体４０が図７に示す横骨４６Ａのみにより構成され、気密荷重が負荷された場合を仮定して、その変形モードを考える。横骨４６Ａの配置によっては、妻構体４０全体の変形モードより、横骨４６Ａによって囲まれる外板４１（図２参照）の変形モードが支配的になり得る。

そのような場合の外板４１の変形例を図７に変位等高線５１，５２で示す。横骨４６Ａで囲まれる領域の中心に向かって変形量が大きくなり、変位等高線５１と、それよりも大きな変形を表す変位等高線５２と、は外板４１内で同心円状に存在する。

この場合、図４の実施例２と同様に、変位等高線５１，５２に直交する方向に補強となる横骨を設置することが効果的であるから、図７に示す横骨４６Ｂのように配置することもできる。この場合、横骨４６Ｂは、それを延設する方向が貫通路中心４３を向いてはいないが、妻構体４０の剛性を向上させる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

［補足］
図４及び図７に示す変位等高線５１，５２は、モアレトポグラフィ装置等を用いて画像表示されるモアレ模様である。このモアレ模様は、形状や変形を調べる対象物として、例えば、人体の凹凸形状も地図の等高線のように、その人体画像に重ねて画像表示できる。また、本願発明でいう変位等高線５１，５２は、妻構体４０が平坦面であれば表示されないところに、応力変形等による凹凸形状が生じれば、それを地図の等高線に相当するモアレ模様として妻構体４０に重ねて画像表示できる。なお、変位等高線５１，５２は、モアレトポグラフィ装置等による画像表示でなくとも、視認できれば他の方法で構わない。例えば、有限要素法を含む解析手法等により変位等高線５１，５２を求めてもよい。その場合、鉄道車両１を有限要素解析手法等に適用させてモデル化し、そのモデルに対する荷重負荷シミュレーションにより、変形状態を解析評価した結果として、妻構体４０の変形情報を取得することにより、変位等高線５１，５２を画像表示することができる。

一方、押出形材４７Ａ，４７Ｂは、アルニウム等の素材を過熱圧縮してダイスと呼ばれる金型から押し出し、必要な形状の断面に形成される。ダイスにおける素材を押し付ける側でセンターピース部分を保持しておけば、中空部分のある断面の押出形材を形成できる。このようにして形成された妻構体４０用の押出形材４７Ａ，４７Ｂは、ストローを束ねて融合したような段ボール状の中空厚板構造であり、その押し出し方向に強い剛性を有するので、補強構造体と考えられる。

本構体１は、つぎのように総括できる。
［１］本構体１を構成する妻構体４０Ａ～４０Ｄ（４０）は、図２、図４、図５及び図７に示す補強構造体４６Ｂ，４７Ｂ（押出形材）を有する。その補強構造体４６Ｂ，４７Ｂは、図２の実施例１、図４の実施例２、及び図７の実施例４における横骨４６Ｂと、図５の実施例３で示す押出形材４７Ｂのように、本構体１の幅（Ｙ）方向と、高さ（Ｚ）方向と、の何れに対しても、斜め方向に延設される。

これにより、妻構体４０の剛性を高めて、乗り心地を向上させた鉄道車両構体１を提供できる。すなわち、妻構体４０を含む鉄道車両１の内部に均一な圧力荷重が加わる気密荷重条件や鉄道車両１にねじり荷重が加わる際、横骨４６Ｂを有することで、妻構体４０の中心４３から周方向への変形に対する剛性を向上させることが可能となる。これにより妻構体４０が剛性向上する。その波及効果として、鉄道車両１自体も剛性向上する。

［２］図２の実施例１、及び図４の実施例２における横骨４６Ｂで示すように、上記［１］の補強構造体は、妻構体４０Ａ，４０Ｂの貫通路口４２（妻構体４０）の中心４３から放射状に広がる仮想線上の何れかに延設される箇所を有すると良い。これにより、妻構体４０の中心４３から周方向への変形に対する剛性をより的確に向上させ、妻構体４０が剛性向上する。その波及効果として、鉄道車両１自体も剛性向上する。

［３］図４の実施例２と、図７の実施例４における横骨４６Ｂで示すように、上記［１］の補強構造体は、変位等高線５１，５２に交わる仮想線上の何れかに延設される箇所があると良い。その変位等高線５１，５２は、補強構造体として横骨４６Ｂがない場合に、本構体１に負荷される荷重によって妻構体４０が変形すれば、その変形した形状を示す線である。

この変位等高線５１，５２に直交する方向に横骨４６Ｂを延設すれば、妻構体４０において、実際に変形し易い箇所を効率的に補強できる。その結果、妻構体４０の実際の変形に対する剛性をより的確に向上させ、妻構体４０が剛性向上する。その波及効果として、鉄道車両１自体も剛性向上する。なお、上述の「直交」は必ずしも直角でなくても良い。

［４］上記［３］の補強構造体と類似した構成で、同等の作用効果を発揮する補強構造体について、つぎのように定義しても良い。上記［１］の補強構造体は、横骨４６Ｂその他が既設されている場合であっても、本構体１に負荷される荷重によって妻構体４０が変形すれば、その変形した形状を示す変位等高線５１，５２に交わる仮想線上の何れかの箇所に追加で延設しても良い。これは、図７の実施例４における横骨４６Ｂが既設されていても、荷重変形した形状を示す変位等高線５１，５２を参照して、さらなる追加の補強構造体を設置することが効果的であることを意味する。

［５］図５の実施例３に示すように、上記［１］の妻構体４０Ｃは、押出方向に剛性強化された押出形材４７Ａ，４７Ｂを有して構成され、それら押出形材の一部４７Ｂ又は全部の押出方向は、妻構体４０Ｃの幅（Ｙ）方向と、高さ方向と、の何れに対しても、斜め方向であると良い。

妻構体４０用の押出形材４７Ａ，４７Ｂは、段ボール状の中空厚板構造であり、その押し出し方向に強い剛性を有するので、補強構造体と考えられる。このような押出形材４７Ａ，４７Ｂが、斜め方向の剛性を補強するように延設された結果、妻構体４０の中心４３から周方向への変形に対する剛性をより的確に向上させ、妻構体４０が剛性向上する。その波及効果として、鉄道車両１自体も剛性向上する。

［６］図５に示す上記［５］の押出形材４７Ｂの押出方向は、妻構体４０の貫通路口４２の中心に集まる方向であることが好ましい。これにより、妻構体４０の中心４３から周方向への変形に対する剛性をより的確に向上させ、妻構体４０が剛性向上する。その波及効果として、鉄道車両１自体も剛性向上する。

［７］図５に示すように、上記［１］の妻構体４０Ｃを構成する押出形材４７Ａ，４７Ｂの一部、又は全ての押出方向を変位等高線５１，５２（図４及び図７）に交わる方向に揃えることが好ましい。なお、図４に示す変位等高線５１，５２を図５に重ねて見れば、押出形材４７Ａ，４７Ｂは、変位等高線５１，５２に直交する方向に概ね揃えられている。

この変位等高線５１，５２に直交する方向に押出形材４７Ａ，４７Ｂの一部、又は全ての押出方向、すなわち高剛性方向が揃えられた。そのことにより、妻構体４０は、実際に変形し易い箇所を効率的に補強できる。その結果、妻構体４０の実際の変形に対する剛性をより的確に向上させ、妻構体４０が剛性向上する。その波及効果として、鉄道車両１自体も剛性向上する。

１…鉄道車両構体（鉄道車両、又は構体）、１０…台枠、２０…側構体、２２…乗降口、２３…窓、３０…屋根構体、４０（４０Ａ～４０Ｃ）…妻構体、４１…妻構体外板、４２…貫通路口、４３…貫通路口中心（妻構体中心）、４４…妻柱、４５…妻カモイ、４６Ａ，４６Ｂ…横骨、４７Ａ，４７Ｂ…押出形材、５１，５２…変位等高線、Ｘ，Ｙ，Ｚ…各方向

Claims (5)

1. 妻構体を備えて構成される鉄道車両構体であって、
   前記妻構体に補強構造体を備え、
   前記妻構体に備えられる該補強構造体は、前記妻構体の幅方向と高さ方向との何れに対しても斜め方向に延設され、
   前記妻構体に備えられる前記補強構造体は、前記補強構造体がない場合に当該鉄道車両構体に負荷される荷重によって前記妻構体が示す変位等高線に直交する仮想線上の何れかに延設される箇所を有する、
   鉄道車両構体。
2. 妻構体を備えて構成される鉄道車両構体であって、
   前記妻構体に補強構造体を備え、
   前記妻構体に備えられる前記補強構造体は、前記妻構体の幅方向と高さ方向との何れに対しても斜め方向に延設される補強構造体として既にあるものと、前記妻構体の幅方向と高さ方向との何れに対しても斜め方向に延設されるとともに当該鉄道車両構体に負荷される荷重によって前記妻構体が示す変位等高線に直交する仮想線上の何れかに追加して延設される補強構造体とからなる、
   鉄道車両構体。
3. 妻構体を備えて構成される鉄道車両構体であって、
   前記妻構体は、押出方向に剛性強化された押出形材を有して構成され、
   該押出形材の一部又は全部の押出方向は、前記妻構体の幅方向と高さ方向との何れに対しても斜め方向である、
   鉄道車両構体。
4. 前記押出形材の押出方向は前記妻構体の貫通路口の中心に集まる方向である、
   請求項３に記載の鉄道車両構体。
5. 前記押出形材の押出方向は、前記鉄道車両構体に負荷される荷重によって前記妻構体が示す変位等高線に直交する方向である、
   請求項３に記載の鉄道車両構体。

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