鉄道車両構体およびその製作方法
【課題】鉄道車両構体においては、鉄道車両の高速化に伴い、軌道への衝撃や走行時に発生する騒音、運転動力費等の増大に対処するために、強度や剛性を損なうことなく鉄道車両の構体を軽量化を図ることができる鉄道車両用台枠構造を提供する。
【解決手段】台枠、側構体、屋根構体及び妻構体を組合せて接合して構成される鉄道車両構体を台車に載せている鉄道車両において、鉄道車両構体の台枠の床部材は、鉄道車両構体の走行方向の一端側の前記台車と他端側の台車との間の中間台枠の床構造体１３の上床パネル材１３ａ、下床パネル材１３ｂ、上下パネル材１３ａ，１３ｂを斜めに接続する斜めパネル材１３ｃ、上下パネル材１３ａ，１３ｂを縦に接続する垂直パネル材１３ｄは、難燃性及び断熱性を有する材料からなる芯材と、当該芯材の両表面に配置した繊維強化樹脂複合材料からなる表皮材と、を有する複合パネル材で構成されている。
【解決手段】台枠、側構体、屋根構体及び妻構体を組合せて接合して構成される鉄道車両構体を台車に載せている鉄道車両において、鉄道車両構体の台枠の床部材は、鉄道車両構体の走行方向の一端側の前記台車と他端側の台車との間の中間台枠の床構造体１３の上床パネル材１３ａ、下床パネル材１３ｂ、上下パネル材１３ａ，１３ｂを斜めに接続する斜めパネル材１３ｃ、上下パネル材１３ａ，１３ｂを縦に接続する垂直パネル材１３ｄは、難燃性及び断熱性を有する材料からなる芯材と、当該芯材の両表面に配置した繊維強化樹脂複合材料からなる表皮材と、を有する複合パネル材で構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両構体に係り、特に高速で走行する鉄道車両に好適な鉄道車両構体およびその製作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄系材料よりなる鉄道車両構体は、骨部材の外側に外板を接合して構成されている。また、ステンレス鋼の鉄道車両構体は、各骨部材間と外板接合の強度向上のために、三次元立体継手で構成されている。また、軽合金製のアルミニウム合金材料による鉄道車両構体は、外板と骨部材を一体に成形した押出形材を用いて構成されている。この他、客室の床面を構成する床板の軽量化を図るために、床板自体をアルミニウムハニカムサンドイッチパネルとした構造が知られている。
【０００３】
近年では、炭素繊維強化樹脂複合材料と構造用鋼製材料あるいは炭素繊維強化樹脂複合材料と軽合金材料を組合せた例もあるが、従来の車両では、新幹線車両の先頭カバー等への適用（特許文献１）や、軌道系交通車両の上部構体への適用に限定されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２０６８５号公報
【特許文献２】特開２０１０−２５４１２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
鉄道車両構体を構成する材料の製造技術の進歩に伴い、従来の鉄製の鉄道車両構体からアルミ製またはステンレス製の鉄道車両構体へ移行しつつある。生産性、リサイクル性等の検討に合わせて、軽量化に関する研究開発も継続されている。高速で走行する鉄道車両が軌道に与える衝撃に伴う保守コストを抑制するとともに、高速走行に起因する環境対策費用を低減するために、鉄道車両構体のさらなる軽量化が望まれている。
【０００６】
現状では、鉄道車両構体の軽量化のため、アルミニウム合金のような軽合金製の押出形材を採用しており、更には外板部分も押出形材によって構成している。しかし、押出形材の板厚をさらに薄くするには技術的な限界がある。
さらに、鉄道車両構体には相当な重量物となる床下機器を備えることから、板厚を薄くすることにより面外の曲げ剛性が低下するため、多数の補強材を設置する必要が生じ、部品点数の増加、並びに製作工数及び製作コストが増大するという課題があった。
また、鉄道車両の電装品組立は、構体完成後に行われるものであり、断熱材、遮音材、内装材などが必要で、それらの取り付けに多大な費用と時間が費やされるものであった。
【０００７】
ところで、鉄道車両が高速でトンネル内を走行する場合、車外圧力が急激に変化することが知られている。特に、車両同士がトンネル内ですれ違う場合に大きな圧力変動が短時間に発生する。このような圧力変動が車内に伝播すると乗客に不快感を与えるので、圧力変動が車内に伝播しないようにするために、構体全体を気密構造としている。
【０００８】
したがって、構体には、乗客及び各種機器の荷重、該構体の自重及び前記車外圧力変動による圧力が作用する。このため、構体の剛性向上及び圧力荷重に対する強度向上を図らなければならない。ところが、構体の剛性向上及び強度向上を図ることと軽量化を図ることは相反する関係にあり、同時に実現するのが困難な状況にある。
【０００９】
そこで、強度及び剛性を損なうことなく、断熱性を備える鉄道車両構体の重量を低減する点で解決すべき課題がある。
本発明の目的は、鉄道車両構体に搭載される各種機器等の荷重および車外圧力変動に起因する圧力荷重に堪え得る充分な強度と剛性を備えるとともに、断熱性を備え且つ軽量な鉄道車両構体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明による鉄道車両構体は、台枠、側構体、屋根構体及び妻構体を備えており、前記台枠は、前記台枠の長手方向の中央部に配設される中間台枠と、前記中間台枠に接続されるとともに前記中間台枠の長手方向の両端部に配設される端台枠とから成っており、前記中間台枠は、難燃性及び断熱性を有する材料からなる芯材と、前記芯材の両表面に配置した繊維強化樹脂複合材料からなる表皮材とを有する複合パネル材で構成される床構造体を備えることを特徴としている。
【００１１】
中間台枠の床構造体をこのように構成することにより、複合パネル材の芯材が難燃性及び断熱性を有する材料からなることから、床構造をダクト構造に利用しても必要な断熱性が確保される。また、複合パネル材の芯材の両表面に配置した表皮材が繊維強化樹脂複合材料から成っていることから、繊維強化樹脂複合材料が引っ張り力曲げの応力に対抗し、床構造体として必要な強度と剛性を確保することができる。更に、複合パネル材は軽量であり、台枠構造を軽量化し、延いては鉄道車両を軽量化することができる。
【００１２】
この鉄道車両構体において、前記床構造体は、対向する上床パネル材と、下床パネル材、前記上床パネル材と前記下床パネル材とを接続する接続パネル材とから構成されており、前記床構造体は、前記上床パネル材と前記下床パネル材と前記接続パネル材とによって構成されるとともに前記床構造体の長手方向に沿う複数個の空隙部を備えるトラス構造を成すことができる。このようなトラス構造により、床構造体の内部を断熱性のあるダクト構造としても用いることができる。
【００１３】
この鉄道車両構体において、前記床構造体は、前記鉄道車両構体の幅方向両端部に前記鉄道車両構体の長手方向に沿って配置される側梁の間に配置されており、前記床構造体の幅方向の両端部が、前記側梁から前記鉄道車両構体の幅方向の中央部に向かって略水平に突出す態様で備えられた部材に結合部材を併用して取り付けることができる。
また、前記側梁と前記上床パネル材とを平板部材によって接合し、前記平板部材と前記床構造体の前記両側梁に近接した前記複合パネル材とに、鉄道車両構体長手方向へ離散的に孔加工をし、前記側梁と前記床構造体に覆われた空間において、少なくとも前記側梁の表面を発泡樹脂等の断熱材によって覆うことができる。
【００１４】
また、本発明による鉄道車両構体は、側梁を所定の間隔で離置し、端梁、中梁、枕梁、横梁を接合して台枠の骨格部を製作し、難燃性及び断熱性を有する材料からなる芯材と、この芯材の両表面に配置される繊維強化樹脂複合材料からなる表皮とを有する複合パネルからなる上床パネル材と、下床パネル材と接続パネル材とから構成される床構造体を準備し、前記床構造体を前記台枠の前記骨格部の所定の場所に載置し、前記側梁に備えられる上床接続用フランジと下床接続用フランジのそれぞれに、前記床構造体を構成する上床パネル材と下床パネル材の幅方向の端部を載置し、前記上床接続用フランジと前記上床パネル材とを結合部材で結合するとともに、前記下床接続用フランジと前記下床パネル材とを結合部材で結合することを特徴とする製作方法によって製作できる。
【発明の効果】
【００１５】
２枚の表面材と中間材から成る複合パネル材で構成された床構造体は、面外曲げ剛性が高く、特に高速で走行する車両のように、トンネル内で大きな変動圧力が作用した場合でも十分耐えることができる。したがって、耐圧性を備えるとともに、軽量であり且つ高い断熱性を備える鉄道車両構体を提供することができる。
【００１６】
また、前記床構造体を構成する複合パネル部材は、従来の軽合金材量よりも比重が小さい、繊維樹脂複合材製の薄板からなる表皮材と断熱性が高い芯材によって構成されているため軽量である。また、芯材の熱貫入率が小さいため板厚方向への断熱性が高く、後工程における断熱材の取り付けや、床構造体内部へのダクトの敷設が不要となる。したがって、該複合パネル材を用いて製作される鉄道車両構体は軽量なものとなり、さらに製作工数を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】鉄道車両構体の斜視図である。
【図２】本発明を適用した鉄道車両構体の台枠部分を示す平面図である。
【図３】本発明による一実施例の床構造体の断面斜視図である。
【図４】図３のＤ部を拡大した断面図である。
【図５】図２のＡ−Ａ部断面図である。
【図６】図５のＦ部を拡大した断面図である。
【図７】図２のＢ−Ｂ部断面図である。
【図８】図３のＥ部を拡大した断面図である。
【図９】本発明における床構造体の他の実施例の断面図である。
【図１０】図９のＣ−Ｃ部断面図である。
【図１１】図５のＧ部に相当する部位の拡大図である。
【図１２】本発明における床構造体の他の実施例の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明による鉄道車両構体の実施例について説明する。
本発明が適用される鉄道車両構体１（以下、「構体１」と略す。）は、図１に示すように、台枠２、側構体３、妻構体４及び屋根構体５を備えており、側構体３には乗客が出入りする出入口部６が設けられている。
【００１９】
本実施例における構体１に備わる台枠２の構成について、図２〜図８を参照して説明する。図２に示す台枠２は、鉄道車両構体の長手方向両端部に配置されている端台枠２ａ，２ａと、端台枠２ａ，２ａ間に配置された中間台枠２ｂとから構成されている。各端台枠２ａは、軽合金製材料によって形成されている。中間台枠２ｂは、複合パネル材からなる床構造体１３と側梁７，７とを接合して構成されている。中間台枠２ｂの長手方向の両端部に端台枠２ａ，２ａが接合されて、鉄道車両構体の床部をなす台枠２が構成されている。
【００２０】
各端台枠２ａは、側梁７，７、端梁８、中梁９，９、枕梁１０、横梁１１、及び床板１２から構成されている。二つの側梁７，７は、中空部分を持つような断面形状を有する軽合金製、即ちアルミニウム合金製の押出形材である。側梁７，７は、台枠２の鉄道車両構体幅方向両端部において鉄道車両構体長手方向に延びて配置され、それらの端部は二つの端台枠２ａの端梁８，８によって連結される。
【００２１】
各端台枠２ａにおいて、枕梁１０は、二つの側梁７，７の間において端梁８に平行に配置されており、枕梁１０の端部は側梁７，７に接合されている。枕梁１０は、端梁８よりも台枠２の長手方向の中央寄りの位置に、台車の中心に対応して配置されている。二つの中梁９，９は、台枠２の長手方向の端部の端梁８と枕梁１０の間において側梁７，７に平行に配置されており、それらの各端部は端梁８と枕梁１０とに接合されている。横梁１１は、枕梁１０よりも台枠２の長手方向中央寄りの位置に配置されている。床板１２は二つの側梁７，７に設置されている中梁９、枕梁１０、横梁１１の上面を覆うように設置されており、横梁１１に設けられた床受け部において、床板１２と床構造体１３の上床パネル材１３ａ（図３参照）とが接合手段によって接合されている。
【００２２】
図３は、本発明による床構造体の一実施例を示す断面斜視図であり、図４は図３のＤ部を拡大した断面図である。図３において、床構造体１３を構成する１３ａ乃至１３ｄの複合パネル材２１（図４参照）は、繊維強化樹脂複合材からなる表皮材２１ａ，２１ａ及び芯材２１ｂとからなる。
複合パネル材２１を構成する表皮材２１ａの第一の部材の樹脂材料としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂を用いることが一般的であるが、成形品の剛性、強度に優れる熱硬化性樹脂を用いるのが好ましい。熱硬化性樹脂としては、例えば、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、エポキシ、レゾール型フェノール、ユリア・メラミン、ポリイミドがあり、これらの共重合体、変性体、及び、これらの少なくとも２種をブレンドした樹脂がある。耐衝撃性向上のために、エラストマーもしくはゴム成分が添加されていてもよい。特に、エポキシ樹脂は成形品の機械的特性の観点から好ましい。
【００２３】
複合パネル部材２１を構成する第一の部材の強化繊維群の繊維素材としては、例えばアルミニウム繊維、黄銅繊維、ステンレス繊維などの金属繊維；ガラス繊維；ポリアクリロニトリル系、レーヨン系、リクニン系、ピッチ系の炭素繊維や黒鉛繊維；芳香材ポリアミド繊維、ポリアラミド繊維、ＰＢＯ繊維、ポリフェニレンスルフィド繊維、ポリエステル繊維、アクリル繊維、ナイロン繊維、ポリエチレン繊維等の有機繊維；又はシリコンカーバイド繊維、シリコンナイトライド繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維、ボロン繊維等を用いることができる。これらは、単独又は２種以上併用して用いられる。これらの繊維素材は、表面処理が施されているものであってもよい。表面処理としては、金属の被着処理、カップリング剤による処理、サイジング剤による処理、添加剤の付着処理などがある。繊維素材としては、比重が小さく、高強度、高弾性率である炭素繊維が、好ましく使用される。
【００２４】
複合パネル材２１を構成する芯材２１ｂは、断熱性や遮音性に優れる木質材料や硬質発泡樹脂材料の他、ハニカム形状を有する芯材を用いても良い。
本実施例における床構造体１３は、木質材料からなる芯材２１ｂの両表面に、炭素繊維強化エポキシ樹脂複合材料からなる表皮材２１ａと、図示しない接着材を表皮材２１ａと芯材２１ｂの間に挿入し、オートクレーブ法によって接着積層して成形した板部材から構成される。
【００２５】
図５は図２のＡ−Ａ部断面図である。図３、図５において、床構造体１３は複合パネル材２１からなる。床構造体１３は、対向する２枚の上床パネル材１３ａと下床パネル材１３ｂと、上床パネル材１３ａと下床パネル材１３ｂとを接続する接続パネル材である斜めパネル材１３ｃおよび垂直パネル材１３ｄから構成される２重床構造である。床構造体１３は、上床パネル材１３ａと下床パネル材１３ｂと斜めパネル材１３ｃあるいは垂直パネル材１３ｄとで囲まれるとともに鉄道車両構体の長手方向に連続した複数個の空隙部２９を有すトラス構造を成している。
【００２６】
床構造体１３は、図５左側の側梁７と図示しない右側の側梁７の間に配置される。側梁７は、側梁上部７ａと側梁下部７ｂとからなり、側梁上部７ａと側梁下部７ｂは溶接によって接合されている。側梁上部７ａと側梁下部７ｂは、それぞれ鉄道車両構体幅方向に向かって、略水平に突出した平板部材である上床接続用フランジ７ｃと、下床接続用フランジ７ｄとを備えている。側梁７は側梁上部７ａと側梁下部７ｂとを一体の押出成型部品として構成しても良い。さらに、側梁７、あるいは、側梁上部７ａと側梁下部７ｂの各々に、押出成形によって一体に備えてもよい。
【００２７】
床構造体１３の上床パネル材１３ａ及び下床パネル材１３ｂは、その車幅方向の端部近傍において、上床接続用フランジ７ｃ及び下床接続用フランジ７ｄに、接着剤を併用して、ボルトとナットから成る結合部材１９あるいはリベットなどの結合部材１９によって接合される。このような構成を採ることによって、鉄道車両構体の中間台枠２ｂに供えられていた横梁を省くことができるとともに、客室内の気密性を損なうことなく、圧力変動や機器重量による荷重に対する強度信頼性の向上を図ることができる。また、床構造体１３において、床構造体１３の長手方向に沿う態様の空隙部２０（２０ａ，２０ｂ）は複合パネル材２１によって囲まれた閉空間になっていることから、断熱性、耐結露性及び気密性が高く、中間台枠２ｂの領域に従来のようなダクト敷設や断熱材を配置する工程が不要となる。
【００２８】
側梁７と上床パネル材１３ａとを接合するために備えられた上床接続用フランジ７ｃ及び床構造体１３の側梁７に近接して配置された垂直パネル材１３ｄには、鉄道車両構体長手方向に離散的に孔１７，１７１が備えられている。側梁７と床構造体１３との接合部は、結合部材１９と接着剤によって接合されることから、側梁７と垂直パネル材１３ｄによって挟まれて形成されている空隙部２０ｂは気密が確保され、また、側梁７の表面を発泡樹脂等の断熱材によって覆うことで断熱性を確保することができる。このような構成を採ることによって、別途ダクトなどを設けなくとも、空隙部２０ａを通風路として流れる冷却空気を、孔１７１から空隙部２０ｂを通じて更に孔１７を通過させて、客室内へ流すことができる。
【００２９】
床構造体１３を構成する下床パネル材１３ｂの下面には、複数の機器吊りレール１５が鉄道車両構体の長手方向に沿って配置されている。機器吊りレール１５の下面中央にはスリット１５ａが刻まれており、該機器吊りレール１５にて図示しない各種の床下機器を吊り下げるようにしている。機器吊りレール１５と下床パネル材１３ｂとが接する面は接着材によって固定されると共に、床構造体１３の空隙部２０に設けた機器吊りレール保持金具１５ｂと、結合部材１９を組合せて接合することによって、空隙部２０の空間を確保し、かつ床下機器の吊り下げに耐え得る充分な強度と剛性を保持することが可能となる。機器吊りレール保持金具１５ｂにはウエルドナットあるいは板ナットを設けることが好ましい。なお、図５では鉄道車両構体の長手方向に沿って機器吊りレール１５を配設しているが、機器吊りレール１５は鉄道車両構体の幅方向に沿って配設してもよい。
【００３０】
図６は図５のＦ部を拡大した断面図である。図５、図６において、本実施例における側構体３は、木質材料からなる芯材２１ｂの両表面に、炭素繊維強化エポキシ樹脂複合材料からなる表皮材２１ａと、図示しない接着材を表皮材２１ａと芯材２１ｂの間に挿入し、オートクレーブ法によって接着積層して成形した板部材から構成されている。側梁７と接合される側の端面は、炭素繊維樹脂複合材料からなる表皮材２１ａを地面側に突出するとともに、芯材２１ｂの端面を表皮材２１ａでふさぎ２１ｃを設けた。側梁上部７ａから略垂直に突出した側構体接合用フランジ７ｅ，７ｅと、逆Ｌ字になるように備えた突出し片７ｆ，７ｆとの間に、側構体３の端部から突出した表皮材２１ａを挿入し、突出し片７ｆ，７ｆの略水平部と側構体３の端部ふさぎ２１ｃとが密着するように配置し、側構体３の端部を構成する表皮材２１ａ、ふさぎ２１ｃと、側構体接合用フランジ７ｅ，７ｅ及び突出し片１４ｆとは相互に接着剤を用いて接合すると共に、結合部材１９を併用して接合される。
【００３１】
図６に示すように、結合部材１９による結合範囲Ｌ１は、側構体の板厚ｔとの関係が２ｔ≧Ｌ１≧ｔの範囲であり、接着剤による接着範囲Ｌ２は、結合部材１９による結合範囲Ｌ１との関係がＬ２≧Ｌ１となることが好ましい。また、側構体接合用フランジ７ｅ，７ｅは天井側の端部に向かってテーパ形状をとることがより好ましい。
【００３２】
以上の構成を採ることにより、圧力変動や機器重量によって側構体３と側梁７の接合部に作用する曲げ荷重に対する強度を確保することができる。なお、本実施例では側構体３は複合パネル材２１で構成されているが、アルミニウムなどの軽合金製の中空形材などで構成されていても良く、その場合は側梁７と側構体３とは溶接により接合される。
【００３３】
図７は図２のＢ−Ｂ部断面図である。図７において、横梁１１は軽合金製の押出形材で、その両端部は側梁７に溶接によって接合されている。横梁１１の上部に、横梁１１に沿って配設される床受３２が備えられている。床受３２は横梁１１と一体に押出成型しても良いし、横梁１１に沿って離散的に備えても良い。端台枠２ａと中間台枠２ｂとは横梁１１を介して接続されている。横梁１１は、鉄道車両構体の長手方向に突出する態様の突出し片１１ａ，１１ｂを備える。同様に、床受３２も、鉄道車両構体の長手方向に突出する態様の突出し片３２ａを備える。
【００３４】
端台枠２ａ側に配置される床材１２と、床構造体１３の上床パネル材１３ａが略水平となるように配置される。上床パネル材１３ａの端台枠２ａ側の端部には、軽合金製の上床パネル材用の結合金具３５が配置されており。突出し片３２ａと結合金具３５とは、ボルトとナットあるいはリベットのような結合部材１９によって締結されている。このとき、接着剤を併用することが好ましい。また、結合金具３５の上部で床材１２と上床パネル材１３ａの表皮材２１ａとを突き合わせるように配置し、突き合わせ部３６に生じた隙間を樹脂等で埋設する。
【００３５】
一方、横梁１１の上部には、端台枠２ａをなす気密床３４を受けるための突出し片１１ｂが備えられており、気密床３４の端部が突出し片１１ｂに載置されるとともに溶接によって横梁１１に固定される。さらに、横梁１１の下部には、下床パネル材１３ｂの端部を受けるための突出し片１１ａが備わっており、地面側から結合部材１９及び接着剤によって接合される。このような構成を採ることによって、下床側で客室の気密を確保することができる。横梁１１及び床受３２に設けられた突出し片３２ａ及び１１ａにはウエルドナット、板ナットなどを予め設けておくことが好ましい。
【００３６】
図６及び図８に示したように、上床パネル材１３ａあるいは図示しない下床パネル材１３ｂから斜めパネル材１３ｃが分岐して空隙部２０が構成される。該分岐部は芯材２１ｂを略床構造体１３の形状に加工した後に表皮材２１ａを積層した後、オートクレーブ等で一体成形する方法や、プルトルージョン成形により同一断面形状で引抜き一体成形する方法がある。
【００３７】
機器吊りレール１５の他の実施例について図９及び図１０を用いて説明する。図９は本発明における床構造体の他の実施例の断面図であり、図１０は図９のＣ−Ｃ部断面図である。床構造体１３を構成する下床パネル材１３ｂの下面には、複数の機器吊りレール１５が鉄道車両構体の幅方向に配置されている。機器吊りレール１５の下面中央にはスリット１５ａが備えられており、機器吊りレール１５にて図示しない各種の床下機器を吊時するようにしている。機器吊りレール１５は、下床パネル１３ｂの表面に当接される基部１５ｅと、基部１５ｅの幅方向の中央部に所定の間隔を設けるとともに対向する態様で立設される垂直片１５ｄ，１５ｄと、この垂直片１５ｄ，１５ｄの端部から水平方向に延びる垂直片１５ｃ，１５ｃとから構成されている。基部１５ｅの幅方向の両端部には機器吊りレール１５の長手方向に沿って離散的に固定用の孔を設けて、これらの孔を用いて機器吊りレール１５を、下床パネル１３ｂに固定しても良い（図５に示した機器吊りレール１５の形態）。
【００３８】
機器吊りレール１５の基部１５ｅ（図１１参照）と下床パネル材１３ｂとが接する面は接着材によって固定される。さらに、機器吊りレール１５と、床構造体１３の空隙部２０に設けた機器吊りレール保持金具１５ｂとは、結合部材１９によって接合されているので、空隙部２０の断面積を確保するとともに床下機器の吊り下げに耐え得る充分な強度と剛性を備える。なお、機器吊りレール保持金具１５ｂには、結合部材１９が螺合するウエルドナットあるいは板ナットが設けられることが好ましい。
【００３９】
図１１は、図５のＧ部の拡大図であって、機器吊りレール１５を備える床構造体１３のその他の実施例である。機器吊りレール１５は、床構造体１３を構成する下床パネル材１３ｂと斜めパネル材１３ｃ，１３ｃ（接続パネル材）との接続部の下面側に備えられる。斜めパネル材１３ｃ，１３ｃは、略Ｖ字状の断面形状であるとともに、斜めパネル材１３ｃ，１３ｃの頂部の両側にはその頂部の斜面に接触する端部形状を備えた下床パネル材１３ｂ，１３ｂが接続されている。斜めパネル材１３ｃ，１３ｃと、下床パネル材１３ｂ，１３ｂとは、接着剤等で接続されており、一体の床構造体１３をなしている。下床パネル材１３ｂ，１３ｂと斜めパネル材１３ｃ，１３ｃとの接続部には、鉄道車両構体１の長手方向に沿って離散的に貫通穴が設けられており、この貫通穴には複数のパイプ４０が備えられる。パイプ４０は、必要に応じて、接着剤等で床構造体１３に固定してもよい。
【００４０】
下床パネル材１３ｂ，１３ｂと斜めパネル材１３ｃ，１３ｃとの接続部の上側には、鉄道車両構体１の長手方向に沿う態様で座１６が備えられ、接続部の下側には機器吊りレール１５が備えられる。
座１６は、座１６の幅方向の中央部の基部１６ａと、この基部１６ａの幅方向の両端部から延びる端部１６ｂ，１６ｂとからなり、その長手方向に垂直な断面形状は略Ｖ字状である。また、座１６の基部１６ａには、床構造体１３に離散的に備えられたパイプ４０に対応する位置に後述する接続部材１９がかみ合うネジ部を有すネジ穴が備えられる。
同様に、機器吊りレール１５の基部１５ａにも、その長手方向に沿って、床構造体１３に離散的に備えられるパイプ４０に対応する位置に穴が備えられる。床構造体１３をなす下床パネル材１３ｂ，１３ｂと斜めパネル材１３ｃ，１３ｃとの接続部に、座１６と機器吊りレール１５とを備えた状態で、接合部材１９によって、床構造体１３をなす斜めパネル材１３ｃと下床パネル材１３ｂとの接続部を挟む態様で機器吊りレール１５が床構造体１３に固定される。図１１に示されるように、接合部材１９はパイプ４０を貫通する態様で、機器吊りレール１５と座１６とを締結しており、パイプ４０が圧縮される際に接合部材１９に十分な軸力が発生するため、接合部材１９の緩みを抑制することができるだけでなく、座１６の端部１６ｂが斜めパネル材１３ｃ，１３ｃに陥没することを抑制できる。
【００４１】
座１６の断面形状を略Ｖ字状にすることによって、座１６の端部１６ｂ，１６ｂは、同様に略Ｖ字状の断面形状を有す斜めパネル材１３ｃ，１３ｃに広い面積で接触することができるので、圧力荷重等に耐え得る強固な床構造体１３を構成することができる。さらに、床構造体１３をなす下床パネル材１３ｂと斜めパネル材１３ｃとの接続部の近傍に機器吊りレール１５が備えられるため、床構造体１３は、機器吊りレール１５に備えられる床下機器４２等に起因る大きな荷重に耐え得る強度を備えることができる。
図１１には、機器吊りレール１５を鉄道車両構体１の長手方向に沿う態様で備えた例を記したが、機器吊りレール１５を鉄道車両構体１の長手方向に交差する方向に備え、機器吊りレール１５と座１６とが交差する態様で床構造体１３に備えても良い。また、座１６は押出形材で成型したのち、ネジ穴を施工しても良い。
【００４２】
図１２は、床構造体１３の他の実施例を示したものであり、上床パネル材１３ａあるいは図示しない下床パネル材１３ｂと斜めパネル材１３ｃとを個別に一体成形した後に、面２４及び面２５にて接着成形することで構成されるものである。なお、図１２に示す床構造体１３に、図１１に記した機器吊りレール１５の取付構造を適用しても良い。
【００４３】
以上の鉄道車両構体の製造にあたり、まず、側梁７，７を所定の間隔で離置し、端梁８，８、中梁９，９、枕梁１０，１０、横梁１１，１１を溶接にて接合して台枠２の骨格部を製作する。次に、難燃性及び断熱性を有する材料からなる芯材２１ｂと、この芯材の両表面に配置した繊維強化樹脂複合材料からなる表皮２１ａ，２１ａとを有する複合パネルを用いて上床パネル材１３ａと下床パネル材１３ｂと接続パネル材１３ｃとからなる床構造体を構成する。この床構造体を前記台枠２の長手方向の中央部の固定場所に位置決めするとともに、側梁７に備えられる上床接続用フランジ７ｃ，７ｃと下床接続用フランジ７ｄ，７ｄとのそれぞれに、床構造体を構成する上床パネル材１３ａと下床パネル材１３ｂの幅方向の端部を載置するとともに、結合部材でこれらを結合することによって鉄道車両用台枠構造が製造される。なお、結合部材で結合する際に必要に応じて接着剤を併用しても良い。本実施例における床構造体１３を構成する上床パネル材１３の幅方向寸法および長手方向寸法は、下床パネル１３ｂのそれらより小さく設計されているので、台枠２を反転しておけば容易に載置できる。
【００４４】
以上、説明したように本発明によれば、まず、２枚の表面材と中間材（芯材）から成る複合パネル材で構成された床構造体を有す台枠を備える鉄道車両構体は、面外曲げ剛性が高く、特に高速で走行する車両のようにトンネル内で大きな変動圧力が作用した場合でも十分耐え得る強度を備える。
【００４５】
さらに、前記床構造体を構成する複合パネル部材は、従来の軽合金材量よりも比重が小さい、繊維樹脂複合材製の薄板からなる表皮材と断熱性が高い芯材によって構成されているため軽量である。また、芯材の熱貫入率が小さいため板厚方向への断熱性が高く、後工程における断熱材の取り付けや、床構造体内部へのダクトの敷設が不要となる。したがって、複合パネル材を用いて製作される床構造を有す台枠を備える鉄道車両構体は、軽量であり且つ高い断熱性を併せ持つことができる。
【符号の説明】
【００４６】
１…鉄道車両構体 ２…台枠
２ａ…端台枠 ２ｂ…中間台枠
３…側構体 ４…妻構体
５…屋根構体 ６…側出入口部
７…側梁
７ａ…側梁上部 ７ｂ…側梁下部
７ｃ…上床接続用フランジ ７ｄ…下床接続用フランジ
７ｅ…側構体接続用フランジ ７ｆ…突出し片
８…端梁 ９…中梁
１０…枕梁 １１…横梁
１１ａ，１１ｂ…突出し片 １２…床板
１３…床構造体 １３ａ…上床パネル材
１３ｂ…下床パネル材 １３ｃ…斜めパネル材
１３ｄ…垂直パネル材 １５…機器吊りレール
１５ａ…スリット １５ｂ…機器吊りレール保持金具
１５ｃ…水平片 １５ｄ…垂直片
１５ｅ…基部 １６…座
１６ａ…基部(座) １６ｂ…端部(座)
１７，１７１…孔
１８…側梁端の接合部 １９…結合部材
２０…空隙部 ２１…複合パネル材
２１ａ…表皮材 ２１ｂ…芯材
２１ｃ…ふさぎ ３２…床受
３２ａ…突出し片 ３４…気密床
３５…結合金具 ３６…突き合わせ部
４０…パイプ ４２…床下機器
ｔ…側構体３の板厚
Ｌ１…側構体３と側梁７の結合部材による結合範囲
Ｌ２…側構体３と側梁７の接着剤による接着範囲
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両構体に係り、特に高速で走行する鉄道車両に好適な鉄道車両構体およびその製作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄系材料よりなる鉄道車両構体は、骨部材の外側に外板を接合して構成されている。また、ステンレス鋼の鉄道車両構体は、各骨部材間と外板接合の強度向上のために、三次元立体継手で構成されている。また、軽合金製のアルミニウム合金材料による鉄道車両構体は、外板と骨部材を一体に成形した押出形材を用いて構成されている。この他、客室の床面を構成する床板の軽量化を図るために、床板自体をアルミニウムハニカムサンドイッチパネルとした構造が知られている。
【０００３】
近年では、炭素繊維強化樹脂複合材料と構造用鋼製材料あるいは炭素繊維強化樹脂複合材料と軽合金材料を組合せた例もあるが、従来の車両では、新幹線車両の先頭カバー等への適用（特許文献１）や、軌道系交通車両の上部構体への適用に限定されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２０６８５号公報
【特許文献２】特開２０１０−２５４１２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
鉄道車両構体を構成する材料の製造技術の進歩に伴い、従来の鉄製の鉄道車両構体からアルミ製またはステンレス製の鉄道車両構体へ移行しつつある。生産性、リサイクル性等の検討に合わせて、軽量化に関する研究開発も継続されている。高速で走行する鉄道車両が軌道に与える衝撃に伴う保守コストを抑制するとともに、高速走行に起因する環境対策費用を低減するために、鉄道車両構体のさらなる軽量化が望まれている。
【０００６】
現状では、鉄道車両構体の軽量化のため、アルミニウム合金のような軽合金製の押出形材を採用しており、更には外板部分も押出形材によって構成している。しかし、押出形材の板厚をさらに薄くするには技術的な限界がある。
さらに、鉄道車両構体には相当な重量物となる床下機器を備えることから、板厚を薄くすることにより面外の曲げ剛性が低下するため、多数の補強材を設置する必要が生じ、部品点数の増加、並びに製作工数及び製作コストが増大するという課題があった。
また、鉄道車両の電装品組立は、構体完成後に行われるものであり、断熱材、遮音材、内装材などが必要で、それらの取り付けに多大な費用と時間が費やされるものであった。
【０００７】
ところで、鉄道車両が高速でトンネル内を走行する場合、車外圧力が急激に変化することが知られている。特に、車両同士がトンネル内ですれ違う場合に大きな圧力変動が短時間に発生する。このような圧力変動が車内に伝播すると乗客に不快感を与えるので、圧力変動が車内に伝播しないようにするために、構体全体を気密構造としている。
【０００８】
したがって、構体には、乗客及び各種機器の荷重、該構体の自重及び前記車外圧力変動による圧力が作用する。このため、構体の剛性向上及び圧力荷重に対する強度向上を図らなければならない。ところが、構体の剛性向上及び強度向上を図ることと軽量化を図ることは相反する関係にあり、同時に実現するのが困難な状況にある。
【０００９】
そこで、強度及び剛性を損なうことなく、断熱性を備える鉄道車両構体の重量を低減する点で解決すべき課題がある。
本発明の目的は、鉄道車両構体に搭載される各種機器等の荷重および車外圧力変動に起因する圧力荷重に堪え得る充分な強度と剛性を備えるとともに、断熱性を備え且つ軽量な鉄道車両構体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明による鉄道車両構体は、台枠、側構体、屋根構体及び妻構体を備えており、前記台枠は、前記台枠の長手方向の中央部に配設される中間台枠と、前記中間台枠に接続されるとともに前記中間台枠の長手方向の両端部に配設される端台枠とから成っており、前記中間台枠は、難燃性及び断熱性を有する材料からなる芯材と、前記芯材の両表面に配置した繊維強化樹脂複合材料からなる表皮材とを有する複合パネル材で構成される床構造体を備えることを特徴としている。
【００１１】
中間台枠の床構造体をこのように構成することにより、複合パネル材の芯材が難燃性及び断熱性を有する材料からなることから、床構造をダクト構造に利用しても必要な断熱性が確保される。また、複合パネル材の芯材の両表面に配置した表皮材が繊維強化樹脂複合材料から成っていることから、繊維強化樹脂複合材料が引っ張り力曲げの応力に対抗し、床構造体として必要な強度と剛性を確保することができる。更に、複合パネル材は軽量であり、台枠構造を軽量化し、延いては鉄道車両を軽量化することができる。
【００１２】
この鉄道車両構体において、前記床構造体は、対向する上床パネル材と、下床パネル材、前記上床パネル材と前記下床パネル材とを接続する接続パネル材とから構成されており、前記床構造体は、前記上床パネル材と前記下床パネル材と前記接続パネル材とによって構成されるとともに前記床構造体の長手方向に沿う複数個の空隙部を備えるトラス構造を成すことができる。このようなトラス構造により、床構造体の内部を断熱性のあるダクト構造としても用いることができる。
【００１３】
この鉄道車両構体において、前記床構造体は、前記鉄道車両構体の幅方向両端部に前記鉄道車両構体の長手方向に沿って配置される側梁の間に配置されており、前記床構造体の幅方向の両端部が、前記側梁から前記鉄道車両構体の幅方向の中央部に向かって略水平に突出す態様で備えられた部材に結合部材を併用して取り付けることができる。
また、前記側梁と前記上床パネル材とを平板部材によって接合し、前記平板部材と前記床構造体の前記両側梁に近接した前記複合パネル材とに、鉄道車両構体長手方向へ離散的に孔加工をし、前記側梁と前記床構造体に覆われた空間において、少なくとも前記側梁の表面を発泡樹脂等の断熱材によって覆うことができる。
【００１４】
また、本発明による鉄道車両構体は、側梁を所定の間隔で離置し、端梁、中梁、枕梁、横梁を接合して台枠の骨格部を製作し、難燃性及び断熱性を有する材料からなる芯材と、この芯材の両表面に配置される繊維強化樹脂複合材料からなる表皮とを有する複合パネルからなる上床パネル材と、下床パネル材と接続パネル材とから構成される床構造体を準備し、前記床構造体を前記台枠の前記骨格部の所定の場所に載置し、前記側梁に備えられる上床接続用フランジと下床接続用フランジのそれぞれに、前記床構造体を構成する上床パネル材と下床パネル材の幅方向の端部を載置し、前記上床接続用フランジと前記上床パネル材とを結合部材で結合するとともに、前記下床接続用フランジと前記下床パネル材とを結合部材で結合することを特徴とする製作方法によって製作できる。
【発明の効果】
【００１５】
２枚の表面材と中間材から成る複合パネル材で構成された床構造体は、面外曲げ剛性が高く、特に高速で走行する車両のように、トンネル内で大きな変動圧力が作用した場合でも十分耐えることができる。したがって、耐圧性を備えるとともに、軽量であり且つ高い断熱性を備える鉄道車両構体を提供することができる。
【００１６】
また、前記床構造体を構成する複合パネル部材は、従来の軽合金材量よりも比重が小さい、繊維樹脂複合材製の薄板からなる表皮材と断熱性が高い芯材によって構成されているため軽量である。また、芯材の熱貫入率が小さいため板厚方向への断熱性が高く、後工程における断熱材の取り付けや、床構造体内部へのダクトの敷設が不要となる。したがって、該複合パネル材を用いて製作される鉄道車両構体は軽量なものとなり、さらに製作工数を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】鉄道車両構体の斜視図である。
【図２】本発明を適用した鉄道車両構体の台枠部分を示す平面図である。
【図３】本発明による一実施例の床構造体の断面斜視図である。
【図４】図３のＤ部を拡大した断面図である。
【図５】図２のＡ−Ａ部断面図である。
【図６】図５のＦ部を拡大した断面図である。
【図７】図２のＢ−Ｂ部断面図である。
【図８】図３のＥ部を拡大した断面図である。
【図９】本発明における床構造体の他の実施例の断面図である。
【図１０】図９のＣ−Ｃ部断面図である。
【図１１】図５のＧ部に相当する部位の拡大図である。
【図１２】本発明における床構造体の他の実施例の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明による鉄道車両構体の実施例について説明する。
本発明が適用される鉄道車両構体１（以下、「構体１」と略す。）は、図１に示すように、台枠２、側構体３、妻構体４及び屋根構体５を備えており、側構体３には乗客が出入りする出入口部６が設けられている。
【００１９】
本実施例における構体１に備わる台枠２の構成について、図２〜図８を参照して説明する。図２に示す台枠２は、鉄道車両構体の長手方向両端部に配置されている端台枠２ａ，２ａと、端台枠２ａ，２ａ間に配置された中間台枠２ｂとから構成されている。各端台枠２ａは、軽合金製材料によって形成されている。中間台枠２ｂは、複合パネル材からなる床構造体１３と側梁７，７とを接合して構成されている。中間台枠２ｂの長手方向の両端部に端台枠２ａ，２ａが接合されて、鉄道車両構体の床部をなす台枠２が構成されている。
【００２０】
各端台枠２ａは、側梁７，７、端梁８、中梁９，９、枕梁１０、横梁１１、及び床板１２から構成されている。二つの側梁７，７は、中空部分を持つような断面形状を有する軽合金製、即ちアルミニウム合金製の押出形材である。側梁７，７は、台枠２の鉄道車両構体幅方向両端部において鉄道車両構体長手方向に延びて配置され、それらの端部は二つの端台枠２ａの端梁８，８によって連結される。
【００２１】
各端台枠２ａにおいて、枕梁１０は、二つの側梁７，７の間において端梁８に平行に配置されており、枕梁１０の端部は側梁７，７に接合されている。枕梁１０は、端梁８よりも台枠２の長手方向の中央寄りの位置に、台車の中心に対応して配置されている。二つの中梁９，９は、台枠２の長手方向の端部の端梁８と枕梁１０の間において側梁７，７に平行に配置されており、それらの各端部は端梁８と枕梁１０とに接合されている。横梁１１は、枕梁１０よりも台枠２の長手方向中央寄りの位置に配置されている。床板１２は二つの側梁７，７に設置されている中梁９、枕梁１０、横梁１１の上面を覆うように設置されており、横梁１１に設けられた床受け部において、床板１２と床構造体１３の上床パネル材１３ａ（図３参照）とが接合手段によって接合されている。
【００２２】
図３は、本発明による床構造体の一実施例を示す断面斜視図であり、図４は図３のＤ部を拡大した断面図である。図３において、床構造体１３を構成する１３ａ乃至１３ｄの複合パネル材２１（図４参照）は、繊維強化樹脂複合材からなる表皮材２１ａ，２１ａ及び芯材２１ｂとからなる。
複合パネル材２１を構成する表皮材２１ａの第一の部材の樹脂材料としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂を用いることが一般的であるが、成形品の剛性、強度に優れる熱硬化性樹脂を用いるのが好ましい。熱硬化性樹脂としては、例えば、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、エポキシ、レゾール型フェノール、ユリア・メラミン、ポリイミドがあり、これらの共重合体、変性体、及び、これらの少なくとも２種をブレンドした樹脂がある。耐衝撃性向上のために、エラストマーもしくはゴム成分が添加されていてもよい。特に、エポキシ樹脂は成形品の機械的特性の観点から好ましい。
【００２３】
複合パネル部材２１を構成する第一の部材の強化繊維群の繊維素材としては、例えばアルミニウム繊維、黄銅繊維、ステンレス繊維などの金属繊維；ガラス繊維；ポリアクリロニトリル系、レーヨン系、リクニン系、ピッチ系の炭素繊維や黒鉛繊維；芳香材ポリアミド繊維、ポリアラミド繊維、ＰＢＯ繊維、ポリフェニレンスルフィド繊維、ポリエステル繊維、アクリル繊維、ナイロン繊維、ポリエチレン繊維等の有機繊維；又はシリコンカーバイド繊維、シリコンナイトライド繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維、ボロン繊維等を用いることができる。これらは、単独又は２種以上併用して用いられる。これらの繊維素材は、表面処理が施されているものであってもよい。表面処理としては、金属の被着処理、カップリング剤による処理、サイジング剤による処理、添加剤の付着処理などがある。繊維素材としては、比重が小さく、高強度、高弾性率である炭素繊維が、好ましく使用される。
【００２４】
複合パネル材２１を構成する芯材２１ｂは、断熱性や遮音性に優れる木質材料や硬質発泡樹脂材料の他、ハニカム形状を有する芯材を用いても良い。
本実施例における床構造体１３は、木質材料からなる芯材２１ｂの両表面に、炭素繊維強化エポキシ樹脂複合材料からなる表皮材２１ａと、図示しない接着材を表皮材２１ａと芯材２１ｂの間に挿入し、オートクレーブ法によって接着積層して成形した板部材から構成される。
【００２５】
図５は図２のＡ−Ａ部断面図である。図３、図５において、床構造体１３は複合パネル材２１からなる。床構造体１３は、対向する２枚の上床パネル材１３ａと下床パネル材１３ｂと、上床パネル材１３ａと下床パネル材１３ｂとを接続する接続パネル材である斜めパネル材１３ｃおよび垂直パネル材１３ｄから構成される２重床構造である。床構造体１３は、上床パネル材１３ａと下床パネル材１３ｂと斜めパネル材１３ｃあるいは垂直パネル材１３ｄとで囲まれるとともに鉄道車両構体の長手方向に連続した複数個の空隙部２９を有すトラス構造を成している。
【００２６】
床構造体１３は、図５左側の側梁７と図示しない右側の側梁７の間に配置される。側梁７は、側梁上部７ａと側梁下部７ｂとからなり、側梁上部７ａと側梁下部７ｂは溶接によって接合されている。側梁上部７ａと側梁下部７ｂは、それぞれ鉄道車両構体幅方向に向かって、略水平に突出した平板部材である上床接続用フランジ７ｃと、下床接続用フランジ７ｄとを備えている。側梁７は側梁上部７ａと側梁下部７ｂとを一体の押出成型部品として構成しても良い。さらに、側梁７、あるいは、側梁上部７ａと側梁下部７ｂの各々に、押出成形によって一体に備えてもよい。
【００２７】
床構造体１３の上床パネル材１３ａ及び下床パネル材１３ｂは、その車幅方向の端部近傍において、上床接続用フランジ７ｃ及び下床接続用フランジ７ｄに、接着剤を併用して、ボルトとナットから成る結合部材１９あるいはリベットなどの結合部材１９によって接合される。このような構成を採ることによって、鉄道車両構体の中間台枠２ｂに供えられていた横梁を省くことができるとともに、客室内の気密性を損なうことなく、圧力変動や機器重量による荷重に対する強度信頼性の向上を図ることができる。また、床構造体１３において、床構造体１３の長手方向に沿う態様の空隙部２０（２０ａ，２０ｂ）は複合パネル材２１によって囲まれた閉空間になっていることから、断熱性、耐結露性及び気密性が高く、中間台枠２ｂの領域に従来のようなダクト敷設や断熱材を配置する工程が不要となる。
【００２８】
側梁７と上床パネル材１３ａとを接合するために備えられた上床接続用フランジ７ｃ及び床構造体１３の側梁７に近接して配置された垂直パネル材１３ｄには、鉄道車両構体長手方向に離散的に孔１７，１７１が備えられている。側梁７と床構造体１３との接合部は、結合部材１９と接着剤によって接合されることから、側梁７と垂直パネル材１３ｄによって挟まれて形成されている空隙部２０ｂは気密が確保され、また、側梁７の表面を発泡樹脂等の断熱材によって覆うことで断熱性を確保することができる。このような構成を採ることによって、別途ダクトなどを設けなくとも、空隙部２０ａを通風路として流れる冷却空気を、孔１７１から空隙部２０ｂを通じて更に孔１７を通過させて、客室内へ流すことができる。
【００２９】
床構造体１３を構成する下床パネル材１３ｂの下面には、複数の機器吊りレール１５が鉄道車両構体の長手方向に沿って配置されている。機器吊りレール１５の下面中央にはスリット１５ａが刻まれており、該機器吊りレール１５にて図示しない各種の床下機器を吊り下げるようにしている。機器吊りレール１５と下床パネル材１３ｂとが接する面は接着材によって固定されると共に、床構造体１３の空隙部２０に設けた機器吊りレール保持金具１５ｂと、結合部材１９を組合せて接合することによって、空隙部２０の空間を確保し、かつ床下機器の吊り下げに耐え得る充分な強度と剛性を保持することが可能となる。機器吊りレール保持金具１５ｂにはウエルドナットあるいは板ナットを設けることが好ましい。なお、図５では鉄道車両構体の長手方向に沿って機器吊りレール１５を配設しているが、機器吊りレール１５は鉄道車両構体の幅方向に沿って配設してもよい。
【００３０】
図６は図５のＦ部を拡大した断面図である。図５、図６において、本実施例における側構体３は、木質材料からなる芯材２１ｂの両表面に、炭素繊維強化エポキシ樹脂複合材料からなる表皮材２１ａと、図示しない接着材を表皮材２１ａと芯材２１ｂの間に挿入し、オートクレーブ法によって接着積層して成形した板部材から構成されている。側梁７と接合される側の端面は、炭素繊維樹脂複合材料からなる表皮材２１ａを地面側に突出するとともに、芯材２１ｂの端面を表皮材２１ａでふさぎ２１ｃを設けた。側梁上部７ａから略垂直に突出した側構体接合用フランジ７ｅ，７ｅと、逆Ｌ字になるように備えた突出し片７ｆ，７ｆとの間に、側構体３の端部から突出した表皮材２１ａを挿入し、突出し片７ｆ，７ｆの略水平部と側構体３の端部ふさぎ２１ｃとが密着するように配置し、側構体３の端部を構成する表皮材２１ａ、ふさぎ２１ｃと、側構体接合用フランジ７ｅ，７ｅ及び突出し片１４ｆとは相互に接着剤を用いて接合すると共に、結合部材１９を併用して接合される。
【００３１】
図６に示すように、結合部材１９による結合範囲Ｌ１は、側構体の板厚ｔとの関係が２ｔ≧Ｌ１≧ｔの範囲であり、接着剤による接着範囲Ｌ２は、結合部材１９による結合範囲Ｌ１との関係がＬ２≧Ｌ１となることが好ましい。また、側構体接合用フランジ７ｅ，７ｅは天井側の端部に向かってテーパ形状をとることがより好ましい。
【００３２】
以上の構成を採ることにより、圧力変動や機器重量によって側構体３と側梁７の接合部に作用する曲げ荷重に対する強度を確保することができる。なお、本実施例では側構体３は複合パネル材２１で構成されているが、アルミニウムなどの軽合金製の中空形材などで構成されていても良く、その場合は側梁７と側構体３とは溶接により接合される。
【００３３】
図７は図２のＢ−Ｂ部断面図である。図７において、横梁１１は軽合金製の押出形材で、その両端部は側梁７に溶接によって接合されている。横梁１１の上部に、横梁１１に沿って配設される床受３２が備えられている。床受３２は横梁１１と一体に押出成型しても良いし、横梁１１に沿って離散的に備えても良い。端台枠２ａと中間台枠２ｂとは横梁１１を介して接続されている。横梁１１は、鉄道車両構体の長手方向に突出する態様の突出し片１１ａ，１１ｂを備える。同様に、床受３２も、鉄道車両構体の長手方向に突出する態様の突出し片３２ａを備える。
【００３４】
端台枠２ａ側に配置される床材１２と、床構造体１３の上床パネル材１３ａが略水平となるように配置される。上床パネル材１３ａの端台枠２ａ側の端部には、軽合金製の上床パネル材用の結合金具３５が配置されており。突出し片３２ａと結合金具３５とは、ボルトとナットあるいはリベットのような結合部材１９によって締結されている。このとき、接着剤を併用することが好ましい。また、結合金具３５の上部で床材１２と上床パネル材１３ａの表皮材２１ａとを突き合わせるように配置し、突き合わせ部３６に生じた隙間を樹脂等で埋設する。
【００３５】
一方、横梁１１の上部には、端台枠２ａをなす気密床３４を受けるための突出し片１１ｂが備えられており、気密床３４の端部が突出し片１１ｂに載置されるとともに溶接によって横梁１１に固定される。さらに、横梁１１の下部には、下床パネル材１３ｂの端部を受けるための突出し片１１ａが備わっており、地面側から結合部材１９及び接着剤によって接合される。このような構成を採ることによって、下床側で客室の気密を確保することができる。横梁１１及び床受３２に設けられた突出し片３２ａ及び１１ａにはウエルドナット、板ナットなどを予め設けておくことが好ましい。
【００３６】
図６及び図８に示したように、上床パネル材１３ａあるいは図示しない下床パネル材１３ｂから斜めパネル材１３ｃが分岐して空隙部２０が構成される。該分岐部は芯材２１ｂを略床構造体１３の形状に加工した後に表皮材２１ａを積層した後、オートクレーブ等で一体成形する方法や、プルトルージョン成形により同一断面形状で引抜き一体成形する方法がある。
【００３７】
機器吊りレール１５の他の実施例について図９及び図１０を用いて説明する。図９は本発明における床構造体の他の実施例の断面図であり、図１０は図９のＣ−Ｃ部断面図である。床構造体１３を構成する下床パネル材１３ｂの下面には、複数の機器吊りレール１５が鉄道車両構体の幅方向に配置されている。機器吊りレール１５の下面中央にはスリット１５ａが備えられており、機器吊りレール１５にて図示しない各種の床下機器を吊時するようにしている。機器吊りレール１５は、下床パネル１３ｂの表面に当接される基部１５ｅと、基部１５ｅの幅方向の中央部に所定の間隔を設けるとともに対向する態様で立設される垂直片１５ｄ，１５ｄと、この垂直片１５ｄ，１５ｄの端部から水平方向に延びる垂直片１５ｃ，１５ｃとから構成されている。基部１５ｅの幅方向の両端部には機器吊りレール１５の長手方向に沿って離散的に固定用の孔を設けて、これらの孔を用いて機器吊りレール１５を、下床パネル１３ｂに固定しても良い（図５に示した機器吊りレール１５の形態）。
【００３８】
機器吊りレール１５の基部１５ｅ（図１１参照）と下床パネル材１３ｂとが接する面は接着材によって固定される。さらに、機器吊りレール１５と、床構造体１３の空隙部２０に設けた機器吊りレール保持金具１５ｂとは、結合部材１９によって接合されているので、空隙部２０の断面積を確保するとともに床下機器の吊り下げに耐え得る充分な強度と剛性を備える。なお、機器吊りレール保持金具１５ｂには、結合部材１９が螺合するウエルドナットあるいは板ナットが設けられることが好ましい。
【００３９】
図１１は、図５のＧ部の拡大図であって、機器吊りレール１５を備える床構造体１３のその他の実施例である。機器吊りレール１５は、床構造体１３を構成する下床パネル材１３ｂと斜めパネル材１３ｃ，１３ｃ（接続パネル材）との接続部の下面側に備えられる。斜めパネル材１３ｃ，１３ｃは、略Ｖ字状の断面形状であるとともに、斜めパネル材１３ｃ，１３ｃの頂部の両側にはその頂部の斜面に接触する端部形状を備えた下床パネル材１３ｂ，１３ｂが接続されている。斜めパネル材１３ｃ，１３ｃと、下床パネル材１３ｂ，１３ｂとは、接着剤等で接続されており、一体の床構造体１３をなしている。下床パネル材１３ｂ，１３ｂと斜めパネル材１３ｃ，１３ｃとの接続部には、鉄道車両構体１の長手方向に沿って離散的に貫通穴が設けられており、この貫通穴には複数のパイプ４０が備えられる。パイプ４０は、必要に応じて、接着剤等で床構造体１３に固定してもよい。
【００４０】
下床パネル材１３ｂ，１３ｂと斜めパネル材１３ｃ，１３ｃとの接続部の上側には、鉄道車両構体１の長手方向に沿う態様で座１６が備えられ、接続部の下側には機器吊りレール１５が備えられる。
座１６は、座１６の幅方向の中央部の基部１６ａと、この基部１６ａの幅方向の両端部から延びる端部１６ｂ，１６ｂとからなり、その長手方向に垂直な断面形状は略Ｖ字状である。また、座１６の基部１６ａには、床構造体１３に離散的に備えられたパイプ４０に対応する位置に後述する接続部材１９がかみ合うネジ部を有すネジ穴が備えられる。
同様に、機器吊りレール１５の基部１５ａにも、その長手方向に沿って、床構造体１３に離散的に備えられるパイプ４０に対応する位置に穴が備えられる。床構造体１３をなす下床パネル材１３ｂ，１３ｂと斜めパネル材１３ｃ，１３ｃとの接続部に、座１６と機器吊りレール１５とを備えた状態で、接合部材１９によって、床構造体１３をなす斜めパネル材１３ｃと下床パネル材１３ｂとの接続部を挟む態様で機器吊りレール１５が床構造体１３に固定される。図１１に示されるように、接合部材１９はパイプ４０を貫通する態様で、機器吊りレール１５と座１６とを締結しており、パイプ４０が圧縮される際に接合部材１９に十分な軸力が発生するため、接合部材１９の緩みを抑制することができるだけでなく、座１６の端部１６ｂが斜めパネル材１３ｃ，１３ｃに陥没することを抑制できる。
【００４１】
座１６の断面形状を略Ｖ字状にすることによって、座１６の端部１６ｂ，１６ｂは、同様に略Ｖ字状の断面形状を有す斜めパネル材１３ｃ，１３ｃに広い面積で接触することができるので、圧力荷重等に耐え得る強固な床構造体１３を構成することができる。さらに、床構造体１３をなす下床パネル材１３ｂと斜めパネル材１３ｃとの接続部の近傍に機器吊りレール１５が備えられるため、床構造体１３は、機器吊りレール１５に備えられる床下機器４２等に起因る大きな荷重に耐え得る強度を備えることができる。
図１１には、機器吊りレール１５を鉄道車両構体１の長手方向に沿う態様で備えた例を記したが、機器吊りレール１５を鉄道車両構体１の長手方向に交差する方向に備え、機器吊りレール１５と座１６とが交差する態様で床構造体１３に備えても良い。また、座１６は押出形材で成型したのち、ネジ穴を施工しても良い。
【００４２】
図１２は、床構造体１３の他の実施例を示したものであり、上床パネル材１３ａあるいは図示しない下床パネル材１３ｂと斜めパネル材１３ｃとを個別に一体成形した後に、面２４及び面２５にて接着成形することで構成されるものである。なお、図１２に示す床構造体１３に、図１１に記した機器吊りレール１５の取付構造を適用しても良い。
【００４３】
以上の鉄道車両構体の製造にあたり、まず、側梁７，７を所定の間隔で離置し、端梁８，８、中梁９，９、枕梁１０，１０、横梁１１，１１を溶接にて接合して台枠２の骨格部を製作する。次に、難燃性及び断熱性を有する材料からなる芯材２１ｂと、この芯材の両表面に配置した繊維強化樹脂複合材料からなる表皮２１ａ，２１ａとを有する複合パネルを用いて上床パネル材１３ａと下床パネル材１３ｂと接続パネル材１３ｃとからなる床構造体を構成する。この床構造体を前記台枠２の長手方向の中央部の固定場所に位置決めするとともに、側梁７に備えられる上床接続用フランジ７ｃ，７ｃと下床接続用フランジ７ｄ，７ｄとのそれぞれに、床構造体を構成する上床パネル材１３ａと下床パネル材１３ｂの幅方向の端部を載置するとともに、結合部材でこれらを結合することによって鉄道車両用台枠構造が製造される。なお、結合部材で結合する際に必要に応じて接着剤を併用しても良い。本実施例における床構造体１３を構成する上床パネル材１３の幅方向寸法および長手方向寸法は、下床パネル１３ｂのそれらより小さく設計されているので、台枠２を反転しておけば容易に載置できる。
【００４４】
以上、説明したように本発明によれば、まず、２枚の表面材と中間材（芯材）から成る複合パネル材で構成された床構造体を有す台枠を備える鉄道車両構体は、面外曲げ剛性が高く、特に高速で走行する車両のようにトンネル内で大きな変動圧力が作用した場合でも十分耐え得る強度を備える。
【００４５】
さらに、前記床構造体を構成する複合パネル部材は、従来の軽合金材量よりも比重が小さい、繊維樹脂複合材製の薄板からなる表皮材と断熱性が高い芯材によって構成されているため軽量である。また、芯材の熱貫入率が小さいため板厚方向への断熱性が高く、後工程における断熱材の取り付けや、床構造体内部へのダクトの敷設が不要となる。したがって、複合パネル材を用いて製作される床構造を有す台枠を備える鉄道車両構体は、軽量であり且つ高い断熱性を併せ持つことができる。
【符号の説明】
【００４６】
１…鉄道車両構体 ２…台枠
２ａ…端台枠 ２ｂ…中間台枠
３…側構体 ４…妻構体
５…屋根構体 ６…側出入口部
７…側梁
７ａ…側梁上部 ７ｂ…側梁下部
７ｃ…上床接続用フランジ ７ｄ…下床接続用フランジ
７ｅ…側構体接続用フランジ ７ｆ…突出し片
８…端梁 ９…中梁
１０…枕梁 １１…横梁
１１ａ，１１ｂ…突出し片 １２…床板
１３…床構造体 １３ａ…上床パネル材
１３ｂ…下床パネル材 １３ｃ…斜めパネル材
１３ｄ…垂直パネル材 １５…機器吊りレール
１５ａ…スリット １５ｂ…機器吊りレール保持金具
１５ｃ…水平片 １５ｄ…垂直片
１５ｅ…基部 １６…座
１６ａ…基部(座) １６ｂ…端部(座)
１７，１７１…孔
１８…側梁端の接合部 １９…結合部材
２０…空隙部 ２１…複合パネル材
２１ａ…表皮材 ２１ｂ…芯材
２１ｃ…ふさぎ ３２…床受
３２ａ…突出し片 ３４…気密床
３５…結合金具 ３６…突き合わせ部
４０…パイプ ４２…床下機器
ｔ…側構体３の板厚
Ｌ１…側構体３と側梁７の結合部材による結合範囲
Ｌ２…側構体３と側梁７の接着剤による接着範囲
【特許請求の範囲】
【請求項１】
台枠、側構体、屋根構体及び妻構体を備える鉄道車両構体において、
前記台枠は、前記台枠の長手方向の中央部に配設される中間台枠と、前記中間台枠に接続されるとともに前記中間台枠の長手方向の両端部に配設される端台枠とから成っており、
前記中間台枠は、難燃性及び断熱性を有する材料からなる芯材と、前記芯材の両表面に配置した繊維強化樹脂複合材料からなる表皮材とを有する複合パネル材で構成される床構造体を備えること
を特徴とする鉄道車両構体。
【請求項２】
請求項１に記載の鉄道車両構体において、
前記床構造体は、上床パネル材と、下床パネル材、前記上床パネル材と前記下床パネル材とを接続する接続パネル材とから構成されており、
前記上床パネル材と前記下床パネル材と前記接続パネル材とによって構成されるとともに前記床構造体の長手方向に沿う複数個の空隙部を備えるトラス構造を成していること
を特徴とする鉄道車両構体。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の鉄道車両構体において、
前記床構造体は、前記鉄道車両構体の幅方向両端部に前記鉄道車両構体の長手方向に沿って配置される側梁の間に配置されており、
前記床構造体の幅方向の両端部が、前記側梁から前記鉄道車両構体の幅方向の中央部に向かって略水平に突出す態様で備えられた部材に結合部材によって取り付けられていること
を特徴とする鉄道車両構体。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれ一項記載の鉄道車両構体において、
前記側梁と前記上床パネル材とは平板部材によって接合されており、
前記平板部材と前記床構造体の前記両側梁に近接した前記複合パネル材とは、鉄道車両構体長手方向へ離散的に孔加工されており、
前記側梁と前記床構造体に覆われた空間において、少なくとも前記側梁の表面が断熱材によって覆われていること
を特徴とする鉄道車両構体。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれ一項記載の鉄道車両構体において、
前記端台枠及び前記床構造体は、両端部を前記側梁に溶接された横梁を介して接続されており、
前記端台枠を成す気密床は、その押出方向を前記鉄道車両の長手方向に沿って配設された押出形材であるとともに、前記気密床の端部は前記横梁に溶接されており、
前記複合パネル材の端部は、結合部材を用いて前記横梁に接合されていること
を特徴とする鉄道車両構体。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれ一項記載の鉄道車両構体において、
前記床構造体の下面には、機器吊りレールが取り付けられていること
を特徴とする鉄道車両構体。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれ一項記載の鉄道車両構体において、
前記床構造体を構成する前記下床パネル材と前記接続パネル材との接続部の近傍部と、前記鉄道車両構体の床下に配設される機器を支持する機器吊りレールとを、結合部材で結合することによって前記機器吊りレールが前記床構造体の下面に取り付けられていること
を特徴とする鉄道車両用構体。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれ一項記載の鉄道車両構体において、
前記床構造体は、前記上床パネル材と、前記下床パネル材と、前記接続パネル材とが、一体で成形されていること
を特徴とする鉄道車両構体。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれ一項記載の鉄道車両構体において、
前記側構体は、難燃性及び断熱性を有する材料からなる芯材と、前記芯材の両表面に配置した繊維強化樹脂複合材料からなる表皮材とを有する複合パネル材で構成されており、 前記側梁は、前記側梁の上部に上方向に向けて突出する突出し片を備えており、
前記突出し片は前記側梁に一体成型されており、
前記側構体が、前記側梁に備えられる突出し片に前記結合部材を用いて接合されていること
を特徴とする鉄道車両構体。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれ一項記載の鉄道車両構体において、
前記床構造体を構成する前記上床パネル材の車両幅方向寸法が、前記下床パネル材の横幅方向寸法よりも小さく、車両幅方向中央部について対称に配置されていること
を特徴とする鉄道車両構体。
【請求項１１】
側梁を所定の間隔で離置し、端梁、中梁、枕梁、横梁を接合して台枠の骨格部を製作し、
難燃性及び断熱性を有する材料からなる芯材と、前記芯材の両表面に配置される繊維強化樹脂複合材料からなる表皮とを有する複合パネルからなる上床パネル材と、下床パネル材と接続パネル材とから構成される床構造体を準備し、
前記床構造体を前記台枠の前記骨格部の所定の場所に載置し、
前記側梁に備えられる上床接続用フランジと下床接続用フランジのそれぞれに、前記床構造体を構成する上床パネル材と下床パネル材の幅方向の端部を載置し、
前記上床接続用フランジと前記上床パネル材とを、結合部材で結合し、
前記下床接続用フランジと前記下床パネル材とを、結合部材で結合すること
を特徴とする鉄道車両構体の製作方法。
【請求項１】
台枠、側構体、屋根構体及び妻構体を備える鉄道車両構体において、
前記台枠は、前記台枠の長手方向の中央部に配設される中間台枠と、前記中間台枠に接続されるとともに前記中間台枠の長手方向の両端部に配設される端台枠とから成っており、
前記中間台枠は、難燃性及び断熱性を有する材料からなる芯材と、前記芯材の両表面に配置した繊維強化樹脂複合材料からなる表皮材とを有する複合パネル材で構成される床構造体を備えること
を特徴とする鉄道車両構体。
【請求項２】
請求項１に記載の鉄道車両構体において、
前記床構造体は、上床パネル材と、下床パネル材、前記上床パネル材と前記下床パネル材とを接続する接続パネル材とから構成されており、
前記上床パネル材と前記下床パネル材と前記接続パネル材とによって構成されるとともに前記床構造体の長手方向に沿う複数個の空隙部を備えるトラス構造を成していること
を特徴とする鉄道車両構体。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の鉄道車両構体において、
前記床構造体は、前記鉄道車両構体の幅方向両端部に前記鉄道車両構体の長手方向に沿って配置される側梁の間に配置されており、
前記床構造体の幅方向の両端部が、前記側梁から前記鉄道車両構体の幅方向の中央部に向かって略水平に突出す態様で備えられた部材に結合部材によって取り付けられていること
を特徴とする鉄道車両構体。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれ一項記載の鉄道車両構体において、
前記側梁と前記上床パネル材とは平板部材によって接合されており、
前記平板部材と前記床構造体の前記両側梁に近接した前記複合パネル材とは、鉄道車両構体長手方向へ離散的に孔加工されており、
前記側梁と前記床構造体に覆われた空間において、少なくとも前記側梁の表面が断熱材によって覆われていること
を特徴とする鉄道車両構体。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれ一項記載の鉄道車両構体において、
前記端台枠及び前記床構造体は、両端部を前記側梁に溶接された横梁を介して接続されており、
前記端台枠を成す気密床は、その押出方向を前記鉄道車両の長手方向に沿って配設された押出形材であるとともに、前記気密床の端部は前記横梁に溶接されており、
前記複合パネル材の端部は、結合部材を用いて前記横梁に接合されていること
を特徴とする鉄道車両構体。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれ一項記載の鉄道車両構体において、
前記床構造体の下面には、機器吊りレールが取り付けられていること
を特徴とする鉄道車両構体。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれ一項記載の鉄道車両構体において、
前記床構造体を構成する前記下床パネル材と前記接続パネル材との接続部の近傍部と、前記鉄道車両構体の床下に配設される機器を支持する機器吊りレールとを、結合部材で結合することによって前記機器吊りレールが前記床構造体の下面に取り付けられていること
を特徴とする鉄道車両用構体。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれ一項記載の鉄道車両構体において、
前記床構造体は、前記上床パネル材と、前記下床パネル材と、前記接続パネル材とが、一体で成形されていること
を特徴とする鉄道車両構体。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれ一項記載の鉄道車両構体において、
前記側構体は、難燃性及び断熱性を有する材料からなる芯材と、前記芯材の両表面に配置した繊維強化樹脂複合材料からなる表皮材とを有する複合パネル材で構成されており、 前記側梁は、前記側梁の上部に上方向に向けて突出する突出し片を備えており、
前記突出し片は前記側梁に一体成型されており、
前記側構体が、前記側梁に備えられる突出し片に前記結合部材を用いて接合されていること
を特徴とする鉄道車両構体。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれ一項記載の鉄道車両構体において、
前記床構造体を構成する前記上床パネル材の車両幅方向寸法が、前記下床パネル材の横幅方向寸法よりも小さく、車両幅方向中央部について対称に配置されていること
を特徴とする鉄道車両構体。
【請求項１１】
側梁を所定の間隔で離置し、端梁、中梁、枕梁、横梁を接合して台枠の骨格部を製作し、
難燃性及び断熱性を有する材料からなる芯材と、前記芯材の両表面に配置される繊維強化樹脂複合材料からなる表皮とを有する複合パネルからなる上床パネル材と、下床パネル材と接続パネル材とから構成される床構造体を準備し、
前記床構造体を前記台枠の前記骨格部の所定の場所に載置し、
前記側梁に備えられる上床接続用フランジと下床接続用フランジのそれぞれに、前記床構造体を構成する上床パネル材と下床パネル材の幅方向の端部を載置し、
前記上床接続用フランジと前記上床パネル材とを、結合部材で結合し、
前記下床接続用フランジと前記下床パネル材とを、結合部材で結合すること
を特徴とする鉄道車両構体の製作方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−７１４６９（Ｐ２０１３−７１４６９Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０９５４５（Ｐ２０１１−２０９５４５）
【出願日】平成２３年９月２６日（２０１１．９．２６）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（５９５１１６２６７）株式会社ジーエイチクラフト (5)
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２６日（２０１１．９．２６）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（５９５１１６２６７）株式会社ジーエイチクラフト (5)
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