(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外板と構体フレームとによって側構体および屋根構体が構成され、前記側構体と屋根構体との外板が、車両長手方向に延びる中空形材で接続され、箱形形状とされる鉄道車両用構体において、
前記中空形材は、厚さ方向において曲げ変形が可能である外板部および内板部と、それら両板部を結合する断面トラス状の連結部とを備え、前記連結部は、前記内板部の上下縁部を前記外板部の周方向のほぼ中間部位に連結する１対の連結板部を有し、
内圧負荷時に、前記外板部が、前記連結板部が連結される部分を境として、その両側部分が外方に膨らむように厚さ方向において曲げ変形する一方、外圧負荷時に、前記内板部が、外方に膨らむように厚さ方向において曲げ変形する構成とされていることを特徴とする鉄道車両用構体。
【請求項２】
前記構体フレームは、前記外板側の外側フランジ部と反外板側の内側フランジ部を有し、
前記内側フランジ部と前記中空形材の内板部とが補強板部材にて連結されている請求項１記載の鉄道車両用構体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、鉄道車両用構体に関し、特に気密性を有する高速鉄道車両の構体に適する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高い気密荷重を負荷される鉄道車両用構体（例えば高速でトンネル内を通過する新幹線や磁気浮上タイプの鉄道車両などの構体）は、外板と構体フレームとによって構成され、上側部分はほぼ円筒形状に形成されている。これにより、気密荷重の作用により、構体が大きく変形して高い曲げ応力が発生しないようにしている。
【０００３】
ところが、そのように上側部分が円筒形状であれば、客室居住区画が小さくなり、また、ドアエンジンなども設けにくいという理由から、構体の上側部分の形状を円筒形状から、一般車両の構体と同様に箱形形状（左右の側構体が略鉛直方向に延びる一方屋根構体が水平方向に延び、それらの左右の接続部分が丸いコーナ部（角部）となっている箱形形状）に変更したいという要求がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、そのように構体の基本形状を、円筒形状から箱形形状に変更すると、円筒形状であれば、気密荷重が作用しても円筒形状のままであるが、箱形形状であると、気密荷重が作用すると、円筒状になろうとして、屋根構体と側構体との接続部分であるコーナ部に、高い応力が作用するようになる。
【０００５】
すなわち、図７に示すように、構体２０１は、外板２０１ａと構体フレーム２０１ｂとによって構成されるが、その構体２０１に、高い気密荷重が内圧負荷として作用した場合、外板２０１ａが円筒形状になろうとする。そして、構体フレーム２０１ｂが、図７において二点鎖線で示すように屋根構体Ｓ１と側構体Ｓ２との接続部分であるコーナ部において外方に広げられるように曲げられる。よって、構体フレーム２０１ｂの内側部分（図７のハッチング参照）に高い曲げ応力が発生することなる。
【０００６】
このように、高い気密荷重が負荷される箱形状の鉄道車両用構体においては、側構体と屋根構体との接続部分（コーナ湾曲部）付近はおいて気密荷重の作用により構体フレームに高い曲げ応力が発生する。
【０００７】
ところで、例えば特開平８−１０８８４９号公報に記載されるように、二階建て式の鉄道車両の車体において、軽量化と強度および剛性の向上を図ることを目的として、屋根構体と側構体とを軽合金製の押し出し型材（中空形材）によって接続するように構成したものが知られている。
【０００８】
そこで、発明者は、そのような特開平８−１０８８４９号公報に記載の技術のように、屋根構体と側構体とを剛性の高い中空形材で接続するのではなく、剛性の低い中空形材で接続する構造とし、その中空形材として、前記構体フレームに発生する高い曲げ応力を緩和できる構造のものを用いれば、前述したところの「側構体と屋根構体との接続部分（コーナ湾曲部）付近はおいて気密荷重により構体フレームに高い曲げ応力が発生する」という課題を解決できることに着想し、本発明をなすに至ったものである。
【０００９】
ところで、例えば特許第２６６９５３５号公報（特開平１−３０９８７０号公報）にも、外板と構体フレームとからなる側構体と屋根構体とを中空形材で接続する構造が記載されているが、その技術は、側構体と屋根構体との間に作用する曲げ変形に対し、最も応力の高い部分を押し出し形材によって構成することで、十分な強度および剛性を確保するものであり、中空形材の剛性を低くして、曲げ応力を緩和できる構造とするものではない。
【００１０】
この発明は、側構体と屋根構体とを、剛性の低い中空形材を介して接続することで、その接続部分での高い応力の発生を抑制する鉄道車両用構体を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、外板と構体フレームとによって側構体および屋根構体が構成され、前記側構体と屋根構体との外板が、車両長手方向に延びる中空形材で接続され、箱形形状とされる鉄道車両用構体において、前記中空形材は、外板部および内板部と、それら両板部を結合する断面トラス状の連結部とを備え、前記連結部は、前記内板部の上下縁部を前記外板部の周方向のほぼ中間部位に連結する１対の連結板部を有し、内圧負荷時に、前記外板部が、前記連結板部が連結される部分を境として、その両側部分が外方に膨らむように厚さ方向において曲げ変形する一方、外圧負荷時に、前記内板部が、外方に膨らむように厚さ方向において曲げ変形する構成とされていることを特徴とする。
【００１２】
このようにすれば、箱形形状の構体を構成する側構体と屋根構体との間に設けられる中空形材が、側構体と屋根構体との接続部分の剛性を低減する構造であるため、側構体と屋根構体との接続部分の剛性が低減される。すなわち、そのような中空形材を接続部分に用いることで、接続部分も含めて外板と構体フレームとによって側構体および屋根構体が構成される従来の場合に比べて、側構体と屋根構体との接続部分の剛性が低減される。
とくに、前記中空形材は、厚さ方向において曲げ変形が可能である外板部および内板部と、それら両板部を結合する断面トラス状の連結部とを備えるので、断面トラス状の連結部の形状などを適宜変更したり調整したりすることで、側構体と屋根構体との接続部分の剛性を低減する構造を簡単に得ることができる。そして、車両長手方向に延びる中空形材の外板部および内板部の部分で曲げ変形（撓み変形）させ、発生する応力を長手方向に分散させることで、高い曲げ応力の発生が回避される。
内圧負荷時に、中空形材に対し曲げモーメントが作用するが、このとき、外板部が、連結板部が連結される部分を境として、その両側の部分が外方に膨らむように厚さ方向において曲げ変形するので、その部分に作用する発生応力が吸収緩和され、また、中空形材の長手方向において分散される。一方、外圧負荷時に、中空形材に対し、内圧負荷時とは逆方向に曲げモーメントが作用するので、このとき、内板部が、外方に膨らむように厚さ方向において曲げ変形し、同様に、その部分に作用する発生応力が緩和され、中空形材の長手方向において分散される。
このように、中空形材を側構体と屋根構体との接続部に設けることで、接続部分も含めて外板と構体フレームとによって側構体および屋根構体が構成される従来の構造に比べて、その接続部分が柔らかくなって剛性が低減され、中空形材の長手方向において応力が分散されることと相俟って、その接続部分に発生する応力が緩和される。
ここで、「接続部分の剛性を低減する」のは、外板の板厚、中空形材の曲率、内部構造などを適宜変更することで調整され、中空形材が曲げ変形をして応力を緩和する程度の剛性とされる。
【００１３】
これにより、側構体と屋根構体との接続部分が柔らかくなるので、その部分に発生する応力が緩和される。中空形材は、車両長手方向（車体長手方向）に延びているので、作用する応力は車両長手方向において分散され、また、重量を増加させるおそれもない。
【００１８】
請求項２に記載のように、前記構体フレームは、前記外板側の外側フランジ部と反外板側の内側フランジ部を有し、前記内側フランジ部と前記中空形材の内板部とが補強板部材にて連結されていることが望ましい。
【００１９】
このようにすれば、内側フランジ部と前記中空形材の内板部とが補強板部材にて連結されているので、内圧負荷時や外圧負荷時に、中空形材の内板部や外板部が適度に曲げ変形して、車両長手方向に応力を分散させる。これにより、屋根構体と側構体との接続部分に作用する曲げ応力が緩和される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に沿って説明する。
【００２１】
図１は本発明に係る鉄道車両用構体の一実施の形態を示す縦断面図、図２は図１のＸ部拡大図、図３は図２のＹ方向矢視図である。
【００２２】
図１に示すように、本発明に係る鉄道車両用構体１は、ほぼ水平方向に広がる屋根構体１１と、ほぼ鉛直方向に広がる左右の側構体１２，１３と、底構体１４とによって箱形形状に構成され、気密性を有するものである。
【００２３】
前記各構体１１，１２，１３，１４は、屋根、左右の側面および底面用の外板１１Ａ，１２Ａ，１３Ａ，１４Ａと、それらの内側面に取り付けられる構体フレーム１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂ，１４Ｂによって構成される。前記構体フレーム１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂ，１４Ｂは、全体の外郭形状および剛性を保持するために外板１１Ａ，１２Ａ，１３Ａａ，１４Ａの内周側に設けられるものである。なお、このような外板１１Ａ，１２Ａ，１３Ａ，１４Ａは、複数のストリンガを一体に押出成型したアルミニウム材からなる複数の押出型材を互いの長手方向側端縁同士を結合することで広幅に形成されるものである。
【００２４】
前記側構体１３の外板１３Ａの内側面には、車両長手方向において一定間隔でもって構体フレーム１３Ｂが設けられている。そして、その構体フレーム１３Ｂは、外板１３Ａに連結される外側フランジ部１３Ｂａと、この外側フランジ部１３Ｂａの一側縁に一側縁が連接され内方側（外側フランジ部１３Ｂａに直交する方向）に延びるウエブ部１３Ｂｂと、このウエブ部１３Ｂｂの他側縁に一側縁が連接され前記外側フランジ部１３Ｂａと反対方向に平行に延びる内側（反外板側）フランジ部１３Ｂｃとを備える。なお、前記左側の側構体１２も右側の側構体１３と同様に構成されている。
【００２５】
また、客室内における床板上の乗客、座席、車内設備等の荷重は、床板を介してフロアビーム１５にて支持されることになる。その荷重を支持するフロアビーム１５は、左右端部がブラケット１６，１７を介して構体フレーム１２Ｂ，１３Ｂに連結されると共に、中央部付近が上下方向に延びる１対のステイ１８，１９を介して前記構体フレーム１４Ｂに連結されているので、フロアビーム１５（床板）が支持する荷重は、左右端部のブラケット１６，１７および１対のスティ１８，１９を介して構体フレーム１２Ｂ，１３Ｂ，１４Ｂに伝達される。
【００２６】
前記屋根構体１１と左右の側構体１２，１３との接続部分は、図２および図３に詳細を示すように、それらの外板１１Ａ，１２Ａ，１３Ａが、車両長手方向に延びる左右の中空形材２１，２２で接続される構成となっている。なお、左側の中空形材２１は右側の中空形材２２と同様の構成とされているので、右側の中空形材２２について説明する。
【００２７】
前記中空形材２２は、断面形状において、基本的に、厚さ方向において曲げ変形が可能である外板部２２Ａと、内板部２２Ｂと、それら両板部２２Ａ，２２Ｂを結合する断面トラス状の連結部２２Ｃとを有する構成とされ、長手方向において同一の断面形状とされている。ここで、この中空形材２２（外板部２２Ａおよび内板部２２Ｂ）の曲率、外板部２２Ａおよび内板部２２Ｂの板厚、および連結部２２Ｃと外板部２２Ａとの連結部分のピッチなどにより剛性の調整がなされる。本例では、特に、中空形材２２の内部に設けられる断面トラス状の補強部２２Ｃを１対とすることにより、従来の構造（特許第２６６９５３５号）のように、剛性が高まるのを回避している
また、図４に詳細を示すように、外板部２２Ａと内板部２２Ｂとの両側縁を結合する側板部２２Ｄ，２２Ｅを有し、その側板部２２Ｄ，２２Ｅより屋根構体１１および側構体１３の外板１３Ａの内面側に接合されるフランジ部２２Ｆ，２２Ｇが一体に設けられている。
【００２８】
この外板部１３Ｂとフランジ部２２Ｇとの接合を妨げないように、構体フレーム１３の外側フランジ部１３Ｂａおよびウエブ部１３Ｂｂに切り欠き部１３Ｂｄが形成されている。
【００２９】
前記連結部２２Ｃは、前記内板部２２Ｂの上下縁部を前記外板部２２Ａの周方向のほぼ中間部位に連結する１対の連結板部２２Ｃａ，２２Ｃｂを有する。
【００３０】
このような構成の連結部２２Ｃ（連結板部２２Ｃａ，２２Ｃｂ）とすることで、気密荷重が作用したときに、外板部２２Ａおよび内板部２２Ｂが厚さ方向において曲げ変形し、その変形によって応力を緩和するようになっている。
【００３１】
すなわち、このような柔らかい中空形材２２を設けることで、前記側構体１３と屋根構体１１との接続部分の剛性を低減する構造とされている。また、前記内側フランジ部１３Ｂｃと前記中空形材２２の内板部２２Ｂとが、三角形状の補強板部材２５にて連結され、接続強度が確保され、前述した外板部２２Ａや内板部２２Ｂの曲げ変形が無理なく起こるようにされている。
【００３２】
同様に、屋根構体１１においても、外板１１Ａの内側に設けられる構体フレーム１１Ｂは、外板１１Ａに連結される外側フランジ部１１Ｂａと、この外側フランジ部１１Ｂａの一側縁に一側縁が連接され内方側（外側フランジ部１１Ｂａに直交する方向）に延びるウエブ部１１Ｂｂと、このウエブ部１１Ｂｂの他側縁に一側縁が連接され前記外側フランジ部１３ａと反対方向に平行に延びる内側（反外板側）フランジ部１１Ｂｃとを備える。そして、前記内側フランジ部１１Ｂｃと前記中空形材２２の内板部２２Ｂとが、三角板形状の補強板部材２６にて連結され、接続強度が確保されている。
【００３３】
前記中空形材２２のフランジ部２２Ｆ，２２Ｇと屋根構体１１および側構体１３の外板１１Ａ，１３Ａとを無理なく接続できるように、前記構体フレーム１１，１３には、切り欠き部１１Ｂｄ、１３Ｂｄが形成されている。
【００３４】
図５は本発明に係る鉄道車両用構体１に気密荷重が作用したときの前記中空形材２２の変形状態を示す説明図である。
（内圧負荷時）
図５（ａ）（ｂ）に示すように、内圧負荷が作用すると、中空形材２２（２１）に対し、Ｓ１，Ｓ２方向に曲げモーメントが作用するが、このとき、外板部２２Ａが、連結板部２２Ｃａ，２２Ｃｂが連結される部分を境として、その両側の部分が外方に膨らむように厚さ方向において曲げ変形するので、その部分に作用する発生応力が吸収緩和され、また、中空形材２２の長手方向において分散される。
（外圧負荷時）
図５（ａ）（ｃ）に示すように、外圧負荷が作用すると、中空形材２２（２１）に対し、内圧負荷時とは逆方向に、すなわちＳ３，Ｓ４方向に曲げモーメントが作用するので、このとき、内板部２２Ｂが、外方に膨らむように厚さ方向において曲げ変形し、同様に、その部分に作用する発生応力が緩和され、中空形材２２の長手方向において分散される。
【００３５】
このように、中空形材２２を側構体１３と屋根構体１１との接続部に設けることで、接続部分も含めて外板と構体フレームとによって側構体および屋根構体が構成される従来の構造に比べて、その接続部分が柔らかくなって剛性が低減され、中空形材２２（２１）の長手方向において応力が分散されることと相俟って、その接続部分に発生する応力が緩和される。
【００３６】
また、従来技術のように、中空形材の剛性を高くして変形を抑制して対処する構造ではないので、重量を増加させるおそれもない。
【００３７】
なお、従来の構造（特許第２６６９５６５号）のように中空形材１０１内に平板状の連結部１０２を設ける構造とすれば、図８（ａ）（ｂ）に示すように、Ｓ５，Ｓ６方向に曲げモーメントが作用し、図８（ｂ）に示すような菱形変形が生ずるのを抑制することができないが、連結部２２Ｃをトラス状としているので、菱形変形を抑制する一方、車体長手方向を軸とした回転方向の剛性を弱くすることで応力を緩和している。
【００３８】
上述したほか、本発明に係る鉄道車両用構体は、次のように構成することも可能である。
（１）前記中空形材２２の外板部や内板部に曲げ変形が起こると、中央部分になるほど大きく曲がり、その部分の発生応力が大きくなるので、それを回避するために、例えば図６（ａ）に示すように、中空形材２２’を構成する板要素３１（外板部や内板部の曲がる部分）を中央部分になるほど板厚が徐々に薄くなるようにして、曲げ変形に外板部２２Ａおよび内板部２２Ｂの連結部２２Ｃ、側板部２２Ｄ，２２Ｅとの接合部近傍の応力を緩和することも可能である。また、同様な目的で、図６（ｂ）に示すように、中空形材２２”を構成する板要素３２を中央部分になるほど板厚が徐々に薄くなるように階段状に形成することも可能である。
（２）前記実施の形態は、気密構体である新幹線や磁気浮上タイプの鉄道車両の構体に特に適するが、本発明は、それらに限らず、一般の鉄道車両に適用することも可能である。
【００３９】
【発明の効果】
この発明は、以上に説明したように実施され、以下に述べるような効果を奏する。
【００４０】
請求項１の発明は、前記中空形材を、外板部および内板部と、それら両板部を結合する断面トラス状の連結部とを有する構成としているので、断面トラス状の連結部の形状を適宜変更することで、側構体と屋根構体との接続部分の剛性を自在に調整する構造を簡単に得ることができる。また、前記連結部が、前記内板部の上下縁部を前記外板部の周方向のほぼ中間部位に連結する１対の連結板部を有するので、中空形材の外板部においては、連結部との連結部分を境として、内圧負荷時に外方に突出するように曲がる一方、内板部においては、外圧負荷時に外方に突出するように曲がるので、この曲げ変形によって、接続部分（コーナ部）に作用する曲げ応力を緩和することができる。
このように、箱形形状の構体を構成する側構体と屋根構体との間に、車体長手方向を軸とした回転方向の剛性を低減する中空形材を設けているので、接続部分も含めて外板と構体フレームとによって側構体および屋根構体が構成される従来の構造に比べて、側構体と屋根構体との接続部分の剛性を低減することができる。これにより、側構体と屋根構体との接続部分を柔らかくして、その部分に発生する応力を緩和することができる。
【００４３】
請求項２に記載のように、内側フランジ部と中空形材の内板部とを補強板部材にて連結すれば、内圧負荷時や外圧負荷時に、中空形材の内板部や外板部を適度に曲げ変形させて、接続部分（コーナ部）に作用する曲げ応力を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る鉄道車両用構体の一実施の形態を示す縦断面図である。
【図２】図１のＸ部拡大図である。
【図３】図２のＹ方向矢視図である。
【図４】前記鉄道車両用構体の屋根構体および側構体と、中空形材との関係を示す斜視図である。
【図５】（ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれ気密荷重の負荷時の中空形材の動きの説明図である。
【図６】（ａ）（ｂ）はそれぞれ外板部、内板部の板厚を変化させた実施例の説明図である。
【図７】従来構造の動作の説明図である。
【図８】（ａ）（ｂ）はそれぞれ従来構造の動作の説明図である。
【符号の説明】
１    鉄道車両用構体
１１    屋根構体
１１Ａ    外板
１１Ｂ    構体フレーム
１１Ｂａ    外側フランジ部
１１Ｂｂ    ウエブ部
１１Ｂｃ    内側フランジ部
１２，１３    側構体
１２Ａ，１３Ａ    外板
１２Ｂ，１３Ｂ    構体フレーム
１２Ｂａ    外側フランジ部
１２Ｂｂ    ウエブ部
１２Ｂｃ    内側フランジ部
２１，２２    中空形材
２２Ａ    外板部
２２Ｂ    内板部
２２Ｃ    連結部
２２Ｃａ，２２Ｃｂ    連結板部
２５，２６    補強板部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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