(57)【要約】【課題】簡単な製造工程で製造可能なダブルスキン構造の車両パネル構造体及びその製造方法を提供できる。【解決手段】互いに対向する一対の面板３１と、面板３１間に複数の中空部Ｓを形成する複数のリブ部３２とによって構成される一対のダブルスキン形材１２同士が接合されてなる車両パネル構造体１１であって、一対のダブルスキン形材１２の厚さは、１０〜４０ｍｍとなっており、一対のダブルスキン形材１２同士の突き合わせ部分に設けられた中実部２０を貫通するように摩擦撹拌接合部４０が設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する一対の面板と、前記面板間に複数の中空部を形成する複数のリブ部とによって構成される一対のダブルスキン形材同士が接合されてなる車両パネル構造体であって、
前記一対のダブルスキン形材の厚さは、１０〜４０ｍｍとなっており、
前記一対のダブルスキン形材同士の突き合わせ部分に設けられた中実部を貫通するように摩擦撹拌接合部が設けられている車両パネル構造体。
【請求項２】
前記複数のリブ部は、前記一対の面板に対して垂直に配置されている、請求項１に記載の車両パネル構造体。
【請求項３】
互いに対向する一対の面板と、前記面板間に複数の中空部を形成する複数のリブ部とによって構成される一対のダブルスキン形材同士が接合されてなる車両パネル構造体の製造方法であって、
前記一対のダブルスキン形材同士を突き合わせ、当該突き合わせ部分に中実部を形成する突き合わせ工程と、
前記突き合わせ部分に沿って摩擦撹拌接合を行い、前記中実部を貫通する摩擦撹拌接合部を形成する接合工程と、を有する車両パネル構造体の製造方法。
【請求項４】
前記一対のダブルスキン形材における突き合わせ部分には、互いに嵌合する凹凸部が設けられており、
前記突き合わせ工程において、前記一対のダブルスキン形材の前記凹凸部を互いに嵌合させることによって前記中実部を形成する、請求項３に記載の車両パネル構造体の製造方法。
【請求項５】
前記接合工程において、前記凹凸部における境界部分が前記摩擦撹拌接合部に含まれるように、前記摩擦撹拌接合が行われる、請求項４に記載の車両パネル構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両パネル構造体及び車両パネル構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一対の面板が複数のリブ部で接続された複数の押出し中空形材（以下、ダブルスキン形材という）を接合することで、車両パネル構造体を形成する手法が知られている。たとえば、特許文献１には、複数のダブルスキン形材が接合された車両パネル構造体を用いることで、ダブルスキン構造を有する鉄道車両構体を製造することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１９２９９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ダブルスキン形材では、一対の面板の間にリブ部によって形成された中空部が存在するため、例えば摩擦撹拌接合によって複数のダブルスキン形材における面板の端部同士を接合する際に、摩擦撹拌接合時に加わる荷重を支えるための構成が必要となっている。例えば特許文献１では、中空部を形成するリブ部とは別に摩擦撹拌接合時に加わる荷重を支えるためのリブ部が面板間に配置されている。そして、荷重を支えるためのリブ部の一方側と他方側とにおいてそれぞれ摩擦撹拌接合を行うことで、複数のダブルスキン形材同士の接合が実現されている。しかしながら、この従来の構成では、リブ部の一方側と他方側とを接合するために、それぞれの接合工程の間に複数のダブルスキン形材を反転する工程等が必要となる。このため、製造工程が煩雑になるという問題がある。
【０００５】
本発明は、簡単な製造工程で製造可能なダブルスキン構造の車両パネル構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面に係る車両パネル構造体は、互いに対向する一対の面板と、面板間に複数の中空部を形成する複数のリブ部とによって構成される一対のダブルスキン形材同士が接合されてなる車両パネル構造体であって、一対のダブルスキン形材の厚さは、１０〜４０ｍｍとなっており、一対のダブルスキン形材同士の突き合わせ部分に設けられた中実部を貫通するように摩擦撹拌接合部が設けられている。
【０００７】
この車両パネル構造体では、一対のダブルスキン形材の厚さが１０〜４０ｍｍであると共に、一対のダブルスキン形材同士の突き合わせ部分に設けられた中実部を貫通するように摩擦撹拌接合部が設けられている。このように、厚さを抑えたダブルスキン形材同士を突き合わせ、当該突き合わせ部分に中実部を設けることにより、一対のダブルスキン形材を一度の摩擦撹拌接合で接合することができる。これにより、ダブルスキン形材の接合にあたってダブルスキン形材を反転する工程等を省くことが可能となる。このため、当該車両パネル構造体は、ダブルスキン構造を有しながら、簡単な製造工程で製造できる。
【０００８】
複数のリブ部は、一対の面板に対して垂直に配置されていてもよい。このような構成を採用することにより、車両パネル構造体を所定形状に加工する場合に、任意の中空部の位置で切断することができる。したがって、例えば、開口フレームの取付位置において専用のリブ部を設ける必要がなくなり、製造コストの低減が図られる。
【０００９】
本発明の一側面に係る車両パネル構造体の製造方法は、互いに対向する一対の面板と、面板間に複数の中空部を形成する複数のリブ部とによって構成される一対のダブルスキン形材同士が接合されてなる車両パネル構造体の製造方法であって、一対のダブルスキン形材同士を突き合わせ、当該突き合わせ部分に中実部を形成する突き合わせ工程と、突き合わせ部分に沿って摩擦撹拌接合を行い、中実部を貫通する摩擦撹拌接合部を形成する接合工程と、を有する。
【００１０】
この車両パネル構造体の製造方法では、当該突き合わせ部分に中実部を形成し、突き合わせ部分に沿って摩擦撹拌接合を行い、中実部を貫通する摩擦撹拌接合部を形成する。このように、当該突き合わせ部分に中実部を形成することにより、一対のダブルスキン形材を一度の摩擦撹拌接合で接合することができる。これにより、ダブルスキン形材の接合にあたってダブルスキン形材を反転する工程等を省くことが可能となり、ダブルスキン構造の車両パネル構造体を簡単な製造工程で製造できる。
【００１１】
一対のダブルスキン形材における突き合わせ部分には、互いに嵌合する凹凸部が設けられており、上記突き合わせ工程において、一対のダブルスキン形材の凹凸部を互いに嵌合させることによって中実部を形成してもよい。この場合、凹凸部によって一対のダブルスキン形材の位置合わせが容易であり、突き合わせ工程の簡易化が図られている。
【００１２】
上記接合工程において、凹凸部における境界部分が摩擦撹拌接合部に含まれるように、摩擦撹拌接合が行われてもよい。この場合、突き合わせ工程の簡易化が図られていると共に、接合工程で得られる車両パネル構造体の剛性を十分に確保できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、簡単な製造工程で製造可能なダブルスキン構造の車両パネル構造体及びその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態に係る車両パネル構造体を適用した鉄道車両構体の一例を示す概略斜視図である。
【図２】図１に示した鉄道車両構体の側構体として用いられる車両パネル構造体の斜視図である。
【図３】図２の要部拡大断面図である。
【図４】車両パネル構造体の製造工程の一例に用いられるダブルスキン形材の要部拡大断面図である。
【図５】車両パネル構造体の製造工程の一例を示す図である。
【図６】車両パネル構造体の製造工程の一例を示す図である。
【図７】車両パネル構造体の製造工程の他の例に用いられるダブルスキン形材の要部拡大断面図である。
【図８】車両パネル構造体の製造工程の他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１６】
図１は、車両パネル構造体を有する鉄道車両構体の一例を示す概略斜視図である。鉄道車両構体１は、床構体２と、側構体３と、屋根構体４と、妻構体５とを備えている。これらの各構体が相互に接合されることにより、鉄道車両構体１は、乗客を収容する空間を内部に有する箱型形状をなしている。
【００１７】
床構体２は、車両の床部を構成する構体として鉄道車両構体１の底部に配置されている。床構体２の下部には、鉄道車両構体１を支持する一対の台車（不図示）が設置されている。側構体３及び妻構体５は、車両の側部を構成する構体として、床構体２の左右の縁部及び前後の縁部を囲むように立設されている。
【００１８】
側構体３には、乗客らが乗り降りするためのドア部６が等間隔に複数設けられている。また、ドア部６，６間と側構体３の両端部とには、窓部７がそれぞれ設けられている。側構体３は、例えば腰パネル、吹き寄せパネル、幕パネル、ドア上パネル等の各部位を形成する車両パネル構造体１１（図２参照）によって構成されている。
【００１９】
腰パネルは、窓部７と床構体２との間に位置するパネルであり、吹き寄せパネルは、ドア部６と窓部７との間、及び窓部７と妻構体５との間に位置するパネルである。幕パネルは、窓部７と屋根構体４との間に位置するパネルであり、ドア上パネルは、ドア部６と屋根構体４との間に位置するパネルである。
【００２０】
妻構体５は、乗客らが車両間を行き来するための出入口部８が設けられている。屋根構体４は、車両の屋根部を構成する構体として鉄道車両の構体の上部に空間に蓋をするように配置されている。車両の屋根構体４には、上部に車内の温度を調整するためのエアコンディショナー及びパンタグラフ（図示しない）などが設置されている。
【００２１】
次に、上述した側構体３を構成する車両パネル構造体１１について更に詳細に説明する。
【００２２】
図２は、図１に示した鉄道車両構体１の側構体３として用いられる車両パネル構造体の斜視図である。車両パネル構造体１１は、互いに接合された一対のダブルスキン形材１２によって構成されており、ダブルスキン構造を有している。接合された一対のダブルスキン形材１２は、互いに平行な主面１２ａ，１２ｂを有している。主面１２ａは側構体３の外側面を構成し、主面１２ｂは側構体３の内側面を構成する。車両パネル構造体１１は、３以上のダブルスキン形材１２が接合されることによって構成されていてもよい。
【００２３】
本実施形態において車両パネル構造体１１は、一対のダブルスキン形材１２の主面１２ｂに接合された柱部材１３も有しており、ダブルスキン構造とセミモノコック構造とが併用されている。柱部材１３は、ハット形状を有しており、一対のフランジ部１３ａを含んでいる。柱部材１３は、一対のフランジ部１３ａの溶接部１３ｂにおいて、スポット溶接によって主面１２ｂに接合されている。柱部材１３は、鉄道車両構体１への適用時において、側構体３の高さ方向に延在する。
【００２４】
柱部材１３は、例えば、ダブルスキン形材１２よりも強度が高い材料からなる。柱部材１３の材料としては、例えば７Ｎ０１等の高強度アルミ合金が挙げられる。柱部材１３は、ダブルスキン形材１２と同一の材料を用いて構成されていてもよい。柱部材１３の厚さは、例えば数ミリ程度となっている。
【００２５】
一対のダブルスキン形材１２は、互いに突き合わされて摩擦撹拌接合によって接合されている。摩擦撹拌接合は、回転ツールを回転させながらプローブ部を金属材等の材料に押し込み、摩擦熱で軟化させた母材同士を塑性流動により一体化させる固相接合方法である。摩擦撹拌接合では、アーク溶接及びレーザ溶接のような溶融溶接と比較して母材への入熱量が小さいので、高品質な継手を得ることが可能であり、融点の低いアルミニウム合金の接合に適している。
【００２６】
各ダブルスキン形材１２は、互いに対向する一対の面板３１と、一対の面板３１間に複数の中空部Ｓを形成する複数のリブ部３２とによって構成されている。各ダブルスキン形材１２の厚さは、１０〜４０ｍｍである。各ダブルスキン形材１２は、例えば６Ｎ０１等のアルミ合金からなる板材であり、例えば押出成形によって形成される。一対の面板３１は、互いに対向しており、各面板３１の厚さは例えば数ミリ程度である。
【００２７】
複数のリブ部３２は、一対の面板３１の対向方向（ダブルスキン形材１２の厚み方向）および一対のダブルスキン形材１２の突き合わせ方向に対して、直交する方向に平行に延在している。すなわち、複数のリブ部３２は、鉄道車両構体１の長手方向に平行に延在する。各リブ部３２の厚さは、例えば数ミリ程度である。複数のリブ部３２は、一対のダブルスキン形材１２の突き合わせ方向において所定間隔で平行に配列されている。各リブ部３２は、一対の面板３１に対して垂直に配置されている。したがって、複数のリブ部３２によって形成された中空部Ｓは、四角柱形状を有している。
【００２８】
一対のダブルスキン形材１２の突き合わせ部分には、中空部Ｓに挟まれた状態で中実部２０が設けられている。中実部２０は、一対のダブルスキン形材１２の端部が接合されている部分であり、中実部２０厚さは、上述したダブルスキン形材１２の厚さと同様である。中実部２０は、複数のリブ部３２と同様に、鉄道車両構体１の長手方向に平行に延在する。すなわち、各リブ部３２及び中実部２０は、柱部材１３が延在する方向に直交する方向に延在している。
【００２９】
本実施形態では、一対のダブルスキン形材１２の突き合わせ方向において、中実部２０の幅は、各中空部Ｓの幅よりも大きくなっている。これにより、摩擦撹拌接合時において、プローブ部に高い走査精度が要求されることを回避でき、中実部２０における摩擦撹拌接合の容易化が図られる。一方で、中実部２０の幅は、各中空部Ｓの幅以下であってもよい。この場合、車両パネル構造体１１の軽量化が図られる。
【００３０】
図３は、中実部２０付近の拡大断面図である。中実部２０には、中実部２０を貫通するように摩擦撹拌接合部４０が設けられている。具体的には、摩擦撹拌接合部４０は、中実部２０に対する摩擦撹拌接合によって形成された接合痕が現れている領域である。側構体３の外面側となる主面１２ａに現れる摩擦撹拌接合部４０の幅は、側構体３の内面側となる主面１２ｂに現れる幅よりも狭くなっている。摩擦撹拌接合部４０は、一対のダブルスキン形材１２の突き合わせ部分に沿って、鉄道車両構体１の長手方向に平行に延在する。摩擦撹拌接合部４０は、主面１２ａ側及び主面１２ｂ側において、グラインダ等によって研磨されていてもよい。
【００３１】
次に、図４〜図６を参照して、本実施形態に係る車両パネル構造体１１の製造工程について説明する。図４は、車両パネル構造体１１の製造工程の一例に用いられるダブルスキン形材の要部拡大断面図である。各ダブルスキン形材１２は、接合時に互いに突き合わされる端面４５を有している。一方のダブルスキン形材１２の端面４５には凹部４１が設けられ、他方のダブルスキン形材１２の端面４５には凸部４２が設けられている。これらの凹部４１と凸部４２とは、互いに嵌合する凹凸形状を有している。本実施形態において凹凸部４１，４２の断面は、各ダブルスキン形材１２の厚みを直径とする半円形状を有している。
【００３２】
車両パネル構造体１１の製造工程では、まず、図５に示されるように、凹部４１と凸部４２を互いの対向方向Ａに突き合わせる。この際、凹凸部４１，４２を互いに嵌合させることで、一対のダブルスキン形材１２の突き合わせ部分に中実部２０を形成する。次に、回転ツールを回転させながらプローブ部を中実部２０に押し込み、一対のダブルスキン形材１２の突き合わせ部分に沿ってプローブ部を走査することで摩擦撹拌接合を行う。摩擦撹拌接合では、回転ツールとダブルスキン形材１２との間で発生する摩擦熱による塑性流動によって、突き合わせ部分が接合される。
【００３３】
本実施形態では、図６に示されているように、回転ツール５０を回転させながら、回転ツール５０の先端に設けられているプローブ部５１を中実部２０に挿入する。この際、プローブ部５１の基端部を囲むショルダ部５２が一対のダブルスキン形材１２の一方の主面１２ｂに接触し、プローブ部５１が上記一方の主面１２ｂから他方の主面１２ａへ貫通する。次に、ダブルスキン形材１２に対して走査方向の反対側にプローブ部５１を傾斜した状態で、突き合わせ部分７０に挿入したプローブ部５１を回転させながら突き合わせ部分７０に沿って走査する。これによって、中実部２０を貫通する摩擦撹拌接合部４０が形成される。摩擦撹拌接合においてショルダ部５２が側構体３の内面側となる主面１２ｂに接触するため、側構体３の外面側となる主面１２ａにおける摩擦撹拌接合部４０の幅は、側構体３の内面側となる主面１２ｂにおける幅よりも狭くなる。接合工程の後に、主面１２ａ側及び主面１２ｂ側において、摩擦撹拌接合部４０をグラインダ等によって研磨してもよい。
【００３４】
本実施形態では、摩擦撹拌接合は、境界部分Ｂが摩擦撹拌接合部４０に含まれるように行われる。この場合、対向方向Ａにおける、凹凸部４１，４２における境界部分Ｂの幅（凹凸部４１，４２の幅）が、摩擦撹拌接合時において、プローブ部５１の直径よりも小さければ、境界部分Ｂが摩擦撹拌接合部４０に含まれやすい。凹凸部４１，４２における境界部分Ｂの幅がプローブ部５１の直径より大きい場合には、塑性流動によって境界部分Ｂが摩擦撹拌接合部４０に含まれるように摩擦撹拌接合が行われてもよい。
【００３５】
次に、互いに接合された一対のダブルスキン形材１２の一方の主面１２ｂ側に、柱部材１３を接合する。具体的には、柱部材１３は、複数のリブ部３２等が延在する方向と直交する方向に延在した状態で、面板３１に対してスポット溶接される。
【００３６】
以上説明したように、車両パネル構造体１１では、一対のダブルスキン形材１２の厚さが１０〜４０ｍｍであると共に、一対のダブルスキン形材１２同士の突き合わせ部分に設けられた中実部２０を貫通するように摩擦撹拌接合部４０が設けられている。このように、厚さを抑えたダブルスキン形材１２同士を突き合わせ、当該突き合わせ部分に中実部２０を設けることにより、一対のダブルスキン形材１２を一度の摩擦撹拌接合で接合することができる。これにより、ダブルスキン形材１２の接合にあたってダブルスキン形材を反転する工程等を省くことが可能となる。このため、車両パネル構造体１１は、ダブルスキン構造を有しながら、簡単な製造工程で製造できる。
【００３７】
一対の面板３１の一方の主面１２ｂに柱部材１３を接合することで、ダブルスキン構造とセミモノコック構造とが併用されている。一対のダブルスキン形材１２の厚さは、１０〜４０ｍｍである。ダブルスキン形材１２の厚さが４０ｍｍ以下であるため、安価かつ軽量であると共に、突き合わせ部分に設けられた中実部２０を貫通するように摩擦撹拌接合部４０を有する構造を実現できる。ダブルスキン形材１２の厚さが１０ｍｍ以上であるため、摩擦撹拌接合において歪みが少ない構造を実現できる。したがって、簡単な製造工程で、安価かつ軽量であると共に、ダブルスキン構造とセミモノコック構造を併用した高い剛性を有する構造を実現できる。
【００３８】
複数のリブ部３２は、一対の面板３１に対して垂直に配置されている。このような構成を採用することにより、車両パネル構造体１１を所定形状に加工する場合に、任意の中空部の位置で切断することができる。したがって、例えば、開口フレームの取付位置において専用のリブ部を設ける必要がなくなり、製造コストの低減が図られる。
【００３９】
車両パネル構造体１１の製造方法では、当該突き合わせ部分に中実部２０を形成し、突き合わせ部分に沿って摩擦撹拌接合を行い、中実部２０を貫通する摩擦撹拌接合部４０を形成する。このように、当該突き合わせ部分に中実部２０を形成することにより、一対のダブルスキン形材１２を一度の摩擦撹拌接合で接合することができる。これにより、ダブルスキン形材１２の接合にあたってダブルスキン形材１２を反転する工程等を省くことが可能となり、ダブルスキン構造の車両パネル構造体１１を簡単な製造工程で製造できる。
【００４０】
一対のダブルスキン形材１２における突き合わせ部分には、互いに嵌合する凹凸部４１，４２を設けており、上記突き合わせ工程において、一対のダブルスキン形材１２の凹凸部４１，４２を互いに嵌合させることによって中実部２０を形成する。このため、凹凸部４１，４２によって一対のダブルスキン形材１２の位置合わせが容易であり、突き合わせ工程の簡易化が図られている。
【００４１】
凹凸部４１，４２における境界部分Ｂが摩擦撹拌接合部４０に含まれるように、摩擦撹拌接合が行われている。このため、突き合わせ工程の簡易化が図られていると共に、製造される車両パネル構造体１１の剛性を十分に確保できる。
【００４２】
次に、図７及び図８を参照して、本実施形態の変形例に係る車両パネル構造体の製造工程について説明する。
【００４３】
図７は、本変形例に係る車両パネル構造体の製造工程に用いられるダブルスキン形材の要部拡大断面図である。各ダブルスキン形材１２は、接合時に互いに突き合わされる端面４５を有している。一方のダブルスキン形材１２の端面４５には凹部７１が設けられ、他方のダブルスキン形材１２の端面４５には凸部７２が設けられている。これらの凹部７１と凸部７２とは、互いに嵌合する凹凸形状を有している。本変形例において凹凸部７１，７２の断面は、ダブルスキン形材１２の厚み方向に延在する平面と各ダブルスキン形材１２の厚みよりも小さい直径の半円とからなる形状を有している。
【００４４】
製造工程では、図８に示されるように、凹部７１と凸部７２を互いの対向方向Ａに突き合わせる。この際、凹凸部７１，７２を互いに嵌合させることで、一対のダブルスキン形材１２の突き合わせ部分に中実部２０を形成する。次に、図６に示されているように、回転ツールを回転させながらプローブ部を中実部２０に押し込み、一対のダブルスキン形材１２の突き合わせ部分に沿って摩擦撹拌接合を行う。
【００４５】
本変形例において、凹凸部７１，７２の断面形状は、平面を含んでいるため、半円の中心を軸とする回転ズレが防止されている。すなわち、凹凸部７１，７２によって一対のダブルスキン形材１２の位置合わせが更に容易であり、突き合わせ工程の簡易化が図られている。
【００４６】
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【００４７】
例えば、プローブ部５１が中実部２０を貫通せずに摩擦撹拌接合が行われても、塑性流動によって摩擦撹拌接合部４０が一方の主面１２ｂから他方の主面１２ａに達していればよい。各ダブルスキン形材１２の端面４５における凹凸部の形状は、互いに嵌合する形状であれば上述した形状に限定されない。
【符号の説明】
【００４８】
１１…車両パネル構造体、１２…ダブルスキン形材、２０…中実部、３１…面板、３２…リブ部、４０…摩擦撹拌接合部、４１，７１…凹部、４２，７２…凸部、Ｂ…境界部分、Ｓ…中空部。
【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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