(57)【要約】【課題】合成樹脂材料製の部分と軽合金材料製の部分とを組み合わせて、製造される車両用構体において、合成樹脂材料製の部分に熱影響を及ぼすことなく、接合することを可能とする。【解決手段】連結部材２の上縁側の、外側フランジ部２ｄ及び内側フランジ部２ｅに、縁部材６の外板部６ａ及び内板部６ｂを突き合わせ、その突き合わせ部分で摩擦攪拌接合により一体に接合する。この突き合わせ部分は、外側部位については外側から、内側部位については内側から摩擦攪拌接合用の回転ツールを適用して行う。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
合成樹脂材料製の主体部の周縁に、軽合金材料製の縁部材が接着されて第１の構体部分が形成されており、その第１の構体部分の縁部材に第２の構体部分が接合されてなる車両用構体において、
第１の構体部分の縁部材に接合されるのは第２の構体部分の軽合金材料製の部分であり、
第１の構体部分の縁部材と第２の構体部分の軽合金材料製の部分とは突き合わされ、その突き合わせ部分で摩擦攪拌接合により接合されていることを特徴とする車両用構体。
【請求項２】
第１の構体部分の主体部は、いずれの部位も、摩擦攪拌接合による接合線から一定の距離以上離れている請求項１記載の車両用構体。
【請求項３】
車両は、鉄道車両であり、
第１の構体部分は、ほぼ平坦なパネル形状をしている屋根構体、側構体、妻構体、台枠又はそれらの一部を構成するパネルである請求項１又は２記載の車両用構体。
【請求項４】
車両は、高速鉄道車両であり、
第１の構体部分は、凹凸が大きい運転室部分である請求項１又は２記載の車両用構体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、合成樹脂材料製の部分と軽合金材料製の部分とを有する車両用構体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用構体の一つである鉄道車両用構体においては、鉄道車両の高速化に伴い、軌道への衝撃の増大、走行時に発生する騒音の増大、運転動力費の増大などの問題が生ずる。このような問題を解決するためには、鉄道車両用構体を軽量化することが必要である。
【０００３】
近年、軽量化のために、軽合金材料（例えば、アルミニウム合金）製の押し出し形材を採用しているが、押し出し形材自体の板厚を薄くするには技術的に限界があり、十分とはいえない。
【０００４】
そこで、各構体（側構体、妻構体、屋根構体、台枠など）を、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などの合成樹脂材料を用いて製造し、その製造された各構体を接着して、鉄道車両用構体とすることが考えられる。このような接着処理は、構体として必要な接着強度を得るためには、加熱炉内で、加圧状態で高温（例えば２００℃以上の温度）に加熱して行う必要がある。そのため、特に構体が大きい鉄道車両の場合には、鉄道車両用構体全体を炉内に収納するためにはかなり大きな加熱炉を作成しなければならず、設備が大型化する。また、接着処理という作業は、構体組立工場のような大型部品を組み立てる現場では、品質管理が困難である。これらの理由から、各構体を、合成樹脂材料を用いて製造することは、実用上問題がある。なお、このような接着処理が必要とされるのは、鉄道車両（特に新幹線）の場合には、気密荷重がかなり作用するため、かなりの接着強度が必要となり、常温での接着処理では接合強度が不十分となるからである。
【０００５】
また、構体の一部に炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などの合成樹脂材料を用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。そのような樹脂成型品（周囲には金属材料製の縁部材が一体に設けられている）を構成部材の１つとして採用する場合には、金属材料製の縁部材を金属材料製の構体部分にボルトやリベット等の機械的結合を用いて接合するのが一般的である。
【０００６】
しかしながら、このような機械的結合の場合には、接合作業に要する時間が多くかかるし、気密構造にするために、シーリングなどの２次作業が必要となる。ここで、気密構造にする必要があるのは、次の理由からである。鉄道車両の場合には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。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して乗客に不快感を与えないようにするために、構体構造を気密構造とする必要があるからである。
【０００７】
ところで、車両用構体として、主体部を繊維強化プラスチックなどの合成樹脂材料製とし、その外縁部を金属材料とした構体部分を、他の構体部分の金属材料製の部分と溶接（全周アーク溶接かつ気密溶接）により接合してなるものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。この場合、主体部を構成する合成樹脂材料が、外縁部の金属材料製の部分を挟み込むように接着されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−２０６８３号公報（第４頁〜第５頁、図４）
【特許文献２】
実開平５−２０９６８号公報（第２頁、図３〜図６）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
そのような構造においては、構体部分の接合手段として溶接を利用するため、例えば金属材料としてアルミニウム合金を用いる構体の場合には、アルミニウム合金を溶かすために温度が数百度になる。その溶接温度による熱影響によって合成樹脂材料製の部分が溶融するおそれがある。よって、形状を保持できず、一定の精度を確保するのが困難である。
【００１０】
この発明は、合成樹脂材料製の部分と軽合金材料製の部分とを組み合わせて、製造される車両用構体において、合成樹脂材料製の部分に熱影響を及ぼすことなく、構体部分を接合できることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、合成樹脂材料からなる主体部の周縁に、軽合金材料製の縁部材が接着されて第１の構体部分が形成されており、その第１の構体部分の縁部材に第２の構体部分が接合されてなる車両用構体において、第１の構体部分の縁部材に接合されるのは第２の構体部分の軽合金材料製の部分であり、第１の構体部分の縁部材と第２の構体部分の軽合金材料製の部分とは突き合わされ、その突き合わせ部分で摩擦攪拌接合により接合されていることを特徴とする。この発明は、摩擦攪拌接合による場合には、接合に要する温度が、アーク溶接による接合の場合の１／３程度になり、摩擦攪拌接合の接合線からあまり離れていない部分でも合成樹脂材料（第１の構体部分）の耐熱温度以下となることを利用したものである。すなわち、縁部材の幅を大きくする必要がなく大部分を合成樹脂材料とすることができるので、摩擦攪拌接合を接合手段に用いることは、特に必要な接合強度を確保して軽量化を達成するのに有利となる。また、主体部は、構造材として必要な強度を有する合成樹脂材料（繊維強化プラスチック）で成形されていればよく、発泡樹脂材料を外皮と内皮とで挟んだものであってもよいし、ハニカム構造を用いたものであってもよく、その主体部の構造については特に制限されない。
【００１２】
このようにすれば、第１の構体部分の縁部材を第２の構体部分の軽合金材料製の部分に接合するのに、摩擦攪拌接合が利用されるので、溶接する場合と同様に、気密性が確保される。それに加えて、溶接を利用する場合に比べて、接合に必要とされる温度（接合線での温度）は低くなるので、溶接の場合とは異なり、合成樹脂材料に対して熱影響を与えることなく接合される。また、接合部分から入力される熱量が少なく、熱変形もないので、高精度の構体となる。
【００１３】
特に、このような軽合金材料製の部分と合成樹脂材料の部分とを組み合わせて構体部分（構体の一部）を構成するようにすれば、わずかな周縁部のみが軽合金材料製となり残部（大部分）が合成樹脂材料製となるので、構体全体の重量が軽合金構体（例えばアルミ構体）の重量の１／３程度となり、大幅な軽量化が図れる。
【００１４】
また、車両用構体が、例えば新幹線の先頭車両のように複雑な形状をしており、軽合金では成形が困難な場合であっても、合成樹脂材料によれば成形が容易となるというメリットもある。
【００１５】
この場合、第１の構体部分の主体部は、いずれの部位も、摩擦攪拌接合による接合線から一定の距離以上離れていることが望ましい。ここで、「一定の距離」とは、摩擦攪拌接合部分を通じて入力される熱が熱伝導により主体部に作用しても、主体部の温度がその主体部（合成樹脂材料）の耐熱温度よりも低く維持される距離を意味し、構体（縁部材）の形状、厚さなどによって異なるものである。よって、この一定の距離だけ離れていれば、主体部（合成樹脂材料）が溶融（あるいは軟化）することはない。
【００１６】
このようにすれば、摩擦攪拌接合される際には、第１の構体部分の主体部は、いずれの部位も、摩擦攪拌接合による接合線から一定の距離以上離れているので、第１の構体部分の主体部に作用する温度が、その主体部の耐熱温度よりも低くなる。よって、その主体部への影響温度が低いので、合成樹脂材料（主体部）が溶融したり軟化したりすることもなく、精度よく製造される。
【００１７】
これらの場合、車両は、鉄道車両であり、第１の構体部分は、ほぼ平坦なパネル形状をしている屋根構体、側構体、妻構体、台枠又はそれらの一部を構成するパネルとすることができる。
【００１８】
このようにすれば、第１の構体部分は、合成樹脂材料からなる主体部の周縁に、軽合金材料製の縁部材が接着される際に、接着性能を高め必要な接合強度を得るために加熱炉に入れて、加熱加圧する必要があるが、ほぼ平坦なパネル形状であれば、比較的小さな加熱炉を準備すればよく（高さが低い加熱炉であればよく）、比較的容易に接着処理を施すことができる。
【００１９】
また、車両は、高速鉄道車両であり、第１の構体部分は、凹凸が大きい運転室部分とすることができる。
【００２０】
このようにすれば、高速鉄道車両の運転室部分は、空力抵抗の低減、微気圧波の低減などを理由として通常凹凸が大きく複雑な形状となるが、この部分を合成樹脂材料（主体部）で成形することにより、そのような複雑な形状であっても容易に成形することができる。
【００２１】
【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。
【００２２】
図１は本発明に係る実施の形態である車両用構体（鉄道車両用構体）の接合部分を示す説明図、図２は車両用構体（鉄道車両用構体）の接合位置を示す説明図である。
【００２３】
図１に示すように、屋根構体１（第１の構体部分）の側縁部に、車体長手方向に延びる連結部材２（第２の構体部分）を介して側構体３の上縁部が接合されて車両用構体４が形成されている。
【００２４】
屋根構体１は、ほぼ平坦なパネル形状をしており、合成樹脂材料（例えば炭素繊維強化プラスチックＣＦＲＰ）によって構成される主体部５の周縁に、アルミニウム合金（軽合金材料）製の縁部材６が接着により一体に成形されてなる。つまり、屋根構体１は、合成樹脂材料と軽合金材料とからなる、パネル状の複合材として形成されている。これにより、屋根構体１そのものの軽量化が図られ、車両用構体４全体の軽量化に寄与している。なお、本例においては、主体部５と縁部材６との接着処理に用いられる接着剤は、ポリアミド系の耐熱性接着剤（熱硬化性）であり、その接着剤による接着処理に要する温度は２００℃程度であり、炭素繊維強化プラスチック（主体部）の耐熱温度とほぼ同等の温度である。
【００２５】
ところで、このような接着処理は、前述したように、加熱炉内で、加圧状態で高温（例えば２００℃以程度）に加熱して行われるので、構体が大きい鉄道車両の場合には、構体全体を炉内に収納するためにはかなり大きな加熱炉を準備しなければならないが、ほぼ平坦なパネル形状であれば、そのような加熱炉を準備するのが比較的容易であることから、屋根構体１と残部構体９との結合に摩擦攪拌接合を利用しようとするものである。
【００２６】
主体部５は、硬質発泡プラスチック（例えばポリメタクリルイミドの発泡体）を芯材５ａとし、その周囲を被覆するように繊維強化プラスチック（例えば炭素繊維強化プラスチックＣＦＲＰ）からなる皮膜層５ｂ，５ｃが一体に設けられたサンドイッチ構造のプラスチック成形体で構成される。縁部材６は、アルミニウム合金製で、断面コ字形状に形成され、外側に位置する外板部６ａと、内側に位置する内板部６ｂと、それらを主体部５側で結合する縦板部６ｃとを有する。そして、この縦板部６ｃより少し離れて前記両板部６ａ，６ｂが連結板部６ｄにて連結されている。主体部５の皮膜層５ｂ，５ｃは、縁部材６の外板部６ａ及び内板部６ｂの表面上を、連結部６ｄ付近まで延び、これらを覆う構成されている。
【００２７】
前記連結部材２は、アルミニウム合金製の中空形材で形成され、外板部２ａと、内板部２ｂと、それらに対して傾斜してそれらを連結する連結板部２ｃとを有する。そして、前記連結部材２の上縁側において、外板ａ側に外側フランジ部２ｄが、内板２ｂ（反外板）側に内側フランジ部２ｅがそれぞれ、前記屋根構体１（縁部材６）の外板部６ａ及び内板部６ｂに位置及び厚さに対応している。また、下縁側においても、外側フランジ部２ｇ及び内側フランジ部２ｈが設けられている。また、連結部材２には、内装材７がブラケット８を介して取り付けられる取付部２ｍが設けられている。
【００２８】
前記連結部材２の上縁側の、外側フランジ部２ｄ及び内側フランジ部２ｅの端面に、縁部材５の外板部５ｂ及び内板部５ｃの端面が突き合わされ、その突き合わせ部分で摩擦攪拌接合により一体に接合されている。この突き合わせ部分は、外側部位と内側部位との２箇所にあるので、外側部位については外側から、内側部位については内側から摩擦攪拌接合用の回転ツール（図示せず）が適用されて接合が行われる。
【００２９】
この場合、摩擦攪拌接合により発生する熱の影響を、屋根構体１の主体部５（合成樹脂材料の部分）が影響を受けないように、摩擦攪拌接合による接合線Ｓから、合成樹脂材料の部分までの距離Ｌが一定の距離以上離れる構成とされている。
【００３０】
すなわち、前述した屋根構体１のような複合材構体を、別の構体に摩擦攪拌接合する場合において、複合材（合成樹脂材料が存在する部分）までの、接合線からの距離とその距離の部位での複合材の温度との関係を調べたところ、図３に示すように、摩擦攪拌接合による接合線Ｓから複合材（本実施の形態では主体部５）の部位までの距離Ｌが離れると、複合材の温度は非線形的に徐々に小さくなることがわかる。ここで、図３において、縦軸は温度で、摩擦攪拌接合による接合線Ｓでの温度を１．０とした場合の各部位の温度を指数表示している。
【００３１】
摩擦攪拌接合による接合線Ｓからの距離Ｌが一定の距離（本例では３０ｍｍ）を越えると、その部位の温度が接合線Ｓ付近の温度の半分以下となり、その部位に合成樹脂材料が含まれていても、摩擦攪拌接合により生ずる熱がその部位に対してほとんど熱影響を与えないようになる。よって、摩擦攪拌接合による接合線Ｓから、合成樹脂材料が含まれる部分までの距離Ｌを、本実施の形態では３０ｍｍ以上とすれば、摩擦攪拌接合により発生する熱の影響をほとんど受けることなく、摩擦攪拌接合を接合手段として利用することが可能となる。尚、この一定距離については、構体（縁部材）の形状、厚さ等によって異なるので、予め実験などにより測定して、マップを作成し、そのマップを見ることで、構体に応じて、前記一定の距離を直ちに決定できるようにすればよい。
【００３２】
側構体３も、外板部３ａと、内板部３ｂと、それらに対して傾斜してそれらを連結する連結板部３ｃとを有する。そして、上縁側に、前記連結部材２の下縁側の、外側フランジ部２ｇ及び内側フランジ部２ｈに接合される外側フランジ部３ｄ及び内側フランジ部３ｅが設けられている。
【００３３】
上述したほか、本発明に係る車両用構体は、次のように構成することも可能である。
（１）前記実施の形態においては、鉄道車両用構体について説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、他の車両、例えば乗用車、バス等にも適用することができる。
（２）前記実施の形態においては、縁部材は断面コ字形状であったが、本発明はそれに限定されるものではなく、例えば図３に示すように、縁部材１１を平板形状とすることも可能である。
【００３４】
この場合には、板状の縁部材１１の外面側及び内面側に主体部５の皮膜層５ｂ，５ｃが位置し、これに対応して、側構体３側の連結部材２’に設けられるフランジ部２ｎも１つだけであり、縁部材１１の下端縁と連結部材２’のフランジ部２ｎとの突き合わせ部分が摩擦攪拌接合により一体に接合される。
（３）前記実施の形態においては、第１の構体部分が屋根構体である例について説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、第１の構体部分を、ほぼ平坦なパネル形状をしている側構体としても、ほぼ平坦なパネル形状をしている台枠としてもよいし、あるいはそれらの一部を構成する、ほぼ平坦なパネル形状をしている単体パネルとしてもよい。このような単体パネルとすれば、その大きさを適宜変更することで、車両用構体のどの場所にも適用可能である。
【００３５】
例えば図４に示すように、第１の構体部分が妻構体２１である場合には、残部の構体２２に対し妻構体２１を車体長手方向に移動させて組み付けられ、周縁部において摩擦攪拌接合が行われる。図５に示すように、第１の構体部分が側構体２３である場合には、残部の構体２４（第２の構体部分）に対し側構体２３が側方から組み付けられ、周縁部において摩擦攪拌接合が行われる。
【００３６】
また、図６に示すように、第１の構体部分が、凹凸が大きい運転室部分２５である場合には、残部の構体２６に対し運転室部分２５を斜め上方から移動させ、周縁部において摩擦攪拌接合が行われる。このような運転室部分２５は金属材料で成形しにくいが、合成樹脂材料であれば、複雑な形状であっても、無理なく成形することができる。
（４）前記実施の形態においては、一方の構体が合成樹脂材料とアルミニウム合金とからなる複合材で構成され、他方の構体がアルミニウム合金からなるものであるが、本発明はそれに限定されるものではなく、他方の構体も、合成樹脂材料からなる主体部の周縁にアルミニウム合金製の縁部材が一体に成形された複合材で形成されるものであってもよい。
【００３７】
【発明の効果】
この発明は、第１の構体部分の縁部材に第２の構体部分の軽合金材料製の部分を接合する場合に、摩擦攪拌接合を利用するようにしているので、全体重量の軽量化が図れるほか、以下に述べるような効果を奏する。
（１）摩擦攪拌接合を用いているので、溶接を用いる場合に比べて、接合の際に入力される熱量は少なく、主体部（合成樹脂材料）に対して熱影響を与えることなく、接合することができる。よって、第１の構体部分の大部分を合成樹脂材料とすることができるので、必要な接合強度を確保して軽量化を達成するのに有利となる。
（２）また、摩擦攪拌接合を利用するので、入力される熱量が少なく、熱変形も生じないので、高精度の構体となる。
（３）第１の構体部分が、高速鉄道車両の運転室部分のように複雑な形状であっても、主体部を合成樹脂材料で形成するので、無理なく成形することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態である車両用構体（鉄道車両用構体）の接合部分を示す説明図である。
【図２】車両用構体（鉄道車両用構体）の接合位置を示す説明図である。
【図３】本実施の形態で用いる複合材料について、接合線からの距離と温度との関係を示す図である。
【図４】他の実施の形態についての図１と同様の図である。
【図５】車両用構体（鉄道車両用構体）の接合位置について、他の実施の形態を示す図２と同様の説明図である。
【図６】車両用構体（鉄道車両用構体）の接合位置について、他の実施の形態を示す図２と同様の説明図である。
【図７】車両用構体（鉄道車両用構体）の接合位置について、他の実施の形態を示す図２と同様の説明図である。
【符号の説明】
１　　屋根構体（第１の構体部分）
２　　連結部材（第２の構体部分）
３　　側構体
４　　車両用構体
５　　主体部
６　　縁部材
１１　　縁部材
２１　　妻構体（第１の構体部分）
２２，２４，２６　　残部の構体（第２の構体部分）
２３　　側構体（第１の構体部分）
２５　　運転室部分（第１の構体部分）
【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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