(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二枚の面板を複数のリブで接続したトラス構造を有す中空形材であって、一方の面板の端部は他方の面板の端部よりも該中空形材の端部側に突出しており、前記一方の面板の端部と他方の面板の端部とを接続する第１のリブと、前記一方の面板の途中と前記他方の面板の端部を接続する第２のリブを有してトラスを形成する第１の中空形材を準備し、
二枚の面板を複数のリブで接続したトラス構造を有す中空形材であって、一方の面板の端部は他方の面板の端部よりも該中空形材の端部側に突出しており、前記一方の面板の端部と他方の面板の端部とを接続する第１のリブと、前記一方の面板の途中と前記他方の面板の端部を接続する前記第１の中空形材の前記第２のリブに平行な第２のリブを有してトラスを形成する第２の中空形材を準備し、
前記第１の中空形材の前記一方の面板の端部を前記第２の中空形材の前記他方の面板の端部に接合するとともに、前記第１の中空形材の前記他方の面板の端部を前記第２の中空形材の前記一方の面板の端部に接合すること、
を特徴とする構造体の製作方法。
【請求項２】
二枚の面板を複数のリブで接続したトラス構造を有す中空形材であって、一方の面板の端部は他方の面板の端部よりも該中空形材の端部側に突出しており、前記一方の面板の端部と他方の面板の端部とを接続する第１のリブと、前記一方の面板の途中と前記他方の面板の端部を接続する第２のリブを有してトラスを形成する第１の中空形材と、
二枚の面板を複数のリブで接続したトラス構造を有す中空形材であって、一方の面板の端部は他方の面板の端部よりも該中空形材の端部側に突出しており、前記一方の面板の端部と他方の面板の端部とを接続する第１のリブと、前記一方の面板の途中と前記他方の面板の端部を接続する前記第１の中空形材の前記第２のリブに平行な第２のリブを有してトラスを形成する第２の中空形材を備えており、
前記第１の中空形材の前記一方の面板の端部を前記第２の中空形材の前記他方の面板の端部に接合するとともに、前記第１の中空形材の前記他方の面板の端部を前記第２の中空形材の前記一方の面板の端部に接合している、
ことを特徴とする構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は中空形材による構造体およびその製作方法に関するものである。例えば、鉄道車両や建築物等に使用されるアルミニウム合金製の中空の押し出し形材による構造体の製作に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
摩擦攪拌接合方法は、接合部に挿入した丸棒（回転工具という。）を回転させながら接合線に沿って移動させ、接合部を発熱、軟化させ、塑性流動させ、固相接合する方法である。回転工具は、接合部に挿入する小径部と、外部に位置する大径部とからなる。小径部と大径部は同軸である。小径部と大径部との境は接合部に若干挿入されている。これは特開平０９−３０９１６４号公報（ＥＰ０７９７０４３Ａ２）に示されている。
【０００３】
この文献の図９には中空の押し出し形材の二面の接合を一方の面から行うことが示されている。また、中空形材の変形を防止する継ぎ手が示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
摩擦攪拌接合がアーク溶接と異なる点は、回転工具の挿入によって被接合部材に大きな荷重が作用することである。この荷重は主として回転工具の挿入方向（軸心の方向）に作用する。つまり、回転工具の挿入力が被接合部材に作用する。
中空の押し出し形材を摩擦攪拌接合する場合、面板や二枚の平行な面板を接続するリブに対して前記挿入力が作用し、中空形材が変形する。このことから、継ぎ手部の変形を防止する構造が必要がある。
【０００５】
この変形防止手段が前記特開平９−３０９１６４号公報（ＥＰ０７９７０４３Ａ２）に示されている。これは接合部に、二枚の面板を接合する垂直な板（縦リブという。）を設けたものである。縦リブは回転工具の軸心の延長線上にある。縦リブは二枚の面板を接続するリブの一つである。縦リブには大きな荷重が集中的に作用するために、板厚を大きくする必要がある。このため、継ぎ手の軽量化には限界がある。
【０００６】
また、この縦リブを別の観点から検討する。中空形材に面外曲げ力が作用した場合、全体の剛性に支配的な部位はリブであることが知られている。面外曲げ力に対して剛性を向上させるためには、せん断力の主応力方向である面板に対して４５度の向きにリブを一致して配置することが望ましい。しかし、二枚の面板に垂直な縦リブは強度部材としてはほとんど寄与しない。
【０００７】
以上より、縦リブは、構造体を強度部材として用いる際に剛性の向上にほとんど寄与しないにも関わらず、摩擦攪拌接合時の挿入力を支持するために板厚を大きくする必要があるので、継ぎ手の軽量化を困難にしている。
【０００８】
本発明の目的は、軽量かつ高剛性な構造体を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、二枚の面板を複数のリブで接続したトラス構造を有す中空形材であって、一方の面板の端部は他方の面板の端部よりも該中空形材の端部側に突出しており、前記一方の面板の端部と他方の面板の端部とを接続する第１のリブと、前記一方の面板の途中と前記他方の面板の端部を接続する第２のリブを有してトラスを形成する第１の中空形材を準備し、二枚の面板を複数のリブで接続したトラス構造を有す中空形材であって、一方の面板の端部は他方の面板の端部よりも該中空形材の端部側に突出しており、前記一方の面板の端部と他方の面板の端部とを接続する第１のリブと、前記一方の面板の途中と前記他方の面板の端部を接続する前記第１の中空形材の前記第２のリブに平行な第２のリブを有してトラスを形成する第２の中空形材を準備し、前記第１の中空形材の前記一方の面板の端部を前記第２の中空形材の前記他方の面板の端部に接合するとともに、前記第１の中空形材の前記他方の面板の端部を前記第２の中空形材の前記一方の面板の端部に接合すること、によって達成できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図１から図３により説明する。車体２００は、側面を構成する側構体２０１、屋根を構成する屋根構体２０２、床を構成する台枠２０３、長手方向の端部を構成する妻構体２０４からなる。側構体２０１、屋根構体２０２、台枠２０３は、それぞれ複数の押し出し形材を接合して構成している。押し出し形材の長手方向を車体の長手方向にしている。押し出し形材はアルミニウム合金製の中空形材である。
【００１１】
側構体２０１を構成する中空形材１０、２０の構成および接合方法について説明する。他の箇所、他の構体も同様である。
【００１２】
中空形材１０、２０は二枚の面板１１、１２、２１、２２とトラス状に配置した複数のリブ１３、２３からなる。二枚の面板１１、１２（２１、２２）は実質的に平行である。リブ１３、２３によるトラスのピッチは同一である。トラスはリブ１３、２３、面板１１、１２、２１、２２の板厚の中心線によって構成される。頂点は面板１１、１２、２１、２２側にある。頂点を黒丸で示している。
【００１３】
車内側のトラスの頂点付近には機器を取り付けるためのレール１９、２９を一体に設けている。レール１９、２９はＬ状の２つの部材からなる。レールは内装板や椅子等の機器の取り付け座になる。
【００１４】
中空形材１０、２０の接合部の構成を説明する。中空形材の１０の端部にはトラスの一辺を構成するリブ１３Ａがある。面板１２の端部は面板１１の端部よりも端部側（隣接する中空形材２０側）に突出している。端部のリブ１３Ａは面板１１の端部と面板１２の端部とを接続している。面板１１の端部と面板１２とを接続するリブ１３Ｂがある。リブ１３Ａ、１３Ｂによって２等辺３角形のトラスを構成している。他のトラスも２等辺３角形のトラスである。
【００１５】
中空形材２０の面板２１の端部は面板２２の端部よりも端部側（隣接する中空形材１０側）に突出している。面板２１の端部と面板２２の端部とを接続するリブはない。
【００１６】
面板２１の端部の内側はリブ１３Ａから突出させた座１７に重なっている。座１７はリブ１３Ａ、１３Ｂの交点付近のリブ１３Ａに設けている。面板１２の端部の内側は、面板２２の端部から突出させた座２７に重なっている。
【００１７】
二つの中空形材１０、２０を突き合わせたとき、リブ２３Ｂ、１３Ａ、および面板２１によって、２等辺３角形のトラスが構成される。このトラスの大きさは他のトラスの大きさと同一である。他のトラスも２等辺３角形である。
【００１８】
突き合わせ部の外面側には凸部１５、２５、１６、２６を設けている。凸部１５、２５、１６、２６の高さ、幅は同一である。この突き合わせ部を摩擦攪拌接合している。リブ１３Ａ、１３Ｂ、２３Ｂの板厚は他の箇所のリブ１３、２３の板厚よりも厚い。突き合わせ面はリブ１３Ａ、１３Ｂ、２３Ｂ、面板１２、２２によるトラスの頂点の鉛直線（面板の法線に沿った線）上にある。回転工具２５０の位置の精度から実務的にはトラスの頂点の近傍の鉛直線上に回転工具２５０の軸心が位置する。
【００１９】
中空形材１０、２０は面板１２、２２を下方にしてベッド２４０に載っている。上方から回転工具２５０を接合部に挿入して摩擦攪拌接合をする。
【００２０】
凸部１５、２５、１６、２６の突き合わせ面１５ｂ、２６ｂは面板１１、２２に対して垂直である。これに対応する部材に突き合わせ面も垂直である。垂直面１５ｂ、２６ｂと座１７、２７の上面とによって凹部を構成している。この凹部は面板１１、２２に沿った面および中空形材１０、２０の端部側に開口している。
【００２１】
突き合わせ面１５ｂ、２６ｂは面板１１、１２、２１、２２に直交している。つまり、面板の法線に沿っている。突き合わせ面１５ｂ、２６ｂは中空形材１０、２０の厚さ方向に沿っている。
【００２２】
突き合わせ面１５ｂ、２６ｂの位置はトラスの頂点を通る法線よりも中空形材１０、２０の他端側に位置している。突き合わせ面１５ｂ、２６ｂがトラスの頂点を通る法線上にある場合であって、他方の面板２１、１２の端部が短い場合（許容誤差内である。）、回転工具２５０の挿入位置は他方の面板側に寄るためである。この場合、寄った側のリブの荷重が過大になる可能性がある。２つの凸部１５、２５（１６、２６）の幅を検出して、その中心に回転工具２５０の軸心を一致させる。
【００２３】
この構造体の製作方法を説明する。中空形材１０、２０はベッド２４０に載せられ、固定されている。面板１１、２１（１２、２２）の端部の突き合わせ部は接触しているか近接している。上面側の面板１１、２１の突き合わせ部の凸部１５、２５を上方からアーク溶接によって仮止めする。仮止め溶接は間欠的である。
【００２４】
凸部１６、２６はベッド２４０に載っている。リブ２３Ｂと面板２２との交点の近傍もベッド２４０に載っている。
【００２５】
この状態において、摩擦攪拌接合装置の回転工具２５０を上方から凸部１５、２５の突き合わせ部に挿入した状態で、接合線に沿って移動させ、摩擦攪拌接合する。回転工具２５０の軸心は鉛直方向である。ただし、回転工具２５０の進行方向に対しては軸心は公知のように傾斜している。２つの凸部１５、２５の幅を検出してその中心に回転工具２５０の軸心を位置させる。
【００２６】
回転工具２５０は大径部２５２とその先端の小径部２５１とからなる。小径部２５１の先端は座１７の上面よりも深く挿入している。大径部２５２の下端は凸部１５、２５の頂と面板１１、２１の外面との間に位置している。大径部２５２の径は２つの凸部１５、２５からなる幅よりも小さい。小径部２５１はねじである。
【００２７】
この摩擦攪拌接合によって、面板１１、２１の突き合わせ部の隙間は埋められて、接合される。
【００２８】
次に、この構造体を反転させてベッド２４０に載せる。凸部１６、２６の上方からアーク溶接で仮止めする。次に、凸部１６、２６の上方から回転工具２５０で摩擦攪拌接合する。摩擦攪拌接合は前記と同様である。
【００２９】
最後に、車体の外面側の凸部を切削して面板と同一面にする。
【００３０】
これによれば、回転工具２５０の軸心は２つのリブ１３Ａ、１３Ｂ（１３Ａ、２３Ｂ）によるトラスの頂点またはその近傍を通る鉛直線上にある。接合の際の挿入力は、回転工具２５０の軸心に向けて配置した２つのリブ１３Ａ、１３Ｂ（１３Ａ、２３Ｂ）によって支えられる。このため、リブ１３Ａ、１３Ｂ、２３Ｂの曲がりを抑制できる。１３Ａ、１３Ｂ、２３Ｂの板厚を薄くでき、軽量にできるものである。もちろん面板１１、２１の曲がりも抑制できる。リブ１３Ａ、１３Ｂ、２３Ｂの板厚は他のリブ１３、２３の板厚よりも厚い。
【００３１】
リブ１３Ａ、１３Ｂ、２３Ｂを支えるベッド２４０があるので、面板の曲がりも防止できる。
【００３２】
また、接合後、構造体として用いる場合を考えると、実質的にすべてをトラス構造で構成したことになる。このため、面外曲げ剛性が向上し、軽量にできるものである。
【００３３】
２つのリブ１３Ａ、１３Ｂ（１３Ａ、２３Ｂ）による頂点は面板１１、２１よりも外面側にあってもよい。
【００３４】
上記実施例の接合は摩擦攪拌接合で行っているが、いずれか一方の接合または双方の接合をアーク溶接で行ってもよい。アーク溶接する場合は、接合時の荷重がないので、リブ１３Ａ、１３Ｂ、２３Ｂを薄くできるであろう。
【００３５】
突出座２７の上面、座１７の下面は傾斜していてもよい。
【００３６】
上記実施例は面板１１、１２、２１、２２が平行であったが、一方の面板が他方の面板に対して傾斜している場合にも対応できるものである。
【００３７】
図４は、接合部の面板の法線が傾斜している場合である。中空形材１０の一端は水平である。中空形材１０、２０はベッド２４０に載っている。これは側構体２０１の端部の接合線に生じ易い。この場合の回転体の軸心は面板の法線に沿っている。この法線はトラスの頂点の近傍を通る。矢印は回転工具２５０の位置と方向を示す。
【００３８】
図５の実施例を説明する。中空形材２０はブロック状の部材３０である。部材３０は中空か否かを問わない。他は図１の実施例に同様である。部材３０が中空形材のとき、座２７は凸部２６と面板２１とを接続するリブに設ける。このリブは面板１１に実質的に直交（面板の法線に沿っている）している。面板２１は面板１１の延長線上に実質的に沿っている。
【００３９】
図６の実施例を説明する。図１の中空形材２０は面板２１の端部と面板２２の端部とを接続するリブがない。一方、面板の端部には凸部２５、２６がある。このため、凸部２５の製作が困難である。図６の実施例はこれを改善することを目的とするものである。面板２１の端部と面板２２の端部とを接続するリブ２３Ａがある。リブ２３Ａ、２３Ｂ、面板２１によって２等辺３角形を構成している。これによれば２本のリブで挿入力を支える。リブ１３Ａ、１３Ｂ、２３Ａ、２３Ｂの板厚を薄くできる。中空形材２０を製作後、リブ２３Ａを除き、その後、図１のように摩擦攪拌接合することもできる。
【００４０】
図７の実施例は、リブ２３Ａを中空形材の端部に近接して設けている。リブ２３Ａの中心線とリブ１３Ｂの中心線とから２等辺３角形を構成している。両者の中心線の交点を通る鉛直線上に回転工具２５０の軸心がある。これによれば、挿入力を３本のリブでより支えることができる。
【００４１】
図８の実施例は、回転工具２５０の挿入位置を２つの交点の間にしたものである。
【００４２】
本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の各請求項に記載の文言あるいは課題を解決するための手段の項に記載の文言に限定されず、当業者がそれから容易に置き換えられる範囲にも及ぶものである。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、二枚の面板を接続する２つのリブによるトラスの頂点の近傍を接合部として接合するので、軽量かつ高剛性な構造体を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の接合部の要部の縦断面図。
【図２】本発明の一実施例の一組の中空形材の縦断面図。
【図３】鉄道車両の車体の斜視図。
【図４】本発明の他の実施例の要部の縦断面図。
【図５】本発明の他の実施例の要部の縦断面図。
【図６】本発明の他の実施例の要部の縦断面図。
【図７】本発明の他の実施例の要部の縦断面図。
【図８】本発明の他の実施例の要部の縦断面図。
【符号の説明】
１０、２０  中空形材
１１、１２、２１、２２  面板
１３、１３Ａ、１３Ｂ、２３、２３Ａ、２３Ｂ  リブ
１７、２７  座
２０１  側構体
２０２  屋根構体
２０３  台枠
２４０  ベッド
２５０  回転工具
【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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