JP2003095090A

JP2003095090A - 軌条車両

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Publication number: JP2003095090A
Application number: JP2001290529A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Nakamura; 英之中村; Sumio Okuno; 澄生奥野; Toshiaki Makino; 俊昭牧野; Toshiaki Sagawa; 年旦佐川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-09-25
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2021-09-25
Also published as: CN1410305A; US20030056684A1; US6722285B2; KR100496486B1; JP3725057B2; EP1295773A1; KR20030026216A

Abstract

(57)【要約】【課題】衝撃エネルギーを吸収できる軌条車両を提供す
る。【解決手段】中空形材４０からなる軌条車両の車体にお
いて、台枠３０の端部を構成する中空形材４０には焼き
なまし処理した中空形材を用いる。中空形材４０はその
長手方向を車体の長手方向としている。台枠３０は複数
の中空形材４０を幅方向に並べ、摩擦攪拌接合によって
接合している。衝撃荷重がかかると、端部の中空形材４
０は蛇腹状に変形し、衝撃力を吸収する。このとき、摩
擦攪拌接合部にも衝撃力がかかるが、摩擦攪拌接合であ
るので、亀裂が発生せず、中空形材が蛇腹状に変形する
のを阻害しない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、軌条に沿って走行
する車両の車体に係り、軽合金製中空形材によって構成
される鉄道車体に好適である。

【０００２】

【従来の技術】鉄道車両において、衝突の際、乗客に加
わる衝撃力を緩和することが求められている。特開平７
−１８６９５１号（ＵＳＰ５７１５７５７）のように、
先頭の車体の先頭部に衝突時の衝撃によって生成するエ
ネルギーをその変形によって吸収するようにしている。

【０００３】鉄道車両は複数の部材を溶接して構成して
いる。前記衝撃吸収部分も同様である。

【０００４】部材を接合する手段として、摩擦攪拌接合
が提案され、鉄道車両にも適用されている。これは特許
第３０１４６５４号（ＥＰ０７９７０４３Ａ２）に示さ
れている。

【０００５】特開平１１−５１１０３号によれば、部材
に対して摩擦攪拌処理を行うと、摩擦攪拌処理の部分の
金属組織が微細になり、エネルギー吸収値が高くなるこ
とが報告されている。

【０００６】これはアルミニウム合金の中空の押出し材
に対して、輪状またはらせん状に摩擦攪拌処理して、自
動車のステアリング用シャフトに用いている。衝撃エネ
ルギーの方向に対して直角方向に摩擦攪拌処理されてお
り、この部分で衝撃エネルギーを吸収する。また、長さ
の短い筒を衝撃エネルギーの方向に沿って直列に配置
し、部材同士を摩擦攪拌接合して構成している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】衝撃エネルギーの吸収
部分は車体に設けるので、乗客スペースの確保の点から
衝突エネルギーの吸収部分の長さは短いほうがよい。こ
のため、元来、車体に存在する部分を衝撃エネルギーの
吸収部分とすることが望ましい。

【０００８】衝撃エネルギーの吸収部分は複数の部材を
接合して構成される。このため、接合部分にも衝撃エネ
ルギーがかかる。衝撃エネルギーの吸収は部材が蛇腹状
に変形することによって大きなエネルギーを吸収でき
る。しかし、溶接した部分は衝撃エネルギーに対して弱
く、破断しやすい。破断すると、部材が蛇腹状に変形し
なくなり、衝撃エネルギーを吸収できなくなる。

【０００９】本発明は、衝撃エネルギーを吸収できる軌
条車両を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、車体の長手
方向の端部に、衝撃エネルギー吸収部材があり、該衝撃
エネルギー吸収部材は、衝撃エネルギーによって蛇腹状
に円形して衝撃エネルギーを吸収するものであり、該衝
撃エネルギー吸収部材は複数の部材を接合したものであ
り、前記複数の部材は前記車体の長手方向に沿ってお
り、前記複数の部材同士は摩擦攪拌接合に沿って接合し
ていること、によって達成できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の一実施例を図１〜図１０
により説明する。図２において、中空形材４０を示して
いない。しかし、複数の中空形材４０があることを想定
して、該中空形材４０の下方の部材３５，３６，３８を
点線で示している。

【００１２】車体は、側面を構成する側構体１０，屋根
構体２０，床を構成する台枠３０等から構成している。
側構体１０，屋根構体２０，台枠３０はそれぞれ複数の
中空形材を接合して構成している。中空形材は軽合金
（例えば、アルミニウム合金）製の押出し形材で、その
押出し方向（すなわち、長手方向）を車体の長手方向に
向けている。中空形材の幅方向を車体の周方向に並べ、
溶接して一体にしている。Ｗは窓である。この車体は２
つの台車で支持されている。１つの車体と隣接する車体
とは連結器で連結されている。

【００１３】台枠３０は、床部分と、その両側の側梁３
１と、連結器を結合するための連結部材と、からなる。
床部分は、押出し方向を車体の長手方向に向けた複数の
中空形材４０からなる。幅方向の両側には中空形材の側
梁３１がある。側梁３１は大きく、その板厚が厚く，強
固である。

【００１４】また、台枠３０は、長手方向の両端の下面
に、車体相互間を連結する連結器を結合するための連結
部材を有する。連結部材は、車体の幅方向に向けた枕梁
３５と、枕梁３５から車体の端部に設置した２つの中梁
３６，３６と、中梁３６の端部に設置した端梁３９とか
らなる。２つの中梁３６，３６は部材３８で連結してい
る。中梁３６は車体の幅方向において中央付近にある。
２つの中梁３６，３６の間に車体相互間を連結する連結
器が配置される。連結器は部材３８よりも端部側に連結
されるので、この部分の中梁３６，３６の高さは大きく
なっている。これら部材の相互間は溶接で接合されてい
る。枕梁３５の両端は側梁３１，３１に溶接している。
端梁３９は複数の中空形材４０の端部に溶接している。
端梁３９の両端は側梁３１の側面に溶接している。

【００１５】車体を構成する一対の側構体１０，屋根構
体２０，台枠３０の長手方向の両端部の中空形材（図
１，図２の斜線部）Ｂは、車体の中央部の中空形材Ａと
は機械的性質が異なる。中空形材Ｂは材料として中空形
材Ａの材料よりも柔らかく，衝突時に潰れやすく，衝撃
エネルギー吸収部分になっている。中空形材Ａ，Ｂの断
面形状は同一である。前記両端すなわち中空形材Ｂが設
置される部分は、運転室の運転機器（運転席よりも前方
にある。）が設置される部分や、車体の客室（トイレ，
洗面所，乗務員室を含む。）を構成する。

【００１６】車体の端部すなわち中空形材Ｂが配置され
る範囲の中梁３６および側梁３１は、中空形材Ｂと同様
に、衝撃力で潰れやすくしている。この範囲Ｂの中梁３
６の上面および側面の板には長穴３６ｂを明けている。
中梁３６は断面がチャンネル状で、下面には板がない。
前記範囲Ｂの側梁３１には、車外の側面を向いた面板を
除く面板（車内側を向いた面板）には長穴３１ｂ，３１
ｃ，３１ｄ，３１ｅ，３１ｆを明けている。車外側に長
穴を設けないのは見栄えの低下を防止するためである。
車外に露出した長穴３１ｅ，３１ｆには薄い板（図示せ
ず）を溶接して長穴を閉鎖している。これは側梁３１内
に水が浸入するのを防止するためである。

【００１７】車体を構成する側構体１０，屋根構体２
０，台枠３０のそれぞれの中空形材は長手方向の両端部
の中空形材Ｂ，Ｂとその他の部分（中央部）の中空形材
とからなる。中空形材Ｂの長さは例えば１００mmから１
０００mm程度である。中空形材Ｂは中空形材Ａよりも柔
らかい。中空形材Ｂは焼なましして柔らかくしている。

【００１８】この焼なましは例えばＯ材処理である。一
般に、押出し形材は押出し加工の後、各種の熱処理が行
われる。押出し形材の材質がＡ６Ｎ０１のとき、Ｔ５の
人工時効硬化処理が行われる。前記Ｏ材の焼なましはそ
の後行うものである。Ｏ材への焼なまし処理は３８０℃
×２時間であり、耐力は３６.８ＭＰａである。Ｔ５は
耐力２４５ＭＰａである。前記Ｏ材への焼なましは中空
形材の材料として柔らかくすることを目的としたもので
ある。中空形材Ｂの伸びは中空形材Ａよりも大きい。中
空形材Ｂの耐力は中空形材Ａよりも小さい。強度と必要
な柔らかさのためには、Ｏ材以外の焼なまし処理も選択
される。

【００１９】この熱処理としては、図４のように中空形
材Ｂの長さに切断した状態で実施する場合と、長尺の中
空形材の状態で実施する場合が考えられる。長尺の中空
形材の場合、前記熱処理の後、所用の長さ（Ｂ，Ｂ）に
切断する。

【００２０】このように加工した中空形材Ａと中空形材
Ｂ，Ｂとをそれぞれアーク溶接で接合Ｗ₁ し、車体全長
に相当する中空形材４０を構成する。このようにして製
作した中空形材４０を図５に示すように幅方向（車体の
周方向）に並べ、車体の長手方向に沿って摩擦攪拌接合
により接合Ｗ₂ し、台枠３０，側構体１０，屋根構体２
０を製作する。台枠３０の場合、側梁３１，３１および
中梁３６等の連結部材をアーク溶接する。なお、図１の
中空形材４０の数と図５の中空形材４０の数が異なるの
は、図１を簡単にするために中空形材４０の数を少なく
したためである。このようにして構成した台枠３０，側
構体１０，屋根構体２０はその端部を溶接で接合して車
体とする。

【００２１】この中空形材Ａと中空形材Ｂ，Ｂとの溶接
構造を図６，図７によって説明する。中空形材４０
（Ａ，Ｂ）は、公知のように、２枚の面板４１，４２
と、この面板４１，４２を接続する接続板４３とからな
る。接続板４３は傾斜しており、斜材４３，４３はトラ
スを構成するように配置している。

【００２２】中空形材Ａ，Ｂの端部は互いに嵌め込むこ
とのできる構造になっている。中空形材Ａの長手方向の
端部は、面板４１，４２が切削によって除かれ、複数の
斜材４３が突出している。他方の中空形材Ｂは端部の複
数の斜材４３が除かれている。中空形材Ａの端部の斜材
４３は中空形材Ｂの２枚の面板４１，４２の間に入るこ
とができる。このように嵌め合わせた状態で、面板４
１，４１（４２，４２）同士を外方から溶接する。嵌め
合わせて溶接するので、突き合わせ部に段差や曲がりが
生じることを抑制でき、溶接作業を容易に行うことがで
きる。

【００２３】中空形材Ａ（Ｂ）と中空形材Ａ（Ｂ）との
車体の幅方向に沿った接合部を図１０によって説明す
る。一方の中空形材４０の端部は面板４１，４２に実質
的に直交する接続板４５で接続している。面板４１（４
２）と接続板４５との接続部から端部側に片４６が突出
している。接続板４５の端部側は面板４１，４２の外面
よりも凹んでいる。突出片４６はこの凹んだ位置にあ
る。この凹部に他方の中空形材４０の面板４１，４２が
重なる。２つの中空形材の面板４１，４２は突き合わせ
られている。接続板４５がある中空形材４０の面板４
１，４２の端面（凹部に至る面）は接続板４５の板厚の
中心の延長線上に実質的にある。突き合わせる中空形材
の面板４１，４２の端部の外面側には中空形材の厚さ方
向に突出する凸部４７がある。凸部４７同士も突き合わ
せられている。

【００２４】摩擦攪拌接合を説明する。図１０のよう
に、一対の中空形材４０，４０は架台１００に載せられ
ている。下方の凸部４７，４７は架台１００に載ってい
る。突き合わせ部はアーク溶接によって長手方向に沿っ
て仮止め溶接している。この状態で、上方の突き合わせ
部を回転工具１１０によって摩擦攪拌接合する。回転工
具１１０の大径部の下端は面板４１（４２）の外面と凸
部４７，４７の頂との間に位置させる。残った凸部は必
要により切削して除く。上方を摩擦攪拌接合したら、こ
の中空形材４０，４０を反転させ、同様に摩擦攪拌接合
する。

【００２５】中空形材４０と側梁３１との接合部の構成
は図９のように図１０と同様であり、同様に摩擦攪拌接
合する。一般に、側梁は台枠３０の一部として接合され
ており、その後、側構体１０に溶接する。

【００２６】中空形材Ａと中空形材Ｂとをアーク溶接し
た後、摩擦攪拌接合することが望ましい。

【００２７】車両が障害物に衝突した場合、中空形材Ｂ
に衝撃荷重がかかる。車体と車体とを連結する連結器
は、その衝撃で脱落する。このため、一方の車体の端部
が隣接する車体の端部に衝突する。これらによって、台
枠３０の端梁３９から複数の中空形材Ｂ，側梁３１，中
梁３６に衝撃が作用する。また、側構体１０，屋根構体
２０にも端部に衝撃力が作用する。

【００２８】車体の端部には中央部の中空形材Ａより柔
らかい中空形材Ｂがあるので、衝撃が加わった際、台枠
３０の中空形材Ｂが中空形材Ａの一般部よりも先に変形
し、衝撃を緩和する。中空形材Ｂの範囲の中梁３６，側
梁３１も長穴によって変形を容易にしているので、同様
に変形し、台枠３０の中空形材Ｂの変形を許容する。ま
た、側構体１０，１０、屋根構体２０も台枠３０と同様
に端部を柔らかい中空形材Ｂで構成しているので、変形
する。

【００２９】ここで、中空形材Ｂの衝撃力緩和特性につ
いて述べる。圧縮荷重が負荷されると、図１１に示す通
りの荷重−変形の挙動を示す。材料の特性により、図１
２に示すように、引張り強さや耐力などの強度が高く、
伸びの小さい（脆い）材料Ｉ、強度は低いが伸びの良い
（粘い）材料III、上記材料Ｉ，IIIの中間の特性を示す
材料IIが考えられる。図１１のＸ（Ｘ₁，Ｘ₂）で示す曲
線（図１２の強度特性Ｉに相当する材料）の材料では、
耐荷重は大きくなるが、最大荷重を超えた後の耐荷重が
急激に低下することになる。一方、強度が低く、伸びの
大きい材料（図１２の強度特性III に相当する材料）で
は、図１１のＹで示す曲線のように最大の耐荷重は低く
なるが、その後の耐荷重が急激に低下しない特性を示
す。

【００３０】Ｙ曲線の例で示す斜線部の範囲は、この材
料の破壊エネルギーを示している。ＸとＹ曲線を比較す
ると、最大耐荷重後の変形挙動により、そこそこの強度
を持ち、伸びの良い材料の方（この場合、Ｙ曲線の材
料）が、破壊エネルギーは高くなることが解る。このよ
うな強度特性Ｙを持つ材料を緩衝部材Ｂとして選ぶこと
が重要となる。Ｙ曲線の材料は押出し形材を例えばＯ材
処理することによって容易に得ることができる。

【００３１】Ｘ曲線の場合、材料の強度が高く，伸びが
小さいため、部材断面内における応力のアンバランスに
伸びが追随できず、部分的に破壊が生じることになり、
急激に耐荷重が低下することになる。一方、Ｙ曲線の場
合、部材の最大耐荷重は、Ｘ曲線の場合より低下する
が、材料の伸びが大きいため、断面内の応力のばらつき
に対して部分的に塑性変形する（伸びが追随できる）こ
とができ、全体として急激な耐荷重の低下につながら
ず、ある程度の耐荷重を維持しながら大きく変形するこ
とができることになる。

【００３２】このため、車体の端部に衝撃が加わると、
中空形材Ｂが中空形材の一般部Ａより先に変形，崩壊
し、車体に加わる衝撃を緩和することになる。中空形材
は蛇腹状に変形する。さらに、部材Ｂを中空形材で構成
しているので、一般の薄板構造に比較して、その面内曲
げ剛性および面外曲げ剛性が高く、しかも、２枚の面板
と斜材からなる複合構造であることから、圧縮荷重に対
して破壊エネルギーの吸収特性が高い（単位平面積当た
りの）という効果も有している。

【００３３】複数の中空形材Ｂ，Ｂ同士は衝撃がかかる
車体の長手方向に沿って摩擦攪拌接合によって接合して
いる。この接合がアーク溶接であった場合は、溶接部が
破断し、蛇腹状に変形することが困難になり、エネルギ
ー吸収特性が低下する。これはアーク溶接の場合、溶接
部の衝撃値が母材の衝撃値に比べて大きく低下すること
から理解できる。しかし、摩擦攪拌接合部の衝撃値はア
ーク溶接の溶接部に比べて高く、接合部が破断するよう
なことがない。これは摩擦攪拌接合によって接合部の金
属組織が微細になり、エネルギー吸収値が高くなってい
るためと考えられる。このため、摩擦攪拌接合した場合
は、それぞれの中空形材が所定とおり変形し、衝撃エネ
ルギーを吸収できる。

【００３４】中梁３６，側梁３１の端部を前記中空形材
Ｂのように熱処理によって柔らかくしてもよい。この場
合、端部と中央部は１つの部材でも溶接によって一体に
したものでもよい。中空形材の場合、前記のように嵌め
合わせるようにする。

【００３５】上記実施例では中空形材の両面から摩擦攪
拌接合しているが、前記特許第３０１４６５４号（ＥＰ
０７９７０４３Ａ２）の図９のように、中空形材の一歩
の面から他方の面板同士を接合し、次に前記一方の面板
同士を接続材を介して接合するようにできる。

【００３６】図１３の実施例を説明する。車体の全長に
わたる中空形材において、中空形材を分離する加工は行
わない。長尺の中空形材の両端部において、所用の長さ
の部分Ｂ，Ｂを長尺のまま熱処理（焼なまし）を行う。
この熱処理の方法としては、加熱炉の中で部分的に行う
場合と、高周波焼入れのように部分的に加熱して所用の
特性を有する中空形材にする場合などが考えられる。こ
のようにして、車体全長の中空形材を構成した後、複数
の中空形材を接合して台枠を製作する。

【００３７】上記実施例では、台枠，側構体，屋根構体
を同一長さにしているが、先頭車の先頭部分の車体の比
較的下部を前方に突出させて設け、この突出部の床を前
記中空形材Ｂで構成することができる。この床は台枠の
端部を構成する、この突出部の床の上方は空間であって
も、運転用機器の設置スペースでもよい。

【００３８】図１４の実施例を説明する。この実施例は
衝突した後、車体の端部の交換を容易にしたものであ
る。中空形材Ａ，Ｂの端部にフランジ６１，６１をアー
ク溶接している。フランジ６１は車内側に突出してい
る。フランジ６１，６１をボルトナットで結合してい
る。

【００３９】また、中空形材に焼きなまし加工をしない
場合は、面板とトラス状の接続材との接続部を部分的に
除き、衝撃荷重によって変形しやすくする。面板の外面
側から切削によって前記接続部を除く。また、前記接続
部を除くことは焼きなまし材に対して行うことができ
る。また、構体を中空形材で構成しているが、適宜、薄
板と骨部材とで構成することができる。

【００４０】本発明の技術範囲は、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。

【００４１】

【発明の効果】本発明は、少なくとも台枠において、車
体の長手方向に沿った部材同士を摩擦攪拌接合で接合し
たので、衝突事故の際、接合部が破断せず、衝撃力を吸
収でき、安全にできるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の軌条車両の車体の端部の斜
視図である。

【図２】図１の車体の端部の台枠の平面図である。

【図３】図１のIII−III断面図である。

【図４】本発明の一実施例の中空形材の製作方法の説明
図である。

【図５】台枠の全体構造の平面図である。

【図６】図１の台枠の端部の斜視図である。

【図７】図６のVII−VII断面図である。

【図８】図２のVIII−VIII断面図である。

【図９】図２のIX−IX断面図である。

【図１０】図５のX−X断面図である。

【図１１】材料の衝撃エネルギーの説明図である。

【図１２】材料の応力−ひずみ線図である。

【図１３】本発明の他の実施例の中空形材の製作方法の
説明図である。

【図１４】本発明の他の実施例の要部の断面図である。

【符号の説明】

１０…側構体、２０…屋根構体、３０…台枠、３１…側
梁、３５…枕梁、３６…中梁、３８…部材、３９…端
梁、Ａ，Ｂ，４０…中空形材、４１，４２…面板、４
３，４５…接続板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者牧野俊昭山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸事業所内 (72)発明者佐川年旦東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地株式会社日立製作所内Ｆターム(参考） 4E067 AA05 BG00 DA13 DA17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】車体の長手方向の端部に、衝撃エネルギー
吸収部材があり、該衝撃エネルギー吸収部材は、衝撃エネルギーによって
蛇腹状に円形して衝撃エネルギーを吸収するものであ
り、該衝撃エネルギー吸収部材は複数の部材を接合したもの
であり、前記複数の部材は前記車体の長手方向に沿っており、前記複数の部材同士は摩擦攪拌接合に沿って接合してい
ること、を特徴とする軌条車両。
【請求項２】請求項１の軌条車両において、前記衝撃エネルギー吸収部材は、前記車体の台枠を構成
する一部であること、を特徴とする軌条車両。
【請求項３】請求項１の軌条車両において、前記衝撃エネルギー吸収部材は、前記車体の台枠および
側構体，屋根構体のそれぞれの前記車体の端部を構成す
ること、を特徴とする軌条車両。
【請求項４】請求項１の軌条車両において、前記衝撃エネルギー吸収部材は複数の中空形材からな
り、該中空形材は押出し形材であり、該押出し形材の押
出し方向は車体の長手方向に沿っており、前記複数の押出し形材同士を前記摩擦攪拌接合に沿って
接合していること、を特徴とする軌条車両。
【請求項５】請求項４の軌条車両において、前記複数の中空形材は、前記車体の台枠を構成する一部
であること、を特徴とする軌条車両。
【請求項６】請求項４の軌条車両において、前記複数の中空形材は、前記車体の台枠および側構体，
屋根構体のそれぞれの前記車体の端部を構成すること、を特徴とする軌条車両。
【請求項７】請求項４の軌条車両において、前記複数の中空形材は焼きなまし材からなること、を特徴とする軌条車両。