JP4292980B2 - 鉄道車両の台車枠及び鉄道車両用台車 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の台車枠及びこの台車枠を備えた鉄道車両用台車に関するものである。

図１１に示すように、対をなす側梁１ａ，１ｂと、これら側梁１ａ，１ｂを連結する横梁２と、この横梁２に取付けられた主電動機受座３などの横梁ブラケットを備えた鉄道車両の台車枠４にあって、主電動機受座３は主電動機より発生するトルクを受け、駆動の反力を常に受け、さらにモータの自重による荷重を受けることから、横梁ブラケットの主要なものであり、強度的に信頼性の高い構造が要求される。

特に主電動機受座３と横梁２の溶接接合部は、有限要素法（ＦＥＭ）による強度解析では、他の部位に比べて高い応力が発生することから、信頼性の高い溶接継手が要求される。

ところで、この主電動機受座３は、例えば、図１２に示したように、主電動機取付け用のモータキー３ａをその上面に取付けた天板３ｂが、一体的に形成された前面及び側面板３ｃの上端に覆い被さるように溶接されると共に、この前面及び側面板３ｃ及びこの内側中央部に溶接した中間板３ｄを、底板３ｅに溶接して、図１３に示したように一体となした構造であった。
特開２００２−３４７６２０号公報

上記の構造を有する主電動機受座３の横梁２に対する溶接継手において、従来は、天板３ｂ及び底板３ｅと横梁２との溶接継手部の応力が大きくならないように、これら天板３ｂと底板３ｅが横梁２に対してできるだけ接線状に滑らかに連続するように接合すべく配慮していた。仮に横梁２への主電動機受座３の取付け位置や、主電動機受座３の寸法の関係上、前記天板３ｂや底板３ｅを横梁２に対して滑らかに接合できない場合であっても、可能な限り横梁２と滑らかに接合できるように下記のような設計を行っていた。

例えば、図１４は天板３ｂと横梁２との接合部を説明する図であるが、この横梁２に対する天板３ｂの接合を接線状に行うため、（ａ）図に示したように、天板３ｂを横梁２のできるだけ高い位置で取り付けるべく、モータキー３ａの高さを可能な限り低くしたり、（ｂ）図に示したように、主電動機５の取り付け部の凹凸に合わせて天板３ｂを削ってモータキーを省略したり、（ｃ）図に示したように、天板３ｂを曲げたりしていた。なお、図１４中の３ｆは側板を示す。

しかしながら、上記の配慮を行っても、たとえば主電動機受座の横梁への取付け位置の関係上、すなわち、図１５に示したように、横梁２の軸中心と天板３ｂの上面との接合部を結ぶ線と、水平線とのなす角度θ1が３０°以下、特に６°以下の場合には、横梁２に対する天板３ｂの取付け位置が低くなって、天板３ｂを横梁２に滑らかに接合することができず、大きな応力が発生していた。

本発明が解決しようとする問題点は、台車枠に溶接接合する主電動機受座の、横梁との位置関係によっては、特に天板と横梁との溶接接合部に発生する応力が大きくなるという点である。

本発明者らは、前記天板や底板と横梁との接合部における応力分布について、ＦＥＭ解析を行った。その結果の一例を図８に示す。
図８は、外径が１６５ｍｍ、肉厚が１５ｍｍの横梁に対して、厚さが１２ｍｍの天板をθ1＝２９°の取付け位置に取付けて、３０ｋＮのモータ荷重を負荷させた場合のＦＥＭ解析の結果を示した図であり、（ａ）は天板と横梁との接合部における応力分布を示した図、（ｂ）は（ａ）図の結果を得た天板と横梁との接合部の応力調査位置を示す図である。

この図８（ａ）より明らかなように、同じ天板の接合部であっても発生する応力にばらつきがあり、側板と中間板が存在する位置の接合部の応力が特に大きくなることが判明した。

また、外径が１６５ｍｍの横梁に対して、θ1が５７．９°の位置で厚さが１２ｍｍの天板を取り付けてモータ荷重（３０ｋＮ）を負荷させた場合において、横梁の肉厚を変化させた場合の、天板と横梁との接合部に発生する最大応力をＦＥＭ解析したところ、図９に示すように、前記最大応力は横梁の厚さに反比例することが判明した。なお、図９は図８（ｂ）における中央位置（ポイント７）における結果を示したものである。

以上の解析結果から、主電動機受座と横梁との取付け位置の関係上（前記θ1が３０°以下）、天板と横梁を滑らかに接合できずに、図１０（ａ）に示したように、横梁２と天板３ｂとの間に半径の小さなＲ部Ａが存在する場合には、横梁２の肉厚が薄いと、天板３ｂと横梁２との間で発生する曲げ変形が側板３ｆや中間板３ｄで拘束されて大きくなり（ハッチングを付した部分）、前記Ｒ部Ａに局所的な変形が発生し、大きな応力が発生することが判明した。

一方、側板３ｆや中間板３ｄが存在しない位置では、図１０（ｂ）に示したように、天板３ｂや横梁２が側板３ｆや中間板３ｄとの溶接接合によって、その変形を拘束されることがないので、前記Ｒ部Ａに局所的な変形が発生し難くなると考えられる。なお、以上の傾向は底板の場合も同様に現れる。

本発明の鉄道車両の台車枠は、本発明者らのＦＥＭ解析に基づく上記の知見によりなされたものであり、
特に横梁に対する天板の取付け位置θ1が３０°以下、さらに効果的には６°以下のような状態で、横梁の肉厚が薄い場合においても、天板と横梁との溶接接合部に発生する応力を可及的に抑制するために、
対をなす側梁と、これら側梁を連結する横梁と、この横梁に取付けられた横梁ブラケットを備えた鉄道車両用台車枠において、
前記横梁ブラケットは、天板と、この天板の両側に配置される側板と、前記天板と対向する位置に配置される底板と、を備えたものであり、
前記側板の上端を天板よりも上方に突出させ、この突出部分が横梁の外周を覆うように巻き込ませて前記横梁の外周部と溶接接合することで、この溶接接合部を天板の上方まで延長させたことを最も主要な特徴としている。

上記の本発明の鉄道車両用台車枠においては、前記側板の下端も、前記主電動機受座を構成する底板より下方に突出させ、この突出部分が横梁の外周を覆うように該突出部分を巻き込ませ、側板の溶接接合部を底板の下方まで延長させれば、さらに効果的である。

また、上記の本発明の鉄道車両用台車枠においては、主電動機受座を横梁に溶接接合する場合の作業性を考えると、側板の下端も底板より下方に突出させ、この突出部分が横梁の外周を覆うように巻き込ませて横梁の外周部と溶接接合した場合、前記側板の上方と下方の突出部分の先端面と横梁の外周部との溶接接合部と、横梁の横断面の中心を結ぶ側板側の角度が、１８０°以内であることが望ましい。

そして、上記構成の本発明の鉄道車両用台車枠を備えた本発明の鉄道車両用台車にあっては、主電動機受座の天板と横梁との溶接接合部における発生応力を小さくできるので、安全性が高くなる。

本発明は、主電動機受座の横梁への取付けに際し、天板と横梁との溶接接合部における発生応力を小さくでき、信頼性が増す。

以下、本発明を実施するための形態を、図１及び図２を用いて説明する。
図１は本発明の鉄道車両用台車枠の横梁に取付ける主電動機受座を説明する図、図２はこの主電動機受座の側板と横梁との溶接接合部を説明する図である。

図１において、１１は台車枠４の横梁２に取付ける主電動機受座であり、例えばモータキー１１ａを埋設状に取付けた天板１１ｂと、この天板１１ｂの両側に配置される側板１１ｃと、これら両側板１１ｃの間に配置される中間板１１ｄと、前記天板１１ｂと対向する位置に配置される底板１１ｅと、前記横梁２と対向する位置に配置される前板１１ｆとで構成されている。

そして、本発明では、図１（ｂ）に示したように、前記側板１１ｃの上端を天板１１ｂよりも上方に、また、その下端を底板１１ｅよりも下方に突出させ、その突出部分が横梁３に覆い被さるように形成している。

本発明は、前述のように、例えば側板１１ｃの上端及び下端を天板１１ｂや底板１１ｅよりも上方及び下方に突出させ、この突出部を横梁２に覆い被さるように巻き込ませて横梁２と溶接接合することで、天板１１ｂや底板１１ｅと横梁２との外側の溶接接合部に、半径の小さなＲ部Ａが存在せざるを得ない場合であっても、横梁２の肉厚を大きくした場合と同様に、このＲ部Ａに発生する局部的な曲げを抑制でき、発生する応力を減少させるのである。

この場合、主電動機受座１１を横梁２に溶接接合する際の作業性を考慮すると、側板１１ｃの上端及び下端を天板１１ｂや底板１１ｅより上方及び下方に突出させた場合であっても、図２に示したように、前記側板１１ｃと横梁２との溶接接合部における横梁２上の角度θ2は、１８０°以内であることが望ましい。

また、この側板１１ｃの、横梁２との溶接部である内周側の直径は、溶接時の施工性を考えると、横梁２の外径をｄ、側板１１ｃの厚さをｔとした場合、ｄ＋２ｔを超え、ｄ＋２ｔ＋１０ｍｍ以下であることが望ましい。また、前記天板１１ｂや底板１１ｅと横梁２との溶接部Ｗは図１（ｃ）に示したように、膨らみを持ったような形状となすことが望ましい。

以上が本発明の鉄道車両の台車枠であり、この鉄道車両の台車枠を備えた本発明の鉄道車両用台車にあっては、特に横梁２に対する天板１１ｂの取付け位置θ1が３０°以下の状態で、横梁２の肉厚が薄い場合であっても、天板１１ｂや底板１１ｅと横梁２との溶接接合部に発生する応力を効果的に抑制できるので、主電動機受座１１の横梁２への溶接部の溶接継手品質が向上して信頼性が増すことになって、安全性が高くなる。

次に、本発明の効果を確認するために行ったＦＥＭ解析の結果を、図３〜図７に示す。
図３〜図６は、側板の上端を天板よりも突出させて横梁に巻き込ませた本発明の例で、側板の横梁に対する巻き込み量を図３から順に少なくしている。また、図７は天板が側板の上端に覆い被さるようにした従来の例を示したものである。

上記図３〜図７のＦＥＭ解析は、いずれも外径が１６８ｍｍで肉厚が１５ｍｍの横梁に対して、厚さが１５ｍｍの天板をθ1＝６°の取付け位置に取付け、５ｋＮのモータ荷重を負荷させた場合のＦＥＭ解析の結果を示したものである。

これら図３〜図６より明らかなように、側板の横梁への巻き込み長さを長くするに従って、天板と横梁との溶接接合部に発生する最大応力値は、１２．８ＭＰａから、１０．９ＭＰａ、７．８ＭＰａ、７．７ＭＰａと順に小さくなっていることが判る。一方、従来例では、前記溶接接合部に発生した最大応力値は１４．３ＭＰａであった。

以上より、本発明によれば、天板と横梁との溶接接合部に発生する最大応力を、効果的に低減することができることが明らかである。なお、ここでは、主電動機受座について説明したが、他の横梁ブラケットについても同様である。

本発明は上記の各例に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範囲内であれば自由に変更可能である。

本発明の技術的思想は、負荷が作用する各種の溶接接合品の溶接接合部に発生する応力低減により軽量化、小型化が図れるので、軽量化、小型化を必要とする用途に適用できる。

本発明の鉄道車両の台車枠の横梁に取付ける主電動機受座を説明する図で、（ａ）は（ｂ）図のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は平面から見た図、（ｃ）は溶接部の形状を説明する図である。 主電動機受座の側板と横梁との溶接接合部を説明する図である。 第１の本発明品とＦＥＭ解析による最大応力値及びその発生部を示した図である。 第２の本発明品とＦＥＭ解析よる最大応力値及びその発生部を示した図である。 第３の本発明品のＦＥＭ解析の結果を示した図である。 第４の本発明品とＦＥＭ解析よる最大応力値及びその発生部を示した図である。 従来品のＦＥＭ解析の結果を示した図である。 （ａ）は天板と横梁との接合部における応力分布を示した図、（ｂ）は（ａ）図の結果を得た天板と横梁との接合部における、（ａ）図に対応する応力調査位置を示す図である。 横梁の厚さを変化させた場合の、天板と横梁との溶接接合部に発生する最大応力を示した図である。 天板と横梁の接合部における発生応力について説明する図で、（ａ）は側板或いは中間板がある部分、（ｂ）は側板或いは中間板が存在しない部分を示す図である。 従来の鉄道車両用台車枠を平面から見た全体図である。 従来の主電動機受座を分解して示す斜視図である。 従来の鉄道車両用台車枠を側面から見た要部説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は従来の天板と横梁との接合部を説明する図である。 横梁に対する天板の取付け位置を説明する図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ 側梁
２ 横梁
４ 台車枠
１１ 主電動機受座
１１ｂ 天板
１１ｃ 側板
１１ｄ 中間板
１１ｅ 底板

Claims (3)

1. 対をなす側梁と、これら側梁を連結する横梁と、この横梁に取付けられた横梁ブラケットを備えた鉄道車両用台車枠において、
   前記横梁ブラケットは、天板と、この天板の両側に配置される側板と、前記天板と対向する位置に配置される底板と、を備えたものであり、
   前記側板の上端を天板よりも上方に突出させ、この突出部分が横梁の外周を覆うように巻き込ませて前記横梁の外周部と溶接接合することで、この溶接接合部を天板の上方まで延長させたことを特徴とする鉄道車両の台車枠。
2. 前記側板の下端も底板より下方に突出させ、この突出部分が横梁の外周を覆うように巻き込ませて横梁の外周部と溶接接合し、
   前記側板の上方と下方の突出部分の先端面と横梁の外周部との溶接接合部と、横梁の横断面の中心を結ぶ側板側の角度が、１８０°以内であることを特徴とする請求項１記載の鉄道車両の台車枠。
3. 請求項１又は２に記載の台車枠を備えたことを特徴とする鉄道車両用台車。