JP2020011700A - 接合構造並びに鉄道車両側構体モジュール及び鉄道車両構体 - Google Patents

Abstract

【課題】接合においては、容易に凹凸を組み合わせる接合構造を採用することができない問題があった。鉄道車両構体の厚み部分をカーボン繊維、ガラス繊維又は金属の各々を異種又は同種に組み合わせて接合するような場合において、容易に接合ができ、かつ、高い強度と精度を有する接合構造を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の接合構造は、凸部と凹部を相対させて締結部材を用いてカーボン繊維、ガラス繊維又は金属の各々を異種又は同種に組み合わせる接合構造において、凸部が、頂上方向に向かって縮小する形状に形成され、凹部が、前記凸部と密着可能に底方向に向かって縮小し、最底近傍の形状が前記凸部と接合させた際に最頂上近傍との間に隙間を生じさせる形状に形成されて、接合させた凸部と凹部の最頂上と最底とを貫く位置を任意に選択し締結部材を用いて固定すること、を特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、対面する接合部材同士の接合において、熟練した技術を必要とすることなく高強度を備える接合構造と鉄道車両構体に関する。

近年、鉄道車両の構体は、モジュール化が図られている。車両を部位ごとにモジュール化することで、鉄道会社が希望する先頭部分の形状、ドアの枚数、ドアの形状、窓の枚数又は窓の形状などの仕様を自由に選択し組み合わせて車両を構成することができる。一方、製造側としては、多品種少量生産や現地生産化に対応できる利点がある。また、納入後もモジュールのみを交換が可能であるなど、メンテナンスが向上するほかリニューアルが容易で、改造費用を削減することができる。分解、分別が容易な車体構造はリサイクル、リユース又はライフサイクル性も向上させることができる。

鉄道車両構体は、一対の側構体の上端に屋根構体を接合し、下端に台枠を接合し、車両前後端部に妻構体を接合することにより、箱状に組み立てられる。

これら各構体のうち、側構体を縦方向に切断していくつかのブロックに分割するモジュール化が一般的である。具体的には、運転台モジュール、車端窓モジュール、中間窓モジュール、側壁モジュールそして各窓モジュールの間に位置する複数組の入口モジュールなどに形成されたモジュールを選択し長手方向に結合して構成される。これは、各々のモジュールの大きさを小さくすることができ、異なる生産現場に分散させやすく大きく生産の効率化が図れるためである。さらに、細かい部位に分割される場合もある。

また、鉄道車両の構造は、構体外皮のみのシングルスキン構体から、安全性、静粛性、快適性などの要求に応えるため、内皮と外皮を備えたダブルスキン構体へと変わってきているものもある。ダブルスキン構体は、シングルスキン構体に比べて構造体として圧縮強度が高く、車端過重負荷時の破壊強度に優れている。

ダブルスキン構体が採用された鉄道車両構体においてモジュール化を図った場合、接合方法が課題となる。接合の構造によっては、車両が走行する際の振動に耐え得る強度が得られるか否かが問題となる。また、接合部分に段差が生じると、見栄えが良くない。近年では、広告宣伝等を印刷したフィルムが鉄道車両側構体に貼られたラッピング車両が増えているが、ラッピングの際に段差の部分の処理に手間が掛かるなどの支障をきたすことがある。

また、シングルスキン構体の場合であっても、外皮の裏面に取り付ける補強部材を工夫することによってモジュール化を図りつつ強度を確保している場合がある（特許文献２）。いずれの場合であっても、鉄道用車両構体は所定の厚みを有している。

従来、接合部材同士の接合においては、部材同士を溶接、リベット又はボルト及びナットなどの締結部材によって固定される。

接合部の段差を生じさせないために溶接が行われることが多いが、溶接の場合は、アーク溶接、レーザ溶接などによって接合部分すべてにおいて溶接を行い、接合部の強度を確保することが多かった。また、接合しろ（溶接しろ）を設けてスポット溶接することによって接合部の強度を確保する場合もある。

締結部材で固定する場合、接合部の強度を確保するために硬い材質の締結部材を使用するか、大きなサイズの締結部材を使用するか、又は、締結部材を数多く使用する必要があった。したがって、コストが増加する傾向にあった。また、車両が走行する際の振動による緩みの発生を防止する必要があるなど課題も多かった。

最近では、溶接の新しい方法である摩擦撹拌接合（ＦＳＷ法）が鉄道車両構体の接合に採用されている。ＦＳＷ法は、接合部同士を同一面に合わせて接合を行うことができ段差ができ難く、接合の際の変形や収縮が少なく歪みが少ない車両の製造が可能であるとされている。

特開２０１７−８８０１２号公報 特開２０１０−８３２１４号公報 特開２０１５−０６３７９５号公報 特開平１０−１５７６６号公報

特許文献１には、モジュール同士の間に所定の結合部材を介して、レーザ溶接を行うことにより、モジュール間の段差を抑制して簡単にモジュールの外皮同士又は内皮同士を結合できる鉄道車両用のモジュール結合構造が開示されている。特許文献１には、鉄道車両側構体が、窓開口部を形成した車端窓モジュールと中間窓モジュールが各２組と、そして各窓モジュールの間に位置する３組の側入口モジュールによって構成されている例が記載されている。

ここで、鉄道車両は、車両構体の両端寄りの下側において車台で支持されるため、走行状態において、車両構体の自量により中央部分が下がる方向に変形する。そのため、車両構体が長方形を維持するためには、予め、側構体が変形することを予定した扇形状などに形成する必要があった。走行状態における側構体の形状精度を確保するためには、特許文献１の側構体においては、接合するモジュール間に結合部材を精度良く配設する必要があった。そのためには、位置合わせ冶具などが必要となり、製造コストが上昇する。

溶接接合による精度及び強度は、溶接技術の熟練度に依存するため、現在では溶接ロボットなどの自動化機械で行うことが主流である。特許文献１においても、レーザ溶接を推奨しているため、車両側構体モジュールの溶接には大型のレーザ溶接機が必要となる。したがって、安易に生産現場を変更することができない課題が生じる。

特許文献２には、外皮の裏側に補強部材を溶接するとともに、接合するパネル同士の接合端部を、凹凸を組み合わせた形状に構成して、溶接距離を長くし、かつ、凹凸の組合せによって接合部の強度及び精度を高める接合の構造が開示されている。

特許文献２に開示された技術は、レーザ加工とレーザ溶接によって実現可能であり、特許文献１と同様に、大型の設備が必要であり、安易に生産現場を変更することができない課題が生じる。たとえ摩擦撹拌接合を行う場合であっても、大型の設備が必要であることは同じである。

一方、締結部材による接合を検討してみると、平面同士の接合においては、すべての負荷が接合面方向、すなわち、ボルト等の回転軸に対して垂直方向に掛かるため、ボルトが破断する可能性があった。また、平面板同士を接合するとボルトの頭やナットが突出するため、平坦な接合を行うことができなかった。

金属以外の材質の接合では、凹凸を組み合わせた接合構造にすることによって、接合部の強度や剛性を高める先行技術文献が開示されている。

特許文献３においては、凹凸を組み合わせた接合構造によって木材同士の接合強度を高めることが開示されている。木材においては弾性があり、凹凸が連続する接合構造であっても、多少の加工誤差を吸収することができる。

特許文献４においては、凹凸形状の補強部材は、履面パッドの弾性部材の弾性機能を充分発揮させるとともに、履面パッド自体の長手方向の剛性を維持することを目的としている。補強部材を挟む両側のパッドが弾性部材であるため、凹凸が連続する接合構造であっても、多少の加工誤差を吸収することが可能である。

最近では、金属同士、カーボン繊維同士、ガラス繊維同士、カーボン繊維対金属、または、ガラス繊維対金属の接合なども行われる。
しかしながら、各々の接合においては、凹凸を連続させて組み合わせる接合構造にするためには精密な加工精度を必要としたため、特許文献３や特許文献４のように容易に凹凸を組み合わせる接合構造を採用することができない問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、鉄道車両構体の厚み部分をカーボン繊維、ガラス繊維又は金属の各々を異種又は同種に組み合わせて接合するような場合において、精密加工技術、溶接技術や熟練した技術及び大型の溶接設備を用いることなく、容易に接合ができ、かつ、高い強度と精度を有する接合構造を提供することを目的とする。
また併せて、該接合構造を活用した鉄道車両の側構体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の接合構造は、凸部と凹部を相対させて締結部材を用いてカーボン繊維、ガラス繊維又は金属の各々を異種又は同種に組み合わせる接合構造において、凸部が、頂上方向に向かって縮小する形状に形成され、凹部が、前記凸部と密着可能に底方向に向かって縮小し、最底近傍の形状が前記凸部と接合させた際に最頂上近傍との間に隙間を生じさせる形状に形成されて、接合させた凸部と凹部の最頂上と最底とを貫く位置を任意に選択し締結部材を用いて固定すること、を特徴とする。

また、本発明の接合構造は、前記凸部が、頂上方向に向かって縮小する傾斜部を有し頂上に平坦な頂上部が形成され、前記凹部が、前記凸部の傾斜部と沿うように底方向に向かって縮小する傾斜部を有し底に平坦な底部が形成されて、前記頂上部の形状が、前記底部の形状に対して大きい相似形に形成されたこと、を特徴とする。

また、本発明の接合構造は、前記凸部と前記凹部とが隣り合って交互に現れるよう配置した第一接合部材と、前記凹部と前記凸部とが隣り合って交互に現れるよう配置した第二接合部材とを、接合させる際に、前記第一接合部材の前記凸部には前記第二接合部材の前記凹部を、前記第一接合部材の前記凹部には前記第二接合部材の前記凸部を、相対させて接合すること、を特徴とする。

また、本発明の接合構造は、前記凸部と前記凹部を接合させた際の前記頂上部と前記底部との隙間の距離が、締結部材によって予め定められた最適な締め付け力で固定された際にも前記頂上部と前記底部とが当接しない距離であること、を特徴とする。

また、本発明の接合構造は、前記凸部及び前記凹部が軸対称であること、を特徴とする。

本発明の鉄道車両側構体モジュールは、本発明に係る接合構造を備えたこと、を特徴とする。

本発明の鉄道車両側構体は、前記鉄道車両側構体モジュールを任意に組み合せて接合されたこと、を特徴とする。

凸部の頂と凹部の底との間に微小な隙間を設けることによって、凸部及び凹部のすべての面を接触させる場合のような接合部の精密な加工精度を必要としない効果を奏する。また、前記微小な隙間を設けることによって、締結部材による締付の際に、締付トルクの制御を行うことができる利点がある。前記頂及び前記底を接触させて接合する場合には加工精度が要因となって締結箇所毎によって締付トルクのバラつきが生じる問題を解消することができる。

接合面に凹凸がない平坦な場合と比較して、締結部材であるボルトに集中して掛かる負荷を、凸部及び凹部の密着部に分散させることができる効果を奏する。また、密着部は、対称的かつ交互に現れるため、接合部全体に係る負荷を分散させる効果がさらに高まる。

締結部材に硬度が高い材質の締結部材を使用したり、必要以上の大きなサイズの締結部材を使用したり、又は、締結部材を数多く使用することなく、溶接による接合と同等以上の接合強度と耐久性を得ることができる効果を奏する。

手作業の溶接による接合と比較すると、締結部材の締付トルクを制御することは容易であり他に熟練した技術を必要としない。したがって、通常の組み立て技術を有していれば所定の接合強度と耐久性を確保する作業ができる効果を奏する。

凸部の頂上部と凹部の底部との隙間を可能な限り小さくすることによって、傾斜部の接触面積を広く確保することができ、負荷を分散できる効果が高まる。

凸部の傾斜部の形状に対し、凹部の傾斜部の形状が密着して嵌め合いが可能な凸部を反転させた窪み形状とすることによって、負荷の分散を均等にすることができる効果を奏する。

凸部は頂上部を通る軸線に対して線対称形に形成する。一方、凹部は底部を通る軸線に対して線対称形に形成し、互いの傾斜部を密着させることによって、高い接合面の強度を確保することができる効果を奏する。
特に、凸部の対称軸線と傾斜部の平均斜度を表す直線とによって挟まれる角度、及び、凹部の対称軸線と傾斜部の平均斜度を表す直線とによって挟まれる角度は、同じα度に設定し形成して、互いの傾斜部を密着させることが好ましい。角度αは、傾斜部にかかる負荷の方向を傾斜部の面に対して垂直に近づける角度に設定することによって、高い接合面の強度を確保することができる効果を奏する。

モジュール化した鉄道車両側構体に、本発明に係る接合構造を採用することによって、各部モジュールを異なる工場に分散させて容易に製造することができる効果を奏する。
また、接合の際には手作業による溶接のように特段熟練した技術を必要とせず、大型の溶接設備や冶具も必要としない効果を奏する。

また、車両の改造工事を行う場合に溶接接合を行うと現場施工の要素が大きく加わることになり、同じ設計のモジュールを交換する場合であっても、改造工事前と改造工事後において、例えば、ドアが開かなくなるなど状態が異なることがある。本発明に係る接合構造をモジュール化した鉄道車両側構体に採用する場合には、締結部材を予め定められた条件にしたがって使用し組み立てを行う限りは設計通りの組み立てが可能であり、高い再現性を確保することができる。

鉄道車両側構体は長いため、複数のモジュールの溶接を行う際には離れた箇所において溶接による歪みが生じ易くなるが、本発明に係る鉄道車両側構体モジュールによると、接合面を合わせてボルト等によって締め付けるだけで各部のモジュール同士を結合できるので、設計段階において設定した精度はそのまま鉄道車両構体の組み立て後の精度に反映させることができる。したがって、車両構体の組み立て後に長方形を維持することを予定して扇形状などにモジュールを形成する場合においても、溶接のように接合による歪みや誤差が生じ難く、組み立てが容易である。

本発明に係る接合構造を示した斜視図（接合前）である。 本発明に係る接合構造を示した斜視図（接合後）である。 図２におけるＡ−Ａ’断面図である。 本発明に係る接合部１０において締結部材軸線垂直方向から負荷が掛かった場合の力の伝わり方を示した概念図である。 平面の接合部を備えた接合部材同士を締結部材で接合した場合の断面図である。 本発明に係る接合部１０において締結部材軸線方向から負荷が掛かった場合の力の伝わり方を示した概念図である。 本発明に係る接合構造の他の実施例の断面図である。 本発明に係る接合構造を鉄道車両側構体入口モジュール１１０に用いた場合を示した正面図である。 入口モジュール１１０の構成部位である戸袋部１１４を示した図である。 入口モジュール１１０の構成部位である入口天板部１１６を示した図である。 入口モジュール１１０の構成部位である入口底板部１１８を示した図である。 本発明に係る接合構造を鉄道車両側構体窓モジュールａ１３２の窓部に用いた場合を示した正面図である。 本発明に係る接合構造を他の鉄道車両側構体窓モジュールｂ１３４の窓部に用いた場合を示した正面図である。 本発明に係る接合構造を備えた入口モジュール１１０に他のモジュールを接合し固定した正面図である。 本発明に係る接合構造を備えた入口モジュール１１０と窓モジュールを接合し固定した正面図である。 各モジュールを組み合わせて鉄道車両側構体１００を構成した斜視図である。

本発明に係る接合構造を実施するための形態について、図を参照しつつ説明する。

図１は、本発明に係る接合構造を示した斜視図である。接合構造の理解を容易にするために、一例として金属角柱の端部から凸部２０で始まる第一接合部材６と、凹部２６で始まる第二接合部材８とを接合させる模式図とした。接合部材１は、カーボン繊維、ガラス繊維又は金属の各々を異種又は同種に組み合わせることが考慮されるが、特に、素材の相性による耐久性を考慮すると、金属同士、カーボン繊維同士、ガラス繊維同士、または、ガラス繊維対金属の接合が好適である。固定には一例としてボルト３８を締結部材として用いる。締結部材は、ボルト、ナット、小ねじ、タッピンねじ、リベット、ピンなど当該技術分野において通常知識を有する者が想定可能な、締め付けたり、押さえつけたりして接合し固定する部材が含まれる。図１は、凸部２０と凹部２６の傾斜部３２を接合させる前の状態を示している。

図２は、図１の接合前の状態から、第一接合部材凸部２０に対し第二接合部材の凹部２６を、第一接合部材凹部２６に対し第二接合部材の凸部２０を接合させた状態を示している。ボルト３８が適切な締付トルクで締め付けた際には、凸部２０の傾斜部３２と凹部２６の傾斜部３２が各々密着することになる。この場合、凸部２０の頂上部２２と凹部２６の底部２８との間には微小な隙間３６が生じる。

図１及び図２において、第一接合部材６は端部を凸部２０の最も低い位置と同じ平面にしているために凸部２０のみが現れていると見ることができる。また、第二接合部材８では、端部を凹部２６の最も高い位置と同一の平面にしているため、凹部２６のみが現れていると見ることができる。しかし、端部の高さを凸部２０の頂上と最も低い位置との中間に設定した場合、又は、端部の高さを凹部２６の底と最も高い位置との中間に設定した場合には凸部２０と凹部２６は交互に現れると見ることができる。本明細書においては、傾斜部３２に挟まれた突起は凸部２０とし、傾斜部３２に挟まれた底は凹部２６とする。この場合、凸部２０と凹部２６とは傾斜部３２を共有することになる。凸部２０において傾斜部３２に挟まれた頂上部分には、鋭利な先端ではなく、平坦部分や曲面部分を設けて頂上部２２と呼び、凹部２６において傾斜部３２に挟まれた底部分には、鋭利な底ではなく、平坦部分や曲面部分を設けて底部２８と呼ぶ。

図１及び図２において、相対する凸部２０及び凹部２６の一つ置きにボルト３８を装着し固定を図っているが、当該接合構造を採用した対象に対して掛かる負荷が大きい場合には、相対する凸部２０及び凹部２６のすべてをボルト３８で固定してもよい。一方、負荷が小さい場合には、二つ置き又は三つ置きにボルト３８で固定してもよい。負荷が掛かる部位によって、ボルト３８の配置を選択することも可能である。

図３は、図２におけるＡ−Ａ’断面図である。図左側のボルトは省略した。また、説明に必要な寸法線を記入したため断面を表す平行斜線は省略した。凸部２０が、頂上方向に向かって縮小する傾斜部３２を有し頂上部分に平坦の頂上部２２が設けられ、凹部２６が、凸部２０の傾斜部３２と沿うように底方向に向かって縮小する傾斜部３２を有し最底部分に平坦の底部２８が設けられる。第一接合部材６の凸部２０及び第二接合部材８の凸部２０、第一接合部材６の凹部２６及び第二接合部材８の凹部２６は、両部材を接合線ＪＬの方向に合わせて相対させて接合した場合には、第一接合部材６の凸部２０と第二接合部材８の凹部２６の傾斜部３２同士が、又は、第一接合部材６の凹部２６と第二接合部材８の凸部２０の傾斜部３２同士が、密着するように配置する。第一接合部材６の凸部２０及び第二接合部材８の凸部２０、第一接合部材６の凹部２６及び第二接合部材８の凹部２６は同一形状であってもよい。接合部材１に負荷が掛かった際の力の分散を均等にするためには、凸部２０又は凹部２６は、頂上部２２又は底部２８を通る軸線に対して線対称形であることが好ましい。また、互いの傾斜部３２を密着させることによって、高い接合面の強度を確保することができる。
図３は、理解を容易にするために、脚が同角度かつ同じ長さで対称台形状の凸部２０とした。凹部２６は、凸部２０の形状を凹形状に反転させて傾斜部３２のみが密着する形状とする。

特に、凸部２０の対称軸線と傾斜部３２の平均斜度を表す直線とによって挟まれる角度、及び、凹部２６の対称軸線と傾斜部３２の平均斜度を表す直線とによって挟まれる角度は、同じα度に設定し形成して、互いの傾斜部３２を密着させることが好ましい。角度αは、傾斜部３２にかかる負荷の方向を傾斜部３２の面に対して垂直に近づける角度に設定することによって、高い接合面の強度を確保することができる。

頂上部２２及び底部２８が、平坦に形成される場合には、Ｌ２は、頂上部２２の一方端から他方端までの長さである。また、Ｌ１は、底部２８の一方端から他方端までの長さである。
凸部２０と凹部２６の傾斜部３２のみを密着させるために、図３中の頂上部２２の長さＬ２は、底部２８の長さＬ１よりも長く設定する。

数式１を満たした場合、凸部２０と凹部２６を相対させて接合した際に、傾斜部３２のみを密着させ頂上部２２と底部２８との間に隙間３６を生じさせることができる。

頂上部２２及び底部２８が、曲面に形成される場合において、凸部２０の頂上部２２の平均曲率半径をＲ２とし、凹部２６の底部２８の平均曲率半径をＲ１とすれば、数式２の関係が成り立つように設定する。

数式２を満たした場合、頂上部２２及び底部２８が平坦である場合と同様に凸部２０と凹部２６を相対させて接合した際に、傾斜部３２のみを密着させ頂上部２２と底部２８との間に隙間３６を生じさせることができる。

これにより、接合面が外部から受ける負荷を略均等に分散させることが可能となり、ボルト３８に係る負担が軽減され耐久性が向上する。隙間３６は、本発明において最も重要な構成要素の一つであるので、負荷が軽減する機構について後に詳述する。

図１から図３においては、傾斜部３２、頂上部２２及び底部２８は直線状に示しているが、曲線状に形成されていてもよい。しかしながら、接合した際に凸部２０及び凹部２６の接合各部が一定の隙間３６を形成するためには、現在の金属、カーボン繊維及びガラス繊維の加工精度を考慮すると頂上部２２及び底部２８は平坦に形成することが好適である。また、凸部２０の傾斜部３２が斜面の中央部分を膨らませて湾曲していてもよい。凹部２６の傾斜部３２は、凸部２０の傾斜部３２と密着する必要があるため、傾斜部３２の中央部分は窪ませて湾曲させる。また、凸部２０は円錐台や角錐台などでもよい。その際、凹部２６は円錐台や角錐台を反転させた鍋底状に形成される。

凸部２０と凹部２６とは、ボルト３８などの締結部材によって固定する。図３では、第二接合部材８から第一接合部材６に向けてボルト３８を差し込んで固定を図っている。接合部材１の加工の容易さやボルト３８の寸法を考慮すると、接合部材１において凹部２６の底部２８の裏面から底部２８、頂上部２２の順に貫いてボルト３８を差し込むように設計することが好ましい。ボルト３８の挿通孔は長さを短くすることができる凹部部分に設けることが好ましい。また、ねじ穴の深さを長くすることによって、高い締結力を保持できることを考慮すると、深いねじ穴を設けることができる高さを有する凸部２０にねじ穴を設けることが好ましい。したがって、凹部２６の接合部材裏面から凸部２０及び凹部２６を接合させた際の対称軸ＡＳ方向を底部２８に向かってボルト３８を挿通させる凹部挿通孔３０を形成する。一方、相対する凸部２０においては頂上部２２から対称軸ＡＳ方向を接合部材裏面に向かってねじ穴を設ける。ねじ穴の長さは限定されないが、凹部挿通孔３０の長さと同等以上であることが好ましい。

逆に、凸部２０に挿通孔を設ける場合には、凸部挿通孔２４の長さは凹部挿通穴の二倍程度になり加工に無駄が生じる。一方、凹部２６底部１８から接合部材裏側に向かってねじ穴を設けることになるが、ねじ穴の長さを凸部挿通孔２４の長さに対して十分に設けることができず、高い締結力を得ることができない。

頂上部２２と底部２８との間の隙間３６は、締結部材によって予め定められた最適な締め付け力で固定された際に頂上部２２と底部２８とが当接しない程度の微小な間隔Ｄが好適である。これによって、頂上部２２と底部２８とを接触させて接合する場合には加工精度によって締結箇所毎に接触ムラが生じ締付トルクが不安定になる問題を解消することができる。隙間３６の間隔Ｄを大きく設定した場合には、凸部２０の傾斜部３２と凹部２６の傾斜部３２の接触面積が小さくなる。すなわち、外部からの負荷を受ける面積も小さくなり力が集中する度合が大きくなり耐久性が下がることになる。

図４は、本発明に係る接合部１０において締結部材軸線垂直方向から負荷が掛かった場合の力の伝わり方を示した概念図である。締結部材軸線は凸部２０及び凹部２６の対称軸ＡＳと同じ方向である。図４の左端から右水平方向に加えられた負荷は、接合している凸部２０及び凹部２６の最初の傾斜部３２に対して略垂直方向に伝わる。一例として、凸部２０の対称軸線と、傾斜部３２を延長する直線とによって挟まれる角度を３０度に設定し形成し、凹部２６の対称軸線と、傾斜部３２を延長する直線とによって挟まれる角度を同じ３０度に設定した窪み形状の凹部２６に形成した場合には、最初の凸部２０及び凹部２６の傾斜部３２に加わった負荷は水平方向から３０度下向きに伝わることになる。

二番目の凸部２０及び凹部２６の傾斜部３２に対しても略垂直方向に伝わる。したがって、傾斜部３２の角度が上の例示と同じ条件においては、凸部２０及び凹部２６の傾斜部３２に加わった負荷は水平方向から３０度上向きに伝わることになる。

凸部２０及び凹部２６の傾斜部３２を接触させることによって、各々の傾斜部３２に対して、その角度に応じた方向に力が伝わり緩衝作用を備えるので、締結部材軸線垂直方向からボルト３８に対して直接負荷を受けることがないためボルト３８の劣化の進行を遅らせることができ、接合部分の耐久性が向上する。

図には示していないが、凸部２０の頂上部２２と凹部２６の底部２８とが密着している場合には、第一接合部材６と第二接合部材８とが一体化した状態にあり、図４のように左端から右水平方向に加えられた負荷は、両接合部材各部分において水平方向に伝わる。接合面が凸凹の曲面であるため緩衝作用が働きボルト３８をせん断する力が直接伝わることはないが、力の分散が少なく、接合部材１の素材の疲労を軽減することはできない。また、連続する頂上部２２、底部２８及び傾斜部３２のすべてを均一に密着させるためには、傾斜部３２のみを密着させる場合と比較して厳しい加工精度が要求される。均一に密着できない場合には、負荷が任意の部分に集中するなど接合面の強度にも大きな影響を与える。

一方、頂上部２２と底部２８との間に隙間３６を設ける本発明に係る接合構造では、傾斜部３２の角度と、凸部２０及び凹部２６のピッチの加工精度とにのみ留意すればよく、連続する頂上部２２、底部２８及び傾斜部３２のすべてを密着させる場合と比較して加工が容易である。

図５は、平面の接合部を備えた接合部材同士を締結部材で接合した場合の断面図である。図左端から右水平方向に加えられた負荷は、第一平板接合部材５６と第二平板接合部材５８との間には負荷を受け止める緩衝部分がないため、締結部材軸線垂直方向からボルト３８をせん断する方向に直接負荷を受けるので、ボルト３８の劣化の進行が早い。したがって、接合部分の耐久性が低い。

図６は、本発明に係る接合部１０において締結部材軸線方向から負荷が掛かった場合の力の伝わり方を示した概念図である。接合部材外部から凸部２０頂上部２２及び凹部２６底部２８に向かって力が伝わる。一例として、傾斜部３２の角度が先と同じ凸部２０の対称軸線と、傾斜部３２を延長する直線とによって挟まれる角度を３０度に設定し形成し、凹部２６の対称軸線と、傾斜部３２を延長する直線とによって挟まれる角度を同じ３０度に設定した窪み形状の凹部２６に形成した場合、凸部２０の頂上部２２の周囲の傾斜部３２には、凸部２０の中心方向に向かって水平方向から３０度下向きに力が働く。これらの力は凸部２０の中心において相殺される方向成分が存在するため負荷を接合部材内で吸収することができる効果を有する。

頂上部２２と底部２８との間の間隔Ｄは、各部において必ずしも一定である必要はない。しかし、間隔Ｄが一定でない場合には、凸部２０の傾斜部３２と凹部２６の傾斜部３２との接触面積にバラつきが生じ力の伝わり方が均一にならない。一部が均一でない場合であっても、力の分散は多少減少するのみで耐久性への影響は小さいが、力の伝わり方が均一である方が耐久性への影響はより小さくできるため、隙間３６の間隔Ｄは一定であることが好ましい。

図７は、本発明に係る接合構造の他の実施例について、図３と同様に示した断面図である。凸部２０と接合させた凹部２６の対称軸ＡＳの位置に凸部２０の頂上部２２から接合部材裏面までボルト３８を挿通させる凸部挿通孔２４を設けて、対応する凹部２６の底部２８の位置から接合部材裏面まで同様にボルト３８を挿通させる凹部挿通孔３０を設けて、凸部２０と凹部２６を接合させた際に頂上部２２と底部２８との間に隙間３６を生じさせた状態で、接合部材において凹部２６の底部２８の裏面から底部２８、頂上部２２の順に貫いてボルト３８を第一接合部材６裏面にまで差し込む。第一接合部材６裏面において、ナット３９を用いてボルト３８と締め付けて凸部２０及び凹部２６を固定する。

図８は、本発明に係る接合構造を鉄道車両側構体入口モジュール１１０に用いた場合を示した図である。図１４に示したように鉄道車両側構体１００は垂直方向に切断していくつかのブロックに分割してモジュール化される。具体的には、運転台モジュール１４０、車端窓モジュール、中間窓モジュール、側壁モジュール、そして、各窓モジュールの間に位置する複数組の入口モジュール１１０などに形成されたモジュールを選択し長手方向に結合して構成される。図８は、入口モジュール１１０の一例である。入口モジュール１１０は、戸袋部１１４、入口天板部１１６及び入口底板部１１８を接合させて構成される。

図９は、入口モジュール１１０の各々の構成部位を示した。図９ａは、入口モジュール１１０の構成部位である戸袋部１１４を示した図である。戸袋部１１４はドア１１２を挟んで両側に配置される。したがって、入口モジュール１１０には左右対称の戸袋部１１４が一対必要となる。他の部位又は他のモジュールと接合される端部には、他の部位又は他のモジュールと接合される端部に配設された第一接合部材又は第二接合部材に相対する第一接合部材又は第二接合部材のいずれか一方が配設される。左右の他のモジュールと接合する接合部材は、入口天板部１１６の高さまでの長さを備えることが好ましい。戸袋部１１４と入口天板部１１６とに接合部材を分割した場合、隣接するモジュールとの接合強度が低下するため一体化した構造とした。図９ｂは、入口モジュール１１０の構成部位である入口天板部１１６を示した図である。戸袋部１１４と接合する端部には、戸袋部１１４の端部に配設された第一接合部材又は第二接合部材に相対する第一接合部材又は第二接合部材のいずれか一方が配置される。また、上端には屋根構体と接合するために、第一接合部材又は第二接合部材のいずれか一方が配置される。図９ｃは、入口モジュール１１０の構成部位である入口底板部１１８を示した図である。戸袋部１１４と接合する端部には、入口天板部１１６と同様に戸袋部１１４に配設された接合部材と相対する接合部材が配設される。

図１０は、本発明に係る接合構造を鉄道車両側構体窓モジュールａ１３２の窓部１２４に用いた場合を示した正面図である。他の部位又は他のモジュールと接合される端部には、他の部位又は他のモジュールと接合される端部に配設された第一接合部材又は第二接合部材に相対する第一接合部材又は第二接合部材のいずれか一方が配設される。図１３に示されるように、窓部１２４上端は窓天板部１２６が接合される。また、窓部１２４下端は窓底板部１２８が接合される。左右の他のモジュールと接合する接合部材は、窓天板部１２６の高さまでの長さを備えることが好ましい。窓部１２４と窓天板部１２６とに接合部材を分割した場合、隣接するモジュールとの接合強度が低下するため一体化した構造とした。窓部１２４には入口モジュール１１０と異なり開口したドア部分が存在しないため窓天板部１２６との接合は窓部１２４上端全範囲に亘る。

図１１は、本発明に係る接合構造を他の鉄道車両側構体窓モジュールｂ１３４の窓部１２４に用いた場合を示した正面図である。その他にも様々な窓のバリエーションを設定することが可能である。

図１２は、本発明に係る接合構造を備えた入口モジュール１１０に他のモジュールを接合し固定した正面図である。図では、一例として窓モジュール１２０を接合している。隣接するモジュール間の接合はボルトを使用する。ボルトを配置する間隔は各々の部分の負荷が掛かる状況などによって決定することができる。図では、垂直方向の接合部に関しては、負荷の影響が少ない中央部分のボルトの本数を減らしている。一方、水平方向の接合部に関しては、重力や乗客の重量の影響を大きく受けるため、一の接合部材の凸部２０又は凹部２６のいずれか一方すべてにボルトを配置している。ボルトの締め付けは適正の締付力を制御できる工具を用いることによって熟練した技術を必要としないため、品質管理は容易に行うことができる。

鉄道車両側構体１００は長いため、複数のモジュールの接合を溶接によって行う際には離れた箇所において溶接による歪みが生じ易くなるが、本発明に係る鉄道車両側構体モジュールによると、接合面を合わせてボルト等によって締め付けるだけで各部のモジュール同士を結合できるので、設計段階において設定した精度はそのまま鉄道車両構体の組み立て後の精度に反映させることができる。また、カーボン繊維やガラス繊維を用いた接合部材では、溶接による接合を行うことができない。

図１３は、本発明に係る接合構造を備えた入口モジュール１１０と窓モジュールを接合し固定した正面図である。図では、三枚の窓を備えた窓モジュールａ１３２を入口モジュール１１０の両側に配設したが、一方の窓モジュールを、二枚の窓を備えた窓モジュールｂ１３４に交換することも容易である。

接合がボルトなどの締結部材を使用して行われるため、接合部分の段差を解消する調整が容易である。また、近年の加工機械の精度は１００分の１ｍｍオーダ以下まで向上するとともに、ＣＡＤなどで設計した数値をそのまま加工機械にダウンロードするコンピュータ数値制御が可能であるため、複数の凸部２０と凹部２６を備える場合であっても、各々の傾斜部３２を密着させる程度の精密加工を行うことが可能となった。ただし、頂上部及び底部並びに傾斜部３２のすべてを均一に密着させる加工は理論的には可能であっても、現実には困難であることが分かっている。

また、一定期間鉄道車両を走行させた後の車両の改造工事が容易である。鉄道車両は、走行する際の振動や負荷によって、一番大きくダメージを受けるのが、開口部分が大きい入口モジュール１１０である。したがって、入口モジュール１１０を容易に交換することができれば、一車両そのものを交換する必要がなく、車両維持費の低コスト化を図ることができる。しかし、接合方法が溶接である場合には、現場施工の要素が大きく加わることになり、溶接を切り取っても切断部分の形状が安定しない。たとえ同じ設計による同形の新しい入口モジュール１１０であっても嵌め込むことができない場合が生じたり、取り付けができた場合であってもドア１１２が開かなくなる状態が生じたりするなど、改造工事前と状態が異なることがある。本発明に係る接合構造をモジュール化した鉄道車両側構体１００に採用する場合には、締結部材を予め定められた条件にしたがって使用し組み立てを行う限りは設計通りの組み立てが可能である。

本発明に係る接合構造によれば、使用によって経年劣化した入口モジュール１１０の取外しはボルトを緩めることによって容易に行うことができ、また取り外した跡は前回組み立てた際の形状に近く同形の新しい入口モジュール１１０を嵌め込むことが容易に行うことができる。したがって、車両の維持費を低く抑えることができる。

また、車端過重負荷時には、図４及び図６の説明の通り負荷の分散を図ることができ、破壊強度に優れている。

溶接に代わる接合方法として、大型機械設備、建築などの接合に活用することが可能である。

１ 接合部材
６ 第一接合部材
８ 第二接合部材
１０ 接合部
２０ 凸部
２２ 頂上部
２４ 凸部挿通孔
２６ 凹部
２８ 底部
３０ 凹部挿通孔
３２ 傾斜部
３６ 隙間
３８ ボルト
３９ ナット
５６ 第一平板接合部材
５８ 第二平板接合部材
１００ 側構体
１１０ 入口モジュール
１１２ ドア
１１４ 戸袋部
１１６ 入口天板部
１１８ 入口底板部
１２０ 窓モジュール
１２４ 窓部
１２６ 窓天板部
１２８ 窓底板部
１３２ 窓モジュールａ
１３４ 窓モジュールｂ
１３６ 窓モジュールｃ
１４０ 運転台モジュール
１５２ 床面

ＡＳ 対称軸
Ｄ 隙間の距離
Ｌ１ 底部の幅長
Ｌ２ Ｌ１に対応する頂上部の幅長
ＪＬ 接合線
α 凸部又は凹部対称軸線と傾斜部とによって挟まれる角度

上記課題を解決するために、本発明の接合構造は、凸部と凹部を相対させて締結部材を用いてカーボン繊維、ガラス繊維又は金属の各々を異種又は同種に組み合わせる接合構造において、凸部が、頂上方向に向かって縮小する傾斜部を有し、頂上部が平坦な形状に形成され、凹部が、前記凸部と密着可能に底方向に向かって縮小する傾斜部を有し、底部が前記凸部と接合させた際に前記頂上部との間に隙間を生じさせる平坦な形状に形成されて、接合させた凸部と凹部の前記頂上部と前記底部とを貫く位置を任意に選択し締結部材を用いて固定すること、前期隙間の距離が、締結部材によって予め定められた最適な締め付け力で固定された際にも前記頂上部と前記底部とが当接せず各部において一定距離であること、を特徴とする。

また、本発明の接合構造は、前記凸部及び前記凹部が軸対称であること、を特徴とする。

また、本発明の接合構造は、予め想定される負荷が前記傾斜部に加わる方向に、前記凸部及び前記凹部が、配設されること、を特徴とする。

本発明の鉄道車両側構体モジュールは、本発明にかかる接合部を備え、鉄道車両側構体において上下方向に接合を行う場合には、前記傾斜部を鉄道車両の前後方向に向けて、又は、鉄道車両側構体において前後方向に接合を行う場合には、前記頂上部及び前記底部を鉄道車両の前後方向に向けて、前記凸部及び前記凹部が配設されること、を特徴とする鉄道車両側構体モジュール。

Claims (7)

1. 凸部と凹部を相対させて締結部材を用いてカーボン繊維、ガラス繊維又は金属の各々を異種又は同種に組み合わせる接合構造において、
   凸部が、
   頂上方向に向かって縮小する形状に形成され、
   凹部が、
   前記凸部と密着可能に底方向に向かって縮小し、最底近傍の形状が前記凸部と接合させた際に最頂上近傍との間に隙間を生じさせる形状に形成されて、
   接合させた凸部と凹部の最頂上と最底とを貫く位置を任意に選択し締結部材を用いて固定すること、
   を特徴とする接合構造。
2. 前記凸部が、
   頂上方向に向かって縮小する傾斜部を有し頂上に平坦な頂上部が形成され、
   前記凹部が、
   前記凸部の傾斜部と沿うように底方向に向かって縮小する傾斜部を有し底に平坦な底部が形成されて、
   前記頂上部の形状が、
   前記底部の形状に対して大きい相似形に形成されたこと、
   を特徴とする請求項１に記載する接合構造。
3. 前記凸部と前記凹部とが隣り合って交互に現れるよう配置した第一接合部材と、
   前記凹部と前記凸部とが隣り合って交互に現れるよう配置した第二接合部材とを、
   接合させる際に、
   前記第一接合部材の前記凸部には前記第二接合部材の前記凹部を、
   前記第一接合部材の前記凹部には前記第二接合部材の前記凸部を、
   相対させて接合すること、
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載する接合構造。
4. 前記凸部と前記凹部を接合させた際の前記頂上部と前記底部との隙間の距離が、
   締結部材によって予め定められた最適な締め付け力で固定された際にも前記頂上部と前記底部とが当接しない距離であること、
   を特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載する接合構造。
5. 前記凸部及び前記凹部が軸対称であること、
   を特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載する接合構造。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載する接合構造を備えたこと、
   を特徴とする鉄道車両側構体モジュール。
7. 前記鉄道車両側構体モジュールを任意に組み合せて接合されたこと、
   を特徴とする鉄道車両側構体。
   

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