WO2014027440A1 - 鉄道車両の台車枠 - Google Patents

Description

鉄道車両の台車枠

　本発明は、鉄道車両の台車枠に関し、特に、主電動機、歯車装置、ブレーキ装置などの機能部品を台車枠に取り付けるための受座に着目し、その受座を台車枠に溶接接合する際に溶接施工性を向上させるとともに、機能部品の取付け位置の設計自由度を高めることを図った鉄道車両の台車枠に関する。

　一般に、鉄道車両は、車体とこれを支持する台車とから構成され、台車の台車枠に機能部品として主電動機、歯車装置、ブレーキ装置などが取り付けられている。鉄道車両は、主電動機の動力が歯車装置を介して輪軸に伝達されることによりレール上を走行し、ブレーキ装置の作動に伴って例えば輪軸の回転が抑えられることにより制動する。

　図１は、従来の台車枠を示す平面図である。図２は、従来の台車枠における機能部品の取付け構造の一例を模式的に示す横ばりの横断面図である。図２では、レール方向に沿った断面を示しており、その構造を理解できるように車体５と車体側からの中心ピン６も明示している。

　図１に示すように、台車枠は、レール方向に沿って配置される左右に一対の側ばり１と、これらの側ばり１をつなぐ横ばり２とを備える。横ばり２は、図２に示すように、横断面が円形の丸パイプを２本並列に配置して構成され、それらの両端のそれぞれが溶接によって側ばり１に溶接接合されている。丸パイプの横ばり２同士は、一体的な剛性を確保するために、上下に一対の補強板２ａ、２ｂが架け渡されて溶接接合されている。

　横ばり２には、その外周面に、主電動機取付け用の受座３ａ、歯車装置取付け用の受座３ｂおよびブレーキ装置取付け用の受座３ｃといった機能部品取付け用の受座３が、それぞれ溶接によって接合されている。図２には、２本の丸パイプの横ばり２のうち、一方の横ばり２の外側半分の外周面に受座３が溶接接合され、この受座３に機能部品４として主電動機が取り付けられた状態を例示している。受座３は、複数枚の鋼板材を溶接によって組み合わせてなる。

　ここで、主電動機、歯車装置、ブレーキ装置などの機能部品は台車枠（横ばり）に高い負荷をもたらすため、機能部品取付け用の受座は頑丈強固で疲労強度が高いことが不可欠である。ただし、複数枚の鋼板材を溶接によって組み合わせてなる受座の場合、横ばりとの溶接部、さらに受座を構成する鋼板材同士の溶接部は、鋼板材自体の母材部と比べて、疲労強度（例えば、ＪＩＳ－Ｅ－４２０７に準拠）が低い。このため、受座の疲労強度の不用意な低下を抑制する工夫が求められる。

　この要求に対応する従来技術として、特許文献１には、受座を構成する鋼板材の形状を変更し、応力を低減させる技術が開示されている。また、特許文献２には、受座を構成する鋼板材の形状を変更するとともに、受座を組み立てる際の溶接手順を適正化し、溶接継手品質を向上させる技術が開示されている。

　しかし、特許文献１、２に開示される技術を含め、図１および図２に示す従来の台車枠では、受座３が複数枚の鋼板材を溶接により組み合わせて構成されるとともに、丸パイプからなる横ばり２の外周面に受座３が溶接されることから、短い溶接線および曲線状の溶接線が数多く存在する。その結果、溶接施工の能率が低く、溶接ロボットによる自動溶接も困難となり易い。

　また、実際のところ、機能部品は鉄道車両の仕様に応じて種類が異なり、重量や性能（作用力、荷重など）が異なる。このため、台車枠（横ばり）への機能部品の取付け位置は一様でなく、鉄道車両の仕様ごとに個別に設計する必要がある。この点、従来の設計では、鉄道車両の仕様に応じた機能部品の取付け位置に見合うように、受座の寸法形状、すなわち受座を構成する鋼板材の寸法形状を変更して対応している。もちろん、その設計変更に際しては、受座の疲労強度が低下しないように、受座を強固な形状にする必要がある。

　しかし、従来の台車枠では、機能部品の取付けが困難な状況が生じ得る。以下にその状況を説明する。

　図３は、従来の台車枠において機能部品の取付けが困難な状況の一例を模式的に示す横ばりの横断面図である。同図では、前記図２と同様に、レール方向に沿った断面を示している。

　図３に示すように、鉄道車両の仕様により、機能部品４の取付け位置が、２本の丸パイプの横ばり２のうちの一方の横ばり２の最頂部より下方であって、その一方の横ばり２寄りである場合、受座を設置するスペースが無く、機能部品４が横ばり２に干渉する状況となる。この場合、受座の寸法形状をいかに変更しても機能部品４の取付けは不可能であるため、横ばり２を含めて台車枠全体の寸法構成を見直さざるを得ない。このため、従来の台車枠では、機能部品の取付け位置の設計自由度が著しく低い。

特許第４２９２９８０号公報 特許第３８７３６５９号公報

　本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、機能部品取付け用の受座の溶接施工性を向上させるとともに、機能部品の取付け位置の設計自由度を高めることが可能な鉄道車両の台車枠を提供することを目的とする。

　本発明者らは、上記目的を達成するため、機能部品取付け用の受座を横ばりに溶接接合する際に、溶接線が比較的長くて直線状となる条件を満足し、さらに、横ばりを含めた台車枠全体の寸法構成を変えることなく、鉄道車両の仕様に応じた適正な位置に機能部品の取付けが可能となる技術について鋭意検討を重ねた。その結果、矩形の横断面で天板部、底板部および一対の側板部を有する横ばりを採用した上で、天板部に一方の側板部までにわたり切欠き穴を形成し、この切欠き穴に受座を差し込み、受座と天板部とを突合せ溶接によって接合するのが有効であることを知見した。

　本発明は、このような知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記の鉄道車両の台車枠にある。すなわち、レール方向に沿って配置される左右に一対の側ばりと、これらの側ばりをつなぐ横ばりと、この横ばりに接合される機能部品取付け用の受座とを備えた鉄道車両の台車枠であって、横ばりは横断面が矩形で天板部、底板部および一対の側板部を有し、天板部には一方の側板部までにわたり切欠き穴が形成されており、この切欠き穴に受座が差し込まれ、受座と天板部とが突合せ溶接によって接合されていることを特徴とする鉄道車両の台車枠である。

　上記の台車枠においては、前記受座が鍛造または削り出しによって成形された一体成形部材であることが好ましい。

　また、上記の台車枠では、前記横ばりが４面板合わせ、角パイプまたはプレス成形材で構成されることが好ましい。

　本発明の鉄道車両の台車枠によれば、受座を横ばりに溶接接合するにあたり、横ばりと機能部品取付け用の受座との溶接線が比較的長くて直線状となるため、溶接施工性を向上させることができる。しかも、鉄道車両の仕様に応じて、受座と切欠き穴の寸法形状を変更するだけで、横ばりにあらゆる機能部品の取付けが可能となり、機能部品の取付け位置の設計自由度を高めることができる。

図１は、従来の台車枠を示す平面図である。 図２は、従来の台車枠における機能部品の取付け構造の一例を模式的に示す横ばりの横断面図である。 図３は、従来の台車枠において機能部品の取付けが困難な状況の一例を模式的に示す横ばりの横断面図である。 図４は、本発明の第１実施形態の台車枠における機能部品の取付け構造の一例を模式的に示す横ばりの横断面図であり、図４（ａ）は横ばりから機能部品と受座を分離した状態を示し、図４（ｂ）は横ばりに受座を接合し機能部品を取り付けた状態を示す。 図５は、本発明の第２実施形態の台車枠における機能部品の取付け構造の一例を模式的に示す横ばりの横断面図であり、図５（ａ）は横ばりから機能部品と受座を分離した状態を示し、図５（ｂ）は横ばりに受座を接合し機能部品を取り付けた状態を示す。 図６は、本発明の第３実施形態の台車枠における機能部品の取付け構造の一例を模式的に示す横ばりの横断面図であり、図６（ａ）は横ばりから機能部品と受座を分離した状態を示し、図６（ｂ）は横ばりに受座を接合し機能部品を取り付けた状態を示す。 図７は、本発明の第４実施形態の台車枠における機能部品の取付け構造の一例を模式的に示す横ばりの横断面図であり、図７（ａ）は横ばりから機能部品と受座を分離した状態を示し、図７（ｂ）は横ばりに受座を接合し機能部品を取り付けた状態を示す。 図８は、本発明の第５実施形態の台車枠における機能部品の取付け構造の一例を模式的に示す横ばりの横断面図であり、図８（ａ）は横ばりから機能部品と受座を分離した状態を示し、図８（ｂ）は横ばりに受座を接合し機能部品を取り付けた状態を示す。

　以下に、本発明の鉄道車両の台車枠について、その実施形態を詳述する。

　＜第１実施形態＞
　図４は、本発明の第１実施形態の台車枠における機能部品の取付け構造の一例を模式的に示す横ばりの横断面図であり、図４（ａ）は横ばりから機能部品と受座を分離した状態を示し、図４（ｂ）は横ばりに受座を接合し機能部品を取り付けた状態を示す。同図では、前記図２と同様に、レール方向に沿った断面を示し、機能部品４として主電動機を例示している。後述する第２～第５実施形態でも同様とする。図４に示す第１実施形態の台車枠は、前記図１、図２に示す台車枠の構成を基本とするものであり、重複する説明は適宜省略する。

　第１実施形態では、図４に示すように、受座３は、上下に分割された上側受座３１と下側受座３２とから構成される。上側受座３１は機能部品４の上側を保持し、下側受座３２はその機能部品４の下側を保持する。上側受座３１および下側受座３２はそれぞれ一体成形部材である。

　これら一体成形部材の受座３（上側受座３１および下側受座３２）は、鍛造または削り出しによって成形されたものであるのが好ましい。鍛造または削り出しによれば、複雑な形状の受座３であっても比較的容易に成形することができ、受座３自体（母材部）の強度も格段に向上するからである。

　横ばり２は、横断面が横長の矩形であり、天板部２１、底板部２２および一対の側板部２３、２４を有する。第１実施形態の横ばり２は、横断面が横長の角パイプで構成される。その他に、断面コ字状にプレス成形された一対のプレス成形材を組み合わせて溶接接合したり、断面コ字状のプレス成形材に鋼板材を組み合わせて溶接接合したりして構成することもできる。

　図４（ａ）に示すように、横ばり２の天板部２１には、一方の側板部２３（図４では右端の側板部）までにわたり、上側受座３１を受け入れる上側切欠き穴２６が形成されている。横ばり２の底板部２２には、同じく一方の側板部２３までにわたり、下側受座３２を受け入れる下側切欠き穴２７が形成されている。以下、これらの上側切欠き穴２６および下側切欠き穴２７を総称して切欠き穴２５ともいう。

　そして、横ばり２の上側切欠き穴２６に上側受座３１が差し込まれ、この上側受座３１は、上側切欠き穴２６の輪郭に沿って適宜開先を施した上で、溶接が施される。すなわち、図４（ｂ）に示すように、上側受座３１は、横ばり２の天板部２１に突合せ溶接によって接合され、側板部２３（厳密には、天板部２１の側板部２３寄りの一部も）には隅肉溶接によって接合される。

　同様に、横ばり２の下側切欠き穴２７に下側受座３２が差し込まれ、この下側受座３２は、下側切欠き穴２７の輪郭に沿って溶接が施される。すなわち、図４（ｂ）に示すように、下側受座３２は、横ばり２の底板部２２に突合せ溶接によって接合され、側板部２３（厳密には、底板部２２の側板部２３寄りの一部も）には隅肉溶接によって接合される。図４（ｂ）には、突合せ溶接の溶接ビードｗｇ１と、隅肉溶接の溶接ビードｗｇ２を明示している。なお、図４（ｂ）には溶接部の開先形状は省略している。

　横ばり２に受座３（上側受座３１および下側受座３２）が溶接接合された台車枠は、その受座３に機能部品４が取り付けられる。

　このような第１実施形態の台車枠によれば、矩形の横断面で天板部２１、底板部２２および一対の側板部２３、２４を有する横ばり２を採用した上で、天板部２１に一方の側板部２３までにわたり切欠き穴２５を形成し、この切欠き穴２５に受座３を差し込み、受座３と天板部２１とを突合せ溶接によって接合しているので、溶接線は比較的長くて直線状となる。このため、受座３を横ばり２に溶接接合するにあたり、溶接施工性を向上させることができ、溶接ロボットによる自動溶接でも容易に対応することが可能である。しかも、鉄道車両の仕様に応じて、受座３と切欠き穴２５の寸法形状を変更するだけで、横ばり２にあらゆる機能部品４の取付けが可能となり、その結果として、機能部品４の取付け位置の設計自由度を高めることができる。

　さらに、受座３の疲労強度の安全度を向上させることも可能である。その理由を以下に示す。技術常識として、疲労強度（例えば、ＪＩＳ－Ｅ－４２０７に準拠）は、溶接部よりも母材部の方が高い。従来の台車枠では、受座３と横ばり２との溶接部は形状変化点であるため、ここに応力集中が起こる。これに対して、第１実施形態の台車枠では、受座３と横ばり２（天板部２１）との溶接部は突合せ溶接によって形成されるので、ここには応力集中が起こらない。また、機能部品４の取付け位置に応じ、一体成形部材の受座３に形状変化点を作ることができ、これにより、応力集中部を溶接部から遠ざけることが可能になる。さらに、一体成形部材の受座３は、従来の台車枠のように複数枚の鋼板材を溶接によって組み合わせてなる受座よりも、レール方向とは直角な枕木方向に沿う断面積を増加できるので、応力集中はより小さくなる。これらのことから、第１実施形態の台車枠では、受座３の疲労強度の安全度が向上する。

　＜第２実施形態＞
　図５は、本発明の第２実施形態の台車枠における機能部品の取付け構造の一例を模式的に示す横ばりの横断面図であり、図５（ａ）は横ばりから機能部品と受座を分離した状態を示し、図５（ｂ）は横ばりに受座を接合し機能部品を取り付けた状態を示す。同図に示す第２実施形態の台車枠は、前記図４に示す第１実施形態の台車枠の構成のうち、受座の構成を変形し、これに伴って横ばりの切欠き穴の構成を変形したものである。

　第２実施形態では、図５に示すように、受座３は上下に分割されていない。すなわち、第２実施形態の受座３は、それ自体で機能部品４の上側と下側の両方を保持する１つの一体成形部材である。

　一方、第２実施形態の切欠き穴２５は、１つの受座３を受け入れるため、図５（ａ）に示すように、上下に分離しておらず、横ばり２の天板部２１から一方の側板部２３（図５では右端の側板部）までにわたり、さらにそのまま底板部２２までにわたり形成されている。

　そして、横ばり２の切欠き穴２５に受座３が差し込まれ、この受座３は、切欠き穴２５の輪郭に沿って溶接が施される。すなわち、図５（ｂ）に示すように、受座３は、横ばり２の天板部２１および底板部２２に突合せ溶接によって接合され、側板部２３には、その下端部の極僅かな領域であるが、隅肉溶接によって接合される。横ばり２に受座３が溶接接合された台車枠は、その受座３に機能部品４が取り付けられる。

　このような第２実施形態の台車枠でも、前記第１実施形態と同様の効果を奏する。とりわけ、第２実施形態の台車枠は、機能部品４の取付け位置が、横ばり２の最頂部より下方であって、その横ばり２寄りである場合、すなわち、そのままでは機能部品４が横ばり２に干渉するような場合に有用である。

　＜第３実施形態＞
　図６は、本発明の第３実施形態の台車枠における機能部品の取付け構造の一例を模式的に示す横ばりの横断面図であり、図６（ａ）は横ばりから機能部品と受座を分離した状態を示し、図６（ｂ）は横ばりに受座を接合し機能部品を取り付けた状態を示す。同図に示す第３実施形態の台車枠は、前記図４に示す第１実施形態の台車枠の構成のうち、横ばりの構成を変形したものである。

　第３実施形態では、図６に示すように、横ばり２は、横断面が正方形の角パイプを２本並列に配置して構成される。角パイプの横ばり２同士は、前記図１、図２に示す丸パイプの横ばり２と同様に、上下に一対の補強板２ａ、２ｂが架け渡されて溶接接合されている。

　一方、第３実施形態の切欠き穴２５は、図６（ａ）に示すように、上側受座３１を受け入れる上側切欠き穴２６と、下側受座３２を受け入れる下側切欠き穴２７とから構成される。上側切欠き穴２６は、２本の角パイプの横ばり２のうちの一方の横ばり２の天板部２１から、その天板部２１につながる一方の側板部２３（図６では右端の側板部）までにわたり形成されている。下側切欠き穴２７は、上側切欠き穴２６が形成された角パイプの横ばり２の底板部２２から、同じくその底板部２２につながる一方の側板部２３（図６では右端の側板部）までにわたり形成されている。

　そして、前記第１実施形態と同様に、横ばり２の上側切欠き穴２６、下側切欠き穴２７にそれぞれ上側受座３１、下側受座３２が差し込まれ、溶接が施された後、その受座３（上側受座３１および下側受座３２）に機能部品４が取り付けられる。

　このような第３実施形態の台車枠でも、前記第１実施形態と同様の効果を奏する。

　特に、第３実施形態の台車枠の場合、従来の台車枠と比較して、横ばりの断面２次モーメントの増加による応力低減効果がある。その理由を以下に示す。

　第３実施形態の台車枠と従来の台車枠における横ばりの外形寸法が同じであると仮定して、両者の断面２次モーメントを比べる。すなわち、従来の横ばりは、横断面が円形の丸パイプであるので、その外径をｄ_２とし、内径をｄ_１とすれば、第３実施形態の横ばりは、横断面が正方形の角パイプであるので、その外幅がｄ_２となり、内幅がｄ_１となる（前記図２、図６（ｂ）参照）。

　この場合、公式に従って、従来の横ばりの断面２次モーメントＩ_Ａは下記（１）式で求められ、第３実施形態の横ばりの断面２次モーメントＩ_Ｂは下記（２）式で求められる。
　Ｉ_Ａ＝（ｄ_２ ^４－ｄ_１ ^４）×π÷６４＝０．０４９×（ｄ_２ ^４－ｄ_１ ^４）　・・・（１）
　Ｉ_Ｂ＝（ｄ_２ ^４－ｄ_１ ^４）÷１２＝０．０８３×（ｄ_２ ^４－ｄ_１ ^４）　・・・（２）

　また、曲げ応力σは、公式に従って、断面２次モーメントＩと曲げモーメントＭに基づき下記（３）式で求められる。
　σ＝Ｍ×ｈ÷Ｉ　・・・（３）
　上記（３）式中、ｈは任意の高さを意味する。

　ここで、上記（３）式より、同じ曲げモーメントが作用する場合、断面２次モーメントＩが大きいほど、曲げ応力σは小さくなる。上記（１）、（２）式より、従来の横ばりのＩ_Ａと第３実施形態の横ばりのＩ_Ｂを比較すると、その係数は、第３実施形態の方が従来よりも大きい。したがって、第３実施形態の台車枠は、従来の台車枠と比較して、横ばりに作用する曲げ応力が小さくなり、応力低減の効果がある。

　なお、第３実施形態の台車枠における横ばりの構成は、前記第２実施形態の台車枠に適用することもできる。

　＜第４実施形態＞
　図７は、本発明の第４実施形態の台車枠における機能部品の取付け構造の一例を模式的に示す横ばりの横断面図であり、図７（ａ）は横ばりから機能部品と受座を分離した状態を示し、図７（ｂ）は横ばりに受座を接合し機能部品を取り付けた状態を示す。同図に示す第４実施形態の台車枠は、前記図４に示す第１実施形態の台車枠の構成のうち、横ばりの構成を変形したものである。

　第４実施形態では、図７に示すように、横ばり２は、横断面が横長の矩形となるように、４面板合わせで構成される。すなわち、第４実施形態の横ばり２は、天板部２１、底板部２２および一対の側板部２３、２４がそれぞれ鋼板材を素材とし、これらの鋼板材を組み合わせて溶接接合して構成される。この横ばり２の内部には、強度を確保するために、側板部２３、２４と平行に補強リブ２ｃが立設されている。このような横ばり２に、前記第１実施形態と同様に、上側切欠き穴２６と下側切欠き穴２７が形成されている。

　そして、前記第１実施形態と同様に、横ばり２の上側切欠き穴２６、下側切欠き穴２７にそれぞれ上側受座３１、下側受座３２が差し込まれ、溶接が施された後、その受座３（上側受座３１および下側受座３２）に機能部品４が取り付けられる。

　このような第４実施形態の台車枠でも、前記第１実施形態と同様の効果を奏する。

　なお、第４実施形態の台車枠における横ばりの構成も、前記第２実施形態の台車枠に適用することができる。

　＜第５実施形態＞
　図８は、本発明の第５実施形態の台車枠における機能部品の取付け構造の一例を模式的に示す横ばりの横断面図であり、図８（ａ）は横ばりから機能部品と受座を分離した状態を示し、図８（ｂ）は横ばりに受座を接合し機能部品を取り付けた状態を示す。同図に示す第５実施形態の台車枠は、前記図４に示す第１実施形態の台車枠の構成のうち、受座の構成を変形し、これに伴って横ばりの切欠き穴の構成を変形したものである。

　第５実施形態では、図８に示すように、受座３は上側受座３１と下側受座３２に分割されているが、そのうちの下側受座３２は、横ばり２の最下部より上方に配置されるものである。

　一方、図８（ａ）に示すように、横ばり２の天板部２１には、前記第１実施形態と同様に、一方の側板部２３（図８では右端の側板部）までにわたり、上側受座３１を受け入れる上側切欠き穴２６が形成されている。また、横ばり２の同じく一方の側板部２３には、下側受座３２を受け入れる下側切欠き穴２７が形成されている。さらに、横ばり２の底板部２２には、下側切欠き穴２７の近傍に作業用の開口穴２８が形成されている。

　そして、前記第１実施形態と同様に、横ばり２の上側切欠き穴２６に上側受座３１が差し込まれ、溶接が施される。また、横ばり２の下側切欠き穴２７に下側受座３２が差し込まれ、溶接が施される。その際、図８（ｂ）に示すように、下側受座３２は、横ばり２の側板部２３に隅肉溶接によって接合される。横ばり２に受座３（上側受座３１および下側受座３２）が溶接接合された台車枠は、その受座３に機能部品４が取り付けられる。ここで、機能部品４は、例えばボルト２９によって下側受座３２に固定されるが、その固定作業は、横ばり２の底板部２２に形成されている開口穴２８を通じて行える。

　このような第５実施形態の台車枠でも、前記第１実施形態と同様の効果を奏する。

　なお、第５実施形態の台車枠における受座および横ばりの構成は、前記第３、第４実施形態の台車枠に適用することもできる。

　本発明の鉄道車両の台車枠は、あらゆる鉄道車両に有用である。

　　１：側ばり、　　２：横ばり、　　２ａ、２ｂ：補強板、
　　２ｃ：補強リブ、
　　３、３ａ、３ｂ、３ｃ：受座、　　４：機能部品、
　　５：車体、　　６：中心ピン、
　　２１：天板部、　　２２：底板部、　　２３、２４：側板部、
　　２５：切欠き穴、　　２６：上側切欠き穴、　　２７：下側切欠き穴、
　　２８：開口穴、　　２９：ボルト、
　　３１：上側受座、　　３２：下側受座、
　　ｗｇ１：突合せ溶接の溶接ビード、　　ｗｇ２：隅肉溶接の溶接ビード

Claims (3)

1. 　レール方向に沿って配置される左右に一対の側ばりと、これらの側ばりをつなぐ横ばりと、この横ばりに接合される機能部品取付け用の受座とを備えた鉄道車両の台車枠であって、
   　横ばりは横断面が矩形で天板部、底板部および一対の側板部を有し、天板部には一方の側板部までにわたり切欠き穴が形成されており、この切欠き穴に受座が差し込まれ、受座と天板部とが突合せ溶接によって接合されていることを特徴とする鉄道車両の台車枠。
2. 　前記受座が鍛造または削り出しによって成形された一体成形部材であることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の台車枠。
3. 　前記横ばりが４面板合わせ、角パイプまたはプレス成形材で構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の鉄道車両の台車枠。

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