Body structure for railway vehicle

本発明は、鉄道車両の構体構造、特に乗り心地を向上させ、軽量化された構体構造に関する。

近年、鉄道車両の高速化に伴い車両の軽量化が求められるとともに、乗り心地等の乗客に対する快適性を向上させた鉄道車両が強く要望されている。 これに対して、側窓の大きさを小さくして、構体の曲げ剛性を高めることにより乗り心地を向上させた車両構体が知られている。

ところで、鉄道車両の側構体の構造の一つとして、２枚の面板と，この両面板同士を結合するリブとから構成されたアルミニウム合金製の中空の押し出し形材を用いたダブルスキン構造が知られている。 この構造を有する車両においても、同様に、軽量化と乗り心地の向上が要望されている。 これに対して、側構体に設けた窓と窓の間の部分である吹き寄せを構成する中空形材の面板の板厚のみを、側構体を構成する他の中空形材の面板の板厚と比べて車体長手方向に一様に厚くした鉄道車両構体が提案されている。 特許文献１は、上記構成により曲げ剛性が高く質量の軽い車両構体を提供できるとしている。

しかし、側窓を小さくすると、車内からの乗客の視野が制限され、開放感が損なわれる。 また、特許文献１に記載の車両構体は、吹き寄せを構成する中空形材の面板の板厚を車両長手方向に厚くしているため、曲げ剛性を高くすることができても、車両質量の増加を伴うという課題があった。

そこで、本発明の目的は、曲げ剛性を高めて乗り心地を向上させ、かつ軽量化された鉄道車両の構体構造を提供することである。

請求項１の発明は、側構体に車両長手方向に沿って複数の側窓開口部が形成されている鉄道車両の構体構造であって、前記側窓開口部は、車両長手方向の中央部位に配置される複数の大窓開口部と、この大窓開口部の、前記車両長手方向の両側に配置され前記大窓開口部よりも開口面積が小さい複数の小窓開口部とを含む、ことを特徴とする。 ここで、「大窓開口部」とは、図７（ａ）に示すように、横型腰掛け（いわゆるクロスシート）１０１の２列の腰掛けピッチＳＰ１より、車両長手方向の長さＬ１が大きな窓部である。 つまり、大窓開口部１３Ａの車両長手方向の長さＬ１は、シートピッチＳＰ１×２−吹き寄せ部１４Ａの寸法Ｌ２となる。 「小窓開口部」とは、図７（ｂ）に示すように、横形腰掛け１０１の１列ごとに、それぞれの小窓開口部１３Ｂが対応する配置とされるものをいう。 つまり、小窓開口部１３ＢのピッチがシートピッチＳＰ２と等しくなる。 なお、小窓開口部の形状は，矩形状のほか、丸形状も含む。

このようにすれば、車両長手方向の中央部位に配置される複数の大窓開口部と、この大窓開口部の、前記車両長手方向の両側に配置され前記大窓開口部よりも開口面積が小さい複数の小窓開口部とを組み合わせて側窓開口部を形成するので、大窓開口部だけで側窓開口部を形成する場合と比較して、側窓開口部間の吹き寄せ部の数を増やして、吹き寄せ部の面積を大きくすることができる。 よって、曲げ剛性を高め、乗り心地を向上させることができる。 また、車両長手方向の中央部位には、開口面積が大きい複数の大窓開口部が配置されるので、車内からの乗客の視野を確保することができる。

本発明は、曲げ剛性を高めて乗り心地を向上させ、かつ軽量化された鉄道車両の構体構造を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る車体の構成の概略を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は車内側から見た車体の一部を示す斜視図、（ｃ）は図１（ｂ）のＡ部の拡大図である。

本発明の実施の形態の変形例に係る車体の構成の概略を示す側面図である。

従来の車体の概略を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は車内側から見た車体の一部を示す斜視図である。

側窓開口部の部分拡大図であり、（ａ）は本発明の実施の形態の外側窓開口部、（ｂ）は従来の外側窓開口部を示す。

板厚分布の最適化結果を示す図であり、（ａ）は本発明の実施の形態に係る構体構造、（ｂ）は本発明の実施の形態の変形例に係る構体構造、（ｃ）は従来の構体構造における最適化結果を示す。

本発明の実施の形態の別の変形例について、車内側から見た側窓開口部間の部分拡大図である。

窓開口部と腰掛けの関係を示し、（ａ）は大窓開口部と腰掛けの関係を、（ｂ）は小窓開口部と腰掛けの関係を示す。

以下、本発明の実施の形態に係る鉄道車両の構体構造を図面に沿って説明する。

図１は本実施の形態に含まれる車体の構成の概略を示し、図１（ａ）は側面図、図１（ｂ）は車内側から見た車体の一部を示す斜視図である。 なお、図中の参照符号Ｐ１，Ｐ２は、車体１１を支持する支点で、前後２つの台車枠の枕はりの部位に対応する。

図１（ａ）（ｂ）に示すように、鉄道車両（客車）の車体１１は、側構体１１Ａを有する。 この側構体１１Ａの上部に屋根構体１１Ｂが、下部に台枠１１Ｃがそれぞれ結合されている。 そして、側構体１１Ａは、出入り口開口部１２Ａ，１２Ｂと、複数の側窓開口部１３とを備える。 側構体１１Ａは、図１（ｃ）に示すように、外側板部１１Ａａと内側板部１１Ａｂとウエブ部（接合部）１１Ａｃとを有し、外側板部１１Ａａと内側板部１１Ａｂがウエブ部１１Ａｃにより結合される、アルミニウム合金製のダブルスキン構造である。

出入り口開口部１２Ａ，１２Ｂは、側構体１１Ａの側部前後に形成され、出入り口開口部１２Ａと１２Ｂとの間には、車両長手方向に沿って複数の側窓開口部１３が一定間隔でもって形成されている。 側窓開口部１３は、車両長手方向に長い略矩形状の、４つの大窓開口部１３Ａと、この大窓開口部１３Ａよりも車両長手方向の長さが短い、前後６つずつの小窓開口部１３Ｂとを有する。 車両長手方向の中央部に複数の大窓開口部１３Ａが配置され、この大窓開口部１３Ａと出入り口開口部１２Ａ，１２Ｂとの間に、小窓開口部１３Ｂが形成されている。 これは、前記Ｐ１，Ｐ２の部位で車体の荷重が支持され、前記Ｐ１，Ｐ２の部位の方が中央部よりも大きなせん断力が作用するので、それに耐えうるように、大窓開口部１３Ａの両側であって前記Ｐ１，Ｐ２の部位付近に小窓開口部１３Ｂを配置して吹き寄せ部１４Ｂの数を増やしている。 一方、中央部はせん断力が小さいので、大窓開口部１３Ａを設けても問題ない。

続いて、側窓開口部１３（大窓開口部１３Ａ，小窓開口部１３Ｂ）の詳細について説明する。

図１（ｂ）に示すように、大窓開口部１３Ａは、外側板部１１Ａａに形成される外側窓開口１３Ａａと、内側板部１１Ａｂに形成される内側窓開口１３Ａｂとを含む。 外側窓開口１３Ａａ及び内側窓開口１３Ａｂは、いずれも車両長手方向に長い略矩形状である。 ここで、内側窓開口１３Ａｂは、内側板部１１Ａｂ及びウエブ部１１Ａｃを切除して形成されている。 この内側窓開口１３Ａｂの開口面積は外側窓開口１３Ａａの開口面積よりも大きい。 これは、車内側から、窓ガラス及び窓枠からなる窓ユニットを取り付けるためである。

小窓開口部１３Ｂも、大きさが異なるのみで、大窓開口部１３Ａと同様に、外側板部１１Ａａに形成される外側窓開口１３Ｂａと、内側板部１１Ａｂに形成される内側窓開口１３Ｂｂとを含み、内側窓開口１３Ｂｂは、内側板部１１Ａｂ及びウエブ部１１Ａｃを切除して形成されている。

大窓開口部１３Ａの間の吹き寄せ部１４Ａの車両長手方向の長さと、小窓開口部１３Ｂの間の吹き寄せ部１４Ｂの車両長手方向の長さと、大窓開口部１３Ａと小窓開口部１３Ｂとの間の吹き寄せ部１４Ｃの車両長手方向の長さとは、等しくなっている。

大窓開口部１３Ａ（外側窓開口１３Ａａ）と小窓開口部１３Ｂ（外側窓開口１３Ｂａ）とは、車両上下方向の高さが等しい。 また、大窓開口部１３Ａの車両長手方向の長さは、２つの小窓開口部１３Ｂ，１３Ｂとそれらの間に位置する吹き寄せ部１４Ｂとの車両長手方向の長さの和に等しくなっている。

図１に示す車体１１では、側窓開口部１３は、４つの大窓開口部１３Ａと、前後６つずつの小窓開口部１３Ｂとを有するが、図２に示す車体１１'のように、側窓開口部１３'は、６つの大窓開口部１３Ａと、前後４つずつの小窓開口部１３Ｂとを有する構造とすることも可能である。

次に、本実施の形態の側窓開口部１３と従来の側窓開口部２３との相違点について説明する。 図３は従来の車体の概略を示し、図３（ａ）は側面図、図３（ｂ）は車内側から見た車体の一部を示す斜視図である。

この従来の車体２１も、側構体２１Ａの側部前後に出入り口開口部２２Ａ，２２Ｂを備える。 出入り口開口部２２Ａと２２Ｂとの間には、車両長手方向に沿って一定の間隔で側窓開口部２３が形成されている。 この側窓開口部２３は、すべて、車両長手方向に長い略矩形状の大窓開口部で、１０個設けられている。

側構体２１Ａが、外側板部と内側板部とウエブ部（接合部）とを有する、アルミニウム合金製のダブルスキン構造である点と、側窓開口部２３は、側構体２１Ａの外側板部に形成される外側窓開口２３ａと、内側板部に形成される内側窓開口２３ｂとを含む点とは、前記実施の形態と同じである。 ただし、外側窓開口２３ａ及び内側窓開口２３ｂは、いずれも車両長手方向に長い矩形状であり、内側窓開口２３ｂの開口面積は外側窓開口２３ａの開口面積よりも大きい。 なお、２１Ｂは側構体２１Ａの上部に結合される屋根構体、２１Ｃは側構体２１Ａの下部に接続される台枠である。

また、図４は側窓開口部の部分拡大図であり、図４（ａ）は本発明の第１の実施の形態（第２の実施の形態）の外側窓開口部１３ａ、図４（ｂ）は従来の外側窓開口部２３ａを示す。 図４（ａ）に示すように、本実施の形態の外側窓開口１３Ａａ，１３Ｂａは、隣り合う外側窓開口１３Ａａ，１３Ｂａの間隔Ｌ１１（吹き寄せ部の車両長手方向の長さ間隔）が４００ｍｍ、外側窓開口１３Ａａ，１３Ｂａの車両長手方向の長さＬ１２，Ｌ１３がそれぞれ１５６０ｍｍ，５８０ｍｍである。 よって、大窓開口部１３Ａの外側窓開口１３Ａａの車両長手方向の長さは、２つの小窓開口部１３Ｂの外側窓開口１３Ｂａの車両長手方向の長さと吹き寄せ部１４Ｂの車両長手方向の長さの和に等しくなっている。 また、車両上下方向の長さＬ１４が６５０ｍｍ、外側窓開口１３Ａａの各隅の湾曲部の半径Ｒ１１が１２５ｍｍである。

例えば、大窓開口部１３Ａの車体長手方向の長さを１５６０ｍｍとし、小窓開口部１３Ｂの５８０ｍｍよりも大きくすることにより、車内から広い視野を確保し乗客に開放感を与え、快適性を向上させることができる。 また、上述のように、従来の側窓開口部２３と比較して、吹き寄せ部の数を増やして、吹き寄せ部の面積を大きくすることができるので、曲げ剛性を高め、乗り心地を向上させることができる。

乗客が着席する腰掛けが、車体１１のレール方向に対して各腰掛けを直角に配置した横型腰掛け配置（いわゆるクロスシート配置）であることから、大窓開口部１３Ａの車両長手方向の長さは、車両長手方向において隣接する腰掛け間のピッチよりも長く、前記ピッチの２倍より短くする必要があり、好ましくは、前記ピッチの１．５倍程度である。 腰掛け間のピッチと、吹き寄せ部の長さを調節することによって、大窓開口部１３Ａは２列の腰掛けに対して、小窓開口部１３Ｂは１列の腰掛けに対して配置され、車両が車両長手方向のいずれの方向に走行する場合も、腰掛けに着席している乗客に対して窓開口部１３Ａ，１３Ｂを通じての視野が確保されるようになっている。

一方、図４（ｂ）に示すように、従来の側窓開口部２３は、隣り合う外側窓開口の間隔Ｌ２１が３６０ｍｍ、車両長手方向の長さＬ２２が１６００ｍｍ、車両上下方向の長さＬ２３が６５０ｍｍ、外側窓開口の各隅の湾曲部の半径Ｒ２１が１２５ｍｍである。

このように、本実施の形態は、従来の構造と比較して、吹き寄せ部の数を増やして、吹き寄せ部の総面積を大きくしている。 台車枠の枕はりの部位Ｐ１，Ｐ２を支点として車体１１には曲げ荷重（せん断力）が作用するが、このように吹き寄せ部を増やすという構成により曲げ剛性を高めた構体構造とすることができる。

次に、設計変数をアルミニウム合金製のダブルスキン構造の押し出し形材の板厚、制約条件を車体固有振動数、目的関数を構体質量として、構体質量が最小となるようにした最適化解析を行った。 鉄道車両において、良好な乗り心地を確保するためには、台車のばね系の固有振動数よりも車体固有振動数を１Ｈｚ以上大きくした方がよい。 そこで、本実施の形態において、台車のばね系の固有振動数がＮＨｚであるとき、制約条件である車体の固有振動数をＮ＋１．２Ｈｚとしている。 なお、図３に示した従来構造の車体の固有振動数はＮ＋０．２Ｈｚである。

図５は板厚分布の最適化結果を示す図であり、図５（ａ）は本発明の実施の形態に係る構体構造、図５（ｂ）は本発明の実施の形態の変形例に係る講体構造、図５（ｃ）は従来の構体構造における最適化結果を示す。

以上の結果より、従来の構体構造の車体の固有振動数をＮ＋１．２Ｈｚまで大きくするためには、図５（ｃ）に示す板厚分布となり、構体質量が１．８６ｔｏｎ増加する。 それに対して、本実施の形態の構体構造では、図５（ａ）（ｂ）に示す板厚分布となり、それぞれ０．４７ｔｏｎ，０．８１ｔｏｎ増加するだけである。 なお、図５に示す最適化結果は、台車のばね系の固有振動数Ｎを８．５Ｈｚと想定した場合についてのものであるが、台車のばね系の固有振動数Ｎが変化しても同様な結果が得られることは確認されている。
このように、本実施の形態に係る鉄道車両の構体構造は、乗り心地を改善して快適性を向上させるだけでなく、車両の軽量化を図ることができる。

そして、図４（ａ）に示す側窓開口部の寸法から、車体１１を支持する台車枠の枕はり間（Ｐ１，Ｐ２の間）において、その車両長手方向の中央位置Ｘを中心として、大窓開口部１３Ａが配置されている範囲の長さＶを計算する。 その計算によれば、図１に示す車体１１の場合には、前記枕はり間の車両長手方向の長さをＷとすると、その長さＷのほぼ４／９に相当する長さＶの範囲に大窓開口部１３Ａが配置されている。 また、図２に示す車体１１'の場合には、前記長さＷのほぼ６／９に相当する長さの範囲に大窓開口部１３Ａが配置されている。

よって、大窓開口部１３Ａは、車体１１を支持する台車枠の枕はり間（Ｐ１，Ｐ２の間）において、その車両長手方向の中央位置Ｘを中心として、前記枕はり間の車両長手方向長さＷの４／９〜６／９に相当する車両長手方向長さＶの範囲に配置されていれば（図１（ａ）参照）、曲げ剛性を高めて乗り心地を向上させ、かつ軽量化されることが予測される。 ここで、台車枠の枕はり間（Ｐ１，Ｐ２の間）についてのみ考慮しているのは、この間の部分が車体１１の曲げ剛性に影響するからである。

前記実施の形態は、次のように変更して実施することも可能である。

(i)側構体を、アルミニウム合金製のダブルスキン構造としているが、本発明はそれに制限されるものではなく、外側板部だけのシングルスキン構造であっても適用することができる。 前述した場合と同様に、吹き寄せ部の数を増やして、吹き寄せ部の面積を大きくすることができるので、曲げ剛性を高め、乗り心地を向上させることができるからである。

(ii)図６に示すように、内側板部に形成される内側窓開口１３Ａｂ'，１３Ｂｂ'の開口面積よりも、外側板部に形成される外側窓開口１３Ａａ'，１３Ｂａ'の開口面積を、前述した場合よりもさらに小さくして、シングルスキン構造となる外側板部１１Ａａのみの部分の面積を大きくした大窓開口部１３Ａ'および小窓開口部１３Ｂ'とすることも可能である。 このようにすれば、従来の側窓開口部と比較して、吹き寄せ部１４Ｄが占める面積を大きくすることができ、曲げ剛性を高めて乗り心地を向上させる上で有利となる。

(iii)前記大窓開口部及び小窓開口部の開口形状は、前述したように略矩形状である必要はなく、例えば、大窓開口部を略長円形状、小窓開口部を略円形状とすることも可能である。

１１，１１' 車体 １１Ａ 側構体 １１Ａａ 外側板部 １１Ａｂ 内側板部 １１Ａｃ ウエブ部（接合部）
１３ 側窓開口部 １３Ａ，１３Ａ' 大窓開口部 １３Ａａ，１３Ａａ' 外側窓開口 １３Ａｂ，１３Ａｂ' 内側窓開口 １３Ｂ 小窓開口部 １３Ｂａ，１３Ｂａ' 外側窓開口 １３Ｂｂ，１３Ｂｂ' 内側窓開口 １４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ 吹き寄せ部