Curved plate for railway car body structure, first car body structure, and method for manufacturing curved plate for railway car body structure

本発明は、鉄道車両構体用の曲面板、先頭車両構体、及び鉄道車両構体用の曲面板の製造方法に関する。

高速鉄道車両の先頭車両は、立体的な流線形状をなしており、先頭車両構体の外板を所定の曲面形状に加工することで形成されている。 先頭車両構体の外板は、金属板を手作業等により曲げ加工して製作される場合もあれば、金属素材を機械加工によって切削して製作される場合もある。 外板を曲げ加工によって製作する場合、外板が三次元曲面をなしているため、外板には基準となりうる平面が存在せず、外板を車両の骨組みに固定する作業を行う際の取付寸法管理が難しい。 他方、外板を機械加工によって製作する場合、機械加工機の定盤に金属素材を固定するための加工基準面が金属素材に必要となるが、外板が三次元曲面をなすため、加工基準面は、外板を車両の骨組みに取り付ける際に必要となる取付基準面とは通常は一致せず、取付基準面としては利用できない。

特許文献１の曲面板の製作方法では、プレス成形した曲面板の外周部の所定箇所にポイントマークを形成し、加工機の各ジャッキにポイントマークを載せて各ジャッキの高さを基準高さに調整し、機械加工により曲面板の一方面を切削してリブを形成し、更に曲面板の他方面を切削して曲面板を所定の形状及び厚さに仕上げ、最後に曲面板の外周部をトリミングしている。

しかしながら、特許文献１の場合、曲面板に取付基準面がなく、車両の骨組みへの取り付け作業を行う際の取付寸法管理に熟練を要する。 また、機械加工時には、加工対象の曲面板が所定の姿勢に位置決めされるように各ジャッキの高さを調整せねばならず、ジャッキ等の治具が必要となると共に、高さ調整作業も必要となる。 更に、曲面板の外周部にポイントマーク等を設けて最後に外周部をトリミングするため、トリミングされる部分の材料が無駄になる。

そこで本発明は、鉄道車両構体用の曲面板の車両への取り付けを容易にし、機械加工のための複雑な治具や調整作業を不要にし、材料の無駄も削減することを目的としている。

本発明に係る鉄道車両構体用の曲面板は、車外に面する外面と車内に面する内面とを有する曲面形状の板本体と、前記板本体の内面から車内側に向けて突出した複数の補強リブと、を備え、前記複数の補強リブの少なくとも２つは、前記板本体の外面を機械加工する際の基準面として同一平面上に形成された加工基準面を有し、前記複数の補強リブの少なくともいずれかは、車両に取り付ける際の基準面としてレール方向、枕木方向及び鉛直方向のいずれかと直交する取付基準面を有している。

また、本発明に係る鉄道車両構体用の曲面板の製造方法は、鉄道車両の先頭車両に用いられる曲面形状を有する外板の製造方法であって、金属素材の上面を機械加工することにより、上方に向けて突出した複数の補強リブを形成し、前記複数の補強リブの少なくとも２つに同一平面上に形成された加工基準面を形成し、前記複数の補強リブの少なくともいずれかに車両に取り付ける際の基準面としてレール方向、枕木方向及び鉛直方向のいずれかと直交する取付基準面を形成する工程と、前記複数の補強リブが形成された前記金属素材を上下逆になるように引っくり返し、前記加工基準面を機械加工機の定盤に設置する工程と、前記加工基準面が前記定盤に設置された前記金属素材の上面を前記機械加工機により曲面形状に加工して板本体を形成する工程と、を備えている。

前記した構成又は方法によれば、曲面板の複数の補強リブの少なくともいずれかは取付基準面を有しているので、曲面板を車両の骨組みに取り付ける際の取付寸法管理を容易にすることができる。 また、板本体の外面を機械加工する際には、補強リブの加工基準面を機械加工機の定盤に載せればよいので、複雑な治具や調整作業も不要とすることができる。 更に、加工基準面及び取付基準面は補強リブに設けているので、最後にトリミングする必要もなく、材料の無駄や加工時間削減することができる。 また、部材の外部に加工基準面や取付基準面を設けた場合は、曲面板として使用しない部分のトリミング作業が必要となるが、前記の構成又は方法によれば、加工基準面も取付基準面も補強リブに設けているため、それらを補強リブとは別に設ける場合に比べて、加工形状が簡略化でき、構造上余計な部位が削減されて、軽量化及び省スペース化にも寄与することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、鉄道車両構体用の曲面板の車両への取り付けが容易になり、機械加工のための複雑な治具や調整作業が不要になり、材料の無駄が削減され、加工形状が簡略化でき、構造上余計な部位が削減されて軽量化及び省スペース化に寄与できる。

実施形態に係る鉄道車両の先頭車両構体を示す斜視図である。

図１に示す先頭車両構体用の曲面板を下方から見た底面図である。

図２のIII矢視方向から見た側面図である。

（Ａ）は図２のIVa−IVa線断面図、（Ｂ）は図２のIVb−IVb線断面図、（Ｃ）は図２のIVc−IVc線断面図である。

（Ａ）は図２のVa−Va線断面図、（Ｂ）は図２のVb−Vb線断面図、（Ｃ）は図２のVc−Vc線断面図である。

図２に示す曲面板の骨組みへの固定状態を示す要部断面図である。

曲面板の骨組みへの固定状態の変形例を示す要部断面図である。

（Ａ）〜（Ｄ）は曲面板の製造手順を説明する斜視図である。

以下、実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、実施形態に係る鉄道車両１の先頭車両構体２を示す斜視図である。 図１に示すように、先頭車両構体２は、車体の輪郭に沿って構成された格子状の骨組み３と、その骨組み３に車外側から固定された外板４とを備えている。 外板４は、立体的な曲面を有する流線形状であり、その一部の外面には屈曲ライン５が表われており、屈曲ライン５は前方にいくにつれて徐々に屈曲度が低下して消失するように造形されている。 外板４は、屈曲ライン５の前部を含む部分に屈曲ライン５に沿って前後に並ぶ３枚の曲面板６〜８を有している。 曲面板６〜８はそれぞれ金属素材を機械加工して形成されており、外板４のうち曲面板６〜８以外の主要部９は金属板を曲げ加工して形成されている。 そして、外板４の主要部９の一部に開口９ａが形成されており、その開口９ａに曲面板６〜８が嵌め込まれて骨組み３に溶接されている。 一般に、曲げ加工の場合には、金属材料があまり無駄にならずに済むが、複雑な形状の加工には熟練を要する。 機械加工の場合には、加工に熟練を要さず複雑な形状も可能になるが、削り出された金属材料の無駄が発生する。 本実施形態の場合には、外板４の主要部９は曲げ加工され、かつ、形状の複雑な部分には機械加工された曲面板６〜８を用いているので、金属材料の無駄を低減することと、熟練を要さずに複雑な形状の精度良い加工を実現することとを両立することが可能となっている。

図２は、図１に示す先頭車両構体２用の曲面板６〜８を下方から見た底面図である。 図３は、図２のIII矢視方向から見た側面図である。 図４（Ａ）は図２のIVa−IVa線断面図、図４（Ｂ）は図２のIVb−IVb線断面図、図４（Ｃ）は図２のIVc−IVc線断面図である。 図５（Ａ）は図２のVa−Va線断面図、図５（Ｂ）は図２のVb−Vb線断面図、図５（Ｃ）は図２のVc−Vc線断面図である。 図２〜５において、レール方向（車両長手方向）はＸ、枕木方向（車幅方向）はＹ、鉛直方向はＺで示されている。 これらＸＹＺの互いに直交する三方向は、曲面板６〜８を骨組み３へ取り付ける際における位置決めの基準とする方向である。 以下、曲面板６〜８を個別に説明する。

曲面板６は、車外に面する外面１１ａと車内に面する内面１１ｂとを有する曲面形状の板本体１１と、板本体１１の内面１１ｂから車内側に向けて突出した複数の補強リブ１２〜１７と、を備えている。 板本体１１のうち補強リブ１２〜１７が突出する部分は曲面を呈している。 補強リブ１２〜１７は、直交する二方向（ＸＹ方向）に延びるように配置されている。 補強リブ１２，１３は、平面視でコの字形状に形成されている。 コの字状の補強リブ１２，１３は、互いに開口が同じ方向に向くように配置されている。 これら補強リブ１２，１３の開口側には、その開口を覆うような領域にて帯状の補強リブ１４，１５が補強リブ１２，１３から離間して形成されている。 即ち、帯状の補強リブ１４，１５は、平面視でコの字状の補強リブ１２，１３と閉ループ形状をなさないように隙間をあけている。 他の帯状の補強リブ１６，１７は、板本体１１の外周部分の所定箇所にて補強リブ１４，１５とは直交する方向に形成されている。

補強リブ１２〜１７の突出方向の先端面には、板本体１１の外面１１ａを機械加工する際の基準面として同一平面９９上に形成された平坦な加工基準面Ａ１が夫々形成されている。 補強リブ１２，１３，１５〜１７の加工基準面Ａ１の所定箇所には、機械加工時に定盤に位置決めし、固定するための位置決め固定穴１９が形成されている。 補強リブ１２，１５の側面には、曲面板６を骨組み３に取り付ける際のレール方向の取付寸法の基準面としてレール方向と直交する取付基準面Ｘ１が形成されている。 補強リブ１２の別の側面には、曲面板６を骨組み３に取り付ける際の枕木方向の取付寸法の基準面として枕木方向と直交する取付基準面Ｙ１が形成されている。 補強リブ１２の突出方向の先端面の一部には、曲面板６を骨組み３に取り付ける際の鉛直方向の取付寸法の基準面として鉛直方向と直交する取付基準面Ｚ１が形成されている。 これら取付基準面Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１は、加工基準面Ａ１とは異なる面であるが、加工基準面Ａ１を有する補強リブ１２，１５に形成されている。 また、取付基準面Ｚ１は、補強リブ１２の突出方向に直交する方向に対して傾斜している。 即ち、取付基準面Ｚ１と加工基準面Ａ１とは面の向きが異なっている。

曲面板７は、車外に面する外面３０ａと車内に面する内面３０ｂとを有する曲面形状の板本体３０と、板本体３０の内面３０ｂから車内側に向けて突出した複数の補強リブ３１〜３６と、を備えている。 板本体３０のうち補強リブ３１〜３６が突出する部分は曲面を呈している。 補強リブ３１〜３６は、直交する二方向（ＸＹ方向）に延びるように配置されている。 補強リブ３１，３２は、平面視でコの字形状に形成されている。 コの字状の補強リブ３１，３２は、互いに開口が向かい合う方向に配置されている。 これら補強リブ３１，３２の開口側には、その開口を覆うような領域にて帯状の補強リブ３３，３４が補強リブ３１，３２から離間して形成されている。 他の帯状の補強リブ３５，３６は、板本体３０の外周部分の所定箇所にて補強リブ３３，３４とは平行な方向に形成されている。

補強リブ３１〜３６の突出方向の先端面には、板本体３０の外面３０ａを機械加工する際の基準面として同一平面９９上に形成された平坦な加工基準面Ａ２が夫々形成されている。 補強リブ３１〜３６の加工基準面Ａ２の所定箇所には、機械加工時に定盤に位置決めするための位置決め穴３８が形成されている。 補強リブ３１，３６の側面には、曲面板７を骨組み３に取り付ける際のレール方向の取付寸法の基準面としてレール方向と直交する取付基準面Ｘ２が形成されている。 補強リブ３１の別の側面には、曲面板７を骨組み３に取り付ける際の枕木方向の取付寸法の基準面として枕木方向と直交する取付基準面Ｙ２が形成されている。 補強リブ３１の突出方向の先端面の一部には、曲面板７を骨組み３に取り付ける際の鉛直方向の取付寸法の基準面として鉛直方向と直交する取付基準面Ｚ２が形成されている。 これら取付基準面Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２は、加工基準面Ａ２とは異なる面であるが、加工基準面Ａ２を有する補強リブ３１，３５，３６に形成されている。 また、取付基準面Ｚ２は、補強リブ３１の突出方向に直交する方向に対して傾斜している。 即ち、取付基準面Ｚ２と加工基準面Ａ２とは面の向きが異なっている。

曲面板８は、車外に面する外面４０ａと車内に面する内面４０ｂとを有する曲面形状の板本体４０と、板本体４０の内面４０ｂから車内側に向けて突出した複数の補強リブ４１〜４８と、を備えている。 板本体４０のうち補強リブ４１〜４８が突出する部分は曲面を呈している。 補強リブ４１，４２は、平面視でコの字形状に形成されている。 コの字状の補強リブ４１，４２は、互いに開口が同じ方向に向くように配置されている。 これら補強リブ４１の開口側には、その開口を覆うような領域にて帯状の補強リブ４７が補強リブ４１から離間して形成されている。 他の帯状の補強リブ４３〜４６は、板本体４０の外周部分の所定箇所に形成されている。 補強リブ４８は、角柱状のリブである。

補強リブ４１〜４７の突出方向の先端面には、板本体４０の外面４０ａを機械加工する際の基準面として同一平面９９上に形成された平坦な加工基準面Ａ３が夫々形成されている。 補強リブ４１〜４５の加工基準面Ａ３の所定箇所には、機械加工時に定盤に位置決めするための位置決め穴５０が形成されている。 補強リブ４２，４３，４８の側面には、曲面板８を骨組み３に取り付ける際のレール方向の取付寸法の基準面としてレール方向と直交する取付基準面Ｘ３が形成されている。 補強リブ４８の別の側面には、曲面板８を骨組み３に取り付ける際の枕木方向の取付寸法の基準面として枕木方向と直交する取付基準面Ｙ３が形成されている。 補強リブ４８の突出方向の先端面には、曲面板８を骨組み３に取り付ける際の鉛直方向の取付寸法の基準面として鉛直方向と直交する取付基準面Ｚ３が形成されている。 補強リブ４８には、取付基準面Ｘ３，Ｙ３，Ｚ３が形成されているが、加工基準面Ａ３は形成されていない。 また、取付基準面Ｚ３は、補強リブ４８の突出方向に直交する方向に対して傾斜している。 即ち、取付基準面Ｚ３と加工基準面Ａ３とは面の向きが異なっている。

図６は、図２に示す曲面板６〜８の骨組み３への固定状態を示す要部断面図である。 図６に示すように、曲面板６〜８は、板本体１１の内面１１ｂが車体の骨組み３の外端面に溶接されることにより固定されている。 これにより、補強リブ１３，３１の位置と骨組み３との位置とを合わせずに済み、補強リブ１３，３１及び骨組み３の設計自由度が良好になる。 また、骨組み３の近傍に補強リブ１３，３１を設けているので、溶接による曲面板７の歪みを抑えることができる。 但し、図７に示すように、骨組み３の外端面は、曲面板６〜８の補強リブ１２，１３の加工基準面Ａ１に溶接されるようにしてもよい。 そうすれば、溶接による板本体１１への熱影響を抑制することができる。

図８（Ａ）〜（Ｄ）は曲面板７の製造手順を説明する斜視図である。 図８（Ａ）〜（Ｄ）では、曲面板６〜８のうち代表して曲面板７の製造手順を説明することとする。 まずは、図８（Ａ）に示すように、厚肉の矩形板である金属素材７０を機械加工機６０の定盤６１に設置する。 次いで、図８（Ｂ）に示すように、その金属素材７０の上面を機械加工により切削して、所定の内面３０ｂの形状を形成するとともに補強リブ３１〜３６を形成する。 このとき、補強リブ３１〜３６の突出方向の先端面には、同一平面上に形成された平坦な加工基準面Ａ２が夫々形成されており、加工基準面Ａ２の所定箇所には位置決め穴３８が形成されている。 また、補強リブ３１，３５，３６の側面には、レール方向と直交する取付基準面Ｘ２が形成され、補強リブ３１の別の側面には、枕木方向と直交する取付基準面Ｙ２が形成され、補強リブ３１の突出方向の先端面の一部には、鉛直方向と直交する取付基準面Ｚ２が形成されている。 そして、次の工程に移る前に、補強リブ３１〜３６の間に残存した切削屑を水で洗い流す。 その際、内面３０ｂのうちコの字状の補強リブ３１，３２で囲まれた領域の面が傾斜しており、かつ、コの字状の補強リブ３１，３２の開口５７がその傾斜の下方側に向けて形成されているので、コの字状の補強リブ３１，３２で囲まれた領域に切削屑が滞留せずに外部に排出され易くなっている。

次いで、図８（Ｃ）に示すように、その補強リブ３１〜３６が形成された金属素材を上下逆になるように引っくり返し、加工基準面Ａ２を定盤６１に設置する。 その際、定盤から出没可能なピンまたはボルト等の固定具（図示せず）を位置決め穴３８に挿入する。 そして、図８（Ｄ）に示すように、加工基準面Ａ２が定盤６１に設置された金属素材の上面を機械加工機によって曲面形状に加工して板本体３０の外面３０ａを形成することで、曲面板７が完成する。 なお、その加工の際には、加工対象が外周部でのみ支持されずに複数の補強リブ３１〜３６で全体的に支持されているため、機械加工時における加工ツールからの荷重により、曲面板の中央部分が撓んだりバタついたりして加工精度が低下することも防止される。

以上に説明した構成によれば、曲面板６〜８の補強リブ１２，１５，３１，３５，４２，４３，４８は取付基準面Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１，Ｘ２、Ｙ２，Ｚ２，Ｘ３，Ｙ３，Ｚ３を有しているので、曲面板６〜８を車両の骨組み３に取り付ける際の取付寸法管理を容易にすることができる。 また、板本体１１，３０，４０の外面１１ａ，３０ａ，４０ａを機械加工する際には、補強リブ１２〜１７，３１〜３６，４１〜４７の加工基準面Ａ１〜Ａ３を機械加工機６０の定盤６１に載せればよいので、複雑な治具や調整作業も不要とすることができる。 更に、加工基準面Ａ１〜Ａ３及び取付基準面Ｘ１〜Ｚ１，Ｘ２〜Ｚ２，Ｘ３〜Ｚ３は補強リブ１２〜１７，３１〜３６，４１〜４８に設けているので、最後にトリミングする必要もなく、材料の無駄を削減することができる。 また、加工基準面Ａ１〜Ａ３も取付基準面Ｘ１〜Ｚ１，Ｘ２〜Ｚ２，Ｘ３〜Ｚ３も補強リブ１２〜１７，３１〜３６，４１〜４８に設けているため、それらを別々の対象に設ける場合に比べて、加工形状が簡略化でき、構造上余計な部位が削減されて、軽量化及び省スペース化にも寄与することができる。 また、板本体１１，３０，４０に補強リブ１２〜２７，３１〜３６，４１〜４８を設けているので、板本体のみの剛性に加えて構造物全体として剛性を向上させることができる。

なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲でその構成を変更、追加、又は削除することができる。 前記各実施形態は互いに任意に組み合わせてもよく、例えば１つの実施形態中の一部の構成又は方法を他の実施形態に適用してもよい。

以上のように、本発明に係る鉄道車両構体用の曲面板、先頭車両構体、及び鉄道車両構体用の曲面板の製造方法は、鉄道車両構体用の曲面板の車両への取り付けが容易になり、機械加工のための複雑な治具や調整作業が不要になり、材料の無駄が削減され、加工形状が簡略化でき、構造上余計な部位が削減されて軽量化及び省スペース化に寄与できる優れた効果を有し、この効果の意義を発揮できる鉄道車両に広く適用すると有益である。

１ 鉄道車両２ 先頭車両構体３ 骨組み４ 外板６〜８ 曲面板１１，３０，４０ 板本体１１ａ，３０ａ，４０ａ 外面１１ｂ，３０ｂ，４０ｂ 内面１２〜１７，３１〜３６，４１〜４８ 補強リブＡ１，Ａ２，Ａ３ 加工基準面Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３ 取付基準面（レール方向）
Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３ 取付基準面（枕木方向）
Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３ 取付基準面（鉛直方向）