鉄道車両構体の補強方法及び鉄道車両構体

本発明は、波形状の板と枠体とを含む鉄道車両構体の補強方法及び鉄道車両構体に関する。

従来、鉄道車両構体としてステンレスやアルミニウム等を用いたものが知られている。 鉄道車両における屋根構体の屋根板や台枠の床板には、強度を保ちながら軽量化を図るために、断面波形状からなる薄肉のコルゲートパネル（以下、薄波板という）が使用されている。 従来、鉄道車両の屋根構体や台枠の脆弱部分は、補強板の溶接等により剛性を高めるよう補強されていた。 しかし、補強すべき脆弱部分が薄波板の一部である場合、溶接やボルトによる補強材の接合が困難である。 例えば、溶接による場合には、熱歪みにより製作精度が低下するとともに、ボルトによる場合には、ボルト孔が欠損して水の浸水を防ぐシール性能（以下、水密性という）が低下するなどの問題があった。 さらに、補強により屋根板や床板の重量が増大するという問題もあった。

ところで、特許文献１乃至４には、鉄道車両の外板や骨部材に炭素繊維強化樹脂を用いる技術が提案されている。 これらの技術によれば、車両構体の大幅な軽量化を図ることができるとしている。

しかしながら、これらの技術によれば、鉄道車両構体の主要部を炭素繊維強化樹脂で構成しているため、構体に占める炭素繊維強化樹脂の使用割合が高い。 炭素繊維強化樹脂は、金属と比べてコストが高く且つリサイクルが難しいため、主要部を炭素繊維強化樹脂で構成した鉄道車両構体は、コストが大幅に増加してしまうと共にリサイクル性が悪くなるという問題がある。 よって、コストやリサイクル性を考慮して、ステンレス鋼などの金属からなる薄波板を構体に用いているが、その薄波板の脆弱部分を適切に補強できていないのが現状である。 また、炭素繊維強化樹脂で形成する構成要素が立体形状をなす場合には、炭素繊維強化樹脂を所定形状に成形するための工程が必要であり、製作効率が悪くなる。

そこで本発明は、鉄道車両構体において、製作精度及び水密性を向上させ車体軽量化を図りながらも、コストやリサイクル性や製作効率を良好に保つことを目的としている。

本発明の鉄道車両構体の補強方法は、金属製の枠体と、前記枠体に接合され、車両長手方向に直交する断面が波形状からなる金属製の板とを含む構体のうち、前記板の少なくとも一部に繊維シートを配置する工程と、前記繊維シートを含浸接着樹脂により前記板の一部に接着して繊維強化樹脂部材を形成する工程と、を備えている。 なお、「繊維シート」とは、炭素繊維等のように繊維強化樹脂に利用される繊維を布状に形成したものであって、樹脂が含浸されていないものいう。

前記方法によれば、断面波形状からなる金属製の板の一部に、可撓性を有する繊維シートを沿わせて含浸接着樹脂により含浸接着することで、当該板に接着された繊維強化樹脂部材を容易に形成することができ、車体軽量化を図りながらも簡単な施工で構体を補強することができる。 また、板の一部に繊維シートを配置して含浸接着するため、熱歪みによる製作精度の低下やボルト孔の欠損による水密性が低下しない。 しかも、繊維シートは板の一部に配置されて主要部である枠体や板は金属製であるため、コストやリサイクル性も良好に保つことができる。 以上より、鉄道車両構体において、製作精度及び水密性を向上させ車体軽量化を図りながらも、コストやリサイクル性や製作効率を良好に保つことができる。

また本発明の鉄道車両構体は、金属製の枠体と、前記枠体に接合され、車両長手方向に直交する断面が波形状からなる金属製の板と、前記板の一部に接合され、前記板を補強する繊維強化樹脂部材と、を備えている。

前記構成によれば、前記同様に、製作精度及び水密性を向上させ車体軽量化を図りながらも、コストやリサイクル性や製作効率を良好に保つことができる。

本発明によれば、鉄道車両構体において、製作精度及び水密性を向上させ車体軽量化を図りながらも、コストやリサイクル性や製作効率を良好に保つことができる。

本発明の第１実施形態の鉄道車両構体の一部を示す斜視図である。

図１に示す屋根構体の要部斜視図である。

図２のIII−III線断面の一部を表した拡大図である。

（ａ）は平面用の脱泡ローラを示す斜視図、（ｂ）は角用の脱泡ローラを示す斜視図である。

（ａ）〜（ｄ）は図１に示す屋根板の亀裂を補強する手順を説明するための図面である。

（ａ）は図１に示す屋根板と妻構体との接続部分を表した要部平面図、（ｂ）はその要部断面図、（ｃ）は従来例の図６（ｂ）相当の図面である。

図１に示す台枠と床板との接続部分を表した要部斜視図である。

本発明の第２実施形態の屋根構体の要部斜視図である。

図８のIX−IX線断面の一部を表した拡大図である。

図８のX−X線断面の一部を表した拡大図である。

本発明の第３実施形態の屋根構体の図９相当の図面である。

図１１に示す屋根構体の図１０相当の図面である。

以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態の鉄道車両構体１の一部を示す斜視図である。 図１に示すように、鉄道車両構体１は、屋根構体２、側構体３、妻構体（図示せず）及び台枠４を備えている。 屋根構体２は、縦桁及び垂木を含む金属製の枠体５と、その枠体５の上面に接合された金属製の屋根板６とを有している。 側構体３は、側壁を構成する金属製の側外板７と、その側外板７の内面に接合された金属製の複数の骨部材８とを有している。 また、金属製の台枠４の上には、金属製の床板９が接合されている。 なお、それらの部材に用いる金属としては、ステンレスやアルミニウム等を用いるとよい。

図２は屋根構体２の要部斜視図である。 図３は図２のIII−III線断面の一部を表した拡大図である。 図２及び３に示すように、屋根板６は、車両長手方向Ｘに延びる山部６ａ及び谷部６ｂが車両幅方向に交互に設けられた薄肉のコルゲートパネルであり、車両長手方向Ｘに直交する断面が波形状を呈する。 屋根板６は、側構体３の側外板７よりも肉厚が薄く、その肉厚は０．５〜１．０ｍｍ（例えば、０．６ｍｍ）である。 本実施形態の屋根板６には、その一部領域（例えば、車両長手方向Ｘの中央部分）を補強すべく炭素繊維強化樹脂部材１２が設けられている。 炭素繊維強化樹脂部材１２の肉厚は、屋根板６の肉厚よりも大きい。

炭素繊維強化樹脂部材１２の具体的な接合手順は、屋根板６の上面のうち補強対象部分を脱脂処理して当該部分に含浸接着樹脂からなるプライマー１１（例えば、エポキシ樹脂）を塗布して放置する。 次いで、時間経過により固化したプライマー１１の上に含浸接着樹脂１４（例えば、エポキシ樹脂）を下塗りし、その下塗りが固化する前に樹脂未含浸の炭素繊維シート１３を重ねる。 その際、炭素繊維シート１３は、その繊維方向が車両長手方向Ｘと略平行となるように屋根板６の波形状に沿わせて配置する。 次いで、その炭素繊維シート１３の上に含浸接着樹脂１４を塗布し、脱泡ローラ２０，３０（図４参照）等を用いて炭素繊維シート１３に含浸接着樹脂１４を浸透させるとともに表面を平坦化して放置する。 そして、時間経過により含浸接着樹脂１４が固化すると、屋根板６に接着された炭素繊維強化樹脂部材１２が形成される。 これにより、炭素繊維強化樹脂部材１２は、薄肉の屋根板６の所定部分を補強する効果を発揮する。 なお、屋根板６の補強対象部分に局所的な凹部６ｃが存在する場合には、この凹部６ｃにパテ１５を充填し、パテ１５の表面とその隣接部分の表面とを面一にしてからプライマー１１を塗布してもよい。 但し、凹部６ｃの曲率が小さければパテ１５を充填せずに直接プライマー１１を塗布してもよい。 また、炭素繊維シート１３は一層としてもよいし、複数層にしてもよい。

図４（ａ）は平面用の脱泡ローラ２０を示す斜視図、図４（ｂ）は角用の脱泡ローラ３０を示す斜視図である。 図４（ａ）（ｂ）に示すように、脱泡ローラ２０，３０は、棒状の支持部２０ａ，３０ａと、支持部２０ａ，３０ａの一端側に設けられて周方向に複数の溝が形成されたローラ部２０ｂ，３０ｂと、支持部２０ａ，３０ａの他端側に設けられた把持部２０ｃ，３０ｃとを備えている。 角用の脱泡ローラ３０のローラ部３０ｂは、平面用の脱泡ローラ２０のローラ部２０ｂよりも狭幅であり、ローラ部３０ｂの回転軸線に直交する方向から見て表面が全体的に凸形状を呈している。 これら脱泡ローラ２０，３０を適用箇所により使い分け、炭素繊維シート１３の表面上でローラ部２０ｂ，３０ｂを転がすことで、屋根板６と炭素繊維シート１３との間の空気を抜きながら炭素繊維シート１３を屋根板６の波形状に沿わせ、炭素繊維シート１３に含浸接着樹脂１４を含浸させる。

図５（ａ）〜（ｄ）は屋根板６の亀裂Ｃを補強する手順を説明するための図面である。 図５（ａ）（ｂ）に示すように屋根板６の一部に亀裂Ｃが生じた場合の補強について説明する。 この場合、図５（ｃ）に示すように、屋根板６のうち亀裂Ｃを囲む部分を取り除いて丸穴形状の開口Ｓを形成する。 次いで、図５（ｄ）に示すように、その開口Ｓをふさぎ板４０で閉塞する。 このとき、ふさぎ板４０は、その周縁の２カ所を溶接などにより屋根板６の開口縁に仮止めする。 その後、ふさぎ板４０及びその周囲の上面に対してプライマーを介して炭素繊維シートを含浸接着樹脂により接着して炭素強化繊維樹脂部材を形成する。 なお、亀裂Ｃの状態に応じて、開口Ｓを設けることなく亀裂Ｃ及びその周囲に炭素繊維シートをそのまま含浸接着樹脂により接着してもよい。 例えば、亀裂発生後、亀裂の進展がなく、亀裂が線状で、水漏れが少ない場合には亀裂の除去が必要ではない。 一方、亀裂の進展があり、目視で亀裂が確認でき、水漏れ量が大きい場合には、亀裂を除去した後、ふさぎ板を設けることが望ましい。

図６（ａ）は屋根板６と妻構体５０との接続部分を表した要部平面図、図６（ｂ）はその要部断面図、図６（ｃ）は従来例の図６（ｂ）相当の図面である。 図６（ｃ）に示すように、従来例では、屋根板６の前端部と妻構体５０の上端部とを接合する際には、シール性が求められることから、互いをスポット溶接Ｗ１により固定したうえで更に隅肉連続溶接Ｗ２を行っていた。 そうすると、隅肉連続溶接Ｗ２の熱影響による屋根板６の歪みが大きくなる。 そこで、図６（ａ）（ｂ）に示すように、屋根板６の前端部を妻構体５０の上端部の一部に重ねて互いをスポット溶接Ｗ１により接合し、屋根板６の前端部と妻構体５０の上端部とを跨いで覆うように炭素繊維シートを配置し、その炭素繊維シートを含浸接着樹脂により屋根板６の前端部と妻構体５０の上端部とに跨いで接着して炭素繊維強化樹脂部材５１を形成する。 これにより、隅肉連続溶接の熱影響による屋根板６の歪みがなく、シール性も確保でき、屋根板６の端部を補強することができる。

図７は台枠４と床板９との接続部分を表した要部斜視図である。 図７に示すように、床板９は、車両長手方向Ｘに直交する断面が波形状からなる薄肉の金属板であり、その肉厚は０．６〜１．２ｍｍ（例えば、０．６ｍｍ）である。 台枠４の端梁６１の上面には、断面逆凹状で車体幅方向に延びる後端部材６０が接合されている。 床板９の端部を後端部材６０の側面に隅肉溶接する前に、床板９の端部に予め炭素繊維シートをプライマーを介して含浸接着樹脂により接着させて炭素繊維強化樹脂部材６２を形成する。 これにより、床板９の剛性が高まって形状の安定化が図られる。 その後、床板９の端部を後端部材６０の側面に対して隅肉溶接を行えば、床板９は炭素繊維強化樹脂部材６２により形状の安定化が図られているため、熱影響による歪みの発生が抑えられる。 なお、炭素繊維強化樹脂部材６２を設ける範囲は、床板９の端部（隅肉溶接部）からＬ１＝５〜１０ｍｍ離れた位置からＬ２＝５０〜１００ｍｍの幅の範囲であればよい。

以上に説明したように、断面波形状からなる金属製の屋根板６や床板９の一部領域に、可撓性を有する炭素繊維シート１３を沿わせて含浸接着樹脂１４により含浸接着することで、屋根板６等に接着された繊維強化樹脂部材１２を容易に形成することができ、車体軽量化を図りながらも簡単な施工で屋根板６等を補強することができる。 また、屋根板６等の一部領域に炭素繊維シート１３を配置して含浸接着するため、熱歪みによる製作精度の低下やボルト孔の欠損による水密性も低下しない。 しかも、炭素繊維シート１３は屋根板６等の一部領域に配置されて主要部である枠体５や屋根板６等は金属製であるため、コストやリサイクル性も良好に保つことができる。 以上より、鉄道車両構体１において、製作精度及び水密性を向上させ車体軽量化を図りながらも、コストやリサイクル性や製作効率を良好に保つことができる。

（第２実施形態）
図８は本発明の第２実施形態の屋根構体１０２の要部斜視図である。 図９は図８のIX−IX線断面の一部を表した拡大図である。 図１０は図８のX−X線断面の一部を表した拡大図である。 図８に示すように、本実施形態の屋根構体１０２では、複数の平面視矩形状からなる炭素繊維シート１１３Ａ〜１１３Ｈが屋根板６の一部領域の上面にプライマー１１（図９参照）を介して敷き詰めるように配置されている。 なお、これら炭素繊維シート１１３Ａ〜１１３Ｈを含浸接着樹脂により屋根板６の一部領域に接着して炭素繊維強化樹脂部材を形成する手順は第１実施形態と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

図９に示すように、屋根板６は、枠体５に対してスポット溶接Ｗ２により接合されている。 炭素繊維シート１１３Ａの後端部１１３Ａａと、その後方に隣接する炭素繊維シート１１３Ｂの前端部１１３Ｂａとは、枠体５の上方に位置している。 これら向かい合う端部１１３Ａａ，１１３Ｂａはスポット溶接箇所Ｗ２の直上に隙間をあけるように配置されている。 図１０に示すように、炭素繊維シート１１３Ａの右端部１１３Ａｂと、その右方に隣接する炭素繊維シート１１３Ｃの左端部１１３Ｃｂとは、屋根板６の山部６ａに位置している。 これら向かい合う端部１１３Ａｂ，１１３Ｃｂは、互いに重なるように接合されている。

以上に説明したように、複数の平面視矩形状からなる炭素繊維シート１１３Ａ〜１１３Ｈを敷き詰めるように配置することで、作業者が１度にハンドリングする炭素繊維シートのサイズが小さくなり、作業性が良好となる。 また、炭素繊維シート１１３Ａ，１１３Ｂの車両長手方向に向き合う端部１１３Ａａ，１１３Ｂａは、スポット溶接箇所Ｗ２を避けるように互いに隙間をあけているので、これら端部１１３Ａａ，１１３Ｂａの接着が安定する。 さらに、炭素繊維シート１１３Ａ，１１３Ｃの車両幅方向に隣接する端部１１３Ａｂ，１１３Ｃｂは屋根板６の山部６ａに位置するので、これら端部１１３Ａｂ，１１３Ｃｂの含浸接着作業が行い易くなり、これら端部１１３Ａｂ，１１３Ｃｂの接着が安定する。 また、これら端部１１３Ａｂ，１１３Ｃｂ同士は互いに重ねられているので、たとえ一枚一枚の炭素繊維シート１１３Ａ〜１１３Ｈのサイズに誤差があっても、この重なり量を調節することにより、敷き詰められた複数の炭素繊維シート全体として容易に所望のサイズを形成することができる。 なお、他の構成は前述した第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

（第３実施形態）
図１１は本発明の第３実施形態の屋根構体２０２の図９相当の図面である。 図１２は図１１に示す屋根構体２０２の図１０相当の図面である。 図１１及び図１２に示すように、本実施形態の屋根構体２０２では、炭素繊維シート２１３Ａ〜２１３Ｃ，３１３Ａ〜３１３Ｃが複数層（例えば、２層）に積層して配置されている。 図１１に示すように、二層目の炭素繊維シート３１３Ａ，３１３Ｂの車両長手方向の端部３１３Ａａ，３１３Ｂａは、一層目の炭素繊維シート２１３Ａ，２１３Ｂの車両長手方向の端部２１３Ａａ，２１３Ｂａよりも、向かい合う端部３１３Ａａ，３１３Ｂａ同士が互いに離れるように５〜１０ｍｍ程度ずらして配置されている。 つまり、積層された炭素繊維シートの端部が階段状に配置されることで、応力集中が緩和される。

図１２に示すように、一層目の炭素繊維シート２１３Ａ，２１３Ｃの車両幅方向の端部２１３Ａｂ，２１３Ｃｂと、二層目の炭素繊維シート３１３Ａ，３１３Ｃの車両幅方向の端部３１３Ａｂ，３１３Ｃｂは、上から見て略同じ位置に配置されている。 炭素繊維シート２１３Ａ、３１３Ａの右端部２１３Ａｂ，３１３Ａｂと、その右方に隣接する炭素繊維シート２１３Ｃ，３１３Ｃの左端部２１３Ｃｂ，３１３Ｃｂとは、屋根板６の山部６ａに位置している。 これら向かい合う右端部２１３Ａｂ，３１３Ａｂと左端部２１３Ｃｂ，３１３Ｃｂは、互いに重ならずに突き合わされるように配置されている。

以上に説明したように、複数枚の炭素繊維シート２１３Ａ〜２１３Ｃ，３１３Ａ〜３１３Ｃを積層すれば、屋根板６等に対して所望の強度や剛性を容易に付与することができる。 なお、他の構成は前述した第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

（実施例）
以下、鉄道車両構体に炭素繊維強化樹脂部材を接合する際の施工手順の実施例について説明する。 なお、施工は０〜４０℃程度の雰囲気温度で行うものとする。 まず、炭素繊維シート、プライマー及び含浸接着樹脂の各材料を用意する。 炭素繊維シートは、高弾性タイプ一方向材（日鉄コンポジット株式会社製 ＦＴＳ−Ｃ８−３０）を用いる。 その炭素繊維シートに含まれる炭素繊維単体の特性は、引張強度が１９００Ｎ／ｍｍ ² 、引張弾性率が６．４×１０ ⁵ Ｎ／ｍｍ ²である。 プライマーは、２液混合型エポキシ樹脂（日鉄コンポジット株式会社製 FP-NSL：粘度は１０００ｍＰａ・ｓ程度）、含浸接着樹脂は２液混合型エポキシ樹脂（日鉄コンポジット株式会社製 ＦＲ−Ｅ３ＰＬ：粘度は４４００ｍＰａ・ｓ程度）を用いる。 そして、以下の(1)〜（7）の工程を順に行う。

(1)下地処理 補強を必要とする所定部分をグラインダー（例えば＃１００）で研磨する、又は、いわゆるＢＧ＃８０仕上げ（仕上げ方向は車両長手方向）のままとする。 そして、その所定部分の表面をアセトンにて十分に脱脂処理して汚れを取り除く。

(2)炭素繊維シートの裁断 例えばカッターナイフや定規などの裁断用道具を用いて、炭素繊維シートを前記所定部分に対応する所望の形状に切断する。

(3)プライマー塗布 ローラ刷毛にて、プライマーを例えば２００ｇ／ｍ ²の割合で塗布し、２〜４時間以上（好ましくは１日程度）養生する。 ここで、プライマーを塗布するのは、屋根板の研磨後直ちに表面を保護するため、及び、炭素繊維が屋根板に直接接触して炭素繊維と屋根板との電位差により腐食が発生するのを回避するためである。 つまり、プライマーは絶縁層としても機能する。 また、プライマーの塗布量を管理するのは、施工中に樹脂厚さを管理することが困難であるからである。 また、プライマーの粘度が含浸接着樹脂より低いのは、プライマーが屋根板の表面によく馴染むようにするためである。

(4)含浸接着樹脂下塗り 含浸接着樹脂をローラ刷毛にて下塗りする。 例えば、含浸接着樹脂は１層あたり５００ｇ／ｍ ²で下塗りする。 なお、含浸接着樹脂は、所定の混合比（主剤：硬化剤＝２：１）で混合・計量した後、ヘラで均一に練り混ぜる。

(5)炭素繊維シートの貼り付け 前記下塗りが固化する前に、その上に炭素繊維シートを作業者が手で押しながら屋根板に沿わせるように貼り付ける。 この際、含浸接着樹脂の粘度は高いため、炭素繊維シートがずれることはない。 そして、炭素繊維シートを脱泡ローラにてしごき、含浸接着樹脂を繊維に含浸させた後、３０分間程度放置する。 この放置により、毛細管現象で含浸が進む（含浸した樹脂が繊維間から浮き上がってくる）。

(6)含浸接着樹脂上塗り さらにその上から含浸接着樹脂をローラ刷毛にて上塗りする。 例えば、含浸接着樹脂は１層あたり３００ｇ／ｍ ²として、下塗りより少なくする。 ここで、下塗り１層あたり５００ｇ／ｍ ²とするのに対し、上塗り１層あたり３００ｇ／ｍ ²とし、上塗りに比べて下塗りを多くしているのは、含浸作業中にシートを保持する目的のため、毛細管現象によりシート内に樹脂を効率よく含浸させるためである。

(7)二層目以降 必要に応じて、(4)に戻って、２層目以降の炭素繊維シートを貼り付ける。 なお、シート間の樹脂の使用量は、作業性や含浸し易さを考慮して決定するが、繊維と樹脂の比率が同じ程度になるように単位容積あたりの繊維量に応じて変更することができる。

１ 鉄道車両構体２ 屋根構体３ 側構体４ 台枠５ 枠体６ 屋根板９ 床板１１ プライマー１２ 炭素繊維強化樹脂部材１３，１１３Ａ〜Ｈ，２１３Ａ〜Ｃ，３１３Ａ〜Ｃ 炭素繊維シート１４ 含浸接着樹脂