JP2000334581A - 構造体およびその製作方法 - Google Patents

構造体およびその製作方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 軽量かつ高剛性な構造体を提供する。 【解決手段】 二枚の面板１１、１２（２１、２２）の
間をリブ１３、１３Ａ、１３Ｂ（２３、２３Ａ、２３
Ｂ）でトラス状に接合して中空形材を構成している。一
方の中空形材１０の端部はトラスを構成するリブ１３Ａ
で接続している。他方の中空形材２０の面板２１は中空
形材１０のトラスの頂点の近傍に接合される。中空形材
１０の面板は他方の中空形材２０のトラスの頂点の近傍
に接合される。リブ１３Ａ、１３Ｂ（１３Ａ、２３Ｂ）
によって、摩擦攪拌接合時の荷重を受ける。全体的にト
ラス構造になるので、軽量で高剛性になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は中空形材による構造
体およびその製作方法に関するものである。例えば、鉄
道車両や建築物等に使用されるアルミニウム合金製の中
空の押し出し形材による構造体の製作に好適である。
【０００２】
【従来の技術】摩擦攪拌接合方法は、接合部に挿入した
丸棒（回転工具という。）を回転させながら接合線に沿
って移動させ、接合部を発熱、軟化させ、塑性流動さ
せ、固相接合する方法である。回転工具は、接合部に挿
入する小径部と、外部に位置する大径部とからなる。小
径部と大径部は同軸である。小径部と大径部との境は接
合部に若干挿入されている。これは特開平０９−３０９
１６４号公報（ＥＰ０７９７０４３Ａ２）に示されてい
る。この文献の図９には中空の押し出し形材の二面の接
合を一方の面から行うことが示されている。また、中空
形材の変形を防止する継ぎ手が示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】摩擦攪拌接合がアーク
溶接と異なる点は、回転工具の挿入によって被接合部材
に大きな荷重が作用することである。この荷重は主とし
て回転工具の挿入方向（軸心の方向）に作用する。つま
り、回転工具の挿入力が被接合部材に作用する。
【０００４】中空の押し出し形材を摩擦攪拌接合する場
合、面板や二枚の平行な面板を接続するリブに対して前
記挿入力が作用し、中空形材が変形する。このことか
ら、継ぎ手部の変形を防止する構造が必要がある。
【０００５】この変形防止手段が前記特開平９−３０９
１６４号公報（ＥＰ０７９７０４３Ａ２）に示されてい
る。これは接合部に、二枚の面板を接合する垂直な板
（縦リブという。）を設けたものである。縦リブは回転
工具の軸心の延長線上にある。縦リブは二枚の面板を接
続するリブの一つである。縦リブには大きな荷重が集中
的に作用するために、板厚を大きくする必要がある。こ
のため、継ぎ手の軽量化には限界がある。
【０００６】また、この縦リブを別の観点から検討す
る。中空形材に面外曲げ力が作用した場合、全体の剛性
に支配的な部位はリブであることが知られている。面外
曲げ力に対して剛性を向上させるためには、せん断力の
主応力方向である面板に対して４５度の向きにリブを一
致して配置することが望ましい。しかし、二枚の面板に
垂直な縦リブは強度部材としてはほとんど寄与しない。
【０００７】以上より、縦リブは、構造体を強度部材と
して用いる際に剛性の向上にほとんど寄与しないにも関
わらず、摩擦攪拌接合時の挿入力を支持するために板厚
を大きくする必要があるので、継ぎ手の軽量化を困難に
している。本発明の目的は、軽量かつ高剛性な構造体を
提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的は、二枚の面板
の間を複数のリブでトラス状に接続しており、一方の面
板の端部は他方の面板の端部よりも該中空形材の端部側
に突出しており、前記一方の面板の端部と他方の面板の
端部とを前記トラスを構成する前記リブで接続した中空
形材を準備し、前記中空形材の前記他方の面板の端部の
前記トラスの頂点の近傍に第２の部材を接合し、該接合
は前記第２の部材を前記一方の面板の延長方向に実質的
に位置させて前記接合を行うこと、によって達成でき
る。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明の一実施例を図１から図３
により説明する。車体２００は、側面を構成する側構体
２０１、屋根を構成する屋根構体２０２、床を構成する
台枠２０３、長手方向の端部を構成する妻構体２０４か
らなる。側構体２０１、屋根構体２０２、台枠２０３
は、それぞれ複数の押し出し形材を接合して構成してい
る。押し出し形材の長手方向を車体の長手方向にしてい
る。押し出し形材はアルミニウム合金製の中空形材であ
る。側構体２０１を構成する中空形材１０、２０の構成
および接合方法について説明する。他の箇所、他の構体
も同様である。
【００１０】中空形材１０、２０は二枚の面板１１、１
２、２１、２２とトラス状に配置した複数のリブ１３、
２３からなる。二枚の面板１１、１２（２１、２２）は
実質的に平行である。リブ１３、２３によるトラスのピ
ッチは同一である。トラスはリブ１３、２３、面板１
１、１２、２１、２２の板厚の中心線によって構成され
る。頂点は面板１１、１２、２１、２２側にある。頂点
を黒丸で示している。
【００１１】車内側のトラスの頂点付近には機器を取り
付けるためのレール１９、２９を一体に設けている。レ
ール１９、２９はＬ状の２つの部材からなる。レールは
内装板や椅子等の機器の取り付け座になる。
【００１２】中空形材１０、２０の接合部の構成を説明
する。中空形材の１０の端部にはトラスの一辺を構成す
るリブ１３Ａがある。面板１２の端部は面板１１の端部
よりも端部側（隣接する中空形材２０側）に突出してい
る。端部のリブ１３Ａは面板１１の端部と面板１２の端
部とを接続している。面板１１の端部と面板１２とを接
続するリブ１３Ｂがある。リブ１３Ａ、１３Ｂによって
２等辺３角形のトラスを構成している。他のトラスも２
等辺３角形のトラスである。
【００１３】中空形材２０の面板２１の端部は面板２２
の端部よりも端部側（隣接する中空形材１０側）に突出
している。面板２１の端部と面板２２の端部とを接続す
るリブはない。面板２１の端部の内側はリブ１３Ａから
突出させた座１７に重なっている。座１７はリブ１３
Ａ、１３Ｂの交点付近のリブ１３Ａに設けている。面板
１２の端部の内側は、面板２２の端部から突出させた座
２７に重なっている。
【００１４】二つの中空形材１０、２０を突き合わせた
とき、リブ２３Ｂ、１３Ａ、および面板２１によって、
２等辺３角形のトラスが構成される。このトラスの大き
さは他のトラスの大きさと同一である。他のトラスも２
等辺３角形である。
【００１５】突き合わせ部の外面側には凸部１５、２
５、１６、２６を設けている。凸部１５、２５、１６、
２６の高さ、幅は同一である。この突き合わせ部を摩擦
攪拌接合している。リブ１３Ａ、１３Ｂ、２３Ｂの板厚
は他の箇所のリブ１３、２３の板厚よりも厚い。突き合
わせ面はリブ１３Ａ、１３Ｂ、２３Ｂ、面板１２、２２
によるトラスの頂点の鉛直線（面板の法線に沿った線）
上にある。回転工具２５０の位置の精度から実務的には
トラスの頂点の近傍の鉛直線上に回転工具２５０の軸心
が位置する。中空形材１０、２０は面板１２、２２を下
方にしてベッド２４０に載っている。上方から回転工具
２５０を接合部に挿入して摩擦攪拌接合をする。
【００１６】凸部１５、２５、１６、２６の突き合わせ
面１５ｂ、２６ｂは面板１１、２２に対して垂直であ
る。これに対応する部材に突き合わせ面も垂直である。
垂直面１５ｂ、２６ｂと座１７、２７の上面とによって
凹部を構成している。この凹部は面板１１、２２に沿っ
た面および中空形材１０、２０の端部側に開口してい
る。
【００１７】突き合わせ面１５ｂ、２６ｂは面板１１、
１２、２１、２２に直交している。つまり、面板の法線
に沿っている。突き合わせ面１５ｂ、２６ｂは中空形材
１０、２０の厚さ方向に沿っている。突き合わせ面１５
ｂ、２６ｂの位置はトラスの頂点を通る法線よりも中空
形材１０、２０の他端側に位置している。突き合わせ面
１５ｂ、２６ｂがトラスの頂点を通る法線上にある場合
であって、他方の面板２１、１２の端部が短い場合（許
容誤差内である。）、回転工具２５０の挿入位置は他方
の面板側に寄るためである。この場合、寄った側のリブ
の荷重が過大になる可能性がある。２つの凸部１５、２
５（１６、２６）の幅を検出して、その中心に回転工具
２５０の軸心を一致させる。
【００１８】この構造体の製作方法を説明する。中空形
材１０、２０はベッド２４０に載せられ、固定されてい
る。面板１１、２１（１２、２２）の端部の突き合わせ
部は接触しているか近接している。上面側の面板１１、
２１の突き合わせ部の凸部１５、２５を上方からアーク
溶接によって仮止めする。仮止め溶接は間欠的である。
【００１９】凸部１６、２６はベッド２４０に載ってい
る。リブ２３Ｂと面板２２との交点の近傍もベッド２４
０に載っている。この状態において、摩擦攪拌接合装置
の回転工具２５０を上方から凸部１５、２５の突き合わ
せ部に挿入した状態で、接合線に沿って移動させ、摩擦
攪拌接合する。回転工具２５０の軸心は鉛直方向であ
る。ただし、回転工具２５０の進行方向に対しては軸心
は公知のように傾斜している。２つの凸部１５、２５の
幅を検出してその中心に回転工具２５０の軸心を位置さ
せる。
【００２０】回転工具２５０は大径部２５２とその先端
の小径部２５１とからなる。小径部２５１の先端は座１
７の上面よりも深く挿入している。大径部２５２の下端
は凸部１５、２５の頂と面板１１、２１の外面との間に
位置している。大径部２５２の径は２つの凸部１５、２
５からなる幅よりも小さい。小径部２５１はねじであ
る。
【００２１】この摩擦攪拌接合によって、面板１１、２
１の突き合わせ部の隙間は埋められて、接合される。
【００２２】次に、この構造体を反転させてベッド２４
０に載せる。凸部１６、２６の上方からアーク溶接で仮
止めする。次に、凸部１６、２６の上方から回転工具２
５０で摩擦攪拌接合する。摩擦攪拌接合は前記と同様で
ある。
【００２３】最後に、車体の外面側の凸部を切削して面
板と同一面にする。これによれば、回転工具２５０の軸
心は２つのリブ１３Ａ、１３Ｂ（１３Ａ、２３Ｂ）によ
るトラスの頂点またはその近傍を通る鉛直線上にある。
接合の際の挿入力は、回転工具２５０の軸心に向けて配
置した２つのリブ１３Ａ、１３Ｂ（１３Ａ、２３Ｂ）に
よって支えられる。このため、リブ１３Ａ、１３Ｂ、２
３Ｂの曲がりを抑制できる。１３Ａ、１３Ｂ、２３Ｂの
板厚を薄くでき、軽量にできるものである。もちろん面
板１１、２１の曲がりも抑制できる。リブ１３Ａ、１３
Ｂ、２３Ｂの板厚は他のリブ１３、２３の板厚よりも厚
い。リブ１３Ａ、１３Ｂ、２３Ｂを支えるベッド２４０
があるので、面板の曲がりも防止できる。
【００２４】また、接合後、構造体として用いる場合を
考えると、実質的にすべてをトラス構造で構成したこと
になる。このため、面外曲げ剛性が向上し、軽量にでき
るものである。２つのリブ１３Ａ、１３Ｂ（１３Ａ、２
３Ｂ）による頂点は面板１１、２１よりも外面側にあっ
てもよい。
【００２５】上記実施例の接合は摩擦攪拌接合で行って
いるが、いずれか一方の接合または双方の接合をアーク
溶接で行ってもよい。アーク溶接する場合は、接合時の
荷重がないので、リブ１３Ａ、１３Ｂ、２３Ｂを薄くで
きるであろう。突出座２７の上面、座１７の下面は傾斜
していてもよい。上記実施例は面板１１、１２、２１、
２２が平行であったが、一方の面板が他方の面板に対し
て傾斜している場合にも対応できるものである。
【００２６】図４は、接合部の面板の法線が傾斜してい
る場合である。中空形材１０の一端は水平である。中空
形材１０、２０はベッド２４０に載っている。これは側
構体２０１の端部の接合線に生じ易い。この場合の回転
体の軸心は面板の法線に沿っている。この法線はトラス
の頂点の近傍を通る。矢印は回転工具２５０の位置と方
向を示す。
【００２７】図５の実施例を説明する。中空形材２０は
ブロック状の部材３０である。部材３０は中空か否かを
問わない。他は図１の実施例に同様である。部材３０が
中空形材のとき、座２７は凸部２６と面板２１とを接続
するリブに設ける。このリブは面板１１に実質的に直交
（面板の法線に沿っている）している。面板２１は面板
１１の延長線上に実質的に沿っている。
【００２８】図６の実施例を説明する。図１の中空形材
２０は面板２１の端部と面板２２の端部とを接続するリ
ブがない。一方、面板の端部には凸部２５、２６があ
る。このため、凸部２５の製作が困難である。図６の実
施例はこれを改善することを目的とするものである。面
板２１の端部と面板２２の端部とを接続するリブ２３Ａ
がある。リブ２３Ａ、２３Ｂ、面板２１によって２等辺
３角形を構成している。これによれば２本のリブで挿入
力を支える。リブ１３Ａ、１３Ｂ、２３Ａ、２３Ｂの板
厚を薄くできる。中空形材２０を製作後、リブ２３Ａを
除き、その後、図１のように摩擦攪拌接合することもで
きる。
【００２９】図７の実施例は、リブ２３Ａを中空形材の
端部に近接して設けている。リブ２３Ａの中心線とリブ
１３Ｂの中心線とから２等辺３角形を構成している。両
者の中心線の交点を通る鉛直線上に回転工具２５０の軸
心がある。これによれば、挿入力を３本のリブでより支
えることができる。
【００３０】図８の実施例は、回転工具２５０の挿入位
置を２つの交点の間にしたものである。
【００３１】本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の
各請求項に記載の文言あるいは課題を解決するための手
段の項に記載の文言に限定されず、当業者がそれから容
易に置き換えられる範囲にも及ぶものである。
【００３２】
【発明の効果】本発明によれば、二枚の面板を接続する
２つのリブによるトラスの頂点の近傍を接合部として接
合するので、軽量かつ高剛性な構造体を提供することが
できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の接合部の要部の縦断面図。
【図２】本発明の一実施例の一組の中空形材の縦断面
図。
【図３】鉄道車両の車体の斜視図。
【図４】本発明の他の実施例の要部の縦断面図。
【図５】本発明の他の実施例の要部の縦断面図。
【図６】本発明の他の実施例の要部の縦断面図。
【図７】本発明の他の実施例の要部の縦断面図。
【図８】本発明の他の実施例の要部の縦断面図。
【符号の説明】
１０、２０ 中空形材 １１、１２、２１、２２ 面板 １３、１３Ａ、１３Ｂ、２３、２３Ａ、２３Ｂ リブ １７、２７ 座 ２０１ 側構体 ２０２ 屋根構体 ２０３ 台枠 ２４０ ベッド ２５０ 回転工具
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ１６Ｓ 1/00 Ｆ１６Ｓ 1/00 // Ｂ２３Ｋ 103:10 (72)発明者 牧野 俊昭 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸事業所内 (72)発明者 佐川 年旦 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立製作所内 Ｆターム(参考） 4E067 AA05 BG02 DA13 DA17 EA08 4F100 AB10A AB31A BA01 DD14 EH17 EJ41 GB07 GB31 JK01 JL03

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 二枚の面板の間を複数のリブでトラス状
    に接続しており、一方の面板の端部は他方の面板の端部
    よりも該中空形材の端部側に突出しており、前記一方の
    面板の端部と他方の面板の端部とを前記トラスを構成す
    る前記リブで接続した中空形材を準備し、 前記中空形材の前記他方の面板の端部の前記トラスの頂
    点の近傍に第２の部材を接合し、該接合は前記第２の部
    材を前記一方の面板の延長方向に実質的に位置させて前
    記接合を行うこと、 を特徴とする構造体の製作方法。
  2. 【請求項２】 請求項１の構造体の製作方法において、
    前記第２の部材は、前記中空形材の前記頂点の近傍に設
    けた座に重ね、 次に、前記中空形材と前記第２の部材とを摩擦攪拌接合
    によって接合すること、 を特徴とする構造体の製作方法。
  3. 【請求項３】 請求項１の構造体の製作方法において、
    前記一方の面板の端部を前記第２の部材に接合するこ
    と、を特徴とする構造体の製作方法。
  4. 【請求項４】 請求項３の構造体の製作方法において、
    前記第２部材は、前記トラスの頂点の近傍に接続する面
    板と、該面板に実質的に直交するリブとからなり、前記
    一方の面板の端部を前記リブの座に重ね、 次に、前記一方の面板の端部と前記座とを摩擦攪拌接合
    によって接合すること、 を特徴とする構造体の製作方法。
  5. 【請求項５】 二枚の面板の間を複数のリブでトラス状
    に接続しており、一方の面板の端部は他方の面板の端部
    よりも該第２の中空形材の端部側に突出しており、前記
    一方の面板の端部と前記他方の面板の端部とを前記トラ
    スを構成する前記リブで接続した第１の中空形材を準備
    し、 二枚の面板の間を複数のリブでトラス状に接続してお
    り、一方の面板の端部は他方の面板の端部よりも該中空
    形材の端部側に突出しており、前記他方の面板の端部と
    前記一方の面板の途中とを前記トラスを構成する前記リ
    ブで接続した第２の中空形材を準備し、 前記第１の中空形材の前記一方の面板の端部を前記第２
    の中空形材の前記他方面板の端部に接合し、前記第１の
    中空形材の前記他方の面板の端部を前記第２の中空形材
    の前記一方の面板の端部に接合すること、 を特徴とする構造体の製作方法。
  6. 【請求項６】 請求項５の構造体の製作方法において、
    前記第１の中空形材の前記一方の面板の端部を前記第２
    の中空形材の前記他方の面板の端部の近傍の座に重ね、 次に、前記第１の中空形材の前記一方の面板の端部と前
    記第２の中空形材の前記他方の面板の端部とを摩擦攪拌
    接合によって接合すること、 を特徴とする構造体の製作方法。
  7. 【請求項７】 請求項５の構造体の製作方法において、
    前記第２の中空形材の前記一方の面板の端部を前記第１
    の中空形材の前記他方の面板の端部の近傍の座に重ね、 次に、前記第２の中空形材の前記一方の面板の端部と前
    記第１の中空形材の前記他方の面板の端部とを摩擦攪拌
    接合によって接合すること、 を特徴とする構造体の製作方法。
  8. 【請求項８】 二枚の面板の間を複数のリブでトラス状
    に接続しており、一方の面板の端部は他方の面板の端部
    よりも該中空形材の端部側に突出しており、前記一方の
    面板の端部と前記他方の面板の端部とを前記トラスを構
    成する前記リブで接続した中空形材があり、 前記中空形材の前記他方の面板の端部の前記トラスの頂
    点の近傍に第２の部材が接合されており、該第２の部材
    は前記一方の面板の延長方向に実質的に位置しているこ
    と、 を特徴とする構造体。
  9. 【請求項９】 請求項８の構造体において、前記第１の
    中空形材の前記一方の面板の端部は前記第２の中空形材
    の前記他方の面板の端部の近傍の座に重なっており、 前記第１の中空形材の前記一方の面板の端部と前記第２
    の中空形材の前記他方の面板の端部とが接合されている
    こと、 を特徴とする構造体。
  10. 【請求項１０】 請求項９の構造体において、前記第１
    の中空形材の前記一方の面板の端部と前記第２の中空形
    材の前記他方の面板の端部との接合は摩擦攪拌接合で行
    われていること、を特徴とする構造体、
  11. 【請求項１１】 請求項８の構造体において、前記第２
    の中空形材の前記一方の面板の端部は前記第１の中空形
    材の前記他方の面板の端部の近傍の座に重なっており、 前記第２の中空形材の前記一方の面板の端部と前記第１
    の中空形材の前記他方の面板の端部とが接合されるこ
    と、 を特徴とする構造体。
  12. 【請求項１２】 請求項１１の構造体において、前記第
    ２の中空形材の前記一方の面板の端部と前記第１の中空
    形材の前記他方の面板の端部との接合は摩擦攪拌接合で
    行われていること、を特徴とする構造体。
  13. 【請求項１３】 請求項８の構造体において、前記第２
    部材は、前記トラスの頂点の近傍に接続する面板と、該
    面板に実質的に直交するリブとからなり、前記一方の面
    板の端部は前記リブの座に重なっており、 前記第２の部材のそれぞれの端部は前記中空形材に摩擦
    攪拌接合によって接合されていること、 を特徴とする構造体。
  14. 【請求項１４】 二枚の面板の間を複数のリブでトラス
    状に接続しており、一方の面板の端部は他方の面板の端
    部よりも該第１の中空形材の端部側に突出しており、前
    記一方の面板の端部と前記他方の面板の端部とを前記ト
    ラスを構成する前記リブで接続した第１の中空形材があ
    り、 二枚の面板の間を複数のリブでトラス状に接続してお
    り、一方の面板の端部は他方の面板の端部よりも該中空
    形材の端部側に突出しており、前記他方の面板の端部と
    前記一方の面板の途中とを前記トラスを構成する前記リ
    ブで接続した第２の中空形材があり、 前記第１の中空形材の前記一方の面板の端部を前記第２
    の中空形材の前記他方面板の端部に接合しており、 前記第１の中空形材の前記他方の面板の端部を前記第２
    の中空形材の前記一方の面板の端部に接合しているこ
    と、 を特徴とする構造体。
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