アルミニウム合金製の鉄道車両

アルミニウム合金製鉄道車両

アルミニウム合金製の鉄道車両は、車体外板や内部構造の大部分にアルミニウム合金を使用した鉄道車両です。その軽量性や耐食性から、多くの鉄道車両で採用されています。

アルミニウム合金製車両の利点と欠点

利点

耐食性: 耐食性アルミニウム合金の使用により、ステンレス車両と同様に腐食に強いのが特徴です。海岸部を走行する車両では、塩害による腐食が問題となりますが、アルミニウム合金製の車両はその影響を軽減できます。
軽量化: 普通鋼製に比べて大幅な軽量化が可能です。ステンレス鋼製と比較しても軽量化できるため、消費エネルギーの削減に貢献します。
気密性: 普通鋼と同様に連続溶接が可能で、車体の気密性を確保できます。特に、気密性と軽量化が求められる新幹線車両では、その利点が最大限に活かされています。
設計・製造の自由度: 押出型材の使用により、ステンレス製車体に比べて車体設計と製造の自由度が高く、複雑な形状も実現可能です。
部品点数の削減: 大型の押し出し型材を使用することで、部品点数を大幅に削減できます。これにより、製作工数や溶接歪みを抑制できます。
リサイクル性: 普通鋼製やステンレス製の車体と比べてリサイクルしやすく、廃車車両から回収されたアルミニウムを再生利用することも可能です。
無塗装での使用: アルミニウム合金の種類によっては、耐食性に優れるため無塗装での使用が可能です。また、大型押出型材とFSWを組み合わせることで、表面の仕上がり精度が向上し、塗装前のパテ付けや研磨処理を抑制できます。

欠点

製造コスト: アルミニウムの単価が高いため、製造コストが普通鋼製やステンレス鋼製の車両に比べて高額になります。輸送密度の低い路線では、採用事例が限られることがあります。
剛性: アルミニウム合金のヤング率は炭素鋼やステンレス鋼の約3分の1であるため、同じ断面で比較すると剛性が低くなります。この対策として、板厚を増やしたり、断面二次モーメントを確保するための設計上の工夫が必要です。
遮音性: 内部減衰が小さいため、固体伝播音が伝わりやすい傾向があります。台車から車体への振動伝達経路にゴムブッシュを介在させるなどの対策が必要です。
耐火性: 融点が鉄鋼に比べて低いため、火災時には構体が溶融する可能性があります。床下に火源となる物がある場合は、耐火壁を設けるなどの対策が必要です。
耐弾性: 鉄鋼に比べて耐弾性が低いため、万一の鋼製部品の飛散が想定される場合は、防護板を設ける必要があります。
加工性: 普通鋼製の車両に比べて加工性が低く、製造後に車体形状を大きく変える改造が難しい場合があります。事故で破損した際の修理にも熟練を要します。
汚れ: 塗装を省略した場合、ステンレス鋼製の車両に比べて光沢が低く、汚れが目立ちやすい傾向があります。
気動車への不向き: 排気ガスの影響を受けやすいため、気動車での採用例は限られています。

各国での採用事例

イギリス

1949年にロンドン地下鉄で世界で初めて本格的なアルミ合金製車両が登場し、1952年に大量採用されるようになりました。

イギリス鉄道395形電車（日立A-train）
イギリス鉄道800形（日立A-train）
イギリス鉄道801形電車（日立A-train）

日本

日本では、戦後直後の1946年に国鉄の63系電車やオロ40形客車の車体材料としてジュラルミンが使用されました。しかし、耐食性が低いため、1953年から翌年にかけて普通鋼製車体に載せ替えられました。

その後、1953年に南海電気鉄道鋼索線用のケーブルカー車両コ1形でアルミニウム合金製車体が採用され、1962年には山陽電気鉄道2000系電車が製造されました。1963年には北陸鉄道6010系電車が製造され、高速電車としては山陽に次ぐ国内2例目となりました。

新幹線電車は軽量化と同時に車体の気密性が重視されることから、200系電車の採用を皮切りに各形式で採用されるようになりました。

2007年には東京地下鉄が全営業車両の100％アルミ車化を達成しています。

構体構造による世代区分

アルミニウム合金製車両は、構体構造や組立方法によって世代区分されます。

第1世代: アルミ合金製車両の構造、溶接方法・品質が確立されておらず、部分的にリベット接合が採用されたり、外板に波板構造（コルゲート）を採用するなど、試行錯誤が見受けられる。
第2世代: アルミ合金板材を切断・プレス曲げした外板と骨格で構成され、MIG溶接およびスポット溶接を全面的に用いており、構造、組立方法は鋼鉄製電車とほぼ同じである。
第2.5世代: 構体の一部分にアルミ押出材（中空材を含む）を採用し、コスト削減と見栄え向上の両立を図っている。
第3世代: 台枠や側構体軒桁に大形中空押出形材が、他の部位にも大形押出形材が全般的に採用された。大形押出形材を用いて外板と骨格の一部、外板補強を一体化し、スポット溶接適用部位が大幅に削減されている。
* 第4世代: 台枠、側構体、屋根構体全般にわたって大形中空押出型材が用いられる（「ダブルスキン構造」と呼ばれる）。精度向上やコストダウンに寄与する反面、重量は増加する傾向にある。車両メーカーによっては形材どうしの溶接に「摩擦攪拌接合」もしくは「レーザー・MIGハイブリッド溶接」を用い、溶接ひずみを減らす努力をしている。

アルミニウム合金製車両は、その優れた特性から、今後も鉄道車両の主流として発展していくことが期待されます。

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