CN104773219A - 一种新型动车式纯电动brt公路列车结构 - Google Patents

Abstract

一种新型动车式纯电动BRT公路列车结构，由导向车头(1)和一组或多组动力车厢对组(2)构成，每组动力车厢对组(2)均由两段单体车厢构成；导向车头(1)为双桥结构，每组动力车厢对组(2)有两个车桥，分别布置在两段单体车厢的正中位置，导向车头前桥(4)为转向桥，导向车头后桥(5)为驱动桥，每组动力车厢对组(2)的两个车桥中，至少有一个为驱动桥；导向车头(1)与动力车厢对组(2)之间、两组相邻动力车厢对组(2)之间通过单个普通牵引铰盘(9)连接，每组动力车厢对组(2)中间通过上铰盘(10)、下铰盘(11)连接；动力车厢对组结构成中心对称可双向行驶。该结构长度可根据不同运输量的需求进行调整，转弯通道圆宽度大幅减小，且转弯时车轮行驶轨迹一致。

Description

一种新型动车式纯电动BRT公路列车结构

技术领域

本发明涉及公路列车和动车组结构设计领域，设计一种新型纯电动公路列车结构。

技术背景

近年来，道路交通拥堵问题日益严重，尤其对于国内人口密集的城市，出行高峰期的交通负担极大。城市公交系统的运输效率降低，使得人们花费在道路上的时间成本大幅提高。

为缓解交通压力，提高公交车的运行效率，近年来，我国已在多个城市开始实行BRT快速公交系统。通过开辟公交专用道路，实现类轨道交通模式的无轨运营，其较大的运载量和较高的运行速度可以有效缓解交通压力。

最具备大运载量优势的公共交通车辆类型当属列车类型。轻轨和地铁的应用普及极大程度缓解了城市交通的压力。由于其行驶线路固定，避免了公交车会遇到的交通拥堵问题，同时其运载量的优势也大大提高了运行效率。地铁采用电力牵引，其动力模式为分布式，使每节车厢都有各自的动力驱动，即动车组。相较于动力集中式，动力分散式能够避免经常的推拉运作，在提高牵引效率的同时，也有益于提高牵引构件的使用寿命。但地铁和轻轨属于城市轨道交通类型，轨道的建设有一定的额外成本，且轨道线路固定，一经废弃不能再被其他道路车辆使用。因此，若能将地铁、轻轨的动车组结构应用到BRT公交车中，城市无轨交通的运载能力和运行效率将会得到大幅度的提高，同时省去了轨道的建设成本，道路资源也可以持续利用。

由于大运载量的要求，现在BRT公交车基本选用铰接客车。目前国内BRT公交车规格多采用18米单铰接客车。铰接客车的最大特点是车身长度较长，长车身带来的最大缺点就是转弯时所需的通道圆宽度增大，占用的道路面积较大。并且由于整车长度较长，转向轮转角过大，一定程度增加驾驶员操作难度。

针对以上的事实和设想，本发明提出一种新型的纯电动BRT公路列车结构。列车由导向车头和一组或多组动力车厢对组构成。每组动力车厢对组均有各自的动力驱动，便于组合成长度不同的列车，使整车可以通过增加或减少动力车厢对组的数目来调整载客量，提高运行效率。列车通过导向车头实现转向，导向车头前桥为转向桥，其余车桥均为驱动桥。发明中，通过特殊的车桥位置的设计，使列车在转向时，各个车厢能够保证相同的行驶轨迹，降低驾驶员的驾驶难度。同时大幅度减小转弯通道圆的宽度，在运载量大幅提升的优势下，规避了传统BRT铰接客车的缺点。

发明内容

本发明提出一种新型动车式纯电动BRT铰接客车的结构。该结构长度可以根据不同运输量的需求进行调整，在实现运载能力大幅提高的同时，转弯通道圆宽度相较传统BRT铰接客车大幅减小，且转弯时车轮行驶轨迹一致。所有车厢都有各自的动力驱动，适应长车身所需的较大驱动力。

结合附图，说明如下。

一种新型动车式纯电动BRT公路列车结构，列车结构由导向车头1和一组或多组动力车厢对组2构成，每组动力车厢对组2均由两段单体车厢构成；导向车头1为双桥结构，每组动力车厢对组2有两个车桥，分别布置在两段单体车厢的正中位置，导向车头前桥4为转向桥，导向车头后桥5为驱动桥，每组动力车厢对组2的两个车桥中，至少有一个为驱动桥；导向车头1与动力车厢对组2之间、两组相邻动力车厢对组2之间通过单个普通牵引铰盘9连接，每组动力车厢对组2中间通过上铰盘10、下铰盘11连接；动力车厢对组结构成中心对称可双向行驶。

所述的电池组集中布置在导向车头1的前桥4和后桥5之间；电池组立式布置，在导向车头的前、后桥之间，上方和下方各开设一个通风口，通过空气对流辅助电池组良好散热。

所述的导向车头1的后悬部分与相连车厢贯通，形成乘客舱。

所述的驱动系统布置形式可选择轮边驱动以降低地板高度，也可以选择车桥驱动降低成本。

所述的导向车头1的车门7开设在导向车头1的右侧围的后方位置，动力车厢对组2的车门8交替开设在动力车厢对组2的左右侧围，同侧相邻车门间距相同。

本发明的有益效果：

1、本发明相比轻轨等轨道列车，省去了铺设轨道的成本，且行驶道路的选择更为灵活，某些路段可与其他车辆共用道路；而相比传统铰接客车，运载量大幅增加。

2、本发明所述的列车结构在转弯时，除与导向车头相连的车厢有小幅度内摆，后续车厢的行驶轨迹能够保证完全相同。即转弯时只要导向车头通过，后续车厢对组均能通过弯道，使得驾驶员的操作难度大幅降低。

3、转弯通道圆宽度大幅减小，相较于目前常用的三轴式铰接客车(参考SX6180E发动机后置18.5米铰接车)，转弯通道圆宽度减小约2.7米。在运载能力大幅提升的同时，大幅减少对道路的占用面积，节约道路资源。

4、电池组集中布置在导向车头的前桥和后桥之间。此位置可看作简支梁，电池组布置在这里更加稳定。集中布置的设计方便了电池的充能和更换，即通过更换导向车头来更换电池。

5、本发明中的列车结构的每个动力车厢对组都有自己的动力驱动，导向车头不需要提供较大的牵引力，提高牵引效率的同时，延长牵引构件的使用寿命。且车厢对组自带动力的设计，使其便于组合成长度不同的列车，列车可以通过增加或减少动力车厢对组的数目来调整载客量，满足不同乘员量对公共车辆运载能力的要求。

6、动力车厢对组可双向行驶，车辆需要调转行驶方向时，只需将导向车头与车厢分离，导向车头单独调头行至原车尾，与原尾部车厢相连，即可实现反向行驶，避免了由于列车长度过长可能导致的调头困难。导向车头相较于传统单铰接客车的主车部分，长度较小，转向时更为灵活。

7、动力车厢对组无需做调头时的大角度回转，使得铰盘的转角较小，列车的软篷长度可以适当减小，车厢长度可以相应地增加，进而增大运载空间。同时铰盘和软蓬的制造成本也有所降低。

8、动力车厢对组中间通过双铰盘连接，保证列车结构稳定。铰盘连接处允许水平方向左右摆动，但垂直方向上不能运动，避免了铰盘垂直方向上的变形，延长铰盘的使用寿命。

9、导向车头配有不同容量的电池组，与变化的列车长度和运载量相适应。高峰期应用大容量电池组以提供足够的动力，非高峰期用小容量电池组有益于减轻重量并减小对空间的占用。电池组采用立式布置，有利于充分利用空间，减小电池组的占用面积。在导向车头的前后桥之间，上方和下方各开设一个通风口，通过空气对流辅助电池组良好散热，省去了风扇等散热装置的成本。

10、同侧相邻车门间距相同，方便站台配合车门间距等距建设。

附图说明：

图1为传统BRT铰接式客车的侧面示意图；

图2为本发明所述的公路列车右侧车身示意图；

图3为本发明所述的公路列车左侧车身示意图；

图4为本发明所述的公路列车的一组动力车厢对组示意图；

图5为本发明所述的公路列车车门位置俯视示意图；

图6为本发明所述的公路列车的转弯通道圆(R＝12.50米)示意图；

图7为本发明所述的公路列车的弯道通过(R＝20.00米)示意图；

图8为本发明所述的公路列车涉及的主要尺寸参数示意图；

其中：1、导向车头  2、动力车厢对组  3、软篷  4、导向车头前桥  5、导向车头后桥6、动力车厢对组车桥  7、导向车头车门  8、动力车厢对组车门  9、单个普通牵引铰盘10.上铰盘  11、下铰盘

具体实施方式：

结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的说明。

列车结构由导向车头1和一组或多组动力车厢对组2构成，其中，每组动力车厢对组2均由两段单体车厢构成。导向车头1与动力车厢对组2之间、两组相邻动力车厢对组2之间通过单个普通牵引铰盘9连接，每组动力车厢对组2中间通过上铰盘10、下铰盘11连接，这样使铰盘连接处允许水平方向左右摆动，但垂直方向上不能运动。列车铰接处覆有软蓬3。

导向车头1为双桥结构，每组动力车厢对组2有两个车桥，分别布置在两段单体车厢的正中位置。导向车头前桥4为转向桥，其余车桥为驱动桥或支撑桥。转弯时，与导向车头相连的车厢有小幅度内摆，但后续车厢的行驶轨迹能保证完全相同，降低驾驶员操作难度的同时，很大程度减小了转弯通道圆的宽度，缩减了对道路的占用面积。

转弯通道圆宽度的具体数值确定如下：

本方案中所使用的主要尺寸参数如图8所示，其中：L₁为导向车头前悬长度，L₂为导向车头前轮轴与后轮轴之间的距离，L₃为导向车头后轮轴到相邻铰盘中心的距离，L₄为动力车厢对组轮轴到相邻铰盘中心的距离，W是整车宽度。

本方案基于GB1589-2004道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值，以车辆通道圆的外圆半径12.50米作为车身最外点的参考转弯半径R。参考现有铰接式客车的尺寸参数，本方案中，车身主要尺寸参数如下(单位：米)：导向车头前悬长度L₁＝1.50，导向车头前轴与后轴的轴距L₂＝3.50，导向车头后轮轴到相邻铰盘中心距离L₃＝3.00，动力车厢对组轮轴到相邻铰盘中心的距离L₄＝4.00，整车宽度W＝2.50。

该公路列车的转弯情况如附图6所示，导向车头转向轮、驱动轮以及动力车厢对组所有驱动轮都应绕同一中心点O转动。R为车身最外点在地面上的投影形成的外圆周轨迹半径，r为车身最内点在地面上的投影形成的内圆周轨迹半径，R与r的差值即为所要求得的车辆转弯时的通道圆宽度A，即A＝R-r。

根据图6中的转弯通道圆示意图所示的几何关系，可以计算出内圆周半径r的值，从而求得转弯通道圆宽度A。

最小转弯半径r的求解如下：

根据铰接客车转弯时的行驶轨迹要求，建立几何关系如下：

$R^2={(L_1+L_2)}^2+{(L_{\mathrm{OE}}+\frac{W}{2})}^2$

$L_{{\mathrm{OP}}_1}^2=L_3^2+L_{\mathrm{OE}}^2$

$L_{{\mathrm{OP}}_2}^2=L_4^2+{(r+\frac{W}{2})}^2$

$L_{{\mathrm{OP}}_1}=L_{{\mathrm{OP}}_2}$

其中，R—车身最外点参考转弯半径，O—转向中心点，P₁—连接导向车头与动力车厢对组的铰盘中心点，L_OP1—转向中心到铰盘中心P₁的距离，P₂—连接相邻两车厢的铰盘中心点，L_OP2—转向中心到铰盘中心P₂的距离，E—导向车头后轮轴中点，L_OE—转向中心到导向车头后轮轴中点的距离，W—整车宽度，L₁—导向车头前悬长度，L₂—导向车头前轮轴与后轮轴之间的距离，L₃—导向车头后轮轴到相邻铰盘中心的距离，L₄—动力车厢对组轮轴到相邻铰盘中心的距离。

计算得到r＝8.61米。

转弯通道圆宽度A＝R-r，计算得：A＝12.50-8.61＝3.89米。

同时可得到转向桥轮轴中点的最大偏转角α约为19°。

参考SX6180E发动机后置18.5米铰接车，其转弯通道圆宽度A为6.63米，本发明所描述的铰接客车结构，在车身长度大幅增加的同时，转弯通道圆宽度减小约2.74米，减小率约为41％，既实现了运载量的提高，也达到了节约道路资源的目的。

另，考虑到该铰接客车在转弯时，导向车头与车厢、车厢与车厢之间存在水平转角，即车辆转弯时，车厢中心线绕铰接点相对导向车头(或前车厢)中心线转过一个角度，因此还需计算出车辆转弯时，导向车头与车厢、车厢与车厢之间的最大夹角，以便确定对铰盘的摆角要求及软蓬的合适长度。

根据图6中的转弯通道圆示意图所示的几何关系，可以计算出：

①导向车头与车厢之间的最大夹角β₁

${\mathrm{\β}}_1=\arctan \frac{L_3}{L_{\mathrm{OE}}}+\arctan \left(\frac{2L_4}{2r+W}\right)$

算得β₁约为38°

②车厢与车厢之间的最大夹角β₂

${\mathrm{\β}}_2=2\arctan \left(\frac{2L_4}{2r+W}\right)$

算得β₂约为44°

其中，L₃—导向车头后轮轴到相邻铰盘中心的距离，L₄—动力车厢对组轮轴到相邻铰盘中心的距离，W—整车宽度，r—车身最内点在地面上的投影形成的内圆周轨迹半径，L_OE—转向中心到导向车头后轮轴中点的距离。

为保证转弯时软蓬的变形在合理范围之内，相邻车厢不发生干涉，规定转弯时软篷受压的一侧最短可压缩至0.20米，按几何关系可以计算出软篷长度约为1.24米。公路列车导向车头长度为7.38米，每组动力车厢对组长度为14.76米，所有软篷长度均为1.24米，导向车头到第一个铰接盘中心的长度为8.00米，两个相邻的单铰接盘中心的间距为16.00米，同侧相邻两车门间距为4.00米，整车长度为(7.38+16.00n)米，n为动力车厢对组数。

以上结果是在列车极限调头的情况下计算得到的，以车辆通道圆的外圆半径12.50米作为车身最外点的参考转弯半径R。但由于本发明中所述的列车结构，动力车厢对组可以双向行驶，完成调头动作的只有导向车头，不存在列车整体的调头动作，因此列车只需完成正常行驶中的道路转弯即可。通常的城市道路的弯道，转弯半径可达到以上计算标准的二倍，列车转弯时铰盘连接处的夹角会有一定程度的降低，铰盘摆角较小，连接处的软篷长度缩短，车厢的长度相应增长，乘客空间增加。

按照图7所示的几何关系，若按照转弯半径R′＝20.00米计算，列车的最小转弯半径r′＝16.67米。此时的导向车头与车厢的夹角β′₁以及车厢与车厢夹角β′₂计算如下：

${\mathrm{\β}}_1^{\′}=\arctan \frac{L_3}{L_{\mathrm{OE}}}+\arctan \left(\frac{2L_4}{2r^{\′}+W}\right)$

${\mathrm{\β}}_2^{\′}=2\arctan \left(\frac{2L_4}{2r^{\′}+W}\right)$

得β′₁约为22°，β′₂约为25°，相较于β₁和β₂分别减小了42％和43％。所需铰盘摆角也随之减小，铰盘的制造成本也相应降低。

若要满足转弯时软蓬的变形在合理范围之内，相邻车厢不发生干涉，同样规定转弯时软篷受压的一侧最短可压缩至0.20米，此时，软篷的长度可缩短至0.76米，平均每段软篷的长度减小了0.48米，约39％，导向车头长度变为7.62米，每组动力车厢对组长度增加至15.24米，相应的，每段单体车厢增加了0.48米长的乘坐空间。软蓬的制造成本也会有所降低。

电池组立式集中布置在导向车头1的前桥4和后桥5之间。电池组立式布置有利于充分利用空间，减小电池组的占地面积。导向车头可制造多个，配有不同容量电池组，根据动力车厢对组的数目，选择配有合适电池容量的导向车头。即在交通高峰期，动力车厢对组较多，列车长度较长时，选择配备大容量电池组的导向车头，以提供足够的动力；非高峰期，整车长度较短时，选择配备小容量电池组的导向车头，有利于减轻重量和增大运载空间。电池的更换通过直接更换导向车头实现。在导向车头的前、后桥之间，上方和下方各开设一个通风口，通过空气对流辅助电池组良好散热。

本发明通过增加列车长度，来实现大运载量的目标，因此车辆所需牵引力将会增大。若完全依靠导向车头产生牵引力，牵引负担将会加重，且牵引效率也会降低。为适应这一特点，采用动力分布式，每组动力车厢对组2的两个车桥中至少有一个为驱动桥，保证在行驶过程中，每个动力车厢对组都能有自己的动力驱动，这样导向车头只需要提供导向作用，无需再提供较大的牵引力，提高牵引效率的同时，延长牵引构件的使用寿命。同时由于车厢对组自带动力，便于组合成长度不同的列车，使列车可以通过增加或减少动力车厢对组2的数目来调整载客量，满足不同乘客数量对公共车辆运载能力的要求。驱动系统布置形式可选择轮边驱动以降低地板高度，也可以选择车桥驱动降低成本。

如图5所示的各车门位置的俯视图，导向车头1的车门7开设在导向车头1的右侧围的后方位置，动力车厢对组2的车门8交替开设在动力车厢对组2的左右侧围，动力车厢对组结构成中心对称，同侧相邻两车门间距S为8.00米，同段车厢两车门纵向间距D为5.00米。动力车厢对组可以双向行驶。列车需要调转行驶方向时，只需将导向车头与车厢分离，导向车头单独调头行至原车尾，与原尾部车厢相连，即可实现反向行驶，避免了由于整车长度过长可能导致的调头困难。同时，由于动力车厢对组无需做调头时的大角度回转，使得铰盘的转角较小，列车的软篷长度可以适当减小，车厢长度可以相应地增加，进而增大运载空间。同侧车门纵向间距相同，方便站台配合车门间距等距建设。

Claims (5)

1.一种新型动车式纯电动BRT公路列车结构，其特征在于：列车结构由导向车头(1)和一组或多组动力车厢对组(2)构成，每组动力车厢对组(2)均由两段单体车厢构成；导向车头(1)为双桥结构，每组动力车厢对组(2)有两个车桥，分别布置在两段单体车厢的正中位置，导向车头前桥(4)为转向桥，导向车头后桥(5)为驱动桥，每组动力车厢对组(2)的两个车桥中，至少有一个为驱动桥；导向车头(1)与动力车厢对组(2)之间、两组相邻动力车厢对组(2)之间通过单个普通牵引铰盘(9)连接，每组动力车厢对组(2)中间通过上铰盘(10)、下铰盘(11)连接；动力车厢对组结构成中心对称可双向行驶。

2.根据权利要求1所述的一种新型动车式纯电动BRT公路列车结构，其特征在于：所述的电池组立式布置，集中布置在导向车头(1)的前桥(4)和后桥(5)之间；在导向车头的前、后桥之间，上方和下方各开设一个通风口，通过空气对流辅助电池组良好散热。

3.根据权利要求1所述的一种新型动车式纯电动BRT公路列车结构，其特征在于：所述的导向车头(1)的后悬部分与相连车厢贯通，形成乘客舱。

4.根据权利要求1所述的一种新型动车式纯电动BRT公路列车结构，其特征在于：所述的驱动系统布置形式可选择轮边驱动以降低地板高度，也可以选择车桥驱动降低成本。

5.根据权利要求1所述的一种新型动车式纯电动BRT公路列车结构，其特征在于：所述的导向车头(1)的车门(7)开设在导向车头(1)的右侧围的后方位置，动力车厢对组(2)的车门(8)交替开设在动力车厢对组(2)的左右侧围，同侧相邻车门间距相同。