CN108778887A - 能量吸收装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能量吸收装置(3)和能量吸收方法，用于吸收施加在两个相对运动的物体之间碰撞时释放的能量，其中施加到两个物体中的任意物体上的异常负载导致该物体相对于另一个物体的加速，并且为了阻滞所述加速，在碰撞时受到物体的应力作用的一个或多个元件的变形过程中吸收能量。所述变形过程包括在由冷成型材料制成的半固体或固体的变形螺栓(4)在由所述加速产生的力(FX)的方向上的强制拉伸的过程中的受控的直径减小。

Description

能量吸收装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于吸收两个相对运动的物体之间撞击时释放的能量的装置和方法。具体地涉及一种应用了能量吸收装置和方法的列车连接器(train coupler)。

背景技术

能量吸收装置是已知的，例如作为用于联接轨道车辆的列车连接器的结构部件，所述轨道车辆串联连接以相同的运动和方向一起移动，其中施加于任何相互连接的车辆的异常负载，比如在撞车时的施加的冲击负载，例如由导致所述车辆相对于另一车辆的加速度所导致的，并且其中为了阻滞所述加速度，加速度能量在包含于所述列车连接器中的一个元件或多个元件的变形过程中被吸收。

在用于列车连接器的能量吸收装置的结构上最简单的形式中，可以用剪力元件(shear out element)实现，该剪力元件提供在异常负载下放出的连接器的那些部件与那些保持静止连接至车辆底盘的部件之间的连接。剪力螺栓可以在例如EP 2 700 556 A1中找到。

用于列车连接器的能量吸收装置已知为变形管的形式，该变形管布置成在变形管的径向塌陷期间吸收能量，因为变形管被迫穿过锥形口，其最小直径小于该变形管的外径。这种方法的一个例子可以在EP 0 608 531 A1中找到。

上述解决方案的一个变体是倒置设计，其中变形管径向扩展为具有圆锥形端部件的心轴，大于变形管内径的外径被迫通过变形管。该方法的一个例子可以在WO 2005075272 A1中找到。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种能量吸收的方法和装置的替代和改进设计，该方法和装置可以在列车连接器中实施，并且还具有吸收在相对运动的任何两个物体之间撞击时释放的能量的通用用途。

在这种情况下，相对运动的物体应该被理解为包括以相反方向运动的物体或者以相同方向以不同速度运动的物体，或者物体中只有一个相对于另一个可以静止的物体运动。当在此使用时，共同运动中的物体是指为了在相同方向上运动而串联连接的物体。

本发明的目的分别在所附权利要求中定义的方法，装置和列车连接器中定义。

在第一方面中，简要地说，本发明涉及一种用于吸收相对运动的两个物体之间碰撞时释放的能量的方法，其中施加到两个物体中的任意物体上的异常负载导致该物体相对于另一物体的加速，并且其中为了阻滞所述加速，在在碰撞时受到来自物体的应力的一个或多个元件的变形过程吸收能量。根据本发明，变形过程包括在由冷成形材料制成的半固体或固体的变形螺栓在由所述加速度产生的力的方向上的强制拉伸的过程中的受控的直径减小。

在第二方面，简要地说，本发明涉及一种能量吸收装置，其包括由冷成形材料制成的半固体或固体变形螺栓，该螺栓具有适于安放在形成于硬金属环中的通孔中的锥形部分。

第三方面，简要地说，本发明涉及适用于连接轨道车辆的联接器，所述连接轨道车辆在相互连接的状态下以共同的运动和方向一起运动，其中施加到连接器的异常负载导致连接器或其部分相对于车辆的加速，并且其中为了阻滞所述加速，在所述连接器所包括的一个或多个元件的变形过程中吸收能量。根据本发明，一个或多个能量吸收元件包含由冷成型材料制成的半固体或固体的变形螺栓的所述锥形部分位于形成在硬金属环中的通孔中的至少一种组合。

通过本发明实现的一个技术效果是能量吸收装置能够吸收碰撞时释放的能量并且通过吸收至少部分能量来避免或减少对结构，车辆和乘客的损害。

由本发明实现的另一技术效果是在变形过程的全长期间获得的充分地连续地能量吸收能力。

通过本发明实现的另一技术效果是减小了安装空间的需求，比如与可折叠管相比。

减小的安装空间需求导致相邻结构设计的多功能性和能量吸收能力的提升，以及更大的安装自由度。

本发明提供的又一技术效果是在使用装置的一部分(即充当挤压模具的环)的冷成型工艺中形成装置的一部分(即变形螺栓)的尺寸的最小公差。

具有最小公差的受控生产增加了安全性并且减少了能量吸收装置的错误安装的风险。

在从属权利要求中分别列举了方法，装置和列车连接器的有利和优选实施例的特征。

附图说明

下面将参考所附的示意图更详细地解释本发明的实施例，其中

图1A和1B以两个步骤说明根据本发明所述的能量吸收装置的吸收能量的方法，

图2A和2B分别示出了包括在能量吸收装置中的环的纵截面和端视图，

图3示出了在能量吸收装置中的螺栓的中心部分的断开正视图，

图4示出了包含有本发明的能量吸收装置和方法的列车连接器的断开的局部剖视图，以及

图5示出了本发明的能量吸收装置的另一种实施方式的断开的局部剖视图。

具体实施方式

图1A和B示出了在由冷成形材料制成的变形螺栓的强制伸长期间通过直径受控的减小来吸收能量的过程。在附图中，附图标记1和2表示第一和第二物体，在这种情况下第一和第二物体相互连接以共同运动且以箭头F所指示的两个方向中的任意一个方向一起移动。尽管示意性地图示出，但应当理解，物体1和2是象征性的表示任何一对轨道车辆或公路车辆、船舶或结合在这些车辆、船舶或其他物体中的结构元件，所述车辆、船舶或其他物体串联连接以便在任一F方向上共同移动。

参考图2和图3，物体1和2是通过螺栓和螺母连接相互连接形成能量吸收装置，该能量吸收装置在附图中以附图标记3进行标注。能量吸收装置3包括具有第一螺栓长度部分4.1的螺栓4，第一螺栓长度部分4.1具有第一直径且第一直径通过锥形部分5邻接具有大于第一直径的第二直径的第二螺栓长度部分4.2。螺栓4由冷成形材料制成，并且至少第一螺栓长度部分4.1和锥形部分5可以通过在冷成形工艺中挤压而形成。

在螺栓4的一端，直径较小的螺栓长度部分4.1在外部形成有用于与螺母7螺纹接合的螺纹6。在螺栓的拧紧位置，螺母相对于第一物体1固定螺栓。

能量吸收装置3还包括形成有锥形通孔9的环8。环8具有与尺寸较小的螺栓长度部分4.1的外径11相匹配的内径10，环8的内径的锥形部分12与螺栓的锥形部分5的直径匹配。在连接物体1-2时，将螺栓4插入环8中，直到螺栓上的锥形部分5形状适合地顶在环上的锥形部分12上。换句话说，环8形成用于螺栓4的底座8。在连接模式中，物体1和2因此被夹紧在螺母7和环8之间且环8抵靠在螺栓4上的锥形部分5，如图1A所示。

图1A一方面展示了在正常负载下运动的物体1和2与能量吸收装置3的部件之间的关系，图1B另一方面展示了在阻滞物体2相对于物体1的加速过程中的相同元件和组件。

该加速度是施加在物体2上的异常负载FX的结果。如果异常负载FX足以导致物体2与物体1分离，例如在碰撞时，比如至少一些释放的能量被吸收并转化为热量以及导致螺栓4变形的作业中。螺栓4由于异常负载FX产生的力而在F方向上强制伸长从而使得直径受控的减小。

为此，螺栓4由合金钢制成，使得材料适合于通过冷成形工艺中的变形吸收能量。适用于该目的的钢是具有高拉伸强度并且在冷成形温度下断裂前提供高伸长率的回火硬化钢。商业上可用的合适钢质的一个例子是34CrNiMo6(欧洲标准EN 10083)，其经过硬化处理后的抗拉强度最小值为900N/mm2，尺寸可达250mm(对应于之前的瑞典标准品质2541-03)。应该理解的是，对于螺栓的实施例而言，邻近特性的其他品质是值得考虑的，并且能量吸收装置的每个实施方式都需要其自身选择的尺寸和钢质以用于实施。

在能量吸收和变形过程中，螺栓4的锥形部分5被环8移动到直径较大的螺栓长度部分4.2中，因此延长了直径较小的螺栓长度部分4.1，同时减小了直径较大的螺栓长度部分4.2。换句话说，螺栓长度部分4.2的变形部分的直径减小到螺栓长度部分4.1的直径，同时螺栓的总长度增加。因此，在能量吸收过程中，螺栓经历可塑变形，其可以表征为直径到长度的转换而不会损失材料或强度。该过程的特征将本发明的能量吸收装置和方法与现有技术的剪力螺栓和径向收缩管区分开来。

螺栓4是细长的固体或半固体元件。在一些实施例中，可能优选的是实现具有均匀且连续的圆形截面的固体棒形式的螺栓。然而，在一些实施例或应用中，可能优选的是在螺栓长度上改变能量吸收特性。因此，代替提供连续的螺栓直径，较宽的螺栓长度部分4.2的直径可以制成略微圆锥形，其直径尺寸从锥形部分5朝向螺栓的端部增长。其他可选方案包括例如在直径上形成局部变化或在较宽的螺栓长度部分4.2上形成凸起。

在其他情况下，可能需要从螺栓的中心移除材料，例如为了减小其重量，在这种情况下，中空的中心不需要延伸螺栓的整个长度，而是可以形成为盲孔。在任何一种情况下，空心中心孔或盲孔的内径应仔细平衡到螺栓的外部尺寸，以便不会危及剩余螺栓壁的完整性从而失去如上所述的变形特性。根据经验和非限制性的例子，在适当情况下，中空中心或盲孔的内径应不超过螺栓直径的1/2。在其他实施例中，可能优选的是，将空心或盲孔限制为螺栓直径的1/3或更小的内径，以便在变形期间确保螺栓壁的完整性。因此将螺栓4表征为固体或半固体元件似乎是合适的。

当环8在能量吸收过程中沿着螺栓向下行进时，它起到拉伸模或挤压模的作用。为此目的环8包括硬质金属插入件8.1，该硬质金属插入件8.1可以支撑在插入物保持器8.2中(参见图2A和B)。插入件8.1可以用高延展性钢制成，而插入物保持件8.2如果合适的话可以由其他品质的钢制成。

进一步参考图2A和2B环8，或者更确切地说是硬金属插入件8.1在其内径上形成有多个径向凹槽13。凹槽13在环8的轴向长度的至少一部分上延伸，在环的前端(即面向螺栓4上的锥形部分5的端部)上的锥形部分12开口。在预成型过程中，当压到螺栓4上时，在环的内径中的这些凹槽13形成相应数量的径向突起14，所述径向突起在直径较小的螺栓长度部分4.1的表面上鼓起，如可在图3中看到。螺栓上的突起14与环中的凹槽13之间的径向接合形成了一种装置，用于在螺母7被拧紧以固定到第一物体1时防止螺栓4相对于环8旋转。

图4示出了安装在列车连接器中的能量吸收装置3的实施例。在附图中，列车连接器通常由附图标记100表示。在图4中，列车连接器100旨在形成串联连接并处于相互连接状态的轨道车辆(未示出)之间的连接，并形成轨道车辆在箭头F所示的两个方向中的一个方向上一起移动的连接状态。

列车连接器100包括牵引杆101，该牵引杆101经由枢轴支架103中枢转的枢轴102枢转地附接到轨道车辆底盘(未示出)。枢轴支架103经由固定架104支撑在安装板105上，其形成车辆底盘的一部分或者在车辆的一端附近附接至车辆底盘的一部分。枢轴支架103延伸穿过安装板中的孔106，用于与安装板105的后表面上的固定架形成螺栓连接107。固定架104可以通过剪力螺栓108螺栓连接到安装板105的后表面上。

尽管可以在连接器100中安装任何数量的能量吸收装置3以提供期望的能量吸收性能，但至少需要在安装板105中的通孔106的每个相对侧上安装两个能量吸收装置3。总共四个能量吸收装置3可以可选地且优选地通过布置在列车连接器100中，并均匀地分布在通孔106周围。

在每种情况下，能量吸收装置3的螺栓4延伸穿过固定架并穿过安装板，以通过安装板105的前面的螺母7固定。在固定架104的后面，硬质金属环8被夹紧固定在固定架的后表面和螺栓4的锥形部分5之间。环8可以通过形状配合匹配固定在固定架中，该形状配合螺母7朝着安装板拧紧时防止环和螺栓的旋转。

如果在列车连接器100上施加异常负载FX至剪力螺栓108破裂的程度，则枢轴支架将在方向FX上移位，从而推动固定架104和环8的变形行程从而至少吸收一些在螺栓108断开之后剩余的能量。

就此而言，应该指出的是，引起能量吸收装置3的激活的异常负载通常是冲击或碰撞的结果，其释放比其他可恢复的能量吸收装置(诸如弹簧和阻尼器)可消耗的更多的能量，它们通常安装在主体类型的连接器中。还应指出的是，引起连接器相对于车辆加速并因此激活能量吸收装置的异常负载可以应用于车辆之间的连接模式中的连接器，以及非连接模式中的连接器，例如列车中第一辆和最后一辆车的前后联接器。

从以上的连接器的描述中，本领域技术人员将认识到，包括变形螺栓4和硬金属环8的能量吸收组合可以选择性地安装在连接器100中。更确切地说，在倒置设计(未示出)中，螺栓4可以通过螺母7固定在固定架104的后面上，使得锥形部5和较宽的螺栓长度部分4.2在安装板105的前侧上延伸。在这种情况下硬金属环8将被支撑在安装板的前表面上，被夹紧在安装板105和螺栓4上的锥形部分5之间。在任一种情况下，变形螺栓4相对于安装板105和枢轴支架103中的一者个固定地安装，并且环8相对于安装板105和枢轴支架103中的另一者固定地安装。

例如

能量吸收装置3已经在实验室规模上进行测试。由上述合金钢SIS2541-03制成的实心螺栓通过挤压形成而包括具有30mm直径的第一螺栓长度部分和该第一螺栓长度部分经由锥形部邻接的具有34mm直径的第二螺栓长度部分。在变形进程中，使用内部压痕的拉伸模，螺栓延伸25mm的同时螺栓直径从34mm减小至30mm。在这个变形行程中，螺栓在该长度进程上连续吸收了420-440kN的力。

尽管每个实践应用都需要其自身的螺栓设计和尺寸，但上述示例仍然证明了变形螺栓在本发明的能量吸收装置和方法的操作的可能性。

应该注意，本发明的能量吸收装置除了在这里给出的列车连接器和其他车辆连接中所示的应用之外具有更广泛的用途，仅仅是为了解释本发明，而没有限制的目的。更确切地说，所公开的能量吸收装置和方法提供了可安装在例如，缓冲器，保险杠，底盘或车身，电梯等中的碰撞保护和安全装置中，在这些场景中如果发生紧急情况可能会出现异常负荷。

在图5中示出了之后的一个示例，该图示意性地示出了在电梯应用中作为紧急停止装置200安装的能量吸收装置。在图5中，螺栓4位于固定在安装托架201的上端中的环8中。安装托架201固定地贴附到电梯竖井203的墙壁202上，使得螺栓和环组合在这种情况下是固定布置的。螺栓的螺纹端部6插入到具有向上翻转的钩205的牵引块204中，所述钩205伸入到电梯竖井中，钩205面向布置成在电梯竖井中移动的电梯轿厢206的主体。闩锁207集成在电梯轿厢的结构部分208中，该闩锁具有从电梯轿厢主体向外面向下翻转的钩209。在正常操作中，闩锁207被撤回到电梯轿厢结构208中，如图5中的虚线示意性地示出的。在其收回位置，闩锁207自由地通过牵引块和钩205上下行进。在紧急情况和在电梯轿厢向下行进过程中安全停止的要求的情况下，闩锁207从其撤回位置释放并弹射成与牵引块接合，钩205和钩209在螺栓的可塑变形下接合以通过环8拉动变形螺栓4。

闩锁207的释放和弹出可以以各种方式实现，例如使用加速度计和机电或爆炸装置来弹出闩锁。在电梯实施方式中，多个能量吸收装置3可以安装并且在电梯竖井中竖直间隔开，使得在坠落的情况下，电梯轿厢在有限的距离朝向的最接近的设备3接合。

所附权利要求书被起草以限定本发明的范围，包括所公开的可导出的实例，修改和变体。

Claims (19)

1.一种用于吸收两个相对运动的物体之间碰撞时释放的能量的方法，其中施加到两个物体中的任意物体上的异常负载导致该物体相对于另一个物体的加速，并且其中为了阻滞所述加速，在在碰撞时受到物体的应力作用的一个或多个元件的变形过程中吸收能量，其特征在于，所述变形过程包括在由冷成形材料制成的半固体或固体的变形螺栓(4)在由所述加速产生的力(FX)的方向上的强制拉伸的过程中的受控的直径减小。

2.如权利要求1所述的方法，包括：

-将所述变形螺栓预加工成形为具有第一直径的第一螺栓长度部分(4.1)，第一螺栓长度部分(4.1)通过锥形部分(5)邻接具有第二直径的第二螺栓长度部分(4.2)，所述第二直径大于所述第一直径，

-提供硬金属环(8)，该硬金属环(8)具有通孔(9)和与所述锥形部分(5)的直径匹配的内径(10，12)，

-将所述环固定到所述两个构件中的一者，

-将所述变形螺栓插入所述环中直到所述锥形部分(5)位于所述通孔(9)中，以及将所述变形螺栓固定到所述两个构件中的另一者。

3.根据权利要求2所述的方法，包括：

通过在所述锥形部分(5)与所述环的所述内径(10，12)之间布置径向接合(13，14)来防止所述变形螺栓(4)和所述环(8)之间的相对旋转。

4.一种能量吸收装置(3)，用于吸收两个相对运动的物体之间碰撞时释放的能量，其中施加到两个物体中的任意物体上的异常负载导致该物体相对于另一物体的加速，并且其中为了阻滞所述加速，在所述能量吸收装置的一个或多个元件的变形过程中吸收能量，其特征在于，所述能量吸收装置(3)包括由冷成形材料制成的半固体或固体的变形螺栓(4)，所述变形螺栓(4)具有锥形部分(5)，所述锥形部分(5)适于安置在形成在硬质金属材料的环(8)中的通孔(9)中。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述变形螺栓(4)包括具有第一直径(11)的第一螺栓长度部分(4.1)，所述第一螺栓长度部分(4.1)通过锥形部分(5)邻接具有第二直径的第二螺栓长度部分(4.2)，所述第二直径大于所述第一直径。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述环(8)包括锥形通孔(9)和与所述变形螺栓的所述锥形部分(5)的直径匹配的内径(10，12)。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述环包括装配到插入件保持器(8.2)中的硬质金属插入件(8.1)。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述插入件(8.1)在其内径(10)中形成有至少一个径向凹陷(13)，所述径向凹陷(13)从位于所述插入件的一端的口沿轴向方向延伸。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述变形螺栓(4)在所述锥形部分(5)处形成有至少一个径向突起(14)，所述径向突起(14)匹配到形成在所述插入件(8.1)的内径中的所述凹陷(13)中。

10.根据权利要求8或9所述的装置，其中，所述第一螺栓长度部分(4.1)、所述锥形部分(5)和位于所述锥形部分处的所述径向突起(14)通过挤压预成形。

11.根据权利要求5-10中任一项所述的装置，其中直径较小的所述第一螺栓长度部分(4.1)在所述变形螺栓的端部附近形成有螺纹部分(6)。

12.一种用于连接轨道车辆的连接器(100)，轨道车辆在相互连接的状态下以共同的运动和方向一起运动，其中施加到所述连接器的异常负载导致所述连接器或其部件相对于车辆的加速，并且其中为了阻滞所述加速，在所述连接器所包括的一个或多个元件的变形过程中吸收能量，其特征在于，一个或多个能量吸收元件包括由冷成形材料制成的半固体或固体的变形螺栓的所述锥形部分(5)位于形成在硬金属环(8)中的通孔(9)中的至少一种组合。

13.根据权利要求12所述的连接器，还包括：

-牵引杆(101)，

-枢轴支架(103)和将所述牵引杆可枢转地连接到所述两个车辆中的一个车辆的枢轴(102)

-安装板(105)，所述安装板(105)固定地连接到所述一个车辆，所述安装板具有通孔(106)，所述通孔(106)在碰撞时为所述枢轴支架和所述枢轴提供通道，

-其中所述变形螺栓(4)相对于所述安装板(105)和所述枢轴支架(103)中的一者固定地安装，并且所述环(8)相对于所述安装板(105)和所述枢轴支架(103)中的另一者固定安装。

14.根据权利要求13所述的连接器，其中所述变形螺栓包括第一螺栓长度部分(4.1)、第二螺栓长度部分(4.2)和螺纹部分(6)，所述第一螺栓长度部分(4.1)具有第一直径，所述第一螺栓长度部分(4.1)通过锥形部分(5)邻接所述第二螺栓长度部分(4.2)，所述第二螺栓长度部分(4.2)具有比所述第一直径大的第二直径，所述螺纹部靠近所述螺栓的端部位于所述第一螺栓长度部分上，并且进一步地，其中，所述变形螺栓通过螺栓和螺母连接件(6，7)固定在所述安装板(105)的前表面上，所述锥形部分(5)和所述第二螺栓长度部分(4.2)在所述安装板的相对的后侧上延伸。

15.根据权利要求13或14所述的联接器，其中，所述硬金属环(8)固定在固定架(104)上，所述固定架(104)连接到所述枢轴支架(103)并且可释放地附接到所述安装板(105)的后表面，所述固定架将所述硬金属环保持在所述变形螺栓(4)上的所述锥形部分(5)和所述固定架(104)的后表面之间的夹紧位置中。

16.根据权利要求13所述的联接器，其中所述变形螺栓包括第一螺栓长度部分(4.1)、第二螺栓长度部分(4.2)和螺纹部分(6)，所述第一螺栓长度部分(4.1)具有第一直径，所述第一螺栓长度部分(4.1)通过锥形部分(5)邻接所述第二螺栓长度部分(4.2)，所述第二螺栓长度部分(4.2)具有比所述第一直径大的第二直径，所述螺纹部靠近所述螺栓的端部位于所述第一螺栓长度部分上，并且进一步地，其中，所述变形螺栓通过螺栓和螺母连接件(6，7)固定在固定架(104)的后表面上，所述固定架(104)连接到所述枢轴支架(103)并且可释放地附接到所述安装板(105)的后表面，使得所述锥形部分(5)和第二螺栓长度部分(4.2)在所述安装板(105)的相对的前侧上延伸。

17.根据权利要求16所述的连接器，其中所述硬金属环(8)固定在所述安装板(105)的前表面上，所述安装板(105)将所述硬金属环保持在所述变形螺栓(4)上的所述锥形部分(5)和所述安装板(105)的前表面之间的夹紧位置中。

18.根据权利要求15至17所述的连接器，其中，所述安装板(105)和所述固定架(104)或所述枢轴支架通过剪切元件例如剪切螺栓(108)连接。

19.根据权利要求13至18中任一项所述的连接器，其中，所述变形螺栓(4)和所述硬金属环(8)的至少一个组合布置在所述通孔(106)的每个相对侧上，以在所述能量吸收装置释放时用于所述枢轴支架(103)和枢轴穿过所述安装板(105)的通路。