CN1093483C - 有采用纤维复合材料制的头部模件的铁路车辆 - Google Patents

有采用纤维复合材料制的头部模件的铁路车辆 Download PDF

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Abstract

本发明的对象是铁路车辆，它有一个纤维复合材料制的头部模件。其中，在底架(3)上设有一含有高度公差补偿装置(5)的接缝区，以及在车体模件(2)上设有一含有纵向与横向公差补偿装置(7和8)的连接边。头部模件有面朝车体模件(2)和底架(3)的含有组合在纤维复合材料中的增强型材(18、19)的连接边。头部模件借助于产生预紧力的紧固件(20、21)固定在底架(3)上和至少头部模件侧壁(14)固定在车体模件(2)的侧壁(9)上，从而形成有抗剪刚度的连接。由此可以控制因加工过程引起的尺寸偏差、避免在组合时不确定的内应力、可以无损害地吸收由纤维复合材料制成的头部模件与车体模件不同的热膨胀、以及用纤维复合材料制的头部模件及其与车体模件(2)和底架(3)的连接不仅可以设计为自支承的，而且是分担负荷和易于修理的。

Description

有采用纤维复合材料制的头部模件的铁路车辆
本发明涉及一种如在权利要求1的前序部分中详细定义的具有用纤维复合材料制的头部模件的铁路车辆。
为了改善铁路车辆的质量平衡、为了在设计时获得高的造型自由度以及为了能充分利用具有高预制程度和预检验程度的纤维复合材料和模块结构方式在技术上的优点，越来越多的铁路车辆设计用纤维复合材料制的头部模件，例如司机室。
由EP 0 533 582 B1已知此类车辆。其中，铁路车辆的司机室用纤维复合材料制成单独的部件，带司机操纵台支承结构的司机室壁构成一整体结构，以及司机室应当用螺钉固定在铁路车辆的底架上和侧壁顶框的上部长边梁上。在需要时，例如为了补偿公差和降低力的峰值，固定应借助于弹性缓冲器进行。正面作用的和由于车辆提升引起的力，应通过固定的止挡能传给底架和上部长边梁。然而在此文件中没有说明司机室与底架及上部长边梁之间的连接部位应如何设计。存在的缺点是，由于在一定程度上可以说是点状地向上部长边梁内传力，司机室的某些区必须特别增强，而司机室的另一些区可能不参与传力，所以司机室必须设计成非均匀的，这在技术上带来很大的困难和导致提高成本。此外，这种技术概念限制了在不寻常的负荷情况下即：
—为了往钢轨上放置而提升铁路车辆；
—端壁压力(例如3000KN)；
—中心联接器压力(例如1500KN)；
—中心联接器拉力(例如1000KN)，可由司机室分担的负荷份额。铁路车辆的车体结构必须针对上述负荷情况来设计。按照迄今流行的解决办法，必须将其余的车体结构与底架和上部长边梁设计得刚度特别大，其结果是导致附加的生产费用和不希望的质量增大。头部模件在整个车辆中所占的长度比例越大，则对这些关系越不利。
在杂志“Schweizer Eisenbahn-Revue”第12/1991号436-442页(Cortesi，A；Issenmann，T.；Kalbermatten，T.de：Leichte Nasenfür schnelle Lokomotiven)中介绍了另一种具有用纤维复合材料制的司机室的铁路车辆。在这里，司机室由多个具有夹层结构的构件构成，它们通过在结构上的粘结互相接合。此司机室设计成自支承式部件，以及在上述非寻常的负荷情况下不能承担大的负荷份额。由于与底架和车体的连接方式以及由于连接的机械强度和小的刚度，考虑到：能补偿1至5mm的加工公差、保证接缝区内的压力密封性和耐热性、承受在塑料司机室与金属车体之间差别巨大的热膨胀以及保证长的使用寿命，此司机室借助于弹性的胶粘剂粘合，在这种情况下与底架之间加弹性缓冲器作为定距器，以及在10mm的粘结缝厚度内吸收不良的加工公差。这样一种设计完全不适用于这种情况，即，铁路车辆的头部模件不仅设计为自支承的而且应分担负荷，以及为此必须与其余的车体结构牢固和刚性地连接。
DE 4343800 A1介绍了具有单独加工和装配的头部模件的铁路车辆另一种方案。此头部模件也设计为自支承部件，并应在所有的6个自由度的约束条件下与底架可拆式和力锁合地连接以及与车体通过弹性的中间环节连接。这种方案同样不能承担车体结构大的负荷份额，以及与底架在不同轴线位置的螺栓/孔连接部位的配合能力方面需要有大的准确度工作量。因为与底架的这些连接部位处于司机室内部以及必须能接近，所以不能达到高的预制程度。
本发明的目的是发明一种用于此类铁路机车车辆的解决方案，它克服针对先有技术说明的缺点以及将一个用纤维复合材料制的头部模件按新的方式与车体模件和底架牢固连接，与此同时在纤维复合材料制的头部模件与车体模件及底架之间因加工引起的沿(相对于铁路车辆而言的)垂直方向、纵向和横向的形状和尺寸公差可方便地和用小量的费用补偿，在连接时不产生不确定的内应力，以及纤维复合材料制的头部模件与车体模件不同的热膨胀可无损害地承受。
本发明的另一个目的在于，纤维复合材料制的头部模件设计为分担负荷的并与一个与底架连接的车体模件连接，从而设计为在头部模件与车体模件及底架之间特别强有力的牢固与刚性的连接，以及头部模件由此可相应于上述负荷情况及运行负载分担大的负荷份额并能传入车体结构中。
这些目的通过具有权利要求1特征部分所述特征的前言所述类型的铁路车辆达到。由从属权利要求可知本发明有利的设计和进一步改进。
按本发明的头部模件相对于车体模件与底架的连接部位的设计，允许头部模件无论与车体模件还是与底架均建立起一种牢固的和无不确定的内应力的连接，头部模件加工引起的尺寸偏差以及车体模件和底架的加工公差，无论沿车辆垂直方向、沿车辆纵向还是沿车辆横向，均可以技术上简单和经济的方式加以补偿。
头部模件相对于车体模件的公差补偿还可以更加简单，只要此为了抗剪刚性的连接而发明的方案只在侧壁区内采用，在车顶区内则按已知的方式构成弹性的粘结，这种粘结也可以良好地补偿沿高度的尺寸误差。
在本发明的一种改进中规定的侧壁型材与车体型材的连接，进一步减少了用于补偿车体模件公差的工作量和降低了成本。
由于较低的精度要求，所以头部模件和铁路车辆现在可以经济地生产。
另一个优点在于，按冷接缝技术设计的连接，与车体模件设计为钢的、轻金属的或其他类型的结构方式无关。为了修理，这种类型的连接可以在无损于头部模件和车体模件的情况下分解。
采用本发明获得的另一个重要的优点在于，现在也可以生产具有用纤维增强材料制的头部模件的铁路车辆，其中，设计为分担负荷的头部模件可承担车体结构的负荷份额，并可通过牢固和刚性的连接将其传入所连接的车体模件内。
尤其是通过至少在头部模件侧壁及车体模件侧壁之间设计为双剪切式的连接可获得高的抗剪刚度，所以这些无论是头部模件的还是车体模件的侧壁，均可将尺寸设计为节省材料和减少质量的。这一点还可以采取下列措施得到支持，即，头部模件组合在连接边一侧的紧固件支承在其上的增强型材，承受通过底架与头部模件之间的连接面传来的预紧力和负荷，并面接触地进一步传给相邻的纤维复合材料，所以避免了使之点状地过负荷或必须使之尺寸过大。
因为与底架的连接可单侧地从底架下方进行，所以按本发明设计的头部模件可设计为有高的预制程度和在它与车体模件接合前可进行预检验。
下面借助于附图示意表示和说明本发明的实施例，但不应理解为仅限于此实施例。其中：
图1按本发明设计和连接的铁路车辆侧视图；
图2通过头部模件与底架之间的连接部位的横截面；以及
图3通过头部模件侧壁与车体侧壁之间的连接部位的横截面。
按图1为铁路车辆1在底架3上预制一车体模件2。底架3安装(图中来表示的)铁路车辆的牵引和缓冲装置，包括(图中同样未表示的)轮对或转向架以及铁路车辆其他功能部件的安装座，以及出自于功能及外观的原因局部带有外护板。按此实施例，头部模件12的组成部分至少包括头部模件端壁13、两个头部模件侧壁14和一个头部模件顶22，它们分别预制然后拼合成头部模件12，或可按整体结构方式共同制成头部模件12。
为了使头部模件12与底架3在一个近似于水平的接缝面(它也可以是倾斜的、弯曲的和/或台阶状的)内连接并能校正尺寸偏差，按图2在底架3的框架长边梁4上设材料加工余量作为高度公差的补偿装置5，在侧量了预制的头部模件12及底架后按需对它进行机械加工。但同样可以设想，取代框架长边梁4的材料加工余量，设置一个或多个与高度差相匹配的附加的垫片，它们也可以有围绕头部模件连接边的U形型材的形式，或采用其他类型的高度公差补偿装置。在图2中表示的材料加工余量可以是组合在轻金属制的框架长边梁4中的挤压型材组成部分，这种设计允许在机械加工此材料的加工余量时目视检查，以防切入框架长边梁4上对强度而言必要的材料区。在框架长边梁4与头部模件12的加工尺寸适配后以及在将头部模件装上后，从框架长边梁4的下侧出发，在需要的地方和按必要的数量加工一些孔，它们切入头部模件侧壁14的连接边内并穿过组合在那里的增强型材18，按此实施例，增强型材18有U形截面并装在由芯子15和层状结构16和17组成的头部模体侧壁14夹层结构内部。按此实施例在这些孔中可从一侧装入作为紧固件20的盲铆钉并夹紧在增强型材18内表面与长边梁4下侧之间，所以头部模件侧壁14与底架13在有预紧力的情况下互相力锁合地牢固和刚性连接。增强型材18的形状和厚度最好这样确定，即，在运输和装配时有助于稳定头部模件侧壁14，以及在装入紧固件18后可沿纵向、横向和垂直方向将夹紧力和负荷力有足够面积地传入头部模件侧壁14的纤维复合材料中。
若在头部模件侧壁14与框架长边梁4之间连接部位中要传递的力能通过摩擦力锁合传递，则孔的直径可设计得较大。但是若此连接部位必须设计用于那些只有通过摩擦力锁合和孔壁的组合才能传递的力，则孔的直径相对于紧固件20的杆直径应规定有较小的公差。
按此实施例，在头部模件端壁13与底架3之间的连接部位(图中未进一步表示)应具有同类的设计。
为了使头部模件12在一个近似于垂直的接缝面(它也可以是倾斜的、弯曲的和/或台阶状的)内与车体模件2连接，按图3在此接缝区车体侧壁9有一内部连接腹板7和一外部连接腹板8，头部模件侧壁14插入它们之间。两个连接腹板7和8的边长、它们的间距和它们沿车辆横向的弹性应选择为，能形锁合地包围增强型材19组合在其中的头部模件侧壁14的连接边以及能适应它们沿车辆纵向和横向的尺寸偏差。穿过连接腹板7和8以及头部模件侧壁14加工一些共同的通孔，按此实施例在这些通孔中可从两侧装入和产生预紧力的作为紧固件21的锁闭环螺栓，并在支承在增强型材19上的情况下夹紧。上面对在头部模件侧壁与底架之间连接部位的那些孔有关直径的论述相应地也适用于这些通孔的直径。采用连接部位的这种双剪切设计，头部模件侧壁14与车体侧壁9互相力锁合式牢固地以及刚度特别好地连接，其中紧固件21设计为与外腹板8表面齐平以及外观上不明显。
头部模件顶22与车体顶10之间的连接部位可按同样的方式设计。但在侧壁区内有足够的强度时，按本发明的一种改进(图中未表示)，此连接部位可设计为传统的弹性粘结装置11，由此还可以方便地补偿在车顶区内的尺寸公差。
对于按本发明的其头部模件应设计为分担负荷的铁路车辆，业已证明有利的是，头部模件端壁13、头部模件侧壁14和头部模件顶22的夹层结构，设计为由用至少一种芯体材料制的芯子15和至少两侧盖在芯子15上的用具有定向纤维结构的纤维复合材料制的层状结构16和17组成，以及头部模件12按整体结构方式设计。特别有利的是，这种芯子15用轻质芯体材料例如轻质硬泡沫塑料制造。若要求传递剪力，合乎目的的是将增强型材18和19胶合在头部模件相应部分的连接边内，并被两个层状结构16和17所包围。当然，也可以按其他方式和结构将增强型材18和19连接在头部模件12的连接边上。例如，头部模件侧壁14的连接边可设计为朝车体模件侧壁9的方向开口的连接边，当要传递的力可仅借助于在通过增强型材19增强的头部模件侧壁14与两个连接腹板7和8之间的摩擦力锁合或借助于在纤维复合材料内的孔壁传递时，局部去除在连接边内的芯体材料以及只是插入增强型材19。两个增强型材可用轻金属制成，但也可以是其他材料，只要它们设计为能提供足够的机械强度和有持久的耐腐蚀能力。它们可以沿连接边的全长，但也可以由一个个相邻地或隔开间距地装入的部分组成。
对于在头部模件侧壁14与车体侧壁9之间的连接部位，也可以设置按增强型材18方式的增强型材或空心型材以替代增强型材19，以及也可以设置从两侧互相独立加工的孔和可单侧置入的紧固件20，以替代通孔和可从两侧置入的紧固件21，这些紧固件20通过增强型材的侧面腹板装上并盲铆。
按本发明的另一种改进规定，至少连接腹板7或8之一设计为分开的并可装在车体模件上的单个构件。对于组合车体模件12与头部模件2特别有利的是，外部的连接腹板8设计为单独的和可安装的。通过改变此构件的造型便可以改变铁路车辆的外部设计。
在设计此方案时合乎目的的是，在车体上按间距设装配辅助装置25(图3)，在安装外部连接腹板8时插入装配辅助装置内，从而无需其他辅助装置便可摩擦力锁合地或卡锁地固定在装配位置。
在本发明的另一项改进中，车体模件具有内部和外部连接腹板7或8的部分是车体端部型材6，它可以是一个开口的或封闭的焊接结构，但特别有利和使尺寸准确的是由空心轻金属挤压型材加工而成，根据铁路车辆1的外形弯曲成门的形状并装在底架3上。这样一种型材可制成具有高的精度，而且是在预制车体模件2时的一种用于使车体侧壁9和车体顶10尺寸适配的有利的辅助装置。如图3所示，门形的车体端部型材6可以是隔开头部模件的隔板的支架。
在设计此方案时，车体侧壁9不是直接地而是借助于装在中间的侧壁端部型材23和24连接在车体端部型材6上。这种型材便于机械加工和可适配成为一个完整的车体侧壁，所以尽管增加了连接工作量，但可达到更快速和更方便的尺寸匹配。此侧壁端部型材24可通过改变造型方便地依随着铁路车辆设计而变化。
                符号表1铁路车辆2车体模件3底架4框架长边梁5高度公差补偿装置6车体端部型材7连接腹板8连接腹板9车体侧壁10车体顶11粘结装置12头部模件13头部模件端壁14头部模件侧壁15芯子16层状结构17层状结构18增强型材19增强型材20紧固件21紧固件22头部模件顶23侧壁端部型材24侧壁端部型材25装配辅助装置

Claims (12)

1.铁路车辆，有一个预制的并与底架连接的车体模件和一个用纤维复合材料预制的头部模件，其特征为：—底架(3)面朝头部模件(12)的接缝区配备有补偿高度公差的装置(5)；—车体模件(2)面朝头部模件(12)的接缝区至少在车体侧壁(9)的范围内设计为有纵向和横向公差补偿装置(连接腹板7和连接腹板8)的连接边；—头部模件(12)有面朝车体模件(2)和底架(3)的头部模件端壁和头部模件侧壁(13、14)的连接边，它们有组合在纤维复合材料中的增强型材(18、19)；—头部模件端壁和头部模件侧壁(13、14)借助于产生预紧力和支承在增强型材(18)上的紧固件(20)抗剪刚性地与底架(3)连接；以及—至少头部模件侧壁(14)借助于产生预紧力和支承在增强型材(19)上的紧固件(21)与至少车体侧壁(9)抗剪刚性地连接。
2.按照权利要求1所述的铁路车辆，其特征为：在头部模件(12)与车体模件(2)的接缝区内只是在车体侧壁(9)与头部模件侧壁(14)之间构成抗剪刚性的连接，车体顶(10)和头部模件顶(22)的连接边设计用于粘结并借助于弹性粘结装置(11)互相接合。
3.按照权利要求1或2所述的铁路车辆，其特征为：头部模件(12)的纤维复合材料是一种至少由一种芯体材料(15)和至少盖在两侧的具有定向纤维结构的纤维复合材料组成的夹层式层压制品。
4.按照权利要求1所述的铁路车辆，其特征为：增强型材(18、19)胶合在头部模件(12)的纤维复合材料内并被盖在两侧的层状结构(16和17)包围。
5.按照权利要求1或2所述的铁路车辆，其特征为：增强型材(18、19)用轻金属制造。
6.按照权利要求1或2所述的铁路车辆，其特征为：补偿高度公差的装置(5)是一个可从底架(3)上机械加工的材料加工余量部分。
7.按照权利要求1或2所述的铁路车辆，其特征为：车体模件(2)有连接腹板(7和8)的部分是车体端部型材(6)。
8.按照权利要求7所述的铁路车辆，其特征为：车体端部型材(6)是一种与铁路车辆(1)外形匹配的空心型材。
9.按照权利要求8所述的铁路车辆，其特征为：车体端部型材(6)是一种空心的轻金属挤压型材。
10.按照权利要求7所述的铁路车辆，其特征为：车体端部型材(6)背对头部模件(12)的部分设计用于与纵向和横向公差补偿装置连接。
11.按照权利要求1或2所述的铁路车辆，其特征为：至少连接腹板(8)作为分开的部分可装在车体模件(2)上。
12.按照权利要求11所述的铁路车辆，其特征为：第二块连接腹板借助于装配辅助装置(25)安放并固定在连接位置。
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