CN110291000B - 轨道车辆头部模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轨道车辆头部模块，所述头部模块适合于，在没有附加的底架的情况下不可拆卸地固定在后续的车厢部件的端面上。所述头部模块由内壳和外壳(701、702)构成并且具有三个系统，这些系统在很大程度上彼此独立地在碰撞情况下依次或同时地将碰撞能量转换成形变。

Description

轨道车辆头部模块

技术领域

本发明的主题是一种用于轨道车辆头部模块的结构，所述头部模块适于，在碰撞情况下降低和分配所出现的负载。

背景技术

尤其涉及短途列车的头部模块，尤其是地铁的头部模块。在这种列车中，头部模块通常集成到车厢中。头部模块在下文也称为车舱，其中所述头部模块非强制性地形成自身的隔间。

出于材料和能量效率方面的考虑，近年来，轻质材料的使用和轻型结构的原理在轨道车辆制造中越来越流行。尤其，纤维复合材料的使用越来越多地增长。这也适用于轨道车辆头部模块的构型。

已知的结构在此提出，将预制的模块安置在子结构上，所述预制的模块无中断地穿过整个车厢。

因此，DE 197 25 905的主题是一种由纤维增强塑料(FKV)构成的预制的头部模块与底架和车身模块的连接方法。所述头部模块的侧壁优选制成为具有位于中间的芯材的、由FKV构成的夹层结构。在此在头部模块的接合区域中使用特殊的增强型材，所述增强型材改善了在底架或车厢模块和头部模块的FKV壁之间的力传递。没有设置FKV增强件的纤维引导的特殊构型。增强型材集成到头部模块的FKV壁的芯部中，并且作用为在头部模块的FKV壁和底架或车身模块之间的螺栓连接的支座。在此的缺点是，在增强型材和底架之间的纤维增强材料承受压力负荷，进而在该区域中存在因蠕变引起的FKV材料损坏的风险。

在DE 10 2014 204 761 A1中涉及在轨道车辆头部中的碰撞安全性问题，尤其是前挡风玻璃的碰撞安全性问题。提出，前挡风玻璃的框架具有形变元件，所述形变元件能够吸收能量并且通过其形变减少能量。在此，前挡风玻璃应尽可能地在不从框架中形成碎片的情况下运动。这在DE 10 2014 204 761 A1中实现，其方式为：在前挡风玻璃的框架中或在其附近设置期望断裂部位。期望断裂部位通过形变元件或其材料的几何实施方案、尺寸产生。在一个实施形式中，形变元件应部分地或完全地围绕前挡风玻璃延伸。框架也能够由车辆外壳本身形成。

DE 60 2004009942 T2涉及一种用于城市铁路的碰撞能量吸收系统。所描述的碰撞系统主要设置在车辆的下部区域中；此外，客舱被保护笼包围。

WO 2015/011193 A1的主题是一种用于轨道车辆的能量消耗装置。该装置的目的是：在碰撞情况下吸收碰撞能量的一部分并且将其转换为材料形变。为此，使用由FKV制成的三维成形的体部。所述体部具有带有单向定向的纤维的层和带有无定向(无规纤维)排列的纤维的层。能量消耗尤其如下实现：配合元件沿纵向方向撞击到能量消耗元件上，并且在此破坏、尤其破碎具有无规纤维的一个层片或多个层片。纤维的没有优先方向的排布在此确保：在纤维断裂时转化碰撞能量，并且不引起不同的纤维层的分层。

在WO 2010/029188 A1中公开了一种自承载式车辆头部，所述车辆头部主要由纤维复合材料构成。车辆头部具有用于在碰撞情况下消耗能量的结构元件以及其它结构元件，所述其它结构元件不具有用于减少能量的特殊功能。尤其，消耗能量的结构元件也应由纤维复合材料构成。此外提出，一系列减少能量的结构元件依次贡献于能量消耗或传递相应的力。车辆头部具有中心缓冲联接器，所述中心缓冲联接器由于结构类型位于车辆头部的挡板之前。因此，中心缓冲联接器直接位于能量消耗元件下游，使得应吸收施加到中心缓冲联接器上的碰撞。此外，与此平行地设置有两个侧向的能量消耗元件，所述能量消耗元件用作为防爬器(Aufkletterschutz)。此外，在前窗下方的护杆具有至少一个、优选两个能量消耗元件。在头部部件的每侧上，两个支线从护杆引导到车厢部件的下部结构中，以传递能量。此外，两个能量消耗元件沿运动方向位于两个A柱上游。A柱设计为用于将运动能量导入顶部结构中，并且受控地减少在碰撞情况下可能仍剩余的碰撞能量。这是必要的，因为常规的车厢部件结构不具有设置在顶部区域中的纵梁，所述纵梁可吸收碰撞能量的一部分。在此的缺点是，施加到护杆上的力能够与用于传递能量的两个侧向支线相结合地引起对顶部结构的杠杆作用，所述杠杆作用使得所述顶部结构置于基本上垂直于车辆运动方向的运动中。这能够至少减少顶部结构吸收剩余的碰撞能量的能力。因此存在安全系统的不利的耦合。

DE 60 2005 004 131 T2描述了一种用于车辆头部的框架，在所述框架中分布有多个挠性区域。该文献没有示出自承载式车辆头部。所述框架设计为，使得在其挠性区域中发生尽可能全面的能量消耗。因此，框架的顶部和底部部件没有首要地构成用于将力导入后续的车身中。

发明内容

所提及的解决方案适用于下述列车，所述列车可能遭遇多个不同的碰撞相对方。与此相应地，所使用的解决方案是复杂的。因此，本发明的目的是，提出一种用于头部模块的保护装置的系统，所述系统尤其适用于在分开的路线网上运行并且基本上仅能遭遇类似构造的碰撞相对方的地铁和类似应用。尤其，应不需要从车厢部件伸入头部模块中的连贯的下部结构。

为了执行所述任务，头部模块必须适合于能够置于相应的车厢部件之前。为此考虑所述车厢部件的结构特征。

在当前情况下提出下述子任务：能够将根据本发明的头部模块安装到车厢部件处，所述车厢部件通过相应的接口构件来表征。这尤其是：

-底架的两个纵梁，所述纵梁沿纵向方向在车厢部件的下边缘上延伸，并且其端面适合于安装头部模块，

-驾驶舱的底架支撑件，所述底架支撑件在底架的两个纵梁之间伸展并通入主横梁中，所述主横梁支承在车厢部件的转向架中。主横梁抵靠在底架的两个纵梁中。用于驾驶舱和主横梁的底架支撑件优选由钢制成。

-车厢顶部的两个纵梁，所述纵梁沿纵向方向在车厢部件的上边缘处延伸，并且其端面适合于安装头部模块。

纵梁优选由纤维复合材料制成。所有接口构件都具有用于车舱的相对应的构件的相应的紧固可能性。其优选是可拆卸的紧固件，特别优选地是螺旋连接件。

根据本发明的头部模块具有三个系统，这些系统在碰撞情况下通过不可逆的形变来转换碰撞能量。这些系统在很大程度上彼此独立地构成，进而能够有利地依次或同时起作用，而一个系统的因碰撞引起的损坏不会影响另一系统的效果。所述系统基本上由纤维复合材料制成。

这三个系统是：

1.在车舱的顶部区域中构成为环形锚固件的加固件，所述加固件将力引入后续的车厢部件的上部的纵梁中，

2.护杆增强件

所述护杆增强件经由在车舱侧面伸展的UD带将碰撞力导入后续的车厢部件的下部的纵梁中(UD带是尤其用沿负载方向单向地伸展的纤维增强的构件，或构件中的增强的区域)。

3.下部的碰撞传导元件，所述碰撞传导元件配备有碰撞吸能盒并且此外将剩余的碰撞能量导入底架支撑件中。

由此，三个碰撞系统将剩余的碰撞力导入后续的车厢部件的不同构件中，所述构件本身可选地具有能量消耗元件。

驾驶舱优选构成为双壳结构。外壳与三个系统连接，这些系统在碰撞情况下将碰撞能量转换成形变。内壳给实际的、可被人类使用的内部空间加衬。两个外壳都构成为纤维复合结构，所述纤维复合结构对于抗碰撞性没有显著贡献。外壳确保结构的所需的刚性，其方式为：所述外壳实现为多层片的纤维复合结构，可选地具有位于纤维层之间的芯部。在纤维层中能够插入铺设的(gelegte)、缠绕的或编织的纤维形成物。为了改善刚性，UD纤维束(单向纤维束)也是可行的。有利的是，外舱的A柱在碰撞情况下不具有用于力传递的特殊的增强件。这防止了在碰撞情况下力不利地传递到环形锚固件上，或者至少限制该力传递。优选的是，外舱的A柱构造为用于穿引电导线。外部的舱壳优选由纤维无屈曲织物(Fasergelege)构成，所述纤维无屈曲织物随后用基质材料浸渍和固结。由已经用基质材料浸渍的纤维无屈曲织物构成的结构是可行的。外壳与内壳的连接优选在前挡风玻璃和侧挡风玻璃的区域中进行。在此，两个壳相互旋接、粘接或者以其它方式也以不同方法组合的方式连接。前挡风玻璃优选粘接在外壳中。优选的是，设有期望断裂部位，所述期望断裂部位确保：前挡风玻璃在碰撞情况下从框架脱离并且没有或仅有少量的碎片进入内部空间中。在另一优选的实施形式中，前挡风玻璃具有自身的框架，借助该框架，前挡风玻璃固定在外壳中。在此，期望断裂部位也是优选的。

所述环形锚固件具有U形形状，其中所述环形锚固件的两个端部被固定在后续的车厢部件的上部的纵梁上。环形锚固件的端面(对应于U形形状的下弯曲部)设置在外舱壳的上端侧的内侧处。环形锚固件优选构成为纤维复合材料构件。在此，对于环形锚固件使用UD纤维层片，所述UD纤维层片在环形锚固件的整个长度上使用，从后续的车厢部件的上部的纵梁上的紧固点伸展至后续的车厢部件的另一上部的纵梁上的另一紧固点处。所述UD纤维层片能够与可具有不同纤维取向的纤维层片交替地使用。优选的是由纤维半成品如纺织物或无屈曲织物构成的层片。尤其，具有不同取向的纤维层片或纺织物或编织物用于在固结之前将UD纤维固定在其位置中。优选地，环形锚固件与外舱壳一起制成。在此，将已经具有环形锚固件的纤维增强结构的环形锚固成形件置入模具中，在所述模具中制造外舱壳。随后，将环形锚固件的纤维层片和外舱壳的纤维层片用基质材料浸渍并且随后固结基质材料(基质材料固化)。也可行的是，环形成形件已经用基质材料浸渍并且随后置入模具中或置于承载结构上，然后将外壳的其它纤维层片，同样作为预浸渍的纤维层片(例如，作为预浸料坯)置于承载结构上。在此也随后进行固结。

另一优选的实施形式提出，将外舱壳和环形锚固件制成为独立的构件，并且将固结的环形锚固件引入固结的外舱壳中并且在该处固定，优选粘接。

护杆增强件同样构成为纤维增强的构件。所述护杆增强件设置在前挡风玻璃下方和头部模块的碰撞吸能盒上方。所述护杆增强件在车舱的前部的整个宽度上在窗户下方、并且在下部的碰撞传导元件的碰撞吸能盒的上方延伸。可选地，护杆增强件能够在中部中断或者以较小的材料厚度构成。从护杆增强件的侧端部倾斜的UD带在车舱的外壳中在侧面伸展，所述UD带将碰撞能量的一部分导入车厢部件的下部的纵梁中。护杆增强件和UD带都由纤维增强的材料构成。其类似于在环形锚固件情况下的方式作为预制的构件在制造内舱壳时一起置入和固结。以这种方式，护杆增强件完全集成到内壳中。因为与WO 2010/029188A1中的解决方案相反，当前结构的A柱在碰撞的情况下不具有重要作用并且尤其是未增强的，所以碰撞对在顶部区域中的环形锚固件的护杆增强件不产生负面影响，因为A柱不能沿该方向传递较大的力。

头部模块具有平的凸起部(“flat nose”)。由此有效地避免在垂直方向上的力分量，所述力分量引起攀爬，这种方法是有利的，因为仅相同的列车单元能够相遇。在护杆增强件下方和在中心缓冲联接器上方设置有由纤维增强的塑料构成的板。所述板基本上在车舱的前部的整个宽度上延伸。可选的是，更窄的实施方案是可行的。在板的中央部分，所述板在位于碰撞吸能盒的前部的部位处增厚。所述板连同碰撞吸能盒和下部的碰撞传导元件一起形成安全系统，所述安全系统将在碰撞吸能盒后方仍出现的力导出到后续的车厢的底架支撑件中。在碰撞情况下，增厚的部分从板中迸出(在此消耗能量的一部分)，并且进一步的运动被碰撞吸能盒吸收，所述碰撞吸能盒将所述运动转换为形变能量。碰撞吸能盒具有在现有技术中已知的结构。尤其，所述碰撞吸能盒优选由金属泡沫构成，所述金属泡沫在碰撞时被压缩到一起，以吸收能量。

下部的碰撞传导元件弯曲为，使得其在内壳的区域中在车舱底部的下方伸展，并且仅在用于底架支撑件的接口区域中升高到其水平高度上，以便能够实现安装。其在此也优选借助可松开的金属连接，优选螺旋连接实现。在一个特别优选的实施形式中，碰撞传导元件双重弯折地构成。所述碰撞传导元件从碰撞吸能盒倾斜向下伸展直至内壳的底部下方，其中所述碰撞吸能盒设置在护杆下方和中央缓冲联接器上方。在该处，发生到水平方向的方向变化，直至接近内壳底部的端部。在此，其倾斜地上升直至与底架支撑件的连接接口。在水平方向和碰撞传导元件的弯折部分之间所形成的角度优选位于30°和60°之间的范围中。下部的碰撞传导元件优选由纤维复合材料制成。所述下部的碰撞传导元件具有向下敞开的U形(或矩形的、向下敞开的)横截面。即使在碰撞情况下这也确保了特别高的刚性。在下部的碰撞传导元件处，在第一弯曲部之后(在从碰撞吸能盒引导至下部的碰撞传导元件的水平部分的部分之后)，设置有中心缓冲联接器。这优选经由金属安装元件进行，所述金属安装元件优选借助于螺栓或螺旋连接固定在U形横截面的向下指向的支腿处。中心缓冲联接器固定在安装元件上。

中心缓冲联接器可伸缩地构成。中心缓冲联接器能够从静止位置运动到工作位置中，在静止位置中，中心缓冲联接器安放在头部部件的前侧中的活门后方，在工作位置中能够联接另外的列车部件。中心缓冲联接器此外具有根据现有技术的能量消耗元件。如果在中心缓冲联接器处于工作位置期间发生碰撞，那么所述能量消耗元件将在碰撞情况下的碰撞能量的一部分转换为形变做功。

作为用于舱壳的和用于碰撞情况的三个系统的优选的材料使用纤维复合材料。紧固元件等能够有利地由金属制成。优选地，纤维复合材料为用碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维增强的塑料，优选为树脂，特别优选为环氧树脂或酚醛树脂体系。

车舱的结构和系统的设计优选借助计算机辅助的仿真方法来进行，所述方法允许：根据适用的规定进行设计。仿真方法和计算机辅助的成形工具是本领域技术人员已知的。

附图说明

下面的附图示出根据本发明设计的轨道车辆头部模块的一个优选的实施形式。

图1示意性地示出根据本发明的不具有外壳的车舱的侧视图。

图2示意性地示出不具有外壳的车舱的前视图。

图3示意性地示出车舱的内壳的后视图。

图4以三维视图示意性地示出外壳。

图5示意性地示出内壳701如何装配到外壳中，并且示例性地示出内部构件707能够如何设置。

图6示意性地示出碰撞传导元件的侧视图。

图7示意性地示出图6中的碰撞传导元件的3D视图。

具体实施方式

图1示意性地示出根据本发明的不具有外壳的车舱的侧视图。出于概率性的原因，也省去中心缓冲联接器。内壳701两件式地构成。在护杆增强件711上方的水平平面中进行划分。内壳701的上部分具有用于前挡风玻璃的开口704和用于侧挡风玻璃703的开口。这些窗口开口通过A柱705彼此分开。在内壳的上部分上方示出环形锚固件720。所述环形锚固件经由紧固装置721可拆卸地固定在后续的车厢部件(未示出)的上部的纵梁上。在优选的实施形式中，环形锚固件720不可拆卸地与外壳(未示出)连接。

护杆增强件711和UD带710集成到内壳的下部分中，所述UD带将力从护杆增强件711在导入点712上传递到后续的车厢部件的下部的纵梁中。

下部的碰撞传导元件730在内壳的下部分下方伸展。在车舱的前侧示出板734。所述板位于碰撞吸能盒733下游。在碰撞的情况下发生对板734的撞击，所述板将力传送到碰撞吸能盒733上，并且在该处将所述力尽可能地减小。剩余的碰撞能量被继续传送到下部的碰撞传导元件730中并且在该处在紧固点732处传输到后续的车厢部件的底架支撑件中。在下部的碰撞传导元件730的水平部分中可识别用于固定中心缓冲联接器的开口731。

图2示意性地示出不具有外壳的车舱的前视图。与图1的侧视图相比，中心缓冲联接器的盖板附加地设有附图标记706，所述盖板接合到外壳的相对应的开口中。

图3示意性地示出车舱的内壳的后视图。其涉及车舱借以安装在后续的车厢部件上的一侧。优选借助于上部的环形锚固件的紧固元件721在后续的车厢部件的两个上部的纵梁处进行安装，借助于所述紧固元件在护杆增强件的UD带的导入点712处进行安装，并且借助于下部的碰撞元件的紧固装置712(仅示出一个，第二个对称地设置在右侧上)在底架支撑件上进行安装。

图4以三维视图示意性地示出外壳702。尤其可识别，上部的环形锚固件720借助其紧固元件721如何接合到外壳702中。也示出用于中心缓冲联接器的盖板706的开口。

图5示意性地示出内壳701如何装配到外壳中，并且示例性地示出内部构件707能够如何设置。

图6示意性地示出碰撞传导元件730的侧视图。碰撞传导元件具有下降区域7301，在所述下降区域中所述碰撞传导元件从碰撞吸能盒(未示出)伸展至水平部分7302。借助上升部分7303，碰撞传导元件从水平部分伸展至与中心缓冲联接器的连接点(未示出)。

图7示意性地示出图6中的碰撞传导元件730的3D视图。

附图标记列表：

701 内壳

702 外壳

703 侧窗开口

704 前窗开口

705 A柱

706 中心缓冲联接器的盖板

707 内部构件

710 护杆增强件的UD带

711 护杆增强件

712 力从护杆增强件到后续的车厢的下部的纵梁中的导入点

720 环形锚固件

721 环形锚固件在后续的车厢的上部的纵梁上的紧固装置

730 下部的碰撞传导元件

7301 碰撞传导元件从碰撞吸能盒至水平部分的部段

7302 水平部分

7303 碰撞传导元件从水平部分至底架上的紧固元件的部段

731 用于固定中心缓冲联接器的钻孔

732 下部的碰撞传导元件在底架支撑件上的紧固装置

733 碰撞吸能盒

734 板

Claims (9)

1.一种轨道车辆头部模块，所述头部模块适合于，在没有附加的底架的情况下不可拆卸地固定在后续的车厢部件的端面上，其中车厢部件的端面具有下列安装接口：

-所述底架的两个纵梁，所述纵梁沿纵向方向在车厢部件的下边缘上延伸，并且其端面适合于安装头部模块，

-底架支撑件，所述底架支撑件在底架的两个纵梁之间伸展并通入主横梁中，所述主横梁支承在车厢部件的转向架中，其中所述底架支撑件的端面适合于安装头部模块，

-车厢顶部的两个纵梁，所述纵梁沿纵向方向在车厢部件的上边缘处延伸，并且其端面适合于安装头部模块，

并且所述头部模块由内壳和外壳构成并且具有下述三个系统，这些系统在很大程度上彼此独立地在碰撞情况下依次或同时地将碰撞能量转换成形变：

-在车舱的顶部区域中构成为环形锚固件的加固件，所述环形锚固件具有U形形状，所述环形锚固件的两个端部被固定在后续的车厢部件的上部的纵梁上，从而能够将力导入后续的所述车厢部件的上部的纵梁中，

-下部的碰撞传导元件，所述碰撞传导元件配备有碰撞吸能盒，并且此外将剩余的碰撞能量导入所述底架支撑件中，所述碰撞传导元件从所述碰撞吸能盒倾斜向下伸展直至车舱的底部下方，

-护杆增强件，所述护杆增强件经由在所述车舱的侧向伸展的UD带将碰撞力导入后续的车厢部件的下部的纵梁中，所述护杆增强件设置在所述碰撞吸能盒上方，

UD带是尤其用沿负载方向单向地伸展的纤维增强的构件，或构件中的增强的区域。

2.根据权利要求1所述的头部模块，其特征在于，所述外壳一件式地构成，并且所述内壳多件式地构成。

3.根据权利要求1所述的头部模块，其特征在于，所述内壳、所述外壳、所述环形锚固件、所述护杆增强件和所述UD带以及所述下部的碰撞传导元件由纤维复合材料制成。

4.根据权利要求1所述的头部模块，其特征在于，所述环形锚固件在其端部上具有金属的紧固装置，以固定在后续的车厢的所述上部的纵梁上。

5.根据权利要求1所述的头部模块，其特征在于，所述环形锚固件设置在所述外壳的上部分中，设置在所述内壳的上方。

6.根据权利要求1所述的头部模块，其特征在于，所述UD带集成到所述内壳的下部分中。

7.根据权利要求1所述的头部模块，其特征在于，沿头部模块的运动方向在所述下部的碰撞传导元件的碰撞吸能盒之前设置有由碳纤维复合材料构成的板，所述板在碰撞情况下吸收碰撞能量的一部分。

8.根据权利要求1所述的头部模块，其特征在于，所述下部的碰撞传导元件从所述碰撞吸能盒下降地朝向在车舱底部下方伸展的水平部分伸展，并且在水平部分后方升高地伸展至在所述底架支撑件上的下部碰撞元件的紧固装置。

9.根据权利要求1所述的头部模块，其特征在于，所述下部的碰撞传导元件具有向下敞开的U形横截面。

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