CN1291878C - 铁道车辆的连接器用橡胶缓冲器的安装结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铁道车辆的连接器用橡胶缓冲器的安装结构，这种结构在稳定地引发折皱变形的同时，还能够缓和由车体底架彼此撞击产生的撞击载荷以及加速度。沿车体前后方向顺序设有连接器(11)、橡胶缓冲器(1)、方形筒状冲击吸收管件(12L，12R)，车体底架(13)通过所述冲击吸收管件(12L，12R)承受车体前后方向的撞击载荷。冲击吸收管件12L，12R在E表示其材料的杨式弹性率、σy表示屈服应力时，其断面的一个边的宽度B和板的厚度t之间的关系为B≤(t/0.526)(E/σy)^1/2。

Description

铁道车辆的连接器用橡胶缓冲器的安装结构

技术领域

本发明涉及铁道车辆的连接器用橡胶缓冲器的安装结构。

背景技术

一般情况下，在铁道车辆中，在使车辆彼此相连的连接器的后侧设有用于缓和撞击时产生的冲击的橡胶缓冲器。这种缓冲器可滑动地支承在被铆钉连接在车辆底架上的支承框(draft lug)内。

这种橡胶缓冲器1如图9所示，具有：具有隔壁2a的框架2；分别安装在该框架2的隔壁2a前后的缓冲橡胶3A，3B(橡胶板和金属板相互重叠而成)；设置在缓冲橡胶3A，3B前后的支承件4(随动板)以及支承件5(橡胶垫)；和使框架2、缓冲橡胶3A、3B、支承件4、5形成一体的一对连接锁定件6。框架接头9通过以车体上下方向延伸的纵向销8可转动地连接在构架2的前端部。

上述橡胶缓冲器1的框架接头9的前端部通过在车体左右方向延伸的连接销10连接在使车辆彼此相连的连接器(图中未示出)的后端部。因此，在列车撞击时，例如上述连接器后退，则上述框架接头9也会后退，因此，通过缓冲器1的缓冲橡胶3A的延伸以及缓冲橡胶3B的收缩，可以弹性吸收该后退的行程。

上述橡胶缓冲器1通过内置的缓冲橡胶3A，3B沿车体前后方向的伸长以及压缩吸收撞击能量(相撞能量)。缓冲橡胶3A，3B在为了吸收撞击能量而完全压缩的情况下，即在达到用于吸收撞击能量的行程时，剪断破坏使支承橡胶缓冲器1的支承框和车体底架相连的多个铆钉，不向车体底架输入过大的载荷(相撞载荷)。因此，在达到橡胶缓冲器1的冲击吸收行程后，在剪断破坏使支承框和车体底架结合的铆钉后，在破坏后的车体底架彼此撞击时，无法进行能量的吸收。因此，车体底架彼此撞击时的撞击载荷以及在车体中产生的加速度将很大。

可是，一般管材具有通过选择其尺寸和板厚，在沿该管材轴向作用压缩载荷时，能够抑制管材整体弹性压曲的压曲载荷并产生折皱状变形的性能。由此可知，可采用上述管材作为能够通过其折皱变形吸收撞击能量的冲击吸收部件。并且，由于通过由所述管材产生的折皱变形可吸收撞击能量，因此，以往广泛采用使用了管材的撞击能量吸收结构。

作为利用了这种管材来吸收撞击能量的结构，提出了通过变形吸收由沿规定方向产生的冲击所产生的能量的含有至少一个纵向部件的缓冲装置(例如，参见特开平7-186951号公报)。这种纵向部件为由薄板制成的能量吸收件，其在垂直于冲击方向的平面内的断面整体呈三角形。

因此，可以考虑利用使用了这种管材的缓冲装置吸收达到橡胶缓冲器的冲击吸收行程后的撞击能量。

但是，若结构使用在垂直于由所述撞击产生的冲击作用的方向的平面内的所述部件断面整体呈三角形的能量吸收部件，那么由于这种部件形状复杂，因此，焊接线较多，且制造成本较高。

另外，在管材的边数为偶数的情况下，由于邻接的边相对于管材中原始的(变形前的)壁向外侧或内侧交错产生脱离平面的变形，因此，可以稳定地引发折皱变形。但是，在上述断面为三角形的情况下，由于管材的边数为奇数，因此，会产生没折叠折皱状的部分，从而难以稳定地引发折皱变形。

发明内容

因此，本发明的发明人从反复对易于引起折皱变形(塑性变形)的管材进行专门研究的结果可知，使用方形管作为冲击吸收部件，通过该方形管将橡胶缓冲器连接至车体底架，所述方形管断面的一个边的宽度B与板厚度t之间的关系在E表示冲击吸收部件材料的杨式弹性率、σy表示屈服应力时，若能满足：

B≤(t/0.526)(E/σy)^1/2                   (1)，

那么由于冲击吸收部件的面板的压曲间距(压曲波的波长)较短，因此易于产生折皱变形。另外，还可以看出，折皱变形的平均压坏反作用力如后文所述，能够由W.Abramowicz以及T.Wierzbicki提出的公式在实际中(在设计上)十分精确地预测出，并且与不满足上述公式的关系的情况相比，能够吸收大能量。通过利用以上所述内容，能够缓和由车体底架彼此之间撞击产生的撞击载荷和加速度，从而实现本发明。

本发明的目的在于提供一种铁道车辆的连接器用橡胶缓冲器的安装结构，这种结构在稳定地引发折皱变形的同时，还能够降低由车体底架彼此之间撞击产生的撞击载荷和加速度。

在本发明的铁道车辆的连接器用橡胶缓冲器的安装结构中，沿车体前后方向顺序设有连接器、橡胶缓冲器、方形筒状冲击吸收部件，车体底架通过所述冲击吸收部件承受车体前后方向的撞击载荷。

所述冲击吸收部件在E表示其冲击吸收部件的材料的杨式弹性率、σy表示屈服应力时，其断面一个边的宽度B和板的厚度t之间的关系为

B≤(t/0.526)(E/σy)^1/2                  (1)。

通过增减所述冲击吸收部件的数量，能够调整作为结构整体的撞击能量的吸收量。

由于通过所述方形筒状冲击吸收部件支承橡胶缓冲器的后侧，因此，在撞击时车辆前后方向作用了载荷时，橡胶缓冲器吸收撞击能量，在达到其行程后，接着通过冲击吸收部件产生折皱变形(塑性变形)来吸收撞击能量。在这种情况下，由于以满足上式(1)的方式设定了方形筒状冲击吸收部件一个边的宽度B以及板厚度t，因此，冲击吸收部件的面板的压曲间距较小。因此，冲击吸收部件会产生折皱变形(塑性变形)，从而通过该折皱变形能够吸收撞击能量。

这样，在撞击时，不仅通过橡胶缓冲器，而且还可通过冲击吸收部件吸收撞击能量。因此，即使最终车体底架彼此撞击，也能大幅度地降低由车体底架彼此撞击产生的加速度。另外，由于利用方形筒状冲击吸收部件支承橡胶缓冲器的后部简单的结构，因此，易于制造，且成本较低。

所述冲击吸收部件的长度L1以及所述连接器的连接面和所述车体底架前端之间的间隔L2的关系最好满足公式：

L1≥L2                            (2)。

若满足上式(2)，即，使冲击吸收部件的长度L1大于所述连接器的连接面和所述车体底架前端之间的间隔L2，那么在通过铆钉使橡胶缓冲器的支承框连接在车体底架上的情况下，通过适当地设计这些铆钉的剪断强度，即使在起因于连接器的后退，橡胶缓冲器达到冲击吸收行程后，也不会剪断破坏所述铆钉，在车体底架彼此撞击之前，利用所述冲击吸收部件能够确保吸收撞击能量。因此，能够获得有利于降低由撞击产生的撞击载荷以及加速度的结构。

最好使所述橡胶缓冲器支承在安装于所述车体底架上的支承框内。另外，所述橡胶缓冲器在前部具有与所述连接器相连的连接部，所述连接部在设置于所述支承框前部的左右托架之间通过且与所述连接器相连，左右托架的车体左右方向的间隔具有可通过所述连接器的机体的尺寸。例如，若使支承前侧的支承件的左右托架的间隔W1大于所述连接器机体的最大宽度W2，那么能使连接器的机体通过。

这样，在撞击时，由于左右托架的间隔可允许连接器的机体通过，并且允许连接器后退，因此能够使连接器以直线状后退，且使橡胶缓冲器以及冲击吸收部件变形以有利于吸收撞击能量。

在用于使橡胶缓冲器(框架接头)的前端部连接在连接器的后端部的沿车体左右方向延伸的连接销采用了大于连接器机体向左右伸出的结构时，所述左右托架最好分别由上下两段托架部构成使在车体上下方向具有间隔，这些上下托架部彼此之间的上下间隔最好具有可允许连接所述连接器的后端部和橡胶缓冲器的车体左右方向的连接销通过的尺寸。

这样，即使将橡胶缓冲器(框架接头)的前端部连接在连接器后端部的车体左右方向的连接销在侧面大于连接器机体伸出，由于连接销的伸出部分可以通过所述间隔(上下托架部的车体上下方向的间隔)，因此，可以实现不会阻碍连接器后退的结构。

附图说明

图1是表示本发明铁道车辆的连接器用缓冲器的安装结构的平面图；

图2是图1的侧面图；

图3(a)是显示试验装置结构的正面示意图，图3(b)为放大表示该试验装置主要部分的平面图；

图4是以图3所示的试验装置求出用于吸收冲击的管件的压坏量(位移)和车体反作用力(载荷)关系的结果的曲线图；

图5是表示本发明中用于吸收冲击的管件宽度B和平均压缩应力关系的曲线图；

图6(a)～图6(c)是分别以模式方式表示使用了本发明的铁道车辆连接器用缓冲器的安装结构的铁道车辆最前部的变形模式的说明图；

图7是关于另一实施例的与图1相同的图；

图8是关于另一实施例的与图2相同的图；

图9是铁道车辆中橡胶缓冲器的立体图。

具体实施方式

下面，根据附图说明本发明的实施例。

如图1和图2所示，在铁道车辆的最前部(或后端部)，使橡胶缓冲器1与连接器11的后端部相连，在橡胶缓冲器1的后侧并排左右对称设置正方形筒状的用于吸收冲击的管件12L，12R。即，连接器11，橡胶缓冲器1以及用于吸收冲击的管件12L，12R沿车体的前后方向顺序设置。车体底架13通过所述用于吸收冲击的管件12L，12R承受车体前后方向的撞击载荷。所述橡胶缓冲器1的结构与在现有技术栏中说明的橡胶缓冲器基本相同。

所述用于吸收冲击的管件12L，12R以具有四块面板部的闭合断面结构(方形断面的管)构成。所述用于吸收冲击的管件12L，12R在E表示其材料的杨式弹性率、σy表示屈服应力时，其面板部的宽度B和板的厚度t之间的关系满足：

B≤(t/0.526)(E/σy)^1/2              (1)

同时，上述管件12L，12R的长度L1与上述连接器11的连接面11a和上述车体底架13之间的间隔L2的关系应满足L1≥L2(2)。

具体来说，连接器11的后端部通过沿车体左右方向延伸的连接销10与位于橡胶缓冲器1前端的框架接头9相连。所述框架接头9的底端部通过沿车体上下方向延伸的纵向销8安装在框架2的前侧。使沿车体前后方向延伸的方形筒状的用于吸收冲击的管件12L，12R(冲击吸收件)的前端部连接在橡胶缓冲器1后侧的支承件5(橡胶垫)。使管件12L，12R的后端部连接在由支承框21支承的后侧支承架14上。用于吸收冲击的管件12L，12R的长度L1等于所述连接器11的连接面11a与车体底架13前端的间隔L2或大于该间隔。所述用于吸收冲击的管件12L，12R左右对称设置，以便能够较均衡地承受撞击载荷。

并且，所述连接器11的下部通过结合件15、由沿车体左右方形延伸的车体底架13的十字件16从下方支承。

在沿车体前后方向可移动地支承所述橡胶缓冲器1的支承框21(带有随动板)的前端部设有左右两个托架22L，22R。左右托架22L，22R在车体左右方向的间隔W1具有可通过连接器11的机体11b(最大宽度W2的部分)的尺寸。因此，在连接器11后退时，能够以连接器11的机体不会接触左右托架22L，22R的方式后退。因此，通过橡胶缓冲器1易于实现缓冲。另外，在所述支承框21的左右支承架23L，23R上设有铆钉孔23a，通过多个铆钉(图中省略)使所述支承框21固定在车体底架13上。

采用以上结构，用于吸收冲击的管件12L，12R轴线方向的载荷同样会作用于所述正方形筒状的用于吸收冲击的管件12L，12R的前端部。在所述载荷较小、撞击能量较小的情况下，通过橡胶缓冲器1的缓冲橡胶3A，3B能够吸收撞击能量。因此，在这种情况下，在用于吸收冲击的管件12L，12R上不会产生变形。在撞击能量较大、橡胶缓冲器1达到其冲击吸收行程(变形行程)的情况(橡胶缓冲器完全压缩)下，剩余的能量由用于吸收冲击的管件12L，12R的折皱状变形吸收。

通过用于吸收冲击的管件12L，12R支承橡胶缓冲器1，所述用于吸收冲击的管件12L，12R的长度L1大于上述连接器11的连接面11a和上述车体底架13前端的间隔L2。因此，在通过铆钉使橡胶缓冲器1的支承框与车体底架13相连的情况下，通过适当地设计所述铆钉的剪切强度，即使在橡胶缓冲器1未吸收撞击能量的情况下，在车体底架之间发生撞击时铆钉也不会剪断破裂，撞击能量由用于吸收冲击的管件12L，12R的折皱状变形(塑性变形)吸收。因此，通过多个车辆排列而成的铁道列车在与其它列车冲撞的情况下，即使橡胶缓冲器1的冲击吸收能力不足，用于吸收冲击的管件12L，12R的冲击吸收能力也会对其进行补偿，从而避免在车体底架13之间直接撞击时使车体底架13产生较大的损坏，以及对乘客施加过大冲击这样的事故。

另外，由于左右托架22L，22R的间隔W1大于上述连接器11的机体11b的最大宽度W2，因此，在撞击时，连接器11的机体11b能够在左右托架22L，22R之间通过。因此，由于能够允许连接器11后退，因此，会使连接器11直线后退。结果，橡胶缓冲器1以及用于吸收冲击的管件12L，12R沿它们的轴线被推压，从而产生变形以利于吸收撞击能量。

下面，说明正方形筒状的用于吸收冲击的管件12L，12R若满足前面的公式(1)，在塑性变形后能有效吸收撞击能量的原因。

首先，在k(＝4)表示压曲系数，E表示面板材料的杨式弹性率，υ(＝0.3)表示泊松比，t表示面板的板厚度，B表示板宽度时，下面的公式(3)可求出在弹性区域中的面板的压曲应力σcr。

σcr＝k{π²E/12(1-υ²)}(t/B)²                  (3)

所述压曲应力σcr若大于材料的屈服应力，方管(相当于用于吸收冲击的管件12L，12R)的面板则会产生塑性压曲。在这种情况下，应满足下面的公式(4)。

σcr＝k{π²E/12(1-υ²)}(t/B)²≥σy

(t/B)(E/σy)^1/2(＝A)≥{12(1-υ²)/Kπ²)}^1/2＝0.526

B≤(t/0.526)(E/σy)^1/2                   (4)

由此，若获得所述杨式弹性率和屈服应力σy，便能确定板的宽度B与板厚t的关系。即，若A大于0.526，面板则会产生塑性压曲。

下面，以表1表示在以准静态沿管轴向压坏具有各种尺寸和板厚的方管时的比较计算值和实验值的值所得的结果。由此可以确定：在这些值满足使面板产生塑性屈压的条件时，α和β为非常接近的值。

                                                  [表1]

类型	材料	σy(N/mm2)	σb(N/mm2)	B(mm)	T(mm)	(B-2R)/t	α(kN)	β(kN)	α/β	A
											100R10t1.6150R15t2.3150R10t2.3	SPA-C	315	450	100150150	1.62.32.3	505257	38.783.783.2	59.5124.9124.9	0.650.670.67	0.380.390.39
100R8t4100R6.4t3.2150R9t4.5	STKR400	245	400	100100150	43.24.5	212729	243.9152.8257.0	235.5163.7331.6	1.040.930.78	1.160.930.86

在此，表1中的σb为拉伸强度，R表示在方管断面处的角部的曲率半径。另外，α为平均反作用力的实验值。由于可以从预先得到的、作为压破方管(冲击吸收部件)时的载荷(＝反作用力)与位移(压破的距离)关系的反作用力-压坏量曲线图(参见图4)求出能量，因此，能够根据该能量求出上述平均反作用力值α。

β为通过以下公式(5)(W.Abramowicz以及T.Wierzbicki提出的公式)获得的平均反作用力的计算值。所述公式(5)为假定基于压坏时的变形模式的弯曲和延伸求出的压坏时的塑性功与由外力产生的功相等，由此求出关于正方形管的平均反作用力的简易式。

β＝12.16σoB^0.37t^1.83                       (5)

此处，σo＝0.92σb，σb表示拉伸强度，B表示边的长度，t表示板厚。

表1中的A由(6)式表示。

A＝(t/B)(E/σy)^1/2                (6)

由此，通过前面所述内容可知，在A大于0.526时，实验值α与通过前面所述的建议式(参见(5)式)所得的计算值β大致相等，并能够获得比弹性压曲时高的反作用力。所以，可以得知：即使重量相同，也能实现有效的能量吸收。

其结果，用于吸收冲击的管件12L，12R可采用小型部件，可以作为能有效吸收能量的能量吸收元件。另外，在设计时，通过(5)式可以简单地确定用于获得作为目标的反作用力的吸收元件的面板的板宽度和板厚度。

在有满足上式(1)关系形状的方管中，对板厚度为t＝4.5，6，9，12mm，在图5中同时显示了根据上述建议式((5)式)计算的结果以及以冲击方式压坏方管的动态实验结果(仅显示了板厚度t＝6.9mm的情况)。由图5可以推测所述建议式((5)式)在承受动态载荷的情况下也成立。在此，纵轴为平均反作用力，横轴为面板的宽度。

(动态实验方法)

如图3(a)以及图3(b)所示，准备了具有斜度为1/10的倾斜面31a的底座31。在该倾斜面31a上铺设有轨道32。使重量约为13t的台车33(撞击时的速度约为19km/h)行驶于轨道32上，使其撞击固定在终点处的方管34(相当于冲击吸收部件)并压碎方管34。利用测力传感器35测定此时的反作用力。并且，在观测点P处利用激光位移传感器(图中未示出)测定台车33前端面33a的位移，求出位移。由该反作用力以及位移的计量结果求出载荷-位移曲线。对该曲线进行积分求出能量值。由该能量值求出平均压坏应力。通过使用设置在所述台车33上的反射镜34，设置在地面上的第一以及第二位置的第一以及第二光电传感器35，56，能够测定台车33通过上述两个位置之间所需要的时间。根据该测定结果能够计算出撞击之前的速度。

接着，在图4以及图6(a)～图6(c)显示对通过使采用了本发明结构的车体撞击刚性壁而在车体上作用撞击载荷时车体结构的变化状态进行模拟分析所得的结果。在这种情况下，图6(a)～图6(c)为在模拟分析中作为压坏量的行程量Ds分别为0mm，125mm，250mm的变形图

在上述实施例中，虽然分别在支承框21内的左右设置了托架22L，22R，但是本发明不局限于此。在与连接器的机体相比，连接销向左右侧以更大程度伸出的情况下，通过使左右托架形成上下两段式结构，可以形成连接销可后退的结构。在这种情况下，例如如图7和图8所示，在框架接头9左右两侧，上侧托架22La，22Ra和下侧托架22Lb，22Rb的上下间隔比连接销10′的直径大。除了使所述支承框21内的左右托架形成上下两段，即把左右托架作为上侧托架托架22La，22Ra和下侧托架22Lb，22Rb以外，其它结构与图1以及图2所示相同。

在上述实施例中，由于用于吸收冲击的管件12L，12R的长度L1大于所述连接器11的连接面和所述车体底架13前端之间的间隔L2，因此，在通过铆钉使缓冲器1的支承框21与车体底架相连的情况下，通过连接器11的后退，在橡胶缓冲器1达到冲击吸收行程后，在车体底架彼此撞击之前，撞击能量由冲击吸收部件吸收。但是，冲击吸收部件的长度L1不一定比所述连接器的连接面和所述车体底架前端之间的间隔L2长。例如，可以采用这样的结构，即：使冲击吸收部件的长度L1略小于所述间隔L2，即使在通过连接器的后退，橡胶缓冲器达到冲击吸收行程后剪断破坏了铆钉，也能够大致与前面所述情况一样，利用冲击吸收部件在车体底架彼此撞击之前吸收撞击能量。

Claims (4)

1.一种铁道车辆的连接器用橡胶缓冲器的安装结构，其沿车体前后方向顺序设有连接器、橡胶缓冲器、方形筒状冲击吸收部件，车体底架通过所述冲击吸收部件承受车体前后方向的撞击载荷，其特征在于：

所述冲击吸收部件在E表示其冲击吸收部件材料的杨式弹性率、σy表示屈服应力时，其断面一个边的宽度B和板的厚度t之间的关系为

B≤(t/0.526)(E/σy)^1/2。

2.如权利要求1所述铁道车辆的连接器用橡胶缓冲器的安装结构，其特征在于：所述冲击吸收部件的长度L1以及所述连接器的连接面和所述车体底架前端之间的间隔L2的关系为L1≥L2。

3.如权利要求1或2所述铁道车辆的连接器用橡胶缓冲器的安装结构，其特征在于：

使所述橡胶缓冲器支承在安装于所述车体底架上的支承框内，

所述橡胶缓冲器在前部具有用于与所述连接器相连的连接部，该连接部可在设置于所述支承框前部的左右托架之间通过且与所述连接器相连，

所述左右托架的车体左右方向的间隔具有可通过所述连接器的机体的尺寸。

4.如权利要求3所述铁道车辆的连接器用橡胶缓冲器的安装结构，其特征在于：所述左右托架分别由上下两段的上下托架部构成使在车体上下方向具有间隔，所述车体上下方向的间隔具有连接所述连接器后端部和橡胶后端部的车体左右方向的连接销可通过的尺寸。

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