有採用纖維複合材料制的頭部模件的鐵路車輛的製作方法

2023-09-23 11:10:45 2

專利名稱：有採用纖維複合材料制的頭部模件的鐵路車輛的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種如在權利要求1的前序部分中詳細定義的具有用纖維複合材料制的頭部模件的鐵路車輛。
為了改善鐵路車輛的質量平衡、為了在設計時獲得高的造型自由度以及為了能充分利用具有高預製程度和預檢驗程度的纖維複合材料和模塊結構方式在技術上的優點，越來越多的鐵路車輛設計用纖維複合材料制的頭部模件，例如司機室。
由EP 0 533 582 B1已知此類車輛。其中，鐵路車輛的司機室用纖維複合材料製成單獨的部件，帶司機操縱臺支承結構的司機室壁構成一整體結構，以及司機室應當用螺釘固定在鐵路車輛的底架上和側壁頂框的上部長邊梁上。在需要時，例如為了補償公差和降低力的峰值，固定應藉助於彈性緩衝器進行。正面作用的和由於車輛提升引起的力，應通過固定的止擋能傳給底架和上部長邊梁。然而在此文件中沒有說明司機室與底架及上部長邊梁之間的連接部位應如何設計。存在的缺點是，由於在一定程度上可以說是點狀地向上部長邊梁內傳力，司機室的某些區必須特別增強，而司機室的另一些區可能不參與傳力，所以司機室必須設計成非均勻的，這在技術上帶來很大的困難和導致提高成本。此外，這種技術概念限制了在不尋常的負荷情況下即—為了往鋼軌上放置而提升鐵路車輛；—端壁壓力(例如3000KN)；—中心聯接器壓力(例如1500KN)；—中心聯接器拉力(例如1000KN)，可由司機室分擔的負荷份額。鐵路車輛的車體結構必須針對上述負荷情況來設計。按照迄今流行的解決辦法，必須將其餘的車體結構與底架和上部長邊梁設計得剛度特別大，其結果是導致附加的生產費用和不希望的質量增大。頭部模件在整個車輛中所佔的長度比例越大，則對這些關係越不利。
在雜誌「Schweizer Eisenbahn-Revue」第12/1991號436-442頁(Cortesi，A；Issenmann，T.；Kalbermatten，T.deLeichte Nasenfür schnelle Lokomotiven)中介紹了另一種具有用纖維複合材料制的司機室的鐵路車輛。在這裡，司機室由多個具有夾層結構的構件構成，它們通過在結構上的粘結互相接合。此司機室設計成自支承式部件，以及在上述非尋常的負荷情況下不能承擔大的負荷份額。由於與底架和車體的連接方式以及由於連接的機械強度和小的剛度，考慮到能補償1至5mm的加工公差、保證接縫區內的壓力密封性和耐熱性、承受在塑料司機室與金屬車體之間差別巨大的熱膨脹以及保證長的使用壽命，此司機室藉助於彈性的膠粘劑粘合，在這種情況下與底架之間加彈性緩衝器作為定距器，以及在10mm的粘結縫厚度內吸收不良的加工公差。這樣一種設計完全不適用於這種情況，即，鐵路車輛的頭部模件不僅設計為自支承的而且應分擔負荷，以及為此必須與其餘的車體結構牢固和剛性地連接。
DE 4343800 A1介紹了具有單獨加工和裝配的頭部模件的鐵路車輛另一種方案。此頭部模件也設計為自支承部件，並應在所有的6個自由度的約束條件下與底架可拆式和力鎖合地連接以及與車體通過彈性的中間環節連接。這種方案同樣不能承擔車體結構大的負荷份額，以及與底架在不同軸線位置的螺栓/孔連接部位的配合能力方面需要有大的準確度工作量。因為與底架的這些連接部位處於司機室內部以及必須能接近，所以不能達到高的預製程度。
本發明的目的是發明一種用於此類鐵路機車車輛的解決方案，它克服針對先有技術說明的缺點以及將一個用纖維複合材料制的頭部模件按新的方式與車體模件和底架牢固連接，與此同時在纖維複合材料制的頭部模件與車體模件及底架之間因加工引起的沿(相對於鐵路車輛而言的)垂直方向、縱向和橫向的形狀和尺寸公差可方便地和用小量的費用補償，在連接時不產生不確定的內應力，以及纖維複合材料制的頭部模件與車體模件不同的熱膨脹可無損害地承受。
本發明的另一個目的在於，纖維複合材料制的頭部模件設計為分擔負荷的並與一個與底架連接的車體模件連接，從而設計為在頭部模件與車體模件及底架之間特別強有力的牢固與剛性的連接，以及頭部模件由此可相應於上述負荷情況及運行負載分擔大的負荷份額並能傳入車體結構中。
這些目的通過具有權利要求1特徵部分所述特徵的前言所述類型的鐵路車輛達到。由從屬權利要求可知本發明有利的設計和進一步改進。
按本發明的頭部模件相對於車體模件與底架的連接部位的設計，允許頭部模件無論與車體模件還是與底架均建立起一種牢固的和無不確定的內應力的連接，頭部模件加工引起的尺寸偏差以及車體模件和底架的加工公差，無論沿車輛垂直方向、沿車輛縱向還是沿車輛橫向，均可以技術上簡單和經濟的方式加以補償。
頭部模件相對於車體模件的公差補償還可以更加簡單，只要此為了抗剪剛性的連接而發明的方案只在側壁區內採用，在車頂區內則按已知的方式構成彈性的粘結，這種粘結也可以良好地補償沿高度的尺寸誤差。
在本發明的一種改進中規定的側壁型材與車體型材的連接，進一步減少了用於補償車體模件公差的工作量和降低了成本。
由於較低的精度要求，所以頭部模件和鐵路車輛現在可以經濟地生產。
另一個優點在於，按冷接縫技術設計的連接，與車體模件設計為鋼的、輕金屬的或其他類型的結構方式無關。為了修理，這種類型的連接可以在無損於頭部模件和車體模件的情況下分解。
採用本發明獲得的另一個重要的優點在於，現在也可以生產具有用纖維增強材料制的頭部模件的鐵路車輛，其中，設計為分擔負荷的頭部模件可承擔車體結構的負荷份額，並可通過牢固和剛性的連接將其傳入所連接的車體模件內。
尤其是通過至少在頭部模件側壁及車體模件側壁之間設計為雙剪切式的連接可獲得高的抗剪剛度，所以這些無論是頭部模件的還是車體模件的側壁，均可將尺寸設計為節省材料和減少質量的。這一點還可以採取下列措施得到支持，即，頭部模件組合在連接邊一側的緊固件支承在其上的增強型材，承受通過底架與頭部模件之間的連接面傳來的預緊力和負荷，並面接觸地進一步傳給相鄰的纖維複合材料，所以避免了使之點狀地過負荷或必須使之尺寸過大。
因為與底架的連接可單側地從底架下方進行，所以按本發明設計的頭部模件可設計為有高的預製程度和在它與車體模件接合前可進行預檢驗。
下面藉助於附圖示意表示和說明本發明的實施例，但不應理解為僅限於此實施例。其中

圖1按本發明設計和連接的鐵路車輛側視圖；圖2通過頭部模件與底架之間的連接部位的橫截面；以及圖3通過頭部模件側壁與車體側壁之間的連接部位的橫截面。
按圖1為鐵路車輛1在底架3上預製一車體模件2。底架3安裝(圖中未表示的)鐵路車輛的牽引和緩衝裝置，包括(圖中同樣未表示的)輪對或轉向架以及鐵路車輛其他功能部件的安裝座，以及出自於功能及外觀的原因局部帶有外護板。按此實施例，頭部模件12的組成部分至少包括頭部模件端壁13、兩個頭部模件側壁14和一個頭部模件頂22，它們分別預製然後拼合成頭部模件12，或可按整體結構方式共同製成頭部模件12。
為了使頭部模件12與底架3在一個近似於水平的接縫面(它也可以是傾斜的、彎曲的和/或臺階狀的)內連接並能校正尺寸偏差，按圖2在底架3的框架長邊梁4上設材料加工餘量作為高度公差的補償裝置5，在側量了預製的頭部模件12及底架後按需對它進行機械加工。但同樣可以設想，取代框架長邊梁4的材料加工餘量，設置一個或多個與高度差相匹配的附加的墊片，它們也可以有圍繞頭部模件連接邊的U形型材的形式，或採用其他類型的高度公差補償裝置。在圖2中表示的材料加工餘量可以是組合在輕金屬制的框架長邊梁4中的擠壓型材組成部分，這種設計允許在機械加工此材料的加工餘量時目視檢查，以防切入框架長邊梁4上對強度而言必要的材料區。在框架長邊梁4與頭部模件12的加工尺寸適配後以及在將頭部模件裝上後，從框架長邊梁4的下側出發，在需要的地方和按必要的數量加工一些孔，它們切入頭部模件側壁14的連接邊內並穿過組合在那裡的增強型材18，按此實施例，增強型材18有U形截面並裝在由芯子15和層狀結構16和17組成的頭部模體側壁14夾層結構內部。按此實施例在這些孔中可從一側裝入作為緊固件20的盲鉚釘並夾緊在增強型材18內表面與長邊梁4下側之間，所以頭部模件側壁14與底架13在有預緊力的情況下互相力鎖合地牢固和剛性連接。增強型材18的形狀和厚度最好這樣確定，即，在運輸和裝配時有助於穩定頭部模件側壁14，以及在裝入緊固件18後可沿縱向、橫向和垂直方向將夾緊力和負荷力有足夠面積地傳入頭部模件側壁14的纖維複合材料中。
若在頭部模件側壁14與框架長邊梁4之間連接部位中要傳遞的力能通過摩擦力鎖合傳遞，則孔的直徑可設計得較大。但是若此連接部位必須設計用於那些只有通過摩擦力鎖合和孔壁的組合才能傳遞的力，則孔的直徑相對於緊固件20的杆直徑應規定有較小的公差。
按此實施例，在頭部模件端壁13與底架3之間的連接部位(圖中未進一步表示)應具有同類的設計。
為了使頭部模件12在一個近似於垂直的接縫面(它也可以是傾斜的、彎曲的和/或臺階狀的)內與車體模件2連接，按圖3在此接縫區車體側壁9有一內部連接腹板7和一外部連接腹板8，頭部模件側壁14插入它們之間。兩個連接腹板7和8的邊長、它們的間距和它們沿車輛橫向的彈性應選擇為，能形鎖合地包圍增強型材19組合在其中的頭部模件側壁14的連接邊以及能適應它們沿車輛縱向和橫向的尺寸偏差。穿過連接腹板7和8以及頭部模件側壁14加工一些共同的通孔，按此實施例在這些通孔中可從兩側裝入和產生預緊力的作為緊固件21的鎖閉環螺栓，並在支承在增強型材19上的情況下夾緊。上面對在頭部模件側壁與底架之間連接部位的那些孔有關直徑的論述相應地也適用於這些通孔的直徑。採用連接部位的這種雙剪切設計，頭部模件側壁14與車體側壁9互相力鎖合式牢固地以及剛度特別好地連接，其中緊固件21設計為與外腹板8表面齊平以及外觀上不明顯。
頭部模件頂22與車體頂10之間的連接部位可按同樣的方式設計。但在側壁區內有足夠的強度時，按本發明的一種改進(圖中未表示)，此連接部位可設計為傳統的彈性粘結裝置11，由此還可以方便地補償在車頂區內的尺寸公差。
對於按本發明的其頭部模件應設計為分擔負荷的鐵路車輛，業已證明有利的是，頭部模件端壁13、頭部模件側壁14和頭部模件頂22的夾層結構，設計為由用至少一種芯體材料制的芯子15和至少兩側蓋在芯子15上的用具有定向纖維結構的纖維複合材料制的層狀結構16和17組成，以及頭部模件12按整體結構方式設計。特別有利的是，這種芯子15用輕質芯體材料例如輕質硬泡沫塑料製造。若要求傳遞剪力，合乎目的的是將增強型材18和19膠合在頭部模件相應部分的連接邊內，並被兩個層狀結構16和17所包圍。當然，也可以按其他方式和結構將增強型材18和19連接在頭部模件12的連接邊上。例如，頭部模件側壁14的連接邊可設計為朝車體模件側壁9的方向開口的連接邊，當要傳遞的力可僅藉助於在通過增強型材19增強的頭部模件側壁14與兩個連接腹板7和8之間的摩擦力鎖合或藉助於在纖維複合材料內的孔壁傳遞時，局部去除在連接邊內的芯體材料以及只是插入增強型材19。兩個增強型材可用輕金屬製成，但也可以是其他材料，只要它們設計為能提供足夠的機械強度和有持久的耐腐蝕能力。它們可以沿連接邊的全長，但也可以由一個個相鄰地或隔開間距地裝入的部分組成。
對於在頭部模件側壁14與車體側壁9之間的連接部位，也可以設置按增強型材18方式的增強型材或空心型材以替代增強型材19，以及也可以設置從兩側互相獨立加工的孔和可單側置入的緊固件20，以替代通孔和可從兩側置入的緊固件21，這些緊固件20通過增強型材的側面腹板裝上並盲鉚。
按本發明的另一種改進規定，至少連接腹板7或8之一設計為分開的並可裝在車體模件上的單個構件。對於組合車體模件12與頭部模件2特別有利的是，外部的連接腹板8設計為單獨的和可安裝的。通過改變此構件的造型便可以改變鐵路車輛的外部設計。
在設計此方案時合乎目的的是，在車體上按間距設裝配輔助裝置25(圖3)，在安裝外部連接腹板8時插入裝配輔助裝置內，從而無需其他輔助裝置便可摩擦力鎖合地或卡鎖地固定在裝配位置。
在本發明的另一項改進中，車體模件具有內部和外部連接腹板7或8的部分是車體端部型材6，它可以是一個開口的或封閉的焊接結構，但特別有利和使尺寸準確的是由空心輕金屬擠壓型材加工而成，根據鐵路車輛1的外形彎曲成門的形狀並裝在底架3上。這樣一種型材可製成具有高的精度，而且是在預製車體模件2時的一種用於使車體側壁9和車體頂10尺寸適配的有利的輔助裝置。如圖3所示，門形的車體端部型材6可以是隔開頭部模件的隔板的支架。
在設計此方案時，車體側壁9不是直接地而是藉助於裝在中間的側壁端部型材23和24連接在車體端部型材6上。這種型材便於機械加工和可適配成為一個完整的車體側壁，所以儘管增加了連接工作量，但可達到更快速和更方便的尺寸匹配。此側壁端部型材24可通過改變造型方便地依隨著鐵路車輛設計而變化。
符號表1鐵路車輛2車體模件3底架4框架長邊梁5高度公差補償裝置6車體端部型材7連接腹板8連接腹板9車體側壁10車體頂11粘結裝置12頭部模件13頭部模件端壁14頭部模件側壁15芯子16層狀結構17層狀結構18增強型材19增強型材20緊固件21緊固件22頭部模件頂23側壁端部型材24側壁端部型材25裝配輔助裝置
權利要求
1.鐵路車輛，有一個預製的並與底架連接的車體模件和一個用纖維複合材料預製的頭部模件，其特徵為—底架(3)面朝頭部模件(12)的接縫區配備有補償高度公差的裝置(5)；—車體模件(2)面朝頭部模件(12)的接縫區至少在車體側壁(9)的範圍內設計為有縱向和橫向公差補償裝置(連接腹板7和連接腹板8)的連接邊；—頭部模件(12)有面朝車體模件(2)和底架(3)的頭部模件端壁和頭部模件側壁(13、14)的連接邊，它們有組合在纖維複合材料中的增強型材(18、19)；—頭部模件端壁和頭部模件側壁(13、14)藉助於產生預緊力和支承在增強型材(18)上的緊固件(20)抗剪剛性地與底架(3)連接；以及—至少頭部模件側壁(14)藉助於產生預緊力和支承在增強型材(19)上的緊固件(21)與至少車體側壁(9)抗剪剛性地連接。
2.按照權利要求1所述的鐵路車輛，其特徵為在頭部模件(12)與車體模件(2)的接縫區內只是在車體側壁(9)與頭部模件側壁(14)之間構成抗剪剛性的連接，車體頂(10)和頭部模件頂(22)的連接邊設計用於粘結並藉助於彈性粘結裝置(11)互相接合。
3.按照權利要求1或2所述的鐵路車輛，其特徵為頭部模件(12)的纖維複合材料是一種至少由一種芯體材料(芯子15)和至少蓋在兩側的具有定向纖維結構的纖維複合材料(層狀結構16和17)組成的夾層式層壓製品。
4.按照前列諸權利要求之一所述的鐵路車輛，其特徵為增強型材(18、19)膠合在頭部模件(12)的纖維複合材料內並被蓋在兩側的層狀結構(16和17)包圍。
5.按照前列諸權利要求之一所述的鐵路車輛，其特徵為增強型材(18、19)用輕金屬製造。
6.按照前列諸權利要求之一所述的鐵路車輛，其特徵為補償高度公差的裝置(5)是一個可從底架(3)上機械加工的材料加工餘量。
7.按照前列諸權利要求之一所述的鐵路車輛，其特徵為車體模件(2)有連接腹板(7和8)的部分是車體端部型材(6)。
8.按照權利要求7所述的鐵路車輛，其特徵為車體端部型材(6)是一種與鐵路車輛(1)外形匹配的空心型材。
9.按照權利要求8所述的鐵路車輛，其特徵為車體端部型材(6)是一種空心的輕金屬擠壓型材。
10.按照權利要求7至9之一所述的鐵路車輛，其特徵為車體端部型材(6)背對頭部模件(12)的部分設計用於與縱向和橫向公差補償裝置(側壁端部型材23和側壁端部型材24)連接。
11.按照前列諸權利要求之一所述的鐵路車輛，其特徵為至少連接腹板(8)作為分開的部分可裝在車體模件(2)上。
12.按照權利要求11所述的鐵路車輛，其特徵為第二塊連接腹板藉助於裝配輔助裝置(25)安放並固定在連接位置。
全文摘要
本發明的對象是鐵路車輛,它有一個纖維複合材料制的頭部模件。其中,在底架(3)上設有一含有高度公差補償裝置(5)的接縫區,以及在車體模件(2)上設有一含有縱向與橫向公差補償裝置(7和8)的連接邊。頭部模件有面朝車體模件(2)和底架(3)的含有組合在纖維複合材料中的增強型材(18、19)的連接邊。頭部模件藉助於產生預緊力的緊固件(20、21)固定在底架(3)上和至少頭部模件側壁(14)固定在車體模件(2)的側壁(9)上,從而形成有抗剪剛度的連接。由此可以控制因加工過程引起的尺寸偏差、避免在組合時不確定的內應力、可以無損害地吸收由纖維複合材料製成的頭部模件與車體模件不同的熱膨脹、以及用纖維複合材料制的頭部模件及其與車體模件(2)和底架(3)的連接不僅可以設計為自支承的,而且是分擔負荷和易於修理的。
文檔編號B61D17/04GK1257454SQ98805478
公開日2000年6月21日 申請日期1998年6月12日 優先權日1997年6月13日
發明者哈特穆特·卡斯滕森, 貝恩德·霍珀, 厄休拉·華格納, 伯克哈特·利森博格, 歐文·施梅爾策 申請人:戴姆勒-克萊斯勒股份公司