一种轨道车辆的复合式逐级吸能结构的制作方法

本发明涉及轨道交通技术领域，具体而言，涉及一种轨道车辆的复合式逐级吸能结构。

背景技术：

轨道交通因其方便快捷，绿色环保，成为越来越多的人的出行选择，但是随着轨道交通技术的发展，轨道交通的运行速度也不断增加，相对封闭的空间及庞大的运载量，导致一旦发生事故将对乘客的生命财产安全造成巨大的威胁。因此，轨道交通的被动安全保护技术受到越来越多的人的关注。

为了减小列车碰撞事故对乘员的安全威胁，通常在车厢两端的变形区内安装大吸能量、高效率的吸能器，以吸收列车碰撞时巨大的冲击动能。目前，比较常见的车辆端部吸能结构包括：金属薄壁结构、蜂窝铝结构以及金属薄壁结构+内置蜂窝铝的抽屉式复合结构。

目前常见的车辆端部吸能结构在发生压缩时往往出现一个较大的初始撞击力峰值(初始撞击力峰值往往也是整个撞击过程撞击力的最大值，且明显大于其他波动)，随后撞击力在一个较低的平台区间波动。研究表明，撞击过程中的冲击脉冲峰值决定着乘员损伤的严重程度。现有的车辆端部吸能结构无法很好地降低初始撞击力峰值，并且性能结构的整体吸能量较小，无法保证轨道车辆碰撞时减速过程的平稳性。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种轨道车辆的复合式逐级吸能结构，该复合式逐级吸能结构能够有效降低轨道车辆在初始撞击时的冲击力，保证轨道车辆碰撞时减速过程的平稳性，整体吸能量大、抗偏载性好。

为了实现上述目的，本发明提供了一种轨道车辆的复合式逐级吸能结构，包括前端横梁、中间纵梁、边梁、前端小横梁、后端小横梁和后端横梁，前端横梁与后端横梁平行设置，前端横梁的两端分别连接一根边梁，两根边梁的另一端分别与后端横梁的两端相连接，中间纵梁的一端与前端横梁的中部相连接，中间纵梁的另一端与后端横梁的中部相连接，前端小横梁和后端小横梁均与中间纵梁相连接，后端小横梁位于前端小横梁的后方，前端小横梁和后端小横梁之间设有第二级吸能管，后端小横梁与后端横梁之间设有第三级吸能管，第三级吸能管内装设有蜂窝铝。

进一步地，边梁与前端横梁相连接的一端设有第一初始缺陷；中间纵梁与前端横梁相连接的一端设有第二初始缺陷。

进一步地，第二级吸能管与前端小横梁相连接的一端设有第三初始缺陷；第三级吸能管与后端小横梁相连接的一端设有第四初始缺陷。

进一步地，前端小横梁位于前端横梁、边梁和后端横梁所围成的四边形内，前端小横梁的两端不与边梁相连接。

进一步地，后端小横梁位于前端横梁、边梁和后端横梁所围成的四边形内，后端小横梁的两端分别与两根边梁相连接。

进一步地，前端横梁的内侧设有止挡结构，止挡结构的位置与第二级吸能管的位置正对。

进一步地，蜂窝铝包括第一蜂窝铝和第二蜂窝铝，第一蜂窝铝装设于第三级吸能管靠近后端小横梁的一端，第二蜂窝铝装设于第一蜂窝铝的后方，第一蜂窝铝的横截面积小于第二蜂窝铝的横截面积，第一蜂窝铝和第二蜂窝铝之间设有一隔板。

进一步地，边梁倾斜设置，前端横梁、边梁和后端横梁围成一等腰梯形，前端横梁的长度小于后端横梁的长度。

进一步地，中间纵梁的数量为多根，多根中间纵梁相对于复合式逐级吸能结构的纵向轴线对称设置；第二级吸能管的数量为多根，多根第二级吸能管相对于复合式逐级吸能结构的纵向轴线对称设置；第三级吸能管的数量为多根，多根第三级吸能管相对于复合式逐级吸能结构的纵向轴线对称设置。

进一步地，后端横梁的内侧设有裙板；前端横梁和后端横梁均为板块结构，中间纵梁和边梁均为中空方管；后端横梁上开设有多个螺栓孔。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的复合式逐级吸能结构，采用三级压缩的结构形式，使结构在高速冲击时强度较低，随着冲击速度的降低其结构强度随之增高，不仅保证了车辆碰撞时减速过程的稳定性，同时还兼顾了吸能结构的整体吸能量，最大程度的提高了轨道车辆的安全性；通过在各级吸能结构的前端设置初始缺陷，避免了结构在初始触发时出现较大的冲击力波动，使乘客免受较大冲击波的伤害；吸能结构整体呈梯形，提高了结构在水平方向上的稳定性和抗偏载性；通过止挡结构以及各个部件之间的位置配合，保证了吸能结构工作时能够整体平稳地向后逐渐压缩。该复合式逐级吸能结构能够有效降低轨道车辆在初始撞击时的冲击力，保证轨道车辆碰撞时减速过程的平稳性，整体吸能量大、抗偏载性好。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的复合式逐级吸能结构的立体图。

图2为本发明实施例的复合式逐级吸能结构的平面图。

图3为本发明的复合式逐级吸能结构碰撞时的撞击力曲线。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、前端横梁；2、中间纵梁；3、边梁；4、前端小横梁；5、后端小横梁；6、后端横梁；7、第二级吸能管；8、第三级吸能管；9、止挡结构；10、裙板；21、第二初始缺陷；31、第一初始缺陷；61、螺栓孔；71、第三初始缺陷；81、蜂窝铝；82、第四初始缺陷；811、第一蜂窝铝；812、第二蜂窝铝；813、隔板。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而仅仅是为了便于对相应零部件进行区别。同样，“一个”或者“一”等类似词语不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于直接的连接，而是可以通过其他中间连接件间接的连接。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

参见图1和图2，一种本发明实施例的轨道车辆的复合式逐级吸能结构，该复合式逐级吸能结构主要包括前端横梁1、中间纵梁2、边梁3、前端小横梁4、后端小横梁5和后端横梁6。其中，前端横梁1与后端横梁6、前端小横梁4、后端小横梁5平行设置；前端横梁1与前端小横梁4之间、前端小横梁4与后端小横梁5之间、后端小横梁5与后端横梁6之间均留有间隙；在前端横梁1的两端分别连接有一根边梁3，两根边梁3的另一端分别与后端横梁6的两端相连接；中间纵梁2的一端与前端横梁1的中部相连接，中间纵梁2的另一端与后端横梁6的中部相连接；前端小横梁4和后端小横梁5均与中间纵梁2相连接，并且后端小横梁5位于前端小横梁4的后方；在前端小横梁4和后端小横梁5之间设置有第二级吸能管7，在后端小横梁5与后端横梁6之间设置有第三级吸能管8，并且在第三级吸能管8内装设有蜂窝铝81。

上述的复合式逐级吸能结构，通过设置前端横梁1和后端横梁6，两端通过边梁3相连接，并在前端横梁1和后端横梁6的中部连接中间纵梁2，在中间纵梁2上连接前端小横梁4和后端小横梁5，前端小横梁4与前端横梁1之间留有间隙，在前端小横梁4和后端小横梁5之间设置第二级吸能管7，在后端小横梁5与后端横梁6之间设置第三级吸能管8，并且在第三级吸能管8内装设蜂窝铝81；该复合式逐级吸能结构采用三级吸能结构，第一级吸能结构为位于前端小横梁4前方的边梁3和中间纵梁2部分，第二级吸能结构为第二级吸能管7、边梁3和中间纵梁2，第三级吸能结构为第三级吸能管8及其内装设的蜂窝铝81、边梁3和中间纵梁2；该复合式逐级吸能结构通过后端横梁6安装在轨道车辆的端部，当前端横梁1发生碰撞后，边梁3和中间纵梁2逐渐向后压缩，第一级吸能结构被完全压溃后触发第二级吸能结构，第二级吸能结构被完全压溃后触发第三级吸能结构；通过采用三级吸能结构，结构强度逐渐增加，有效降低了轨道车辆在初始撞击时的冲击波，使车辆的减速过程更为平稳，大大提高了吸能结构的总吸能量和车辆撞击时乘员的安全性。

参见图1和图2，在本实施例中，在边梁3与前端横梁1相连接的一端还设置有第一初始缺陷31；在中间纵梁2与前端横梁1相连接的一端还设置有第二初始缺陷21。如此设置，通过在边梁3和中间纵梁2的前端分别设置第一初始缺陷31和第二初始缺陷21，当吸能结构被触发后该第一初始缺陷31和第二初始缺陷21处首先发生变形，由于初始缺陷的存在，可大大降低吸能结构触发时的初始峰值力。由于第一级吸能结构的变形只有中间纵梁2和边梁3参与，结构整体刚性较弱，可以保证车体在初始撞击时以较为平缓的方式慢慢减速，最大程度的避免了乘员在初始撞击时遭受较大的冲击。

进一步地，参见图1和图2，在本实施例中，在第二级吸能管7与前端小横梁4相连接的一端设置有第三初始缺陷71；在第三级吸能管8与后端小横梁5相连接的一端设置有第四初始缺陷82；第二级吸能管7的两端分别焊接在前端小横梁4和后端小横梁5上，第三级吸能管8的两端分别焊接在后端小横梁5和后端横梁6上。通过在第二级吸能管7和第三级吸能管8的前端分别设置初始缺陷，诱导吸能管在初始缺陷处被首先压溃，随后逐渐向后压缩。第三初始缺陷71的存在可防止第二级吸能结构在触发时出现较大的冲击力波动，使第二级吸能结构被平稳触发，前端小横梁4和中间纵梁2相连接，保证第二级吸能结构的整体上的力学稳定。同样地，第四初始缺陷82的存在可防止第三级吸能结构在触发时出现较大的冲击力波动，使第三级吸能结构被平稳触发，后端小横梁5和中间纵梁2相连接，保证第三级吸能结构的整体上的力学稳定。上述的第一初始缺陷31、第二初始缺陷21、第三初始缺陷71和第四初始缺陷82的具体形式为：切去相应梁或吸能管的四个棱，并将切去棱的四个面折为v字型。

进一步地，参见图1和图2，在本实施例中，前端小横梁4位于前端横梁1、边梁3和后端横梁6所围成的四边形内，且前端小横梁4的两端不与边梁3相连接(即前端小横梁4的两端与两根边梁3之间留有间隙)。通过仿真研究发现，前端小横梁4与边梁3不连接的状态一方面可以避免第二级吸能管7和边梁3在压溃时发生干涉，另一方面可以保证边梁3在压缩过程中不会因为前端小横梁4的牵引而向内侧折叠弯曲，使边梁3能够沿边梁3的轴线稳定向后压缩。

在本实施例中，后端小横梁5位于前端横梁1、边梁3和后端横梁6所围成的四边形内，并且后端小横梁5的两端分别与两根边梁3相连接。通过仿真研究发现，后端小横梁5与中间纵梁2及边梁3相连接可使结构更加稳定。

在本实施例中，在前端横梁1的内侧(靠前端小横梁4的一侧)还设置有多个止挡结构9，该止挡结构9的位置与第二级吸能管7的位置正对，止挡结构9的长度与中间纵梁2位于前端小横梁4前方的部分发生有效压缩后的剩余长度相当。由于在第一级吸能过程中，中间纵梁2的有效压缩率并不是百分之百，通过在前端横梁1的内侧安装多个止挡结构9，止挡结构9分别与后面的多个第二级吸能管7位置正对，可以有效触发第二级吸能结构，避免了吸能结构在压缩时发生偏载，保证结构能够整体向后逐级压缩。该止挡结构9采用钢板焊接而成。

具体地，参见图1和图2，在本实施例中，装设在第三级吸能管8内的蜂窝铝81包括第一蜂窝铝811和第二蜂窝铝812；图2中中间纵梁2右侧第一根第三级吸能管8上的不规则圆圈部分示出了第三级吸能管8的内部结构。其中，第一蜂窝铝811装设在第三级吸能管8的靠近后端小横梁5的一端，第二蜂窝铝812装设在第一蜂窝铝811的后方，该第一蜂窝铝811的横截面积小于第二蜂窝铝812的横截面积，并且在第一蜂窝铝811和第二蜂窝铝812之间还设置有一块隔板813。如此设置，通过将第一蜂窝铝811的横截面积设置为小于第二蜂窝铝812的横截面积，保证了蜂窝铝81与第三级吸能管8前端的第四初始缺陷82之间不发生干涉，同时可使第三级吸能结构的最小强度大于第二级吸能结构的最大强度，保证结构能逐级向后压缩；通过在第一蜂窝铝811和第二蜂窝铝812之间设置隔板813，可以保证第一蜂窝铝811在压缩时不会破坏第二蜂窝铝812(第二蜂窝铝812的初始缺陷可导致其压缩时发生偏载)，确保结构能够整体、平稳地向后压缩。

在本实施例中，两根边梁3倾斜设置，前端横梁1、边梁3和后端横梁6围成一个等腰梯形，前端横梁1的长度小于后端横梁6的长度。这样设置，使得该复合式逐级吸能结构整体呈等腰梯形，复合式逐级吸能结构的前端的宽度小于后端的宽度，增加了结构的稳定性和抗偏载性。

具体来说，参见图1和图2，在本实施例中，中间纵梁2的数量为两根，两根中间纵梁2相对于复合式逐级吸能结构的纵向轴线对称设置(参见图2中虚线a)；第二级吸能管7的数量为四根，四根第二级吸能管7相对于复合式逐级吸能结构的纵向轴线对称设置；第三级吸能管8的数量也为四根，四根第三级吸能管8相对于复合式逐级吸能结构的纵向轴线对称设置。如此，可使结构整体受力均衡，提高结构的抗偏载性。

在本实施例中，在后端横梁6的内侧(靠近后端小横梁5的一侧)还设置有一块裙板10，通过设置该裙板10可增加吸能结构与车体的连接强度，保证了吸能结构在垂直方向上的稳定性。前端横梁1和后端横梁6均采用板块结构，而中间纵梁2和边梁3均采用中空方管，更加符合结构轻量化要求，中间纵梁2和边梁3一方面支撑整个吸能结构，另一方面在结构压缩时吸收车体的撞击动能，复合式逐级吸能结构中的各个板梁结构部件通过焊接连接在一起。在后端横梁6上还开设有多个螺栓孔61，可通过穿设在该螺栓孔61内的螺栓将该复合式逐级吸能结构整体安装在轨道车辆的车辆底架上。

本发明的复合式逐级吸能结构，采用逐级压缩的结构形式，使结构在高速冲击时强度较低，随着冲击速度的降低其结构强度随之增高，不仅保证了车辆碰撞时减速过程的稳定性，同时还兼顾了吸能结构的整体吸能量，最大程度的提高了轨道车辆的安全性；通过在各级吸能结构的前端设置初始缺陷，避免了结构在初始触发时出现较大的冲击力波动，使乘客免受较大冲击波的伤害；吸能结构整体呈梯形，提高了结构在水平方向上的稳定性和抗偏载性；通过止挡结构9以及各个部件之间的位置配合，保证了吸能结构工作时能够整体平稳地向后逐渐压缩。本发明的复合式逐级吸能结构不仅可以降低撞击过程对乘员的损伤，而且可以在有限的安装空间内最大可能地提高吸能结构的总体吸能量，对车辆的被动安全保护具有重要意义。本实施例的复合式逐级吸能结构碰撞时的撞击力曲线如图3所示。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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