专利名称：钢轨车辆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种钢轨车辆，是关于沿钢轨行驶的车辆的车体，很适用于由轻合金制的中空型材构成的铁路车体。
铁路车辆是焊接多个部件而构成的。所述冲击吸收部分也同样。
作为接合部件的方法，提案有摩擦搅拌接合，它也适用于铁路车辆。这登载在专利第3014654号(EP0797043A2)中。
根据特开平11-51103号的报告，对部件进行摩擦搅拌处理后，摩擦搅拌处理的部分的金属组织变得微细，能量吸收值变高。
这对于铝合金的中空的挤出材料，进行轮状或螺旋状摩擦搅拌处理，用于汽车的转向用旋转轴。对于冲击能量的方向，在直角方向作摩擦搅拌处理，由该部分吸收冲击能量。另外，使长度短的筒沿冲击能量的方向串联配置，并对部件之间进行摩擦搅拌接合。
由于吸收冲击能量的部分设置在车体上，从确保乘客空间的观点出发冲击能量的吸收部分的长度短些较好。因此，从根本上使存在于车体上的部分作为冲击能量的吸收部分是理想的。
冲击能量的吸收部分，是将多个部件接合构成。因此，对接合部分也会施加有冲击能量。冲击能量的吸收，能够通过部件的皱纹状变形吸收大的能量。但是，焊接的部分对于冲击能量较弱、容易断裂。如果断裂，则部件不呈皱纹状变形，也就不能吸收冲击能量。
本发明的目的在于提供一种能够吸收冲击能量的钢轨车辆。
图2是
图1的车体端部的底架的俯视图。
图3是图1中III-III的截面图。
图4是本发明一实施例的中空型材的制作方法的说明图。
图5是底架的整体结构的俯视图。
图6是图1的底架的端部的立体图。
图7是图6中VII-VII的截面图。
图8是图2中VIII-VIII的截面图。
图9是图2中IX-IX的截面图。
图10是图5中X-X的截面图。
图11是材料的冲击能量的说明图。
图12是材料的应力一应变曲线图。
图13是本发明的其它实施例的中空型材的制作方法的说明图。
图14是本发明的其它实施例的主要部分的截面图。
图中10-侧构架体；20-顶部构架体；30-底架；31-侧梁；35-枕梁；36-中梁；38-部件；39-端梁；A、B、40-中空型材；41、42-面板；43、45-连接板。
车体由构成侧面的侧构架体10、顶部构架体20，和构成地板的底架30等构成。侧构架体10、顶部构架体20、底架30分别是由多个中空型材接合而成。中空型材为轻合金(例如，铝合金)制的挤出型材，使其挤出方向(即，长方向)朝向车体的长方向。使中空型材的宽方向与车体的周边方向并列焊接形成一体。W为窗户。该车体由两个台车支撑。一个车体与相邻的车体由连接器连接。
底架30由地板部分和其两侧的侧梁31以及接合连接器的连接部件构成。地板部分由使挤出方向朝向车体的长方向的多个中空型材40构成。在宽方向的两侧有中空型材的侧梁31。侧梁31很大，其板厚很厚并且坚固。
另外，底架30在长方向的两端的下面有接合将车体相互连接的连接器的连接部件。连接部件由朝向车体的宽方向的枕梁35和从枕梁35设置在车体端部的两个中梁36、36以及设置在中梁36的端部的端梁39构成。两个中梁36、36由部件38连接。中梁36位于车体的宽方向的中央附近。在两个中梁36、36之间设置有连接车体相互间的连接器。由于连接器连接在比部件38更靠近端部侧，所以这部分的中梁36、36的高度很高。这些部件的相互之间由焊接接合。枕梁35的两端焊接在侧梁31、31上。端梁39焊接在多个中空型材40的端部。端梁39的两端焊接在侧梁31的侧面。
构成车体的一对的侧构架体10、顶部构架体20、底架30的长方向两端部的中空型材(图1、图2的斜线部分)B，与车体的中央部的中空型材A的机械性质不同。中空型材B作为材料比中空型材A的材料软，在冲撞时容易毁坏，所以构成为冲击能量的吸收部分。中空型材A、B的截面形状是相同的。所述两端，即设置中空型材的部分B的部分，构成设置驾驶室的驾驶机器(处于比驾驶席更靠前方。)的部分及车体的客房(包括厕所、洗浴室、乘务员室。)。
车体的端部，即配置中空型材B的范围的中梁36和侧梁31，与中空型材B同样，在冲击力下容易毁坏。在该中空型材B范围的中梁36的上面和侧面的板上加工有长孔36b。中梁36其截面为沟道状，在下面没有板。在所述中空型材B范围的侧梁31上，在除了朝向车外的侧面的面板的面板(朝向车内侧的面板)上加工有长孔31b、31c、31d、31e、31f。在车外侧不设置长孔是为了防止外观不良。在露出车外的长孔31e、31f上焊接薄板(图中未示)而封闭长孔。这是为了防止向侧梁31内进水。
构成车体的侧构架体10、顶部构架体20、台架30的各自的中空型材，由长方向的两端部的中空型材B、B和其他的部分(中央部)的中空型材构成。中空型材B的长度，例如为从100mm到1000mm左右。中空型材B比中空型材A要软，中空型材B经退火而变软。
该退火例如是O材料处理。一般地挤出型材在挤出加工后进行各种热处理。挤出型材的材质为A6N01的时候，进行T5的人工时效硬化处理。所述O材料的退火是其后进行的工序。对O材料的退火处理为380℃×2小时，屈服强度为36.8MPa。T5的屈服强度为245MPa。对所述O材料的退火是以作为中空型材的材料变软为目的的工序。中空型材B的延伸比中空型材A大。中空型材B的屈服强度比中空型材A的要小。为了强度和必要的柔软性也可选择O材料以外的退火处理。
作为该热处理，可以考虑如图4所示的把中空型材B以长度切断的状态实施的情况和以长的中空型材的状态实施的情况。在长的中空型材的情况下，在所述热处理后切断成需要用的长度(B、B)。
把这样加工的中空型材A和中空型材B、B分别由氩弧焊接合为W1，构成相当于车体全长的中空型材40。这样将制作的中空型材40如图5所示在宽方向(车体的周方向)并列排列，沿着车体的长方向通过摩擦搅拌接合接合为W2，制作底架30、侧构架体10、顶部构架体20。对底架30的情况，氩弧焊接侧梁31、31和中梁36等的连接部件。另外，图1的中空型材40的数量和图5的中空型材40的数量的不同，是为了使图1简单化而减少了中空型材40的数量。这样构成的底架30、侧构架体10、顶部构架体20，由焊接该端部接合而成为车体。
对该中空型材A和中空型材B、B的焊接构造通过图6、图7进行说明。中空型材40(A、B)如已知的由两个面板41、42和连接该面板41、42的连接板43构成。43被倾斜，倾斜的连接板43、43以构成构架的方式设置。
中空型材A、B的端部呈能够相互嵌合的结构。中空型材A的长方向的端部，通过切削除去面板41、42，突出多个倾斜的连接板43。另一中空型材B除去端部的多个倾斜的连接板43。中空型材A端部的倾斜的连接板43能够进入中空型材B的两个面板41、42之间。以这样相互嵌合的状态使面板41、41(42、42)之间从外部焊接。由于相互嵌合焊接，所以能够防制在对接部产生台阶或折曲，而能够容易地进行焊接作业。
对沿中空型材A(B)和中空型材A(B)的车体的宽方向的接合部通过图10进行说明。一方的中空型材40的端部在面板41、42处由实质上垂直相交的连接板45连接。从面板41(42)和连接板45的连接部在端部侧突出着片46。连接板45的端部侧比面板41、42的外面要凹陷。突出片46位于该凹陷的位置。在该凹部重叠上另一方的中空型材40的面板41、42。两个中空型材的面板41、42对接。具有连接板45的中空型材40的面板41、42的端面(直到凹部的面)实质上在连接板45的板厚中心的延长线上。在对接的中空型材的面板41、42的端部的外面侧，有向中空型材的厚度方向突出的凸部47。凸部47之间也相互对接。
下面说明摩擦搅拌接合。如图10所示，一对中空型材40、40被装在架台100上。下方的凸部47、47被装在架台100上。对接部通过氩弧焊沿长方向临时焊接。以这样的状态，使上方的对接部通过旋转刀具110进行摩擦搅拌接合。旋转刀具110的大直径部的下端位于面板41(42)的外面和凸部47、47的顶部之间。剩下的凸部根据需要作切削除去。如果对上方进行摩擦搅拌接合，则使该中空型材40、40反过来，同样地进行摩擦搅拌接合。
中空型材40与侧梁31的接合部的构成，如图9所示与图10同样，同样进行摩擦搅拌接合。一般地，侧梁作为底架30的一部分接合，然后焊接在侧构架体10上。
在氩弧焊接中空型材A和中空型材B以后，进行摩擦搅拌接合是理想的。
当车辆冲撞到障碍物上的时候，在中空型材B上施加冲击负荷。连接车体和车体的连接器因该冲击而脱落。因此，一方的车体的端部与邻接的车体的端部冲撞。由此，从底架30的端梁39对多个中空型材B、侧梁3 1、中梁36产生冲击作用。另外，在侧构架体10、顶部构架体20上也对端部产生冲击力。
由于在车体的端部有比中央部的中空型材A软的中空型材B，所以在施加冲击的时候，底架30的中空型材B也比中空型材A的一般部分先变形而缓和冲击。由于中空型材B的范围的中梁36、侧梁31也通过长孔容易变形，所以同样产生变形，并容许底架30的中空型材B的变形。另外，由于侧构架体10、10、顶部构架体20也与底架30同样将端部由软的中空型材B构成所以产生变形。
在这里，就中空型材B的冲击力缓和特性进行叙述。施加压缩负荷时，按图11所示的负荷—变形的特性。根据材料的特性，如图12所示，可以考虑拉力强度及屈服强度等的强度高而延伸小的(脆的)材料I，强度低而延伸良好的(柔韧的)材料III，以及具有上述材料I、III的中间特性的材料II。由图11的X(X1、X2)表示的曲线(相当于图12的强度特性I的材料)的材料，虽然屈服负荷大，但超过最大负荷后的耐负荷性急剧下降。另外，强度低延伸大的材料(相当于图12的强度特性III的材料)，如由图11的Y表示的曲线那样，表示出了虽然最大屈服负荷低，但其后的耐负荷性不会急剧地下降的特性。
由Y曲线的例表示的斜线部分的范围，表示了该材料的破坏能量。比较X和Y曲线可知，通过最大屈服负荷后的变形动作，具有勉勉强强的强度但延伸良好的材料(这里是Y曲线的材料)破坏能量高。以具有这样的强度特性Y的材料作为缓冲部件B来选择是重要的。Y曲线的材料，对挤出型材例如通过O材料处理而可容易地得到。
对于X曲线的情况，由于材料的强度高而延伸小，所以不能够随着部件截面内的应力的非平衡而延伸，会部分地产生破坏及耐负荷性急剧地下降。另外，对于Y曲线的情况，部件的最大屈服负荷比X曲线的情况的差，但由于材料的延伸大，对于截面内的应力的不同而能够产生部分地塑性变形(能够跟随延伸)，作为整体不会有急剧的耐负荷性的降低，能够边维持某种程度的耐负荷性边产生大的变形。
因此，在车体的端部施加冲击时，中空型材B比中空型材A的一般部分先变形并毁坏，能够缓和施加于车体的冲击。中空型材变形为皱纹状。进而，由于由中空型材B构成部件，所以与一般的薄板构造比较，其面内弯曲刚性和面外弯曲刚性高，而且由于是由两片面板和倾斜材料组成的复合构造，对于压缩负荷也有吸收破坏能量特性高的(每单位面积的)效果。
多个中空型材B、B之间，沿施加冲击的车体的长方向、通过摩擦搅拌接合进行接合。当该接合为氩弧焊接的时候，焊接部断裂、产生皱纹状的变形困难，能量吸收特性下降。这可以理解为由于在氩弧焊接的时候、焊接部的冲击值与母材料的冲击值相比较大大下降的缘故。但是，摩擦搅拌接合部的冲击值与氩弧焊接的焊接部比较要高，接合部不会断裂。这可以理解为通过摩擦搅拌接合的接合部的金属组织变得微细、可以吸收的能量值变高的缘故。因此，在摩擦搅拌接合时，各个中空型材能够如规定变形并吸收冲击能量。
对中梁36、侧梁31的端部也可以通过如所述中空型材B那样的热处理而变柔软。这时，端部和中央部，也可以对一个部件由焊接而形成一体。中空型材的情况如前所述相互嵌合。
在上述实施例中，从中空型材的两面进行摩擦搅拌接合，但如所述专利第3014654号(EP0797043A2)的图9那样，从中空型材的一方的面与另一方的面板互相接合，然后对所述一方的面板之间通过连接材料能够互相接合起来。
下面说明图13的实施例。在跨车体的全长的中空型材中，不进行分离中空型材的加工。在长的中空型材的两端部，对所用的长度的部分中空型材B、B按其原长进行热处理(退火)。作为这种热处理的方法，可以考虑在加热炉中部分地进行的情况和进行高频淬火那样部分地加热成为具有需要的特性的中空型材的情况等。这样，构成车体全长的中空型材后，接合多个的中空型材而制作底架。
在上述实施例中，使底架、侧构架体、顶部构架体为同一长度，但把先头车前头部分的车体的相对下部向前方突出地设置，对该突出部的地面部能够由所述中空型材B构成。该地面部构成底架的端部，该突出部的地面部上方即使有空间、也可以作为驾驶用机器的设置空间。
下面说明图14的实施例。该实施例是在冲撞以后可容易地进行车体的端部的交换的结构。在中空型材A、B的端部氩弧焊接有凸肩61、61。凸肩61向车内侧突出。由螺栓螺母连接凸肩61、61。
另外，在对中空型材不做退火加工的时候，部分地除去与面板和构架状的连接材料的连接部，使通过冲击负荷容易变形。通过从面板的外面侧的切削除去所述连接部。另外，能够对于退火材料进行除去所述连接部的作业。另外，虽然可由中空型材构成车体，但也能够由适当的薄板和骨架部件构成。
本发明的技术范围不限于在专利要求范围的各要求项中记述的文字或者解决课题的方法项中记述的文字，并且也涉及本领域的技术人员由此可容易置换的范围。
本发明，至少在底架中，由于对沿车体的长方向的部件相互之间通过摩擦搅拌接合而进行接合，所以在发生冲撞事故时接合部不断裂，能够吸收冲击力并能确保安全。
权利要求
1.一种钢轨车辆，其特征在于在车体的长方向的端部有冲击能量吸收部件，该冲击能量吸收部件是通过冲击能量而产生皱纹状变形来吸收冲击能量的部件，该冲击能量吸收部件是将多个部件接合而成的部件，所述多个部件是沿着所述车体的长方向设置，所述多个部件相互之间通过摩擦搅拌接合的方法接合。
2.根据权利要求1所述的钢轨车辆，其特征在于所述冲击能量吸收部件是构成所述车体的底架的一部分。
3.根据权利要求1所述的钢轨车辆，其特征在于所述冲击能量吸收部件，构成所述车体的底架和侧构架体、顶部构架体的各自的所述车体的端部。
4.根据权利要求1所述的钢轨车辆，其特征在于所述冲击能量吸收部件由多个中空型材构成，该中空型材是挤出型材，该挤出型材的挤出方向沿着车体的长方向，使所述多个挤出型材互相之间沿着所述摩擦搅拌接合方向接合。
5.根据权利要求4所述的钢轨车辆，其特征在于所述多个中空型材是构成所述车体的底架的一部分。
6.根据权利要求4所述的钢轨车辆，其特征在于所述多个中空型材构成所述车体的底架和侧构架体、顶部构架体的各自的所述车体的端部。
7.根据权利要求4所述的钢轨车辆，其特征在于所述多个中空型材由退火材料构成。
全文摘要
本发明提供一种够吸收冲击能量的钢轨车辆。在由中空型材(40)构成的钢轨车辆的车体中，构成底架(30)的端部的中空型材(40)是使用经退火处理的中空型材。使中空型材(40)的长方向为车体的长方向。底架(30)由多个中空型材(40)在宽方向并排排列、并通过摩擦搅拌接合方法接合构成。当施加冲击负荷时，端部的中空型材(40)呈皱纹状地变形，吸收冲击力。这时，对摩擦搅拌接合部也施加冲击力，但由于是摩擦搅拌接合，所以不发生龟裂，不阻碍中空型材产生皱纹状的变形。
文档编号B61D15/06GK1410305SQ0214151
公开日2003年4月16日 申请日期2002年8月30日 优先权日2001年9月25日
发明者中村英之, 奥野澄生, 牧野俊昭, 佐川年旦 申请人:株式会社日立制作所