具有导向装置的可变形元件的制作方法

专利名称：具有导向装置的可变形元件的制作方法
技术领域：
本发明的内容为车辆(特别是轨道车辆)的可变形元件的改良，包括一个以管 状箱盒形式特别是具有一多边形横截面的成型件部分，置于两个端板之间用于当发 生纵向的压縮时通过塑料变形消散冲击能量，并且还包括一个设置成与该成型件部 分的纵向轴平行的导向元件，此导向元件稳固地连接至远离车辆的端板，并可通过 面向车辆的端板内的一个贯通开口移位。
背景技术：
此类可变形元件，用英语术语来说也可叫做防撞元件，尤其应用于车辆生产(如 轨道车辆生产，卡车生产等)以作为在碰撞时控制能量消减。它们为众所周知的车 辆的吸撞缓冲区的构件，而本文所述发明尤其关注的的是轨道车辆。然而，它们也 可用于机动车(例如小汽车)等。出于经济和安全的原因，吸撞缓冲区通常设置在轨道车辆的两端。 一方面，可 防止或减少车辆的损坏，另一方面当发生事故时可对乘客提供更好的保护。发生于 轨道车辆的事故经常都与车厢的前后端这些部分直接相关，因大部分事故都是两列 火车首尾部碰撞或与其他交通使用者或障碍物的正面碰撞(假如火车包含一组连在 一起的车厢时，事故可导致个别车厢的尾部碰撞)。按照现有技术，为了保护轨道车辆，在其前端并通常也在尾端安装有在足够强 的外力下能够压縮并折叠的管状可变形元件。通过这种方式， 一些施加在车辆上的 动能会消耗在可变形元件的变形上。动能消散的结果是，施加在轨道车辆的其余部 分的压力也减少了，从而保护了乘客区。在此所述的此类可变形元件，轴向压縮成型件的塑料变形特征在碰撞("撞车")时的能量消散发挥作用。此类可变形元件的实施例在WO 01/606 AI和US 4， 492， 291 也有描述过，其中一个理想的防撞过程是利用辅助部件设计特点例如孔洞或折叠。为了优化防撞过程，可变形元件也可设成多孔眼的横截面或包含多组构件。一 般这些措施以最大可能的能量吸收来善用材料，以提高在一个指定安装空间的压縮 力的量值，或通过成型件壁的更细碎的波状弯曲以达至更均匀的压縮力。例如， 一个按照EP 1 398 224 Al所述的"防撞盒"，包含一个中空段和一 个内段，该内段以可移位的方式安装在中空段中，并具有向外中空段的内表面延伸
的臂杆以减少压縮，同时该臂杆的末端装有弹性材料，比如，硬泡沫材料，并接触 到该中空段的内表面。该臂杆提升了防撞盒的刚度，并也会在轴向受压过程中塑料 变形。或者，为了让设计出来的防撞盒有多个力台或可引发弯曲动作，该内段可制 成比外防撞成型件短。其他优化轴向压縮防撞盒的可行方法包括以泡沫材料(如pu泡沫，铝泡沫等)填充整个或部分的成型件、使用多孔的成型件等。然而，具有小截面尺寸并且没有或仅有不合适的横向导引(例如，尾部安装的"独立式"可变形元件而不是与车厢主体结构结合的元件)的这些元件对偏心力反 应极敏感，这可导致成型件向横岔开或整个折叠而使能量消耗大大地减少。此外， 端板的变形导致碰撞关联方有"上爬"或横向滑落的趋向。利用标准横向缓冲器，用来吸收过量的缓冲器撞击的变形体辅助部件常置于缓 冲器元件尾部的缓冲器支托上，以通过塑料变形减少能量。由于现存的缓冲器的安 装长度，在这样的结构中变形元件可以一活塞的方式完全安装于导向套筒、凹盒或 类似物内，然后可防止在整个受压过程中的横向移动。DE 17 43 253 Ul描述了作为缓冲器支托的构件的一个中空圆柱状的变形元件， 其包含一个基板和一个撞击板，且其活动由导向套筒引导。该导向套筒阻止撞击板 的横向岔开，但不可阻止变形元件的折叠或撞击板的变形。DE 12 79 709 B描述了一个带有尾部安装变形体的缓冲器，其包含一组与纵 向轴平行的空管段，并带有一个为缓冲器而设的导向活塞形式的纵向导向辅助部 件，其固定在缓冲器侧(即前部)的端板上并在导管中被引导至该变形体的尾部。 这变形体也在在凹盒中被引导。纵向导板的导向活塞并非不接触地安装在该导向管 内，因而不能吸收当缓冲器与凹盒内的导向装置偏心碰撞时所产生的扭矩。因而， 这种方法仅适用于在外壳(凹盒)内安装的变形体。DE 297 22 844 Ul描述了一个相似的概念，即一个撞击吸收装置具有一中心 装置和一变形管，在其内有一个张力元件，通过它来影响变形管的预拉伸力和释放 能量。该张力元件能减少或阻止撞击板在受压过程中的变形。然而，导向装置固定 该撞击板以阻止其横向移动是必须通过提供一些辅助部件结构来配置，并且因而需 要一个凹盒， 一个导向套筒，或类似物。在不具有前部安装的标准缓冲器的独立式可变形元件中，如那些已应用于例如具有中心缓冲耦合器或与防攀爬装置结合的轨道车辆，该些远离车辆的撞击板，通 常造型为肋片状的防攀爬板，彼此直接相撞。变形元件通常直接置于防攀爬板的尾 部。出于这个原因，凹盒或类似物内的引导基本上是很有限的，因为该变形元件潜 在的压縮距离不可被充分利用。为了即使在偏心压力时亦可确保此类独立式吸撞成型件的轴向压縮，众所周知 的解决方法，包括用于吸收剪切力和扭矩的辅助部件结构，以及一个伸縮元件，其 包括精确匹配的能互相滑入对方的一些空管。然而一般说来，上述减少压縮距离的 解决办法二者都有利于能量消散，并且需要一个精心的设计。此外，在轴向滑动导向装置中，例如一个伸縮元件，当偏心压力产生时强烈的 夹紧力一般会在支点局部产生，该夹紧力一方面需要一个牢固的连接结构，并且另 一方面，在撞击的方向上产生强烈的第二滑动摩擦力，在某些情况下这可对车辆的 防撞特性有不良影响。其他建议的解决办法利用到广泛的防撞面积，仅在如下情况下是可能的，即如 果有足够的安装空间或防撞元件具有特别的几何外形，比如可在防撞成型件内装有 一个圆锥状的元件或一些横向的隔板以稳定防撞过程。然而后者仅适合于当碰撞关 联方不是过分地偏离定线，且它们对防止接触表面倾斜起很小的作用(以至于潜在 的不良的上爬或横向滑落的趋向仍存在)。发明内容因而本发明的目标是改进一个管状的、独立式的可变形的元件，这样甚至当发 生偏心碰撞时也可以确保吸撞构件的轴向压縮，从而克服已知的现有技术方法的缺 点。基于一个可变形元件，其以管状箱盒(特别是具有多边形横截面)的形式，具 有一个置于两个端板之间的成型件部分，并具有一个平行于吸撞成型件的导向元 件，该元件牢固地连接该吸撞成型件的前端板(即面向碰撞关联方的端板)，并可 通过一个在尾部端板内的贯通开口移位(即面向车辆自身的端板)，这个目标通过 下列方式来实现，即该贯通开口的设计许可该导向元件在纵向非接触地移动和该导 向元件相对于纵向的横向倾斜。如果导向元件置于吸撞成型件内则更具有特别的优 势。通过使用本发明的解决方法可以简单地避免成型件部分或整个可变形元件不 必要的横向岔开(特别是折叠)。在吸撞成型件内装置导向元件不会改变整个可变 形元件的有效尺寸。并且，导向元件的存在亦不会减少成型件部分的最大压縮距离。应该注意的是，上述的导向元件和贯通开口明显涉及该些构件在未变形情况下 的彼此位置关系，以及必须考虑(或预料)当发生偏心碰撞时导向元件在防撞过程 中将(滑动)接触贯通开口内的端板。为了实现导向元件在不会对成型件部分的吸撞特性产生不良影响下的移位，建 议将该两个构件的横截面的设计应配合而使导向元件不会阻碍该成型件部分折叠。 这是可以达成的，尤其是指该导向元件的横截面离开预期该成型件部分的塑料会 变形的区域。
如果导向元件与贯通开口排成直线更好。特别是该导向元件在吸撞成型件的未 变形状态下可不接触地突入、通过或进入该贯通开口。以十字形成型件作为导向元件的实施例，以许可在两横向的方向偏心压力抵 消。然而，导向机构的功能也通过除圆柱形、长方形、正方形、H形等以外的其他 横截面外形的导向成型件实现。本发明特别适用于车辆，特别是轨道车辆，其具有至少一个本发明的置于车辆 的末端吸撞缓冲区的可变形元件。下列情况下更为有利，即如果轨道车辆具有至少两个有不同刚度值(即不同的 碰撞力量值)的可变形元件，且如果该元件在车辆的横向上间隔布置。本发明具有其他优点，以下和附图一起参照非限制性的实施例进行详尽的解释，其中


图l:展示按实施例的一个可变形元件； 图2:展示在分解图中的该变形元件的构件；图3:展示两个完全相同的可变形元件在恒量高度偏移的碰撞中的各个压縮阶段；图4:展示两个完全相同的不具有导向元件的可变形元件在恒量高度偏移的碰 撞中的各个压縮阶段；图5:展示轨道车辆上的可变形元件的安装； 图6:展示图5中的V区的俯视图；图7至9:每张图都为沿如图6的A-A线的一段，所示为两辆具有完全相同的 可变形元件的车辆在高度偏移的碰撞时变形的各个阶段；且图10至13:每张图都为沿如图6的A-A线的一段，所示为两辆具有类似设计 的可变形元件的车辆在高度偏移的碰撞中而变形的各个阶段，其中两个有不同刚度 值的可变形元件每个都设置在互相碰撞车辆的前端。
具体实施方式
此实施例关于一个用于地铁车厢的可变形元件。在本实施例中，车厢耦合器应 能吸收相当于高达15km/h的速度差值的冲击。此外，可置换的元件应能吸收按本 发明的可变形元件所设计的冲击能。如图4和5所示(所示为两个此类车厢WG在 碰撞运动中的一个例子)该些元件置于车厢WG末端的吸撞缓冲区内，在车厢主体 的外框上。参见图1， 一个可变形元件KE具有一个成型件部分CR("吸撞成型件"或"防
撞成型件")和两个在末端的端板AC、 AP ，端板将会承受冲击负荷。从图2的分 解图可以看出，该防撞成型件CR为一基本方形设计。此外，它具有一个多孔的横 截面，其中方形小孔沿拐角延伸，留下一个在中心的十字形的自由空间ZF 。此实 施例的防撞成型件的外部尺寸为280 x 280 x 467腿，壁厚度为3. 9腿。一般来说，该防撞成型件具有一个(如适用，组装的)具有一多边形横截面的 管状箱盒；从而除了长方形或正方形以外，六边形或八边形的基本外形尤其重要。 此实施例的可变形元件KE的所有构件均由铝制成，但是也可以使用其他材料，尤 其是钢。一个端板AP作为基板来把可变形元件KE紧固(例如通过螺栓拧紧)在车厢主 体上。该端板为比如400 x 400 mm大小并且厚度为35mm。另一个远离车辆的端板 AC，设置成一个防攀爬板，比如边长300mm的正方形。防攀爬装置是众所周知的， 它们的功能为防止碰撞车辆之一相对于另一车辆向上岔开。为此目的，在本实施例 中设置一些高度为20 mm的肋板于该防攀爬板AC上。板AC (包括肋板)的整个厚 度为40mm 。按照本发明，用于吸收由于偏心压力而在该可变形元件KE上产生的剪切力和 扭矩的辅助部件成型件ra被置于该防撞成型件CR内，该辅助部件成型件为通过例 如焊接牢固地连接至前板AC。辅助部件成型件FH作为用于本发明的一个导向元件， 如本实施例所示，它比实际防撞成型件CR较长，并在防撞成型件CR中通过一个在 连接结构内的贯通孔DL突出来，该结构由端板AP和车厢(车厢外框)的支托构 件组成。由于偏心负荷的关系，除了吸收正常的力量(在可变形元件KE的纵向)之外， 亦必须吸收剪切力，塑料变形防撞成型件CR—般仅可吸收小部分的剪切力。如没 有预防措施的话，防撞元件就有横向岔开或者全部折叠的危险。由于导向成型件立 即与贯通孔的一侧接触，导向成型件FH牢固地连接到前板AC，与第二可变形元件 相互作用，以防止整个列车岔开。由于偏移而产生的剪切力因而可大量地被导向成 型件吸收。由于单侧接触而产生的滑动摩擦力与防撞成型件面内的纵向的推力相比 一般是次要的，因此防撞元件KE相对地保持不受撞击的偏心率影响，并主要为轴 向压縮，因而确保了防撞成型件CR的主要功能。由于贯通孔DL设有相当大的空隙，这可防止在连接结构(特别是板AP)内的 导向成型件ra的潜在变形或堵塞。因而在中心力撞击时，支托结构和导向成型件 之间全无接触，且导向成型件在受压过程中自由移位到尾部(没有消耗能量)而没有影响防撞成型件CR的塌陷。即使是偏心力，该导向成型件ra移位但没有扭转或堵塞。然而，它阻止了正在塌陷的防撞成型件CR由于与基板AP接触而致的不良的 横向岔开。
在所示实施例中，导向成型件ra以坚固的35mm厚的壁构建而成，以便于确保 内在的稳定性和确保导向成型件FH与前板AC可靠的焊接。导向成型件的十字外形 导致沿其两横向的方向(水平和垂直向)可靠的导向，而在生产上和材料上的花费都是很小的，特别是在此使用的防撞成型件，其中心自由空间同样为十字形横截面。 其他适合的横截面例子为圆形、正方形或长方形，及旋转十字形(圣安德鲁十字， 即X形)。如果在一个方向仅一个导向元件就足够的话，可使用一个扁平的成型件， 一个H成型件，或类似形状。在选择一个合适的横截面时，应考虑避免损害防撞成 型件的压縮特性(亦同时维持导向元件理想的导向特质)。图3以参照当严重失配时，如100mm垂直偏移(具有高度280mm的防撞成型件) 的受压过程来表明了本发明的实用性。三张附图表明了碰撞的三个阶段，即图3a 的初始阶段(防攀爬板刚接触)，图3b的开始压縮阶段，和图3c的最后阶段(几 乎完全压縮)。图3a至3c为一有限元模拟(finite element simulation)的结 果和表示了沿(最初的)防撞成型件一侧的垂直面的剖面图。从图3b可看出，防 攀爬板AC的变形出现于偏心力的碰撞过程较早的阶段。由于本发明，导向成型件 FH通过在端板AC的贯通孔的接触而防止了更显著的变形，因而变形较小。即使具 有进一步的压縮，防撞成型件实质上轴向压縮(图3c) —不管其严重的垂直偏移。 由偏移产生的扭矩和剪切力主要被导向成型件FH吸收，从而偏离防撞成型件。此 类较小变形的结果是，不会引起车辆的攀爬趋向，否则尽管具有前板AC的防攀爬 装置，仍会引起攀爬趋向并导致攀爬。此外，如没有本发明的导向元件，防撞成型 件将沿横向弯曲。图4a至4c展示涉及一个有限元模拟(finite element simulation)的不具有导向装置的防撞元件的失败的例子，此类情况从现有技术可 知。如图3所示，即使在严重失配的情况下，亦可实现本发明的可变形元件的正常 操作。导向成型件FH吸收了在有偏移的碰撞中产生的扭矩和剪切力的相当部分， 此外它还防止了防攀爬板AC的严重变形。防撞成型件CR因而得以充分轴向压縮， 并且即使在严重失配时它仍维持其全部功能。本发明的重大优点包括一个简单和廉价的结构以及只需要细小的安装空间，并 且该装置可即时替换。制造时的精确性要求不高。并且，本发明的解决方法可避免 减少防撞成型件CR的最大压縮距离。此外，导向成型件的实施例，如一个十字形 成型件可容许由失配而致的力和扭矩在不同方向(即垂直和水平方向)偏离。应注意的是，本发明的可变形元件要求在基板AC的尾部有一定的空间，当发生压縮时，可让导向元件ra滑进基板AC尾部。然而，这通常不成问题。上述建议的解决方案尤其可有利地应用于轨道车辆上，其中防撞成型件通常具有足够的安装 高度(以供导向成型件所需的空间)，并且通常有足够的空间以滑动的方式通过防
撞元件的尾部。
至此所述的实施例是基于这样的假设两个端板AP (或于此牢固地连接至车 厢主体)沿压縮方向没有相对的横向移位，即偏移在碰撞过程中保持不变。如果我 们不忽略在碰撞过程中的车辆之间的移位，如下所述的限制相对移位或吸收因此而 产生的剪切力的额外的措施是可行的。我们已假设了车辆之间相对于另一方的垂直 失配或垂直移位而没有限制本发明的大体想法。
图6所示为两节车辆(在此展示的是轨道车辆)的末端，每个该末端都具有 本发明的两个可变形元件。KE1， KE2代表两节车辆的第一节车辆的可变形元件， KE1'和KE2'代表第二节车辆的可变形元件。该第一节车辆的两个可变形元件KE1 和KE2沿车辆的横向间隔布置。同样的情况适用于第二节车辆的可变形元件KE1' 和KE2，。如果该可变形元件KE1、 KE2、 KE1'、 KE2'在设计上是一样的(即如果 它们具有同样的刚度值)，直到导向装置堵塞，两节此类的车辆碰撞时的车厢主体 垂直移位才可被该可变形元件KE1、 KE2、 KE1'、 KE2'限制。如果导向装置不是 设计为吸收所产生的通常都是极度的夹紧力或扭矩，就具有这样的危险发生于导 向滑动轴承不必的损毁以致滑动装置有机会被堵塞。表达式KE1 = KE2 = KE1'= KE2，适用于如图7至9所示的该变形元件KE1、 KE2、 KE1， 、 KE2'的吸撞力。
为了最有效地限制相撞的两车辆的相对垂直偏移，本发明的车辆前端具有两个 有不同刚度值的本发明的可变形元件KE1、KE2或KE1'、 KE2'。表达式KE1 = KE1'， KE2 = KE2'和KE1〈KE2， KE1' 〈KE2，适用于如图10至13所示的该可变形元件KE1、 KE2、 KE1'、 KE2'的吸撞力。
例如，左边的可变形元件KE2、 KE2，相对于第一或第二节车辆的行驶方向比 右边的可变形元件KE1、 KE1'相对于相应的车辆的行驶方向可具有较高的刚度值。
更耐用的可变形元件KE2、 KE2，能以比如750 kN施加的力度塌陷，较不耐用 的可变形元件KE1、 KE1'则具有比如500 kN的吸撞力。现在当两相似构建的车 辆(比如两轨道机车)碰撞时，第一节车辆的较耐用的可变形元件KE2碰撞第二节 轨道车辆的较不耐用的可变形元件KE1'，而较耐用的可变形元件KE2'碰撞较不 耐用的可变形元件KE1。通过使用具有不同吸撞力的可变形元件KE1、 KE2、 KE1'、 KE2'，可变形元件KE1、 KE2、KE1'、 KE2'的碰撞反应和轴向压縮是相继而不 是同时发生的。较耐用的而初始时是未折皱的可变形元件KE2，、 KE2'控制了较不 耐用并正承受变形的可变形元件KE1， KE1'的垂直导向。同样地，导向装置大量 吸收在较不耐用的可变形元件KE1、 KE1'内的垂直压力。 一旦较不耐用的可变形 元件KE1、 KE1，完全压縮，其他具有较高负荷等级的可变形元件KE2、 KE2'才开 始压縮。该些第一完全压縮的可变形元件KE1、 KE1'现在接管了垂直导向。
更耐用的可变形元件KE2、 KE2'总是防止与之接触的肋板AC的变形。较不耐
用的可变形元件KE1、 KE1'同样通过此类防变形装置来防止变形。两车厢主体的 垂直移动因而互相锁住另一方，因此可正确地吸收所产生的垂直压力。因此可最佳 地吸收从垂直移动所产生的垂直压力，并且可有效地防止两车厢主体的攀爬。这种非常简单的将具有不同的刚度值的可变形元件KE1、 KE2、 KE1' 、 KE2'的辅助部件置入在车辆的吸撞缓冲区的方法可精确地改良带有导向装置的非整合 变形元件车辆的防撞特性。这种解决方法适合于弥补在轨道车辆的碰撞过程中发生的潜在的偏心率并限 制车辆之间相对的移位，并能够实现未来的碰撞要求和轨道车辆的易于维修的需要。
权利要求
1. 一个用于车辆特别是轨道车辆的可变形元件，其包括置于两端板(AC， AP) 之间的一成型件部分(CR)，并具有一个管状箱盒特别是具有一多边形横截面的管 状箱盒，其可在发生纵向压縮时通过塑料变形消散冲击能量，并包括一个设置成 与该成型件部分(CR)的纵向平行的导向元件(FH)，此导向元件固定于远离车辆 的端板(AC)上并可通过面向车辆的端板(AP)内的一贯通开口 (DL)移位，其特 点为面向车辆的端板(AP)内的该贯通开口 (DL)的形状许可该导向元件(FH) 沿纵向不接触地滑动以及该导向元件相对于纵向的横向倾斜。
2. 如权利要求1所述的可变形元件，其特点为该导向元件(FH)置于该成型件 部分(CR)内。
3. 如权利要求1或2所述的可变形元件，其特点为该导向元件(FH)和该成型 件部分(CR)的横截面的形状造型为致使该成型件部分折叠时不会被该导向元件阻 碍。
4. 如权利要求1至2任一项所述的可变形元件，其特点为该导向元件(FH)与 该贯通开口 (DL)成一条直线。
5. 如权利要求4所述的可变形元件，其特点为该导向元件(FH)延伸通过该通 道(DL)而没有与其接触。
6. 如权利要求1至5任一项所述的可变形元件，其特点为该导向元件(FH)具 有一个十字形的横截面。
7. —辆车，特别是轨道车辆，其包括之前所述至少其中一项的权利要求的一个 可变形元件，其置于位于车辆末端的吸撞缓冲区的地带。
8. 如权利要求7所述的车辆，特别是轨道车辆，其特点为其展示了具有不同刚 度值的至少两个可变形元件(KE1， KE2)。
9. 如权利要求8所述的车辆，特别是轨道车辆，其特点为该两个可变形元件 (KE1， KE2)是沿车辆的横向间隔布置的。
全文摘要
一个用于车辆特别是轨道车辆的可变形元件，其包括置于两端板(AC，AP)之间的一成型件部分(CR)，并具有一个管状箱盒特别是具有一多边形横截面的管状箱盒，其可在发生纵向压缩时通过塑料变形消散冲击能量，并包括一个设置成与该成型件部分(CR)的纵向平行的导向元件(FH)，此导向元件固定于远离车辆的端板(AC)上并可通过面向车辆的端板(AP)内的一贯通开口(DL)滑动，其中面向车辆的端板(AP)内的一贯通开口(DL)的形状许可该导向元件(FH)沿纵向不接触地滑动以及该导向元件相对于纵向的横向倾斜。
文档编号B60R19/34GK101124113SQ200580029742
公开日2008年2月13日 申请日期2005年8月25日 优先权日2004年9月3日
发明者安德烈斯·里顿守博, 汉斯卓格·培叶, 理查德·格拉夫, 马库斯·赛茨伯格 申请人:西门子运输系统有限公司