U型胶囊凹凸耦合式外风挡及轨道车辆

技术领域

本发明涉及轨道车辆技术领域，尤其涉及轨道车辆的U型胶囊凹凸耦合式外风挡。本发明还涉及设有所述U型胶囊凹凸耦合式外风挡的轨道车辆。

背景技术

高速列车橡胶外风挡结构作为高速列车重要组成部件，安装于两车厢端部连接处，使得车体表面光顺平滑，为高速列车减阻降噪发挥了重要的作用。并且，橡胶外风挡具有较好的柔性变形能力，能够为列车通过曲线时提供两车车厢之间位移量。

日本、法国和德国等国家对于外风挡的应用相对较早，而我国外风挡结构发展速度迅猛，从高速动车组CRH1的独立裙板式结构的橡胶外风挡到如今的中国标准动车组全包式橡胶外风挡结构，其结构的可靠性及适用性得到了稳定发展，并且外风挡所用的橡胶材料性能得到极大幅度的提高。

目前，国内外高速列车外风挡主要以U型胶囊式橡胶外风挡结构为主，常见结构形式还有裙板型外风挡、全包式外风挡、波纹式外风挡和隔音外风挡等。

例如，CN 111114567 A公开的一种动车风挡用橡胶结构，其动车风挡用橡胶结构，整体为具有中空内腔的环形，环形的位于左右两侧边的中空内腔的横截面包括：连接部，用于与车厢连接；支撑面，具有相对设置的两面，用于分别与连接部的两端连接；接触面，与所述支撑面连接，其外表面为S形。

又例如，CN 110435691 A公开的一种具有波浪形密封面的轨道车辆外风挡，利用车端对置的双波峰风挡胶囊形成的预压缩双重密封，或利用对置的单波峰嵌入到双波峰中形成的预压缩双重密封，相比普通结构的风挡胶囊密封性更好，提高了外风挡的气密性。

由于列车运行速度的不断提高，使得外风挡受到的气动载荷作用越来越复杂，并且由于空气动力作用导致的高速列车外风挡气动响应问题日益突显，安装于轨道车辆车体端墙两侧的外风挡主要采用橡胶材料，尽管可以实现风挡的基本功能，但存在以下几个方面有待改进和提升：

首先，在相同的工作环境下，其强度、刚度以及耐疲劳性能远低于金属材料。列车高速运行时，气动载荷作用下橡胶外风挡结构容易产生变形，而当气动载荷的激励频率接近结构固有频率时容易引起共振现象，加剧结构的振动，其使用寿命较低。在已有研究中，CRH1型动车组独立裙板式橡胶外风挡结构在使用的过程中存在气动响应问题，当列车运行速度到达200km/h以上时，橡胶外风挡出现沿垂直车体表面方向的外翻，严重时的外翻程度与车体表面呈现45°的夹角，由于独立裙板式结构外风挡不断的外翻屈挠，甚至出现断裂现象。同样，在日本FASTECH360S动车组外风挡优化研究的过程中也出现由风压载荷引起的此类问题，当列车运行速度达到300km/h以上时外风挡出现上翘现象。

其次，由于外风挡安装位置的特殊性，气动载荷作用下导致其结构变形及振动使得车厢端部连接处的气动力分布不均匀，严重影响列车运行稳定性以及外风挡结构安全性。

再者，当外风挡出现较大外翻屈挠，两车体之间形成较大间隙，导致车体车端连接不连续，存在一定的行车阻力，影响车辆运行的动力学性能。更主要是车体外风挡间隙增大，风挡振颤加快，气动载荷产生的巨大噪音经间隙传入客车室，影响乘客舒适性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种U型胶囊凹凸耦合式外风挡。该外风挡能够实现相邻车体端墙的平顺连接，提高外风挡侧向变形刚度，减少风挡振动，减小车辆行车阻力，降低客车室噪音，提高产品使用寿命。

本发明的另一目的在于提供一种设有所述U型胶囊凹凸耦合式外风挡的轨道车辆。

为实现上述目的，本发明提供一种U型胶囊凹凸耦合式外风挡，包括用于设置在相邻车体端部之间的前风挡和后风挡，以及用于分别固定在相邻车体端部的前安装座和后安装座，所述前风挡连接于所述前安装座，所述后风挡连接于所述后安装座，所述前风挡和后风挡的横截面呈U型胶囊形状，所述前风挡和后风挡的U型胶囊形状均具有左右对称的直壁部分和位于直壁部分顶部之间的弧形部分，所述直壁部分包括厚度逐渐减小的底部、厚度不变的中部和侧厚从内侧度逐渐减小的顶部，所述前风挡的弧形部分包括第一弧形前端和弧形凸台段，所述后风挡的弧形部分包括第二弧形前端和弧形凹台段；所述前风挡的弧形凸台段与后风挡的弧形凹台段以凹凸耦合的方式相接触。

优选地，所述前风挡和后风挡围绕车体端墙的四周环形设置，两者的外轮廓型面与车体端墙的型面相一致且在转角处圆滑过渡。

优选地，所述前风挡和后风挡的U型胶囊形状的各部位具有不同的刚度和硬度；所述前风挡的直壁部分和弧形凸台段的刚度大于其第一弧形前端的刚度，所述前风挡的直壁部分的硬度大于第一弧形前端和弧形凸台段的硬度；所述后风挡的直壁部分和弧形凹台段的刚度大于其第二弧形前端的刚度，所述后风挡的直壁部分的硬度大于第二弧形前端和弧形凹台段的硬度。

优选地，所述直壁部分的中部为均等厚度，其厚度为12mm～24mm；所述直壁部分的顶部从内侧面逐渐减薄至6mm～12mm，且外侧面始终为整体平面；所述第一弧形前端和第二弧形前端的厚度为6mm～12mm，其外侧面与直壁面相切，内侧面与直壁部分的顶部光滑过渡。

优选地，所述弧形凸台段和弧形凹台段的厚度分别与第一弧形前端和第二弧形前端的厚度一致，其圆弧半径为所述第一弧形前端和第二弧形前端圆弧半径的1/3～2/3。

优选地，所述弧形凸台段和弧形凹台段在其厚度方向的中心位置内嵌有半圆形加强环。

优选地，所述前风挡和后风挡的直壁部分的底部安装段呈等腰梯形。

优选地，所述前风挡与前安装座、所述后风挡与后安装座分别通过风挡底端的等腰梯形安装段与安装座上倒置的等腰梯形安装槽配合形成移动副，所述安装段依次逐步穿过所述安装槽实现与安装座的连接。

优选地，所述前安装座和后安装座分别沿车体端墙外轮廓环形分布，包括四个直线段和四个弧线段，每段安装座底端面上设有螺栓孔，通过螺栓与车体端墙连接。

优选地，所述前风挡和后风挡绕车体外轮廓为一整条，有且仅有一道接缝。

优选地，所述前风挡和后风挡的接缝位置均位于安装座底端直线段边缘处，且所述前风挡和后风挡的接缝相互错位，分别位于左右两侧。

为实现上述又一目的，本发明提供一种轨道车辆，包括首尾依次相接的多节车体，所述车体的端部之间设有风挡，所述风挡为上述任一项技术方案所述的U型胶囊凹凸耦合式外风挡。

本发明在使用时安装在车辆相邻车体的两端之间，当各车体连挂编组后，相邻车体的外风挡弧形凸台段与弧形凹台段会自动嵌入配合形成耦合接触，因此在车辆轴向(即车辆长度方向)方向上，各车体间隙为零，且耦合接触后两外风挡最小外截面轮廓与车体截面轮廓相差不大且弧形过渡，可实现整个动车组的车端连接平顺化，从而减小行车阻力，提升动车组空气动力学性能。而且，相邻两车体外风挡凹凸耦合接触，接触段形成类似“榫卯”结构，提高了两风挡的侧向刚度，增大了两者之间的抗侧向风载能力，减小风挡在行车过程中侧向变形量和摆动频次，提高风挡使用寿命。同时，在轴向方向两外风挡前沿弧面凹凸耦合且相互挤压，可形成密封隔离效应，从而降低客车室噪音，提高乘员舒适性。

另外，U型胶囊凹凸耦合式风挡为车体外风挡，通过外风挡前沿弧面台阶面的凹凸耦合接触实现车体间的平顺化过渡，两风挡本身并不相互固定连接，方便动车组解编和重联。

本发明所提供的轨道车辆设有所述U型胶囊凹凸耦合式外风挡，由于所述U型胶囊凹凸耦合式外风挡具有上述技术效果，则设有该U型胶囊凹凸耦合式外风挡的轨道车辆也应具有相应的技术效果。

附图说明

图1为本发明实施例公开的一种U型胶囊凹凸耦合式外风挡的轴侧图；

图2为图1中所示前风挡的结构示意图；

图3为图2的A-A视图；

图4为图1中所示后风挡的结构示意图；

图5为图4的B-B视图；

图6为前安装座和后安装座的结构示意图；

图7为前风挡与前安装座相连接的结构示意图；

图8为后风挡与后安装座相连接的结构示意图；

图9为前风挡与后风挡的弧形凸台段和弧形凹台段相耦合的结构示意图。

图中：

1.前风挡 11.底部 12.中部 13.顶部 14.第一弧形前端 15.弧形凸台段 2.后风挡 21.底部 22.中部 23.顶部 24.第二弧形前端 25.弧形凹台段 3.前安装座 4.后安装座 5.加强环 6.螺栓孔 7.安装槽

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

在本文中，“上、下、左、右”等用语是基于附图所示的位置关系而确立的，根据附图的不同，相应的位置关系也有可能随之发生变化，因此，并不能将其理解为对保护范围的绝对限定；而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

本发明根据风挡功能和特点设计的风挡结构，通过仿真或实验方法对其几何结构及外形轮廓优化，分析风挡在车辆运行时典型条件下的结构力学响应，使其满足减阻降噪基本性能的条件下，满足外形简单美观，易于制造；同时考虑车辆实际运行时的道路及气动载荷谱，对风挡进行疲劳寿命分析预测并优化，提高风挡使用寿命。

请参考图1至图5，图1为本发明实施例公开的一种U型胶囊凹凸耦合式外风挡的轴侧图；图2为图1中所示前风挡的结构示意图；图3为图2的A-A视图；图4为图1中所示后风挡的结构示意图；图5为图4的B-B视图。

如图所示，在一种具体实施例中，本发明所提供的U型胶囊凹凸耦合式橡胶外风挡，用于高速轨道车辆相邻两客车室端部之间的平顺连接，包括沿客车室端部轮廓全包式橡胶前风挡1和后风挡2，以及分别固定在两相邻客车室端部、沿客车室端部轮廓呈封闭状的前安装座3和后安装座4。

前风挡1为U型胶囊橡胶凸台外风挡，外风挡整体截面形貌为U型胶囊式，U型截面各段刚度和硬度按功能优化设计，其直壁部分包含厚度逐渐减小的梯形底部11、厚度不变的中部12和厚度从内侧逐渐减小的顶部13，弧形段包含第一弧形前端14和弧形凸台段15。

后风挡2为U型胶囊橡胶凹台外风挡，外风挡整体截面形貌为U型胶囊式，U型截面各段刚度和硬度按功能优化设计，其直壁部分包含厚度逐渐减小的梯形底部21、厚度不变的中部22和厚度从内侧逐渐减小的顶部23，弧形段包含第二弧形前端24和弧形凹台段25。

前风挡1和后风挡2的直壁部分底部的安装段为等腰梯形设计，既能增强风挡底部的刚度，同时又可以保证风挡与安装座之间的配合安装，直壁部分的中部12、22为均等厚度，厚度为12mm～24mm，直壁部分的顶部13、23从内侧面逐渐减薄至6mm～12mm，外侧面始终为整体平面，保证风阻系数较小且能逐步减小刚度，提供部分风挡变形所需柔度和变形量。

第一弧形前端14和第二弧形前端24的厚度为6mm～12mm，厚度较小，刚度较弱，变形能力强，能提供风挡承载时主要的变形柔度，其外侧面与直壁部分的外侧面相切，可优化风挡承载时传力路径，避免应力集中导致局部破损严重，内侧面与直壁部顶部的内侧面光滑过渡。

风挡弧形前沿的弧形凸台段15和弧形凹台段25的厚度与第一弧形前端14和第二弧形前端24的厚度一致，弧形凸台段15和弧形凹台段25的圆弧半径分别为第一弧形前端14和第二弧形前端24的1/3～2/3。

外风挡截面一致且简单对称，可实现橡胶外风挡挤出成型，易于实现规模化生产，提高效率，节省制造成本。

弧形凸台段15和弧形凹台段25在其厚度方向的中心位置内嵌有半圆形加强环5，车辆连挂编组后，两外风挡凹凸耦合接触后，接触部位内嵌加强环5提供两者之间的接触刚度，表面橡胶层提供接触面的密封性能，确保密封效果和强度，最终实现车辆减阻降噪，提升动车组的空气动力学性能，以增大两风挡的耦合接触刚度，减小风挡的侧向变形量，提高外风挡耦合接触气密性。

U型胶囊凹凸耦合式风挡结构设计时，根据U型截面各段的功用和特点合理优化，其直壁部分的底部11、21刚度与硬度较大，可使风挡有较大的刚度和承载能力，保证大风载和瞬间轴压及偏载时不发生较大外翻曲挠；第一弧形前端14和第二弧形前端24的刚度与硬度适中，从而使风挡有较好的柔性变形能力，在过小曲线半径和道岔等处保证各段车体的自由度，同时还能实现相邻风挡的平顺化连接，大幅提升动车组减阻降噪性能；弧形凸台段15与弧形凹台段25作为两外风挡耦合接触的关键部位，其刚度较大、硬度适中，从何保证两风挡凹凸耦合段的接触刚度和密封性，提高两外风挡的耦合接触性能和使用可靠性。

请一并参考图6、图7、图8，图6为前安装座和后安装座的结构示意图；图7为前风挡与前安装座相连接的结构示意图；图8为后风挡与后安装座相连接的结构示意图。

如图所示，前安装座3和后安装座4沿着车端轮廓组成封闭状，前安装座3和后安装座4的底端设有螺栓孔6，以便通过螺栓与车体端墙紧密连接，简单方便，保证两者连接可靠，与橡胶风挡的配合安装部分为倒置等腰梯形截面安装槽7，风挡与安装座配合形成移动副，风挡安装段依次逐步穿过安装槽7即可实现与安装座的配合安装。操作简单方便，安装效率极高，前风挡1和后风挡2分别绕车体外轮廓为一整条，仅有一道接缝，保证风挡的密封隔音效果。

前安装座3和后安装座4分别由四个直线段和四个弧线段组成，分段式安装座可以方便加工制造，节省生产成本，同时也便于风挡与安装座的安装连接。

前风挡1和后风挡2分别通过前安装座3和后安装座4安装于车体端墙，接缝位置均位于安装座底端直线段边缘处，且前、后风挡接缝分别位于左右两侧，从而使两风挡的接缝自动错位，接缝不会相互接触，保证接缝附近风挡的接触刚度和密封性。同时，相邻车体的连接电缆一般位于车体底部，对于联挂车辆的安装检修，仅需拆除底部直线段(弧线段)安装座螺栓，利用橡胶风挡的整体柔韧性实现该安装检修段风挡与车体端墙分离，便于车辆的安装与检修，提高车辆运营维护效率。

动车组的车体连挂后，相邻车体的前、后风挡相互接触，其弧形凸台段15和弧形凹台段25相互配合形成耦合接触，通过内嵌的刚度增强环让两者接触而不发生相对侧向移位，从而增强两风挡的整体侧向刚度，使各车体间间隙为零，实现整个动车组的车端连接平顺化。

车端前后风挡采用优质橡胶制成，其刚度通过风挡截面几何尺寸及内嵌件进行优化，使风挡具有优异的轴向变形能力和较小的侧向变形量，在过小曲线半径和道岔等处可保证各段车体的自由度，提高车辆曲线通过性能。风挡侧向刚度增加减小了振动频次，提高产品使用寿命，同时两风挡前端面的凹凸耦合接触面为橡胶材料，保证两风挡接触的气密性，可减小噪声传播，提高客车室乘客舒适性。

如图9所示，本发明提供的动车组的外风挡，安装于动车组车体的端墙两侧，外风挡为凹凸耦合式全包橡胶外风挡，外风挡整体截面形貌为U型胶囊式，U型截面各段刚度和硬度按功能优化设计，相邻车体外风挡前沿的弧形台阶面相接触，且外风挡围绕车体端墙的四周环形设置，使风挡外轮廓型面与车体端墙型面一致；外风挡弧形端面前沿一侧为弧形凸台段15，与之配合的外风挡弧形端面前沿为弧形凹台段25，两外风挡分别安装于车体端墙外侧，以实现相邻外风挡前沿弧形表面凹凸耦合接触，从而使两风挡成面接触，接触面积增大，接触刚度增强

如此设计，高速列车外风挡采用U型胶囊凹凸耦合式结构，相对于背景技术中的外风挡结构，其技术特点可参考下表。

表1

除了上述U型胶囊凹凸耦合式外风挡，本发明还提供一种轨道车辆，具体可以是动车组或高铁列车，其具有首尾依次相接的多节车体，相邻车体的端部之间设有风挡，且风挡为上文所描述的U型胶囊凹凸耦合式外风挡，有关轨道车辆的其余结构，请参考现有技术，本文不再赘述。

以上对本发明所提供的U型胶囊凹凸耦合式外风挡及轨道车辆进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。