一种车门密封结构及优化设计方法

技术领域

本发明涉及轨道车辆车门密封技术领域，尤其涉及一种车门密封结构及优化设计方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

轨道车辆车门是车辆的重要零部件之一，其主要功能是提供乘客进出通道，同时具有隔音、防尘、防渗水等功能。现有轨道车辆车门主要有单开门和双开门形式，而其中双开门的密封性能及使用寿命更难以保证。众所周知，轨道车辆车门的密封性能不仅与车门主体结构有关，更重要地与车门和车体的安装配合接触息息相关。车门主体构架一般为钣金件整体冲压成型，并采用三明治夹芯结构隔音降噪，其密封性能可以得到有效保障，因此车门的整体密封性能主要由车门与车体的配合接触决定。

为保证车门与车体间配合接触的密封性，一般会在车门和(或)车体四周设置密封件，密封件要求可以方便地进行注塑加工，具有一定的弹性、硬度合适，并且压缩永久变形小，不容易产生分解和老化，能长时间保持良好的密封状态。目前受现有材料、制造工艺、服役环境、成本等诸多因素的综合作用，现有车门密封件多选用三元乙丙橡胶作为主要原料，并辅以相应填料加工制备而成，该类橡胶材料的综合性能基本可以满足现有车辆车门对密封件的使用性能要求，但由于车门周边密封件的设计截面、安装配合、车门的服役环境存在合理匹配问题，导致密封件的受力状态不稳定，使得车门的密封性能和使用寿命大大降低，主要表现在以下几个方面：

(1)现有车辆双开车门底面密封件采用L型截面，且L型截面底部为梯形结构，导致车门关闭后底部密封件的顶端受力最不利，而密封件前端面与车体地板的凸台金属条仅为压缩接触，缺少必要的横向约束条件，从而导致密封件在受车体振动时受力不均，密封件内外摇摆或发生单一方向挤压弯曲后随车体振动，加速密封件疲劳老化，影响密封件的使用寿命，从而导致需多次更换密封件，影响车辆运行时间和增加材料更换成本。

(2)车门底面和侧面密封件在挤压作用下的单侧变形及振动导致密封作用减弱，车门与车门或车体间存在间隙，车门隔音性能退化，外部环境、车辆设备运行及振动等噪音通过间隙传声，导致车内噪音增大，影响乘客乘坐的舒适性。

(3)当车门与车体存在间隙时，外部雨水、尘埃等腐蚀性介质容易进入客室及附近相关设备，导致设备腐蚀及老化速度加快，严重时甚至影响产品的正常使用功能，危害行车安全。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种车门密封结构及优化设计方法，通过改善车门与密封件的受力状态，提高车门密封性能和使用寿命。

根据本发明实施例的第一个方面，提供了一种车门密封结构，包括设置在车门底部的密封件，所述密封件与车体上的密封面配合，实现车门底部与车体之间的密封；所述密封件包括：满足设定硬度要求的密封保持架，所述密封保持架底部在长度方向上设有内凹的弧面，所述弧面与车体密封面上的凸起相匹配；所述弧面上敷设软质密封层，所述软质密封层能够使得所述弧面与所述凸起紧密耦合接触。

根据本发明实施例的第二个方面，提供了一种车门密封结构，包括分别设置在两侧车门相对的侧面的至少一段密封件；所述密封件包括：满足设定硬度要求的密封保持架，所述密封保持架第一侧面在长度方向上呈S型弧面，在所述S型弧面的凹形弧面上敷设软质密封层；车门处于关闭状态时，两侧车门上的S型弧面凹凸耦合接触。

根据本发明实施例的第三个方面，提供了一种车门密封结构的优化设计方法，包括：

对车门结构建立有限元模型，分析车门关闭时密封件的预应力状态；

对所述预应力状态下的密封件施加车辆运行时的轨道谱，得到密封件的名义应变；

基于Thomas裂纹扩展模型开展密封件的疲劳损伤分析；

基于疲劳损伤分析结果，得到密封件在车辆运行时的疲劳寿命；

若所述寿命满足设定要求，则车门密封结构满足要求；否则，调整密封件的材料，重复上述过程，直至所述寿命满足要求。

根据本发明实施例的第四个方面，提供了一种车门结构，包括上述的车门密封结构。

根据本发明实施例的第五个方面，提供了一种轨道交通车辆，包括上述的车门结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明车门密封结构能够减少外部噪音传入客室空间，提高乘员舒适性，同时有效阻止粉尘、雨水等对车门及其附近零部件的侵蚀，延长车门的使用寿命。

(2)本发明车门底面密封件的凹形弧面与车体地板的凸形金属条耦合，且凹形弧面内部软橡胶条受金属条凸起挤压作用紧密接触，软橡胶条在密封挤压过程中仅受压力载荷作用，其抗疲劳性能极大提高。

(3)本发明车门底面密封保持架为高硬度橡胶制备而成，且外端面受到金属条凸起耦合接触作用，从而使保持架刚度明显增强，车门底面密封件整体摆动频次及幅度减小，其密封性能和使用寿命大幅提高。

(4)本发明车门侧面密封保持架为高硬度橡胶制备而成，连接件材质为内铝合金骨架外高硬度橡胶材料，且橡胶保持架与卡环分段式交错布置，相邻密封件间凸起耦合接触作用，使得保持架刚度明显增强，侧面密封件整体摆动频次及幅度减小，其密封性能和使用寿命大幅提高。

(5)本发明两侧车门间密封件外端面凹形弧面与凸形弧面耦合，凹形弧面内贴合的软橡胶条受相邻侧面密封保持架凸起挤压作用紧密接触，软橡胶条在密封挤压过程中仅受压力载荷作用，其抗疲劳性能极大提高。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明实施例的车门底部密封件结构示意图；

图2是根据本发明实施例的车门侧面密封件结构示意图；

图3是根据本发明实施例的两侧车门侧面密封件接触示意图；

图4是根据本发明实施例的两侧车门连接件错位布置示意图。

图5是根据本发明实施例的车门结构示意图；

其中，其中，1.车门，2.密封保持架，3.端盖，4.软质密封层，5.凸台金属条，6.卡环，7.连接块，8.车门底部密封件，9.车门侧面密封件，10.车体密封条接触区域。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

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。

实施例一

根据本发明实施例，提供了一种车门密封结构的实施例，参照图1，包括：设置在车门1底部的密封件，密封件与车体地板上的密封面配合，实现车门1底部与车体之间的密封。

本实施例中，车门底部的密封件为恒定纵截面的连续式密封件，沿着车门1底部的长度方向上安装。

密封件的结构包括：密封保持架2，密封保持架2为中空结构，在保证轻量化的同时，增加密封保持架的结构稳定性；密封保持架纵截面的整体外形为双曲线型，沿着车门底面设置，在满足结构稳定性的同时可以保证密封保持架与车门以及车体地板密封面的接触面积最大化，从而增强密封效果；需要说明的是，此处的纵截面指的是沿密封件宽度方向的纵截面。

密封保持架2底部在长度方向上设有内凹的弧面，弧面上敷设软质密封层4，该弧面与车体密封面上的凸台金属条5相匹配，软质密封层4能够使得该弧面与凸起紧密耦合接触。

本实施例中，软质密封层4可以选用软橡胶条；软橡胶条可以采用橡胶材质，也可以采用其他具有密封性能的超弹性类橡胶材料，如PVC等。

当轨道车辆车门关闭后，内凹的弧面与车体地板的凸形金属条耦合，且内凹的弧面内部软橡胶条受金属条凸起挤压作用紧密接触，软橡胶条在密封挤压过程中仅受压力载荷作用，其抗疲劳性能极大提高。

本实施例中，橡胶保持架为高硬度橡胶制备而成，可以采用三元乙丙橡胶橡胶作为主要原料并辅以其他填料，在满足使用性能和寿命情况下也可以选择其他橡胶类别；且底部端面受到金属条凸起耦合接触作用，从而使保持架刚度明显增强，底面密封件整体摆动频次及幅度减小，其密封性能和使用寿命大幅提高。

作为可选的实施方式，密封保持架2沿长度方向上的两个中空的端面分别设置有端盖3，端盖3嵌入到橡胶保持架侧内并胶粘固定，防止雨水等其他腐蚀性介质灌入保持架内壁腐蚀保持架，从而影响其使用寿命。当然，端盖3与密封保持架2也可以采用其他形式连接，比如：铰接等。

作为可选的实施方式，参照图1，密封保持架2上与车门底部连接的端面上设有梯形连接块7，在车门底部设有与连接块7相匹配的滑槽，密封保持架与车门底部通过连接块7与滑槽实现连接，当然，本领域技术人员也可以采用其他的连接方式，比如：粘接、锁扣连接等。

本实施例中，沿着密封保持架2长度方向，密封保持架始终与车体地板金属条凸起挤压耦合接触，从而实现了车辆车门底部的密封性能，减少外部噪音传入客室，同时有效阻止粉尘、雨水进入车门及其附近区域，提升了乘客舒适性和车门的使用寿命。

本实施例中，密封保持架2的主要功能是保持适当压缩变形基础上侧向稳定性高，因此该密封保持架的橡胶邵氏硬度在70以上；软橡胶条主要提供密封性能，其弹性性能应较好，易随接触状态发生大变形，因此其邵氏硬度控制在35～50。

作为可选的实施方式，密封保持架2和软橡胶条的硬度可以通过匹配试验获取，即在两者合适的硬度值范围内满足密封性能的等级要求，且橡胶保持架侧向稳定性较高，以提高其使用寿命。

实施例二

根据本发明实施例，提供了一种车门密封结构的实施例，参照图2，包括分别设置在两侧车门1相对的侧面的至少一段密封件；

密封件包括：密封保持架2，密封保持架2为中空结构，在保证轻量化的同时，增加密封保持架的结构稳定性；密封保持架纵截面的整体外形为双曲线型，沿着车门侧面设置，在满足结构稳定性的同时可以保证密封保持架与车门侧面以及密封保持架之间的接触面积最大化，从而增强密封效果；需要说明的是，此处的纵截面指的是沿密封件宽度方向的纵截面。

本实施例中，密封保持架2第一侧面在长度方向上呈S型弧面，在该S型弧面的凹形弧面上敷设软质密封层4；需要说明的是，第一侧面指的是密封保持架上与另一侧车门侧面相对的一面。

本实施例中，软质密封层4可以选用软橡胶条；软橡胶条可以采用橡胶材质，也可以采用其他具有密封性能的超弹性类橡胶材料，如PVC等。

参照图3，当车门关闭后，两车门间密封保持架2第一侧面的凹形弧面与凸形弧面耦合，凹形弧面内贴合的软橡胶条受相邻侧面密封保持架凸形弧面挤压作用紧密接触，软橡胶条在密封挤压过程中仅受压力载荷作用，其抗疲劳性能极大提高。

本实施例的S型弧面可以使得当两车门对接密封后，两密封件可以形成两次耦合接触，相对于单次耦合接触而言密封性能更好。且两侧密封件结构完全一致，能减少不同种类的密封件生产成本，提高密封件的互换性和使用效率。

本实施例中，密封保持架为高硬度橡胶制备而成，可以采用三元乙丙橡胶橡胶作为主要原料并辅以其他填料，在满足使用性能和寿命情况下也可以选择其他橡胶类别。

作为一种实施方式，当密封保持架2为连续的一段式结构时，为了保证密封保持架的刚度，在密封保持架内的设定位置嵌入铝合金环，并且两侧车门侧面的密封保持架内嵌入的铝合金环呈交错布置，使得保持架刚度明显增强，侧面密封件整体摆动频次及幅度减小，其密封性能和使用寿命大幅提高。

作为另外一种实施方式，当密封保持架2为多段结构的组合时，相邻两段密封保持架之间通过连接件连接，本实施例中，连接件为卡环6，参照图2，卡环6的形状与密封保持架2的形状相匹配，卡环6两端分别内嵌入两段相邻的密封保持架，以使两段密封保持架连续。

参照图4，为了保证密封性能，两侧车门上的卡环6或者铝合金环的位置呈错位布置。

作为可选的实施方式，密封保持架2沿长度方向上的两个中空的端面分别设置有端盖3，端盖3嵌入到橡胶保持架侧内并胶粘固定，防止雨水等其他腐蚀性介质灌入保持架内壁腐蚀保持架，从而影响其使用寿命。当然，端盖3与密封保持架2也可以采用其他形式连接，比如：铰接等。

作为可选的实施方式，参照图2，密封保持架2以及卡环6上与车门侧面连接的端面上设有梯形连接块7，在车门侧面设有与连接块7相匹配的滑槽，密封保持架和卡环分别与车门侧面通过连接块7与滑槽实现连接，当然，本领域技术人员也可以采用其他的连接方式，比如：粘接、锁扣连接等。

本实施例中，沿着密封保持架长度方向，两侧车门密封保持架的凹凸耦合接触间隙为零，从而实现了车辆车门间的密封性能，减少外部噪音传入客室，同时有效阻止粉尘、雨水进入车门及其附近区域，提升了乘客舒适性和车门的使用寿命。

本实施例中，卡环6的设置位置应根据密封件的密封性能和受力关系合理选择，以此来确保产品的密封性能和使用寿命。卡环位置设置步骤如下：

S1.为保证车门两侧密封件的密封性能，车门两侧密封件的卡环必须错位布置，这是卡环6分布的基本原则；

S2.开展橡胶的力学性能试验，主要为拉伸试验、剪切试验和体积试验，根据试验后的材料应力-应变曲线进行橡胶材料超弹性本构拟合，以便后续采用数值仿真方法开展密封件结构受力分析和疲劳寿命预测；

S3.对车门关闭后相邻连续未分段密封件挤压状态进行有限元受力分析，根据橡胶保持架的受力侧向变形结果初步确定卡环的分布位置。具体操作为：在密封保持架受载侧向变形较大的位置将其分割开，并在该切割部位安装卡环；

S4.根据卡环分布位置建立连续分段式侧面密封件模型，并对其开展有限元分析，根据分析结果中密封保持架的侧向刚度(变形)进一步优化卡环位置，具体优化方式如上述步骤S4连续迭代，最终实现密封件压紧状态下卡环用量2～4个密封件侧向变形最小；

S5.根据优化结果设计分布方案并完成卡环安装。

本实施例中，密封保持架和软橡胶条的硬度参照实施例一中公开的方案，不再赘述。

实施例三

根据本发明实施例，提供了一种车门密封结构的实施例，参照图5，车门1安装于轨道车辆客室两侧，车门1与轨道车辆车身弧形一致，保持车辆外形平滑，从而较少车辆运行时的气动阻力。车门为三明治夹芯结构，两表面层主要为钣金冲压成型，中间芯层为隔音棉并辅以连接框架结构，确保车门整体连接强度及承载能力。车门四周设置密封件以及车体密封件接触区域10，保证车门1关闭后车辆的密封隔音性能。

在车门底面设置实施例一中所述的车门底部密封件8，在车门侧面设置实施例二中所述的车门侧面密封件9，其他两方向的橡胶密封件为现有普通密封件，安装于车体门框上。

轨道车辆车门开门时，闭锁装置开启，车门首先上抬2～5mm，压缩上侧端面密封橡胶，以使金属凸起与地面密封件橡胶保持架内凹弧面耦合接触分离，然后车门外推后向两侧平移，车门开启；车门关闭时，车门行程路径与指令与开门时刚好相反。

本领域技术人员可以理解，可以仅在车门底面设置实施例一中所述的密封件，其他位置为现有普通密封件；也可以仅在车门侧面设置实施例二中所述的密封件，其他位置为现有普通密封件。

实施例四

根据本发明实施例，提供了一种轨道交通车辆的实施例，其包括了实施例三中的车门结构。

实施例五

根据本发明实施例，提供了一种车门密封结构的优化设计方法的实施例，包括以下步骤：

S1.根据车门结构建立有限元模型，分析车门关闭时密封件的预应力状态；

S2.对上述预应力状态下的密封件施加车辆运行时的轨道谱(PSD)，分析得到密封件的名义应变，同时基于Thomas裂纹扩展模型开展密封件的疲劳损伤分析；

S3.根据疲劳分析结果，得到密封件在车辆运行时的疲劳寿命，若该寿命大于200万次，则满足使用寿命要求，若低于200万次，需再次对其材料进行改进，以达到密封件的实际使用寿命要求。

S4.将车门安装于实际运行车辆上，检验车门的密封性能和实际使用寿命。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。