一种铝合金轻量化轨道车辆车头及制造方法与流程

1.本发明涉及轨道车辆制造技术领域，尤其涉及一种铝合金轻量化轨道车辆车头及制造方法。


背景技术：

2.轨道车辆是连结各城市的重要交通纽带，也逐渐成为城市内的主要交通工具，轨道车辆还是实现货物运输的主要载体，随着我国轨道车辆的飞速发展，乘坐轨道车辆进行出差已成为人们首选出行方式，车头作为轨道车辆的重要组成部分，轨道车辆车头内设的区域内安装有电气控制设备等重要设施，因此轨道车辆车头的强度和可靠性是及其重要的。
3.传统轨道车辆车头通常采用钢板或铝板注塑焊接而成，为满足设计强度和力学性能，轨道车辆车头通常密度较大，质量较重，现代轨道车辆的时速要求越来越高，同时随着智能化、绿色环保和可持续发展等高质量要求，车辆的高科技设备增加，车辆自重加重，使得对车辆的轻量化设计提出了更高要求。
4.因此传统轨道交通车辆车头存在如下缺点：
5.1.随科技发展，车辆的高科技设备增加，车辆自重加重，现有轨道车辆自重无法满足车头的轻量化；
6.2.传统轨道车辆车头通过钢板或铝板直接注塑，焊接成型的设计，无法满足现代轨道车辆对时速的要求，焊接点易出现开裂；
7.3.因现代轨道车辆车速越来越快，轨道车辆车头与空气的摩擦所产生的噪声越来越大，传统结构为在轨道车辆车头只能通过增加车头内吸音层的厚度进行减燥，占用了车头内部的空间。


技术实现要素：

8.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种铝合金轻量化轨道车辆车头及制造方法，用以解决轨道车辆车头存在的质量大、焊接点易开裂和吸音层厚的问题。
9.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
10.一种铝合金轻量化轨道车辆车头，包括前窗板、左侧墙、右侧墙和顶板；前窗板两端分别安装有左侧墙和右侧墙，左侧墙和右侧墙之间通过顶板连接，所述前窗板、左侧墙、右侧墙和顶板均为外蒙皮、吸声降噪填充物、内蒙皮组成的双层蒙皮结构，所述内蒙皮包括内蒙板和加强筋；内蒙板一侧设有加强筋。
11.进一步的，将轨道车辆车头分为n个组件，4≦n≦8，单个组件三维尺寸1000mm≦x≦3000mm，1000mm≦y≦3000mm，z≦600mm且x和y不能同时大于2000mm。
12.进一步的，所述双层蒙皮结构外蒙皮壁厚t1，内蒙皮壁厚t2(t1、t2单位为mm)，壁厚取值范围为2≦t1≦5；1≦t2≦4，且t1≧t2，不同部位允许壁厚不同程度的减薄，外蒙皮减薄后的壁厚t1j≧0.8t1，内蒙皮减薄后的壁厚t2j≧0.5t2。
13.进一步的，所述双层蒙皮内蒙皮中加强筋凸起，凸起部分高度h、宽度t，加强筋相交处夹角α，过渡圆角r4，相邻凸起加强筋中心距离t2，加强筋靠近外蒙皮一侧过渡圆角r1，加强筋远离外蒙皮一侧过渡圆角r2，加强筋边缘处过渡面同外蒙皮间夹角β，过渡面同加强筋上表面过渡圆角r3。其中，20mm≦h≦60mm，1≦t/h≦2，45≦α≦120，50≦r4≦100，200mm≦t2≦500mm，且x、y越大，t2、r4越大，5≦r1≦h/2，5≦r2≦h/2，45
°
≦β≦75
°
，5≦r3≦50。
14.进一步的，所述组件前窗板、左侧墙、右侧墙和顶板之间相邻部位搭接，搭接的其中一个组件搭接处偏置，偏置值为外蒙皮壁厚t1和内蒙皮壁厚t2之和。
15.进一步的，所述双层蒙皮结构中设有窗户开口，位于所述窗户开口边缘处的双层蒙皮结构设有下陷支撑部，下陷支撑部为沿窗户开口边缘的环形，下陷支撑部的环形内边处内蒙板和外蒙皮搭接，下陷支撑部的环形外边处内蒙板和外蒙皮具有一定弯折形成空腔。
16.进一步的，所述双层蒙皮结构中内蒙皮不覆盖整个外蒙皮，在非加强筋位置进行减重设计，减重设计部位宽度和高度为t3，10≦t3≦30mm。
17.进一步的，所述外蒙皮和带筋加强内蒙皮材质均为铝合金，优选防锈铝合金。
18.进一步的，所述前窗板、左侧墙、右侧墙和顶板的分型面采用牛腿结构。
19.进一步的，所述吸声降噪填充物为多孔轻质陶瓷球、玻璃空心微珠、泡沫陶瓷或sic微珠。
20.一种铝合金轻量化轨道车辆车头的制造方法，具体步骤包括：
21.步骤1：车头分型设计；
22.步骤2：组件内结构制作；
23.步骤3：组件内结构连接；
24.步骤4：组件间结构连接。
25.进一步的，所述外蒙皮和内蒙皮之间的连接方法为机械连接、电阻点焊连接、激光焊连接、光焊连接或氩弧焊连接。
26.进一步的，所述外蒙皮和内蒙皮制作采用刚柔复合成型方法。
27.上述技术方案至少具有如下有益效果之一：
28.1.外蒙皮和内蒙板和加强筋的设置，内蒙板和加强筋一体成型，使轨道车辆车头的壳体部分具有在满足车辆整体结构强度的同时，可以实现轨道车辆车头的轻量化，同时在部分位置对外蒙皮和内蒙板进行不同程度的减薄，可将轨道车辆壳体部分减重30％以上。
29.2.蒙皮结构搭接部分的搭接结构，对部分组件边缘进行了偏置，对搭接宽度进行了限定，保证了连接部位所需要的搭接强度，同时对各个组件分型面连接处增加了牛腿结构，保证了轨道车辆车头各个组件之间的连接强度，避免焊接点出现开裂。
30.3.在轨道车辆车头的外蒙皮和内蒙皮之间、内蒙板和加强筋之间填充了吸声降噪填充物，保证降噪效果的同时，避免了在车头内部增加吸音层，使轨道车辆车头的内部空间得到保证，有利于车头内部的高科技设备的布局。
31.4.在窗户开口边缘处设计了空腔，实现了在窗户开口部位的局部加强，增强了窗户开口边缘面对车辆车速较快或风力较大时的局部抗变形能力。
32.本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本
发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
33.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
34.图1为本发明轨道车辆的结构示意图。
35.图2为本发明轨道车辆的一侧结构示意图。
36.图3为本发明轨道车辆的另一侧结构示意图。
37.图4为本发明轨道车辆的正面结构示意图。
38.图5为本发明轨道车辆的侧面结构示意图。
39.图6为本发明轨道车辆的顶面结构示意图。
40.图7为本发明轨道车辆双层蒙皮结构加强筋三角形排列方式示意图。
41.图8为本发明轨道车辆双层蒙皮结构加强筋方形排列方式示意图。
42.图9为本发明轨道车辆双层蒙皮结构加强筋六边形排列方式示意图。
43.图10为本发明轨道车辆双层蒙皮结构内蒙皮结构示意图。
44.图11为本发明轨道车辆双层蒙皮结构内蒙皮结构内过度圆角r4的示意图。
45.图12为图11中a-a处的剖视图。
46.图13为图12中b处的放大图。
47.图14为图11中c-c处的剖视图。
48.图15为本发明轨道车辆双层蒙皮结构吸声降噪填充物的结构示意图。
49.图16为本发明轨道车辆双层蒙皮结构的窗户开口边缘处的结构示意图。
50.图17为本发明制造方法的流程图。
51.图中：1.前窗板、2.右侧墙、3.左侧墙、4.顶板、5a.内蒙皮、5a1.内蒙板、5a2.加强筋、5b.外蒙皮、5c.吸声降噪填充物。
具体实施方式
52.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
53.实施例1
54.本发明的一个具体实施例，公开了一种铝合金轻量化轨道车辆车头及制造方法，如图1-图6所示，包括前窗板1、左侧墙3、右侧墙2和顶板4；前窗板1两端分别安装有左侧墙3和右侧墙2，左侧墙3和右侧墙2之间通过顶板4连接，所述前窗板1、左侧墙3、右侧墙2和顶板4均为外蒙皮5b、吸声降噪填充物5c、内蒙皮5a组成的双层蒙皮结构，所述内蒙皮5a包括内蒙板5a1和加强筋5a2；内蒙板5a1一侧设有加强筋5a2。
55.前窗板1、左侧墙3、右侧墙2和顶板4共同构成轨道车辆车头。
56.如图10和图14所示，外蒙皮5b和内蒙皮5a代替传统轨道车辆车头的钢板，使本轨道车辆车头满足车头强度的同时具有较轻的质量，相较传统轨道车辆车头可以减重30％以
上，实现轨道车辆车头的轻量化。
57.吸声降噪填充物5c可以吸收部分轨道车辆车头与空气相互碰撞所产生的噪声。
58.优选的，将轨道车辆车头分为n个组件，4≦n≦8，单个组件三维尺寸1000mm≦x≦3000mm，1000mm≦y≦3000mm，z≦600mm且x和y不能同时大于2000mm。
59.对单个组件的大小限定具有便于生产的优点。
60.优选的，所述双层蒙皮结构外蒙皮5b壁厚t1，内蒙板5a1壁厚t2，t1、t2单位为mm，壁厚取值范围为2≦t1≦5；1≦t2≦4，且t1≧t2，不同部位允许壁厚不同程度的减薄，外蒙皮5b减薄后的壁厚t1j≧0.8t1，内蒙皮5a减薄后的壁厚t2j≧0.5t2。
61.内蒙皮5a和外蒙皮5b在受力较低部位进行了减薄，在保证满足轨道车辆车头整体强度的同时，进一步实现了轻量化。
62.优选的，如图7-图9所示，所述双层蒙皮内蒙皮5a中加强筋5a2凸起，凸起部分高度h、宽度t，加强筋相交处夹角α，过渡圆角r4，相邻凸起加强筋5a2中心距离t2，加强筋5a2靠近外蒙皮5b一侧过渡圆角r1，加强筋5a2远离外蒙皮5b一侧过渡圆角r2，加强筋5a2边缘处过渡面同外蒙皮5b间夹角β，过渡面同加强筋5a2上表面过渡圆角r3。其中，20mm≦h≦60mm，1≦t/h≦2，45≦α≦120，50≦r4≦100，200mm≦t2≦500mm，且x、y越大，t2、r4越大，5≦r1≦h/2，5≦r2≦h/2，45
°
≦β≦75
°
，5≦r3≦50。
63.如图11-13所示，通过对加强筋5a2之间夹角α、过渡圆角r4、相邻凸起加强筋5a2中心距离t2、过渡圆角r1、过渡圆角r2和加强筋5a2边缘处过渡面同外蒙皮5b间夹角β的限定，使采用该加强筋5a2制作的轨道车辆车头满足整体强度的同时，可采用多种加强筋5a2的布局方案，例如α＝60
°
时的三角形布局加强筋5a2、采用α＝90
°
时的四边形布局加强筋5a2和采用α＝120
°
时的六边形加强筋5a2布局均满足轨道车辆车头整体强度的设计要求。
64.如图10所示，一般加强筋5a2所采用的布局方案为四边形布局。
65.优选的，前窗板1、左侧墙3、右侧墙2和顶板4之间相邻部位搭接，搭接处偏置，偏置值为外蒙皮5b壁厚t1和内蒙皮5a壁厚t2之和。
66.如图16所示，几大组件之间两相邻部位的搭接结构从上到下依次为其中一个组件的外蒙皮5b、内蒙板5a1和其余组件其中一个的外蒙皮5b、内蒙板5a1，搭接结构的搭接部位厚度为t1+t2
×
2，搭接结构的搭接部位宽度为l。
67.优选的，所述双层蒙皮结构中设有窗户开口，位于所述窗户开口边缘处的双层蒙皮结构设有下陷支撑部，下陷支撑部为沿窗户开口边缘的环形，下陷支撑部的环形内边处内蒙板5a1和外蒙皮5b搭接，下陷支撑部的环形外边处内蒙板5a1和外蒙皮5b具有一定弯折形成空腔。
68.窗户开口边缘的内蒙板5a1和外蒙皮5b搭接处与外蒙皮5b直接的高度差为t4，窗户开口边缘内蒙板5a1和外蒙皮5b搭接处外边缘处的中空腔厚度为t5，t4≦t5，t4≦t5的设计保证了窗户开口边缘的结构强度，实现对窗户开口边缘的强度的局部加强。
69.优选的，所述双层蒙皮结构中内蒙皮5a不覆盖整个外蒙皮5b，在非加强筋5a2位置进行减重设计，减重设计后，减重设计部位宽度和高度为t3，10≦t3≦30mm。
70.10≦t3≦30mm的设计保证了轨道车辆车头符合连接强度的同时，轨道车头质量减少，实现轨道车辆车头轻量化。
71.优选的，所述外蒙皮5b和带筋加强内蒙皮5a材质均为铝合金，优选防锈铝合金。
72.防锈铝合金具有符合结构所需强度的同时具有抗疲劳强度、塑性与耐腐蚀性高的特点。
73.优选的，如图15所示，所述吸声降噪填充物5c为多孔轻质陶瓷球、玻璃空心微珠、泡沫陶瓷或sic微珠。
74.吸声降噪填充物5c可以填充在内蒙板5a1和加强筋5a2之间，同时也可以填充在窗户开口边缘的内蒙板5a1和外蒙皮5b弯折形成的空腔内，使轨道车辆车头结构具有良好的吸声隔声功能，降低噪声的传播，减弱轨道车辆车头内人员的所收到的噪声。
75.一种铝合金轻量化轨道车辆车头的制造方法，如图17所示，具体步骤包括：
76.步骤1，车头分型设计：根据情况将轨道车辆车头分为n个组件，4≦n≦8，单个组件三维尺寸1000mm≦x≦3000mm，1000mm≦y≦3000mm，z≦600mm且x和y不能同时大于2000mm；对组件内的窗户开口边缘进行加强设计；对组件间搭接部位进行设计，依据上述设计原则生成车头的各组件以及各组件之间的结构的设计图纸；
77.步骤2，组件内结构连接：根据设计图纸生产出外蒙皮5b和内蒙板5a1，按照设计图纸将对应的外蒙皮5b和内蒙板5a1进行连接，连接方式可以为电阻点焊、高能束焊、搅拌摩擦焊等，出外蒙皮5b和内蒙板5a1的没有设计加强筋的部位进行连接，连接方式可以为粘结；
78.步骤3，组件内结构制作：将连接好后的外蒙皮5b和内蒙板5a1进行制作加强筋5a2并向加强筋内填充吸声降噪填充物5c，加强筋的制作采用刚性模具柔性介质加载的方式，刚性模具柔性介质加载的方式的原理为向外蒙皮5b和内蒙板5a1未连接的部分进行充气，内蒙板5a1在气体的压力和外部的凹模的限位下形成加强筋5a2，在内蒙板5a1和加强筋5a2进行连接时需要将吸声降噪填充物5c填入内蒙板5a1和加强筋5a2之间，制作出各组件；
79.步骤4，组件间结构连接：将制作好的组件进行连接，连接要求需满足设计图纸要求的搭接量；
80.优选的，所述外蒙皮5b和内蒙皮5a之间的连接方法为机械连接、电阻点焊连接、激光焊连接、光焊连接或氩弧焊连接等连接方法。
81.优选的，所述外蒙皮5b和内蒙皮5a制作采用刚柔复合成型方法。
82.实施例2
83.该实施例2是在实施例1的基础上，对实施例1中轨道车辆车头双层蒙皮结构中各个组件分型面连接处的结构进行了增加，所述前窗板1、左侧墙3、右侧墙2和顶板4等各部分分型面部位采用牛腿结构。
84.牛腿结构的增加实现了对组件之间的连接处进行了了进一步加固，牛腿结构即梁托，起到连接几大组件作用的同时将力分散传递，避免组件间搭接处受力过大导致的组件变形。
85.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种铝合金轻量化轨道车辆车头，其特征在于，包括前窗板(1)、左侧墙(3)、右侧墙(2)和顶板(4)；前窗板(1)两端分别安装有左侧墙(3)和右侧墙(2)，左侧墙(3)和右侧墙(2)之间通过顶板(4)连接，所述前窗板(1)、左侧墙(3)、右侧墙(2)和顶板(4)均为外蒙皮(5b)、吸声降噪填充物(5c)、内蒙皮(5a)组成的双层蒙皮结构，所述内蒙皮(5a)包括内蒙板(5a1)和加强筋(5a2)；内蒙板(5a1)一侧设有加强筋(5a2)，加强筋之间相交。2.根据权利要求1所述的一种铝合金轻量化轨道车辆车头，其特征在于，将铝合金轻量化轨道车辆车头分为n个组件，4≦n≦8，单个组件三维尺寸1000mm≦x≦3000mm，1000mm≦y≦3000mm，z≦600mm且x和y不能同时大于2000mm。3.根据权利要求2所述的一种铝合金轻量化轨道车辆车头，其特征在于，所述双层蒙皮结构中外蒙皮(5b)壁厚t1，内蒙皮(5a)壁厚t2，t1、t2单位为mm，2≦t1≦5；1≦t2≦4，且t1≧t2，不同部位允许壁厚不同程度的减薄，外蒙皮(5b)减薄后的壁厚t1j≧0.8t1，内蒙皮(5a)减薄后的壁厚t2j≧0.5t2。4.根据权利要求2所述的一种铝合金轻量化轨道车辆车头，其特征在于，所述前窗板(1)、左侧墙(3)、右侧墙(2)和顶板(4)之间相邻部位搭接，搭接处偏置，偏置值为外蒙皮(5b)壁厚t1和内蒙皮(5a)壁厚t2之和。5.根据权利要求1所述的一种铝合金轻量化轨道车辆车头，其特征在于，所述双层蒙皮结构中设有窗户开口，位于所述窗户开口边缘处的双层蒙皮结构设有下陷支撑部，下陷支撑部为沿窗户开口边缘的环形，下陷支撑部的环形内边处内蒙板(5a1)和外蒙皮(5b)搭接，下陷支撑部的环形外边处内蒙板(5a1)和外蒙皮(5b)具有弯折形成空腔。6.根据权利要求1所述的一种铝合金轻量化轨道车辆车头，其特征在于，所述吸声降噪填充物(5c)为多孔轻质陶瓷球、玻璃空心微珠、泡沫陶瓷或sic微珠。7.根据权利要求1所述的一种铝合金轻量化轨道车辆车头，其特征在于，所述前窗板(1)、左侧墙(3)、右侧墙(2)和顶板(4)的分型面部位采用牛腿结构。8.根据权利要求1-7任一项所述的一种铝合金轻量化轨道车辆车头的制造方法，具体步骤包括：步骤1：车头分型设计；步骤2：组件内结构连接；步骤3：组件内结构制作；步骤4：组件间结构连接。9.根据权利要求8所述的一种铝合金轻量化轨道车辆车头的制造方法，其特征在于，所述外蒙皮(5b)和内蒙皮(5a)之间的连接方法为机械连接、电阻点焊连接、激光焊连接、光焊连接或氩弧焊连接。10.根据权利要求8所述的一种铝合金轻量化轨道车辆车头的制造方法，其特征在于，所述外蒙皮(5b)和内蒙皮(5a)制作采用刚柔复合成型方法。

技术总结
本发明涉及一种铝合金轻量化轨道车辆车头及制造方法，属于轨道车辆制造技术领域，解决了传统车辆随着的高科技设备增加，车辆自重加重，现有轨道车辆自重无法满足车头的轻量化的问题；一种铝合金轻量化轨道车辆车头，包括前窗板、左侧墙、右侧墙和顶板；所述前窗板、左侧墙、右侧墙和顶板均为外蒙皮、吸声降噪填充物、内蒙皮组成的双层蒙皮结构。本发明相较于传统轨道车辆车头，外蒙皮和内蒙板和加强筋的设置，使轨道车辆车头的壳体部分具有在满足车辆整体结构强度的同时，可以实现轨道车辆车头的轻量化，同时在部分位置对外蒙皮和内蒙板进行不同程度的减薄，可将轨道车辆壳体部分减重30％以上。30％以上。30％以上。


技术研发人员：刘奇 李保永 秦中环 刘伟 李信 李宏伟 王占奇 韩维群 姚为
受保护的技术使用者：北京航星机器制造有限公司
技术研发日：2022.11.02
技术公布日：2023/1/11