第七章 车体设计及其典型结构

第七章 车体设计及其典型结构

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第一节 车体的功能、结构承载形式及主要类型一、车体的功能要求 1)运载功能 2)结构安全功能 3)良好的工艺性、可维修性、运行可靠性 4)在确保结构安全的前提下降低车体自重 5)美学功能 车体的功能主要通过承载结构、车辆设施、内部装饰及其工 业设计技术予以实现。

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第一节 车体的功能、结构承载形式及主要类型二、车体结构的承载形式 (一)概述 从结构强度的角度看，车体结构分承载结构和非承载结构 承载结构 车体中抵抗外力和变形功能部分，是车体的骨架 和蒙板。 非承载结构 指车门及操纵机构、风道和座椅及其它内装件 等附属于车体结构但不参与承载的部分。

车体承载结构通常由质强比高、耐腐蚀性好的金属材料制 成的板梁通过焊接或铆接等方法组成的结构，早期采用钢 材制成。现还有多种复合材料，如玻璃钢、三明治复合板 材等。 北京交通大学海滨学院 车体承受各种载荷的取值、作用方式以及作用位置，要复合设计与试 验规范规定的有关标准。

第一节 车体的功能、结构承载形式及主要类型二、车体结构的承载形式 (二)车体结构的承载形式 轨道车辆车体承载结构划分为底架、侧墙、端墙及车顶等。 承载形式主要为整体承载型、侧壁和底架共同承载型和底架 (车架)承载型三类。 1. 整体承载型(图7—1)

客车和货车中的棚车等车体结构 由底架、侧墙、端墙及车顶经焊接或铆接使车体的这几大部分牢固地成为一个整体而 组成了箱型结构。

底架 由大梁(端梁、牵引梁、中梁及侧梁)与地板组成通过盘心或旁承支承在转向架上。

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第一节 车体的功能、结构承载形式及主要类型二、车体结构的承载形式

侧墙、端墙及车顶由许多纵向梁和横梁(柱)以及蒙皮 (薄钢板)或挤压型才组焊而成。 特点：充分发挥所有结构材料的承载能力，易于达到强度 高、抗变形能力强和重量轻的设计目标。 又分 开口箱型结构和闭口箱型结构两种。(图7—1)开口箱型结构：底架没有金 属地板，仅有镀锌铁皮与各 梁件组成开口箱型结构。

闭口箱型结构：底架地板横 梁上面(或底架下面)设有 金属波纹地板所组成的闭口 箱型结构。

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第一节 车体的功能、结构承载形式及主要类型二、车体结构的承载形式 整体承载结构的客车车体的骨架是由很多轻巧的纵向杆件 及横向杆件组成一个个结构环，再与金属包板组焊在一起 后具有很大的强度和刚

度。 这种结构形式可以较侧壁承载结构更为轻巧，并有可能将 底架中部的一段笨重中梁取消，从而制成无中梁的底架结 构。图7-2.

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第一节 车体的功能、结构承载形式及主要类型二、车体结构的承载形式 按侧壁结构的不同，整体承载式机车车体又分桁架式、框架 式侧壁承载机车车体。 1)桁架式侧壁承载机车车体(图7—4) 构成 由桁架、侧壁、底架、车顶和司机室几部分组成。 桁架的下弦杆就是底架的侧梁，上弦紧接车顶。 上、下弦杆用立柱和斜杆连接成桁架，承受全部垂向载荷和 纵向力。 车顶由可拆卸的部分组成，车顶外壁焊接在骨架上。 司机室由骨架和钢板制成，座落在牵引梁上与桁架相连接。 特点 由于侧壁桁架的斜撑作用，使侧壁具有较好的稳定性

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第一节 车体的功能、结构承载形式及主要类型二、车体结构的承载形式 2)框架式侧壁承载机车车体(图7—5) 组成 由立柱、中间杆和上、下弦杆构成框架。 框架和覆盖在其外面的钢板所构成的侧壁承受全部的垂向 载荷和纵向力，车体具有较大的强度和刚度。侧壁开孔不受 限制，能最大限度地减轻机车质量。

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第一节 车体的功能、结构承载形式及主要类型二、车体结构的承载形式

2.侧壁和底架共同承载型 也称侧壁承载结构， 部分货车如敞车没有车顶，载荷由侧墙、 端墙和底架共同承担，即属于这类承载结构。 又分桁架式结构和板梁式结构。 桁架式结构 侧、端墙的骨架为桁架式骨架和木墙板结构； 板梁式结构 在侧、端墙的骨架上敷以金属板后就形成。 3. 底架承载型(图7—6,图7—7) 设备或装载货物的重量及其它的载荷，均由底架(或称车架) 予以承担。 对底架结构强度要求很高，中梁及边梁都很强。 图7—6为鱼腹型梁的底架承载结构； 图7—7为一种底架承载型内燃机机车车架断面。 北京交通大学海滨学院

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第二节 车体的轻量化设计轻量化设计的途径 对于高速磁悬浮列车，还是高速轮轨列车或城市车辆，在 额定牵引功率下，尽可能降低能耗以实现运行的高运能和 低成本，是一个永恒的追求目标。 轻量化对于客车来说就是节能增效。 1)采用轻量化材料，以轻质高强度材料代替高密度材料； 2)运用结构优化设计技术。在已有的材料和结构基础上，根 据设计要求，设置参数和约束，采用最优化技术得到最轻 量结构参数设计方案。

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第二节 车体的轻量化

设计一、轻金属材料的选择 (一)几种金属材质的力学性能比较 表7—1列举了常用钢和铝合金材质的力学性能。 铝的抗拉强度和屈服强度约为钢的1/2~2/3,密度为钢的1/3, 纵向弹性模量为钢的1/3,屈服极限为钢的1/2~2/3。 铝合金车体缺点： 耐腐蚀性能低于不锈钢。 铝的熔点低。

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第二节 车体的轻量化设计一、轻金属材料的选择 (二)在相同动态力水平下钢和铝结构材料的重量比 在动态受力的情况下，用应力比值表示应力的类别，即 R = σmin/σmax 对于车体最不利的冲击因子，则可求的应力比为 静载荷 - 冲击因子 1 - 0.3 R 静载荷 冲击因子 1 0.3 0.54

图7—8表示了从静态到纯交变应力之间整个频谱的应力极限 特征线。各种材料之间的应力极限特征曲线具有很大差异 图7—9表示相同动态力水平下的不同材料的重量比， 比值决定于应力比R。 以动态上限应力σmax 代替 静态的材料屈服应力σ0.2。

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第二节 车体的轻量化设计一、轻金属材料的选择 (二)在相同动态力水平下钢和铝结构材料的重量比 在静态(R=1)与动态受力特征值1>R>0范围，铝结构比 钢结构重量轻40%~50%; 对称循环时(R=1),重量减缩仅15%~20%。 当考虑到制造工艺 和焊接技术上的减缩 因素，铝结构车体的 重量比之筒形的钢结 构车体可减缩30%

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第二节 车体的轻量化设计一、轻金属材料的选择 (三)钢制和铝制车体的经济性比较 20世纪60年代以来，德国近郊电动车、城市轨道车辆和普通 铁路客车，采用铝合金车体，欧洲铁路用铝质车体最多。 铝质车体迅速发展的原因： 1)车体自重轻； 比钢质车体可减轻1/4~1/3左右。 2)简化了结构；在足够刚度下，采用中空断面挤压型材，减少车体上众多的横向杆件。

3)新型铝合金的开发，大大地改善了加工性和可焊性。 以含铜钢制造的车体钢结构作为参照(系数为1),对三种 材料制造车体钢结构总体费用比较。 挤压型材的铝合金车体与钢制车体相当，不锈钢车体稍贵为 1.05。

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第二节 车体的轻量化设计二、铝合金车体的结构特征及其设计与制造工艺 (一)铝合金车体与钢车体的结构比较 钢材和铝材的材料特性有较大差异。 弹性模量

E st / E AL 3 / 1

在塑性范围的工作能力 熔点温度 单位重量价格

Tst / TAL 2.5 / 1

Wst / W AL 2 / 1

MPst / MPAL 1 / 3

由它们制成的车体筒形结构的横截面各自具有特有的特性。 为弥补铝合金刚度不

足，铝结构车多采用挤压型材。

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第二节 车体的轻量化设计二、铝合金车体的结构特征及其设计与制造工艺 (一)铝合金车体与钢车体的结构比较 图7—10为钢制与铝制车体结构比较图 钢结构车体一般采用Z形、L形或U形组焊件或压型件作为 车体的横杆件，外敷薄钢板，地板用薄钢板压制的波纹地 板。车顶用其它材料制成，载荷由底架梁承担。

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