CN109177996B - 一种轨道车辆用高阻尼隔声复合材料的车体结构 - Google Patents

一种轨道车辆用高阻尼隔声复合材料的车体结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及轨道车辆技术领域，公开了一种轨道车辆用高阻尼隔声复合材料的车体结构，包括：车本体；以及高阻尼隔声结构，所述高阻尼隔声结构设置在所述车本体上并与所述车本体的表面紧密贴合，所述高阻尼隔声结构包括沿纵向呈叠加式设置的多层阻尼隔声层，其中，在各层所述阻尼隔声层中均添加有石墨烯材料。该车体结构具有在车体结构的重量增加不明显、车体结构尺寸基本不变的前提下，能显著提高车体结构的隔声量，使得车内噪声水平满足限值要求，从而达到提升乘客的舒适度的目的的优点。

Description

一种轨道车辆用高阻尼隔声复合材料的车体结构
技术领域
本发明涉及轨道车辆技术领域，特别是涉及一种轨道车辆用高阻尼隔声复合材料的车体结构。
背景技术
目前，轨道车辆车外的噪声通常较大，为达到降噪的目的，通常会在车体上增设降噪结构，例如：喷涂阻尼浆或粘贴阻尼片，但现有的降噪结构的降噪效果通常不是很理想，然而，由于碳纤维复合材料车体具有刚度大、成型方便以及易于模块化集成设计等的优点，在轨道车辆(地铁、高速动车组、城际动车组等)的工程应用中尤为明显，但这种碳纤维复合材料车体的隔声量(传递损失)远远低于全金属结构。采用传统的铝材或钢材制成的车体的重量基本控制在25-30kg/m2左右，而碳纤维复合材料车体的重量约为15kg/m2，重量的降低，使得后者的隔声量相比前者要低4～6dB(分贝)，当车辆沿线路运行时，易导致车内噪声超标，影响旅客乘坐的舒适性。
因此，为保证车内噪声限值满足要求，需要开发一种具有高隔声性能的复合材料车体结构，在重量增加不明显(20kg/m2以下)、车体结构尺寸基本不变的前提下，显著提高车体结构的隔声量，使得车内噪声水平满足限值要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种轨道车辆用高阻尼隔声复合材料的车体结构，以解决现有技术中为保证车内噪声限值满足要求，在重量增加不明显(20kg/m2以下)、车体结构尺寸基本不变的前提下，显著提高车体结构的隔声量，使得车内噪声水平满足限值要求的技术问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，根据本发明提供一种轨道车辆用高阻尼隔声复合材料的车体结构，包括：车本体；以及高阻尼隔声结构，所述高阻尼隔声结构设置在所述车本体上并与所述车本体的表面紧密贴合，所述高阻尼隔声结构包括沿纵向呈叠加式设置的多层阻尼隔声层，其中，在各层所述阻尼隔声层中均添加有石墨烯材料。
其中，相邻的所述阻尼隔声层之间紧密贴合。
其中，所述高阻尼隔声结构中朝向所述车本体的阻尼隔声层与所述车本体的表面紧密贴合。
其中，所述高阻尼隔声结构通过黏胶层粘贴在所述车本体的表面。
其中，所述车本体包括车体地板，所述车体地板从上至下依次设有碳纤维内蒙皮、闭孔泡沫层以及碳纤维外蒙皮，其中，在所述碳纤维外蒙皮的下表面粘贴有所述高阻尼隔声结构。
其中，在所述车体地板的两端和中间区域均设有所述高阻尼隔声结构，其中，设置在所述车体地板的两端的所述高阻尼隔声结构的壁厚大于设置在所述车体地板的中间区域的所述高阻尼隔声结构的壁厚。
其中，所述车本体还包括车体侧墙，所述车体侧墙为多个并分别沿所述车体地板的长度方向的左右两侧呈间隔式设置，其中，在各个所述车体侧墙的内表面均设有所述高阻尼隔声结构。
其中，所述车本体还包括车体顶板，所述车体顶板与所述车体地板纵向相对设置并且间隔开，其中，所述车体顶板的左右两端分别固定连接在相应侧的所述车体侧墙的上端面，其中，在所述车体顶板对应安装有受电弓的区域设有所述高阻尼隔声结构。
其中，在所述高阻尼隔声结构的内部添加有压电材料。
其中，所述压电材料包括纤维压电材料、片式压电材料和悬臂式压电材料之一。
(三)有益效果
本发明提供的车体结构，与现有技术相比，具有如下优点：
通过在本申请中增设了该高阻尼隔声结构，并将其设置成多层结构，即，使得该高阻尼隔声结构由多层阻尼隔声层沿纵向呈叠加式设置，并在各层阻尼隔声层中添加层状石墨烯材料，这样，除石墨烯材料内部除分子间的作用力外还有相邻的阻尼隔声层之间的相互作用力，由此，便使得该高阻尼隔声结构的自身就具有较高的阻尼性能，材料阻尼损耗因子也可达到0.8以上，同时，通过将该高阻尼隔声结构粘贴到车本体上，就可以与车本体共同构造成新的车体结构，这样，便可以使得本申请的车体结构的整体结构阻尼损耗因子得到大幅度的提升，实验结果表明可以提升10％～15％，由此，可以将车体振动迅速转化成热能，使得车体结构的振动得到有效的抑制，从而有效的减少噪声。同时，由于该高阻尼隔声结构自身具有良好的隔声性能，这样，便可以使得本申请的车体结构具有较高的隔声量。由此可见，本申请的车体结构在车体结构的重量增加不明显、车体结构尺寸基本不变的前提下，具有显著提高车体结构的隔声量，使得车内噪声水平满足限值要求，从而达到提升乘客的舒适度的目的的优点。
附图说明
图1为本申请的实施例的轨道车辆用高阻尼隔声复合材料的车体结构的整体结构示意图；
图2为图1的断面结构示意图；
图3为图1中的高阻尼隔声结构的整体结构示意图；
图4为图1中的I的局部放大结构示意图；
图5为试验窗口安装状态下车体结构阻尼损耗因子测试示意图；
图6为试验窗口安装状态下车体结构阻尼损耗因子测试值示意图；
图7为车体结构隔声量频谱曲线示意图。
图中，1：车本体；11：车体地板；111：碳纤维内蒙皮；112：闭孔泡沫；113：碳纤维外蒙皮；12：车体侧墙；13：车体顶板；2：高阻尼隔声结构；21：阻尼隔声层；10：混响室墙体；20：窗口边框；30：木质压紧框；40：压紧螺栓；50：实验样件；60：振动传感器；70：传感器连接线；80：黏胶层；A：传统车体结构；B：本申请车体结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
如图1至图4所示，图中示意性地显示了该车体结构包括车本体1和高阻尼隔声结构2。
在本申请的实施例中，该高阻尼隔声结构2设置在该车本体1上并与该车本体1的表面紧密贴合，该高阻尼隔声结构2包括沿纵向呈叠加式设置的多层阻尼隔声层21，其中，在各层该阻尼隔声层21中均添加有石墨烯材料。具体地，通过在本申请中增设了该高阻尼隔声结构2，并将其设置成多层结构，即，使得该高阻尼隔声结构2由多层阻尼隔声层21沿纵向呈叠加式设置，并在各层阻尼隔声层21中添加层状石墨烯材料，这样，除石墨烯材料内部除分子间的作用力外还有相邻的阻尼隔声层21之间的相互作用力，由此，便使得该高阻尼隔声结构2的自身就具有较高的阻尼性能，材料阻尼损耗因子也可达到0.8以上，同时，通过将该高阻尼隔声结构2粘贴到车本体1上，就可以与车本体1共同构造成新的车体结构(即，本申请的车体结构)，这样，便可以使得本申请的车体结构的整体结构阻尼损耗因子得到大幅度的提升。由此可见，本申请的车体结构在车体结构的重量增加不明显(20kg/m2以下)、车体结构尺寸基本不变的前提下，具有显著提高车体结构的隔声量，使得车内噪声水平满足限值要求，从而达到提升乘客的舒适度的目的的优点。此外，由于上述高阻尼隔声结构2自身的材料阻尼性能较高，即，高于同类产品，当将其和车本体1组合到一起后，就使得本申请的车体结构的整体具有较高的结构阻尼性能。
另外，本申请的车体结构在具有相同隔声性能的前提下，与传统喷涂5mm(毫米)的阻尼浆的结构相比，具有相对较小的面密度，面密度降低约10％，有助于车体结构整体的减重设计。
本申请的车体结构还具有一定的通用性，可以运用到内饰薄壁结构以及蒙皮加筋结构等其它结构的隔声优化设计中。
需要说明的是，如图7所示，本申请的高隔声阻尼结构2中的“高”是相对而言的，即，本申请的车体结构与传统的轨道车辆相比，具有优越的隔声性能，总体上能比传统的结构隔声量提高4分贝，并且，在100～5000Hz(赫兹)的频段范围内，还能够在原来的隔声量的基础上再分别提升2-6dB(分贝)。
还需要说明的是，如图6所示，由于受结构匹配以及材料粘接性能等问题的影响，结构阻尼损耗因子比材料阻尼因子更能真实有效地反映阻尼性能。由不同结构在窗口安装条件下的结构阻尼因子测试结果可知，和传统的车辆结构相比，在400Hz以下的频段范围内，本申请的车体结构的结构阻尼损耗因子要比传统的车辆结构高出10％～15％，因此，当车本体1受外界激励而发生弯曲振动时，其振动能量会迅速地传递到粘贴在车本体1上的高阻尼隔声结构2中，在此情形下，会引起车本体1和高阻尼隔声结构2中的阻尼材料之间产生相互摩擦和错动，由此，便会消耗掉一部分能量，同时，由于高阻尼隔声结构2受力后会产生压缩和拉伸，高阻尼隔声结构2中的每一层的阻尼隔声层21中的分子之间会不断发生相对位移，同时，各阻尼隔声层21之间也会产生交变应力，这样，车本体1在振动时产生的振动能量会被大量地转化成热能而耗散掉。
同时，由于高阻尼隔声结构2具有一定的厚度和刚度，对车本体1的振动具有一定的抑制作用，可以缩短车本体1被激励的时间，减少车本体1产生的振动辐射噪声。同时，由于阻尼隔声层21具有一定的面密度，当与车本体1粘贴后，受低频段质量定律和阻尼的共同作用，提升了结构整体的隔声性能。
如图5所示，图中示意性地显示了该设备包括固定在混响室的墙体10上的窗口边框20，镶嵌在所述窗口边框20内的空白区域中的试验样件50，该试验样件50通过木质压紧框30来将试验样件50的周围进行压紧固定，在此基础上，再在窗口边框20和木质压紧框30相结合的部位增设横向连接片，然后，利用压紧螺栓40依次穿过窗口边框20或木质压紧框30后直接穿入到混响室墙体10内。其中，在试验样件50上增设振动传感器60，该振动传感器60通过传感器连接线70与测试显示仪器(图中未示出)电连接，其中，该振动传感器60为三个，分别布置在试验样件50的三个振动测试点上，采用力锤激励，获取振动衰减的T60(振动衰减60分贝所用的时间)，以此计算得到结构阻尼损耗因子。
经上述实验测试可知，本申请的车体结构比传统的车体结构的结构阻尼损耗因子要高出10％～15％，主要在400Hz以下的频段范围内，可以使得车体的振动特别是低频段的振动被迅速的转化成热能，从而降低车体传递的振动并减少振动产生的噪声。因此，采用本申请的车体结构可以有效的降低车内噪声。
如图1、图2和图3所示，在本申请的一个比较优选的技术方案中，相邻的该阻尼隔声层21之间紧密贴合。这样，可以提高高阻尼隔声结构2整体的隔声性能，避免发生隔声效果差的情况。
在另一个优选的实施例中，该高阻尼隔声结构2中朝向该车本体1的阻尼隔声层21与该车本体1的表面紧密贴合。这样，可以起到较好的隔声的作用，避免该高阻尼隔声结构2因与车本体1的贴合不够完全，从而导致发生隔声效果差的情况。
在一个优选的实施例中，该高阻尼隔声结构2通过黏胶层80粘贴在该车本体1的表面。这样，采用黏胶层80进行粘贴的方式，能够大大地提高该高隔声结构2与车本体1的表面的贴合度，避免发生由于该高阻尼隔声结构2与车本体1的表面的某处贴合不牢靠，从而导致影响隔声效果的情况。
如图1、图2、图3和图4所示，为进一步优化上述技术方案中的车本体1，在上述技术方案的基础上，该车本体1包括车体地板11，该车体地板11从上至下依次设有碳纤维内蒙皮111、闭孔泡沫层112以及碳纤维外蒙皮113，其中，在该碳纤维外蒙皮113的下表面粘贴有该高阻尼隔声结构2。这样，由于高阻尼隔声结构2具有一定的厚度和刚度，其对车本体1的振动具有一定的抑制作用，可以大大地缩短车本体1被激励的时间，减少车本体1产生的振动辐射噪声。同时，由于高阻尼隔声结构2具有一定的面密度，当其与车本体1粘贴后，在低频段质量定律和阻尼的共同作用下，大大地提升了车体结构的隔声性能。
需要说明的是，“碳纤维内蒙皮111”和“碳纤维外蒙皮113”中的“内”和“外”是相对而言的，即，“内”是指图2所示的上方，“外”是指图3所示的下方。
如图1所示，在本申请的一个比较优选的技术方案中，在该车体地板11的两端和中间区域均设有该高阻尼隔声结构2，其中，设置在该车体地板11的两端的该高阻尼隔声结构2的壁厚大于设置在该车体地板11的中间区域的该高阻尼隔声结构2的壁厚。具体地，根据车外噪声源的特点以及关键部位的隔声设计需要，可以通过调整高阻尼隔声结构2的整体厚度来对车体结构进行设计优化，例如，可将位于车体地板11的两端区域(转向架区域)的高阻尼隔声结构2的壁厚设计成4mm(毫米)，同时，将位于车体地板11的中间区域的高阻尼隔声结构2的壁厚设计成2mm(毫米)，这样，就可以大大地提高整车的隔声性能。容易理解，对于高阻尼隔声结构2的具体厚度并不仅仅地局限于该实施例所列举的情况，其还可以根据实际的隔声需要进行适当地、灵活地调整。
如图1所示，图中还示意性地显示了该车本体1还包括车体侧墙12，该车体侧墙12为多个并分别沿该车体地板11的长度方向的左右两侧呈间隔式设置，其中，在各个该车体侧墙12的内表面均设有该高阻尼隔声结构2。这样，通过将高阻尼隔声结构2设置在各个车体侧墙12的内表面，从而可以大大地提高车体侧墙12部位的隔声性能，进一步地，达到提高车体结构整体的隔声性能的目的。
如图1所示，为进一步优化上述技术方案中的车本体1，在上述技术方案的基础上，该车本体1还包括车体顶板13，该车体顶板13与该车体地板11纵向相对设置并且间隔开，其中，该车体顶板13的左右两端分别固定连接在相应侧的该车体侧墙12的上端面，其中，在该车体顶板13对应安装有受电弓(图中未示出)的区域设有该高阻尼隔声结构2。需要说明的是，“受电弓”的上端搭接在电网上，下端设置在车体顶板13的上表面，主要起到将电网中的高压电传输给车体结构，以达到给车体结构进行供电的目的。然而，还需要说明的是，由于安装“受电弓”的部位的噪声往往较大，因而，在车体顶板13上安装高阻尼隔声结构2，从而可以起到较好的隔声作用。
在另一个实施例中，在该高阻尼隔声结构2的内部添加有压电材料(图中未示出)。
在一个优选的实施例中，该压电材料包括纤维压电材料、片式压电材料和悬臂式压电材料之一。具体地，车体结构的振动能量，除了通过采用阻尼材料转化成热能耗散掉之外，还可以通过将热能转化成电能的方式加以利用。具体地，通过在高阻尼隔声结构2的内部添加不同形式(纤维类、片式、悬臂式)的压电材料，并根据车体结构的特点和振动特性，来优化压电材料的参数，当车体结构受到激励产生振动时，粘贴在车本体1的表面的高阻尼隔声结构2便会随着车本体1一起产生拉伸和压缩，在此过程中，会使得高阻尼隔声结构2内部的压电材料因为拉伸或压缩而产生形变，将振动的能量转化成电能，进一步地，降低振动能量，同时实现了能量的有效利用。
综上所述，通过在本申请中增设了该高阻尼隔声结构2，并将其设置成多层结构，即，使得该高阻尼隔声结构2由多层阻尼隔声层21沿纵向呈叠加式设置，并在各层阻尼隔声层21中添加层状石墨烯材料，这样，除石墨烯材料内部除分子间的作用力外还有相邻的阻尼隔声层21之间的相互作用力，由此，便使得该高阻尼隔声结构2的自身就具有较高的阻尼性能，材料阻尼损耗因子也可达到0.8以上，同时，通过将该高阻尼隔声结构2粘贴到车本体1上，就可以与车本体1共同构造成新的车体结构(即，本申请的车体结构)，这样，便可以使得本申请的车体结构的整体结构阻尼损耗因子得到大幅度的提升。由此可见，本申请的车体结构在车体结构的重量增加不明显(20kg/m2以下)、车体结构尺寸基本不变的前提下，具有显著提高车体结构的隔声量，使得车内噪声水平满足限值要求，从而达到提升乘客的舒适度的目的的优点。此外，由于上述高阻尼隔声结构2自身的材料阻尼性能较高，即，高于同类产品，当将其和车本体1组合到一起后，就使得本申请的车体结构的整体具有较高的结构阻尼性能。
另外，本申请的车体结构在具有相同隔声性能的前提下，与传统喷涂5mm(毫米)的阻尼浆的结构相比，具有相对较小的面密度，面密度降低约10％，有助于车体结构整体的减重设计。
本申请的车体结构还具有一定的通用性，可以运用到内饰薄壁结构以及蒙皮加筋结构等其它结构的隔声优化设计中。
需要说明的是，本申请的高隔声阻尼结构2中的“高”是相对而言的，即，本申请的车体结构与传统的轨道车辆相比，具有优越的隔声性能，总体上能比传统的结构隔声量提高4分贝，并且，在100～5000Hz(赫兹)的频段范围内，还能够在原来的隔声量的基础上再分别提升2-6dB(分贝)。
还需要说明的是，由于受结构匹配以及材料粘接性能等问题的影响，结构阻尼损耗因子比材料阻尼因子更能真实有效地反映阻尼性能。由不同结构在窗口安装条件下的结构阻尼因子测试结果可知，和传统的车辆结构相比，在400Hz以下的频段范围内，本申请的车体结构的结构阻尼损耗因子要比传统的车辆结构高出10％～15％，因此，当车本体1受外界激励而发生弯曲振动时，其振动能量会迅速地传递到粘贴在车本体1上的高阻尼隔声结构2中，在此情形下，会引起车本体1和高阻尼隔声结构2中的阻尼材料之间产生相互摩擦和错动，由此，便会消耗掉一部分能量，同时，由于高阻尼隔声结构2受力后会产生压缩和拉伸，高阻尼隔声结构2中的每一层的阻尼隔声层21中的分子之间会不断发生相对位移，同时，各阻尼隔声层21之间也会产生交变应力，这样，车本体1在振动时产生的振动能量会被大量地转化成热能而耗散掉。
同时，由于高阻尼隔声结构2具有一定的厚度和刚度，对车本体1的振动具有一定的抑制作用，可以缩短车本体1被激励的时间，减少车本体1产生的振动辐射噪声。同时，由于阻尼隔声层21具有一定的面密度，当与车本体1粘贴后，受低频段质量定律和阻尼的共同作用，提升了结构整体的隔声性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轨道车辆用高阻尼隔声复合材料的车体结构，其特征在于，包括：
车本体；以及
高阻尼隔声结构，所述高阻尼隔声结构设置在所述车本体上并与所述车本体的表面紧密贴合，所述高阻尼隔声结构包括沿纵向呈叠加式设置的多层阻尼隔声层，其中，在各层所述阻尼隔声层中均添加有石墨烯材料；
所述车本体包括车体地板，所述车体地板从上至下依次设有碳纤维内蒙皮、闭孔泡沫层以及碳纤维外蒙皮，其中，在所述碳纤维外蒙皮的下表面粘贴有所述高阻尼隔声结构。
2.根据权利要求1所述的轨道车辆用高阻尼隔声复合材料的车体结构，其特征在于，相邻的所述阻尼隔声层之间紧密贴合。
3.根据权利要求1所述的轨道车辆用高阻尼隔声复合材料的车体结构，其特征在于，所述高阻尼隔声结构中朝向所述车本体的阻尼隔声层与所述车本体的表面紧密贴合。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的轨道车辆用高阻尼隔声复合材料的车体结构，其特征在于，所述高阻尼隔声结构通过黏胶层粘贴在所述车本体的表面。
5.根据权利要求1所述的轨道车辆用高阻尼隔声复合材料的车体结构，其特征在于，在所述车体地板的两端和中间区域均设有所述高阻尼隔声结构，其中，设置在所述车体地板的两端的所述高阻尼隔声结构的壁厚大于设置在所述车体地板的中间区域的所述高阻尼隔声结构的壁厚。
6.根据权利要求1所述的轨道车辆用高阻尼隔声复合材料的车体结构，其特征在于，所述车本体还包括车体侧墙，所述车体侧墙为多个并分别沿所述车体地板的长度方向的左右两侧呈间隔式设置，其中，在各个所述车体侧墙的内表面均设有所述高阻尼隔声结构。
7.根据权利要求6所述的轨道车辆用高阻尼隔声复合材料的车体结构，其特征在于，所述车本体还包括车体顶板，所述车体顶板与所述车体地板纵向相对设置并且间隔开，其中，所述车体顶板的左右两端分别固定连接在相应侧的所述车体侧墙的上端面，其中，在所述车体顶板对应安装有受电弓的区域设有所述高阻尼隔声结构。
8.根据权利要求1所述的轨道车辆用高阻尼隔声复合材料的车体结构，其特征在于，在所述高阻尼隔声结构的内部添加有压电材料。
9.根据权利要求8所述的轨道车辆用高阻尼隔声复合材料的车体结构，其特征在于，所述压电材料包括纤维压电材料、片式压电材料和悬臂式压电材料之一。
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