1.北京热塑性复合材料工程技术研究所

2.北京纳盛通新材料科技有限责任公司

3.法国洛林大学

4. 天津工业大学

01引言

对于轨道车辆来说，轻量化是一个永恒的话题。通过车辆轻量化，可以通过提高运行燃料效率来降低运行成本和减少CO2的排放。川崎重工开发出世界上第一个轨道交通转向架，这是新一代的铁路车辆转向架，其主要结构使用了CFRP，有效的实现了轻量化。

 

这次开发的efWING彻底颠覆了用于传统转向架的钢制主要结构，并将具有悬挂功能的CFRP板簧应用于部分主要框架结构中，因此大大简化了车架结构，并且不需要主悬架，与以前的型号相比，转向架的重量减少了约40％，每辆车的重量减轻了900公斤。此外，通过设计将CFRP板簧安装在转向架结构上的方法，提高了驾驶安全性和乘车的舒适性。

02基本结构

采用了航空领域使用的CFRP材料，世界首次用于铁道交通的转向架上，通过技术创新开拓未来。

为了保证列车运行的安全，转向架的H型主构架是转向架中质量相当大的一个部分；而且这一部分重量是只经过一次悬挂进行避震的，在运行时这一部分通过车轮对于轨道会形成巨大的冲击力，使得铁路需要进行频繁的养路作业。

因此，设计人员基于这种范式的设计进行革新，使用碳纤维复合材料这种高性能材料，将其一次成型，做成弓形的板状复合材料弹簧，将转向架H形主构架侧梁的功能和一系悬挂的功能整合到一起，这样不仅改善了转向架一系悬挂的性能，还能达到极致减重的目的。同时，板簧自身也承担了一部分均衡梁的功能，将两个车轴从相对独立的悬挂重新联系到了一起，进一步改变了转向架的垂直安定性。

 

图1 设计理念

 

图2 CFRP板簧

03运行安全性

使用脱轨系数、轮重降低率和横向力三个评估项目评估行车安全性。经确认，efWING测试转向架符合所有项目的指南。此外，还通过最大车体地板振动加速度来评估行驶安全性。垂直振动加速度和横向振动加速度的评估指南分别设置为0.5G和0.4G。如图6所示，垂直和横向振动加速度均满足各自适用的标准。

 

图3 测试车辆

 

图4车体地板振动加速度峰值比较

04轻量化

相比传统轴梁式转向架（以DT61为例），减重约450kg/台，以一个八节编组的电动车组为例，全列可减重约7.2t，轻量化的转向架不仅减轻了运行时对路轨的冲击，在节电上有也相当的优势。

 

图5 车体轻量化

05结束语

efWING与以往的转向架不同，以往的框架都是钢制主构造，这次使用了碳素纤维塑料（CFRP），拥有悬架功能，不需要盘簧。构造力图简洁化，一辆转向架只有450kg，更加轻量，如此一来，既可以减少列车行走时的能量消耗，转弯时减少了一半行走中车轮对轨道的上下负重的减少，可以有效防止脱轨。

这是铁路转向架设计中第一次如此大规模地使用碳纤维材料，并获得了日本国内“好设计奖”的金奖。

参考文献

（1）川崎重工ホームページ，https://www.khi.co.jp/，2023