德国、日本磁悬浮列车造型设计分析

张瑞佛　李芳宇

摘要：文章简要分析了日本和德国磁悬浮列车的设计发展概况；并基于德国TR系列磁悬浮列车和日本磁悬JRN公司系列磁悬浮列车分析了造型变化。通过对比分析两国磁悬浮列车历史造型设计，探究了影响列车造型变化的因素：速度因素、环境因素和美学因素。最后基于这些因素为我国磁悬浮列车系统设计提供有益参考。

关键词：德国 日本 磁悬浮列车 造型设计分析

中图分类号：TB47 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2018）01-0134-02

引言

中国自引进高速列车技术以来，通过不断的学习和自我发展，实现了高速列车知识产权完全的国产化。不仅如此，高速轨道交通系统的工业设计体系也因此得到了完善。随着高速运输技术的进一步发展，我国正在推动科技体制改革创新，新一批的先进轨道交通重点项目也包含“磁悬浮交通系统关键技术”。磁悬浮运输系统作为一种更快速、先进的运输工具，对中国现有轨道交通系统有重要的补充价值。造型设计作为磁悬浮运输系统设计的一部分，是实现磁悬浮交通系统技术整体飞跃必不可缺的条件。因此，分析已有磁悬浮列车造型设计，可为未来磁悬浮列车造型设计提供参考；另一方面则是探索磁悬浮列车造型设计理论，丰富轨道运输车辆造型理论体系。

一、磁悬浮列车的发展分析

现有的磁悬浮列车从悬浮技术上主要可以分为电磁悬浮（EMS）和电动悬浮（EDS）两种方式。电磁悬浮的主要原理（如图1）是在两侧转向架安装电磁线圈，使之与位于电磁线圈上方的轨道相互吸引，从而使电磁吸力与机车重力相平衡，让车体与轨道间产生间隙。该间隙被稳定在某个数值上，这个数值通常为8-12mm。电动悬浮的主要原理（如图2）则是在车底部安装超导电磁线圈。线圈通电后，车辆通过装在轨道上的无源线圈或非磁性金属板时，将使产生感应电流，该电流的磁场与超导电磁铁的磁场相互作用产生排斥力，从而浮起车体，产生100-150mm的离地间隙。

电磁悬浮试验比电动悬浮试验早诞生30余年，但是两种悬浮方式各有优劣。电磁悬浮式列车车身内外磁场更弱，而且不需要辅助推进系统和导轮；但是列车和轨道之间相对状态不稳定，难于控制；电动悬浮式列车具有更高的负载能力，理论速度更高，但是需要更高的价格成本和维护成本，技术难度也更大。两种方式都能达到很高的运行速度，按照速度等级分类，超过300KM/H的即为高速磁悬浮列车。因此，两种方式都满足发展高速磁悬浮交通运输的需要。目前，德国的电磁悬浮技术较为先进，代表车型为Transrapid（TR）；日本则有较丰富的电动悬浮技术累积，代表车型为JNR公司的磁悬浮各型列车。德国电磁悬浮列车技术和日本的电动悬浮列车技术具有较丰富的技术累积和设计实践，被认为最具有实用价值和发展前途。两种列车的实验和设计实践也证明，两型磁悬浮列车具备城市间高速运输的能力；因此，文章选择这两型车为分析对象。

二、德国磁悬浮列车的造型发展分析

整个TR系列磁悬浮列车使用电磁悬浮技术，由于受到技术形式限制，该系列车体采用“跨坐式”车体设计。从该系列车车型从TR01到TR05的早期试验型号都在追求更高的技术层次，因此对造型设计没有过多投入。早期的试验车为了验证技术，采用普通的技术将工作部分进行密封盒包裹。同时，由于速度的限制，早期试验车车身较为粗糙，采用了楔型的头部设计。此外，列车色彩和涂装只是满足了简单的使用要求。整体而言，TR07型车之前的型号没有统一的视觉符号，设计整体性不强。

整体造型而言，TR系列磁悬浮列车从07型车开始一直采用扁宽型车头设计，车头和前脸的造型设计成为了该型车固定的视觉特征。不仅如此，车身线条随着速度的提升和技术的进步变得越来越流畅。列车的细节部分也更加丰富，车身形面的过渡更加自然和圆滑，车身气密性也更强，具有更好的整体性。涂装也使用了彩色方案，不再单调（如表1）。2002年正式投入使用的上海磁悬浮专线由于引进德国技術，使用车身为德国制造，因此其造型基本沿袭了TR系列的典型造型特征。

三、日本磁悬浮列车的造型发展分析

日本从上个世纪60年代开始了磁悬浮列车的研究，并于1970年开始针对本国国情重点研制电动悬浮式列车。日本磁悬浮列车主要由JNR公司研发，型号也在不断发展。上个世纪70年代日本宫崎首条超导磁悬浮试验线全线竣工。到2015年4月21日，日本东海铁路公司宣布L0系高速磁悬浮列车在山梨磁悬浮实验铁路载人行驶时创下时603公里的时速纪录。由于技术的进步和提升，JNR各型磁悬浮列车在造型设计上也经历了一系列的变化和发展（如表2）。

早期的ML-001试验车速度较慢，因此车身更高，车头呈椭球型。随着速度的不断提高，其整体设计逐渐变得更扁更长，但是没有固定的设计样式，也没有固定的视觉特征。从MLX-001开始的车头造型为了适应更高的运行速度，采用了更为细长的头型设计来提升空气动力学性能和安全性。为了保证安全性和突破更高速度，MLX-002到LO型车车身也变得更狭长和低矮；列车车身减少了一些突出部分，提高了整体性设计，一方面具有更好的观赏效果，一方面满足更高速度下的安全需求。随着速度的提高，涂装设计为了突出列车飞快的运行速度，使用了延伸至整个车身的狭长线条形涂装，而早期的车型并没有这样的设计。

四、德国、日本磁悬浮列车造型设计的影响因素

作为服务于人的交通工具，轨道列车的发展不仅印证着人类技术的进步，也逐渐显现出对人的审美和乘坐舒适度的重视。轨道列车造型设计不仅要考虑相关标准、车体结构及尺寸、气动外形等技术要素，还要考虑美学、文化、人因等要素。因此，磁悬浮列车造型设计不仅要从技术角度量化，还要分析其设计中的美学元素、人文关怀，甚至区域特色等影响因素。通过对德国、日本磁悬浮列车设计发展的分析，文章概括出列车造型主要的三种影响因素：速度因素、环境因素和美学因素。

（一）速度因素

田红旗等人的研究表明，高速列车造型设计受到空气动力学的影响。由于不同速度对车身的空气动力学性能有着不同要求，列车造型设计也反映着速度的快慢。目前，高速列车的头部造型主要有扁宽形、椭球形、梭形和钝体头形4种；车身长度与横截面比例越大，承受的空气阻力越小。头部长度一定的情况下，扁宽形车头空气阻力较小，椭球形车头阻力较大，这也是日本磁悬浮列车采用扁宽型车头的原因。刘国伟等提出了四种适合地面车辆运行的头型（如图3），其中形状4的阻力系数最小。TR06车型采用了形状2的设计，TR07型为了适应更高速度采用了形状4的设计，并在之后的系列车型中一直延用。日本磁悬浮列车在MLX型之前采用椭球型设计随着速度提高逐渐改用扁宽型的设计主要是因为扁宽型头型具有更小的空阻，运行更安全可靠。

（二）环境因素

在高速列车的研究中，田红旗曾提出影响列车空气动力性能的车身截面参数（如图4）。其中，车顶截面倒角半径为R1和R2，R3为车身圆弧半径，R4为车底倒角半径；α、β分别为车身圆弧切面与竖直面夹角；车身高为H、车宽为W。其中参数W直接和列车运行的稳定性相关，当横截面积一定时，W值越大的车身运行稳定性越高。在无法改变W值的情况下，可以通过其他方式提高运行稳定性。由于日本磁悬浮列车运行段侧风多，路面建设范围有限，为了提升车辆运行的稳定性，日本磁悬浮列车减小H值，增大W值以提高其空气性能。此外，由于MLX系列磁悬浮车在U型槽中运行，涂装位置较高以防止车身涂装线被遮挡，而TR系列属于“跨坐式”安装在轨道上，车身涂装设计容易观察，限制更小。

（三）美学因素

在徐伯初的研究中，高速列车的美学特征被概括为三个方面：形式美、技术美和象征意义。为了营造形式美，列车造型设计尤其要注意形式的均衡和稳定，为乘客营造稳定和安全的心理暗示，让乘客产生安全信赖感。德国TR系列车体设计将视觉重心下降，给人稳定、规则坚固和高速感。同样的设计也表现在日本磁悬浮列车设计中，MLX系列之后的磁悬浮列车设计也降低视觉中心，在高速运行的同时给人稳定感。此外，車身涂装线条和特征线也为狭长的流线状，前细后宽的变化营造出向前运动的动势。由于磁悬浮列车的速度快，梁习峰认为高速列车的设计最好采用流线型，同时避免表面突出，完善气密性。光滑的车身反射出现代制造技术的提升，具有后现代之美，也透露出现代技术的特有美感。同时，车身涂装和造型也具有象征意义，将文化元素融合其中，充分考虑了本国的文化因素。TR08系列磁悬浮列车的涂装设计采用的是红黑涂装，颜色参考德国国旗，具有德国国家的象征，能提升国民科学技术自豪感。

结语

近年来，中国磁悬浮运输技术研究取得了飞跃式的进步和显著的成果。这为未来建设立体化、多样化的交通出行方式打下了坚实的基础，同时也对磁悬浮列车的设计提出了更高要求。德国磁悬浮和日本磁悬浮列车的造型设计有着较为丰富的经验，对我国磁悬浮列车造型设计有一定的参考价值，文章通过分析、参考这些造型设计，得到了影响设计的要素。注重这些要素对设计实践的影响，或将影响中国未来磁悬浮列车造型设计积极发展。