CN100364820C - 优化人的头部撞击的汽车车头结构 - Google Patents

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Abstract

在行人发生交通事故时，要使行人的头部不受到严重损伤，关键在于，要使一个对应于该头部撞击的HIC值达到1000以下。为此，本发明建议，这样设计所述发动机罩，使得在所述缓冲减速度曲线(7)中出现第一个高的缓冲减速度高峰(8)，该缓冲减速度高峰在底部具有一个大约5毫秒的宽度并且在顶点处达到一个1500m/s2的值。通过这样一个前期的第一缓冲减速度使撞击速度迅速减小，并由此使得所不可避免发生的与发动机机组或其他车身构件的第二次碰撞只对人头部形成更小的缓冲减速度。

Description

优化人的头部撞击的汽车车头结构
技术领域
本发明涉及一种减轻人的头部撞击在其上面所受伤害的汽车车头结构，该车头结构具有一个稳定的、但是在受到一个撞击载荷作用时可变形的发动机罩，该发动机罩具有一个上壳层和一个安置在该上壳层下的并且与之相连接的加固层，在此，在一次头部撞击时会形成一定的随时间变化的缓冲减速度变化曲线，从中可以导出一个HIC值。
背景技术
长期以来汽车制造商和汽车用户所重视的是汽车的乘员的被动安全性，近年来安全技术的焦点集中在行人与汽车相撞的交通事故的问题上。在发生这样的交通事故时，汽车的车头撞到行人。此时，保险杠从侧面撞伤行人的腿部，因此身体跌在或倒在汽车的大致水平延伸的发动机罩上。最终，头部撞在发动机罩上，同时出现一个剧烈的、可能会导致严重大脑损伤的缓冲减速过程。
为了可以确定在发生这样的头部撞击时的受伤程度，给出了一个头部损伤标准HIC(Head Injury Criterion)的定义。该头部损伤标准HIC是在一个时间段内作用的缓冲减速度的平均值与该时间段的时间值的乘积，其中，所述平均的缓冲减速度是以2.5次方引入该乘积中。为了分析一个总的缓冲减速过程要观察不同宽度时间段内的缓冲减速过程并且计算出上述定义的乘积。所产生的最大值就是所述头部撞击的标准的HIC值。这一计算公式是以在所述撞击作用时间与缓冲减速度之间存在一定关系的认识为基础。所述撞击作用时间越短，头部所要承受并且无损伤地挺过去的缓冲减速度就越大。因此，所述HIC值是以一个数学函数为基础，利用这个数学函数可计算在一个时间段对头部形成的缓冲减速度。
对于所述公式的具体应用通过一个极限值1000来评定，其中，所述缓冲减速度以m/s2来表示以及时间以sec(秒)来表示。当对于所述随时间变化的缓冲减速度变化曲线分析所得出的结果值低于这个极限值时，那么可以以此为基础推断出头部未受到严重损伤。
如果具有一个足够长的缓冲减速行程，当然容易达到1000以下的HIC值，但在汽车的车头结构中并不存在这样足够的缓冲减速行程，因为发动机机组和其他车身部件直接处于所述发动机罩之下。
此外要注意到的是，所述发动机罩必须要有足够的刚度，这样它才能够承载自身的重量并且可以胜任静态的和行驶时的动态载荷。但是在动态载荷作用时通常由此产生一些导致HIC值升高的阻力。
这种矛盾的目的、亦即一方面面对静载荷的作用要具有一个足够的刚度，另一方面在头部撞击时又要具有足够的弹性，按照EP 0 992 418 A2是这样来解决的，所述发动机罩具有一个拱形的形状，其位于一些侧向的支撑件上并且自由地覆盖位于这些支撑件之间的发动机空间。所述发动机罩本身由一个上壳层和一个安置在该上壳层下方的吸收能量的加固层构成并且由此构成弹性的结构。所述发动机罩一方面通过所选择的夹层结构具有其刚性，但是主要是通过所述拱形的形状具有一定的刚性。通过这种结构要无作用力峰值地达到尽可能均匀的缓冲减速度变化曲线，如在EP 0 992418 A2中的几点上所阐述的那样。但是一个这样的减速度变化曲线具体而言意味着，对于一个头部可承受的缓冲减速度水平，所述结构对抗一个动载荷的阻力必须要小，而这样的结构可能不能承受静载荷。此外，这种结构还具有这样的缺点，即，并不是在每个汽车结构中都可以采用这样的发动机罩：这样一个发动机罩的所述拱形形状在挡风玻璃前是否会阻挡视线，视所述支撑件处于一个由结构参数所限定的高度的情况而定。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题是，创造一种可普遍适用的带有一个发动机罩的车头结构，该车头结构在汽车与行人相撞时使行人受到的伤害尽可能最小，同时要在尽可能短的缓冲减速行程上达到最优化的随时间变化的缓冲减速过程。
上述技术问题按照本发明通过一种减轻人的头部撞击在其上面所受伤害的汽车车头结构，该车头结构具有一个稳定的、但是在受到一个撞击载荷作用时可变形的发动机罩，该发动机罩具有一个上壳层和一个安置在该上壳层下的并且与之相连接的加固层，在此，在一次头部撞击时会产生一定的随时间变化的缓冲减速度变化曲线，从中可以导出一个HIC值，其中，所述加固层在受到一个冲击载荷作用期间在达到一定载荷值时由于在其微观结构和/或宏观结构中的断裂至少部分地失去功能，形成一个变形阻力，使得在所述随时间变化的缓冲减速度曲线中出现一个前期的缓冲减速度高峰，按照本发明，所述加固层由一厚的泡沫材料层构成，该泡沫材料具有一定脆性，使得该泡沫材料层在局部受到因一次撞击所带来的冲击载荷的作用时，其泡沫结构在该局部处萎陷，并且，所述发动机罩这样来构造，即，使得它在一个冲击载荷的作用下弯曲，此时，其抗弯强度基本上决定了在所述前期的缓冲减速度高峰之后的缓冲减速度。
通过这种构造达到，使所述结构设计为在承受静载荷时可以具有足够的刚度，虽然这样一个静态刚度本身会导致HIC值升高。但是这种情况可以通过下述方式避免：即，当超过一个与一定的作用力和弯曲度相关的载荷值时，所述结构的一部分、亦即所述加固层会萎陷，这导致在一个短的起始时间段内存在一个高的缓冲减速度值，由此不会使HIC值过于急剧的升高。
通过这样一个缓冲减速过程使所述受到撞击的头部的动能较早地在更大程度上就已减小，因此，即便头部在所述发动机罩挠曲后发生与处于其下面的机组触碰，预计也不会受到严重伤害。
当所述前期的缓冲减速度高峰的最大值至少是1000或1500m/s2时，所述效果更加明显，此时所述缓冲减速度随后直接下降到500m/s2以下。在达到这些数值时吸收的能量特别多，而不会超过以一个HIC值表示的所许可的头部承受载荷。上述数值尤其可通过在对图1的阐述中详细描述的按照EEVC-WG10的模拟程序来求出。
所述缓冲减速度高峰优选最迟在所述头部第一次与前罩板撞击接触后的5至8毫秒之后下降到500m/s2以下。如果分析出这个第一高峰值，那么就应该产生一个小于1000的HIC值。
一个具体的结构可以是，所述加固层由一层塑料、尤其是泡沫材料构成，这些材料要具有一定的脆性，致使在局部受到冲击载荷的作用时所述层的微观结构萎陷，在这种情况下萎陷意味着一些围成例如泡沫材料层的细孔的壁或连接部分由于材料脆性断裂，使得所述层不再有阻力地或者以一个减小的阻力被压缩。
另外，相对于所述上壳层发动机罩也可以具有一个下壳层，在这两个壳层之间设置所述加固层。通过这种结合结构达到一个高刚度，而不必将所述上壳层设计得特别厚。由于所述加固层由下壳层承载，所以在受到冲击载荷作用时所述加固层被压缩，以产生所述前期的缓冲减速度高峰值。随后整个的发动机罩才明显地向下弯曲。此时所产生的力基本上决定了在达到第一个缓冲减速度高峰后的缓冲减速过程。以这种方式保证，在所述泡沫材料层萎陷后还能够足够地吸收动能。
当所述上壳层及必要时所述下壳层由塑料或金属构成并且具有一个厚度t1时，以及构成所述加固层的那一层优选是一个塑料层，且该塑料层具有一个远大于厚度t1的、尤其是大于其4至15倍的厚度t2。由此实现，大部分动能在第一个缓冲减速度高峰通过所述塑料层的压缩被吸收。
另一个实现上述缓冲减速过程的方法将在下文阐述。其中，这个解决方案所要解决的另一个问题在于：所述发动机罩的上壳层通常由一层薄的板材构成，该薄板材可通过一个筋骨架或如上文所述通过一个传统的泡沫材料层来加固，以防止在受到静载荷的作用时发生凹陷。所述发动机罩上的一些部位尤其会遭受静载荷，例如处于一个罩锁上方的部位就是这样。为了给该锁上锁，汽车使用者在该锁之上的上壳层的上表面会施加一个压力。为了防止在该区域处被压瘪，该区域通常通过一个附加的加强轨条被加强，但是这也可能会导致在发生头部撞击时产生一个具有更高HIC值的缓冲减速过程。
因此，重要的问题在于，需要这样来设计所述发动机罩，使得该发动机罩在一个静态的压力载荷作用下避免凹陷，但同时在一个动载荷的作用下、如在发生头部或身体撞击时也可形成一个适当的HIC值。
按照本发明的另一优选设计方案，使所述发动机罩有一个具有小翘曲刚度的上壳层并且在所述上壳层的下侧固定有一个由一种脆性材料构成的薄的支撑层。
所述由脆性材料构成的支撑层加强了所述上壳层，使得所述发动机罩具有这么一个翘曲刚度，就象它的上壳层由一种具有高翘曲刚度的更厚板材制成那样。
但是由于所述支撑层整体上、亦即宏观结构上因为所述材料的脆性在受到一个动载荷的作用时断裂，因此产生一个在HIC值方面得以优化的缓冲减速过程：只要所述支撑层还是完好的，那么所述缓冲减速度就很高。但是只要该支撑层断裂，所述缓冲减速度就会明显减小，因此对于接下来的缓冲减速过程来说只有所述上壳层的刚度起决定性作用。所述起始时很高的缓冲减速度因此只是在一个短的时间段内存在，这样，所述头部载荷才可承受。
在一个有利的设计结构中，所述由脆性材料构成的支撑层面状地与所述上壳层相连接。由此达到，一个较薄的支撑层也可产生一个足够的加强效果。
这种加强方式优选应用在所述罩锁所在的局部区域中，因为所述罩锁需要一定的空间位置，在上文中详细阐述的具有一个起加强作用的在载荷作用下萎陷的泡沫材料层的夹层结构在这儿不能顺利地被采用。
附图说明
为了表达本发明思想，下面借助于两种实施方式详细阐述本发明。附图中：
图1以立体图表示一个夹层构造的截取示出的发动机罩，
图2表示撞击到图1所示发动机罩情况下的一个优化的缓冲减速度曲线，
图3模拟表示人的头部撞击在一个处于一减振器支座上方的发动机罩上的情形，
图4表示一个带有一个罩锁和一个按照本发明第二种实施方式的支撑层的发动机罩。
具体实施方式
按照图1，一个发动机罩1由一层被包裹的泡沫材料层构成，其中，该包裹层由一个上壳层3和一个下壳层4构成。在另一种设计结构中也可以取消下壳层。这种上、下壳层由一种结实的塑料或一种金属制成，而所述泡沫材料层本身由一种塑料构成。在此也可以采用一种由碳纤维、玻璃纤维或芳族聚酸胺纤维及具有更高强度的一个热塑性或热固性基体构成的复合纤维结构(Faserverbundstruktur)。
通过相应地选择材料并利用其制造出某种泡沫结构，就能实现使所述泡沫材料层以所期望的方式萎陷。当所述泡沫材料层由多个单层构成时，可以通过选择相应的层分离强度来实现，通过断开所述各单层的连接同样引起所述泡沫材料层的萎陷。
也可以考虑由更高强度的玻璃制成的层合材料。对于玻璃来说典型的脆裂特性使得所述材料层在受到一定载荷作用时断裂，由此它不再会形成阻力并且从中吸收的能量也不再施加到所述被撞击的人的头部上。
也可以采用在强度和脆裂特性方面具有类似玻璃特性的特殊的复合纤维聚合物或泡沫材料。
无论如何在所有情形下重要的都是，在发生撞击时首先产生一个阻力，该阻力在达到一定的力值及弯曲度或凹陷度时例如通过构成所述内芯的材料的断裂被减小。
通过这样的结构产生一个缓冲减速度变化曲线7，如在图2中以测量曲线所表示的那样。这些测量数值是对于一个按照EEVC的模拟人头被撞击时进行测量所获得的值。在此还涉及一个按照EEVC-WG10的头形撞击器12(见图3)，该头形撞击器12由一种酚醛树脂芯构成，该酚醛树脂芯包裹一层7.5mm厚的橡胶层。所述撞击器12具有4.8kg的质量并以一个40km/h的速度在与水平面成65°角的情况下撞击在发动机罩上。图2所表示的是头部撞击到在所谓的拱形罩11上方的发动机罩上时的缓冲减速度变化曲线，在该拱形罩11中固定了所述用于一个前车轮的减振器。
图2所示的图解中的X轴5表示时间，Y轴6表示头部受到的缓冲减速度，这些减速度值通过一个在所述撞击器12的重心处的加速度测量传感器测得。所述缓冲减速度变化曲线7示出，在坐标系的原点处示出的所述头部的第一次撞击之后立刻产生一个较高的具有超过1500m/s2以上值的缓冲减速度高峰8，但是经过5毫秒后该缓冲减速度高峰值已经下降到500m/s2以下，因为所述发动机罩的内部结构已断裂。但是所述撞击器12的速度还未完全降下来，因此，由于所述发动机罩1与所述拱形罩11之间狭窄的间隙10，所述缓冲减速度变化曲线7又出现第二次爬升9，但这只涉及到一个明显更小的缓冲减速度值，因此所形成的HIC值不会超过一个1000。
图4表示本发明的第二种实施方式。所述发动机罩1由一通过一个板形框架15加固的上壳层3构成，在此以剖视图示出了该发动机罩的前面部段。所述框架15具有一个围绕在发动机罩1上的棱边16和一些在此未详细表示的横撑和纵撑。所述框架15局部与所述上壳层3间隔一段间距，局部贴靠在其上面。
所述棱边16的前部段在中间具有一个凹处17，一个发动机罩锁的芯轴18固定在该凹处上。属于该罩锁的锁套19安置在所述汽车车身的一个横梁20中。
为了将所述芯轴18卡锁在所述锁套19中，必须通过推动或轻微地施压使所述发动机罩在克服一个弹簧的弹力的情况下朝所述横梁20的方向被挤压。为此从上方在所述上壳层3上施加一个压力。为了使所述上壳层3的薄板不被压凹，在该薄板的内侧粘贴有一层薄的由一种脆性材料制成的支撑层21。所述材料的断裂极限在一些为关闭所述发动机罩静态地作用在其上的力的作用下还没有达到。而在头部或身体撞击时产生的一个动态的撞击载荷的作用下，由所述上壳层3的薄板和所述支撑层21构成的结合体首先会反作用地对所述被撞击的头部施加一个高的阻力，但当所述支撑层21的脆性材料达到其断裂极限时，该结合体在很大程度上会向内塌缩。由此在头部撞击或身体撞击时会形成一个如在图2中概略示出的缓冲减速度变化曲线，其特点是在撞击的起始阶段有一个高的缓冲减速度高峰出现。
对于所述材料来说，也可以采用与塑料、陶瓷或类似材料的屈服点接近的金属。
附图标记清单
1  发动机罩
2  泡沫材料层
3  上壳层
4  下壳层
5  X-轴
6  Y-轴
7  缓冲减速度变化曲线
8  缓冲减速度高峰
9  上升
10  间隙
11  拱形罩
12  撞击器
15  板形框架
16  棱边
17  凹处
18  芯轴
19  锁套
20  横梁
21  支撑层

Claims (10)

1.一种优化人的头部撞击的汽车车头结构，该车头结构具有一个稳定的、但是在受到一个撞击载荷作用时可变形的发动机罩(1)，该发动机罩具有一个上壳层和一个安置在该上壳层下的并且与之相连接的加固层，在此，在一次头部撞击时会产生一定的随时间变化的缓冲减速度变化曲线，从中可以导出一个HIC值，其中，所述加固层在受到一个冲击载荷作用期间在达到一定载荷值时由于在其微观结构和/或宏观结构中的断裂至少部分地失去功能，形成一个变形阻力，使得在所述随时间变化的缓冲减速度曲线中出现一个前期的缓冲减速度高峰(8)，其特征在于，所述加固层由一厚的泡沫材料层构成，该泡沫材料具有一定脆性，使得该泡沫材料层在局部受到因一次撞击所带来的冲击载荷的作用时，其泡沫结构在该局部处萎陷，并且，所述发动机罩(1)这样来构造，即，使得它在一个冲击载荷的作用下弯曲，此时，其抗弯强度基本上决定了在所述前期的缓冲减速度高峰(8)之后的缓冲减速度。
2.按照权利要求1所述的车头结构，其特征在于，所述前期的缓冲减速度高峰(8)的最大值至少是1000m/s2，在这之后，该缓冲减速度立即下降到500m/s2以下。
3.按照权利要求2所述的车头结构，其特征在于，所述前期的缓冲减速度高峰(8)的最大值至少是1500m/s2。
4.按照权利要求2或3所述的车头结构，其特征在于，所述缓冲减速度最迟在头部第一次与前罩板撞击接触后的5至8毫秒之后下降到500m/s2以下。
5.按照权利要求1至3之一所述的车头结构，其特征在于，除了所述上壳层(3)外，所述发动机罩(1)还具有一个下壳层(4)，在这两个壳层之间设置所述加固层。
6.按照权利要求5所述的车头结构，其特征在于，所述上壳层(3)以及必要时所述下壳层(4)由塑料或金属构成，这些壳层分别具有一个厚度t1，以及构成所述加固层的那个层(2)具有一个远大于t1的厚度t2。
7.按照权利要求6所述的车头结构，其特征在于，t2比t1大4至15倍。
8.按照权利要求1至3之一所述的车头结构，其特征在于，所述上壳层(3)具有一个小的翘曲刚度并且在该上壳层(3)的下侧面上固定有一个构成所述加固层的由一种脆性材料构成的薄的支撑层(21)。
9.按照权利要求8所述的车头结构，其特征在于，所述由脆性材料构成的支撑层(21)以层叠方式与所述上壳层(3)相连接。
10.按照权利要求9所述的车头结构，其特征在于，所述支撑层(21)局限在所述发动机罩(1)的一个局部区域内，所述罩锁处于该局部区域之下。
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