CN100586762C - 用于吸收撞击能量的管状能量管理系统 - Google Patents

Abstract

一种能量吸收系统，包括由连续材料例如可热处理的钢制成的管子，该管子具有通过中间部分连接的第一和第二环形部分。一方面，该中间部分被扩大和/或收缩以使一管部分在撞击下可预测地伸缩地滚压。另一方面，一个管部分被退火以优化其延伸和屈服特性，从而在撞击下有利于滚压。通过这种设置，当缓冲系统接受到纵向的撞击时，该第一和第二环形部分可预测地并与滚压塌陷相一致地压伸缩塌陷。本发明也公开了与上述系统相关的方法。

Description

用于吸收撞击能量的管状能量管理系统

相关文献的交叉引用

该申请为申请系列号为no.09/964,914，申请日为2001年9月27日的连续专利申请的一部分，现在通过参考结合美国专利号为N0.6,648,384，题目为“具有不同强度的环的可压碎塔”的专利申请的整个内容。

发明领域

本发明涉及一种能量管理系统，该系统被配置成在撞击冲程中能够以一种一致的和可预测的方式吸收有效撞击能量。

背景技术

关心车辆安全性的联邦政府、保险公司、和经销商、协会以及公司已经建立了车辆缓冲系统必须通过的标准撞击试验。缓冲器支架和可压碎塔通常用于在车架上支撑保险杠并且常常在车辆撞击过程中吸收能量。几个特点对于“成功的”缓冲器支架和可压碎塔来说非常有益。需要制造能够在一个已知的窄范围内提供一致的和可预测的撞击能量，因此，个人车辆上的缓冲系统将全部通过测试是必然的。这要求制造商们制造更加安全的车辆并且也要求他们更精确地优化他们的缓冲系统从而减少额外的重量并使用更低成本的材料。更明确的是，它要求制造能够提供一致的压力对偏移曲线的缓冲装置和可压碎塔，和提供一致的能量吸收对时间曲线，以及提供塌陷的一致的和可预测的方式。这要求车辆制造商确切地知道任何给定的撞击力能够产生多少偏移，在车辆撞击或碰撞过程中，在任何点上有多少能量被吸收。反过来，这允许车辆制造商在缓冲系统周围设计足够的空间以允许没有损害的撞击而不需要浪费空间来补偿产品的差异并且对车架上的缓冲系统提供足够的支撑。该压力对偏移曲线具有几个重要的范围，在这些范围中，可压碎塔从弹性变形到永久变形到完全塌陷和塌陷到最低点。这些塌陷的不同点可以被预测以确保在塌陷前和塌陷过程中相当大的能量得到吸收，也能够确保在过度的载荷通过缓冲系统传递给车辆和车上乘客之前产生塌陷，这些是非常重要的。

除上述之外，缓冲器的开发程序需要长的筹备期，任何可压碎塔是挠性的，可适应性的和“可调节的”是很重要的，这样，在缓冲器发展程序后期能够可预测地对其进行修改和调节以在给定的车模上对其优化。同样，尽管车辆的需要有很大的差异，但是需要提供能够用于不同的保险杠和具有不同的缓冲系统和车模上的可压碎塔设计，以便于每一个新的缓冲器系统，尽管是新的，也不是一个完全没有经过测试的和“未知的”系统。

在缓冲系统中，一些支撑保险杠的管式可压碎塔是已知的。在一种类型中，两个冲压的半壳体被焊接在一起。然而，这个过程产生了原料废料。同样，该焊接过程为增加制造总成本的附属操作。另外，该焊接的可压碎塔受到重要产品变化和产品撞击强度，压力对偏移曲线，能量吸收曲线和压碎失败点重要变化的支配。

一些可压碎塔使用比其他可压碎塔更强的材料。然而，当可压碎塔的强度增加时，存在将越来越强的载荷从保险杠直接传递给车架的趋势。这常常是不希望的。相反，所述塔自身在一个分配的时间阶段内可预测地压缩和塌陷并吸收最大的能量是所希望的。尤其是，强度非常高的可压碎塔倾向于从保险杠向车架传递不期望的高载荷峰值。这常常跟随着可压碎塔的灾难性塌陷，很少的能量在这里被吸收并且在这里从车辆到车辆的能量吸收不一致或不可预测。并且，它导致了车架过早地损害。通过可压碎塔来看，在车辆撞击过程中，可压碎塔被设计成在整个压碎冲程上连续和可预测地伸缩和弯曲是特别重要的。同时，允许使用超过强度材料，如高强度低合金钢(HSLA)或具有非常高的强度和重量比的超高强度钢的设计是需要的。如缓冲器制造领域的技术人员所知道的，在高强度材料外简单加工可压碎塔的想法是可怜的，实际上，由于将高的撞击载荷和载荷峰值传递给车架，以及与不充分能量吸收相关的问题常常导致缓冲系统的失败。

车架，如缓冲器支架和可压碎塔，最好设计成能够处理撞击能量，既在能量吸收也在能量耗散方面。需要降低对车辆部件的损害，也需要降低对车辆乘员的伤害。如缓冲器支架和可压碎塔，车架具有很长的开发时间，另外，它们常常需要在开发后期进行调整和调节。车架(和车架上安装的部件)具有很多与缓冲器支架和可压碎塔相同的利害关系，当然，因为缓冲部件和可压碎塔(和其它车辆部件)连接在车架上。

更广地，需要一种柔性的，能够在非常不同的环境和应用中使用的能量吸收系统。特别是，该能量吸收系统在缓冲系统，但是也在车架上(纵向和交叉车)，和其他应用上，也在非车辆应用上。

因此，需要一种解决上述问题并具有上述优点的能量管理系统。特别是，需要一种提供一致的撞击强度，一致的压力对偏移曲线，一致的能量吸收(对于弹性和永久变形)，以及一致的坍塌点和方式，所有的这些在紧的/窄的产品和特性变化范围内得到提供。同样，需要一种有成本竞争力的能量管理系统，其能够在减少对辅助操作的需要以及减少对手工劳动需要的情况下加工，然而它是灵活的和可调节的。

发明内容

本发明的一个方面，一种在被纵向撞击时适于可靠地和可预测地吸收大部分撞击能量的能量管理管，包括：第一管部分；与第一管部分对齐的第二管部分；和具有分别与第一和第二管部分整体连接的第一和第二端部的中间管部分；该第一和第二管部分在尺寸上不同，该中间管部分具有从第一管部分过渡到第二管部分的形状；该第一管部分的尺寸大于第二管部分并包括限定管状边界的外表面，该第一端部包括一变形材料的连续带，该连续带径向向外张开越过该外表面，并用作在纵向撞击时支撑和保持第一管部分的圆柱强度，当第一管部分保持其圆柱强度时，第二端部对比地设置成在撞击过程中开始第二管部分的可伸缩滚压。

本发明的另一个方面，一种能量管理管包括：第一管部分；对齐的第二管部分；和具有分别与第一和第二管部分整体连接的第一和第二端部的中间管部分；该第一和第二管部分在尺寸上不同，该中间管部分具有从第一管部分过渡到第二管部分的形状；该第二管部分的尺寸小于第一管部分，并包括限定管状边界的内表面，该第二端部包括一变形材料的连续带，该连续带径向向内张开在该边界内部，并在纵向撞击时用作支撑和维持第二管部分的圆柱强度，当第二管部分保持其圆柱强度时，该第一端部构造成在撞击期间开始第一管部分的可伸缩滚压。

本发明另外一个方面，一种能量管理管包括：第一管部分；对齐的第二管部分；和具有分别与第一和第二管部分整体连接的第一和第二端部的中间管部分；该第一管部分在尺寸上大于第二管部分，该中间管部分具有从第一管部分过渡到第二管部分的形状；该中间部分形成一个连续的环，并且当纵向地交叉分割时，该中间部分为一非线性壁部分，第一端部在该壁部分上限定第一半径，第二端部在该壁部分限定第二半径，第一和第二半径中的一个小于另一个半径，具有一个较小半径的端部比另一个具有较大半径的端部对圆柱强度提供相对大的支撑；具有另一个较大半径的端部被构造成开始具有较大半径的管部分的可伸缩滚压；由此，在承受纵向撞击时，当中间管部分受到来自纵向撞击的力时，该中间管部分和该第二管部分可预测地滚压并且比第一端部更快和比第一管部分更快。

本发明的又一个方面，提供一种在纵向撞击时适于可靠地和可预测地吸收大部分能量的能量管理管，该能量管理管包括：第一管部分；对齐的第二管部分；和具有分别与第一和第二管部分整体连接的第一和第二端部的中间管部分；该第一管部分在尺寸上大于第二管部分，该中间管部分具有从第一管部分过渡到第二管部分的形状。一可压碎支撑部件设置在第一管部分的内部，并且被构造成当纵向撞击时破碎且同时有助于材料的滚压控制。一可压碎支撑部件设置在第一端部的内部且用于支撑该第二端部，以提供额外的阻力来开始和保持伸缩滚压，支撑部件的功能独立于端部的可伸缩滚压。

本发明还有另外一个方面，一种能量管理管包括：第一管部分；对齐的第二管部分；和具有分别与第一和第二管部分整体连接的第一和第二端部的中间管部分；该第一管部分在尺寸上大于第二管部分，该中间管部分具有从第一管部分过渡到第二管部分的形状；以及该中间管部分和第一和第二管部分中的一个被退火以具有与第一和第二管部分中的另一个不同的材料特性，该不同的材料特性包括屈服和延长特性的改变并且适于当中间管部分接受到足以使中间管部分变形的应力时促进中间管部分的变形和成形。

本发明能量吸收技术的目的是提供一个灵活的能量管理系统，该系统能够在不同的环境和应用中使用，例如缓冲系统，车架(纵向和交叉车)，将主要车辆部件锚定于车架上的系统，车顶结构，还有非车架应用，例如转向柱管系统，仪表盘支撑系统等等。

当研究完下述说明书，权利要求和附图后，本领域的技术人员将会对这些以及其他的方面、目的、和本发明的特点作出理解和评价。

附图说明

图1为包括连接于车架的安装板、保险杠和包括连接于安装板和保险杠的相对末端的可压碎塔的缓冲系统的水平截面图；

图2为与图1相似的视图，但可挤压塔已经塌陷了第一距离(相对短)；和

图3为与图2相似的视图，但可压碎塔已经塌陷了第二距离(相对长)；

图4为体现本发明的能量管理管的侧视图；

图5为能量管理管可采取的其他截面形状的透视图；

图6-8为管状坯料的侧视图，具有第一直径的管状坯料(图6)，管状坯料在一端被压缩成减小的直径部分(图7)，然后将中间管部分纵向变形以呈现预期的S形(图8)，图8说明了本发明的能量管理管；

图9-11为图8中所述管的侧视图，端视图以及纵向截面图，所述管在临近其较大直径管部分具有其中间管部分的向外扩张的末端部分；

图12为图10中环绕区域XII的放大图；

图13为图14中所示管的透视图，该管被部分可伸缩地塌陷并包括在较大直径管上的压延材料；

图14-15为改进的能量管理管的侧视图和纵向截面图，该管在临近其较小直径管部分具有其中间管部分的向内扩张的末端部分；

图16为图15中环绕区域XVI的放大图；

图17为说明图10中所示管子受到纵向撞击的载荷对偏移曲线的曲线图；

图18为说明退火在硬度和抗拉强度对从图10中的管子底部的距离影响的图表，该管子直立并且具有中间管部分(范围从约75mm到约95mm)以及退火的第二管部分；

图18A为说明退火对图18中管子所使用材料的影响的图表，退火温度线A-J的顺序说明了屈服强度的逐渐降低，抗拉强度的减少，以及应变和基于逐渐上升的退火温度的变形性的总体增加；

图19为包含图10中的本发明的能量管理管的车架的透视图，包括四个放大的使用本发明能量管理系统特殊区域；

图20为两个交叉的车梁的透视图，一个为位于车辆地板下面在车架上使用的交叉梁，另一个为在车辆地板上面使用的并用于支撑车座的交叉梁；

图21为一个缓冲系统的透视图，该系统包括加强保险杠和在车架上支撑保险杠的可压碎塔；

图22为用于支撑仪表盘的十字形汽车梁的透视图；和

图23-24为说明从图23中的能量管理管分解的并且位于图24中管内的可压碎支撑部件的透视图；

具体实施方式

一种车辆缓冲系统10(图1)包括具有装配架的车辆前保险杠11、包括导管装配板12的车辆车架、和安装于装配架和装配板12之间的可压碎塔架。该可压碎塔13包括由连续材料制成的管子，例如高强度的可热处理钢。该管子具有通过互连部分16连接的第一和第二环形截面14和15。该可互连部分16具有形成漏斗形斜面的截头圆锥体部分17。在一种方式中，第一环形部分14被热处理成高材料强度，例如约140KSI抗拉强度，该抗拉强度基本高于第二环形部分15，第二环形部分基本保持在60KSI抗拉强度。可以预测，该第一环形部分14的抗拉强度应该比第二环形部分15的抗拉强度高一个较大的数量，例如约10％，但是优选为抗拉强度的两倍或比其高60KSI。这种配置为环形部分14提供了必要的硬度以便缩叠在环形部分15上并且在互连部分16的截头圆锥形部分17上提供隆起。

通过这种配置，当缓冲系统10受到平行于可压碎塔13一段长度的末端撞击时，第一和第二环形部分14和15具有可预测的和协调的多相变形顺序可叠缩地彼此陷入，在第一和第二环形部分14和15之间开始形成(图2)或已经形成(图3)第三环形部分或小半径被压紧部分18。一旦第三环形部分18完全形成，如由一定长度的互连部分16限定的，材料开始变弯曲并且在由部分22形成的“钩状”部分下于位置20处聚成一团。可以预期，如果一种车型有足够的空间，可以提供其他的环形部分和互连部分，并且在可压碎塔最终降到底之前需要其他的能量吸收。

图中说明的保险杠11为一种管式梁且为本领域所公知。例如，见Sturrus专利5,092,512和5,813,594。然而，可以预测，该梁也可以为一种敞开的非管式梁。同样，该保险杠可以为直线的或曲线的。取决于其形状，装配架或装配板可被用于在保险杠上提供一个相对平的适于连接于可压碎塔的安装表面。(见专利5,092,512中的图14和专利5,813,594中的图4)。相似地，在车辆连接的每一个可压碎塔的末端，很多不同的装置可用于提供将可压碎塔固定于车架的连接点。

本发明的可压碎塔13由单管形制成。可以预期，管子的形状最初由卷制形成并焊接成一个永久的管子从而具有一个恒定的和环形的横截面，具有恒定厚度的均匀管壁。尽管如此，可以预期，非环形的管子也可以用于本发明中。

管子形成并切割至一个需要的长度后，互连部分16被轧制或压制形成一个向内变形的相对于管子中心线21具有一个较小角度的截头圆锥形状部分17(形状如漏斗)，和一个相对于中心线21具有较大角度的向内变形的径向急剧突出的部分22。该说明的截头圆锥形状部分17具有一个相对线性的漏斗形部分以便于在撞击期间形成一个刚性斜面以引导环形部分15进入到环形部分14内。同样，急剧突出部分22被形成圆角和角度以便于其承受一个导致其卷成一个向内变形的钩形的弯曲力(见图2)。该向内弯曲变形的材料形成一个对于部分15一致的圆柱形支撑，其保持管部分15的圆柱强度。这有助于在撞击过程中部分14和15的叠缩，如下面所讨论的。

可压碎塔13内的内腔25为开口的并且在撞击过程中保持开口状态。因此，在腔25内可以设置一个部件而不会对可压碎塔13的性能有负面影响。例如，如果需要，可以在腔25内设置一个挂钩衬套。

在实施中，通过制作一个管子对可压碎塔进行加工，如通过卷制，然后通过卷制或变形成直径减少的互连部分，再对环形部分14(和/或部分15，17和22)进行热处理。在可压碎塔13水平地并且彼此横向间隔的情况下，然后通过连接于保险杠11将一对可压碎塔13组装成缓冲系统10。然后将该缓冲系统10连接于车架。

在撞击过程中，由于环形部分14和15沿着其中心线21的线性强度，互连部分16开始弯曲。特别是，当急剧突出部分22向后对折在其上时，在急剧突出部分22下面的截头圆锥形部分17受到驱动，形成一个向内变形的夹紧部分17的构型环。部分22与部分17剩余部分材料相比的半径有助于该结果的形成。这在能量吸收的第一(较低)级提供了塌陷的第一阶段。在从汽车碰撞的长冲程过程中，当可压碎塔承受进一步的压缩时，互连部分16的一端弯过来并且在环形部分14剩余材料下面受到拉伸。当环形部分15的端部弯曲并卷在管部分15的外表面时，在环形部分14和15之间形成了第三环形部分18。这随后的塌陷和不同部分14-16的变形并且尤其是，管部分14的材料的滚压以一种很容易预测的方式并且在一个相对窄的变量范围内吸收了相当大的能量。

可以预期，当前的可压碎塔可以在滚压机上由高强度的低合金钢(HSLA)滚压形成。另外，可以预期，钢的滚压可以为高强度钢(例如70KSI抗拉强度)，或超高强度钢(如80KSI抗拉强度或更高)。如果需要，这些材料可以在选定的区域退火以增加拉伸特性或降低它们的屈服强度(例如60KSI抗拉强度或更低)和/或在选定的区域进行热处理以增加强度。例如，具有在其一端具有60KSI抗拉强度的区域并在相对端具有120KSI抗拉强度区域的可压碎塔可通过两种方法进行加工。该中间环形部分最好为约60KSI并且在强度上与较低强度环形部分相似以更好地确保一个好的塌陷顺序。应该注意到，在当前的公.开中，术语“热处理”被认为比术语“退火”范围更广，术语热处理包括通过使用热或温度的方法增加或降低材料特性。同样可以预期，热处理和/或退火可以与滚扎装置在线进行并且作为一个连续过程与滚扎同步进行。当退火步骤在线并且与装置和滚扎步骤同步进行时，滚扎形成的管形非常有益，以便于临近的可压碎塔在相反的方向上面对。例如，在环形部分15(例如，连接于保险杠的末端)从高强度到低强度退火的地方，临近的可压碎塔(例如，在分成两个分开的管部分之前)的两个环形部分彼此临近是很有益的，以便于在一个较宽的区域内应用单一的退火热量。这增加了滚扎过程和退火过程的效率、控制和作业线速。

改进

在下面的描述中，相似的部件，特征和方面采用相同的标记标识，但是具有额外的字母“A”，“B”等。这样做是为了减少多余的讨论。

提供了一种改进的能量管理管13A(图4)，当被纵向撞击时，其增加了可靠性和可预测地吸收了实质的撞击能量。该能量管理管13A包括一个第一管部分14A，一个与第一管部分14A成直线的第二管部分15A，和一个分别具有第一和第二端部30和31的中间管部分16A。该末端部分30和31分别整体地与第一和第二管部分14A和15A连接。该第一管部分14A在尺寸上大于第二管部分15A，并且具有类似圆柱形截面形状。然而，应该注意到，第一和第二管部分14A和15A也可以为包括矩形、正方形、椭圆、圆或其它几何形状的不同形状。(见图5)另外，可以预期，管部分14A和15A也可沿它们的长度上具有不同的截面形状，尤其是在与中间管部分15A间隔开的位置，在那里管部分14A和15A必须适合于连接不同的结构，例如车架部件等部件。(见图19-22)中间管部分16A从第一管部分14A到第二管部分15A具有一个形状转变，并且进一步地，如下面所说明的，第一和第二端部30和31在形状上不相似(图9-12)。

当前公开的能量管理管13A(图4)由可退火的钢材料板制成，具有作为一个单元整体在一个形成的每一个管部分14A，15A和16A。为了满足功能设计的需要，壁厚可以不同。例如，对于保险杠可压碎塔和/或车架，厚度可为约1.5到4mm，取决于材料强度和使用要求的特殊应用。可以设想，板材初始在滚扎机上被加工成一个连续的长管，然后切割成预定长度的管形坯料60(图6)。然后，管形坯料将具有管部分15A和退火的16A，然后形成轮廓61(图7)，在那里第二管部分15A被压制成一个直径减少的部分，具有暂时呈现一个暂时截头圆锥体轮廓的中间部分16A。已经确定了，其有助于固定地和纵向地使能量管理管13A变形至一个预定的状态(图8)，这样中间部分16A呈现一个在初始撞击过程中能避免高载荷峰值的特殊形状，如下面所说明的。对于自动缓冲系统和车架部件，板材为好的，可靠等级的钢，例如结构钢，是优选的。具有高于约35KSI屈服强度的钢工作良好。可在选定的区域进行热处理或退火以获得最佳屈服和拉伸特性的钢也是优秀的候选对象，例如结构钢，或高强度低合金钢(HSLAS)或超高强度钢(UHSS)。

关于材料的特殊说明是适当的。由于被选择的材料变得越来越坚固和坚硬，具有更高的屈服强度，更高的抗拉强度和较低的延伸值，它们常常对于紧密的半径更加敏感并且将趋向于抵制轧制。或者可替代的是，在紧密的半径时，它们将趋向于断裂，弯曲，剪切，裂纹，和/或裂口。当半径接近材料的厚度时，这个断裂的问题会变得更加严重。本发明利用了向外和向内的卷边，间隙，和特别选来有助于解决该问题的半径。不同等级的钢是本领域所熟知的并且本领域的技术人员很容易理解。读者的关心集中在用于标准工业限定的ASTMA1008/A和A1008M-01a，和ASTM A1011A以及A1011M-01a。结构钢，例如具有约25KSI和更高的，具有上面所提到的质量问题开始出现的强度特性。结构钢典型地要比冷扎商业等级钢或热轧商业等级钢的等级略高。尽管如此，当它们接近25至30KSI抗拉强度时，它们就趋向于出现问题。可以特别预期的是，在上面说明的能量管理管13(和管子13A和13B)中使用结构钢，例如具有抗拉强度约为25KSI或者更高的钢，本发明将会工作良好。本发明对于强度为80KSI和更高的更强材料，以及超高强度钢(UHSS)同样非常适合并且工作良好。在需要材料的可加工性以及增强轧辊的地方，这些钢可以被热处理或退火以在沿着能量管理管的关键性区域获取最佳特性。

应该注意到，这里讨论的不同钢材规定为并且相信能够得到钢材料领域和滚扎领域的技术人员的很好理解。为了读者的利益，应该注意，附加信息可以从美国测试和材料协会(ASTM)得到。这里所使用的关于钢材的术语规定为与ASTM标准和限定一致。尽管如此，应该强调，当前的技术是非常灵活的并且适于与很宽范围的材料起作用。因此，尽管合理地解释，但是不同的术语应该得到更广的解释。

应该确信，当前的原理对于HSLA钢和超高强度钢(UHSS)，例如双相钢、三相钢(TRIP)，或马氏体材料尤其有用。当前的原理对于其他工程等级钢材，例如铝和甚至更软的材料也同样有用。当前的原理在高强度材料允许通过减少壁厚(例如厚度压减)来减少重量的地方尤其有用。通过热处理，所述材料内在地更容易加工和变形(flowable)，和/或可以在选择的区域变得更容易加工和变形。例如，这允许预定在中间管部分16A形成较小半径，又具有降低产生微观裂纹和/或宏观裂缝和/或断裂的危险，降低剪切问题和例如倾斜的材料分离的危险和降低在小直径弯曲区域产生材料强度减少的其他质量缺陷的危险。退火的特性也允许材料轧辊而不会剪切，开裂，或撕裂，这在撞击和纵向碰撞过程中对于取得最大的能量吸收非常重要。(见图13)。

值得注意的是，本发明提供的能量管理管的特性可以调节并且通过不同的方法调节成满足特定标准，包括通过下列不同的调节：材料厚度，材料类型，材料硬度和可屈服性，退火温度和条件，管子直径和形状，所述特定轧制半径设计和预期程度，定位在管部分内(或外部)的可压碎插入件的使用，和影响材料轧制、圆柱强度、能量吸收和在纵向挤压撞击过程中应力分配的其它特性。

如图9-12所说明的，第一管部分14A在尺寸上大于第二管部分15A。该第一管部分14A包括一个限定了管状边界32的外表面。该管状边界32在靠近第一端部30的区域与第一管部分14A的截面形状相匹配。第一端部30包括紧密变形材料34的一个环形连续带，该变形材料34超过边界32径向向往张开，例如以一个约25度的最小角度。该紧密变形材料34限定了一个有效形成一个抵抗材料轧制的“压紧”区域的小半径。同样，在小半径处有一些冷加工硬化的材料。该小半径(在其凹面)最好不小于第一端部30的材料厚度的0.5倍。因此，其充分抵制了剪切或裂缝的趋势。变形材料34抵制轧制的原因是多种多样的和细微的。可以相信，沿着具有卷边形的紧密“小”半径形成了支撑第一管部分14A的均匀的环绕支撑，其用于在纵向撞击时保持第一管部分的圆柱强度。当纵向压缩时，紧密变形部分34抵制第一端部30和第一管部分14A的滚压。

对比地，第二端部31(图12)具有具有一个限定了相对大半径的(在其凹面)变形材料35，例如至少为第二端部31材料厚度的约1.0倍。由于半径较大，因此，第二端部31的变形部分35抵制第二管部分15A的材料滚压较弱并且对第二管部分15A的圆柱强度的支撑较弱。实际上，由于第一管部分14A保持其圆柱强度，因此，第二端部31被设置成在撞击过程中开始第二管部分15A的可伸缩滚压。管部分15A和16A被退火和第一管部分14A没有退火的事实进一步有助于并产生了该结果(尽管退火不要求具有材料滚压的倾向)。提供有用于材料滚压时所需要的材料流动的间隙。潜在地，管部分14A和15A的尺寸可形成为在撞击过程中、在材料的滚压过程中彼此提供支撑。由于其有助于避免初始时急剧升高的载荷峰值，因此中间管部分16A的预定条件也很重要，这样，当其达到一个预定的初始水平时，载荷快速变平，然后保持在撞击冲程中过程中的水平。(见图17)。

第二能量管理管13B(图14-16)包括第一管部分14B，第二管部分15B，和互连管14B和15B部分的中间管部分16B。然而，管13B不同于管13A。在管13B中，较大直径的第一管部分14B的末端部分30B包括限定较大半径的变形材料34B。另外，该变形材料34B没有向外扩张，但是替代为通常保持在由第一管部分14B的外表面限定的边界内。同时，第二管部分15B的末端部分31B包括限定了一个较小直径的变形材料35B。该变形材料35B在环形边界32B内向内扩张，例如以一个约12度的最小角度。

图13说明了在从管13B的第一管部分14B的部分材料36已经滚压的部分行程撞击。(在管13A中，当以相同的方式滚压时，第二较小管部分15A为滚压部分。

图17说明了对于管13A和14A的典型的载荷对偏移曲线。虽然在撞击冲程过程中加载时有些变化，但是这对于设计能量管理管系统(例如对于对于保险杠和车架)的本领域的技术人员来说是很明显的，载荷快速达到一个预定水平，并且在整个撞击冲程中相对一致地停留在选定的水平。载荷偏移曲线下面的面积代表了撞击冲程过程中真实的能量吸收(“AEA”)。理想的能量吸收(“PEA”)通过将一次撞击(D1)过程中的最大载荷与全部冲程(D2)相乘得到。当前的能量管理系统提供了非常高的效率额定值(例如，“AEA”除以“PEA”)。尤其是，由于相对固定的初始加载，和相对容易保持以及连续通过整个撞击冲程的加载的一致水平，当前的能量管理管技术比已知的缓冲器可压碎塔具有更高的和更一致的能量吸收效率。特别是，本发明的原理提供了载荷对偏移曲线的令人惊奇的和意想不到的一致性和可靠性，并同样提供了一致和可靠的能量吸收和压缩冲程。

图18为一个说明典型退火管的图表，如可用于取得图17和图18A中效果的退火管，该图表说明了退火对用于图18中管子的材料的影响。退火温度线A-J的序列说明了屈服强度的逐渐降低，抗拉强度的减少，应力的总的增加以及基于逐渐增加的退火温度的可变形性。其同样说明了抗拉强度与屈服强度的总的关系，还有这些特性与应变之间的关系。

图19为一个体现本发明图11和15提供的能量管理管的原理的管状车架的透视图，其位于它的管状大梁内。以放大的方式说明了与四个区域邻接的四个特殊区域，每一个区域说明了可以应用本发明的能量管理系统技术的地方。然而，应该注意到，本发明的技术可以应用到其他区域。另外，在“真实的”车架上，使用的位置最有可能在车架上更对称的位置。

图示的管40(图19)位于靠近车架39的前端，在前部车架侧梁的纵向部分，正好位于车前横梁的前部。管子40的截面为矩形，并且包括一个单独的中间管部分(16C)(见图11)，在压缩撞击过程中，其被设置成管子(14C或15C)之一的初始的滚压材料。能量管理管41位于车架上一个相似的前部位置。管41截面为环形，并包括在压缩撞击过程中用作初始滚压材料的一个单独的中间管部分(16D)。管41也包括一个位于环形截面转变成矩形截面以与车架部件前端(或后端)接合的一端的缓冲区42。例如，管41可用于支撑车辆保险杠。

两端部管子43位于所述车架侧边的中间部分。管子43为圆形截面，并包括两个在位于中心的较小直径管46相对端相向面对的中间管部分44和45。管43还包括两个位于每一个中间管部分44和45外端的较大直径管部分47和48。另外，较大直径管部分在它们的外端转变成矩形截面。另一个能量管理管49与管40相似，并且位于车架大梁的末端。然而，并不是位于最靠近的横梁的前部，横梁50直接连接于能量管理管49的较大直径管部分，例如通过焊接。

图20为两个车横梁的透视图，一个为用于相同平面(如车架)的车辆横梁52。所述横梁或能量管理管52与上面讨论的两端部管43相似。它包括一个位于中间位置的较小直径管部分53，和连接于车架大梁的两个较大直径管部分54和55。值得注意的是，管13A(或13B)的端部可以退火以有助于改造成与车架导轨的几何形状更加匹配。

图20中的其它能量管理系统包括一对作为横梁设置，但是在车辆地板上部使用，或至少设置在相对于地板可以在其上锚定座位的位置的管55。每一个管55与管52相似，其相对端锚定在车辆侧边。每一个管55包括一个较小的中间管部分56和两个外部较大的管部分57和58。车辆包括具有连接于较大管部分57和58的前部和后部外部支腿的座位59和60，并具有连接于较小管部分56的前部和后部内支腿62。

图21为一个缓冲系统的透视图，该缓冲系统包括一个加固保险杠64和一个在车架上支撑保险杠64的能量管理管65。该可压碎塔65为一个类似于管41能量管理管，不需要详细讨论。

图22为用于支撑仪表盘68的横梁67的透视图。横梁67包括一个独立的长的较小直径管部分69，和在其每个末端的两个较大直径管部分70。该较大直径管部分70连接于车辆结构，例如正好在前部乘客车门前部位于车辆“A”柱处。几个轴环71设置在较小直径管部分69上，以便于支撑托座72和敞开的连接法兰73。托座72用于锚定不同的部件，例如仪表盘68，和在仪表盘68内以及周围的各种部件和附件。

图23为说明了位于能量管理管76外端，并准备轴向安装于其内的可压碎插入件75的透视图。该管76包括一个较小直径管部分77，一个较大直径管部分78，和一个与它们互连的中间管部分79。该中间管部分79设计成在纵向撞击时，当较小直径管部分77滚压进入较大直径管部分78时，提供较小直径管部分77材料的预定滚压。该可压碎插入件75包括具有周向强度并且适于径向支撑较大直径管部分78的结构环80。该结构环80通过将结构环80纵向间隔的薄环81互连。然而，该薄环81具有预定的纵向强度，以便于当接受径向压力时，随着预定的压力塌陷。因此，当其设置在能量管理管76(图24)内部时，该可压碎插入件开始以一种阻止发出咔哒声的方式紧贴地配合进入较大直径管部分78。然而，在纵向撞击过程中，当较小直径管部分77进入并朝较大直径管部分78移动时，较小直径管部分77的材料开始滚压并与可压碎插入件75的一端接合。当较小直径管部分77滚压时，可压碎插入件75的薄环81塌陷，为更多的滚压材料让出额外的空间。继续这样的顺序，直到可压碎插入件完全塌陷。在撞击冲程过程中，可压碎插入件75接合并有助于控制滚压的材料。例如，在一个测试中，可压碎插入件75增加了10,000磅压力的纵向载荷。同样，测试潜在地说明了载荷可以变得更加一致，因此增加了能量管理系统的效率(例如，“AGA”除以“PEA”，如上面描述的)。

因此，该可压碎插入件对于管部分77的滚压提供了额外的抗力并且可以用于调节能量管理管的性能。图23和24中说明的该可压碎插入件75由弹性体材料制成，在纵向加载时，当通过中间管部分79的滚压半径传递时，该材料塌陷。凸面的环形圈81设置在较厚的边界环80之间。当可压碎插入件受到加载时，环80将载荷传递给在加载下初始塌陷的突起区域。突起区域81的向外塌陷通过管部分78的内表面被阻止。当管部分78滚压时可以取得相似的特性并且管部分77保持圆柱强度。该可压碎插入件可由不同材料制成并且可以制成用于调节能量管理管性能的不同几何形状。可压碎插入件可用于调节管子的性能而不是增加管子的直径或材料厚度。也可以采用一些通过增加管子厚度或增加管子直径来调节管子性能的标准方法。可压碎插入件的使用提供和可替换方法来调节管子的性能，不增加有效成本并且不增加重量负担。

可以理解，基于前面所述结构的修改和改变并不背离本发明的构思，也可以进一步地理解，这些构思将由下述权利要求所涵盖，除非这些权利要求通过其语言明显指示其它方面。

Claims (41)

1、一种在被纵向撞击时适于可靠地和可预测地吸收大部分撞击能量的能量管理管，包括：

第一管部分；

与第一管部分对齐的第二管部分；和

具有分别与第一和第二管部分整体连接的第一和第二端部的中间管部分；该第一和第二管部分在尺寸上不同，该中间管部分具有从第一管部分过渡到第二管部分的形状；

该第一管部分的尺寸大于第二管部分并包括限定管状边界的外表面，该第一端部包括一变形材料的连续带，该连续带径向向外张开越过该外表面，并用作在纵向撞击时支撑和保持第一管部分的圆柱强度，当第一管部分保持其圆柱强度时，第二端部对比地设置成在撞击过程中开始第二管部分的可伸缩滚压；

其特征在于，该第一、第二和中间管部分由高强度低合金钢(HSLA)或超高强度钢制成。

2、根据权利要求1所述的能量管理管，其特征在于，该第一、第二和中间管部分中的至少一个被热处理。

3、根据权利要求1所述的能量管理管，其特征在于，该第一、第二和中间管部分中的至少一个中的材料被退火。

4、根据权利要求3所述的能量管理管，其特征在于，该第一、第二和中间管部分中的至少两个中的材料被退火以具有不同的材料特性，包括退火中间管部分。

5、根据权利要求1所述的能量管理管，其特征在于，该第一、第二和中间管部分在连续成形轧制过程中纵向轧制形成。

6、根据权利要求1所述的能量管理管，其特征在于，该第一、第二和中间管中的至少一个部分地通过压制以减少它们的尺寸来形成。

7、根据权利要求1所述的能量管理管，其特征在于，该第一和第二管部分被纵向压制以迫使中间管部分呈现一预定形状，第一和第二端部至少部分地交叠。

8、根据权利要求1所述的能量管理管，其特征在于，该第一管部分具有比第二管部分至少高10％的屈服强度。

9、根据权利要求1所述的能量管理管，其特征在于，该第一端部具有不小于第一管部分的壁厚的约0.5倍的半径。

10、根据权利要求9所述的能量管理管，其特征在于，该第二端部具有大于第二管部分的壁厚的约1.0倍的第二半径。

11、根据权利要求1所述的能量管理管，包括设置在第一管部分内部的插入件。

12、根据权利要求1所述的能量管理管，包括连接于第一和第二管部分中的一个的自由端上的保险杠。

13、根据权利要求1所述的能量管理管，包括连接于第一和第二管部分中的至少一个上的车架。

14、根据权利要求1所述的能量管理管，包括连接于第一和第二管部分中的至少一个上的交叉的轿车车架。

15、根据权利要求1所述的能量管理管，其特征在于，第一和第二管部分具有相似的几何截面形状，但是截面的尺寸不同。

16、根据权利要求15所述的能量管理管，其特征在于，第一和第二管部分中的至少一个包括矩形截面。

17、根据权利要求16所述的能量管理管，其特征在于，第一和第二管部分中的至少一个包括圆形截面。

18、根据权利要求1所述的能量管理管，其特征在于，第一和第二管部分中的一个包括在一个位置处的圆形截面和在与该一个位置纵向间隔开的另一个位置处的矩形截面。

19、一种在被纵向撞击时适于可靠地和可预测地吸收大部分撞击能量的能量管理管，包括：

第一管部分；

与第一管部分对齐的第二管部分；和

具有分别与第一和第二管部分整体连接的第一和第二端部的中间管部分；该第一管部分在尺寸上大于第二管部分，该中间管部分具有从第一管部分过渡到第二管部分的形状；

该中间部分形成一个连续的环，并且当纵向地交叉分割时，该中间部分为一非线性壁部分，第一端部在该壁部分上限定第一半径，第二端部在该壁部分限定第二半径，第一和第二半径中的一个小于另一个半径，具有一个较小半径的端部比具有另一个较大半径的端部对圆柱强度提供相对大的支撑；

具有另一个较大半径的端部被构造成开始具有较大半径的管部分的可伸缩滚压；

由此，在承受纵向撞击时，当中间管部分受到来自纵向撞击的力时，该中间管部分和该第二管部分可预测地滚压并且比第一端部更快和比第一管部分更快；

其特征在于，该第一、第二和中间管部分由具有结构钢的屈服强度的材料制成。

20、根据权利要求1或19所述的能量管理管，其特征在于，该第一、第二和中间管部分由单片材料形成，其中该第一、第二和中间管部分中的至少一个被热处理以包含不同的材料特性。

21、根据权利要求20所述的能量管理管，其特征在于，该中间管部分以及第一和第二管部分中的一个被热处理。

22、根据权利要求21所述的能量管理管，其特征在于，该中间管部分和该一个管部分被退火。

23、根据权利要求1或19所述的能量管理管，其特征在于，该第一、第二和中间管部分由钢制成。

24、根据权利要求23所述的能量管理管，其特征在于，该第一、第二和中间管部分由至少约为35KSI的屈服强度的材料制成。

25、根据权利要求24所述的能量管理管，其特征在于，该材料具有至少80KSI的屈服强度。

26、一种在被纵向撞击时适于可靠地和可预测地吸收大部分撞击能量的能量管理管，包括：

第一管部分；

与第一管部分对齐的第二管部分；和

具有分别与第一和第二管部分整体连接的第一和第二端部的中间管部分；该第一管部分在尺寸上大于第二管部分，该中间管部分具有从第一管部分过渡到第二管部分的形状；

设置在第一端部内的用于支撑该第二端部支撑部件，该支撑部件提供额外的滚压阻力；和

设置在第一管部分内部的可压碎支撑部件，该可压碎支撑部件构造成在受到纵向撞击时破碎并同时有助于控制材料的滚压。

27、根据权利要求26所述的能量管理管，其特征在于，该支撑部件与该中间管部分接合。

28、根据权利要求27所述的能量管理管，其特征在于，该支撑部件具有可配合地装配在第一管部分内的细长恒定形状。

29、一种在被纵向撞击时适于可靠地和可预测地吸收大部分撞击能量的能量管理管，包括：

具有对于变形的第一抵抗力的第一管部分；

具有对于变形的第二抵抗力的第二管部分，该对于变形的第二抵抗力高于对于变形的第一抵抗力；和

将第一管部分连接于第二管部分的中间管部分；

由此，在受到纵向撞击时，当中间管部分接受到来自纵向撞击的力时，该中间管部分和该第一管部分可预测地滚压并且早于该第二管部分；

其特征在于，该中间管部分包括分别整体地将第一和第二管部分连接到该中间管部分上的第一和第二端部。

30、根据权利要求29所述的能量管理管，其特征在于，该中间管部分包括截头圆锥体区域。

31、根据权利要求29所述的能量管理管，其特征在于，该中间部分形成一个连续的环，并且当纵向地交叉分割时，该中间部分具有一非线性壁部分，第一端部在该壁部分上限定第一半径，第二端部在该壁部分上限定第二半径，第一和第二半径中的一个小于另一个半径；具有一个较小半径的端部被构造成开始具有较大半径的管部分的可伸缩滚压。

32、根据权利要求29所述的能量管理管，其特征在于，在第一端部和第一管部分之间的第一过渡为第一角度，在第二端部和第二管部分之间的第二过渡为第二角度，该第一角度不同于该第二角度。

33、根据权利要求32所述的能量管理管，其特征在于，该第一角度小于该第二角度。

34、根据权利要求29所述的能量管理管，还包括在第二管部分内的部件。

35、根据权利要求34所述的能量管理管，其特征在于，该部件为衬套。

36、根据权利要求29所述的能量管理管，其特征在于，该第一、第二和第三中间管部分由单片材料形成。

37、根据权利要求29所述的能量管理管，其特征在于，该第二管部分被热处理，从而使得对于变形的第二抵抗力大于对于变形的第一抵抗力。

38、根据权利要求37所述的能量管理管，其特征在于，该中间管部分被热处理。

39、根据权利要求38所述的能量管理管，其特征在于，该第二管部分和该中间管部分被退火。

40、根据权利要求29所述的能量管理管，其特征在于，该第一管部分、该第二管部分和该中间管部分由钢制成。

41、根据权利要求29所述的能量管理管，其特征在于，该第二管部分比该第一管部分厚，从而使得对于变形的第二抵抗力大于对于变形的第一抵抗力。

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