CN101341047A - 能量管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管，其包括具有阶梯状外表面的外部的管段及内部的管段，所述内部的管段位于外部的管段内。该管还包括一跨越部分，该跨越部分将外部的管段的端部与内部的管段的端部连接起来。外部的管段比内部的管段长，由此在受到纵向冲击时，当能量管理管接收到来自纵向冲击的力时，外部的管段可预测地并比内部的管段较早地压扁，以由此产生在仅外部的管段压扁时的第一能量吸收水平和在外部的管段和内部的管段压扁时的第二能量吸收水平。内部的管段从第二内端处的较大区域渐缩到在第一内端处的较小区域。

Description

能量管理系统

相关申请交叉参考

本申请要求以下美国临时申请的权利：美国临时申请No.60/751,522，提交于2005年12月19日，名为“能量管理系统”；和美国临时申请No.60/793,069，提交于2006年4月19日，名为“能量管理系统”，上述两个美国临时申请的全部内容通过参考包含于此。

技术领域

本发明涉及成形为在冲击行程期间以一致的和可预测的方式吸收相当大的冲击能的能量管理系统，该能量管理系统包括由聚合物材料制成的能量吸收器。

背景技术

考虑车辆安全的联邦政府、保险公司和代理商、协会和公司已建立了车辆保险杠系统必须通过的标准冲击试验。保险杠安装支架和挤压塔(crush towers)通常用来把保险杠梁(bumper beam)安装到车架上，并常用来在车辆撞击时吸收能量。一些特点对“成功的”保险杠安装支架和挤压塔是有益的。要求制造提供在已知的窄范围的一致和可预测的冲击强度的保险杠安装支架和挤压塔，使得可确定在单个车辆上的保险杠系统能全部通过试验。这使制造商可制造更安全的车辆，也使他们把车辆的保险杠系统更精确地最佳化以减小过分的重量及可使用低成本的材料。更具体地，要求制造提供一致的力随挠曲变化的曲线及提供一致的及可预测的压扁式样的保险杠安装支架及挤压塔。这使车辆制造商确切知道在任意给定的冲击力下产生多大挠曲，以及在冲击或车辆碰撞时，在任意点吸收了多少能量。这继而允许车辆制造商设计绕着保险杠系统的足够空间，以允许在不浪费空间的情况下的非损坏性冲击，以补偿产品变化及提供保险杠系统在车架上的足够的支承。力随挠曲变化的曲线有一些重要的范围，在这些范围中，挤压塔从弹性变形转变为永久变形而完全压扁并且压扁到底(bottoming out)。重要的是这许多压扁点可预测，以确保在压扁前及压扁时基本能量已吸收，也确保在过分的载荷通过保险杠系统传递到车辆及乘客前发生压扁。

除了上面说明，保险杠开发项目要求长的研制周期，并且重要的是任何挤压塔应是柔性的、适应性强的和“可调整的”，使得它可预测地修改及调整，以便在保险杠开发项目的后期在给定车辆型号上使其最佳化。另外，希望尽管在较宽变化的车辆要求的情况下，也能提供可用在不同的保险杠梁上和与不同的保险杠系统和车辆型号一起使用的挤压塔的设计，以便使各新的保险杠系统，虽然新，但不是完全未测试的和“未知”的系统。

已知一些管状的挤压塔用来把保险杠梁支承在保险杠系统中。在一种类型中，两个冲压成形的外壳焊接在一起。但是，这个方法产生原材料废料。另外，焊接方法是增加制造成本的次级操作。另外，焊接的挤压塔经受明显的产品变化和在产品冲击强度、力与挠度曲线、能量吸收曲线和压碎点的显著变化。

一些挤压塔使用比其它挤压塔较坚固的材料。但是，随着挤压塔的强度增加，就有把越来越高的载荷从保险杠梁直接传到车架的倾向。这通常是不希望的。而是要求塔本身可预测地压扁及压碎并在分配的时间中吸收最大的能量。特别是，很高强度的挤压塔把不希望的高载荷峰值从保险杠梁传到车架。这通常接着是挤压塔的灾难性的断裂，其中只吸收很少的能量并且车与车之间的能量吸收不是一致的及可预测的。另外，它导致车架过早的损坏。特别重要的是挤压塔设计成在车辆碰撞时，在挤压塔可见的整个压扁行程中，连续地及可预测地挠曲及弯曲材料。同时，要求允许使用超高强度材料，如高强度低合金(HSLA)钢或有很高强度-重量比的超高强度钢的设计。如保险杠制造领域的技术人员知道，简单地由较强材料制造挤压塔的想法通常是较差的想法，事实上，它常导致由于把高的冲击载荷和载荷峰值传到车架而使保险杠系统失效以及与不充分吸收能量相关的问题。

车架，像保险杠安装支架和挤压塔那样，优选地设计成在能量吸收和能量散发两方面管理冲击能量。必须减小对车辆部件的损坏，也必须减小对车辆乘客的伤害。像保险杠安装支架和挤压塔那样，车架有长的开发时间，另外在开发的稍后时间，常要求调整和调节。车架(以及车架安装部件)有与保险杠安装支架和挤压塔同样的许多考虑，因为当然，保险杠安装支架和挤压塔(以及其它的车辆部件)连接到车架。

更宽一点说，要求能量吸收系统是柔性的并可用于广泛变化的情况及应用中。优选地，这种能量吸收系统在保险杠系统、车架(纵向和横跨汽车)和其它应用以及非车辆应用中是有用的。值得注意，重要的是甚至在聚合物材料制成的部件中也能控制能量吸收。例如，注射成型或热成形的能量吸收器常用在车辆的保险杠系统中，如把聚合物能量吸收器放在管状的金属增强梁的面上。也重要的是控制开始的能量吸收，特别当制造保险杠以改进在被车辆冲击时行人的安全时。

因此需要能解决上述问题并具有上述优点的能量管理系统。

发明内容

本发明的一方面提供一种能量管理管，其能在受到纵向冲击时可靠地及可预测地吸收相当大的冲击能量。该能量管理管包括一外部的第一管段及一内部的第二管段，所述内部的第二管段至少部分地位于所述外部的第一管段内，所述外部的第一管段具有阶梯状外表面。该能量管理管还包括至少一个跨越部分，所述跨越部分将所述外部的第一管段的第一外端与所述内部的第二管段的第一内端连接起来。外部的第一管段比内部的第二管段长，由此在受到纵向冲击时，当所述能量管理管接收到来自纵向冲击的力时，所述外部的第一管段可预测地并比所述内部的第二管段较早地压扁，以由此产生在仅所述外部的第一管段压扁时的第一能量吸收水平和在所述外部的第一管段和内部的第二管段压扁时的第二能量吸收水平。内部的第一管段从第二内端处的较大区域渐缩到在第一内端处的较小区域。

本发明的另一方面提供一种制造能量管理管的方法，所述能量管理管能在受到纵向冲击时可靠地及可预测地吸收相当大的冲击能量。所述方法包括形成一外部的第一管段及一内部的第二管段，所述内部的第二管段至少部分地位于外部的第一管段的内部，所述外部的第一管段比内部的第二管段长，外部的第一管段具有阶梯状的外表面。所述方法还包括用至少一个跨越段将所述外部的第一管段的第一外端与所述内部的第二管段的第一内端连接起来，当所述能量管理管接收到来自纵向冲击的力时，可预测地并比所述内部的第二管段较早地压扁所述外部的第一管段，在仅所述外部的第一管段压扁时产生第一能量吸收水平，并且在所述外部的第一管段和内部的第二管段压扁时产生第二能量吸收水平，其中所述内部的第一管段从第二内端处的较大区域渐缩到第一内端处的较小面积。

学习了下面的说明书、权利要求书及附图，本领域技术人员将明白及了解本发明的这些和其它的方面、目的和特点。

附图说明

图1是本发明的能量管理管的透视图；

图2A是本发明的能量管理管的剖视图；

图2B是在第一压扁阶段的本发明的能量管理管的剖视图；

图2C是在第二压扁阶段的本发明的能量管理管的剖视图；

图2D是在第三压扁阶段的本发明的能量管理管的剖视图；

图3是示出对于图2B-2D示出的压扁阶段，本发明的能量管理管的载荷随时间(或位移)变化的曲线图；

图4是本发明能量管理管的第二实施例的透视图；

图5示出本发明的能量管理管的第一应用；

图6示出本发明的能量管理管的第二应用；

图7示出本发明的能量管理管的第三应用；

图8示出本发明的能量管理管的第四应用；

图9是应用本发明的能量管理管的保险杠梁的第一实施例的透视图；

图10是应用本发明的能量管理管的保险杠梁的第二实施例的透视图；

图11是应用本发明的能量管理管的保险杠梁的第二实施例的部分剖切掉的透视图；

图12是应用本发明的能量管理管的保险杠梁的第二实施例的剖视图；

图13是应用本发明的能量管理管的车顶内衬(headliner)的透视图；

图14是沿图13的线A-A得到的应用本发明能量管理管的车顶内衬的剖视图；

图15是应用本发明的能量管理管的升降机轴的示意图。

具体实施方式

这里为说明起见，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“后”、“前”、“竖直”、“水平”和它们的衍生物应涉及在图1中定方向的发明。但是，应该明白本发明可采用各种替换的方向，除了明确地规定不能这样做除外。还应明白，在附图中示出并在下面说明书中说明的专门装置和方法只是在所附的权利要求书中限定的发明概念的简单的举例实施例。因此，涉及这里公开的实施例的特定尺寸和其它物理特点不应考虑作为限定，除非权利要求书明确地指出与此相反。

附图标记10(图1和2A)总地表示具有能量管理管的本发明的实施例。能量管理管10包括一外管12和一内管14。外管12有大致六边形的横截面，并包括底部第一管段16、中部第二管段18和顶部第三管段20。第一管段16比第二管段18的尺寸大，并且优选地具有类似的横截面形状。类似地，第二管段18比第三管段20的尺寸大，并且优选地有类似的横截面形状。但是，虽然示出外管有六边形横截面形状，但应注意，第一管段16、第二管段18和第三管段20可有不同的形状，包括八边形、椭圆形、跑道形、圆柱形、矩形、正方形、卵形、圆形或其它几何形状。另外，考虑管段沿着其长度可有不同的横截面形状，特别在管段必须适配成连接不同的结构(如车架部件等)的位置处。另外，壁厚度可按要求改变以满足功能设计的要求。能量管理管10还可包括模制在管中的一金属件插入物，以增强能量管理管10的强度和/或帮助把能量管理管10组装到其它部件。在所示的实施例中，能量管理管10在第一管段16处与一板22连接。板22可焊到车辆的部分和/或可通过把螺钉插入板22中的孔24而连接到车辆的部分。

如图1和2A所示，能量管理管10包括第一管段16，第一管段16包括与板22的顶部连接的第一端部26和通过斜的第一台阶30与第二管段18连接的第二端部28。第一管段16从第一端部26稍向内渐缩到第二端部28。第二管段18包括与斜的第一台阶30连接的第一端部32和通过斜的第二台阶36与第三管段20连接的第二端部34。第二管段18从第一端部32稍向内渐缩到第二端部34。第三管段20包括与斜的第二台阶36连接的第一端部38和与六边形的端板42连接的第二端部40。第三管段20从第一端部38稍微向内渐缩到第二端部40。六边形的端板42包括位于中央的孔44，内管14在孔44处与六边形端板42连接。在所示的实施例中，内管14包括第一渐缩部50、第二渐缩部52和第三渐缩部54。

在能量管10压扁时，第三管段20以起皱的方式开始压扁，如图2B所示。随后，第三管段20继续压扁，而第二管段18以起皱形方式压扁。最后，内管14将抵靠在板22连接的部件的面上，并与第一管段16一起开始压扁。图3示出对于图2B-2D示出的压扁阶段，本发明的能量管理管的载荷随时间(或位移)变化的曲线图。

能量管理管的应用包括沿可压扁结构的支架和/或包括在大部件中的可压扁的部件。部件的尺寸可成形为要求的任何尺寸，多个能量管理管的组合可成形为以并联、串联或成形为包围大的表面区域的方式工作。单个能量管理管10可以用作车辆中驾驶员膝盖202前方的膝盖软垫200(图5)；用作在其它结构前方的可压扁部件，如在保险杠系统210的梁209的前方并且在仪表板212后面的能量管理管10(图6)；用作车辆的支承框架220和保险杠系统210的梁209之间的缓冲器支座；用作车辆的A柱和B柱的内部件；和用作保护桥梁242的支承件240的公路的路堤(图8)，或以其它方式应用。另外，能量管理管的组可用来横跨保险杠300的面(图9)作为能量吸收器，或用在梁400内(图10-12)(例如在名称为“能量管理梁”的美国专利申请公开US 2005/0213478中公开的梁，该文献的全部内容通过参考包含于此)，或在用于头部保护的车辆的车顶内衬内使用，如图13和14所示。另外，能量管理管可用作升降机轴500的底部，以吸收落下的升降机502的能量，如图15所示。基本上，用作沿着结构的支架或用于其中一个区域需要提供能量吸收的较大区域的需要吸收能量的任何地方可使用能量管理管技术。包括内加强肋和叶片的较复杂的结构可需要结合作用的冲模。厚度的改变可用来提供柱强度和要求的滚动载荷。能量管理管也可模制在或成形在或嵌套在其它能量管理管内以产生附加的载荷调整能力。

附图标记10a(图4)总地表示本发明的另一实施例，该实施例有用于能量管理管的第二实施例。由于能量管理管10a类似于上文所述的能量管理管10，因此在图1-2D和图4分别出现的相同部件用相同的相应附图标记表示。但是在图4中的部件的附图标记加上后缀“a”。能量管理管10a基本与上文所述的能量管理管10相同，但是能量管理管的第二实施例包括在第一管段16a的多边形的各侧上的多个翅片100。多个翅片100有助于确保能量管理管10a的第一管段16a在第二管段18a和第三管段20a之后压扁。另外，翅片100加上额外的抗压扁力。虽然示出在第一管段16a的多边形的各侧上有三个翅片100，但可以预期任何数目的翅片100(包括只有一个)可以用在第一管段16a上或第一管段16a的多边形的各侧上。另外，可以预期可与设在第一管段上的翅片一起或作为替换方案，第二管段18a和/或第三管段20a可包括翅片100。

应该明白对上述结构可作出很多改变及改型，而不背离本发明的概念，另外，应明白这些概念打算用下面的权利要求书来覆盖，除了这些权利要求书的文字明确表明不是这样。

Claims (29)

1.一种能量管理管，其能在受到纵向冲击时可靠地及可预测地吸收相当大的冲击能量，所述能量管理管包括：

一外部的第一管段及一内部的第二管段，所述内部的第二管段至少部分地位于所述外部的第一管段内，所述外部的第一管段具有阶梯状外表面；

至少一个跨越部分，所述跨越部分将所述外部的第一管段的第一外端与所述内部的第二管段的第一内端连接起来；

所述外部的第一管段比所述内部的第二管段长，由此在受到纵向冲击时，当所述能量管理管接收到来自纵向冲击的力时，所述外部的第一管段可预测地并比所述内部的第二管段较早地压扁，以由此产生在仅所述外部的第一管段压扁时的第一能量吸收水平和在所述外部的第一管段和内部的第二管段压扁时的第二能量吸收水平；

其中所述内部的第一管段从第二内端处的较大区域渐缩到在第一内端处的较小区域。

2.按照权利要求1的能量管理管，其特征在于，所述内部的第一管段包括多个直径逐渐变小的内部的第一管部分。

3.按照权利要求1的能量管理管，其特征在于，所述锥度不是恒定的。

4.按照权利要求3的能量管理管，其特征在于，所述内部的第一管段包括多个直径逐渐变小的内部的第一管部分，各直径较小的内部的第一管部分具有从靠近内部的第一管段的第二内端的较大区域到靠近内部的第一管段的第一内端的较小区域的锥度。

5.按照权利要求4的能量管理管，其特征在于，所述多个直径逐渐变小的内部的第一管部分包括至少一个第一较小的内管部分和一个第二较大的内管部分，在第一较小的内管部分和第二较大的内管部分之间延伸有一倾斜部分。

6.按照权利要求5的能量管理管，其特征在于，所述第一较小的内管部分包括多个增强肋，以使所述第一较小的内管部分具有比所述第二较大的内管部分大的柱形强度。

7.按照权利要求4的能量管理管，其特征在于，所述多个直径逐渐变小的内部的第一管部分都具有六边形横截面。

8.按照权利要求1的能量管理管，其特征在于，所述能量管理管包括一保险杠梁，所述保险杠梁连接到所述第一和第二管段中的一个的自由端。

9.按照权利要求1的能量管理管，其特征在于，所述能量管理管包括一车架，所述车架连接到所述第一和第二管段中的至少一个。

10.按照权利要求1的能量管理管，其特征在于，所述第一和第二管段具有不同的几何横截面形状。

11.按照权利要求1的能量管理管，其特征在于，所述第一和第二管段中的至少一个包括圆形横截面。

12.一种升降机系统，其包括一升降机轴，所述升降机轴具有底部和位于其中的在权利要求1中限定的能量管理管。

13.一种驾驶员保护系统，其包括桥柱，所述桥柱具有位于所述桥柱前方的在权利要求1中限定的能量管理管。

14.一种能量管理垫，其包括多个根据权利要求1所述的能量管理管。

15.按照权利要求1的能量管理管，其特征在于，所述至少一个跨越部分是具有孔的板，所述内部的第二管段在孔的周边处与所述板连接。

16.按照权利要求15的能量管理管，其特征在于，所述孔是圆形的。

17.一种制造能量管理管的方法，所述能量管理管能在受到纵向冲击时可靠地及可预测地吸收相当大的冲击能量，所述方法包括：

形成一外部的第一管段及一内部的第二管段，所述内部的第二管段至少部分地位于外部的第一管段的内部，所述外部的第一管段比内部的第二管段长，外部的第一管段具有阶梯状的外表面；

用至少一个跨越段将所述外部的第一管段的第一外端与所述内部的第二管段的第一内端连接起来；

当所述能量管理管接收到来自纵向冲击的力时，可预测地并比所述内部的第二管段较早地压扁所述外部的第一管段；

在仅所述外部的第一管段压扁时产生第一能量吸收水平；以及

在所述外部的第一管段和内部的第二管段压扁时产生第二能量吸收水平；

其中所述内部的第一管段从第二内端处的较大区域渐缩到第一内端处的较小面积。

18.按照权利要求17的制造能量管理管的方法，其特征在于，所述内部的第一管段包括多个直径逐渐变小的内部的第一管部分。

19.按照权利要求17的制造能量管理管的方法，其特征在于，所述锥度不是恒定的。

20.按照权利要求19的制造能量管理管的方法，其特征在于，所述内部的第一管段包括多个直径逐渐变小的内部的第一管部分，各直径较小的内部的第一管部分具有从靠近内部的第一管段的第二内端的较大区域到靠近内部的第一管段的第一内端的较小区域的锥度。

21.按照权利要求20的制造能量管理管的方法，其特征在于，所述多个直径逐渐变小的内部的第一管部分包括至少一个第一较小的内管部分和一个第二较大的内管部分，在第一较小的内管部分和第二较大的内管部分之间延伸有一倾斜部分。

22.按照权利要求21的制造能量管理管的方法，其特征在于，所述第一较小的内管部分包括多个增强肋，以使所述第一较小的内管部分具有比所述第二较大的内管部分大的柱形强度。

23.按照权利要求20的制造能量管理管的方法，其特征在于，所述多个直径逐渐变小的内部第一管部分都具有六边形横截面。

24.按照权利要求17的制造能量管理管的方法，其特征在于，所述能量管理管包括一保险杠梁，所述保险杠梁连接到所述第一和第二管段中的一个的自由端。

25.按照权利要求17的制造能量管理管的方法，其特征在于，所述能量管理管包括连接到所述第一和第二管段中的至少一个的车架。

26.按照权利要求17的制造能量管理管的方法，其特征在于，所述第一和第二管段具有不同的几何横截面形状。

27.按照权利要求17的制造能量管理管的方法，其特征在于，所述第一和第二管段中的至少一个包括圆形的横截面。

28.按照权利要求17的制造能量管理管的方法，其特征在于，所述至少一个跨越部分是具有孔的板，所述内部的第二管段在所述孔的周边与所述板连接。

29.按照权利要求28的制造能量管理管的方法，其特征在于，所述孔是圆形的。

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