CN101590835A - 基于形状记忆材料的汽车保险杠 - Google Patents

Abstract

基于形状记忆材料的汽车保险杠，它涉及一种汽车保险杠。以解决金属保险杠和塑料保险杠，撞击变形后均不可恢复原状，无法实现保险杠重复利用问题。缓冲材料体置于外板内，保险杠横梁置于缓冲材料体内，外板的进风口处设置有进风口格栅，装饰条固装在外板的前外表面及两侧外表面上，导流板与外板的下端面固接，两个保险杠支架分别位于保险杠横梁的两端，保险杠支架与外板、缓冲材料体和保险杠横梁固接；保险杠横梁由形状记忆复合材料模压成型制成，外板、缓冲材料体及附属部件均由形状记忆聚合物材料或形状记忆复合材料制成。本发明的保险杠撞击变形后通过加热等手段消除，保险杠恢复至初始状态，降低碰撞后车辆的维修成本。

Description

基于形状记忆材料的汽车保险杠

技术领域

本发明涉及一种汽车保险杠，属于汽车工业技术领域。

背景技术

汽车保险杠是吸收缓和外界冲击力、防护车身前后部的安全装置。20年前，轿车前后保险杠是以金属材料为主，用厚度为3mm以上的钢板冲压成U形槽钢形结构，表面处理镀铬，与车架纵梁铆接或焊接在一起，与车身有一段较大的间隙，好像是一件附加上去的部件。

随着汽车工业的发展，汽车保险杠作为一种重要的安全装置也走向了革新的道路上。今天的轿车前后保险杠除了保持原有的保护功能外，还要追求与车体造型的和谐与统一，追求本身的轻量化。为了达到这种目的，目前轿车的前后保险杠采用了非金属材料，现在比较普遍采用塑料保险杠。塑料保险杠是由外板、缓冲材料体和横梁三部分组成。其中外板和缓冲材料体用塑料制成，横梁用厚度为1.5mm左右的冷轧薄板冲压成U形槽形状；外板和缓冲材料体附着在横梁上，横梁与车架纵梁螺钉连接，可以随时拆卸下来。这种塑料保险杠使用的塑料大体上选用聚酯系和聚丙烯系两种系列。

然而，无论是金属保险杠还是塑料保险杠，一般情况下，撞击变形后均不可恢复原状，即无法实现保险杠的重复利用。在欧洲，如果车辆属于较高的保险等级，就意味着顾客在同等条件下要多支付保险费用。目前，中国的保险公司主要是按照车价划分保险等级，但随着中国保险行业市场逐步对国外保险公司的开放，这种更精确反映汽车性能的要求将在中国逐渐推广。维修费用试验是德国安联保险公司技术中心(AZT)开发的划分汽车保险等级的权威试验，试验的结果直接影响车辆的保险等级。欧洲汽车公司开发的车型都要充分考虑AZT维修费用，尽可能减少碰撞造成的维修损失，以降低AZT的保险等级，与同级别的车型相比可以花更少的保险金，给消费者带来更多的实惠。低的保险等级就意味着发生事故后零部件损伤较小。如果采用形状记忆聚合物材料，则可在一定外界条件作用下实现保险杠的重复利用，且能在一定程度上减少碰撞造成的维修损失。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于形状记忆材料的汽车保险杠，以解决金属保险杠和塑料保险杠撞击变形后均不可恢复原状，无法实现保险杠的重复利用的问题。

本发明为实现上述发明目的采取的技术方案是：本发明所述汽车保险杠由外板、缓冲材料体、保险杠横梁和附属部件组成；所述附属部件由两个保险杠支架、进风口格栅、装饰条和导流板组成；所述保险杠横梁、缓冲材料体和外板均为U形槽形结构，所述缓冲材料体置于外板内并与外板固接，所述保险杠横梁置于缓冲材料体内并与缓冲材料体和外板固接，所述外板的进风口处设置有进风口格栅，所述装饰条固装在外板的前外表面及两侧外表面上，所述导流板与外板的下端面固接，所述两个保险杠支架分别位于保险杠横梁的两端，保险杠支架与外板、缓冲材料体和保险杠横梁固接；保险杠横梁由形状记忆复合材料模压成型制成，外板、缓冲材料体及附属部件均由形状记忆聚合物材料或形状记忆复合材料制成。

本发明具有以下有益效果：一、保险杠横梁的强度是保险杠设计中关注的焦点。保险杠横梁在高速碰撞发生时，必需保证自身不断裂并能有效连接车身的两根纵梁，把碰撞的大量动能传递给两根纵梁。由纵梁将碰撞能量分成若干小的能量流被各钣金件吸收，从而确保乘客的生存空间。高强度的保险杠横梁更有利于碰撞能量的均匀分布。但在设计中，不可能通过无限制增加钢材厚度达到增加强度的目的。出于节油考虑，目前各个汽车生产厂商对整车重量控制越来越严格。一般情况下，前保险杠横梁的分配重量占整车重量的0.3％左右。本发明中，保险杠横梁采用形状记忆复合材料制成，因此，具有强度高、重量轻、耐腐蚀等特点，能够满足生产汽车时，对款式、耐冲击、防偏斜、耐气候等方面的要求。经过摆式冲击试验(速度为8公里/小时)进行验证，其拉伸强度、冲击强度及弯曲强度等机械性能参数均满足设计要求；二、轻微碰撞(4km/h)对整车造成损伤的情况在日常使用中经常出现(泊车时两车间的轻微碰撞、轻微撞墙、撞柱等)。当安装有本发明的保险杠的车辆在中低速行驶状况下与外在物发生碰撞时，损伤或变形的保险杠可通过加热等手段消除，保险杠恢复至初始状态，可降低碰撞后车辆的维修成本；三、本发明的保险杠可以减少原来保险杠部件的数目，从而节省装配时间；四、本发明的保险杠利用标准型的模压设备成型。其突出的优点是可以制作成较深凹槽的几何形状，壁厚可以任意选择，不仅如此，还可以在一个构件上直接制出整体的加强肋条，其材料性能设计自由度大，适于广泛推广。

附图说明

图1是本发明的基于形状记忆材料的汽车保险杠的零部件拆分图，图2是将本发明的保险杠安装在汽车上的安装结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述汽车保险杠由外板3、缓冲材料体5、保险杠横梁2和附属部件组成；所述附属部件由两个保险杠支架1、进风口格栅6、装饰条7和导流板8组成；所述保险杠横梁2、缓冲材料体5和外板3均为U形槽形结构，所述缓冲材料体5置于外板3内并与外板3固接，所述保险杠横梁2置于缓冲材料体5内并与缓冲材料体5和外板3固接，所述外板3的进风口处设置有进风口格栅6，所述装饰条7固装在外板3的前外表面及两侧外表面上，所述导流板8与外板3的下端面固接，所述两个保险杠支架1分别位于保险杠横梁2的两端，保险杠支架1与外板3、缓冲材料体5和保险杠横梁2固接；保险杠横梁2由形状记忆复合材料模压成型制成，外板3、缓冲材料体5及附属部件均由形状记忆聚合物材料或形状记忆复合材料制成。本实施方式中的保险杠的形状和各部件之间的连接装配关系与现有汽车保险杠相同。保险杠横梁2与车架纵梁采用螺钉连接，方便拆卸。外板3、缓冲材料体5和保险杠横梁2连接组合成一体后通过保险杠支架1实现与车体纵梁的连接(保险杠与周围相关件之间还有些辅助定位点，如与轮胎护罩的连接)。

形状记忆是指材料具有记忆其原始形状的一种能力。假定某一材料的初始形状为A，将其加热至软化再经机械变形至B形状，冷却后材料自动保持B形状。若受热到一定温度后材料自动恢复至A形状，冷却后保持A形状，则此材料为单性记忆材料；若材料受热后自动恢复至A形状，冷却后自动恢复至B形状，则此种材料为双向记忆材料。以上两种形状记忆效应均归因于材料内部结构相在不同条件下的转变。目前，形状记忆材料大多为单向记忆材料。由于响应外部刺激条件的不同形状记忆材料可分为热致感应型、光致感应型、电致感应型、磁致感应型和pH值感应型等。

形状记忆材料并不是很新的材料，早在1930年，科学家们发现某些金属化合物在被加热到它们的转换温度之上时展示出形状记忆效应。目前，已经出现了多种形状记忆合金(Shape Memory Alloy，SMA)，比如镍-钛合金、铁-锰-硅合金、铜-锌-铁合金等。这些金属合金类形状记忆材料的形变小，形状转变温度高，密度大，价格昂贵，而且比较容易产生大的震动冲击，不利于大规模推广使用。近年来，一种新的形状记忆材料-形状记忆聚合物(ShapeMemory Polymer，SMP)引起了相关研究者的广泛关注和青睐。与SMA相比，SMP具有很多优势：首先作为形状记忆材料，金属合金的最大变形回复率为8％，而这种聚合物材料的最大变形回复率为400％；除此，SMP还具有变形量大、赋形容易、回复力强、易于操作、形状响应温度便于调节，保温、绝缘性能好，不锈蚀、易着色、可印刷、质轻价廉等特点。这些都是SMA所无法比拟的，因而SMP材料的出现和发展正在取代和扩展SMA材料的应用。

单纯的形状记忆聚合物的主要特点是可回复应变较大，一般能达到200％。但主要缺点是材料的刚度、强度等力学性能较差，难以起到汽车保险杠的作用，因此，人们自然想到利用形状记忆材料来制造其复合材料，即形状记忆复合材料。它能较好地克服上述缺陷，在回复过程中刚度、强度较高，变形回复力较大，运动稳定性和可靠性高。

形状记忆复合材料基于热致感应型SMP。热致感应型SMP是指在室温以上一定温度下变形并能在室温固定形变且长期存放，当再升温至某一特定温度时，又可以恢复原来形状的聚合物。热致感应型SMP应用于汽车的保险杠，当汽车突然受到冲撞时，保险杠会发生变形，变形以后只需加热就可恢复原状。

具体实施方式二：本实施方式所述形状记忆复合材料按体积份数比由5～98份的形状记忆聚合物材料和2～95份的增强相材料混合组成。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式所述形状记忆复合材料按体积份数比由30～80份的形状记忆聚合物材料和20～70份的增强相材料混合组成。其它与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式所述形状记忆复合材料按体积份数比由40～60份的形状记忆聚合物材料和40～60份的增强相材料混合组成。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式所述形状记忆聚合物材料为苯乙烯系形状记忆聚合物、环氧树脂系形状记忆聚合物、氰酸酯系形状记忆聚合物、形状记忆聚氨酯、形状记忆聚酯、形状记忆苯乙烯-丁二烯共聚物、形状记忆反式聚异戊二烯或形状记忆聚降冰片烯。其它与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：本实施方式所述增强相材料为石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、硼纤维、碳化硅纤维、炭黑、碳纳米管、镍粉、石墨粉、晶须、碳化硅粉末、铜粉、银粉或铝粉中的一种或两种以上的混合。本实施方式中，当增强相材料由两种或两种以上物质组成时，按任意比例混合。其它与具体实施方式二、三或四相同。

工作过程是：当汽车在低速行驶情况下受到碰撞时，如泊车时两车间的轻微碰撞、轻微撞墙、撞柱等，保险杠中的缓冲材料体和保险杠横梁可有效保证行人和乘者的安全，不影响整车功能。当外板或附属部件出现变形时，可对外板进行加热，实现恢复原有形状的目的；当汽车在高速行驶情况下受到碰撞时，保险杠横梁必需保证自身不断裂并能有效连接车身的两根纵梁，把碰撞的大量动能传递给两根纵梁。由纵梁将碰撞能量分成若干小的能量流被各钣金件吸收，从而确保乘客的生存空间。这种情况下，外板、缓冲材料体、附属部件乃至保险杠横梁均会发生较大变形，可通过加热方式恢复其原有形状。

Claims (6)

1、一种基于形状记忆材料的汽车保险杠，所述汽车保险杠由外板(3)、缓冲材料体(5)、保险杠横梁(2)和附属部件组成；所述附属部件由两个保险杠支架(1)、进风口格栅(6)、装饰条(7)和导流板(8)组成；所述保险杠横梁(2)、缓冲材料体(5)和外板(3)均为U形槽形结构，所述缓冲材料体(5)置于外板(3)内并与外板(3)固接，所述保险杠横梁(2)置于缓冲材料体(5)内并与缓冲材料体(5)和外板(3)固接，所述外板(3)的进风口处设置有进风口格栅(6)，所述装饰条(7)固装在外板(3)的前外表面及两侧外表面上，所述导流板(8)与外板(3)的下端面固接，所述两个保险杠支架(1)分别位于保险杠横梁(2)的两端，保险杠支架(1)与外板(3)、缓冲材料体(5)和保险杠横梁(2)固接；其特征在于：保险杠横梁(2)由形状记忆复合材料模压成型制成，外板(3)、缓冲材料体(5)及附属部件均由形状记忆聚合物材料或形状记忆复合材料制成。

2、根据权利要求1所述基于形状记忆材料的汽车保险杠，其特征在于：所述形状记忆复合材料按体积份数比由5～98份的形状记忆聚合物材料和2～95份的增强相材料混合组成。

3、根据权利要求2所述基于形状记忆材料的汽车保险杠，其特征在于：所述形状记忆复合材料按体积份数比由30～80份的形状记忆聚合物材料和20～70份的增强相材料混合组成。

4、根据权利要求2所述基于形状记忆材料的汽车保险杠，其特征在于：所述形状记忆复合材料按体积份数比由40～60份的形状记忆聚合物材料和40～60份的增强相材料混合组成。

5、根据权利要求1、2、3或4所述基于形状记忆材料的汽车保险杠，其特征在于：所述形状记忆聚合物材料为苯乙烯系形状记忆聚合物、环氧树脂系形状记忆聚合物、氰酸酯系形状记忆聚合物、形状记忆聚氨酯、形状记忆聚酯、形状记忆苯乙烯-丁二烯共聚物、形状记忆反式聚异戊二烯或形状记忆聚降冰片烯。

6、根据权利要求2、3或4所述基于形状记忆材料的汽车保险杠，其特征在于：所述增强相材料为石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、硼纤维、碳化硅纤维、炭黑、碳纳米管、镍粉、石墨粉、晶须、碳化硅粉末、铜粉、银粉或铝粉中的一种或两种以上的混合。

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