CN101638076B - 一种折痕式碰撞吸能盒 - Google Patents

Abstract

一种折痕式碰撞吸能盒，属于汽车车身结构制造技术领域。其特征是将引入折痕纹路的薄壁管件作为碰撞吸能盒，通过该折痕纹路引导碰撞变形段的最终变形模式。比照普通的薄壁管，本发明的明显特征在一个薄壁管沿轴向分为若干模块，在每一个模块的每个角部区域，分别沿轴向每间隔一定距离有一个钻石型凹角。从而形成有折痕纹路的薄壁管件。本发明的效果和益处是通过引入折痕纹路，实现了碰撞吸能盒同时满足高比吸能率和低荷载均匀性系数的要求；发明的折痕形状便于成型，整个结构的表面为可展面，好处在于整个结构可以直接由一块薄的平板加工成型，这使加工更为方便，大大降低了生产成本，而且加工的精确性也可提高。

Description

一种折痕式碰撞吸能盒

技术领域

本发明属于汽车车身结构制造技术领域，涉及到汽车撞击情况的安全性结构设计，特别涉及到一种在汽车撞击情况下能够吸收冲击动能的碰撞吸能盒装置。

背景技术

汽车的防撞性能是汽车整体安全性设计中十分重要的一个方面。在目前的汽车设计中，通常是采用安装在汽车前部和尾部的保险杠系统来保证车厢结构框架在低速撞击下不受严重破坏，从而保证车内乘员以及汽车主体结构本身的安全。为了尽可能的吸收撞击时的动能，在现在的保险杠系统设计中，往往会加入一个变形元件，即所谓的碰撞吸能盒。

碰撞吸能盒一般安装在保险杠横梁与汽车框架纵梁之间，是保险杠系统的主要吸能元件。在有些设计中，为了进一步提高保险杠系统的吸能能力，还会在保险杠横梁上并排安装若干碰撞吸能盒。在汽车相撞的过程中，碰撞吸能盒能够吸收撞击产生的动能，并将其不可逆的转化为材料的塑性变形能。此外，有效的碰撞吸能盒设计能够使传递到汽车纵梁的荷载始终保持在某一临界荷载以下，从而避免纵梁受到永久性的破坏而失效。

理想的碰撞吸能盒需要满足以下条件：1)高比吸能率(比性能率定义为：一个碰撞吸能盒所能吸收的最大能量与其自身质量的比值)；2)低荷载均匀性系数(荷载均匀性系数定义为：在碰撞吸能盒在受撞击过程中传递给车厢结构的最大荷载与整个变形过程传递的平均荷载的比值)；3)稳定，有预设的破坏模式；4)质量轻；5)成本低，安装方便。传统上，由钢或者铝合金加工成的薄壁方管和圆管被广泛用作碰撞吸能盒。这类吸能元件的主要问题在于它们的初始屈曲荷载远远高于其屈曲后荷载。这就使得在受到撞击时，它们会把一个很大的初始峰值荷载传递给汽车纵梁，从而对纵梁造成永久性损害。更重要的是，初始峰值载荷过高对车内乘员的安全会造成极大的威胁。此外，方管的比吸能率较其他截面形式低，而圆管的加工和安装较为不便。

为了提高碰撞吸能盒的比吸能率，诸如多边形截面，蜂窝型截面等截面形式被应用于碰撞吸能盒的设计中。比如，专利名称为“Impact AbsorptionMember For Vehicle”，专利公开号为EP1923273(A1)，该专利公布了一种采用了多边形截面的薄壁管碰撞吸能盒。专利名称为“Energy absorbing device”，专利公开号为US4029350，该专利中蜂窝型的薄壁管被用作汽车保险杠系统中的吸能元件。但是这些专利同样存在与方管相同的初始屈曲荷载过大的问题。

而在降低初始碰撞吸能盒屈曲荷载方面，在管壁上加工出一定数目的波纹状纹路是一个有效的办法。比如，专利名称为“Energy absorbing device havingnotches and pre-bent sections”，专利公开号为US7389860，该专利在方管管壁上增加了一些凹凸的纹路。而专利名称为“Corrugated energy absorber”专利公开号为US4877224(A)的专利则把这种方法用于圆管。然而，这种方法的问题在于管壁上纹路的存在降低了这些薄壁管的比吸能率，从而影响了这些吸能元件的效果。而且这样的碰撞吸能盒加工成本高。

综上所述，目前有必要提出一种更加优化的设计来同时满足高比吸能率以及低荷载均匀性系数，从而更好的满足汽车防撞设计的要求。在通常条件下这两个要求是相互冲突的，因为在很多设计中往往是通过降低比吸能率来降低荷载均匀性系数的。因此，一种能同时满足这两个条件的设计会在不仅在碰撞吸能盒设计中有重要的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种易于制造和安装的低成本碰撞吸能盒装置，解决同时满足较高比吸能率和低荷载均匀性系数的问题。

本发明解决技术问题的方案是：该碰撞吸能盒由沿轴向分布的一个或多个碰撞吸能盒模块构成，单个碰撞吸能盒模块具有下述结构：它是具有多边形截面的薄壁管件；它的每个角部区域有一个钻石型凹角，从而形成预制的折痕纹路。碰撞吸能盒模块的多边形截面采用正方形、矩形、菱形、梯形、三角形或六边形。沿轴向方向的碰撞吸能盒模块长度是等长度的，或不等长度的设计。

将引入折痕纹路的薄壁管件作为碰撞吸能盒，每个碰撞吸能盒模块有预先设计的钻石型凹角的折痕纹路，从而实现低荷载均匀性系数，并在碰撞时有可预设的最终破坏模式。这也是该发明的核心内容。从整体上来看，本发明是一种在普通薄壁管的管壁上引入带有钻石型凹角的折痕纹路所形成的特殊形状薄壁管。对比本发明中的截面为矩形的碰撞吸能盒和普通的矩形截面管，本发明的明显特征是在它的四个角部区域，分别沿轴向每间隔一定距离有一个钻石型凹角，外型上整个碰撞吸能盒由若干三角形和梯形平面组成。因此，与普通矩形截面管相比，本发明的碰撞吸能盒能降低结构的初始屈曲荷载，从而达到降低荷载均匀性系数的目的。钻石型凹角设计的另一个作用在于它能在碰撞吸能盒受到撞击时产生一种预设的吸能效率高的钻石型变形模态，而不是普通矩形截面管的吸能效率低的对称型模态，从而提高整个结构所能吸收的能量，即提高比吸能率，并且进一步降低荷载均匀性系数。需要指出的是钻石型凹角还包括对其进行边长修改，或在钻石型凹角的顶角处开孔，本发明沿轴向采用相同的钻石型凹角设计或不相同的钻石型凹角设计。

另外，碰撞吸能盒的整体形状沿轴向是等截面直的或变截面倾斜的。变截面碰撞吸能盒设计是指碰撞吸能盒从侧面看是部分为矩形、部分为梯形，或全部为梯形，这样的设计要求临近的碰撞吸能盒模块之间具有成比例放大或缩小的关系。

在加工工艺上，本发明的碰撞吸能盒能用整体铸造工艺加工，这需要预先加工本发明所述折痕纹路的模具，铸造材料为金属材料或塑性较好的复合材料。另外，由于本发明描述的折痕式碰撞吸能盒壁面均是可展的，即碰撞吸能盒的壁面展开后是平面。因此，第二种加工方法是采用0.5至10mm的钢、铝或其它金属材料板材压制工艺获得。

本发明的第二种加工方法具体是：采用先加工半个或部分盒，又称半壳或部分壳，再由两个半壳或若干部分壳组装成整体结构的加工方式。当每个壳加工成型以后，壳在纵向边缘处形成重叠交错并通过焊接、高强胶水或者其他方式相互连接。考虑到缩减本发明装置的加工成本，半壳或部分壳采用完全相同的形状，这样在工业化生产时只需一种加工壳的设备，生产程序得到简化。此外，在采用焊接连接的情况下，本发明推荐电阻点焊方法，达到节约生产成本且满足碰撞吸能的要求。

根据上述方案所得的折痕式汽车碰撞吸能盒装置是通过其端部与汽车中的其它部件连接的，端部形式是管壁部分的自然延伸，或在碰撞吸能盒端部另加一块端部板与其焊接为一体，或直接焊接于汽车其它部件。

本发明的效果和益处是：具有钻石型凹角的碰撞吸能盒能同时满足高比吸能率和低荷载均匀性系数以及其它前述理想的碰撞吸能盒的要求；发明的折痕形状便于成型，整个结构的表面为可展面，即其表面能够完全展开为一个平面。可展面的优点在于采用板材压制成型时加工更为方便，生产成本低，加工精确性高。

附图说明

附图1是矩形等截面碰撞吸能盒成型后的示意图。

附图2(a)是矩形等截面碰撞吸能盒的半壳平面展开图；(b)是矩形等截面碰撞吸能盒的半壳成型后的示意图。

附图3是矩形等截面碰撞吸能盒两个半壳成型后的装配示意图。

附图4是三角形等截面碰撞吸能盒成型后的示意图。

附图5(a)是三角形等截面碰撞吸能盒三分之一壳的平面展开图；(b)是三角形等截面碰撞吸能盒三分之一壳的成型后的示意图。

附图6是六边形等截面碰撞吸能盒成型后的示意图。

附图7是侧面为梯形的矩形变截面碰撞吸能盒成型后的示意图。

附图8(a)是矩形变截面碰撞吸能盒半壳平面展开图；(b)是矩形变截面碰撞吸能盒半壳成型后的示意图。

附图9是采用了不同类型钻石型凹角的模块的矩形等截面碰撞吸能盒成型后的示意图。

附图10是一种带有端部适配孔的碰撞吸能盒示意图。

附图11是一种碰撞吸能盒整体装配示意图。

附图12是另一种带有端部适配孔的碰撞吸能盒示意图。

附图13是另一种碰撞吸能盒整体装配示意图。

图中：1是矩形等截面碰撞吸能盒；2是1的矩形截面；3是钻石型凹角，1中用粗实线显示了其中一个钻石型凹角；4是钻石型凹角及附近的折痕；5是1的一个模块；6是矩形等截面碰撞吸能盒的半壳展开平面；7是折痕，实线表示峰折痕，虚线表示谷折痕；8是压制成型后的矩形等截面碰撞吸能盒半壳；9是两个半壳装配时的固定点位置示意；10是三角形等截面碰撞吸能盒；11是10的一个模块；12是三角形等截面碰撞吸能盒的三分之一壳的展开平面；13是压制成型后的三角形等截面碰撞吸能盒的三分之一壳；14是六边形等截面碰撞吸能盒；15是矩形变截面碰撞吸能盒；16是矩形变截面碰撞吸能盒的半壳展开平面；17是压制成型后的矩形变截面碰撞吸能盒半壳；18是采用了不同类型钻石型凹角的矩形等截面碰撞吸能盒；19是矩形等截面碰撞吸能盒的部分角线；20是两边保持19的钻石型凹角；21是单边保持19的钻石型凹角；22是折痕处的开孔；23是带有22的钻石型凹角；24是18中的含有20的模块；25是18中的含有21的模块；26是18中的含有23的模块；27是碰撞吸能盒的一种端部形式；28是端部适配孔；29是螺栓；30是汽车纵梁；31是碰撞吸能盒的另一种端部形式；32是端部适配孔；33是螺栓；34是汽车横梁。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

对于本说明中所有的图，相同或相对应的元件一般采用相同的数字标记表示。需要指出的是，说明中所有的图只是对该发明解释说明性的表示，而本发明不局限于这些表示。此外，图中各部分并非必然按实际比例表示。在某些条件下，那些对了解本发明没有影响或者会对其他细节的理解造成影响的细节部分可能会被忽略。

实施例1：图1矩形等截面碰撞吸能盒的一种实施方式。

所谓矩形等截面碰撞吸能盒1是指1的截面2为矩形。用第二种加工工艺，该盒由两个相同的半壳拼装而成。图2(a)6为矩形等截面碰撞吸能盒的半壳的平面展开，图2(b)8为该半壳压制成型后的示意图，用来具体阐述图1矩形等截面碰撞吸能盒1的形状设计。在本发明中，碰撞吸能盒采用的是模块化的形式，其中模块5是指能够代表碰撞吸能盒形状的最小单元。不同长度的碰撞吸能盒可以通过沿轴向叠加若干个该模块得到，6描述了两个模块半壳展开后的形状，它们沿轴向的长度不必相同。半壳的表面为可展面，其优点在于采用板材压制成型时更为方便，生产成本低，加工精确性高。6即为板材下料图。半壳上的折痕7由平面上实线和虚线表示，其中实线表示峰折痕，虚线表示谷折痕。若按照平面上的折痕进行折叠或用模具压制，最终可以得到8中所示的成型后的半壳。与普通的矩形管半壳相比，该半壳在其角部各有一个钻石型凹角3。由于半壳含有两个模块，所以成型后8共有四个钻石型凹角3。

图3薄壁管1就是由两个金属板材加工成的半壳8相互搭接形成的一个矩形等截面碰撞吸能盒。其中两个半壳8的搭接边有重叠，通过固定点9相互焊接在一起。

实施例2：图4三角形等截面碰撞吸能盒的一种实施方式。

用第二种加工工艺，该盒由三个相同的三分之一壳拼装而成。图5(a)12为三角形等截面碰撞吸能盒的三分之一壳平面展开，图5(b)13为该三分之一壳压制成型后的示意图，用来具体阐述图4三角形等截面碰撞吸能盒10的形状设计。其中模块11是指能够代表碰撞吸能盒形状的最小单元。不同长度的碰撞吸能盒通过沿轴向叠加若干个该模块得到，12描述了两个模块的三分之一壳展开后的形状，每个模块沿轴向的长度不必相同。按实施例1中对折痕纹路的定义，本实施例对12进行同样的模具压制，最终得到成型后的三分之一壳13，其中3是钻石型凹角。图4中10是按照实施例1的装配方法，由三个金属板材加工成的三分之一壳13相互搭接形成的一个三角形等截面碰撞吸能盒。

实施例3：图6六边形等截面碰撞吸能盒的一种实施方式。

图6中14是六边形等截面碰撞吸能盒。成型过程中采用预先压制成型完全相同的六个六分之一壳再组装成型，或采用预先压制成型完全相同的两个半壳再组装成型。实施方法与以上两个实施例相同。

实施例4：图7侧面为梯形的矩形变截面碰撞吸能盒的一种实施方式。

图7中15是矩形变截面碰撞吸能盒，即沿轴向采用变截面的碰撞吸能盒。该盒由两个相同的半壳拼装而成，16为其半壳平面展开，压制成型后形成半个碰撞吸能盒17。用实施例1的拼装方法可以做成侧面为梯形的矩形变截面碰撞吸能盒15。

实施例5：图9不同类型钻石型凹角的矩形等截面碰撞吸能盒的一种实施方式。

图9中18是采用了不同类型钻石型凹角的矩形等截面碰撞吸能盒。5是带有与上述实施例相同钻石型凹角3的碰撞吸能盒模块。24、25和26分别是与5不同的碰撞吸能盒模块，它们沿轴向的长度不必相同，排列次序能变。模块24中的钻石型凹角20沿矩形等截面碰撞吸能盒的轴向两边均带有部分角线19；模块25中的钻石型凹角21沿矩形等截面碰撞吸能盒的轴向单边带有部分角线19；模块26中的钻石型凹角23在折痕纹路上开有孔22。壳的成型方法以及最终碰撞吸能盒的拼装方法与上述实施例相同。需要说明的是：在单个模块中每个角部的钻石型凹角能采用上述5、24、25和26中的任何一种。

实施例6：碰撞吸能盒的连接实施方式。

碰撞吸能盒通过其轴向的两个端部与汽车中的横梁、纵梁或其它部件连接，端部形式是管壁部分的自然延伸，或在碰撞吸能盒端部另加一块端部板与其焊接为一体，或直接焊接于汽车横梁、纵梁或其它部件上。

图10和12是带有端部适配孔的碰撞吸能盒示意图，图11和13是碰撞吸能盒与汽车其他部件的装配方式示意图。

Claims (4)

1.一种折痕式碰撞吸能盒，该碰撞吸能盒由沿轴向分布的一个或多个碰撞吸能盒模块构成，外型上整个碰撞吸能盒由若干三角形和梯形平面组成，该折痕式碰撞吸能盒的壁面均是可展的，即碰撞吸能盒的壁面展开后是平面，其特征在于：每个碰撞吸能盒模块具有下述结构：

A.它是具有多边形截面的薄壁管件；

B.它的每个角部区域有一个钻石型凹角，从而形成预制的折痕纹路。

2.根据权利要求1所述的一种折痕式碰撞吸能盒，其特征还在于：所述薄壁管件的多边形截面采用三角形、四边形或六边形，四边形包括正方形、矩形、菱形和梯形。

3.根据权利要求1或2所述的一种折痕式碰撞吸能盒，其特征还在于：碰撞吸能盒的整体形状沿轴向是等截面直的或变截面倾斜的。

4.根据权利要求1或2所述的一种折痕式碰撞吸能盒，其特征还在于：所述的钻石型凹角还包括对其进行边长修改，或在钻石型凹角的折痕处开孔。

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