CN102196947B - 保险杠系统、保险杠装置以及梁装置 - Google Patents

Abstract

一种保险杠系统包括主和副横梁，至少一个具有带有前向(或面向外)顶凹部的S形横截面。横梁包括在由S形横截面形成的凹部中的加强肋的不同布置以用于冲击和弯曲强度。在一种形式中，横梁由聚合材料制造。横梁可以包括用于附连到车架的一体形成的抗撞压罐状件，或者备选地可以通过独立金属抗撞压罐状件和托架附连到车架护栏末端。

Description

保险杠系统、保险杠装置以及梁装置

相关申请的横向引用

本发明申请根据35U.S.C.§119（e）要求于2008年10月30日提交的、名称为“用于提高行人安全的保险杠横梁”的、序列号为61/109,683的申请的权益，上述申请的全部内容被引用于此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种用于提高弯曲强度、冲击阻力和行人安全的车辆保险杠系统，并且尤其涉及一种结构横梁，其具有在横梁的大部分长度上的限定有多凹部的横截面或S形横截面。所述横梁特别用于轻型车辆中的主横梁和/或在行人碰撞应用中作为车辆的主横梁的补充。本横梁不应当被认为仅仅限制于车辆前保险杠，也不仅仅限制于行人安全，而是应当被认为与任何结构冲击横梁相关，其中在碰撞/弯曲期间横梁的形状、弯曲强度和冲击能量吸收是重要的。

背景技术

在过去，车辆前保险杠系统旨在保护车辆免于损坏，以及减小车辆乘客的受伤。近来，对行人安全，尤其是在被车辆碰撞时减小腿部受伤的关注增加。此外，一直有减小保险杠系统的总成本的很强竞争压力，以最小化部件的数量和重量并且在冲击行程上优化和分配能量吸收，同时保持设计灵活性和适应性。

若干因素对于旨在用于冲击阻力和能量吸收的横梁是重要的。例如，为了提供最佳横梁强度而且最小化车辆重量，横梁的冲击强度与重量的比率是重要的。而且，能量吸收的“效率”是重要的，其中当被碰撞时横梁快速地达到预定值，并且然后保持该阻力水平一段时间，而且其中负荷的峰值和谷值被避免，并且其中使得能量吸收是可预测和一致的。

发明内容

在本发明的一个方面中，一种用于在车架上提供冲击阻力的保险杠系统，包括结构横梁，所述结构横梁带有被配置用于附连到车架的端部定位的安装件，所述横梁具有S形横截面并且具有延伸大约等于车辆的宽度的长度。

在本发明的另一个方面中，一种保险杠装置包括被设计用于与相对重的或固定的物体的主冲撞的主加强横梁，和被设计用于行人碰撞并且定位在主加强横梁之下的位置以充当用于提高行人安全的‘护腿’的副横梁。所述保险杠装置包括具有S形横截面和大体匹配车辆宽度的横截车辆宽度的主和副横梁中的至少一个。

在本发明的另一个方面中，一种用于提高安全的横梁装置包括具有限定有至少两个相反朝向的凹部的横截面的塑料横梁、以及支撑横梁的端部并且适于安装到车架的位置以用于提高碰撞安全的一对独立抗撞压罐状件。

在本发明的另一个方面中，一种车辆具有车架和用于与物体碰撞的保险杠系统。一种改进包括所述保险杠系统具有塑料结构横梁，所述结构塑料横梁具有带有延伸大约等于车架的宽度的长度的中心部分、以及具有带有用于将横梁固定到车架的附连结构的端部，所述端部和中心部分中的至少一个包括加强肋组，所述加强肋组中的至少一个在横梁的凹部中限定三角形以用于分配应力。

在本发明的另一个方面中，一种车辆包括车架和用于与物体碰撞的保险杠系统。所述保险杠系统的改进包括塑料结构横梁，所述塑料结构横梁具有带有延伸大约等于车架的宽度的长度的中心部分、以及具有带有用于将横梁固定到车架的附连结构的端部，所述附连结构包括用于连接到车架的至少一个快接连接器，而不需要独立紧固器或工具用于装配。

本领域的技术人员通过研究以下说明书、权利要求和附图将理解和体会本发明的这些和其他方面、目标和特征。

附图说明

图1-2，3-4，5-6，7-8和12-13是体现本发明的带有S形横截面的不同横梁的前视和后视透视图，并且图1A是沿着图1中的线IA-IA获得的横截面，显示了S形横截面。

图9是使用图5-6的横梁的刚性杆碰撞测试的透视图。

图10是比较经测试的不同“S”横梁的质量的图表，横梁在高度和深度方面具有类似的横截面积。

图11是用于图1-8中所示的各种横梁的杆测试中的力与变形的关系的图形。

图12-13在上面被描述。

图14是被设计用于改善行人碰撞的横梁的透视图。

图15-16是安装在车辆保险杠系统中的图14的横梁的侧视图，图15显示了总组件，图16是穿过它的中心的横截面。

图17是显示杆与图16的结构碰撞的侧视图。

图18是图14的横梁的顶视图。

图19是包括附连结构的图18中的横梁的透视图。

图20是图19中的横梁的端部的放大横截面图，显示了它的附连结构。

具体实施方式

所示的横梁是用于车辆保险杠系统中的结构塑料横梁。结构塑料横梁具有限定有前向和后向凹部的S形横截面，但是各种横梁包括在由S形横截面形成的凹部中的不同类型横向加强肋。一些横梁包括用于附连到车架和用于在其上支撑横梁的一体形成的抗撞压罐状件。其他横梁附连到使用独立的金属抗撞压罐状件的车架，横梁的端部被构造为附连到抗撞压罐状件以用于安装到车架上。横梁大体纵向弯曲（即，“流线型”）以匹配现代客车的前部的空气动力学弯曲形状。可以预见本发明构思的范围包括是带有面前向（从车辆向外）凹部的结构横梁（主横梁或副横梁）的任何横梁，或具有S形横截面的横梁，或适于定位在车辆上的主保险杠加强横梁之下用作车辆上的“护腿”以用于提高行人安全的横梁。

一些横梁包括可以直接附连到车架和用于支撑横梁的一体形成的附连部分。其他横梁在设计中附连到使用金属的或塑料的抗撞压罐状件的车架。在从横梁到这些附连部分的过渡区，具有包含肋结构的横截面，所述肋结构可以采用多种设计形式。这些肋允许来自横梁的力分配到附连部分或抗撞压罐状件。肋通过为水平壁提供附加结构和刚度，但是也通过在碰撞期间防止凹部的过早张开，来强化它们的各自横梁。

带有不同横截面的各种横梁被测试，例如U形和I形和W形截面，但是带有横向肋的S形截面在冲击强度以及更轻重量和强度与重量比率方面优于它们。当质量和性能结果被组合时，照我们的观点，S形截面横梁明显地在单位重量的弯曲强度方面比所测试的其他塑料横梁提供更好的结果。值得注意的是，除了物理测试以外，执行理论计算。从这些计算，横梁的最大弯曲力矩被算出。该算出的弯曲力矩表明S形截面横梁具有比W形截面横梁更高的值。当相对于W形截面横梁考虑S形截面横梁的重量时，该比较更加有利于S形截面横梁。

金属抗撞压罐状件还提供和补充经测试的横梁的益处。特别地，测试表明塑料横梁的性能受到托架/抗撞压罐状件附连到横梁以及附连到塑料横梁的后板的运动影响。塑料抗撞压罐状件挠性很大，并且塑料抗撞压罐状件的后板被潜在地拉松，导致在冲击力偏转曲线期间的某些时候出现零阻力负荷的问题。数据表明与S形横梁相匹配的金属抗撞压罐状件具有最佳结果。然而，可以预见抗撞压罐状件可以由塑料制造，并且可以一体地形成，从而当将横梁安装到车架时具有用于特定应用的良好的能量吸收溃压特性和结构特性。然而必须多加小心以便使它们最佳地符合指定保险杠系统的特定功能要求。

在指定S形截面的凹部中的肋的构造和取向影响了横梁强度和质量。特别地，直立的肋（即，垂直于S形截面的凹部延伸的肋）（质量645g）导致比带有倾斜肋的横梁（质量684克）更低的横梁总质量。而且，当比较等重量横梁时，带有直立肋的“S”横梁（质量684克）比带有成倾斜肋的横梁（质量684克）（121J）更强（127.5J）。

应当注意在横梁设计中增加肋会增加了在碰撞期间横梁可吸收的力的大小。当横梁用作车辆保险杆系统中的主加强横梁时这会是重要的。同时，我们的测试表明，当横梁用作旨在用于符合行人碰撞标准以减小行人受伤的副横梁时肋并不同样重要。具体地，我们进行的测试和经验表明将肋加入具有S形横截面的“行人”横梁（即，被设计用于行人碰撞的横梁）对符合用于典型低伤害行人碰撞的目标标准的影响很小。换句话说，是否将加强肋加入带有S形的横梁或者将加强肋从带有S形的横梁中删除将对符合行人下部腿部碰撞标准影响较小，但是将肋加入带有S形的横梁对于主横梁的总体性能仍然重要。

图1-2、3-4、5-6、7-8和12-13是不同横梁20、20A、20B、20C和20D的前视和后视透视图。横梁20包括端部21和在端部21之间的横梁部分24，所述端部21带有能够附连到抗撞压罐状件22（图1）的开孔的平坦后表面，所述抗撞压罐状件又直接附连到车架23。横梁部分24具有S形横截面（参见图1A），所述横截面包括由倒圆部分33-34连接的壁30-32。竖直间隔肋35-36在由S形横截面形成的凹部上延伸。通过比较横梁20-20D可以看出，肋可以是直立肋（参见图1-4）或倾斜肋（图7-8，12-13）。值得注意的是，肋可以适于符合特定横梁要求，例如包括用于增加侧向支撑的倾斜肋，如果预期碰撞与车辆的纵向长度成一个角度的话。横梁20A和20D包括类似于横梁20的端部结构。（即，它们附连到抗撞压罐状件）。横梁20B和20C结合有在它们的端部21B和21C中的结构22B和22C，所述结构消除了对独立抗撞压罐状件22的需要。

横梁20、20A和20D（图1-4和12-13）包括独立的金属抗撞压罐状件22、22A和22D，而横梁20B和20C（图5-8）包括一体形成的抗撞压罐状件结构22B和22C。抗撞压罐状件能够被选择并且通过受到横梁所需的冲击阻力（例如用于车辆冲击阻力或用于行人的第一级冲击阻力）的强度以及预期碰撞方向（即，在碰撞期间横梁的侧向稳定性和侧向位移的阻力的需要）影响。在对主横梁的支撑是必要的情况下，金属抗撞压罐状件22、22A和22D被认为是特别有用的，原因是金属抗撞压罐状件的技术相对成熟，并且原因是金属抗撞压罐状件提供相当大的结构稳定性和强度（沿纵向和侧向方向）。所示的金属抗撞压罐状件22、22A和22D包括较大管状端部、较小管状端部和中间连接区域，所述中间连接区域被设计为使得为轧制材料的管状端部能够套入在彼此中，该轧制材料以可预测且一致的方式变形以用于最大能量吸收和效率。然而，应当注意一体化的抗撞压罐状件结构22B和22C一体地形成，并且因此制造和组装的成本低。所示的抗撞压罐状件结构22B和22C包括以蜂窝状结构布置的纵向延伸“列”肋以及横向肋以用于稳定性、结构和横梁强度。

图9是刚性杆碰撞测试的透视图，其中杆由带有横梁20（或横梁20A-20D）的车架碰撞。（备选地，杆可以安装在转摆上以使得对固定车辆的类似碰撞）。图10公开了重量的比较，其中具有类似的基本横截面尺寸和纵向形状的横梁被比较。经测试的四个横梁具有S形横截面横梁形状但是带有不同肋结构，并且两个附加横梁分别具有U形截面和I形截面。在图11中显示了具有S形横截面的四个横梁的碰撞结果。也进行附加测试，包括FEA检查（有限元分析）。我们发明人认为测试结果表明S形横梁提供了令人惊奇的和意想不到的结果，尤其当考虑碰撞效率时，这考虑到横梁强度、横梁重量和横梁强度与重量比率。值得注意的是，对于直接纵向碰撞，在图11中被表示为“A”的横梁截面尤其提供出色的、令人惊奇的和意料不到的结果。

图10大体示出了肋的加入和/或横梁的端部的修改和/或它的横截面形状的修改可以如何影响它的重量。当然，比重将取决于肋密度、肋斜度和取向、肋厚度和广度以及相关因素而变化。图11显示了S形横梁的力与偏转的比较。值得注意的是，肋结构大大影响初始横梁强度，并且于是也影响单个负荷峰值以及总能量吸收。

横梁20D（图12-13）不同于横梁20（图1-2），而是横梁20D包括沿着它的中心区域的多个倾斜肋，在一（右手）侧的所有肋35D-36D从横梁的前面和中心向后朝着车辆的相邻侧成向外的一个角度延伸，并且在另一（左手）侧的所有肋35D-36D从横梁的前面和中心向后沿相反方向（朝着车辆的相邻侧）成向外的一个角度延伸。在端部21D上的肋37D大体平行于纵向方向延伸以用于抗撞压罐状件22D上的最佳能量传递和强度。而且，所示端部21D从S形横截面（在横梁20D的中心）过渡到I形截面（即，前和后平行壁38D-39D，纵向壁40D在前和后平行壁之间延伸以形成I横梁形状）并且端部21中的肋37D被定向和定位为用于稳定I横梁形状的壁38D-40D。

图14-16示出了类似于横梁20（图1-2）的横梁20E，但是带有更适于行人安全的不同横截面形状。横梁20E包括一体化安装结构22E，所述一体化安装结构从横梁20E的中心部分的S形横截面过渡到安装结构，所述安装结构带有强化周边肋、三角形中心肋、用于接收安装螺钉的孔、以及便于安装到车辆的卡接结构。具体地，横梁20E被设计用于改善行人碰撞，其中横梁20E由PC/PBT或玻璃强化PP（例如DLFT聚合材料）制造，并且具有沿着它的大部分长度的S形横截面，但是其中端部21E被成形为形成安装/附连结构22E以用于将横梁20E附连到从车架或护栏末端延伸的托架23E。S形横截面包括从前到后的壁30E、31E、32E，以及顶部弯曲连接壁33E和底部弯曲连接壁34E。竖直肋35E和36E为横梁20E提供附加刚性，并且在碰撞期间有助于阻止壁30E-34E张开。值得注意的是，底壁32E具有将壁32E的后部分定位为低于壁32E的前部分的波状部40E，前和后部分为相对平面的，并且横梁的长度稍微纵向地弯曲（但是相对直的）。

图17显示了横梁20E的S形横截面与车辆的RRIM饰条部件45E的关系。横梁20E以这样的方式被成形使得S形截面的刚度最大部分相对于车辆的其余部分位于车辆最前位置和最低位置。保险杠系统也包括车辆的主横梁20（主横梁的面在上方并且与横梁20E的前面对齐或在后方）。为了示例的目的，主横梁20类似于图1-2中所示的横梁，但是可以预见各种不同的横梁横截面可以用于代替所示的横梁。主和副横梁的相对前后布置导致横梁20E比主横梁在策略上更迅速地和在行人的腿部上的更低位置接合行人腿部，这又由于行人的腿部（一条或两条）和身体受到碰撞的方式（即，“行人碰撞标准”）而导致提高的行人安全。特别地，保险杠与行人的腿部的碰撞的时间和位置大大影响受伤结果，包括人腿（一条或两条）受力弯曲的程度以及碰撞期间人如何“摔倒”。

值得注意的是，图17中的主横梁20和副横梁20E可以由不同材料制造并且具有不同横截面形状。例如，所示的横梁20由填充玻璃尼龙制造，而下横梁20E由PC/PBT或玻璃填充PP（例如DLFT材料）制造。两个横梁20和20E的横截面尺寸不同的另一个原因是由于功能和美观原因，例如车辆的设计者所允许的包装空间。

图14示出了横梁20E的端部21E，所述端部包括用于将横梁20E附连到车架护栏23E的安装/附连结构22E。端部21E包括过渡部分，所述过渡部分包括关闭横梁20E的S形部分的端部的端壁50E，并且还包括C形通道部分，所述C形通道部分带有平安装板51E和周边凸缘52E，所述周边凸缘围绕板51E延伸并且连接到顶和底壁30E和32E。加大的三角形肋53E从中心壁31E纵向延伸到板51E的外端。肋53E为三角形，带有连接到横梁20E的中心部分的大端和在外侧的小端。此外，横梁20E的中心部分向前弯曲（即，“流线型”）以匹配车辆的前面的空气动力学弯曲形状。然而，可以预见横梁可以是线性的并且不纵向弯曲。肋53E与周边凸缘52E组合作用以提供从横梁20E的S形中心部分进入它的附连结构22E的“三角形”负载路径，其中“三角形”负载路径处理从中心部分到端部和优选到附连结构的应力的分配。

横梁20E上的附连结构22E包括安装板51E（图20），所述安装板具有用于将横梁20E附连到托架23E的细节。所示的附连结构22E具有接收螺栓55E的顶孔54E（参见图20），所述螺栓拧入车架托架23E上的螺母56E中，并且还包括被构造为卡扣配合到托架23E中的孔58E中的卡接紧固爪扣57E。通过首先附连爪扣57E，这允许快速和牢固地组装到车架，并且组装时间很短。也可以预见可以设计其他附连结构，例如钩住顶部位置并且然后卡扣就位的安装结构。托架23E从车架竖直向下延伸，托架23E的顶部附连到车架并且推进23E的底部固定到横梁20E。

应当理解可以对前述的结构进行变化和修改而不脱离本发明的构思，并且还应当理解这样的构思旨在由以下权利要求涵盖，除非这些权利要求通过语言另外明确地说明。

Claims (16)

1.一种用于在车架上提供冲击阻力的保险杠系统，包括：

结构梁，所述结构梁带有被构造成用于附连到车架的端部定位安装件，所述结构梁具有S形横截面并且具有大约等于车辆宽度地延伸的长度，所述S形横截面包括单个面朝前的自由端和单个面朝后的自由端。

2.根据权利要求1所述的保险杠系统，其中所述结构梁包括聚合物材料。

3.根据权利要求1所述的保险杠系统，其中所述结构梁包括在车辆的前部上的主加强梁。

4.根据权利要求1所述的保险杠系统，其包括主梁，并且其中所述结构梁包括定位在所述主梁之下的副梁。

5.根据权利要求1所述的保险杠系统，其包括接合和支撑所述安装件的抗撞压罐状件。

6.根据权利要求1所述的保险杠系统，其中所述结构梁限定至少一个面向前的凹部，当所述结构梁处于安装于车辆的位置时，所述面向前凹部在横截面的顶部。

7.根据权利要求1所述的保险杠系统，其中所述S形横截面包括面朝前的凹部和面朝后的凹部，其中所述结构梁具有位于其内的、在由横截面所限定的两个凹部中的每一个凹部上延伸的横向加强肋。

8.根据权利要求7所述的保险杠系统，其中所述加强肋包括竖直肋和斜肋。

9.根据权利要求5所述的保险杠系统，其中所述抗撞压罐状件一体地形成于所述结构梁的端部上并且形成所述安装件的一部分。

10.根据权利要求1所述的保险杠系统，其中所述S形横截面由三个水平壁和两个倒圆连接壁构成。

11.一种保险杠装置，其包括：

主加强梁，其被设计用于与相对重的或固定的物体的主冲撞；和

副梁，其被设计用于行人碰撞并且定位在主加强梁之下的位置，以充当用于提高行人安全的‘护腿’；

所述主加强梁和副梁中的至少一个具有S形横截面和大体匹配车辆宽度的车辆横向宽度，所述S形横截面包括单个面朝前的自由端和单个面朝后的自由端。

12.根据权利要求11所述的保险杠装置，其中所述S形横截面由三个水平壁和两个倒圆连接壁构成。

13.一种用于提高安全的梁装置，其包括：

塑料梁，其具有限定有至少两个相反朝向的凹部的横截面，所述梁的横截面限定有S形截面,所述S形横截面包括单个面朝前的自由端和单个面朝后的自由端；和

一对独立的抗撞压罐状件，其支撑梁的端部并且适于安装到车架的一位置上用于提高碰撞安全。

14.根据权利要求13所述的梁装置，其中所述抗撞压罐状件由金属制造。

15.根据权利要求13所述的梁装置，其中所述抗撞压罐状件均包括塑料材料。

16.根据权利要求13所述的梁装置，其中所述S形截面限定有面向前的顶凹部。

Images