CN102275555B - 能量吸收设备及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种能量吸收设备，其包括限定了轴线且具有外表面的大致圆柱形部件。一个或多个轴向隔开的大致环形部件，所述大致环形部件在所述外表面操作地连接到所述大致圆柱形部件，以在所述大致圆柱形部件中形成应力集中区域，使得由于对所述大致圆柱形部件施加足够的力而使所述大致圆柱形部件在所述应力集中区域产生变形，其中，所述应力集中区域被所述大致环形部件加强。应力集中区域作为挤压引发特征，并通过将大致环形部件连接到大致圆柱形部件而形成。因此，不需要昂贵的工具（诸如预成形的模具）来形成大致圆柱形部件中的引发特征。

Description

能量吸收设备及其形成方法
技术领域
本发明涉及能量吸收设备，诸如用于车辆的能量吸收设备，以及用于形成该设备的方法。
背景技术
汽车车辆通常被设计为吸收冲击能量以便在冲击事件中保护乘员舱。例如，车辆框架轨被设计为吸收大量的能量。有时其它的能量吸收设备被用于提供局部区域的能量吸收，以便防止或限制周围构件的变形。
发明内容
提供了一种能量吸收设备，其包括限定了轴线且具有外表面的大致圆柱形部件。一个或多个轴向隔开的大致环形部件在外表面上操作地连接到大致圆柱形部件。大致环形部件的连接在大致圆柱形部件中形成应力集中区域，使得由于对大致圆柱形部件施加足够的力而使大致圆柱形部件在应力集中区域产生变形。如本文所用，应力集中区域是圆柱形部件的一个区域，由于该区域的构造，在该区域中，由于施加的力产生的应力大于其它区域。应力集中区域被围绕的环形部件加强。应力集中区域作为挤压引发特征，并通过将大致环形部件连接到大致圆柱形部件而形成。因此，不需要昂贵的工具（诸如预成形的模具）来形成圆柱形部件中的引发特征。
在一个实施例中，一个或多个大致环形部件通过诸如压接（crimping）而压到圆柱形部件上。压行为形成了圆柱形部件的变形，其作为挤压引发特征。因此，变形开始于挤压引发特征，但由围绕的大致环形部件的加强吸收一些能量，限制了圆柱形部件的变形。
在另一个实施例中，一个或多个大致环形部件焊接到圆柱形部件上。圆柱形部件的邻接焊点的区域是应力集中区域，作为挤压引发特征。
能量吸收设备可以用于车辆中。例如，能量吸收设备可以连接在车辆缓冲装置和框架轨之间或仪表板和膝垫构件之间。
形成能量吸收设备的方法包括形成限定轴线的大致圆柱形部件。形成圆柱形部件可以通过无缝焊接、挤压、带有有缝焊接的轧制成形而实现，但不限于这些工艺。方法还包括将一个或多个轴向隔开的大致环形部件围绕大致圆柱形部件设置，将大致环形部件操作地连接到大致圆柱形部件，从而在圆柱形部件中形成应力集中区域。例如，大致环形部件可以通过诸如压接而压到圆柱形部件上，形成局部变形作为应力集中区域。然后设备可以安装在连接到圆柱形部件的任一端的两个构件之间。可以改变大致环形部件的数量和间距以及圆柱形部件的厚度和长度以获得期望的能量吸收能力。
因为挤压引发特征是在组装过程中形成的并且不需要冲压到圆柱形部件中，因此避免了冲压圆柱形部件的特定模具的成本。另外，设备易于对不同的应用进行修改，诸如改变大致环形部件的数量或轴向位置。
此外，本发明还涉及以下技术方案。
1. 一种能量吸收设备，包括：
限定轴线并具有外表面的大致圆柱形部件；以及
至少一个大致环形部件，所述至少一个大致环形部件在所述外表面操作地连接到所述大致圆柱形部件，以在所述大致圆柱形部件中形成应力集中区域，使得由于对所述大致圆柱形部件施加足够的力而使所述大致圆柱形部件在所述应力集中区域产生变形，其中，所述应力集中区域被所述围绕的至少一个环形部件加强。
2. 如技术方案1所述的能量吸收设备，其中，所述至少一个大致环形部件被压到所述大致圆柱形部件上。
3. 如技术方案2所述的能量吸收设备，其中，所述至少一个大致环形部件具有多侧外表面。
4. 如技术方案1所述的能量吸收设备，其中，所述至少一个大致环形部件被焊接到所述大致圆柱形部件上。
5. 如技术方案1所述的能量吸收设备，其中，所述至少一个大致环形部件包括多个环形部件，其中，所述环形部件的不同相邻对彼此之间间隔不同。
6. 如技术方案1所述的能量吸收设备，其中，所述大致圆柱形部件是钢制的。
7. 如技术方案1所述的能量吸收设备，其中，所述至少一个大致环形部件是压缩钢制的。
8. 如技术方案1所述的能量吸收设备，其中，所述至少一个大致环形部件包括多个环形部件，并且还包括：
安装到所述大致圆柱形部件的一端的第一构件；以及
安装到所述大致圆柱形部件的另一端的第二构件，其中，力沿着朝向所述第二构件的方向施加到所述第一构件，由所述力造成的变形能量按照从最接近所述第一构件的环形部件中的一个到最接近所述第二构件的环形部件中的另一个的轴向顺序被所述环形部件吸收。
9. 如技术方案8所述的能量吸收设备，还包括：
安装到所述第一构件的车辆缓冲装置和安装到所述第二构件的框架轨。
10. 如技术方案8所述的能量吸收设备，还包括：
安装到所述第一构件的车辆仪表板和安装到所述第二构件的膝垫构件。
11. 一种车辆，包括：
限定轴线并具有外表面的大致圆柱形钢部件；
多个轴向隔开的压缩钢制的大致环形部件，所述大致环形部件在所述外表面操作地连接到所述大致圆柱形钢部件以使所述大致圆柱形钢部件变形，从而在所述大致圆柱形钢部件中形成应力集中区域，所述应力集中区域用作挤压引发特征，其中，所述挤压引发特征操作地连接到所述大致圆柱形钢部件；
安装到所述大致圆柱形钢部件的一端的第一车辆构件；以及
安装到所述大致圆柱形钢部件的另一端的第二车辆构件；
其中，所述大致环形部件构造成围绕和加强所述应力集中区域，使得由于沿朝向所述第二构件的方向施加到所述第一构件的足够力而在所述应力集中区域引起所述大致圆柱形钢部件的变形，并且所述变形的能量被所述大致环形部件吸收，从而限制所述第一车辆构件朝向所述第二车辆构件的移动。
12. 如技术方案11所述的车辆，其中，所述第一车辆构件是缓冲装置，所述第二车辆构件是框架轨。
13. 如技术方案11所述的车辆，其中，所述第一车辆构件是仪表板，所述第二车辆构件是膝垫构件。
14. 一种方法，包括：
形成限定轴线的大致圆柱形部件；
将至少一个大致环形部件设置在所述大致圆柱形部件周围；
将所述至少一个大致环形部件操作地连接到所述大致圆柱形部件，从而产生应力集中区域，所述应力集中区域作为所述圆柱形部件中的挤压引发特征；以及
将带有所述连接的至少一个大致环形部件的所述大致圆柱形部件安装在连接到所述圆柱形部件的任一端的两个构件之间。
15. 如技术方案14所述的方法，其中，将所述至少一个大致环形部件操作地连接到所述大致圆柱形部件是通过将所述至少一个大致环形部件径向向内地压到所述大致圆柱形部件上以使所述大致圆柱形部件局部变形而实现的。
16. 如技术方案14所述的方法，其中，将所述至少一个大致环形部件操作地连接到所述大致圆柱形部件是通过将所述至少一个大致环形部件焊接到所述大致圆柱形部件上而实现的。
17. 如技术方案14所述的方法，其中，所述形成所述大致圆柱形部件是通过无缝焊接、挤压或带有有缝焊接的轧制成形而实现的。
结合附图，通过下面对实现本发明的最佳方式的具体描述，将容易理解本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点。
附图说明
图1是显示能量吸收设备的一个实施例的示意透视图；
图2A是示意性横截面图，示出由图1的箭头2A-2A所取的图1的设备的部分视图；
图2B是示意性横截面图，示出了压接在图1的设备的圆柱形部件上的环形部件的部分视图；
图2C是示意性横截面图，示出了类似于图1的设备的替代性实施例的部分视图，其具有焊接到圆柱形部件上的环形部件；
图3A-3D是示意性侧视图，示出了图1和图2A-2B的设备在冲击事件期间变形的各个阶段；
图4是示意性横截面图，示出了车辆的前部的部分视图，图1和图2A-2B的设备安装在缓冲装置和框架轨之间；
图5是示意性侧视图，示出了一部分车辆的部分视图，图1和图2A-2B的设备安装在车辆仪表板和膝垫构件之间；
图6是示意性横截面图，示出了能量吸收设备的另一实施例的部分视图；以及
图7是示出形成图1-6的任一个能量吸收设备的方法的流程图。
具体实施方式
参见附图，其中相同的附图标记在全部的若干视图中指示相同的构件，图1示出了能量吸收设备10，其构造成控制冲击能量的吸收。能量吸收设备10包括大致圆柱形的部件12，环形部件14操作地连接到圆柱形部件12的外表面16，以形成应力集中区域13（图2B中最佳所示），也称为挤压引发特征，其功能在下面进行论述。环形部件14不需要是完整的环，但应该大致是环形的。第一和第二安装板18、20分别连接到圆柱形部件12的第一端22和第二端24。下面将更详细地介绍能量吸收设备10的这些构件的构造和组装。
在图1所示的实施例中，圆柱形部件12是钢管。管可以是无缝焊接管、挤压管或可以是轧制成形的有缝焊接管，但不限于此。这种钢管的成本将比具有冲压的挤压引发特征的冲压钢圆柱形部件更低，因为冲压的挤压引发特征将需要专用模具。或者，圆柱形部件12可能是具有比钢管更厚的壁的钢管。圆柱形部件12可以是挤压的铝合金代替钢，或者可以是塑料材料。材料的选择和圆柱形部件12的规格可以基于设备10的期望的撞击能量吸收性能，并可以使用撞击能量分析来进行细调。
图2A显示了沿着由圆柱形部件12限定的中心轴线A轴向隔开的两个环形部件14。在该实施例中，环形部件14通过压接而操作地连接到圆柱形部件12。通过压接而压缩的环形部件14使圆柱形部件12的部分17局部变形，部分17被环形部件14径向包围以形成应力集中区域13。变形的部分17的径向横截面比圆柱形部件12的其余部分小，在变形的部分或接近变形的部分形成应力集中区域13。环形部件14构造成比圆柱形部件12更强，从而用于吸收在冲击力F施加到端部22时在应力集中区域13引起的变形的能量，如图3A-3D所示。该吸收变形能量的能力限制了端部22由于冲击力F而向端部24的轴向运动。如图3B、3C和3D所示，力F造成变形，使得端部22向端部24移动。随着时间从图3A的初始冲击进行到图3D中的能量吸收设备10的最终状态，由应力集中区域13的环形部件14从端部22轴向逐渐朝向端部24的过程中吸收变形能量。图3D所示的由冲击力F导致的挤压的结尾的能量吸收设备10的状态显示了端部22与端部24隔开的距离大于不在应力集中区域13设置环形部件14来吸收一些冲击能量的情况。带有应力集中区域13的能量吸收设备10帮助控制圆柱形部件12的变形以及端部22朝向端部24的移动。
参考图2A和2B，可选地，环形部件14各具有多侧外表面，如侧面B、C和D所示。多侧外表面允许两个压接工具分别位于表面B和D上，以在垂直于侧面B和D的相应方向上并且大致径向向内压缩环形部件14。各环形部件14的多侧外表面帮助控制绕环形部件14的整个外周的压缩力，产生非常对称的变形部分17，能够进行高精度的挤压性能建模。也可以使用将环形部件14压到圆柱形部件12上的其它方式，诸如通过将小间隔的钉径向向内地压到环形部件14的外周周围，以将环形部件14压到绕外周的隔开的位置上。
参考图2C，备选的能量吸收设备10A包括圆柱形部件12A，其可由以上所述的关于圆柱形部件12的任何方法形成，并可以是关于圆柱形部件12所述的任何材料形成。一个或多个环形部件14A沿着圆柱形部件12A轴向隔开，类似于图1-2B的环形部件14。环形部件14A焊接到圆柱形部件12A，如焊接区域15所示。选择焊接材料和焊接工艺，诸如焊接的冷却速率，使得圆柱形部件12A在焊接区域15较强，在环形部件14A和焊接区域15的任一侧产生应力集中区域13A。应力集中区域13A作为挤压引发特征，使得圆柱形部件12A的初始变形位于应力集中区域13A。圆柱形部件12A由环形部件14A加强。因此，当力施加到圆柱形部件12A的端部时，与图3A的力F类似，环形部件14A吸收一些变形能量，降低圆柱形部件12A的轴向压缩。因为环形部件14A焊接到圆柱形部件12A，而不是压接到圆柱形部件12A，因此环形部件14A不具有多个外侧表面，尽管其可以具有这种表面并将由于拥有这种表面而性能良好。
图4示出了能量吸收设备10在车辆30中的一个应用。能量吸收设备10用于缓冲组件32，该缓冲组件32可以是前缓冲组件或后缓冲组件。缓冲组件32包括饰板34，其向外与泡沫或塑料隔离件36隔开。隔离件36安装在缓冲梁38上。能量吸收设备10的第一和第二安装板18、20在焊点41处焊接到圆柱形部件12的端部。能量吸收设备10的第一安装板18在焊接区域40焊接到缓冲梁38。或者，第一安装板18可螺栓固定或以其它方式固定到缓冲梁38上。第二安装板20通过螺栓44螺栓固定到车辆框架轨43的凸缘42上。第二安装板20可以通过其它方式固定到框架轨43上。通过将能量吸收设备10安装在缓冲梁38和框架轨43之间，传递通过饰板34和泡沫隔离件36到达缓冲梁38的冲击力的一些能量通过能量吸收设备10的变形来吸收，以控制缓冲梁38朝向框架轨43的移动。
图5示出了能量吸收设备10在车辆130中的另一个应用。能量吸收设备10在安装在仪表板134的一端具有第一安装板18。第二安装板20在能量吸收设备10的第二端安装到膝垫构件136，诸如泡沫上。在能量吸收设备10的方向上施加到仪表板134的冲击力将造成能量吸收设备10吸收至少一些冲击能量，其中变形能量被环形部件14（见图1）吸收，以控制第一端22朝向第二端24的前进（见图3A-3D）。
参考图6，示出了能量吸收设备的另一替代性实施例10C。仅示出了第一安装板18C附接到能量吸收设备10C的一端22C。第二安装板附接到能量吸收设备10C的另一端（未示出）。能量吸收设备10C具有大致圆柱形部件12C，其可由以上关于圆柱形部件12所述的任何方法形成，并可以是关于圆柱形部件12所述的任何材料形成。多个大致环形部件14C1、14C2和14C3通过压接而轴向地分布在圆柱形部件12C的外表面上并可操作地连接到圆柱形部件12C的外表面上，如关于图1-2B的环形部件14所述的，以形成被环形部件14C径向围绕的应力集中区域13C。环形部件14C的数量与环形部件14的数量不同，并且环形部件14与环形部件14C以不同的方式隔开。相邻的一对环形部件14C1和14C2之间的间距大于相邻对14C2和14C3之间的间距。环形部件14C的数量和间距依赖于能量吸收设备10C的期望的变形特性。可以进行冲击分析以确定环形部件14C的最佳数量和间距以获得期望的变形特性。
现在参考图7，示出了制造和安装诸如图1-6的能量吸收设备10、10A和10C的能量吸收设备的方法200。方法200开始于步骤202，形成大致圆柱形部件12、12A或12C。形成圆柱形部件可以通过无缝焊接、挤压、带有无缝焊接的轧制成形或任何其它适当的制造方法。在形成圆柱形部件之后，方法200进行到步骤204，将一个或多个环形部件14、14A或14C沿轴向隔开的布置设置在圆柱形部件12、12A或12C周围。环形部件14、14A和14C的数量和间距依赖于能量吸收设备10、10A或10C的特定应用中的期望的能量变形特性。
在步骤206中，环形部件14、14A或14C操作地连接到圆柱形部件12、12A或12C以形成应力集中区域13、13A或13C。这可以通过将环形部件压到大致圆柱形部件12、12A或12C上而实现，诸如通过如上所述的压接。或者，这可以通过将环形部件14、14A或14C焊接到圆柱形部件12、12A或12C而实现。一旦操作地连接，当圆柱形部件12、12A或12C开始在应力集中区域13、13A或13C变形，环形部件14、14A或14C用于吸收变形能量。
最后，在步骤208中，能量吸收设备10、10A或10C安装在连接到能量吸收设备10、10A或10C的任一端的两个构件之间。在图4中，步骤208以安装在缓冲梁38和框架轨43之间的能量吸收设备10来示出。在图5中，步骤208以安装在仪表板134和膝垫构件136之间的能量吸收设备10来示出。能量吸收设备10也用于其它应用，包括要求受控的能量吸收的非车辆应用。
因此，本文所述的能量吸收设备10、10A或10C以及方法200提供了能量吸收设备的简单制造及应用以控制由冲击导致的构件的变形。
虽然已经详细说明了实施本发明的最佳方式，但是本领域技术人员将意识到实现本发明的不同的设计方案和实施方式也在所附权利要求的范围内。

Claims (17)

1.一种能量吸收设备，包括：
限定轴线并具有外表面的大致圆柱形部件；以及
至少一个大致环形部件，所述至少一个大致环形部件在所述外表面操作地连接到所述大致圆柱形部件，以在所述大致圆柱形部件中形成应力集中区域，使得由于对所述大致圆柱形部件施加足够的力而使所述大致圆柱形部件在所述应力集中区域产生变形，其中，所述应力集中区域被所述围绕的至少一个环形部件加强。
2.如权利要求1所述的能量吸收设备，其中，所述至少一个大致环形部件被压到所述大致圆柱形部件上。
3.如权利要求2所述的能量吸收设备，其中，所述至少一个大致环形部件具有多侧外表面。
4.如权利要求1所述的能量吸收设备，其中，所述至少一个大致环形部件被焊接到所述大致圆柱形部件上。
5.如权利要求1所述的能量吸收设备，其中，所述至少一个大致环形部件包括多个环形部件，其中，所述环形部件的不同相邻对彼此之间间隔不同。
6.如权利要求1所述的能量吸收设备，其中，所述大致圆柱形部件是钢制的。
7.如权利要求1所述的能量吸收设备，其中，所述至少一个大致环形部件是压缩钢制的。
8.如权利要求1所述的能量吸收设备，其中，所述至少一个大致环形部件包括多个环形部件，并且还包括：
安装到所述大致圆柱形部件的一端的第一构件；以及
安装到所述大致圆柱形部件的另一端的第二构件，其中，力沿着朝向所述第二构件的方向施加到所述第一构件，由所述力造成的变形能量按照从最接近所述第一构件的环形部件中的一个到最接近所述第二构件的环形部件中的另一个的轴向顺序被所述环形部件吸收。
9.如权利要求8所述的能量吸收设备，还包括：
安装到所述第一构件的车辆缓冲装置和安装到所述第二构件的框架轨。
10.如权利要求8所述的能量吸收设备，还包括：
安装到所述第一构件的车辆仪表板和安装到所述第二构件的膝垫构件。
11.一种车辆，包括：
限定轴线并具有外表面的大致圆柱形钢部件；
多个轴向隔开的压缩钢制的大致环形部件，所述大致环形部件在所述外表面操作地连接到所述大致圆柱形钢部件以使所述大致圆柱形钢部件变形，从而在所述大致圆柱形钢部件中形成应力集中区域，所述应力集中区域用作挤压引发特征；
安装到所述大致圆柱形钢部件的一端的第一车辆构件；以及
安装到所述大致圆柱形钢部件的另一端的第二车辆构件；
其中，所述大致环形部件构造成围绕和加强所述应力集中区域，使得由于沿朝向所述第二构件的方向施加到所述第一构件的足够力而在所述应力集中区域引起所述大致圆柱形钢部件的变形，并且所述变形的能量被所述大致环形部件吸收，从而限制所述第一车辆构件朝向所述第二车辆构件的移动。
12.如权利要求11所述的车辆，其中，所述第一车辆构件是缓冲装置，所述第二车辆构件是框架轨。
13.如权利要求11所述的车辆，其中，所述第一车辆构件是仪表板，所述第二车辆构件是膝垫构件。
14.一种用于形成能量吸收设备的方法，包括：
形成限定轴线的大致圆柱形部件；
将至少一个大致环形部件设置在所述大致圆柱形部件周围；
将所述至少一个大致环形部件操作地连接到所述大致圆柱形部件，从而产生应力集中区域，所述应力集中区域作为所述圆柱形部件中的挤压引发特征；以及
将带有所述连接的至少一个大致环形部件的所述大致圆柱形部件安装在连接到所述圆柱形部件的任一端的两个构件之间。
15.如权利要求14所述的方法，其中，将所述至少一个大致环形部件操作地连接到所述大致圆柱形部件是通过将所述至少一个大致环形部件径向向内地压到所述大致圆柱形部件上以使所述大致圆柱形部件局部变形而实现的。
16.如权利要求14所述的方法，其中，将所述至少一个大致环形部件操作地连接到所述大致圆柱形部件是通过将所述至少一个大致环形部件焊接到所述大致圆柱形部件上而实现的。
17.如权利要求14所述的方法，其中，所述形成所述大致圆柱形部件是通过无缝焊接、挤压或带有有缝焊接的轧制成形而实现的。
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