CN102582546A - 刚柔结合高效缓冲吸能的汽车前、后安全梁 - Google Patents

Abstract

本发明是在理论测算吸能量基础上，在保持汽车车体结构、外形、外貌与功能不变的条件下，用刚柔结合高效缓冲吸能的前、后安全梁替代前、后防撞梁的新一代汽车被动安全装置。它利用现有汽车安装前、后防撞梁的位置与空腔，在汽车前、后纵梁的两端面上安装安全梁，安全梁由吸能器罩壳、若干个主、副高效缓冲吸能器与底梁组成，其中底梁为刚性受力部分，罩壳与吸能器为柔性吸能部分，具有刚柔结合结构特征、能够消除高、中速碰撞时原防撞梁的有害作用，显著提高汽车抗冲击能力，最大程度保护司乘员的人身安全。经实施案例验证，与现有汽车防撞梁相比，安全性、技术性、经济性等各个方面都较原装防撞梁优越，用吸能效果十分显著的安全梁取代防撞梁，必然会成为汽车安全技术发展的方向。

Description

刚柔结合高效缓冲吸能的汽车前、后安全梁

技术领域

本发明涉及交通安全技术领域中的汽车安全，具体涉及一种在理论测算吸能量基础上，在保持汽车车体结构、外形、外貌与功能不变的条件下，用刚柔结合高效缓冲吸能的前、后安全梁替代前、后防撞梁的新一代汽车被动安全装置。

背景技术

目前世界上最先进的汽车主动安全技术莫过于智能自动驾驶装置，国内外对这种主动安全技术已经取得了初步成果，但还处于试验、试用阶段。这种主动安全装置包括探测系统、电脑分析控制、发令于转向和制动系统、发出各种警报等等，整个装置系统复杂、线路繁杂、电子元件器很多。如果线路发生故障，电子元件器失效，再加上雷电、高压线电磁和大雾天气等外部因素的影响，这种主动安全装置仍有可能发生不动作或误动作。因此即使用上这种主动安全装置，也并不能杜绝汽车碰撞(或追尾)事故的发生，再说道路的宽度有限，道路两边的情况复杂(例如正在桥上行使)，你想躲避也无处可躲。如果对方车辆一个劲儿的向你冲过来，发生碰撞(或追尾)事故的可能性不可避免。另外从其它相近领域也发现类似事例，例如，自动化程度很高、设备品质精良的高铁列车竟然也在温州附近发生了碰撞翻车。特别是这种主动安全装置价格昂贵，只有高档车可以问津，大量中低档车是用不起的。所以针对汽车在道路上行驶时，碰撞和追尾事故时有发生的现实，着力探索研究对司乘人员保护有显著实效，经济实惠又能普遍推广应用的被动安全技术具有十分重要的现实意义。

汽车被动安全装置是指在碰撞事故已发生的情况下，尽可能减少司乘人员受伤亡的保护装置。常用的有小轿车上使用的安全带、安全气囊、另外汽车防撞梁和坚固而不易变形的车体等，也属于被动安全装置。它们虽然能够在一定条件下减少碰撞车祸中司乘人员的伤亡，但远达不到百分之百的可靠，且保护司乘人员伤亡的作用也十分有限。例如安全气囊，当汽车发生正面碰撞时，要求同时达到一定的碰撞力度和角度才能打开并起保护作用。在实际发生碰撞事故时，常有安全气囊因未满足上述条件而打不开，造成司乘人员仍然受到伤亡，所以安全气囊不是一种理想的被动安全装置，而且还因价格贵和其它技术原因，根本不可能在除小轿车以外的其它汽车上使用。另外，现有被动安全技术只能减少所谓的二次伤害。即由于运动惯性的人体与车体相碰撞带来的伤害，以及由于车体变形对人体挤压所致的伤害。至于汽车发生碰撞过程的初始阶段的巨大加速度伤害则避免不了，这种加速度伤害即所谓一次伤害。现在高速公路上车辆的速度一般都在80千米/小时以上，一旦发生碰撞事故，一次伤害也是很严重的，特别是对于婴幼儿及少年阶段的人群。因为其脑部发育成长尚未完善，巨大加速度对他(她)们大脑的伤害，很可能影响他们成年后的智力。因此，研究开发最大程度减轻或免除司乘人员一次伤害和二次伤害、力求实现零伤亡的汽车被动安全技术，是汽车安全装置发展的趋势和潮流。本发明正是顺应了这一趋势和潮流。

根据我们多年研究总结的经验，理想的汽车被动安全装置应遵循以下的设计原则：

第一、建立在理论分析与定量计算的基础上进行设计。根据不同车型质量及速度，计算所需吸能器的吸能量，再进行被动安全装置的设计，使其达到只要发生碰撞或追尾事故，就能稳定的、100％的起到安全保护司乘人员的作用。

第二、不仅可避免或减轻司乘人员在汽车碰撞和追尾车祸中的一次伤害和二次伤害，又能减轻汽车本身的损坏。

第三、保持汽车原系统设计的外形与结构不变，不影响汽车的外观，使社会存量车的换装和汽车生产厂家的新车都乐意接受配套出厂。

第四、拆旧装新简便，耗费工时少、不需维护检修。

第五、售价较低，能够经济实惠的配置在小轿车、越野车、中巴、面包车、公交车、旅行车、大客车、校车、轻卡、重卡、赛车及各种专用车辆上。

目前，国内外的所有各类汽车及已经或正在研发的各类汽车被动安全装置，能够同时满足上述五项设计原则的，尚未见任何报导或专利公开(公布)。

发明内容

本发明是发明人在《新型高效吸能的汽车前、后防撞梁》(公开号CN102085837A)与《一种用于汽车碰撞或追尾时的高效吸能装置》(专利号201120482796.0)的基础上，历经十年之久，开发出的一种能够同时满足上述设计原则的新一代汽车被动安全装置。

一、理论依据

汽车发明以来，国内外众多学者及专家对各种汽车高、中速碰撞的吸能方法、吸能材料与吸能器的选择，进行了长期的、持续不断的广泛研究，但都未解决究竟吸能器要有多大的吸能量才能减免司乘人员的伤亡呢？这是至今汽车安全技术尚未突破的瓶颈，我们从长期观察、研究、分析入手，发现了不少令人深思的碰撞个案：

感动中国2011年度人物吴菊萍，奋不顾身用双手接住从10楼窗台坠楼的两岁小女孩妞妞，挽救了幼小生命，自己的手臂被瞬间巨大的冲击力撞成两处骨折电视节目主持人小丁说：“中年妇女手臂只能承受45kg左右的力，而小女孩落到妇女手臂的冲击力却有300多kg，这是物理学难以解释的奇迹”。我们认为：奇迹就在接小孩的人的手臂起到了缓冲吸能的作用，采用静应力的计算方法进行测算，十楼窗台至地面约28m，接小孩手臂至地面约1m，按自由落体计算，小女落至妇女手臂时的速度(考虑到空气阻力，乘以0.85的系数)：

$v=\sqrt{2\mathrm{gs}}\×0.85=\sqrt{2\×9.8\×(28-1)}\×0.85$

$=19.55m/s=70\mathrm{km}/h$

小孩对妇女手臂的撞击总能量(2岁小女孩的质量m≈12kg)：

E_总＝1/2mv²＝1/2×12×(19.55)²×1/102＝22.48KJ

妇女手臂承受45kg力，同小女孩一起落地，行程约1m，吸收能量：

E_吸＝45×1×1/102＝0.44KJ

式中1/102是能量单位换算系数

手臂的吸能量与小孩落至妇女手臂时的撞击总能量之比：

E_吸/E_总＝0.44/22.48×100％＝1.96％

吴菊萍手臂的缓冲作用，仅仅吸收了小孩1.96％的撞击能量，就挽救了妞妞的生命，这对我们探索研究汽车碰撞的被动安全技术是一项很有启发性的实例。

据此，我们将以往研究与积累的汽车被动安全装置试验以及汽车发生碰撞事故的案例，用上述方法进行测算，发现了一个规律性的现象，如表1所示：

表1、已有汽车吸能器碰撞试验与碰撞事故实测分析测算表

注：所有测算的汽车保护器是由压缩弹簧，剪断螺栓及其构件组成。

从表1所列三种碰撞类型中，得到一个共同的结论性数据，这就是当吸能器的吸能量与碰撞总能量之比在2％左右时，就可使碰撞和追尾车祸中的司乘人员避免死亡。因此，本发明将E_吸/E_总＝2％，定名为L-C汽车碰撞零死亡最小安全吸能系数。鉴于交通安全事故情境复杂，受多种随机因素制约，为基本确保不同车型、不同车速下碰撞的零伤亡，从实际需要出发，将E_吸/E_总的比值，提高到3-4％，即增加50-100％的吸能量，以此作为所有汽车被动安全装置的设计安全参数，定名为L-C汽车碰撞零伤亡安全吸能系数。

二、实施方案

本发明所要解决的技术问题是：在确保E_吸/E_总＝3-4％的安全前提下，从经济性出发，应用TRIZ理论的物场分析法，通过拆解物场模型，筛选出本发明的标准解，即在保持汽车原有车体结构、外形、外貌及功能不变的情况下，引入刚柔结合高效缓冲吸能安全梁替代防撞梁，消除防撞梁在高、中速碰撞时对司乘人员不能起到安全保护的极大弊端，以求基本实现零伤亡的理想安全保护功能。

本发明的技术方案是：利用汽车车体原有前、后防撞梁的位置与空腔，在汽车纵梁的前、后两端面上安装安全梁，安全梁由吸能器罩壳、若干个主、副高效缓冲吸能器与底梁组成，其中底梁为刚性受力部分，罩壳与吸能器为柔性吸能部分，具有刚柔结合的结构特征与显著提高车体高效缓冲吸能的能力、确保司乘人员安全得到最大程度的保护。

上述技术方案中，前、后安全梁的底梁内侧正对车架底盘上纵梁中心线的位置上，分别焊接装配前、后各两个主吸能器、再在前、后底梁中心线上及两旁空腔位置，视不同载重车型所需吸能量的大小，均匀配装若干个副吸能器。吸能器是由等高不等径不等厚的薄壁波纹管和薄壁直管同心相间嵌套组成，再牢固焊接在正方形底板上(底板边长略大于最外层薄壁波纹管直径)，焊好吸能器的底板按设计位置分别焊接安装在前、后底梁内侧。

上述技术方案中，吸能器采用如下结构，在下端固定板上分别按设计要求从小径到大径交替焊接等高不等径不等厚的薄壁波纹管和薄壁直管，然后再将有多条长形孔的上方盖板与已焊接在方形底板上的波纹管和直管的上部焊接连接，构成一个个单一的由薄壁波纹管和薄壁直管相间嵌套组成的吸能器。由于每个薄壁波纹管内外从上至下有多处折弯形成波形，在巨大撞击力的作用下，有折弯处的波纹将率先沿着轴向溃缩变形吸能，从而使前、后安全梁起到高效缓冲吸能的作用。

上述技术方案中，将已经焊接装配在底梁上的主、副吸能器的上方，用活动连接的办法将薄壁罩壳罩住吸能器和底梁。当车祸发生时，巨大的撞击能量便首先作用于罩壳、多个吸能器及底梁上，并通过罩壳和吸能器的变形来缓冲和吸收巨大的撞击能量。

上述技术方案中，底梁采用普通钢板冲压为槽型结构，其厚度为罩壳厚度的3-4倍，经测算底梁的刚性大于原防撞梁，能够提高车体承受碰撞的能力，减轻汽车的损坏程度，降低维修成本。

上述技术方案中，前、后安全梁在原防撞梁位置上，分别用螺栓紧固在汽车纵梁前、后两端面上，使前、后安全梁和汽车纵梁成为一个整体。当汽车遭遇高、中速碰撞或追尾事故时，巨大的撞击能量在汽车纵梁和安全梁的底梁的抵抗下，在碰撞过程的关键时刻，使安全梁的罩壳和多个吸能器溃缩变形吸收部分能量，剩余的能量则通过底梁和纵梁传递到汽车底盘、轮胎、地面、车箱，使坐在车内的司乘人员仅感觉是紧急刹车一样。

三、实施案例

1、根据上述实施方案，计算了吸能比E_吸/E_总为3-4％时，各类汽车在不同装载条件与车速下，安全梁所需吸能量的设计参数，如表2、表3所示：

表2、小轿车系列安全梁所需吸能量设计参数表

表3、大型客车系列安全梁所需吸能量设计参数表

根据表2、表3所列各种类型汽车安全梁所需吸能量参数，就可量体裁衣的设计与制造不同规格型号、满足不同类型汽车、在不同车速发生碰撞时，基本确保司乘人员无伤亡的被动安全装置——刚柔结合高效缓冲吸能的汽车前、后安全梁。

2、根据上述实施方案，以现代圣达菲越野车为例，用本发明的安全梁与原装车的防撞梁进行了设计参数与技术经济性能的对比分析，如表4所示：

表4、现代圣达菲越野车原装防撞梁与替代为本发明安全梁的对比分析表

上述对比分析数据证实：本发明的安全梁在安全性、技术性、经济性等各个方面都较原装防撞梁优越得多，用吸能效果十分显著的安全梁取代防撞梁必然会成为汽车安全技术发展的方向。

附图说明

图1为本发明刚柔结合高效缓冲吸能的汽车前、后安全梁结构示意图。

图2为本发明高效缓冲吸能器的正剖面结构示意图。

图3为本发明高效缓冲吸能器的剖视图。

具体实施方式：

参见图1-3的本发明实施例，在汽车前安全梁和后安全梁内，按设计计算的要求和位置，将图2中的高效吸能器焊接安装在前、后底梁底部。参见图1中A-A剖面图，其中主吸能器3中心线应正对着汽车前、后纵梁的中心线安装，辅吸能器则应对着前、后安全梁的中心线及左右均布。

图1中A-A剖面中的前、后安全梁的罩壳1应安装在底梁和主辅吸能器上，并将底梁和吸能器罩住，但罩壳与底梁是活动连接，即底梁是刚性的，罩壳和吸能器是柔性的。

图1中本发明的汽车前、后安全梁的底梁是正对着汽车纵梁原前、后防撞梁的位置用螺栓紧固在纵梁前、后端面上进行安装。

图2系本发明的高效缓冲吸能器，图2中的2表示等高不等径的薄壁波纹管按设计计算数量及排列要求，分别从里至外焊接在正方形底板图2-3上，然后再将有孔的方形顶板图2-1与各个薄壁波纹管顶部焊接连接成一个整体的吸能器。

Claims (9)

1.刚柔结合高效缓冲吸能的汽车前、后安全梁是一种能取代所有汽车防撞梁的新一代汽车被动安全装置，其特征在于：在理论测算吸能量基础上，在保持车体结构、外形、外貌与功能不变的条件下，用刚柔结合高效缓冲吸能的前、后安全梁替代前、后防撞梁的新一代汽车被动安全装置。经实施案例证实，其安全、技术、经济等各项性能指标显著优于防撞梁，吸能效果显著，能够基本实现汽车高、中速正撞和追尾车祸时司乘人员的零伤亡。

2.根据权利要求1所述的刚柔结合高效缓冲吸能的汽车前、后安全梁的新一代汽车被动安全装置，其特征在于：不同类型汽车配置的安全梁所需吸能量是经理论测算的，计算的基本式为：

E_吸/E_总×100％≈2％……………………………………………(1)

E_吸/E_总×100％≈34％…………………………………………(2)

(1)式表述为：吸能器吸能量E_吸与碰撞总能量E_总之比达到2％左右时，就可使碰撞和追尾车祸中的司乘人员避免死亡，并定名为L-C汽车碰撞零死亡安全最小吸能系数。

(2)式表述为：吸能器吸能量E_吸与碰撞总能量E_总之比达到3-4％左右时，就可使碰撞和追尾车祸中的司乘人员避免伤亡，并定名为L-C汽车碰撞零伤亡安全吸能系数。

3.根据权利要求1所述的刚柔结合高效缓冲吸能的汽车前、后安全梁的新一代汽车被动安全装置，其特征在于：确保E_吸/E_总＝3-4％的安全前提下，利用车体原有前、后防撞梁的位置与空腔，在汽车纵梁的前、后两端面上安装安全梁，安全梁由吸能器罩壳、若干个主、副高效缓冲吸能器与底梁组成，其中底梁为刚性受力部分，罩壳与吸能器为柔性吸能部分，具有刚柔结合的结构特征与显著提高车体高效缓冲吸能的能力、确保司乘人员安全得到最大程度的保护。

4.根据权利要求1所述的刚柔结合高效缓冲吸能的汽车前、后安全梁的新一代汽车被动安全装置，其特征在于：前、后安全梁的底梁内侧正对车架底盘上纵梁中心线的位置上，分别焊接装配前、后各两个主吸能器、再在前、后底梁中心线上及两旁空腔位置，视不同载重车型所需吸能量的大小，均匀配装若干个副吸能器。吸能器是由等高不等径不等厚的薄壁波纹管和薄壁直管同心相间嵌套组成，再牢固焊接在正方形底板上及带多条长形孔的正方形盖板下(底板及盖板边长略大于最外层薄壁波纹管直径)，焊好吸能器的底板按设计位置分别焊接安装在前、后底梁内侧。由于每个薄壁波纹管内外从上至下有多处折弯形成波形，在巨大撞击力的作用下，有折弯处的波纹将率先沿着轴向溃缩变形吸能，从而使前、后安全梁起到高效缓冲吸能的作用。

5.根据权利要求1所述的刚柔结合高效缓冲吸能的汽车前、后安全梁的新一代汽车被动安全装置，其特征在于：，将已经焊接装配有主、副吸能器的底梁上方，用活动连接的办法将薄壁罩壳罩住吸能器和底梁。当车祸发生时，巨大的撞击能量便首先作用于罩壳、多个吸能器及底梁上，并通过罩壳和吸能器的溃缩变形来缓冲和吸收撞击的能量。

6.根据权利要求1所述的刚柔结合高效缓冲吸能的汽车前、后安全梁的新一代汽车被动安全装置，其特征在于：底梁采用普通钢板冲压为槽型结构，其厚度为罩壳厚度的3-4倍，经测算底梁的刚性大于原防撞梁，能够提高车体承受碰撞的能力，减轻汽车的损坏程度，降低维修成本。

7.根据权利要求1所述的刚柔结合高效缓冲吸能的汽车前、后安全梁的新一代汽车被动安全装置，其特征在于：前、后安全梁在原防撞梁位置上，分别用螺栓紧固在汽车纵梁前、后两端面上，使前、后安全梁和汽车纵梁成为一个整体。当汽车遭遇高、中速碰撞或追尾事故时，巨大的撞击能量在汽车纵梁和安全梁的底梁的抵抗下，在碰撞过程的关键时刻，使安全梁的罩壳和多个吸能器溃缩变形吸收部分能量，剩余的能量则通过底梁和纵梁传递到汽车底盘、轮胎、地面、车箱，使坐在车内的司乘人员仅感觉是紧急刹车一样。

8.根据权利要求1所述的刚柔结合高效缓冲吸能的汽车前、后安全梁的新一代汽车被动安全装置，其特征在于：设计了E_吸/E_总＝3-4％时的不同类型汽车、不同载重与车速条件下，安全梁所需吸能量参数，就可以量体裁衣的方式设计制造不同规格型号的小轿车、校车、公交车、大中型客车等系列的刚柔结合高效缓冲吸能安全梁。

9.根据权利要求1所述的刚柔结合高效缓冲吸能的汽车前、后安全梁的新一代汽车被动安全装置，其特征在于：以现代圣达菲越野车为例，用本发明的安全梁与原装车的防撞梁进行了具体设计参数与技术经济性能的对比分析，证实本发明的安全梁在安全性、技术性、经济性等各个方面都较原装防撞梁具有显著的优越性，用吸能效果十分显著的安全梁取代防撞梁是汽车安全技术势在必行的选择。

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