CN102811888A - 可塑性变形弹簧能量管理系统及制造和使用该系统的方法 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，一种能量管理系统可包括：支撑结构；罩；和可塑性变形的压缩弹簧，该弹簧位于支撑结构和罩之间。在一个实施例中，一种吸收能量的方法可包括：撞击包括能量管理系统的车辆的部分，并使得压缩弹簧塑性地变形。用于车辆中能量管理的方法包括在车辆中安装该能量管理系统。

Description

可塑性变形弹簧能量管理系统及制造和使用该系统的方法

技术领域

本公开涉及用于行人安全和车辆可损害性的能量管理系统，且特别涉及采用塑性变形的能量吸收器系统。

背景技术

将行人受车辆撞击时遭受的损害的程度最小化的方法日渐具有增加的重要性。焦点集中在保险杠组件、大灯。对于保险杠组件，已经使用泡沫树脂用于能量吸收。基于泡沫的系统通常在撞击时具有慢的加载，导致高的位移。此外，尽管泡沫对于百分之六十或七十的压缩是有效的，超过该点后，泡沫变得不可压缩，使得撞击能量不能被完全吸收。剩余的撞击能量通过支撑梁和/或车辆结构的变形来吸收。泡沫还是温度敏感的，从而位移和撞击吸收变现随温度显著地变化。典型地，随着温度降低，泡沫变得更加刚性，导致更高的载荷来实现位移。相反地，随着温度降低，泡沫变得更加挠性，导致更高的位移以及可能的车辆损坏。

关于大灯，实际上，由于其位于车辆的前部或角部的位置，车辆的大灯是撞击时行人最多接触的位置之一，或和其他车辆撞击时损坏的最多的位置之一。已经提出多种不同的设计，以在撞击时最小化行人损伤，以及最小化对大灯的（例如车头灯）的损害。其中的一些需要对大灯进行显著的结构变动，这增加了其体积、重量、和/或成本。其他需要对围绕大灯区域的底盘进行改动。

在当前竞争激烈的汽车市场中，设计工程师的一大挑战是降低部件质量，从而降低系统成本和增加燃料经济性。现在，原始设备制造商（OEMs）在较低的能量吸收器质量上非常激进，因为可用的替代式系统提供了低的成本和低质量的解决方法，但其亦具有性能上的妥协。

本领域中需要满足以降低的质量（和当前市场上的标准能量吸收器系统相比）满足希望的撞击目标的能量管理系统，且可能的话，减少且简化车辆维修。

发明内容

通过包括可塑性变形的弹簧的本能量管理系统可减轻上述缺陷。

在一个实施例中，一种能量管理系统可包括：支撑结构；罩；和可塑性变形的压缩弹簧，该弹簧位于支撑结构和罩之间。

在一个实施例中，一种吸收能量的方法可包括：撞击包括能量管理系统的车辆的部分，并使得压缩弹簧塑性地变形。

用于车辆中能量管理的方法包括在车辆中安装该能量管理系统。

通过下列附图和详尽的描述示例性地示出上述特征以及其他特征。

附图说明

现在参见附图，其为示例性而非限制性的，且其中类似的元件在多幅附图中相同地编号。

图1是包括锥形形状的压缩螺旋弹簧的实施例的侧视图。

图2是包括锥形形状的螺旋弹簧的实施例的侧视图,其示出了弹簧直径的变化。

图3具有恒定螺距的包括圆柱形形状的螺旋弹簧的实施例的侧视图。

图4是具有变动螺距的包括圆柱形形状的螺旋弹簧的实施例的侧视图。

图5是包括沙漏形状的螺旋弹簧的实施例的侧视图。

图6是包括桶形形状的螺旋弹簧的实施例的侧视图。

图7是附连至上保险杠梁的弹簧的实施例的透视图。

图8是附连至下保险杠梁的弹簧的实施例的透视图。

图9是车辆格栅的背部的实施例的透视图，其中弹簧附连至罩（例如，面板（fascia））。

图10是包括塑性变形元件的弹簧的实施例的透视图。

图11是包括锁定元件的弹簧的一个实施例的侧视图，其中弹簧处于打开位置。

图12是处于压缩位置的图11的弹簧的俯视图，其中锁定元件被塑性地变形。

图13是取代压缩弹簧的包括C截面形状构造的热塑性能量吸收器系统的实施例。

图14是完整的能量吸收器系统（例如，保险杠组件）的侧视图。

图15示出了塑性压缩弹簧的静态压缩测试和CAE模拟对照的图形化结果。

图16是多阶式能量吸收器的侧视图。

图17是用于制造螺旋弹簧的绕线方法的正视图。

具体实施方式

包括可塑性变形压缩弹簧（一个或多个）的能量管理系统可用于在车辆系统中的多个部件,这些部件可受益于能量吸收。例如，塑性压缩弹簧（一个或多个）可用于保险杠组件、车灯组件（例如大灯组件、尾灯物件、内照明组件等）、仪表盘组件、引擎盖固定组件、挡泥板组件、车顶组件、车门模块组件和/或方向盘组件。可塑性变形压缩弹簧（一个或多个）可提供能量吸收，其在针对特定区域的希望的能量的程度之下，产生塑性变形。这样的系统可允许定向可调整性（例如，系统中特定位置处的刚度，而其他部分具有不同的刚度）、个体可更换性（个别弹簧可被更换而不需要整个部件的更换（例如，更换弹簧而不是保险杠组件）、降低的部件重量、允许保险杠组件满足或超过行人安全标准，以及保险杠系统的增强的振动稳定性。

在一些实施例中，可塑性变形压缩弹簧可用作机动车保险杠组件的能量吸收器。在通过显著降低部件的质量（例如，高达25%）而实现降低的系统成本之外，这样的组件在下腿部模型测试、上腿部模型测试和膝部加速模拟中提供改进的行人安全性。能量吸收器的降低的质量通过降低车辆的总质量附加地辅助提供更高的燃料经济性。本系统跨车辆的保险杠采用了多个可塑性变形弹簧。压缩弹簧所需要的能量的量可基于诸如车辆类型、政府规章/要求、弹簧沿保险杠所处的位置（即，每一个弹簧可具有和保险杠中其他弹簧的相同或不同的压缩特性）的若干因素而被调节（例如，选择）。换句话说，保险杠可被定制。例如，此处公开的能量吸收器以20%的安全余量满足下腿部撞击二级目标的要求，且还满足上腿部撞击二级规章的要求。

该系统的一个大优势在于即使在没有多种类型工具或设备的情形下也能实现定制。每一个保险杠组件的总体设计可为大致相似的，例如，具有面板（例如，保险杠组件的最外部分）、弹簧、和支架元件（例如，支撑结构）。系统之间的不同可在与采用的具体的弹簧。弹簧也可被可移除地附连（例如，可卸下（即，可从其附连至的元件移除或重新附连至该元件，而不损坏该元件））至车辆（例如，附连至面板、保险杠梁、白车身（BIW，body in white）、黑车身（BIB，body in black）、保险杠梁、前端模块、散热器支撑梁、保险杠支架、从BIW突起的部件、从BIB突起的部件、和包括前述部件的至少一个的组合），允许消耗的弹簧（例如在撞车后）的迅速更换。例如，弹簧（一个或多个）可具有螺纹部分，其允许弹簧被拧入保险杠系统的适当的元件中，该保险杠系统将包括具有匹配的内螺纹的相应的母部件。其他可能的附连包括进入或穿过特定元件的开口，其中线圈的端部穿入或通过该开口且被保持在其中，以及在下文中关于紧固至面板所描述的紧固件。

多个弹簧（即，一组或多个弹簧）可布置在车辆的整个范围上，以满足行人安全的性能指标，和/或增强车辆整体性和/或构件的寿命。换句话说，可预见弹簧可用在前保险杠系统、后保险杠系统、和/或在车辆的各个元件中（例如在大灯、挡泥板组件、引擎盖固定系统、仪表盘板组件、车门模块组件和车顶组件中）。

弹簧保险杠系统的另一优势是连续壳体-壁结构的能量吸收器被一组调节过的弹簧替代，这可将系统的质量降低大于或等于约25%，将原材料成本降低大于或等于约30%，将加工成本降低大于或等于约30%，且如果损坏的话可降低整个保险杠组件的更换成本。这些能量吸收器也可通过吸收施加至保险杠面板的振动和或/或力来增强保险杠面板的振动稳定性。

如上所述，能量吸收器系统可包括面板、螺旋弹簧（例如，各种形状的压缩弹簧，也称作螺旋弹簧），该弹簧提供针对撞击中希望的塑性变形的程度调节的灵活度；例如，完全塑性变形、部分塑性变形。希望的塑性变形的程度取决于多个因素，诸如撞击状况（例如，为了降低行人损伤、降低乘客损伤、降低车辆损坏等）、能量吸收器系统位于车辆上的位置、车辆的种类、规章要求等。通常地，弹簧设计为具有大于或等于10%的塑性变形，特别地，大于或等于15%，且更特别地，大于或等于20%。在一些实施例中，塑性变形可为10%至50%，特别地，15%至45%，且更特别地，15%至40%。在一些实施例中，塑性变形可大于或等于45%，特别地，大于或等于50%，更特别地，50%至100%，还更特别地，60%至100%，且进一步特别地，75%至100%。此处，塑性变形的百分比理解为根据下列公式确定：

h_f=h_i-(%p_d)(h_i)

其中P_d＝塑性变形

h_f=撞击后弹簧的最终高度（“h”）

h_i=撞击前弹簧的初始高度（“h”）

例如，对于其中涉及人体的撞击状况（例如，腿部和车辆保险杠的撞击、头部在仪表盘或挡泥板上的撞击），希望获得更大程度的塑性变形，以较在车身上重新定向能量而言吸收更多的能量（希望获得大于或等于线圈的50%塑性变形的更高的塑性变形）。换句话说，对于高度（“h”）为100毫米（mm）的弹簧而言，如果弹簧被设计用于行人损伤，在撞击时，弹簧将塑性地变形大于或等于50%。因此，弹簧的高度将降低大于或等于50%。在撞击后，弹簧高度将小于或等于50mm。对于目的是最小化对车辆部件的撞击状况而言，诸如在低速撞车中，通常希望获得较低的塑性变形，例如，大于或等于15%的塑性变形，特别地，15%至40%。例如，如果能量吸收器系统设计为降低车辆损坏，对于高度为100mm的弹簧而言，对于低速撞车（例如，小于或等于16千米每小时（km/hr）（10英里/小时）），在事故后，弹簧高度将为60mm至85mm。

金属弹簧吸收撞击能量并随后通过施加和接收到的力相反的力来释放能量；弹簧弹回，由此将能量转移至撞击的对象（例如，行人）。因此，金属弹簧未曾被用于保险杠梁前方（例如，尚没有直接在面板之后采用）。但是，这些塑性弹簧发生弹性变形，但也发生塑性变形（例如，如上所述大于或等于10%塑性变形），并由此调节（例如，控制）朝向撞击目标释放回的能量的量。塑性弹簧耗散接收的能量，而不是仅将能量朝向撞击的目标回弹。它们弹性且塑性地变形。因此，保险杠系统包括热塑性弹簧（例如，整个热塑性弹簧），或热塑性和非热塑性弹簧的组合（例如，包括热塑性线圈（一个或多个）和非热塑性线圈（一个或多个）的弹簧、包括芯部和涂层的弹簧，其中芯部和涂层中的至少一个为非热塑性材料（non-thermoplastic material）而另一个是热塑性材料（thermoplastic material））。可能的非热塑性材料包括热固性材料、金属、陶瓷、和包括前述非热塑性材料中的至少一个的组合。这些弹簧可用在车辆系统中的任意地点，而不用关注由弹簧释放的能量。

例如，为了提供用于下腿部和/或上腿部撞击的受控和能量高效的管理，保险杠（例如，保险杠的前部）可具有经调节的刚度分布（例如，不同位置中的不同刚度，以在撞击时实现希望的能量吸收）。在一个实施例中，弹簧可被局部调节，以满足性能指标（例如，靠近保险杠组件的中间部分和靠近保险杠组件的端部处不同）。例如，弹簧可调节为具有0.01千牛每毫米（kN/mm）至10kN/mm的刚度。可选地，弹簧可具有从保险杠组件的中间朝向保险杠组件的端部的刚度梯度，其中朝向保险杠量的端部具有较高的刚度（例如，允许在更小的空间内更大的能量吸收）。

压缩弹簧可具有各种几何形状。一些形状在图1-6中示出，包括锥形（图1和2）、圆柱形（图3和4）、沙漏形（图5）、桶形（图6）。这些弹簧可具有恒定或可变的螺距（pitch）（例如，分别参见图3和4）。弹簧可在成形期间被调节，以满足性能目标。在另一实施例中，弹簧可在成形后装配前被调节，以满足性能目标。诸如长度、线圈直径、线直径、螺距的弹簧的几何形状参数可在成形期间针对不同的刚度被调节。在弹簧成形后，其在支撑结构之上的布局可被配置,以实现不同的刚度分布.

每一个弹簧的刚度可通过变动线圈的直径和/或螺距（即，倾斜的角度或度数）而被进一步调节。图2示出了线圈直径（d_c）。刚度可通过增加或降低线圈的直径而调节，其中直径的增加也增加了刚度。例如，线圈直径（d_c）取决于希望的刚度、在弹簧之间采用的距离、弹簧的高度、以及其他因素。在一些实施例中，线圈直径（d_c）可为10mm至20mm。

关于弹簧直径，希望的直径部分地取决于弹簧的形状（例如，锥形、圆柱形、桶形等）。对于锥形弹簧，在一些实施例中，最小直径端部可具有小于或等于最大直径端部的50%的直径，特别地，小于或等于最大直径端部的35%的直径，更特别地，小于或等于最大直径端部的25%的直径，和进一步特别地，小于或等于最大直径端部的20%的直径。例如，最大直径端部可具有70mm至90mm的直径（例如80mm），而最小直径端部可具有10mm至20mm的直径（例如15mm）。在各个实施例中，螺距可为10mm至60mm，特别地，15mm至40mm，且更特别地，20mm至30mm。

期望地，弹簧的材料被选择以实现希望的塑性和弹性变形。在一些实施例中，塑性弹簧可为完全热塑性材料（其中“完全”指的是没有加入非热塑性材料，但可存在杂质），或弹簧可包括塑料或其他材料。例如，塑性线圈可包括金属芯部（例如，覆盖在塑料中的细金属线），其中塑性变形由塑料壳体提供。

弹簧可包括具有针对车辆中的弹簧的特定应用（例如，希望的刚度和塑性变形）的希望性质的任意材料（一种或多种）。在诸如弹簧的长度和直径的几何形状限制下，可通过选定不同的材料（一种或多种）实现用于不同撞击要求的弹簧的希望的刚度。材料的示例性特性包括高韧性/延展性、热稳定性、高能量吸收能力、良好的模量-伸长比、以及可回收性，以及其他因素，其中“高”和“良好”意图指向至少满足车辆安全规章和给定的构件/元件的要求的特质。弹簧可包括能够进行塑性变形的非金属材料（例如，可塑性变形非金属部分和金属部分）。在不同实施例中，弹簧可包括或主要包括塑料材料。示例性弹簧材料包括塑料材料，诸如聚碳酸酯（polycarbonate），聚酯（polyester）（例如，聚对苯二甲酸丁二醇酯（“PBT”，polybutyleneterephthalate）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（“PET”，polyethylene terephthalate）、以及其他），以及包括前述材料中的至少一个的组合。例如，弹簧可包括XENOY^TM树脂（一种或多种），其从SABIC Innovative Plastics可购得。在一些实施例中，塑料材料可为在温度-60°C至200°C可挠的热塑性材料。例如，非填充热塑性材料（unfilled thermoplastic material）可具有0.5GPa至2.8GPa的拉伸强度，5MPa至70MPa的屈服强度，和/或10%至150%的伸长率；而填充热塑性材料（filled thermoplastic material）可具有1.5GPa至10GPa的拉伸强度，和/或0.5%至10%的伸长率；而复合材料（诸如，层片材料）可具有80GPa至160GPa的拉伸强度和/或70MPa至100MPa的剪切模量。例如，可采用聚碳酸酯/聚对苯二甲酸丁酯共混物（例如，特定的XENOY^TM树脂，从SABIC Innovative Plastics IP B.V.可购得），其具有1.87GPa的拉伸强度、48MPa的屈服强度，和120%的伸长率。

示例性热塑性材料包括聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚丙烯（polypropylene）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS，acrylonitrile-butadiene-styrene）、丙烯酸-苯乙烯-丙烯腈（ASA，acrylic-styrene-acrylonitrile）、聚酯（例如，PBT、PET）、聚酰胺（polyamides）、聚乙烯（例如，低密度聚乙烯（LDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）、，聚酰胺、聚苯硫醚树脂（phenylene sulfide resins）、聚氯乙烯（PVC，polyvinyl chloride）、聚苯乙烯（例如，高冲击力聚苯乙烯（HIPS，high impact polystyrene））、聚丙烯（PP，polypropylene）、聚苯醚树脂（polyphenylene ether resin）、和热塑性烯烃（TPO，thermoplastic olefins）、以及包括前述至少一项的组合。可用于弹簧的塑料材料的一些附加示例包括但不限于，聚碳酸酯/ABS共混物、共聚碳酸酯-聚酯（copolycarbonate-polyester）、丙烯腈-（乙烯-聚丙烯二胺改性）-苯乙烯（AES，acrylonitrile-(ethylene-polypropylene diaminemodified)-styrene）、聚苯醚和聚苯乙烯（例如，玻璃纤维填充的聚苯醚和聚苯乙烯的共混物）、聚苯醚/聚酰胺共混物的共混物（blends of polyphenyleneether/polyamide）、聚碳酸酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）/聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）的共混物、聚碳酸酯/聚对苯二甲酸丁二醇酯的共混物、聚乙烯和纤维复合材料、聚丙烯和纤维复合材料、长纤维增强热塑性材料，以及包括前述塑料材料中的至少一项的组合。可购得的材料包括从SABICInnovative Plastics可购得的LEXAN^TM树脂,LEXAN^TM EXL树脂,XENOY^TM树脂,NORYL GTX^TM树脂,NORYL^TM树脂,和VERTON^TM树脂、以及从AZDEL,Inc.可购得的AZDEL Superlite^TM板。可选地，例如，为了进一步增强总体保险杠组件的调节，能量吸收器系统中的不同弹簧可包括相同或不同的材料（一种或多种）。

现在转向图1至6，示出了此处描述的弹簧的不同实施例。图1和2示出了其中弹簧为螺旋、锥形形状的实施例，而图3示出了恒定螺距、圆柱形弹簧，图4示出了变动螺距、锥形柱形弹簧，图5示出了沙漏形状弹簧，而图6示出了桶状弹簧。弹簧包括线圈直径（d_c）、弹簧直径（d_s）、高度（h）、和螺距（p）。这些特征在图2和3中示出。在一些实施例中，如图2所示，螺旋弹簧可具有锥形形状，其特征在于第一线圈（22）靠近第二线圈（24），且其中第一线圈（22）具有小于或等于第二线圈（24）的内直径的外直径。在一个实施例中，弹簧（10）配置为在能量施加至面板（16）时塑性地变形（即，弹簧在撞击时变形且在撞击完成后不返回至其初始形状）。如在图1-6中可见，弹簧的内部可以是打开的空洞。可选地，内部可包括可辅助将弹簧保持在其压缩位置的材料或部件。

现在转向图7至9,示出了多个弹簧（10）,其中弹簧（10）附连至支撑结构（12、14）。支撑结构（12、14）可包括上保险杠梁（12）和下保险杠梁（14）。图7和8示出了一实施例，其中螺旋弹簧（10）具有锥形形状，其中线圈的内直径和外直径随着线圈越来越接近支撑结构（12、14）而逐渐增加（即，弹簧具有朝向支撑结构发散的锥形形状）。图7示出了一实施例，其中多个螺旋弹簧（26）的第一部分位于所述上梁部分（12）上，且该多个螺旋弹簧（28）的第二部分位于所述下梁部分（14）上。

在一个实施例中，如图8所示，支撑结构（14）包括钢梁构件（20）。支撑结构（12、14）可包括位于车辆的前部部分上的构件（例如，具有足够大的刚性以在预定的撞击时支撑弹簧希望的压缩的构件）。该构件（例如，“刚性构件”）可从下列组中选出：保险杠梁（例如，钢保险杠梁）、前端部模块（例如，位于前保险杠组件后的构件）、散热器支撑梁、保险杠支架、从白车身突起的构件、以及包括前述至少一项的组合。总体上支撑结构是白车身（BIW）和/或附连至BIW的构件。在各个实施例中，支撑结构（12、14）可选择为和/或设计为具有足够的结构完整性，以允许螺旋弹簧被完全压缩。

图7和8示出了在车辆保险杠（前部和/或后部）的整个长度上设计的多个螺旋弹簧（10），其中弹簧（10）被局部地调节，以满足希望的性能目标。在一个实施例中，可通过大于或等于5根弹簧（10）实现从集中参数模型（例如，使用弹簧、质量和阻尼器的模型）中估计出的希望的刚度。弹簧（10）可位于面板和BIW之间，且可附连至（例如，位于其上、安装或附连至其）面板、保险杠梁（和/或位于弹簧和BIW之间的其他支撑结构），以及以上的任意组合。弹簧（10）可布置成使得第一弹簧（30）平行于第二弹簧（32）。在一个实施例中，弹簧（10）可位于板上（例如，刚性板，即，在撞击中不变形且传输最大载荷至弹簧用于压缩的板），用于均匀的载荷分布，其中板附连至位于车辆的前部或尾部上的支架部件，保险杠组件附连至该前部或尾部。

在一些实施例中，保险杠组件中的弹簧的数量可大于或等于7，特别地，大于或等于10，更特别地，大于或等于20，且进一步特别地，大于或等于25。在此外的其他实施例中，保险杠组件中的弹簧的数量可为1至20，特别地，3至15，更特别地，5至10，且进一步特别地，5至7。如应注意到的，弹簧可沿支撑元件和/或面板对齐成一行（例如，直的行），或可交错开。而且，多于一行的弹簧可布置在面板和支撑元件之间（例如，图15中示出的多阶式弹簧吸收器），其中支撑结构可位于弹簧的行之间，以允许弹簧如所希望地被压缩。

图9示出了车辆格栅的背部的实施例，其中弹簧（10）附连至面板（16）。面板（16）是覆盖或包围弹簧（10）和保险杠组件的其他构件的保险杠组件的装饰性元件。如在该图中所示，在一些实施例中，弹簧（10）可附连至面板（16），而不是保险杠组件的其他元件，或弹簧（10）可以附连到面板（16）和保险杠组件的其他元件（一个或多个）。如果弹簧（10）附连至面板（16），面板可包括面板固定件（一个或多个）（56），诸如钩子（一个或多个）、槽（一个或多个）、夹具（一个或多个）、钳（一个或多个）、夹（一个或多个）、螺纹（一个或多个）和螺栓（一个或多个）、U形夹（一个或多个）以及其他紧固件等，其示例性地位于面板（16）的内表面（58）上。例如，弹簧（10）的端部可布置为穿过面板固定件（56）且可配置为阻止从面板固定件（56）中不小心地退出。可以不同的方式阻止退出，这示例性地包括，靠近弹簧（10）的端部阻止弹簧（10）从面板固定件（56）中退出的钩、弯曲部、增大部分、或元件（60）。例如，面板固定件可布置为穿过位于弹簧的端部附近的孔（例如环）。面板固定件（以及用于将弹簧附连至车辆的其他元件）可设计为允许个别弹簧的移除的更换，即，不需要更换弹簧附连于其上的元件。

在如图10-12示出的一些实施例中，锁定机构（一个或多个）可和一个或多个弹簧一起使用。一些可能的锁定机构（一个或多个）包括锁定元件（66），其在被压缩后将弹簧保持在压缩位置中。示出了和支撑元件（例如，保险杠梁（20））操作地接合的臂（68）。板或固定器（70）定位在臂68的一端部处或附近，而延伸穿过弹簧（10）并进入支撑元件（20）的臂的部分包括突起部（一个或多个）（72）（例如，卡扣配合元件、倒钩），其允许臂（68）在力施加至板（70）时沿方向“D”移动。随着臂（68）沿方向“D”，朝向支撑元件（20）移动，突起部（72）穿过支撑元件（20）中的开口（74），其中突起部（72）被尺寸设定且设计为允许沿“D”方向穿过开口（74）,且阻止突起部（72）沿相反的方向向回穿过开口（74）。换句话说，当足够大的力量将板（70）朝向支撑元件（20）推动，且迫使突起部（72）穿过开口（74），锁定元件（66）继而将弹簧（10）保持在压缩（或部分压缩）位置中。

图11和12示出了可单独使用或和图10的元件一起使用的附加的锁定元件。在这些附图中，塑料元件（plastic element）（例如塑料板（34））和弹簧（10）的线圈操作地连接（例如，连接至其上）。在压缩和能量吸收中，塑料板（34）用来吸收一些能量，使得板（一个或多个）（34）塑性变形。板（一个或多个）的塑性变形还将线圈锁定在压缩位置中，并由此阻止线圈弹回其初始位置以及表现出向回向外的力。例如，在撞击中，板（34）可发生全塑性变形而不发生弹性变形，而弹簧（10）可发生塑性变形和弹性变形两者。

塑料元件可由和弹簧相同或不同的材料制成。例如，塑料元件可由热塑性材料（例如，具有良好延展性的未填充热塑性材料）制成。在一些实施例中，塑料板可为弹簧的整体部分（即，不可从弹簧卸下），例如，由相同的材料制成。在其他实施例中，它可设计为分立的构件（例如，可布置为和弹簧操作地关联（例如附连至弹簧））。可选地，塑料元件可从弹簧卸下，且配置为在弹簧塑性变形之前塑性变形。因此，当撞击仅足以塑性变形该元件时，塑料元件可卸下且被更换，而示例性地不需要更换弹簧。塑料元件的尺寸取决于希望的塑性变形特质和使用的材料。在各个实施例中，塑料元件的厚度可高达约4毫米（mm）左右，例如，0.5mm至4mm。

图14示出了保险杠组件（36）的一个实施例。在图14中，弹簧（10）（例如螺旋弹簧）附连至位于散热器（40）前方的保险杠梁（42）。面板（16）包围弹簧（10）和保险杠梁（42），其中面板（16）位于引擎盖（38）和底架（44）之间。弹簧（10）位于支撑结构（即，保险杠梁（42））和面板（16）之间，且配置为在能量施加至面板（16）时压缩。在力施加至面板（16）时，弹簧（10）压缩并发生塑性变形，从而当力停止时，弹簧（10）被锁定在位，且不弹回（即，弹簧不返回至其在压缩前的初始位置）。取决于力的量和弹簧的设计，塑性变形可阻止弹簧的部分或全部弹性表现。例如，在一些实施例中，弹簧保持部分地被压缩，仅返回至小于或等于其初始高度“h”的80%的高度，特别地，至小于或等于其初始高度的65%的高度，更具体，至小于或等于其初始高度的50%的高度，且进一步特别地，至小于或等于其初始高度25%的高度。在一些实施例中，弹簧可保持完全压缩。但在一些实施例中，当力小于塑性变形特定的弹簧所需的程度时，当力停止时，弹簧返回至其初始形状（例如，大于或等于其初始高度“h”的95%）。

图16示出了多阶式，塑性弹簧，保险杠组件（46）的一个实施例。在图16中，多个弹簧（48）（例如螺旋弹簧）示出为附连至位于散热器（40）前方的保险杠梁（42）。面板（例如，罩板）（50）包围该多个弹簧（48）和保险杠梁（42），其中面板（50）位于引擎盖（38）和底架（44）之间。该多个弹簧（48）位于支撑结构（42）和面板（50）之间，且配置为在能量施加至面板（50）时压缩。在示出的实施例中，多个弹簧（48）成串联和并联布置，用于多阶式能量吸收。第一组弹簧（52）位于面板（50）和支撑结构（76）之间，而第二组弹簧（54）位于支撑结构（76）和保险杠梁（42）之间。应理解尽管两组弹簧示出为成串联，组件可包括成串联布置的一组或多组弹簧（例如，大于或等于2组弹簧，特别地，大于或等于3组弹簧），其位于面板和支撑结构之间（例如，保险杠梁），其中支撑结构位于每一组弹簧之间。每一组弹簧可具有和任意其他组弹簧相同或不同的可压缩性（例如，刚度）。

一旦能量施加至面板（50），弹簧（10）将开始压缩。这些阶可设计为同时压缩，或顺序地压缩。例如，在一些实施例中，第一组弹簧（52）将开始压缩，且在一定阈值的压缩之后，第二组弹簧（54）将开始压缩。例如，当第一组弹簧（52）已经压缩至小于或等于其初始高度（h）的25%，特别地，小于或等于40%，更特别地，小于或等于50%，且更特别地，小于或等于75%，进一步特别地，小于或等于80%，甚至更特别地，小于或等于90%，且更进一步，小于或等于95%时，第二组弹簧（54）可开始压缩。

此处公开的螺旋弹簧（10）可经由适于加工热塑性材料的任意工艺制造。例如，塑料材料可挤压成一形状（例如，杆、圆柱体、管、卷等）。在一个实施例中，热塑性杆可绕圆柱体（例如，钢质圆柱体）缠绕，以制造此处描述的螺旋弹簧。例如，可使用不同的模子在挤压过程中控制杆的直径，弹簧的总直径可固定为钢质心棒直径，且弹簧的螺距可在缠绕过程中通过变动线圈缠绕的速度而调节。螺旋弹簧（10）可由热缠绕（例如图17）、冷缠绕、以及其他工艺加工。圆椎形螺旋线圈也可通过注射模制工艺制造。缠绕工艺与注射模制工艺相比具有较少的加工成本，而注射模制更适于进行批量生产。

弹簧在支撑结构上的布置（即，弹簧布局）在调节保险杠系统的刚度分布时起到了作用。布置为彼此紧密靠近的弹簧相较于布置为远离彼此的相同类型的弹簧（例如，相同形状、尺寸等）而言向保险杠系统提供更高的刚性。可确定弹簧之间恰当的间隔，从而可提供足够的支撑至下腿部撞击器，用于位于弹簧之间的位置处的撞击。弹簧组之间沿垂直方向的距离可根据车辆高度和距离地面的下腿部的膝部位置而调节。布局中每一个弹簧的位置可被固定，用于就地调节保险杠的刚度（即，在每一个个体车辆组件厂处）。优化的布局可因车而异，取决于车辆保险杠参数（例如，布局可取决于使用的车辆的类型而变动；布局可当车辆为小型车、紧凑型车，与大型的越野车相比发生变动）。弹簧可布置为足够靠近，以在位于弹簧之间的中间位置处向腿部撞击提供支撑。它们也可被充分地间隔开，以最小化质量。

弹簧构造的不同组合（例如，如图16所示串联以及并联）可帮助实现多阶式能量吸收行为。例如，考虑图16，其示出了其中可通过在第一阶（52）中使用较软的弹簧组且在第二阶（54）中使用较刚性的第二弹簧组而实现两阶能量吸收。第一阶弹簧（52）和第二阶弹簧（54）可基于车辆保险杠参数以及满足不同地理位置的撞击需求在间隔器或板（例如，支撑结构（76））的协助下分开，优化的组合/布置可因车而异。

塑性弹簧能量吸收器还通过下列非限制性示例进一步示出。

示例

测试过程

下列结果通过使用计算机辅助工程（CAE）方法获得。

螺旋弹簧能量吸收器系统在通用车辆平台上确认有效。首先，一组塑性弹簧安装在上交叉车梁（upper cross-car beam）上，且第二组塑性弹簧安装在保险杠梁上。从保险杠系统上至A柱的车辆的全部构件在CAE模型中被考量（例如，面板、格栅、引擎盖、挡泥板、大灯、梁、底架、散热器组件等）。

合并了多个螺旋锥形塑性弹簧的车辆保险杠系统使用可购得的下腿部模型以及膝部加速度模型撞击，即，单位为重力加速度（g）的G-载荷、膝部弯曲（即，旋转度数（度））、和单位为毫米（mm）的胫骨剪切由CAE模型使用LS-DYNA软件（可从Livermore Software Technology Corp,California购得）估计出。

合并了螺旋锥形塑性弹簧组的车辆保险杠系统使用可购得的上腿部模型撞击，且单位为千牛（kN）的最大力以及单位为牛米（N·m）的最大弯曲运动被针对上腿部模型估计出，该模型为由Ove Arup&Partners,Coventry,UK开发出的CAE模型。

比较性示例1

比较性示例1是包括能量吸收元件的如图13所示的能量吸收器设计。该设计是具有C截面形状的热塑性能量吸收器的变体，其包括从SABICInnovative Plastics可购得的

包括聚碳酸酯和聚对苯二甲酸丁二醇酯的热塑性材料。支撑结构、上交叉车梁、和保险杠梁设计和描述用于安装在示例1中的那些相同。下腿部撞击和上腿部撞击的性能数字使用和关于示例1描述的相同的方法估计出。

比较性示例1是优化的C截面能量吸收器设计，其由

热塑性材料制成，设计用于通过注射模制工艺的最小质量，且满足下腿部撞击II阶目标。能量吸收器被安装在用于示例1的相同的支撑结构上。传统的能量吸收器也被设计以满足II阶目标。因此，比较在为满足相同车辆平台的II阶目标开发出的两个设计之间展开。

示例1

示例1是包括如图7所示跨钢质保险杠梁布置的锥形、螺旋、塑性弹簧的能量吸收器设计。弹簧在其基部直径为80mm，在其顶部直径为25mm，线圈直径为15mm，且深度（例如，从基部至顶部的高度）为80mm。弹簧由聚碳酸酯和聚对苯二甲酸丁二醇酯的共混物（例如，从SABIC InnovativePlastics可购得的

）形成。

将热塑性能量吸收器（比较性示例1）和塑性弹簧设计（示例1）进行比较的结果示出在表1中。如从表1可见，螺旋弹簧的使用允许上腿部的大于50牛米（N·m）的弯曲运动的降低和近2千牛（kN）的力的降低（即,热塑性能量吸收器表现出多出40%的力和多出接近25%的弯曲运动。）关于下腿部，和热塑性能量吸收器相比，通过弹簧，G载荷减低了多于10克，旋转降低了多于1度，且切变降低了多于2mm。换句话说，和弹簧设计相比，包括C截面形状的热塑性能量吸收器表现出大于115%的G载荷，大于220%的旋转，和大于280%的切变。

设计的螺旋锥形弹簧能量吸收器被观察为满足EUroNCAP针对下腿部撞击要求的低标准值，且满足EEVC WG17针对下腿部撞击的II阶要求，即，G-载荷<150（G（重力））,膝盖弯曲<15度,和胫骨切变<6mm。而且，性能数字被观察到位于EuroNCAP针对上腿部撞击要求的下限之内（即，150（G）,15度,和6mm），且位于EEVC WG17针对上腿部撞击的II阶要求内，即小于5kN（千牛）的力和小于300Nmm（牛毫米）的弯曲运动。

示例2

准备了原型试样以验证CAE研究。根据这些原型构件水平测试被执行。使用了可购得的聚丙烯材料来开发原型试样。聚丙烯杆被加热到熔点温度之下，且手动缠绕在木质心棒上，以制成螺旋锥形线圈。在万用测试机（UTM）上进行压缩测试，且将力相对于变形的曲线和采用相同参数的示例1以及比较性示例1中的压缩现象的CAE研究进行对比。图15示出了在CAE试样（线92（比较性示例1和示例1）和示例2（线90）之间的下降的相关性。使用UTM针对形成的线圈进行简单的压缩测试。线圈的一端在卡爪的帮助下被固定，且线圈在自由端由以6毫米每分钟（mm/min）的速度移动的钢板压缩。在CAE中复制相同的测试过程，其中一个端部受限，而在自由端处被以6mm/min速度移动的刚性板压缩。图15中示出的结果增加了针对下腿部和上腿部撞击情形的系统水平的研究进行的CAE模拟的置信度。

此处公开的能量管理系统允许创新的几何形状构造（例如，保险杠组件可具有该构造）、材料和加工，同时能够实现多阶能量吸收。调节弹簧的弹性变形和塑性变形的灵活性赋予其相对于其他吸收器和金属弹簧的优势。这些系统允许了系统质量以及材料成本的降低、加工成本的降低、以及在最小的空间中的高效的能量管理。尽管这些弹簧可用于壳壁结构（例如，图13中示出的），它们可单独地使用，替代壳壁结构，并由此降低质量。此外，它们可被调节，以增强面板的振动稳定性。

在一个实施例中，一种能量管理系统可包括：支撑结构（一个或多个）（例如车辆支撑结构）；面板；和可塑性变形压缩弹簧（一个或多个），该弹簧位于支撑结构和面板之间。在另一个实施例中，一种能量管理系统可包括：支撑结构（一个或多个）（例如，在车辆中）；盖（一个或多个）；和位于支撑结构（一个或多个）和盖（一个或多个）之间的可塑性变形压缩弹簧（一个或多个）。一种吸收能量的方法可包括：撞击包括能量管理系统（例如，位于车辆保险杠系统的面板上）的车辆的一部分，并压缩且塑性地变形该压缩弹簧（一个或多个），以形成被压缩的弹簧（一个或多个）。一种用于车辆中能量管理的方法，可包括：在车辆中安装能量管理系统。

在不同的实施例中：（i）支撑结构（例如，金属保险杠梁、金属板、转向柱等）可具有足够的结构完整性，以允许压缩弹簧（一个或多个）完全压缩；和/或（ii）盖可为能量吸收器系统的最外部的元件（例如，使得在压缩弹簧（一个或多个）以及撞击目标（例如人、其他车辆等）之间没有附加的结构构件））；和/或（iii）盖可为面板；和/或（iv）弹簧可具有锥形几何形状，使得第一线圈邻近第二线圈，且第一线圈的外直径小于或等于第二线圈的内直径；和/或（v）弹簧可连接至支撑结构；和/或（vi）能量吸收器系统可包括弹簧组（例如，串联地布置的）；和/或（vii）支撑结构可为包括上梁部分和下梁部分的保险杠梁，且其中第一多数个压缩弹簧可位于上梁部分上，且第二多数个压缩弹簧可位于下梁部分上；和/或（viii）支撑结构可从下列组中选出：保险杠梁、前端部模块、散热器支撑梁、保险杠支架、从白车身突起的构件，和包括前述至少一项的组合；和/或（ix）该压缩弹簧（一个或多个）可位于支撑结构上；和/或（x）弹簧可具有0.01千牛每毫米至10千牛每毫米的刚性；和/或（xi）弹簧（一个或多个）可具有朝向支撑结构发散的锥形几何形状；和/或（xii）弹簧（一个或多个）可附连至面板，且其他弹簧（一个或多个）可附连至支撑结构；和/或（xiv）弹簧（一个或多个）可包括从下列组中选出的材料：热塑性材料、热塑性复合材料、和包括前述至少一项的组合；和/或（xv）弹簧（一个或多个）可进一步包括金属芯部（例如，一些可包括金属芯部，一些可为单一材料，和/或一些可在芯部中包括空洞（例如，为中空的））；和/或（xvi）弹簧材料可包括热塑性材料和金属；和/或（xvii）弹簧（一个或多个）可为具有金属芯部的热塑性材料；和/或（xviii）弹簧（一个或多个）可包括热塑性线圈和金属线圈的组合；和/或（xix）弹簧（一个或多个）的内直径可为空洞；和/或（xx）压缩弹簧（一个或多个）可在撞击时具有大于或等于10%的塑性变形百分比，特别地，大于或等于15%，更特别地，大于或等于20%，进一步特别地，大于或等于50%（例如，15%至40%）；和/或（xxi）压缩弹簧（一个或多个）可被可移除地附连至支撑结构和/或盖。

在各个实施例中：（i）弹簧（一个或多个）可包括锁定元件（一个或多个），其将阻止弹簧（一个或多个）在压缩后返回至其初始位置（例如，锁定元件（一个或多个）可塑性地变形，和/或可机械地约束弹簧（一个或多个））；和/或（ii）锁定元件（一个或多个）可在撞击时具有大于或等于20%的塑性变形百分比，特别地，大于或等于40%，更特别地，大于或等于75%）；和/或（iii）锁定元件（一个或多个）可包括和弹簧（一个或多个）操作地关联的非金属元件（例如，塑料元件）；和/或（iv）锁定元件（一个或多个）可构造为（例如，设计和定位为）在能量吸收器系统已经被撞击后机械地约束弹簧（一个或多个）；和/或（v）锁定元件（一个或多个）可包括从下列组中选出的材料：聚碳酸酯，聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚丙烯，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS），聚酯，丙烯酸-苯乙烯-丙烯腈，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚酰胺，聚乙烯，以及包括以上至少一项的组合。

各个方法还可包括：（i）机械地约束被压缩的弹簧和/或（ii）更换被压缩的弹簧而不更换支撑结构；和/或（iii）将能量管理系统中不同的弹簧塑性地变形不同百分比的塑性变形。

该描述使用包括最佳模式在内的示例来公开该发明，且使得本领域技术人员能够制造和使用该发明。本发明的可获得专利的范围由权利要求所限定，且可包括对本领域技术人员明显的其他示例。如果这样的其他示例包括和权利要求的文字描述没有区别的结构性元件，或如果其包括和权利要求的文字描述仅具有细微差别的等价结构性元件，则认为其落在权利要求的范围内。

此处公开的所有范围包括端点，且端点可独立地彼此组合（例如，“高达25wt%，或更特别地，5wt%至20wt％”的范围包括端点以及范围“5wt%至25wt%”的范围内的全部中间值，等）。“组合”包括共混物、混合物、合金、反应产物等。此外，此处的术语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、数量、或重要性，而仅用作将彼此区别开。此处的术语“一（a）”和“一种（an）”和“该（the）”并不表示数量上的限制，且应被理解为覆盖单数和复数，除非本文中另外指出或由背景清楚地可知。此处使用的后缀“（一个或多个）（s）”意图包括其修饰的术语的单数和复数，并由此包括该术语的一个或多个（例如，膜（一个或多个）包括一个或多个膜）。整篇说明书中对“一个实施例”、“另一实施例”、“实施例”等的引用，指的是结合该实施例描述的特定元件（例如，特征部、结构、和/或特质）包括在此处描述的至少一个实施例中，且可存在或不存在于其他实施例中。此外，将理解描述的元件可在不同的实施例中以任意合适的方式组合。

Claims (24)

1.一种车辆能量管理系统，包括：

支撑结构；

罩；和

可塑性变形的压缩弹簧，该弹簧位于所述支撑结构和所述罩之间。

2.如权利要求1所述的能量管理系统，其中所述压缩弹簧包括锁定元件，该锁定元件能阻止压缩弹簧在压缩后返回其初始位置。

3.如权利要求2所述的能量管理系统，其中所述锁定元件包括和所述压缩弹簧操作地关联的塑料元件，其中该塑料元件在能量被施加至所述塑料元件时能够塑性地变形。

4.如权利要求3所述的能量管理系统，其中所述塑料元件包括从下列组中选出的材料：聚碳酸酯，聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚丙烯，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，聚酯，丙烯酸-苯乙烯-丙烯腈，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚酰胺，聚乙烯，以及包括前述材料中至少一项的组合。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的能量管理系统，其中所述压缩弹簧具有锥形形状，使得第一线圈与第二线圈相邻，且第一线圈的外直径小于或等于第二线圈的内直径。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的能量管理系统，包括串联布置的压缩弹簧组。

7.如权利要求1-6中任意一项所述的能量管理系统，其中所述压缩弹簧被连接至所述支撑结构。

8.如权利要求1-7中任意一项所述的能量管理系统，其中所述支撑结构是包括上梁部分和下梁部分的保险杠梁，和

其中多个压缩弹簧的第一部分位于所述上梁部分上，且多个压缩弹簧的第二部分位于所述下梁部分上。

9.如权利要求1-8中任意一项所述的能量管理系统，其中所述压缩弹簧被可移除地附连至所述支撑结构和/或罩。

10.如权利要求1-9中任意一项所述的能量管理系统，其中所述支撑结构从下列组中选出：保险杆梁、前端部模块、散热器支撑梁、保险杆支架、从白车身突起的部件、以及包括前述结构中至少一项的组合；且其中所述压缩弹簧位于所述支撑结构上。

11.如权利要求10所述的能量管理系统，其中所述压缩弹簧配置为具有0.01千牛每毫米至10千牛每毫米的刚度。

12.如权利要求1-6中任意一项所述的能量管理系统，其中所述压缩弹簧被附连至所述面板。

13.如权利要求1-12中任意一项所述的能量管理系统，其中所述压缩弹簧包括朝向所述支撑结构发散的锥形形状。

14.如权利要求1-13中任意一项所述的能量管理系统，其中所述压缩弹簧包括从下列组中选出的材料：热塑性材料、热塑性复合材料、和包括前述材料中至少一项的组合。

15.如权利要求14所述的能量管理系统，其中所述压缩弹簧还包括金属芯部。

16.如权利要求1-15中任意一项所述的能量管理系统，其中当所述压缩弹簧被撞击时，该压缩弹簧具有大于或等于10%的塑性变形百分比。

17.如权利要求1-16中任意一项所述的能量管理系统，其中所述压缩弹簧的内直径是空洞。

18.一种车辆，包括如权利要求1-17中任意一项所述的能量管理系统。

19.一种吸收能量的方法，其包括：

撞击包括能量管理系统的车辆的一部分，其中所述能量管理系统包括支撑结构、罩、和位于所述支撑结构和所述罩之间的可塑性变形的压缩弹簧；和

压缩和塑性变形所述压缩弹簧，以形成被压缩的弹簧。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述车辆的该部分包括面板。

21.如权利要求19-20中任意一项所述的方法，其还包括机械地约束所述被压缩的弹簧。

22.如权利要求19-21中任意一项所述的方法，其还包括更换所述被压缩的弹簧而不更换所述支撑结构。

23.一种用于车辆中能量管理的方法，其包括：将如权利要求1-18中任意一项所述的能量管理系统安装入车辆。

24.一种用于车辆中能量管理的方法，其包括：

在车辆内安装能量管理系统，其中所述能量管理系统包括

支撑结构；

罩；和

位于所述支撑结构和所述罩之间的可塑性变形的压缩弹簧。

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