CN103148144A - 一种吸能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缓冲均匀的新型吸能装置，旨在提供一种结构简单、在发生交通事故等冲击碰撞时能稳定高效地对能量进行均匀吸收的装置，所述吸能装置由预撕裂圆管（1）、导向摩擦圆管（2）及冲头（3）组成。此装置能量吸收主要依靠冲头（3）挤压进预撕裂圆管（1）引起的胀形及其后的圆管撕裂。与传统的吸能方式相比，圆管的撕裂卷曲破坏在吸能效果上比破碎、轴向屈曲或翻转更有效，同时还具备有效行程长和冲击力平稳的特点。

Description

一种吸能装置

技术领域

本发明涉及一种安全保护装置，尤其涉及一种均匀缓冲吸能装置。

背景技术

良好的缓冲吸能装置要求碰撞动能尽可能不可逆的为变形能。薄壁金属管件由于其良好的吸能特点常被用来制作能量吸收装置。所以，设计吸能装置时选材上应首先考虑薄壁金属构件，依靠这些构件在受到撞击时发生塑性变形吸收能量，并产生一定的压溃行程，吸收车辆动能降低碰撞加速度。现阶段的广泛应用的吸能器主要为利用薄壁金属制成的管状吸能器，其主要利用结构的轴向屈曲折叠变形吸能，在受冲击过程中载荷波动较大，使被保护对象所受冲击载荷不平稳，且能量吸收不均匀，单位体积内吸收的能量较小。由于铝蜂窝及泡沫铝结构具有结构简单、比吸能较高、冲击载荷平稳、质量小等优点，因此人们将铝蜂窝及泡沫铝等多孔材料填充于薄壁结构中形成一类新的组合式吸能器，这类吸能器的缓冲吸能能力得到很大的提高，但是也有在冲击过程中冲击力不平稳的缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，采用一种新的吸能方式，提供一种适应多种复杂工况、变形模式稳定、能量吸收均匀、高效的吸能装置。这种吸能装置可用于交通工具中，便于在发生交通事故冲击碰撞时进行吸能，但是这种吸能装置也不限于用于此，可应用于任何需要使用吸能装置的领域中。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种新型缓冲吸能装置，其特征在于它由预撕裂圆管、导向摩擦圆管及冲头组成，其中，预撕裂圆管为薄壁金属圆管，其一端为圆台形漏斗状，另一端与导向摩擦圆管通过粘结或钎焊固结在同一面板上且保持同轴，导向摩擦圆管稍长于预撕裂圆管以使装置初始状态时冲头与导向摩擦圆管部分配合，预撕裂圆管管壁及端口上分别开有若干个撕裂槽与撕裂口，冲头内开有与导向摩擦圆管外壁过盈配合的通孔，起轴向定位作用，同时利用摩擦吸收一部分能量。当结构受到碰撞冲击时，由于导向摩擦圆管与冲头配合，冲头沿着圆管轴向冲击，使得预撕裂圆管按给定膨胀比膨胀变形吸能，当膨胀过程不能吸收总的冲击能时，冲头继续移动，使预撕裂圆管膨胀同时沿着撕裂口及撕裂槽撕裂弯曲吸能，另外，在整个冲击过程中，伴随着冲头内外表面与导向摩擦圆管及预撕裂圆管的摩擦吸能。

上述新型吸能装置，所述预撕裂圆管内径尺寸D1为30-80mm，壁厚h1为2-5mm，长度L1为60-120mm，锥角α为15°-21°，所述导向摩擦圆管外径尺寸D2为16-50mm，壁厚h2为2-5mm，长度L2=L1+（0.4～0.75）×D1，所述冲头外径D3=D1×（1+λ），其中λ为预膨胀百分比，冲头的锥角β为13°-18°，内径d1=D2，冲头与圆台状头部相对的一侧具有肩部，肩部外径D4=D3+（10～15mm），冲头与导向摩擦圆管的初始状态配合尺寸p=（L2－L1）×（110%～130%）。

上述新型吸能装置主要利用圆管膨胀形变及撕裂弯曲完成冲击能量的吸收，此外，冲头与导向摩擦管及预撕裂圆管的摩擦也可吸收部分能量。撕裂槽与撕裂口的个数可为4个、6个或8个等，所开撕裂槽深度h及宽度d可随圆管厚度大小及其他条件具体取定。

为避免本发明装置工作时预撕裂圆管因强度原因发生轴向屈曲折叠变形，预撕裂圆管的加工形成有多种方案，作为优选，有以下4种具体方式：⑴利用激光拼焊技术，将若干种不同材料同壁厚圆管拼接在一起形成，且各材料强度随冲击方向逐个加强，例如用Q235、DP390、DP590、DP780的圆管拼焊；⑵利用TRB技术加工出圆管壁厚随冲击方向逐渐变大的预撕裂圆管，其圆管壁厚按函数f(x)=c1+（c2－c1）·x／L变化,其中L为圆管长，c1、c2为圆管两端壁厚;⑶利用激光拼焊技术，将若干同材料不同壁厚的圆管拼焊而成，且保证内径相同；⑷可在等壁厚圆管的外壁焊接若干块倾斜肋板，其宽度沿冲击方向逐步增大以保证强度逐渐增大，肋板位于相邻两个撕裂口之间，其个数随具体撕裂口及撕裂槽个数而定。

本发明装置中所述预撕裂圆管管口及管壁上开有撕裂口和撕裂槽，撕裂口个数、形状及撕裂槽宽度、深度等对整个装置吸能效果有很大影响，具体数值根据实际冲击能量大小而定。导向摩擦圆管与冲头内孔形成过盈配合，接触面之间的粗糙度可以根据需要进行调整，调整粗糙度就可以调整摩擦力的大小。预撕裂圆管内壁与冲头外壁在结构设置及工艺制造时应保证二者接触时需平稳而顺滑。

本发明的有益效果是：一、由于其预撕裂圆管上开有撕裂口和撕裂槽，变形模式稳定；二、由于其采用撕裂吸能方式，使得本装置的冲击力平稳，有效行程长，吸能效果好；三、由于本装置先利用圆管胀形吸能，之后圆管胀形吸能与撕裂吸能同时进行，能量吸收均匀、高效；四、本发明组合多种吸能方式，结构简单、安全可靠。

附图说明

图1为本新型吸能装置的立体示意图。

图2为本新型吸能装置的结构示意图。

图3为应用TRB技术壁厚按函数制成的连续变壁厚预撕裂圆管。

图4为将等壁厚的不同材料的圆管激光拼焊而成的预撕裂圆管。

图5为将不同壁厚的DP590的圆管激光拼焊而成的预撕裂圆管。

图6为在相邻两个撕裂口之间外壁焊接梯形肋板制成的预撕裂圆管。

图7为本新型吸能装置第一阶段变形示意图。

图8为本新型吸能装置第二阶段变形示意图。

图9为撕裂口及撕裂槽个数为6的预撕裂圆管的结构示意图。

图10为撕裂口及撕裂槽个数为4的预撕裂圆管的立体示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

如图1、2所示，本新型吸能装置的横截面形式为圆形，由预撕裂圆管1、导向摩擦圆管2和冲头3组成，预撕裂圆管1为薄壁金属圆管，其一端为圆台形漏斗状，另一端与导向摩擦圆管2通过粘结或钎焊固结在同一面板上且保持同轴，导向摩擦圆管2为薄壁金属圆管，预撕裂圆管管壁及端口上分别开有撕裂槽与撕裂口，冲头3头部为圆台状，与预撕裂圆管1的近冲头端过渡平稳而顺滑，冲头3内开有与导向摩擦圆管2外壁过盈配合的通孔，起轴向定位作用，同时利用摩擦吸收一部分能量，导向摩擦圆管2比预撕裂圆管1稍长以利于初始状态时冲头3与导向摩擦圆管2部分配合，配合尺寸可根据材料强度及其他因素进行选择。

为避免本发明装置工作时预撕裂圆管1因强度原因发生轴向屈曲折叠变形，预撕裂圆管1的加工形成有多种方案，作为优选，有以下4种具体方式：⑴利用激光拼焊技术，将若干种不同材料同壁厚圆管拼接在一起形成，且各材料强度随冲击方向逐个加强，如图4所示，例如用Q235、DP390、DP590、DP780材料的圆管拼焊；⑵利用TRB技术加工出圆管壁厚随冲击方向逐渐变大的预撕裂圆管，其圆管壁厚按函数f(x)=c1+（c2－c1）·x／L变化，其中f(x)表示在x位置处的壁厚，L为圆管长，c1、c2分别为圆管两端壁厚，如图3所示;⑶利用激光拼焊技术，将若干同材料不同壁厚的圆管拼焊而成，且保证内径相同，如图5所示；⑷可在等壁厚圆管的外壁焊接若干块倾斜肋板，其宽度沿冲击方向逐步增大以保证强度逐渐增大，肋板位于相邻两个撕裂口之间，其个数随具体撕裂口及撕裂槽个数而定，如图6所示，图中开有6个撕裂口及撕裂槽，对应的焊接了6个梯形肋以使远离冲头端圆管强度增大。但是不限于上述4种具体方式，也可组合使用，例如在(1)-(3)的方式中，也设置方式(4)中设置的肋板；或在方式(4)中的肋板数量与撕裂口及撕裂槽的个数不一致，可以隔一个撕裂口及撕裂槽设置一个肋板，等等。

当碰撞发生时，碰撞力推动冲头3移动，由于导向摩擦圆管2与冲头3部分配合，冲头3沿着导向摩擦圆管2轴向冲击，其与预撕裂圆管1内侧平稳而顺滑的撞击，冲头3外径大于预撕裂圆管1内径，使得预撕裂圆管1按给定膨胀比膨胀变形吸能，此为第一阶段吸能，如图7所示。当膨胀过程不能吸收总的冲击能时，冲头3将继续移动，预撕裂圆管1膨胀超过给定膨胀比时开始沿着撕裂口及撕裂槽撕裂吸能，撕裂部分随冲头3外形经历严格的弯曲变形，此为第二阶段吸能，如图8所示，第二阶段为本发明的技术关键点，这一阶段除了有预撕裂圆管1膨胀变形吸能外，还有轴向撕裂吸能及撕裂部分的弯曲变形吸能。另外，在整个冲击过程中，伴随着冲头3内外表面与导向摩擦圆管2及预撕裂圆管1的摩擦吸能。本装置结构形式保证了吸能装置在碰撞过程中只发生轴向位移而不发生倾斜或偏倒，所使用的圆形截面结构保证了装置整体受力均匀，避免了因局部受力过大引起的倾斜或偏倒，同时，圆形截面也使装置适用于各种工况。

本发明预撕裂圆管1和导向摩擦圆管2与同一面板分别焊接，不会因焊接原因改变材料性能，不影响碰撞过程中的圆管的胀形撕裂。

本发明通过新型吸能方式的应用，在碰撞性能满足要求的前提下，大大提高了吸能装置在碰撞过程的变形模式稳定性；通过圆管的撕裂卷曲破坏吸能，吸能效果好且有效行程长从而有益于缩短装置总体尺寸，另外，还可以使冲击力更加平稳。

本发明中对于预撕裂圆管1上所开撕裂口及撕裂槽个数根据实际需要选择，如图9、10，撕裂口和撕裂槽的个数及开口的深度h、宽度b、形状等都对整个装置的吸能效果有一定影响。

所述预撕裂圆管1内径尺寸D1为30-80mm，壁厚h1为2-5mm，长度L1为60-120mm，锥角α为15°-21°，所述导向摩擦圆管2外径尺寸D2为16-50mm，壁厚h2为2-5mm，长度L2=L1+（0.4～0.75）×D1，所述冲头3外径D3=D1×（1+λ），其中λ为预膨胀百分比，冲头的锥角β为13°-18°，内径d1=D2，冲头与圆台状头部相对的一侧具有肩部，肩部外径D4=D3+（10～15mm），L3为30-70mm，肩部长度L4为10mm，冲头3与导向摩擦圆管2的初始状态配合尺寸p=（L2－L1）×（110%～130%）。

以下给出本发明的一个具体实施例：

预撕裂圆管1内径尺寸D1为40mm，壁厚h1为3mm，长度L1为90mm，锥角α为20°，所述导向摩擦圆管2外径尺寸D2为22mm，壁厚h2为2mm，长度L2=L1+0.4×D1=106mm，所述冲头3外径D3=D1×（1+λ）=60mm，其中λ为预膨胀百分比，值为50%，锥角β为17°，内孔径d1=D2=22mm，肩部外径D4=D3+10=70mm，冲头3与导向摩擦圆管的初始状态配合尺寸p=（L2－L1）×112.5%=18mm。

Claims (9)

1.一种吸能装置，其特征在于：由预撕裂圆管（1）、导向摩擦圆管（2）和冲头（3）组成，预撕裂圆管（1）为薄壁金属圆管，其一端为圆台形漏斗状，具有一锥角，另一端与导向摩擦圆管（2）通过粘结或钎焊固结在同一面板上且保持同轴，导向摩擦圆管（2）稍长于预撕裂圆管（1）以使吸能装置受冲击前其与冲头（3）有部分配合，预撕裂圆管（1）管壁及端口上分别开有撕裂槽与撕裂口，冲头（3）头部为圆台状，与预撕裂圆管（1）的近冲头端过渡平稳而顺滑，冲头（3）内开有与导向摩擦圆管（2）外壁过盈配合的通孔，起轴向定位作用，同时利用摩擦吸收一部分能量。

2.如权利要求1所述的吸能装置，其特征在于：所述预撕裂圆管（1）内径尺寸D1为30-80mm，壁厚h1为2-5mm，长度L1为60-120mm，锥角α为15°-21°，所述导向摩擦圆管（2）外径尺寸D2为16-50mm，壁厚h2为2-5mm，长度L2=L1+（0.4～0.75）×D1，所述冲头（3）外径D3=D1×（1+λ），其中λ为预膨胀百分比，冲头的锥角β为13°-18°，内径d1=D2，冲头与圆台状头部相对的一侧具有肩部，肩部外径D4=D3+（10～15mm），冲头（3）与导向摩擦圆管（2）的初始状态配合尺寸p=（L2－L1）×（110%～130%）。

3.如权利要求1或2所述的吸能装置，其特征在于撕裂槽与撕裂口的个数为4个、6个或8个。

4.如权利要求1至3之一所述的吸能装置，其特征在于，预撕裂圆管（1）是利用激光拼焊技术，将若干种不同材料同壁厚圆管拼接在一起形成，且各材料强度随冲击方向逐个加强。

5.如权利要求4所述的吸能装置，其特征在于，预撕裂圆管（1）所选用的材料分别为Q235、DP390，DP490、DP780。

6.如权利要求1至3之一所述的吸能装置，其特征在于，预撕裂圆管（1）是利用TRB技术加工出圆管壁厚随冲击方向逐渐变大的预撕裂圆管，其圆管壁厚按函数f(x)=c1+（c2－c1）·x／L变化,其中L为圆管长，c1、c2为圆管两端壁厚。

7.如权利要求1至3之一所述的吸能装置，其特征在于，预撕裂圆管（1）是利用激光拼焊技术，将若干相同材料不同壁厚的圆管拼焊而成，且保证内径相同。

8.如权利要求1至7之一所述的吸能装置，其特征在于，预撕裂圆管（1）是在圆管的外壁焊接若干块倾斜肋板，其宽度沿冲击方向逐步增大以保证强度逐渐增大，肋板位于相邻两个撕裂口之间。

9.一种如权利要求1至8之一所述吸能装置的应用，所述吸能装置用于交通工具中。

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