CN103328272B - 具有改进碰撞性能的汽车结构的管式梁 - Google Patents

Abstract

保险杠横梁（10，10’）具有对称面（Y）且总体朝向与对称面（Y）垂直的方向（T），包括两个附接区域（12a，12b），该区域相对于对称面（Y）对称布置且相互间隔一距离D，梁被设计为吸收由基本水平且朝向与方向（T）垂直的方向（L）的力所产生的撞击而消耗的能量，梁由总体管式主体（11），该主体具有在附接区域（12a，12b）之间、除了在两个削弱区域（15a，15b）中、在其大部分长度上单调变化的标称横截面（S_n），削弱区域相对于对称面（Y）是对称的，远离对称面一距离，该距离在0.10D至0.40D之间，其中在削弱区域中的围绕与平面（L，T）垂直的轴线（Z）的截面二次轴距小于根据标称横截面预期的截面二次轴距。

Description

具有改进碰撞性能的汽车结构的管式梁

技术领域

本发明涉及被设计用来不可回复地吸收碰撞能量的汽车结构部件。所涉及的领域不同于吸能器元件的领域（吸能器元件有时被称为“变形元件”或“防撞盒”），因为所述部件在碰撞时不是主要遭受压缩应力，而是主要遭受弯曲应力。更具体地，本发明涉及保险杠横梁。

背景技术

在九十年代中期之前，被设计用来在碰撞时不可回复地吸收能量的梁，更具体地是保险杠横梁，由成形的金属板制成，所述金属板通常由钢制成。来自汽车制造商的越来越迫切的要求，导致在所述梁和纵向车辆支架之间插入可变形的中间元件，所述中间元件被称为“吸收器”、“防撞盒”或“变形元件”。

保险杠梁必须既在弱撞击过程中弹性变形，又通过塑性变形而部分吸收强碰撞能量并且受控地将剩余能量传递到吸收器和纵向支架，尤其是在变形过程中不会突然压扁。为了满足该要求，经常使用多孔管式梁，所述多孔管式梁由铝块挤压而成，或者由钢板或铝板制成。它们的主要价值在于它们具有高惯性并在碰撞过程中保持高惯性；还在于尤其是在保险杠梁的情况下所述惯性尽可能长久地实现结构增强作用，尤其是在车辆的前方。例如，美国专利5340178要求保护使用该类型的梁替代传统的开口梁，该开口梁通常由高屈服应力钢制成。在美国专利5727826中公开了一种多孔管式梁，其结构既能够吸收撞击又能够承受碰撞后的突然压扁。注意到其他结构梁（诸如但不限于，侧门增强件、A前柱或B中柱、门槛导轨、防侵入导轨等）具有相同的趋势。美国专利6000738也记载了中空多孔管式保险杠梁，其中外壁和内壁设有多个对齐的开口，所述开口适于用来将空气引导至车辆散热器。

因为其截面，管式梁具有在碰撞区域吸收变形能量的高能力，并且在其他区域保持其原始形态。然而，至于遭受弯曲的梁（诸如保险杠梁），还必须防止可能在撞击过程中出现的大位移。通常，保险杠梁附接至相互远离的支架（诸如防撞盒），并且位于纵车架构件的延长位置。在这种空间构造中，可能在保险杠梁上出现中部弯曲，例如可能在梁的中间形成折叠，导致变形的梁侵入车辆的功能件的严重风险，该功能件尤其是所述车辆的冷却系统，更具体地是散热器，所述功能件通常基本垂直于车辆的对称面。

为了防止这样的中部弯曲，已提出几种方案。专利申请KR20020080875记载了一种在其中部用更硬的附加零件进行增强的梁。专利申请FR2876646也记载了一种轿车结构梁，其包括管式主体，该管式主体通过具有蜂窝结构的天然或合成材料（诸如木材）在其整个或部分长度上进行内部加强，蜂窝轴线基本垂直于梁的纵轴线。这些方法，尤其是第一个方案，具有缺点：明显增加了保险杠重量，这违背了当前的市场趋势，这使得任何方案都导致额外的能量消耗。

美国专利5462325记载了一种保险杠梁，其包括加强的侧区域，在所述侧区域形成有平行的加强筋（bead）以改进其抗弯强度。

发明内容

本发明的目的是开发一种新的横梁结构，其能够避免上面提到的缺点，同时它仍实现原先限定的作用，即，它具有通过局部塑性变形吸收碰撞能量的高能力，并且具有在碰撞区域外保持未受应变的高能力。

在描述本发明的第一主题的特征之前，我们想更详细地描述与本发明相关的保险杠横梁的总体形状。保险杠横梁相对于车辆的对称面（Y）基本对称，并且总体朝向与对称面（Y）垂直的方向（T）。称它们为“基本对称”或“总体对称”，因为通常它们从来没有完全对称。例如，在保险杠的右侧几乎总设计有牵引功能，然而在左侧不存在所述牵引功能。保险杠被设计为用来吸收由基本水平（分散的或集中的）力所产生的撞击而消耗的能量，所述力朝向与所述方向（T）基本垂直的方向（L）。通常，保险杠包括两个附接区域，所述附接区域被设计用来连接至汽车结构的两个支撑件，相对于车辆的对称面（Y）对称布置，并且相互间隔一距离D。与本发明相关的保险杠横梁由总体管式主体制成，通常为铝合金挤压件，该主体然后大致成形和机加工，以使得所述横梁的横截面（S_n）在所述附接区域之间在其大部分长度上渐进变化，即根据离对称面（Y）的距离（d）的单调函数变化。

本发明的一个目的是提供一种保险杠横梁，该横梁相对于对称面（Y）基本对称并且总体朝向与对称面（Y）垂直的方向（T），该横梁包括两个附接区域，所述附接区域用来连接至车辆结构的两个支撑件，相对于对称面（Y）对称布置，并且相互间隔一距离D，该横梁的标称横截面（S_n）在所述附接区域之间在该横梁的大部分长度上根据离对称面（Y）的距离（d）的单调函数变化，其特征在于，所述横梁包括两个被称为“削弱区域”的区域，所述削弱区域相对于对称面（Y）对称布置，远离所述对称面一距离（d_w），该距离在0.10D至0.40D之间，优选地在0.15D至0.35D之间，更优选地在0.20D至0.30D之间，并且在所述削弱区域中的横截面（S_w）不同于标称横截面（S_n）,以使得在所述削弱区域中的围绕与平面（L，T）垂直的轴线（Z）的截面二次轴距（secondmomentofarea）小于对应的标称横截面的截面二次轴距。通常，削弱区域的扭曲最严重的部分具有一横截面，该横截面的围绕轴线（Z）的截面二次轴距小于标称截面的围绕轴线（Z）的二阶惯性矩的90%，优选80%，更优选70%，如根据单调函数预期的。

根据本发明的横梁总体朝向与其对称面（Y）垂直的方向（T）。该横梁在汽车结构中被定位以使得，它垂直于在与障碍物相撞的情况下预期的力的基本水平方向（L）。取决于横梁和障碍物的几何形状，预期的力可能集中地施加在所述梁的局部点，或者力可能沿所述梁的一部分分布，基本水平朝向并朝向方向（L），该方向（L）垂直于梁总体方向（T），并且在保险杠的情况下，该方向（L）与行进方向大致重合。

认为所述梁“总体朝向方向（T）”，这是因为所述梁大体上不是直的。在保险杠的情况下，横梁大体上稍微弯曲，具有向外弯曲的前壁（或压缩壁）以及向内弯曲的后壁（或拉伸壁）。碰撞力是基本水平的，朝向与所述方向（T）垂直的方向（L），以使得所述梁在碰撞过程中主要受到弯曲应力：在碰撞过程中，前壁接近受压缩应力的区并且后壁接近受拉伸应力的区。

根据本发明，保险杠横梁由总体管式主体制成，优选地，所述主体为由铝合金制成的挤压成的管式型材，所述主体除了在削弱区域中、在附接区域之间在其大部分长度上具有不变的横截面或更通常地具有渐进变化的横截面。标称横截面（S_n）为在所述梁的大部分中渐进变化的横截面，即根据离对称面（Y）的距离（d）的单调函数变化的横截面。所述函数可以为d的单调递增函数或d的单调递减函数。它可以为d的线性函数。在削弱区域中，横截面（S_w）不遵循该单调函数，并且除了在与所述横梁的其余部分的边界附近以外，变得与标称横截面十分不同。

标称横截面沿横梁的渐进变化，可以与所述横梁的形状和/或厚度相关。如果所述变化仅与所述厚度相关，可以使用极坐标t=f(θ)定义所述厚度，其中函数f取决于距离d。如果所述变化仅与所述形状相关，我们可以用横截面的外轮廓表示它，其中所述外轮廓可以用极坐标ρ=g(θ)表示，其中函数g取决于距离d。在这两种情况下，以及因此在所述厚度和所述形状沿所述横梁一起变化的各种情况下，相同的轴取向可以用于每个横截面，例如通过将朝向车辆中心的水平轴线定义为角坐标θ的原点，以使得横截面的厚度和外轮廓在距离d处分别被表示为函数h(d,θ)和k(d,θ)，所述函数应为d的单调函数。

在削弱区域中，横截面的变化遵循另一函数，该函数为非单调的但优选地为连续函数，该连续函数足够光滑以防止所述梁在过渡区突然断裂并且使得所述梁在削弱区域能够塑性变形，但是足够陡峭以使得所述削弱区域可以起到触发器的作用，即，使得如果有弯曲的话就在所述削弱区域中开始弯曲。在标称截面S_n和削弱区域中的截面S_w之间的最大差位于离对称面（Y）相距d_w的点，该点大致对应于所述削弱区域的中央。

在削弱区域中，横截面的形状不同于标称横截面的形状，以使得在这些削弱区域中的围绕穿过所述横截面的重心且平行于弯矩矢量的轴线的截面二次轴距（也称为二阶惯性矩）小于在所述梁的剩余部分中预期的截面二次轴距。图2中示出一个实施例，梁（100）受到由弯矩矢量表示的弯矩，该弯矩平行于竖直轴线（Z），该竖直轴线垂直于((T)(L))平面该横截面围绕穿过重心G且平行于弯矩矢量的方向（Z）的轴线的截面二次轴距由公式给出。

优选地，削弱区域的变形最严重的部分具有横截面S_wmd，该横截面的围绕轴线（Z）的截面二次轴距小于标称截面S_n的围绕轴线（Z）的二阶惯性矩的90%，优选地80%，更优选地70%。

为了在所述削弱区域获得更小的截面二次轴距，横截面的形状可以以不同方式进行修改，例如：

——通过减小所述壁的厚度，优选地减小前壁和/或后壁的厚度；

——通过在所述壁中穿孔，优选地在前壁和/或后壁上穿孔或在前壁和/或后壁附近穿孔；

——通过塑性变形以成形所述梁的横截面，以使得前壁和/或后壁更靠近轴线（Z）。

优选方式的特征在于：修改所述梁的前壁和/或后壁的几何形状以减小横截面的截面二次轴距。此外，通过使前壁和/或后壁变薄，例如通过机加工，或者通过使得它（它们）更靠近重心（更精确地说，在弯曲的情况下，更靠近中性轴），在削弱区域中的横截面变化比例如通过穿孔更平缓，并且防止所述梁在过渡区突然断裂。换句话说，本发明的优选实施方案包括总体管式成形主体，该主体的后壁和前壁在削弱区域未被穿孔。有利地，所述总体管式成形主体的截面包括在削弱区域比在标称横截面S_n更薄和/或更靠近重心的后壁和/或前壁。

使得后壁和/或前壁更靠近中性轴的方式，即，通过塑性变形局部成形所述横梁的方式，是优选的，这是因为制造工艺简单并且不需要对梁进行任何机加工，因而避免对工作台进行切屑清除。

在优选实施方案中，管式主体——有利地由挤压成的铝型材制成，包括基本竖直的前壁和基本竖直的后壁，所述前壁和所述后壁相互间隔一距离l并且通过至少上壁和下壁相互连接。削弱区域通过机加工和/或优选地通过使得前壁和/或后壁的局部塑性变形而形成，以使得所述前壁和/或后壁具有凹陷。在所述前壁和/或后壁具有凹陷的情况下，凹陷的最大尺寸优选地朝向竖直方向。在这些优选实施方案的其中一个中，前壁和/或后壁局部塑性变形，以使得凹陷的最大深度在前壁和/或后壁的顶部和/或底部上。在另一实施方案中，前壁和/或后壁沿它（它们）的整个高度塑性变形，得到椭圆形或圆柱形凹陷。

本发明的另一个目的是提供一种汽车结构梁（例如保险杠横梁）的制造方法。该制造方法包括以下步骤：

a）提供挤压成的铝合金型材，该型材包括基本竖直的前壁和基本竖直的后壁，所述前壁和所述后壁相互间隔一距离d并且通过至少上壁和下壁相互连接；

b）例如通过弯曲对所述型材进行成形，以得到汽车结构梁的总体形状，所述汽车结构梁在附接区域之间具有不变的横截面，所述附接区域被设计用来连接至汽车结构的支撑件；

c）局部成形所述型材的前壁（分别地，后壁），以在所述削弱区域中得到凹陷。

步骤c）的成形步骤，例如是通过将冲压机局部放在所述型材的前壁（分别地，后壁）上实现的，所述冲压机由液压缸致动。冲压机被致动，以使得该冲压机将前壁（分别地，后壁）朝向型材的中心推动一距离△X，从而产生凹陷。为了在削弱区域中得到连续且轻微变化的横截面以防止梁在过渡区突然断裂，冲压机具有弯曲的工作表面，其中曲率半径接近距离l，通常在0.5l和2l之间。在削弱区域的变形最严重的部分，行进距离△X在0.05l和0.2l之间，通常接近0.1l。冲压机可以为倾斜的、稍微成斜坡的竖直面（T，Z），以使得与前壁（分别地，后壁）的首次接触位于所述壁的顶部或底部。在另一实施方案中，冲压机具有竖直的工作表面，以使得前壁（分别地，后壁）沿其整个高度塑性变形。

有利地，削弱区域还受到局部热处理，以提供等于或优选地低于梁的其余部分的瞬时机械性能。在所述削弱区域通过塑性变形而成形且因此被应变硬化的情况下，这可能是有用的。

附图说明

图1示意性示出根据本发明的保险杠梁的俯视图。

图2示意性示出在梁的横截面上对围绕轴线的截面二次轴距的定义。

图3以沿穿过最小横截面的平面的截面图示出本发明的第一实施方案。

图4以立体图示出图3的实施方案。

图5示意性示出本发明的第二实施方案的横截面。

图6示意性示出本发明的第三实施方案的横截面。

具体实施方式

图1示出本发明的保险杠横梁（10），该梁相对于对称面（Y）总体对称，并且总体朝向与对称面（Y）垂直的方向（T）。它包括两个附接区域（12a，12b），所述附接区域被设计用来连接至汽车结构的两个支撑件（20a，20b）。附接区域相对于对称面（Y）对称布置，相互间隔一距离D。所述梁可能突然碰到障碍物，在此由栅栏（30）示出。撞击产生基本水平的力，且该力朝向与所述方向（T）基本垂直的行进方向（L）。

保险杠横梁（10）由挤压成的铝合金管式型材制成，该型材已稍微受弯，具有向外弯曲的前壁（或者压缩壁）和向内弯曲的后壁（拉伸壁）。总体来说，横梁被成形以使得它的宽度l从对称面（Y）向附接区域（12a，12b）（甚至经常最远到端部）减小。在此，为了简化，横截面S_n在附接区域（12a，12b）之间在横梁的大部分长度上基本不变。保险杠横梁（10）还包括削弱区域（15a，15b），所述削弱区域相对于对称面（Y）对称布置，并且远离所述对称面一距离d_w（为0.25D）。在削弱区域，横截面（S_w）不同于标称横截面（S_n）,其形状使得在所述削弱区域中的围绕垂直于平面（L，T）的轴线（Z）的截面二次轴距I_Z低于对应于标称横截面S_n的截面二次轴距。

本发明的特定实施方式

实施例1：（图3和图4，图5的变型）

图3和图4示出本发明的第一实施方案：保险杠横梁（10’）由挤压成的铝合金型材制成，该型材已受弯以具有保险杠的预期总体形状；以及，削弱区域已通过横梁的前壁的塑性变形而制成。型材的横截面包括前壁（161）、后壁（162）、顶壁（164）以及底壁（162）。

在削弱区域（15’a和15’b），前壁（161）通过以下方式被推向保险杠：将冲压机放在所述前壁的整个高度上；以及，致动所述冲压机，以使得它朝向型材移动一距离△X，从而产生凹陷（160’）。为了在削弱区域中获得横截面的连续轻微变化，以防止梁在过渡区突然断裂，压陷器具有弯曲的工作表面，其中曲率半径接近前壁和后壁之间的距离l。在削弱区域的变形最严重的部分的层面，行进距离△X约为l的十分之一。凹陷（160’）是基本圆柱形，沿轴线（Z）定位，并且在前壁的整个表面上延伸。

图5示出与前一实施例类似的实施例：保险杠横梁（10’’）由挤压成的中空型材制成，该型材已受弯，然后由冲压机局部成形，该冲压机是倾斜的，以使得当其受到致动朝型材移动时，冲压机首先与前壁的顶部接触。因此，凹陷（160’’）的最大深度位于横梁的前壁的顶部。

实施例2：（图6）

图6示出本发明的另一实施方案：保险杠横梁（10’’’）由挤压成的铝合金型材制成，该型材已受弯以具有保险杠的预期总体形状；以及，削弱区域已通过对横梁的前部作机加工而形成，该横梁包括前壁以及与所述前壁紧邻的顶壁和底壁的部分。机加工表面的几何形状仿效第一实施方案的凹陷的托架型形状，区别在于：在削弱区域不再有前壁（161），以使得凹陷（160）被与中空型材的内部连通的洞（17）代替。

取决于待装备保险杠的车辆，保险杠的横梁被弯曲为具有一个或多个曲率半径，并且附接区域（12a，12b）之间的距离D大致在1000mm和2000mm之间。削弱区域距车辆的对称面（Y）大致在150mm和500mm之间。由于本发明，保险杠的中间部分的弯曲行进距离可以通常从100mm减小至80mm。如果可以保持临界的弯曲行进距离（例如100mm）,则截面的初始厚度可以减少（保险杠由所述截面形成），通常减少3至2.5mm，以使得保险杠具有更低重量。

Claims (18)

1.保险杠横梁，该横梁相对于对称面Y基本对称并且总体朝向与所述对称面Y垂直的方向T，该横梁被设计用来吸收由集中的或基本水平分散的力所产生的撞击而消耗的能量，所述力朝向与所述方向T垂直的方向L，所述横梁包括两个附接区域(12a，12b)，所述附接区域被设计用来连接至车辆结构的两个支撑件(20a，20b)，相对于所述对称面Y对称布置，并且相互间隔一距离D，所述横梁由总体管式主体制成并具有横截面S_n，该横截面在所述附接区域(12a，12b)之间在其大部分长度上根据离所述对称面Y的距离d的单调函数变化，其特征在于，所述横梁包括两个削弱区域(15a，15b)，所述削弱区域相对于所述对称面Y是对称的，远离所述对称面一距离d_w，该距离在0.10D至0.40D之间，削弱区域中的横截面S_w不同于横截面S_n,以使得在所述削弱区域中的围绕与平面(L，T)垂直的轴线Z的截面二次轴距小于对应的横截面S_n的截面二次轴距。

2.根据权利要求1所述的保险杠横梁，其中在两个削弱区域(15a，15b)之间的所述距离d_w在0.15D至0.35D之间。

3.根据权利要求1所述的保险杠横梁，其中在两个削弱区域(15a，15b)之间的所述距离d_w在0.20D至0.30D之间。

4.根据权利要求1所述的保险杠横梁，其特征在于，在所述削弱区域(15a，15b)中的横截面S_w的变化遵循另一函数，该函数为非单调的连续函数，该连续函数足够光滑以防止所述横梁在过渡区突然断裂并且使得所述横梁在所述削弱区域能够塑性变形，但是足够陡峭以使得所述削弱区域可以起到触发器的作用，从而任何弯曲均在所述削弱区域中开始。

5.根据权利要求1所述的保险杠横梁，其特征在于，所述削弱区域的变形最严重的部分具有横截面S_wmd，该横截面的围绕轴线Z的截面二次轴距小于横截面S_n的围绕轴线Z的截面二次轴距的90％。

6.根据权利要求5所述的保险杠横梁，其中横截面S_wmd的围绕轴线Z的所述截面二次轴距小于横截面S_n的围绕轴线Z的截面二次轴距的80％。

7.根据权利要求5所述的保险杠横梁，其中横截面S_wmd的围绕轴线Z的所述截面二次轴距小于横截面S_n的围绕轴线Z的截面二次轴距的70％。

8.根据权利要求1所述的保险杠横梁，其特征在于，所述总体管式主体具有未在所述削弱区域中穿孔的后壁和前壁。

9.根据权利要求1所述的保险杠横梁，其特征在于，在所述削弱区域中，所述总体管式主体的横截面S_w包括后壁和/或前壁，所述后壁和/或所述前壁比在横截面S_n中更薄和/或更靠近重心。

10.根据权利要求1所述的保险杠横梁，具有基本竖直的前壁(161)和基本竖直的后壁(162)，所述前壁和所述后壁相互间隔一距离l并且通过至少上壁(164)和下壁(163)相互连接，其特征在于，在所述削弱区域(15a，15b)，所述前壁和/或所述后壁具有凹陷。

11.根据权利要求10所述的保险杠横梁，其中，所述凹陷的深度△X在0.05l和0.2l之间。

12.根据权利要求11所述的保险杠横梁，其中，所述凹陷(160)的深度△X接近0.1l。

13.根据权利要求10所述的保险杠横梁，其中，所述凹陷的最大尺寸朝向竖直方向。

14.根据权利要求13所述的保险杠横梁，其中，所述凹陷是基本圆柱形，沿轴线Z定位，并且在所述前壁和/或所述后壁的整个表面上延伸。

15.根据权利要求13所述的保险杠横梁，其中，所述前壁和/或所述后壁局部塑性变形，以使得所述凹陷的最大深度在所述前壁和/或所述后壁的顶部和/或底部上。

16.根据权利要求1所述的保险杠横梁，具有基本竖直的前壁和基本竖直的后壁，所述前壁和所述后壁相互间隔一距离l并且通过至少上壁和下壁相互连接，其特征在于，在所述削弱区域中，所述上壁和/或所述下壁设有孔。

17.根据权利要求1所述的保险杠横梁，由中空型材制成，该型材具有基本竖直前壁、基本竖直后壁、上壁和下壁，其特征在于，所述削弱区域已通过机加工所述型材的一部分而形成，所述部分包括所述前壁，和所述上壁和所述下壁的紧邻所述前壁的部分，机加工的表面具有托架型形状，并且界定与所述中空型材的内部连通的洞(17)。

18.根据权利要求1所述的保险杠横梁，其特征在于，所述削弱区域受到局部热处理，以提供比所述横梁的其余部分更低的机械性能。