CN104080661B - 能量吸收组件以及制造和使用该能量吸收组件的方法 - Google Patents

能量吸收组件以及制造和使用该能量吸收组件的方法 Download PDF

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Abstract

在一个实施方式中，一种能量吸收组件(30)包括具有第一表面(203)和第二表面(202)的泡沫平台(20)，其中所述第二表面(202)包括凹部(201)；和包括框架(100)和变形凸起部(101)的热塑性平台(10)；其中所述变形凸起部(101)从所述热塑性平台(10)的框架(100)延伸到所述凹部(201)中。在另一个实施方式中，一种制造能量吸收组件(30)的方法，包括形成具有第一表面(203)和第二表面(202)的泡沫平台(20)，其中所述第二表面(202)包括凹部(201)；形成具有框架(100)和从所述框架(100)突出的变形凸起部(101)的热塑性平台(10)；以及啮合所述凹部(201)和所述变形凸起部(101)以形成所述能量吸收组件(30)。

Description

能量吸收组件以及制造和使用该能量吸收组件的方法
技术领域
本发明总体上涉及在车辆中使用的能量吸收器，例如用于减少损伤(例如，对一个或多个乘客、一个或多个行人等)和/或用于降低车辆损坏。
背景技术
现代的车辆具有在车辆与车辆冲击期间调整用于特定的能量吸收的保险杆(缓冲器)系统。然而，由于冲突的设计要求，如由缓冲器系统(即，能量吸收器和/或保险杠梁(缓冲梁))所占据的封装空间的限制、保险杠梁弯曲和后方侵入保险杠梁后部的空间的限制，以及成本、质量、尺寸一致性和在冲击行程本身的过程中冲击能量吸收曲线的一致性/可预测性的限制，保险杠系统的调整可能是具有挑战性的。最近，解决行人碰撞的关注和后续法规越来越多，企图在这样的碰撞期间减少行人伤害。这给保险杠系统设计和保险杠系统的可调性增加了一定程度的难度和复杂性。
除了安全问题之外，遭受冲击并同时满足政府和保险测试标准的车辆的维修费用也是在汽车零件(如保险杠系统(缓冲器系统))的设计中需要考虑的因素。通常，设计汽车零件(如保险杠系统(缓冲器系统))以满足政府的测试标准，如低速保险测试，其中特定的车辆零件能够承受低速撞击，例如4～15千米每小时(kph)(2.5～9英里每小时(mph))的速度。
由于当前竞争激烈的汽车市场中增加的复杂性，加之燃油效率的最近政府指令，降低保险杠系统的总重量以同时降低成本并且提高燃油效率对于设计工程师而言可能也是一个挑战。
在此之前，只能通过在性能上的折衷来实现同时低成本且重量低的系统。因此，需要提供能够满足严格的且有时甚至相互冲突的设计制约的低重量且低成本的能量吸收系统。
发明内容
本发明在各个实施方式中公开的是能量吸收组件以及用于制备和使用该能量吸收组件的方法。
在一个实施方式中，能量吸收组件包括：具有第一表面和第二表面的泡沫平台(foam stage)，其中所述第二表面包括凹部(凹进部分)；和包括框架和变形凸起部(变形突出件，crush lobe)的热塑性平台；其中所述变形凸起部从所述热塑性平台(thermoplastic stage)的框架延伸到所述凹部中。
在一个实施方式中，制备能量吸收组件的方法包括：形成具有第一表面和第二表面的泡沫平台，其中所述第二表面包括凹部；形成具有框架和从所述框架突出的变形凸起部的热塑性平台；和啮合(接合)所述凹部和所述变形凸起部以形成能量吸收组件。
在另一个实施方式中，车辆包括：能量吸收组件，其包括具有第一表面和第二表面的泡沫平台，其中所述第二表面包括凹部；和包括框架和变形凸起部的热塑性平台；其中所述变形凸起部从所述热塑性平台的框架延伸到所述凹部中；设置在所述能量吸收组件的第一表面上的仪表板(fascia)；和保险杠梁，其中所述能量吸收组件的热塑性平台附接至所述保险杠梁。
这些和其它特征更具体地描述如下。
附图说明
下面是附图的简要说明，其中类似的元件(要素)编号相同，且它们被给出是用于说明本文所公开的示例性实施方式的目的而不是用于限制本发明的目的。
图1示出了能量吸收组件的泡沫平台的一个实施方式。
图2示出了能量吸收组件的热塑性平台的一个实施方式。
图3示出了包括图1的泡沫平台和图2的热塑性平台的能量吸收组件的一个实施方式的俯视左透视图。
图4示出了包括图1的泡沫平台和图2的热塑性平台的能量吸收组件的一个实施方式的俯视图。
图5示出了包括图1的泡沫平台和图2的热塑性平台的能量吸收组件的一个实施方式的横截面侧视图。
图6示出了能量吸收器的一个实施方式的等角透视图。
图7示出了具有包括图1的泡沫平台和图2的热塑性平台的能量吸收组件的车辆。
图8展示了比较具有图3所示的设计的能量吸收组件和具有图6所示的设计的能量吸收器的加速度对时间曲线。
图9展示了比较具有图3所示的设计的能量吸收组件和具有图6所示的设计的能量吸收器在每小时5英里下的能量吸收的力对时间曲线。
图10展示了具有图3所示的设计的能量吸收组件的力对变形曲线。
具体实施方式
本文在各种实施方式中公开了能量吸收组件，其可以与其它车辆部件(例如保险杠梁)一起使用，以在碰撞的过程中例如最小化对行人和/或车辆造成的损坏和/或损伤。所述能量吸收组件可以包括附接至热塑性平台的泡沫平台，其中所述热塑性平台可以包括具有变形凸起部的框架，所述变形凸起部从所述框架突出。所述泡沫平台可以包括第一表面和第二表面，其中所述泡沫平台的第二表面可以包括凹部，其可以配置成与从所述框架突出的变形凸起部配合。所述能量吸收组件可以配置成吸收行人碰撞和车辆损坏性的能量。例如，所述能量吸收组件对于行人碰撞可以例如在4kph～10kph的速度下以1,000焦耳(J)的能量水平吸收能量并且对于车辆损坏性可以例如在10kph～15kph的速度下以5,000J～6,000J的能量水平吸收能量。这样的设计可以满足整个系统的更低重量和更低成本的要求，并且没有封装空间显著增加或牺牲设计自由度。因此，本文所提供的是在车辆中使用例如以用于减少由于碰撞所带来的伤害(例如，对一个或多个乘客、一个或多个行人等)以及用于降低车辆损伤的能量吸收组件。
虽然本文所公开的能量吸收组件可以在车辆中的任何位置使用，但是它们一般用在车辆的前部在保险杠梁的前面(例如，在其中一般定位有发动机、散热器等的车辆部分)，以保护位于白车身(BIW)中的部件在碰撞时不被损坏。一般提供保险杠梁以减少和/或消除对位于该保险杠梁后面的车辆部件(如发动机部件和散热器)的损坏。一般来说，本文所述的能量吸收组件可以定位在车辆的前保险杠和/或后保险杠中，并且可以附接至连接到BIW以在碰撞期间充当车辆保护的保险杠梁(例如，金属、塑料等)上。例如，所述能量吸收组件可以附接至连接到车辆导轨和/或横向构件的保险杠梁上。所述能量吸收组件的泡沫平台可以定位在所述热塑性平台和保险杠梁的前面，例如以在碰撞时减少对行人的伤害。装饰性仪表板可以配置在所述泡沫平台的上部。
在高能量水平的低速碰撞中，能量吸收组件通过吸收冲击能量并且由此侵入且损坏车辆部件，同时不超过车辆的导轨负荷极限(例如，BIW将开始变形的点)，从而试图降低车辆损坏。此外，一些能量吸收组件试图在低能量水平的低速碰撞中减少由碰撞导致的行人伤害。本文所述的包括泡沫平台和热塑性平台的能量吸收组件能够满足小腿撞击第II阶段的目标要求(例如，低能量水平)以及由联邦机动车辆安全标准(Federal MotorVehicle Safety Standards)(FMVSS)提出的车辆损坏5mph要求(例如，高能量水平)。
汽车制造商不断地期望降低能量吸收组件的整体重量，这一般与降低制造所述能量吸收组件的成本相关。泡沫能量吸收组件在成本和重量上可以更低，但是不能具有与热塑性能量吸收组件一样的高能量吸收，而所有的热塑性能量吸收组件都具有更高的成本。本文所述的包括泡沫平台和热塑性平台的能量吸收组件可以提供可接受的能量吸收，但同时不会显著增加所述能量吸收组件的成本或重量。例如，与热塑性能量吸收组件相比，使用包括泡沫平台和热塑性平台的能量吸收组件能够实现大于或等于20％的重量降低，具体地大于或等于20％，更具体地大于或等于30％，并且甚至更具体地，大于或等于35％。
所述能量吸收组件的泡沫平台可以设计成在与行人碰撞过程中吸收能量并变形，而包括从框架突出的变形凸起部的热塑性平台可以设计成在例如在小于或等于16kph(9mph)、具体地小于或等于8kph(5mph)速度下的车辆与车辆碰撞中塑性变形并吸收能量并且还可以吸收4000J～6000J的能量(例如，在Allianz碰撞试验期间)，并且还可以为所述泡沫平台提供支撑。一般地，附接所述能量吸收组件的保险杠梁可以为所述能量吸收组件提供支撑并且还可以允当在碰撞(例如，摆锤和壁障碰撞)过程中弹性变形并吸收能量的刚性构件。
本文所描述的能量吸收组件能够满足和/或超过针对低速碰撞所规定的要求，例如49 C.F.R.581和高速公路安全保险协会(IIHS)的10kph碰撞中的损伤性缓解，以及能够满足和/或超过由各监管机构包括例如欧洲增强车辆安全委员会(EEVC)、欧洲汽车制造商协会(Association desConstructeurs européens d'Automobiles)(ACEA,阶段II)和全球性技术法规(GTR)所规定的行人碰撞法规要求。
本文所公开的能量吸收组件一般可以包括具有第一表面和第二表面的泡沫平台，其中所述第二表面包括凹部，和包括框架和变形凸起部的热塑性平台。所述变形凸起部可以从所述热塑性平台的框架延伸到所述凹部中。
所述能量吸收组件的示例性特征包括高韧性/延展性、热稳定性(例如，-30℃至60℃)、高能量吸收效率、良好的模量与延伸的比率、以及再循环能力等，其中“高”和“良好”用来指所述特性至少满足当前对于给定部件/元件的车辆安全法规和要求。
包括框架和从所述框架突出的变形凸起部的所述热塑性平台可以包括任何能够形成为所需形状并提供所要求的性能的热塑性材料或热塑性材料的组合。示例性的材料包括热塑性材料以及热塑性材料与弹性体材料和/或热固性材料的组合。可能的热塑性材料包括聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)；聚碳酸脂(LEXAN*和LEXAN*EXL树脂，由沙伯基础创新塑料(SABIC Innovative Plastics)市售)；聚碳酸脂/PBT共混物；聚碳酸脂/ABS共混物；共聚碳酸脂-聚酯；丙烯酸-苯乙烯-丙烯腈(ASA)；丙烯腈-(乙烯-聚丙烯二胺改性的)-苯乙烯(AES)；亚苯基醚树脂；聚苯醚/聚酰胺的共混物(NORYL GTX*树脂，由沙伯基础创新塑料(SABIC Innovative Plastics)市售)；聚碳酸脂/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)/PBT的共混物；聚对苯二甲酸丁二醇酯和抗冲改性剂(XENOY*树脂，由沙伯基础创新塑料(SABIC Innovative Plastics)市售)；聚酰胺；聚苯硫醚树脂；聚氯乙烯PVC；高抗冲聚苯乙烯(HIPS)；低/高密度聚乙烯(L/HDPE)；聚丙烯(PP)；膨胀聚丙烯(EPP)；聚乙烯和纤维复合材料；聚丙烯和纤维复合材料(AZDEL Superlite*片，由Azdel,Inc.市售)；长纤维增强型热塑性塑料(VERTON*树脂，由沙伯基础创新塑料(SABIC Innovative Plastics)市售)和热塑性烯烃(TPO)、以及包括前述材料中的至少一种的组合。
示例性的填充树脂是STAMAX*树脂，其是一种长玻璃纤维填充聚丙烯树脂，也由沙伯基础创新塑料(SABIC Innovative Plastics)市售。一些可能的增强材料包括纤维，例如玻璃纤维、碳纤维等以及包括前述纤维中的至少一种的组合；例如，长玻璃纤维和/或长碳纤维强化的树脂。所述热塑性平台也可以由包括任何上述材料中的至少一种的组合来形成。例如，在一些实施方式中，相同的材料可以用来制造所述热塑性平台的每个要素(例如，框架和变形凸起部)。在其它实施方式中，可以使用不同材料来制造所述能量吸收系统的各个要素(例如，可以使用一种材料来制造框架并使用不同的材料来制造变形凸起部)。可以预期的是，可以使用材料的任何组合来例如增加变形特性、减少损坏性等。
可以使用各种成型工艺(例如，注射成型、热成型、挤出等)来制造所述能量吸收组件的热塑性平台，以提供单件组件(例如，整体地形成的框架和一个或多个变形凸起部)。
在一个实施方式中，所述泡沫平台在低能量水平碰撞过程中提供能量吸收。所术泡沫平台可以由包括各种聚合物的泡沫来形成，所述聚合物包括但不限于聚磷腈、聚(乙烯醇)、聚酰胺、聚酯酰胺、聚(氨基酸)、聚酸酐、聚碳酸酯、聚丙烯酸脂、聚烷撑、聚丙烯酰胺、聚烷撑二醇、聚环氧烷、聚对苯二甲酸烷二酯、聚原酸酯、聚乙烯醚、聚乙烯酯、聚卤化乙烯、聚酯、聚交酯、聚乙交酯、聚硅氧烷、聚氨酯、聚醚、聚醚酰胺、聚醚酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸乙酯)、聚(甲基丙烯酸丁酯)、聚(甲基丙烯酸异丁酯)、聚(甲基丙烯酸己酯)、聚(甲基丙烯酸异癸酯)、聚(甲基丙烯酸月桂酯)、聚(甲基丙烯酸苯酯)、聚(丙烯酸甲酯)、聚(丙烯酸异丙酯)、聚(丙烯酸酸异丁酯)和聚(丙烯酸十八酯)、聚苯乙烯、聚丙烯(PP)、膨胀聚丙烯(EPP)、聚乙烯基苯酚、聚乙烯吡咯烷酮、氯化聚丁烯、聚(十八烷基乙烯基醚)、乙烯乙酸乙烯酯、(膨胀的)聚乙烯(EPE)、聚(环氧乙烷)-聚(对苯二甲酸乙二醇酯)、聚乙烯/尼龙(接枝共聚物)、聚己酸内酯-聚酰胺(嵌段共聚物)、聚(己内酯)二甲基丙酸酸酯-丙烯酸正丁酯、聚(降冰片基-多面体低聚倍半硅氧烷)、聚氨酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、尿烷/丁二烯共聚物、聚氨酯嵌段共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、以及包括前述聚合物中的至少一种的组合。所述泡沫平台也可以由针对热塑性平台所列举的任何材料以及包括前述聚合物中的至少一种的组合来形成。例如，所述泡沫平台可以包括聚丙烯/膨胀聚丙烯/聚苯乙烯共聚物。可替换地，所述泡沫平台可以包括聚乙烯和聚苯乙烯的共聚物。
在一个实施方式中，所述泡沫可以是闭孔泡沫或开孔泡沫(其中开和闭是指根据ASTM D6226-05测量所确定的聚合多孔材料中开孔体积百分含量)或它们的组合。因此，本文所述的能量吸收组件的泡沫平台可以包括多层具有不同密度的泡沫(例如，可以同时包括闭孔泡沫和开孔泡沫)，其中所述密度可以根据泡沫平台的第一表面至第二表面的距离而增加。换句话说，所述泡沫平台从第一表面至第二表面可以具有不同(可变)的密度(例如，增加或降低)。
可替换地或另外，所述泡沫平台可以包括复合泡沫塑料，例如在包括如前述的聚合物的基质中嵌入有空心球的泡沫。复合泡沫塑料是通过使用称为微球的空心颗粒填充金属、聚合物或陶瓷基质来合成的复合材料。空心颗粒的存在导致更低的密度、更高的强度和更低的热膨胀系数。剪裁能力是这些材料的最大优点之一。所述基质可以选自于任何金属、聚合物或陶瓷材料。微球的实例包括煤胞、玻璃微球、碳微球和聚合物微球。可以使用其它填料如二氧化钛、硫酸钡、二氧化硅、硅球体或微球体(例如，TOSPEARL*)、聚甲基丙烯酸甲酯颗粒等、或包括前述材料中的至少一种的组合来代替微球。
复合泡沫塑料的压缩性能主要取决于微球的性质，而拉伸性能取决于将所述微球保持在一起的基质材料。存在几种调节复合泡沫塑料的性质的方法。第一种方法是改变复合泡沫塑料结构中的微球的体积分数。第二种方法是使用不同壁厚的微球。一般来说，所述材料的压缩强度与其密度成正比。
可以在被称为超声喷雾热解的过程中通过加热溶解的水玻璃的微小的液滴来制造玻璃微球。微球也可以用于复合材料中以填充聚合物树脂以获得特定的性质，如重量、打磨性和密封表面。
复合泡沫塑料中的球(其可以由玻璃、陶瓷、聚合物、或包括前述物质中的至少一处的组合来形成)可以具有100纳米(nm)至5毫米(mm)的直径，具体地500nm至1,000nm，更具体地1微米(μm)至300μm，且甚至更具体地10μm至200μm。可以通过使用不同直径的球体并使用熔融的热塑性材料装填模具来获得不同密度的复合泡沫塑料。所述泡沫的密度也可以通过改变所述泡沫中的闭孔分数来改变。因此，所述泡沫平台可以包括一层复合泡沫塑料，其中该复合泡沫塑料整体具有连续密度或具有所述的不同密度。可选地，所述泡沫平台可以包括数层泡沫。例如，所述泡沫平台可以包括两个不同的泡沫，例如，所述泡沫平台的第一表面可以包括具有第一泡沫密度的泡沫且所述泡沫平台的第二表面可以包括具有第二不同泡沫密度的第二泡沫。在这样的实施方式中，所述泡沫平台的第一表面和第二表面能够可操作地彼此结合。
如本文中所述并使用的‘可操作地结合’是指将两个构件直接或间接地彼此接合。这样的接合可以本质上是静止的或本质上可移动的。这样的接合可以仅使用该两个构件或者使用该两个构件与任何附加的中间构件彼此整体地形成为单个整体、或者使用该两个构件或该两个构件与任何附加构件彼此附接来实现。这样的接合可以本质上是永久的或者可以本质上是可移动或可释放的。
例如，所述泡沫平台可以包括聚丙烯/膨胀聚丙烯共混物和/或共聚物，其在密度上可以变化，由此能够根据组件的要求(例如，对于给定的封装空间和性能要求)来调节能量吸收组件。所述泡沫平台的密度可以在该泡沫平台遭受最大冲击的区段中增加并且在该泡沫平台不会遭受那么大冲击的区段中降低。
所述能量吸收组件的总尺寸(例如具体尺寸)将取决于它在车辆中的位置和它的功能以及其预期使用的特定车辆。例如所述能量吸收组件的长度(l)、高度(h)和宽度(w)将取决于所需应用的位置的可用空间量以及所需要的能量吸收。所述能量吸收组件的各部件的深度和壁厚也将取决于可用空间、期望的硬度以及所采用的材料(或多种材料的组合)。所述泡沫平台和所述热塑性平台的深度“d”一般受到仪表板与保险杠梁之间的距离的限制。
所述能量吸收组件可以由多种方法来生产，例如模塑法、成形法或任何其它合适的制造技术。例如，能量吸收器和/或变形凸起部可以由选自注射成型、热成型、挤出、或包括前述中的至少一种的组合的工艺来形成。
同样地，所述泡沫平台可以通过机械成型工艺(例如，聚氨酯泡沫体)或通过使用发泡剂(例如，聚烯烃泡沫体)来形成。发泡剂可以分类为物理发泡剂或化学发泡剂。当使用物理发泡剂时，发泡可以通过降低压力使溶解或悬浮在熔融聚合物中的气体膨胀来实现。当使用化学发泡剂时，可以通过发泡剂的化学分解来形成泡孔结构。在机械发泡工艺中，泡沫结构可通过机械地将气体捕获在结构中来实现，例如，可以通过使用合适的混合器剧烈搅拌聚合物浆料来捕获空气。所述泡沫平台可以由任一所述方法或包括前述方法中的至少一种的组合来形成。
当使用物理发泡剂时，可以通过在高于聚合物或其共混物的玻璃化转变温度的温度下、在高压下以发泡气体浸没聚合物发泡液以形成均相体系，从而形成泡沫平台。然后将压力迅速地释放，以产生不稳定的过饱和系统，以便溶解于所述聚合物发泡液中的气体能够成核并且起泡分离出来直至在气泡压力、聚合材料的强度之间获得平衡，并且最后聚合物溶液凝固从而获得聚合物泡沫。在一个实施方式中，可以使用二氧化碳(CO2)或氮气(N2)气体作为发泡气体。由于均相成核通常需要更高的能量并且由于其比非均相成核具有更少的成核位点，这将在所得到的泡沫体中产生更大的孔尺寸，可以通过在发泡过程中添加成核剂来增加成核位点并由此为包括在聚合物溶液中的发泡气体提供异相成核来降低成核能量。在本文所描述的能量吸收组件中使用的泡沫体的各种性质(例如，物理性质如直径)可以通过所使用的成核剂的种类、和/或用来制造泡沫体的温度/压力分布、和/或所使用的发泡气体来影响。泡沫可通过挤出成型工艺来形成，其中将聚合物加热并且熔融；向所述熔融的聚合物或聚合物共混物中加入成核剂和发泡剂；将所述混合物共混为聚合物发泡液；和将所述聚合物发泡液挤出并在适合的温度下发泡以形成泡沫。
物理发泡剂的实例是那些包括含有氢原子的组分，其可以单独使用或者作为彼此的混合物或者与另一种类型的发泡剂如水或偶氮化合物的混合物而使用。这些发泡剂可以选自范围广泛的材料，包括烃类、醚类、酯类、和部分卤代的烃类、醚类和酯类等。物理发泡剂一般具有约-50℃至约100℃的沸点，且特别地为约-25℃至约50℃。其中，可用的含氢发泡剂是HCFC类(卤代氯氟烃类)，如1,1-二氯-1-氟乙烷、1,1-二氯-2,2,2-三氟-乙烷、一氯二氟甲烷和1-氯-1,1-二氟乙烷；HFC类(卤代碳氟化合物)，如1,1,1,3,3,3-六氟丙烷、2,2,4,4-四氟丁烷、1,1,1,3,3,3-六氟-2-甲基丙烷、1,1,1,3,3-五氟丙烷、1,1,1,2,2-五氟丙烷、1,1,1,2,3-五氟丙烷、1,1,2,3,3-五氟丙烷、1,1,2,2,3-五氟丙烷、1,1,1,3,3,4-六氟丁烷、1,1,1,3,3-五氟丁烷、1,1,1,4,4,4-六氟丁烷、1,1,1,4,4-五氟丁烷、1,1,2,2,3,3-六氟丙烷、1,1,1,2,3,3-六氟丙烷、1,1-二氟代乙烷、1,1,1,2-四氟乙烷和五氟乙烷；HFE类(卤代氟代醚类)，如甲基-1,1,1-三氟乙醚和二氟甲基-1,1,1-三氟乙醚；和烃类，如正戊烷、异戊烷和环戊烷，以及包括前述中的至少一种的组合。
包括在通常气态和液态发泡剂中的是甲烷和乙烷的卤代衍生物，如氟甲烷、氯甲烷、二氟甲烷、二氟甲烷、全氟甲烷、三氯甲烷、二氟-氯甲烷、二氯氟甲烷、二氯二氯甲烷(CFC-12)、三氟氯甲烷、三氯一氟甲烷(CFC-11)、氟乙烷、氯乙烷、2,2,2-三氟-1,1-二氯乙烷(HCFC-123)、1,1,1-三氯乙烷、二氟四氯乙烷、1,1-二氯-1-氟乙烷(HCFC-141b)、1,1-二氟-1-氯乙烷(HCFC-142b)、二氯四氟乙烷(CFC-114)、氯三氟乙烷、三氯三氟乙烷(CFC-113)、1-氯-1,2,2,2-四氟乙烷(HCFC-124)、1,1-二氟乙烷(HFC-152a)、1,1,1-三氟乙烷(HFC-143a)、1,1,1,2-四氟乙烷(HFC-134a)、全氟乙烷、五氟乙烷、2,2-二氟丙烷、1,1,1-三氟丙烷、全氟丙烷、二氯丙烷、二氟丙烷、氯七氟丙烷、二氯六氟丙烷、全氟丁烷、全氟环丁烷、硫-六氯化物、和包括前述中的至少一种的组合。
可以采用的其它通常气态和液态发泡剂是烃类和其他有机化合物，如乙炔、氨、丁二烯、丁烷、丁烯、异丁烷、异丁烯、二甲胺、丙烷、二甲基丙烷、乙烷、乙基胺、甲烷、单甲基胺、三甲基胺、戊烷、环戊烷、己烷、丙烷、丙烯、醇类、醚类、酮类等。惰性气体和化合物(如二氧化碳、氮气、氩气、氖气或氦气)可以用作具有令人满意结果的发泡剂。可以使用物理发泡剂直接从挤出模头产生泡沫。组合物可以可选地包括化学发泡剂以进一步膨胀。示例性的物理发泡剂是二氧化碳和氮气。
可以使用在高温下分解以形成气体的固体化学发泡剂。一般而言，可分解的发泡剂将具有约130℃至约350℃的分解温度(得到释放的气体物质)。代表性的化学发泡剂包括偶氮甲酰胺、p,p'-氧双(苯)磺酰肼、对甲苯磺酰肼、对甲苯磺酰氨基脲、5-苯基四唑、乙基-5-苯基四唑、二亚硝基五亚甲基四胺和其它偶氮、N-亚硝基、碳酸酯和磺酰肼以及各种酸/碳酸氢盐化合物，当加热时其分解。
在一个实施方式中，所述聚合物泡沫的孔(cell)可以具有0.1微米至100微米的孔尺寸，具体地为1微米至80微米，并且更具体地为5至50微米。
还预期了制造能量吸收组件的方法。例如，一种制造能量吸收组件的方法可以包括形成具有第一表面和第二表面的泡沫平台，其中所述第二表面包括凹部，形成具有框架和从所述框架突出的变形凸起部的热塑性平台；和啮合所述凹部和所述变形凸起部以形成能量吸收组件。
通过参考附图能够更加全面的理解本文所公开的部件、方法和设备。这些附图(本文中也称为“图”)仅仅是基于便利和容易示出本公开的示意图，因此它们并非旨在表明装置或其部件的相对尺寸和大小和/或限定或限制示例性实施方式的范围。尽管为了清楚起见，在以下的描述中使用了特定术语，但这些术语仅用来指代附图中选择用于说明实施方式的特定结构，而并非用来限定或限制该公开的范围。在附图和以下的说明中，应当理解相似的数字标识指代相似功能的部件。
图1示出了用于能量吸收组件的泡沫平台20的一个实施方式，且图2示出了用于能量吸收组件的热塑性平台10的一个实施方式，而图3、4和5示出了组装的泡沫平台20和热塑性平台10以制造能量吸收组件30的各种构造。如图1所展示的，泡沫平台20可以包括第一表面203和第二表面202，其中第一表面203一般朝向组件的仪表板侧40，且第二表面202一般朝向能量吸收组件30的保险杠侧50。第二表面202可以包括凹部201，其配置成与热塑性平台10上的变形凸起部101配合(例如图2)。凹部201的形状和各种尺寸(例如，长度、宽度、厚度和深度)可以根据变形凸起部101的形状和尺寸而变化。但是，应该设计凹部201的形状和尺寸以便图2中所示的变形凸起部101能够装配在该凹部201中，可选地在凹部201和变形凸起部101之间留下间隙以适应变形凸起部101和/或泡沫平台20的热膨胀。泡沫平台20的第一表面203可以具有延伸跨越泡沫平台20的长度的弯曲形状或平坦形状。例如，如图1所示的，第一表面203可以具有弯曲形状，使得该第一表面203具有的厚度t1从泡沫平台20的端部向泡沫平台的中央增加，以便泡沫平台20的中央具有较大的厚度t2。如果泡沫平台20具有平坦的第一表面203，则其厚度从泡沫平台20的端部至端部是恒定的。
图1进一步显示，泡沫平台20的第二表面202可以包括平坦的表面以使其能够与图2中所示的包括变形凸起部101和框架100的热塑性平台10接合。但是，泡沫平台20的第二表面202并不局限于平坦的形状，并且可以包括允许其与热塑性平台10的框架100接合的任何形状，以便热塑性平台10的变形凸起部101装配在泡沫平台20的凹部201中，并且由此泡沫平台20嵌入热塑性平台10中以形成如图3、4和5中所示的能量吸收组件30。
现在转到图2，示出了热塑性平台10。热塑性平台10可以包括框架100和从该框架100突出的变形凸起部101。框架100可以包括顶部侧壁110和底部侧壁112由第一端壁114和第二端壁116连接的大致矩形的形状。框架100的形状通常与泡沫平台的形状互补，从而能量吸收组件的该两个部件能够彼此配合。框架形状可以包括可以提供所需的能量吸收并允许其与泡沫平台20接合以形成能量吸收组件的任何形状。例如，框架100及同样地，泡沫平台20可以具有包括但不限于矩形(如示出的)、方形、梯形、圆柱形等以及包括前述中的至少一种的组合的形状。在一个实施方式中，框架100可以是法兰式框架(例如，在框架的边缘具有凸缘)。另外，框架100可以是固体热塑性片(即，在顶部侧壁110和底部侧壁112之间没有空隙)，其中变形凸起部从该固体框架的各个部分突出。可选地，如图2所示，配置在顶部侧壁110和底部侧壁112之间的可以是横肋102，以给框架110提供进一步的强度和刚性。肋102可以进一步使得能量吸收组件在碰撞时能够吸收能量并降低车辆损坏性。肋间距可以在壁稳定性以及能量吸收上起作用。肋102可以包括可以是三角形、桁架、锯齿、波纹形、二次曲线、梯形、六边形、五边形、八边形、半圆形、正弦、层状、绝对正弦(abs(sin))、摆线以及包括前述中的至少一种的组合的形状。
如图2所示，变形凸起部101可以从横肋102突出。变形凸起部101可以具有能够给整个能量吸收组件提供所需的能量吸收特性的任何形状。例如，变形凸起部101可以具有的形状包括但不限于图2中所示的C形的横截面、箱形的横截面、圆锥形横截面、圆柱形横截面、圆锥形、或截头圆锥体形状以及包括前述中的至少一种的组合。例如，变形凸起部101可以具有如圆锥形或截头圆锥形的形状，其中变形凸起部101的表面上的较小的横截面面积面向凹部201且变形凸起部101的较大的截面面积附接于框架100。可以配置变形凸起部101以与泡沫平台20的凹部201接合，以便变形凸起部101装配在泡沫20的凹部201中。依赖于热塑性平台10的所需设计，多个变形凸起部101可以装配在单个凹部201中或者单个变形凸起部101可以装配在单个凹部201中。例如，泡沫平台20中的凹部201可以与变形凸起部101互补，例如与连续的变形凸起部互补以便例如1～20个变形凸起部101可以装配在凹部201中，具体地，大于或等于1个变形凸起部101可以装配在凹部201中，更具体地，大于或等于2，甚至更具体地，大于或等于3，还更具体地，大于或等于5，且更加具体地，大于或等于10。变形凸起部可以是中空的和/或实心的。图2和3示出了中空变形凸起部103的一个实例，其中在变形凸起部101之间示出了中空变形凸起部103。由于中空变形凸起部103可以在两侧被变形凸起部101包围，所以中空变形凸起部103可以可选地在该中空变形凸起部103的表面中包括开口104，其能够允许中空变形凸起部103完全变形。开口104能够允许中空变形凸起部103向内变形(压碎)，而变形凸起部101可以向外变形(压碎)。
如图1和2所示，在仪表板侧40上具有第一表面203的泡沫平台20可以被配置以接合并且在如本文所述的低能量水平碰撞以及与行人的碰撞中吸收能量，并且具有凹部201的第二表面可以被配置成与具有从热塑性平台10突出的变形凸起部101的热塑性平台接合。
泡沫平台20的密度可以从第一表面203到第二表面202变化或者在整个泡沫平台20中可以是恒定的。如果密度是变化的，则第一表面203的密度可以小于第二表面202的密度，从而在碰撞时允许多级的能量吸收。在一个实施方式中，泡沫平台20可以包括共聚物，该共聚物包括聚丙烯/膨胀聚丙烯/聚苯乙烯/膨胀聚苯乙烯/聚苯乙烯/膨胀聚乙烯。可选地，所述膨胀聚苯乙烯可以是闭孔泡沫(例如，具有75％至100％的闭孔)。还可预期的是，依赖于所需的刚性，存在于热塑性平台10上的肋102和/或侧壁110、112的数量或厚度或者该两者可以增加或减少。同样地，泡沫平台20中凹部201的深度和热塑性平台10中的变形凸起部101的尺寸可以被调整以优化成本和/或重量。
现在转到图3、4和5，示出了包括泡沫平台20和热塑性平台10的能量吸收组件30的各种图解。图3显示了装配在变形凸起部101上并且可操作地设置在所述热塑性平台10上的泡沫平台20的等角视图。图3中还示出了保险杠梁60，能量吸收组件与其附接。图4示出了能量吸收组件30的图解，其可以配置成跨越车辆保险杠梁60的长度(图3)，其中如先前提及的，泡沫平台20在该能量吸收组件30的长度上可以具有可变的厚度。图5示出了能量吸收组件30的横截面，描绘了泡沫平台20的第二表面202中的凹部201在变形凸起部101上的互补性质。
图7示出了具有保险杠梁60的车辆70，该保险杠梁60具有包括泡沫平台20和热塑性平台10的能量吸收组件30。仪表板62可以位于能量吸收组件30之上。
一种制造能量吸收组件的方法，其可以包括形成具有第一表面和第二表面的泡沫平台，在该泡沫平台中形成凹部，形成具有框架和从该框架突出的变形凸起部的热塑性平台，以及啮合该凹部和所述变形凸起部以形成所述能量吸收组件。
通过下列非限制性的实施例进一步说明了所述能量吸收器。需要注意的是，除非另有特别说明，否则所有的实施例均是模拟的。
实施例
实施例1：
如所述的，对具有图3所示设计的、包括泡沫平台和热塑性平台的能量吸收组件的各种特性进行了测试，并且与有具有图6所示设计的变形凸起部的全热塑性能量吸收器进行了比较。所述泡沫平台包括具有密度为30克每升(g/L)的膨胀聚丙烯，而所述热塑性平台包括聚碳酸酯和聚对苯二甲酸丁二醇酯的共混物(Xenoy*,由SABIC Innovative Plastics市售)。能量吸收组件的总体尺寸为1,200mm长、120mm高和85mm深。按照欧洲新车安全评价组织(Euro New Car Assessment Program)(NCAP)的小腿碰撞测试协议的小腿碰撞测试，模拟行人遭受碰撞时软组织损伤至膝关节或骨折至相邻的腿骨的损伤。这些损伤典型地发生在车辆与行人的碰撞的早期。测试装置模拟了人的小腿，包括膝关节。在可达40kph的速度下并且垂直于所述膝盖的关节面发生碰撞，并且测量了与关节的轴成直角的膝关节的角运动并报告为旋转角度。还测量和报告了胫骨减速(即，G-负荷)和膝部剪切位移。一般而言，旋转角度越低、负荷越低且剪切位移越高，表明能量吸收效率越高。
按所述的，测试了具有图3所示设计的能量吸收组件和具有图6所示设计的能量吸收组件的小腿碰撞性能。结果示于表1和图8中，图8为比较样品1(C1)(其为具有图6所示设计的能量吸收器)和样品1(其为具有图3所示设计的能量吸收组件)的加速度曲线(以g(其指代在地球表面的重力加速度)为单位相对于以秒(s)为单位的时间进行测量)。样品1的质量为约0.75千克(kg)，而对于比较样品1的质量为约1.1kg。在表1中，G-负荷测量单位为g，旋转测量单位为度，且剪切测量单位为mm。所述测试在Y＝0下发生，其中Y指代碰撞位置。在这些测试中，碰撞位置在能量吸收组件的中心，在例如中空变形凸起部103上(参见例如图4)。能量吸收组件的总长度一般为1,000米(m)(例如,在Y＝0的任一侧为500m)。
如表1所示，样品1表现出较低的减速度(G-负荷)为152g，相比于为C1的159.5g，样品1的旋转度较低为14.9，相比于C1的15.2，并且样品1的膝部剪切位移较高为2.4mm，相比于C1的2.1mm。图8显示，样品1在比C1更短的时间内经历最大的G-负荷，并且样品1还具有曲线平稳段并在比C1更早的时间开始下降。这些结果表明，与完全由热塑性塑料制成的能量吸收设计相比，包括泡沫平台和热塑性平台的能量吸收组件在从小腿碰撞中保护行人上更加有效。
实施例2
能量吸收组件的效率可以描述为在一定距离上吸收的能量的量或者在一定负荷上吸收的能量的量。与具有低效率的能量吸收组件相比，高效能量吸收组件在更短的距离上吸收更大量的能量。高效率可以通过将负荷快速地积聚至略小于寻求保护的对象(例如，行人腿部、车轨等)的负荷极限并且维持该负荷恒定直至碰撞能量已经消散来实现。
根据FMVSS标准，在5mph壁障碰撞测试中测试所述效率，其中将样品1安装在1,600千克(kg)的车辆上并且与比较例1进行比较。结果示于表2和图9中。在表2中，力测量单位为千牛顿(kN)，而位移(例如，行程、侵入)和背梁位移(BoB)测量单位为mm。BoB通常指代在保险杠梁的背部处测量的偏转量。
表2显示，对于几乎相同的作用力，样品1具有更低的位移(103mm相比于C1的105mm)和更低的BoB值(13mm相比于C1的15mm)。图9显示，与C1相比，样品1在约38毫秒(ms)时有约80kN的第一阶段峰(其与泡沫平台有关)，随后是在较短的行程距离上由热塑性平台吸收的负荷的增加。
图10用图表示出了具有图3所示设计的能量吸收组件的力(测量单位为kN)与侵入(测量单位为mm)之间的关系曲线，第1阶段行人碰撞120和第2阶段损坏性130。如在图10中可以看到的，在小于或等于50mm的侵入时，只涉及了泡沫平台。在大于50mm的侵入时，涉及了热塑性平台并且会影响到车辆损坏性。
来自小腿碰撞测试和壁障碰撞测试的结果表明，能够实现所述能量吸收组件的重量的降低。具体地，与如图6中所示的能量吸收设计相比，使用包括泡沫平台和热塑性平台的能量吸收组件能够实现小于或等于35％重量的降低，具体地小于或等于30％，更具体地小于或等于25％，甚至更具体地小于或等于20％。当热塑性平台用材料与图6中所示的设计用材料相同时，将包括泡沫平台和热塑性平台的能量吸收设计(例如，如图3所示的)与图6中所示的能量吸收器比较，这样的重量降低能够导致节约成本。
在一个实施方式中，能量吸收组件包括：具有第一表面和第二表面的泡沫平台，其中所述第二表面包括凹部；和包括框架和变形凸起部的热塑性平台；其中所述变形凸起部从所述热塑性平台的框架延伸到所述凹部内。
在另一个实施方式中，一种制造能量吸收组件的方法，包括：形成具有第一表面和第二表面的泡沫平台，其中所述第二表面包括凹部；形成具有框架和从所述框架突出的变形凸起部的热塑性平台；以及将所述凹部与所述变形凸起部啮合以形成所述能量吸收组件。
在一个实施方式中，一种车辆，包括：能量吸收组件，该能量吸收组件包括具有第一表面和第二表面的泡沫平台，其中所述第二表面包括凹部；和包括框架和变形凸起部的热塑性平台；其中所述变形凸起部从所述热塑性平台的框架延伸到所述凹部中；配置在所述能量吸收组件的第一表面上的仪表板；以及保险杠梁，其中所述能量吸收组件的热塑性平台附接至该保险杠梁。
在各个实施方式中，(i)所述泡沫平台包括选自由聚丙烯、膨胀聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚氨酯、任何前述的共聚物、和包括前述至少一种的组合组成的组中的泡沫；和/或(ii)其中所述泡沫平台包括闭孔泡沫；和/或(iii)所述泡沫平台具有可变的密度；和/或(iv)所述泡沫平台从所述第一表面至所述第二表面具有增加的密度或者其中所述泡沫平台从所述第二表面至所述第一表面具有增加的密度；和/或(v)所述热塑性平台的框架进一步包括配置在纵向边(纵向侧)之间的横肋，其中所述变形凸起部从所述横肋上突出；和/或(vi)所述横肋包括选自由三角形、桁架、锯齿、波纹形、二次曲线、梯形、六边形、五边形、八边形、半圆形、正弦、层状、绝对正弦(abs(sin))、摆线、以及包括前述的至少一种的组合组成的组中的形状；和/或(vii)所述变形凸起部包括锥形结构，其从面对框架的表面发散至面对泡沫平台的表面；和/或(viii)所述热塑性平台的框架包括法兰式框架，其在框架的边缘周围配置有凸缘；和/或(ix)所述变形凸起部从所述法兰式框架突出。
本文所公开的所有范围都包括端点，并且各端点可以彼此独立地相互组合(例如，范围“可达25wt.％，或更具体地5wt.％至20wt.％”包括“5wt.％至25wt.％”范围的端点和所有的中间值等)。“组合(combination)”包括共混物、混合物、合金、反应产物等。另外，术语“第一”、“第二”等在本文中不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个要素(元件)与另一个要素(元件)相区分。术语“一个”和“一种”和“该/所述”在本文中不表示数量限制，而应该解释为既包括单数也包括复数，除非本文中另有指明或明显与上下文相矛盾。本文中使用的后缀“(s)”旨在包括其所修饰的术语的单数和复数，由此包括该术语的一个或多个(例如，一个或多个膜(film(s))包括一个或多个膜)。贯穿说明书始终的参照“一个实施方式”、“另一个实施方式”、“实施方式”等是指结合该实施方式所描述的特定要素(例如，特征、结构和/或特性)包括在本文所描述的至少一个实施方式中，而且可能会或可以不会出现在其它实施方式中。此外，需要理解的是所描述的要素可以任何适合的方式组合在多个实施方式中。
虽然已经描述了具体实施方式，但是申请人或本领域技术人员可以想到当前没有或可能没有预见到的替换、改变、变化、改进和实质等价物。因此，如所提交的所附权利要求以及如可能被修改的权利要求旨在包括所有这样的替换、改变、变化、改进和实质等价物。

Claims (17)

1.一种能量吸收组件，包括：
具有第一表面和第二表面的泡沫平台，其中所述第二表面包括凹部；和
包括框架和变形凸起部的热塑性平台；
其中，所述变形凸起部从所述热塑性平台的所述框架延伸到所述凹部中，且
其中，所述热塑性平台的所述框架还包括被设置在纵向边之间的横肋，其中，所述变形凸起部从所述横肋突出。
2.根据权利要求1所述的能量吸收组件，其中，所述泡沫平台包括选自以下中的至少一种的泡沫：聚丙烯、膨胀聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚氨酯、聚丙烯共聚物、膨胀聚丙烯共聚物、聚苯乙烯共聚物、聚乙烯共聚物、和聚氨酯共聚物。
3.根据权利要求1所述的能量吸收组件，其中，所述泡沫平台包括闭孔泡沫。
4.根据权利要求1所述的能量吸收组件，其中，所述泡沫平台具有可变密度。
5.根据权利要求1所述的能量吸收组件，其中，所述泡沫平台从所述第一表面至所述第二表面具有增加的密度或者其中所述泡沫平台从所述第二表面至所述第一表面具有增加的密度。
6.根据权利要求1所述的能量吸收组件，其中，所述横肋包括选自以下中的至少一种的形状：三角形、桁架、锯齿、波纹形、二次曲线、梯形、六边形、五边形、八边形、半圆形、正弦、层状、绝对正弦、和摆线。
7.根据权利要求1所述的能量吸收组件，其中，所述变形凸起部包括锥形结构，所述锥形结构从面向所述框架的表面发散至面向所述泡沫平台的表面。
8.根据权利要求1所述的能量吸收组件，其中，所述热塑性平台的所述框架包括在所述框架的边缘周围设置有凸缘的法兰式框架。
9.根据权利要求8所述的能量吸收组件，其中，所述变形凸起部从所述法兰式框架突出。
10.根据权利要求1所述的能量吸收组件，其中，在所述凹部和所述变形凸起部之间存在间隙。
11.根据权利要求1所述的能量吸收组件，其中，所述泡沫平台嵌入所述热塑性平台。
12.一种制造权利要求1-11中任一项所述的能量吸收组件的方法，包括：
形成具有第一表面和第二表面的泡沫平台，其中所述第二表面包括凹部；
形成具有框架和从所述框架突出的变形凸起部的热塑性平台，其中，所述热塑性平台的所述框架还包括被设置在纵向边之间的横肋，其中，所述变形凸起部从所述横肋突出；以及
啮合所述凹部和所述变形凸起部以形成所述能量吸收组件。
13.一种车辆，包括：
能量吸收组件，包括具有第一表面和第二表面的泡沫平台，其中所述第二表面包括凹部；和包括框架和变形凸起部的热塑性平台；其中所述变形凸起部从所述热塑性平台的所述框架延伸到所述凹部中；
设置在所述能量吸收组件的所述第一表面上的仪表板；和
保险杠梁，其中所述能量吸收组件的所述热塑性平台附接至所述保险杠梁，且
其中，所述热塑性平台的所述框架还包括被设置在纵向边之间的横肋，其中，所述变形凸起部从所述横肋突出。
14.根据权利要求13所述的车辆，其中所述能量吸收组件还包括，其中所述泡沫平台包括选自以下中的至少一种的泡沫：聚丙烯、膨胀聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚氨酯、聚丙烯共聚物、膨胀聚丙烯共聚物、聚苯乙烯共聚物、聚乙烯共聚物、和聚氨酯共聚物。
15.根据权利要求13-14中任一项所述的车辆，其中，所述能量吸收组件的所述泡沫平台包括闭孔泡沫。
16.根据权利要求13-14中任一项所述的车辆，其中，所述能量吸收组件的所述泡沫平台具有可变密度。
17.根据权利要求13-14中任一项所述的车辆，其中，所述能量吸收组件的所述泡沫平台从所述第一表面至所述第二表面具有增加的密度或者其中所述泡沫平台从所述第二表面至所述第一表面具有增加的密度。
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