CN104228726B - 模块化汽车保险杠吸能器及该吸能器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化汽车保险杠吸能器，包括前部弧形卡口加强梁(1)、后部弧形卡口加强梁(2)、若干镶嵌在两根加强梁之间的X形吸能单元(3)、连接两根加强梁的加强梁左端连接部件(4)和加强梁右端连接部件(5),其中，弧形卡口加强梁为由塑料合金注塑加工而成的薄壁结构，其上设置有若干弧形卡口，该弧形卡口为向内凸起的弧形结构。该保险杠吸能器的吸能单元在碰撞冲击下具备分阶段变形特征，呈现由初始向内凹陷变形至两侧边弧接触而扭结变形的模式。

Description

模块化汽车保险杠吸能器及该吸能器的设计方法

技术领域

本发明涉及一种汽车零部件，尤其涉及一种减少汽车低速碰撞时车辆损失和在车辆-行人碰撞时保护行人下肢的模块化汽车保险杠吸能器。

背景技术

针对汽车碰撞安全性，汽车保险杠系统设计通常需同时满足行人碰撞法规和低速碰撞法规。典型保险杠系统包含车辆前后沿汽车宽度方向，安装于汽车纵梁上的两根横梁。此横梁常为钢结构，以提供保险杠系统足够的刚度和强度。

一些保险杠系统也会包含安装于横梁上的吸能器，以控制能量吸收与保险杠的侵入量；其效率主要是通过在一定变形距离内能量吸收的大小来衡量。由于低速碰撞与行人保护对保险杠系统的设计要求存在一定的矛盾性，传统保险杠吸能器或主要考虑减少低速时的车辆损失，或主要用于减少行人下肢损伤，且吸能效率亦有待进一步提高。

此外，现有常规模块化汽车保险杠吸能器是由发泡聚丙烯(EPP)泡沫或热塑性聚合物组合物制成的一体化吸能结构。EPP泡沫小珠的制造工艺复杂，耗费时间过长。而且由于EPP泡沫组成的吸能器在不同应用温度下会产生不同的吸能效果，性能不稳定，即，此类吸能器在低温的天气中过硬，而在高温的天气中又过软。并且一体化的设计使得发生一次碰撞损坏后即要全部更换，造成了较大的浪费。

现有技术中的汽车保险杠结构和材料并未区分行人保护与低速碰撞的不同，即满足低速或较高速碰撞要求的吸能器泡沫材料刚度较大，与行人腿部碰撞时易造成行人腿部的严重受伤，而满足行人腿部保护要求的泡沫由于刚度较小，则不能满足低速碰撞的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种能随着碰撞能量的变化，自适应地利用不同吸能模式吸收碰撞能量，并在碰撞后能便捷更换吸能单元模块的汽车保险杠吸能器；以使车辆设计能兼顾低速碰撞和行人保护安全法规的要求。

本发明的技术方案是：一种模块化汽车保险杠吸能器，包括前部弧形卡口加强梁、后部弧形卡口加强梁、若干镶嵌在两根弧形卡扣加强梁之间的X形吸能单元；其特征在于：

前部弧形卡口加强梁和后部弧形卡口加强梁均设置有若干向内凸起弧形卡口；X形吸能单元同样设置有对应的弧形卡槽，两者通过此弧形卡接结构相互耦合；

X形吸能单元为塑料合金注塑加工而成的薄壁结构，其中，其前后设置有尺寸相同的弧形卡槽，用于与前部弧形卡口加强梁和后部弧形卡口加强梁连接；左右设置有两个形状相同的向内凹陷侧边弧，依靠其变形吸能；四角为尺寸相等的过渡连接圆弧；

该X形吸能单元纵向长度为l，宽度为w，高度为h，薄壁结构厚度为t，侧边弧半径为R,卡槽半径为r。

进一步地，模块化汽车保险杠吸能器安装于保险杠横梁与保险杠蒙皮之间。

进一步地，X形吸能单元所承受变形量小时，两侧边弧向内凹陷，当X形吸能单元所承受变形量大时，两侧边弧向内凹陷并扭结，从而增强X形吸能单元的吸能能力。

进一步地，当高速碰撞时，侧边弧在凹陷过程中，使得X形吸能单元的弧形卡槽与侧边弧接触，进而使得X形吸能单元形成具有自锁功能的自锁结构。

5、根据权利要求3所述的模块化汽车保险杠吸能器，其特征在于：

前部弧形卡口加强梁(1)通过四个连接螺栓(9)与加强梁左端连接部件(4)相连；后加强梁亦通过四个螺栓(10)与加强梁左端连接部件(4)相连，同时螺栓将它们固结于保险杠横梁之上。

本发明还提供了一种模块化汽车保险杠吸能器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、根据汽车保险杠横梁和汽车前部蒙皮形状及两者之间的纵向间距确定保险杠吸能器前后加强梁的形状及X形吸能单元的纵向长度；

步骤2、根据确定的X形吸能单元纵向长度l，设计X形吸能单元纵向宽度w，其中，l:w＝2:1，卡槽半径r为宽度w的四分之一；

步骤3、计算单个X型吸能单元最大纵向许可压缩量；

步骤4、根据需吸收的碰撞能量大小确定所述保险杠吸能器所需X形单元数量。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

(1)本发明仅依靠结构形状的设计实现了基于碰撞能量的自适应地改变结构吸能能力与模式的技术效果；本发明所述X形吸能单元具有双重吸能模式，吸收能量较少时，X形吸能单元两侧边弧向内凹陷，通过弹性变形吸能，保持较小的阻抗力；吸收能量较大时，两侧边弧凹陷并扭结在一些，形成两段折叠变形，迅速提高其吸能能力；从而可依据碰撞能量的变化自适应地利用不同吸能模式，有选择性地保护行人或是车辆。

(2)本发明所述吸能器采用模块化的设计，包含两根弧形卡口加强梁与若干X形吸能单元及对应的两个加强梁连接部件；吸能器在碰撞载荷下发生变形后，只发生弹性变形的X形吸能单元可自行恢复，只需更换被破坏的吸能单元即可，可减少车辆维修成本。

(3)本发明所述X形吸能单元与弧形卡口加强梁之间的连接采用卡槽连接，加强梁、加强梁连接部件及保险杠横梁之间采用螺栓连接，装拆方便，便于维修。

(4)由于产生结构扭结效应，本发明所述吸能器具有很强的吸能效应。

附图说明：

图1是本发明所述模块化汽车保险杠吸能器结构示意图；

图2是本发明所述吸能单元结构示意图；

图3是本发明所述吸能单元吸收较小能量后的变形示意图；

图4是本发明所述吸能单元吸收较大能量后发生扭结效应的变形示意图；

图5是本发明所述前后加强梁与加强梁连接部件左端连接处局部示意图；

图6是本发明所述汽车保险杠横梁与汽车前部蒙皮位置示意图；

其中：1-前部弧形卡口加强梁，2-后部弧形卡口加强梁，3-X形吸能单元，4-加强梁左端连接部件，5-加强梁右端连接部件，6-弧形卡槽，7-侧边弧，8-过渡连接圆弧，9-连接螺栓，10-连接螺栓，11-保险杠横梁，12-汽车前部蒙皮。

具体实施方式

以下将结合附图和本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1，该模块化汽车保险杠吸能器包括一根前部弧形卡口加强梁1、一根后部弧形卡口加强梁2、若干卡接于两根弧形卡口加强梁之间的X形吸能单元3、连接两根加强梁的加强梁左端连接部件4和加强梁右端连接部件5。

其中，前部弧形卡口加强梁1和后部弧形卡口加强梁2均设置有若干向内凸起弧形卡口；X形吸能单元3同样设置有对应的弧形卡槽6。两者通过此弧形卡接结构相互耦合。

如图2所示，X形吸能单元3为塑料合金注塑加工而成的薄壁结构，其中，其前后设置有尺寸相同的弧形卡槽6，用于与前部弧形卡口加强梁1和后部弧形卡口加强梁2连接；左右设置有两个形状相同的向内凹陷侧边弧7，主要依靠其变形吸能；四角为尺寸相等的过渡连接圆弧8。

该X形吸能单元纵向长度为l，宽度为w，高度为h，薄壁结构厚度为t，侧边弧半径为R,卡槽半径为r。

如图2为单个X形吸能单元3未发生变形的初始状态。碰撞能量较小时，吸能部件产生较小的纵向压缩，如图3所示，两侧边弧7不断向内凹陷，主要通过弹性变形吸能，此时产生较小的变形力，可用于保护行人下肢，且此后吸能部件还可弹回恢复原状；

当碰撞能量较大时，X形吸能单元产生较大的压缩变形，如图4所示两侧边弧7向内凹陷过程中，互相接触并扭结在一起，形成两段变形区间。当吸能部件形成两段吸能变形区间时，其吸能能力迅速提高，从而可用于保护车辆，减少低速碰撞时保险杠横梁后部零部件的损失。

当高速碰撞时，吸能部件产生较大的压缩，如图3所示两边的侧边弧2在凹陷过程中，使得X形吸能单元3的弧形卡槽6与侧边弧7接触，进而使得X形吸能单元3形成具有自锁功能的自锁结构。当吸能部件发生自锁时，可通过压溃变形吸收较大的能量保护其它车辆零部件以减少车辆的损失。

如图5为前后加强梁及其连接部件左端连接处局部示意图，前部弧形卡口加强梁1通过四个连接螺栓9与加强梁左端连接部件4相连；后加强梁亦通过四个螺栓10与加强梁左端连接部件4相连，同时螺栓将它们固结于保险杠横梁之上。加强梁右端亦采用同样的连接方式。

本发明所述保险杠吸能器1具体尺寸和X吸能单元的数量，可根据实际车辆保险杠横梁尺寸及其与保险杠蒙皮之间的间隙要求进行设计和选择。

该实施例中，还提供过一种模块化汽车保险杠吸能器的设计方法，其具体包括以下步骤：

步骤1、根据汽车保险杠横梁和汽车前部蒙皮形状及两者之间的纵向间距确定保险杠吸能器前后加强梁的形状及X形吸能单元的纵向长度；

该实施例中，以某量产车型的保险杠为例，其中汽车保险杠横梁和汽车前部蒙皮之间的中心纵向距离a为84mm，其中，前加强梁的形状是与汽车前部蒙皮相一致的弧形，后加强梁的形状是与保险杠横梁前部相一致的弧形，前后加强梁1、2的厚度均取2mm，故中心处X形吸能单元的纵向长度l为80mm，类似地，可根据测得的其它部位汽车保险杠横梁和蒙皮之间的纵向长度得到对应部位的X形吸能单元的纵向长度；

步骤2、根据确定的X形吸能单元纵向长度l，设计X形吸能单元纵向宽度w，其中，l:w＝2:1，卡槽半径r为宽度w的四分之一。

根据步骤1中所确定的X形吸能单元纵向长度，通过对比仿真分析得到长宽比为2：1时，且卡槽半径约为宽度的四分之一时吸能效果最好，因此可确定X形吸能单元宽度w为纵向长度l的一半，卡槽半径r为宽度w的四分之一，通过对比不同侧边弧半径分析得到侧边弧半径R取180mm时吸能效果最好；

在该实施例中，当X形吸能单元纵向长度l为80mm时，X形吸能单元宽度w、卡槽半径r及侧边弧半径R分别是40mm、10mm，180mm；

该步骤中以侧边弧半径的优化设计为主，关注其对整体能量吸收的影响及发生扭结的变形距离影响；

步骤3、计算单个X型吸能单元最大纵向许可压缩量；

该实施例中，具体计算过程如下，

根据法规要求，其中有腿部冲击器冲击实验要求：当腿部冲击器冲击速度取V＝40km/h，腿部冲击器的质量取m＝13.4kg时，应有胫骨加速度a<150g。由此计算可得冲击总能量为825J，冲击载荷为19689N。

再根据能量位移的关系，可以得出X形吸能单元最大纵向许可压缩量为42mm。

步骤4、根据所需吸收的碰撞能量大小确定所述保险杠吸能器所需X形单元数量；

该实施例中，确定X形单元数量分析过程如下：

根据步骤2所确定的X形单元的参数并取厚度t为2.5mm进行仿真所得到了吸能量-纵向压缩量曲线，当曲线中纵向压缩量为步骤3中算得的X吸能单元最大纵向许可压缩量42mm时吸能单元能量吸收量为63.6J，又由冲击总能量为825J，可计算得到吸能器个数至少为13个才能满足加速度限值要求，但由于汽车前部蒙皮与保险杠横梁之间的纵向间距两端稍小，两边缘处分别有两个较小的吸能单元，通过对比分析发现两个较小的吸能单元的吸能能力相当于一个吸能器中普通吸能单元的吸能能力，因此取吸能器个数为15，以保证能量吸收满足法规要求。

尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，凡在本发明技术方案的基础上针对本发明个别部件的连接和结构进行的改进和等同置换均不应排除在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种模块化汽车保险杠吸能器，包括前部弧形卡口加强梁(1)、后部弧形卡口加强梁(2)、若干镶嵌在两根弧形卡扣加强梁(1、2)之间的X形吸能单元(3)；其特征在于：

前部弧形卡口加强梁(1)和后部弧形卡口加强梁(2)均设置有若干向内凸起弧形卡口；X形吸能单元(3)同样设置有对应的弧形卡槽(6)，两者通过此弧形卡接结构相互耦合；

X形吸能单元(3)为塑料合金注塑加工而成的薄壁结构，其中，其前后设置有尺寸相同的弧形卡槽(6)，用于与前部弧形卡口加强梁(1)和后部弧形卡口加强梁(2)连接；左右设置有两个形状相同的向内凹陷侧边弧(7)，依靠其变形吸能；四角为尺寸相等的过渡连接圆弧(8)；

该X形吸能单元纵向长度为l，宽度为w，高度为h，薄壁结构厚度为t，侧边弧半径为R,卡槽半径为r。

2.根据权利要求1所述的模块化汽车保险杠吸能器，其特征在于：模块化汽车保险杠吸能器安装于保险杠横梁与保险杠蒙皮之间。

3.根据权利要求2所述的模块化汽车保险杠吸能器，其特征在于：X形吸能单元(3)所承受变形量小时，两侧边弧向内凹陷，当X形吸能单元(3)所承受变形量大时，两侧边弧向内凹陷并扭结，从而增强X形吸能单元(3)的吸能能力。

4.根据权利要求3所述的模块化汽车保险杠吸能器，其特征在于：

当高速碰撞时，侧边弧(7)在凹陷过程中，使得X形吸能单元(3)的弧形卡槽(6)与侧边弧(7)接触，进而使得X形吸能单元(3)形成具有自锁功能的自锁结构。

5.根据权利要求3所述的模块化汽车保险杠吸能器，其特征在于：

前部弧形卡口加强梁(1)通过四个连接螺栓(9)与加强梁左端连接部件(4)相连；后加强梁亦通过四个螺栓(10)与加强梁左端连接部件(4)相连，同时螺栓将它们固结于保险杠横梁之上。

6.一种模块化汽车保险杠吸能器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、根据汽车保险杠横梁和汽车前部蒙皮形状及两者之间的纵向间距确定保险杠吸能器前后加强梁的形状及X形吸能单元的纵向长度；

步骤2、根据确定的X形吸能单元纵向长度l，设计X形吸能单元纵向宽度w，其中，l:w＝2:1，卡槽半径r为宽度w的四分之一；

步骤3、计算单个X型吸能单元最大纵向许可压缩量；

步骤4、根据需吸收的碰撞能量大小确定所述保险杠吸能器所需X形单元数量。