CN104632976A - 一种弹塑性吸能缓冲组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弹塑性吸能缓冲组件，包括筒形薄壁部件及压缩弹簧，其特征在于，所述压缩弹簧的一端与所述筒形薄壁部件的一端固定连接，所述压缩弹簧的另一端为受力端，还包括翻转座，所述翻转座包括座体及与所述座体连为一体的凸台，所述凸台与座体之间圆弧连接，所述筒形薄壁部件的另一端套装在所述凸台上。所述筒形薄壁部件的固定安装端设有安装板，所述压缩弹簧与筒形薄壁部件之间通过连接板固定连接，所述压缩弹簧的受力端设有支承板。本发明的有益效果是，结构简单，具有缓冲和吸能作用，提高了安全防护性能。

Description

一种弹塑性吸能缓冲组件

技术领域

本发明涉及缓冲吸能技术领域，尤其涉及一种弹塑性吸能缓冲组件。

背景技术

随着汽车、高速列车等交通工具的不断发展及运行速度的不断提高，其碰撞安全性越来越受到人们的关注，由于碰撞事故会造成重大人身伤亡和财产损失，碰撞问题已成为汽车、高速列车等结构设计时必须考虑的问题。汽车、高速列车中的另一个重要问题就是缓冲问题，但物体承受轻微碰撞或颠簸时，缓冲组件能够有效的减轻振动，减小碰撞加速度。吸能和缓冲的重要区别就在于，吸能形成的变形往往是利用结构不可恢复的变形特性来吸收能量，而缓冲则是利用材料及结构可恢复的变形来缓解能量的释放。目前应用在车辆上的缓冲装置结构比较单一，比如弹簧或液压缸等，当发生意外事故，需要迅速减缓撞击能量，甚至通过损毁保险部件来换取人身安全时，这些缓冲装置还难于胜任，而单纯的吸能部件在正常运行中也不能体现缓冲作用，没有把吸能部件和缓冲部件的功能较好的融为一体。

如果能将碰撞吸能装置与缓冲装置结合，并使其吸能部件具有较长、较稳定吸能行程，必将能使突发的冲击能量在吸能过程中分解，进而使瞬时巨大的冲击能量被分解，将大幅提高车辆的耐冲击性能。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供一种具有缓冲和吸能作用的弹塑性吸能缓冲组件。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种弹塑性吸能缓冲组件，包括筒形薄壁部件及压缩弹簧，其特征在于，所述压缩弹簧的一端与所述筒形薄壁部件的一端固定连接，所述压缩弹簧的另一端为受力端，还包括翻转座，所述翻转座包括座体及与所述座体连为一体的凸台，所述凸台与座体之间圆弧连接，所述筒形薄壁部件的另一端套装在所述凸台上。

本发明的工作原理是，筒形薄壁部件在轴向压力作用下可以通过薄壁翻转的方式，以其塑性变形吸收大量的能量。其翻转过程相比对筒形薄壁部件受轴向挤压产生屈曲变形而言，具有很长的行程以及稳态的翻转力，是非常理想的能量吸收构件。因此筒形薄壁部件的翻转可用做能量吸收构件，如直升机座椅支架以及汽车的防撞组件等。在材料韧性好的前提下，只有厚度直径比在一定范围内的圆筒才可能发生翻转。此外还要求材料的塑性硬化效应不明显，否则初始翻转后容易发生屈曲。

本发明的有益效果是：本发明将弹性部件的缓冲能力与塑性部件的吸能能力有机的结合为一体，使本发明的组件既具有缓冲功能，又具备在突发事故发生时的缓冲吸能功能，尤其适合作为高速车辆上的安全组件使用。在正常服役情况下，压缩弹簧提供缓冲功能。而在发生剧烈碰撞时，筒形薄壁部件利用薄壁翻转吸收并消耗碰撞能量。通过理论评估，可以组合组件在弹性缓冲和塑性吸能阶段的压溃力预测公式，可针对不同的情况做出合理设计。这种组合设计有利于满足车辆轻量化设计要求，在车身中含有大量的薄壁结构，将本发明应用在这些薄壁结构上能大大提高整车的安全防护性能。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述筒形薄壁部件的固定安装端设有安装板，所述压缩弹簧与筒形薄壁部件之间通过连接板固定连接，所述压缩弹簧的受力端设有支承板。

采用上述进一步方案的有益效果是，安装板、连接板及支承板的设置，使本发明的组件不仅便于安装使用，而且能保证能量均匀的沿所述压缩弹簧的轴线传输，更好的发挥组件吸能缓冲作用。

进一步，所述筒形薄壁部件的横断面为圆形、椭圆形、矩形或多边形。

采用上述进一步方案的有益效果是，不同形状的选择有利于制作不同的组件，适应不同安装位置和功能的要求。

所述弹塑性吸能缓冲组件所能承载的弹性缓冲能为：

$E_e=\frac{1}{2}k{(L_1-L_2)}^2$

其中，k为压缩弹簧弹性系数，L1为压缩弹簧的自由长度，L₂压缩弹簧压实后长度；

组件的塑性吸能能力为：

$E_p=2\mathrm{\πYtL}\sqrt{\mathrm{Dt}/2}$

其中，Y为筒形薄壁部件材料屈服强度，t为筒形薄壁部件厚度，D为筒形薄壁部件直径，L为为筒形薄壁部件的长度。

附图说明

图1为本发明的组件结构示意图；

图2为本发明的工作原理示意图(初始状态)；

图3为本发明的工作原理示意图(弹性缓冲阶段)；

图4为本发明的工作原理示意图(塑性吸能阶段)；

图5为本发明的工作原理示意图(压实阶段)；

图6为本发明的压溃力位移曲线示意图。

在图1～图6中，1、筒形薄壁部件；2、压缩弹簧；3、翻转座；3-1、凸台；4、连接板；5、支承板；r、筒形薄壁部件翻转半径。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1到图5所示，一种弹塑性吸能缓冲组件，包括筒形薄壁部件1及压缩弹簧2，所述压缩弹簧2的一端与所述筒形薄壁部件1的一端固定连接，所述压缩弹簧2的另一端为受力端，还包括翻转座3，所述翻转座3包括座体及与所述座体连为一体的凸台3-1，所述凸台3-1与座体之间圆弧连接，所述筒形薄壁部件1的另一端套装在所述凸台3-1上。

所述压缩弹簧2与筒形薄壁部件1之间通过连接板4固定连接，所述压缩弹簧3的受力端设有支承板5。

所述筒形薄壁部件1的横断面为圆形、椭圆形、矩形或多边形。

所述筒形薄壁部件1的薄壁端部为圆弧形。

本发明的工作原理如下：

通过将一定尺寸的筒形薄壁部件与压缩弹簧相互串联，可以形成由临界防护力控制的串联式弹性缓冲加塑性翻转吸能组合防护装置。

筒形薄壁部件1在受到足够的压力时，通过塑性翻转能吸收可观的能量，经过合理的设计，筒形薄壁部件具有可控制的破坏模式，较平稳的翻转载荷，是一种有益的缓冲结构。压缩弹簧是典型的缓冲组件，具有完全可恢复的变形能力。

压缩弹簧可提供的弹性缓冲力可表示为：

F_e＝kx

其中F_e为缓冲力，k为弹簧弹性系数，x为位移量。

筒形薄壁部件所能提供的塑性翻转力为：

$F_P=F_L=2\mathrm{\πYt}\sqrt{\mathrm{Dt}/2}$

其中F_p是筒形薄壁部件平均翻转力，F_L为组件弹塑性转化临界力，Y为筒形薄壁部件材料屈服强度，t为筒形薄壁部件厚度，D为筒形薄壁部件直径。

如图1和图2所示，图中L1为压缩弹簧的自由长度，L为筒形薄壁部件的长度，r为筒形薄壁部件翻转半径，X代表水平方向的位移轴。

本吸能组件的弹塑性临界转化由翻转力控制，选取F_L为临界转换力。当压力F_t

F_t＜F_L

此时，吸能组件表现为弹性缓冲性能，这时组件变形可以完全恢复。

如图2所示，为本发明的初始状态原理示意图。图中L为筒形薄壁部件的长度，L1为压缩弹簧的自由长度。X代表水平方向的位移轴。

如图3所示，为本发明的组件处于弹性缓冲阶段的工作原理示意图。

如图4所示，压缩弹簧压实长度为L₂，通过优化设计，使得这一时刻弹簧作用力恰好与临界转换力相等，组件如果继续压缩，则有：

F_t≥F_L

此时，吸能组件表现为塑性吸能特性，会输出稳定的塑性翻转力。

$F_{\mathrm{av}}=2\mathrm{\πYt}\sqrt{\mathrm{Dt}/2}$

组件在塑性压缩段持续翻转，直到塑性圆柱筒完全翻转完毕，组件此时丧失了吸能能力。

串联式弹性缓冲加塑性翻转吸能组合防护组件的防护力历程如图5所示，理论上讲，组件具备总的吸能位移为L+L₁-L₂，其中弹性缓冲距离为L₁-L₂，塑性吸能距离为L。组件所能承载的弹性缓冲能为：

$E_e=\frac{1}{2}k{(L_1-L_2)}^2$

组件的塑性吸能能力为

$E_p=2\mathrm{\πYtL}\sqrt{\mathrm{Dt}/2}$

吸能组件在塑性压缩阶段持续压溃，直到筒形薄壁部件翻转压实，吸能组件此时丧失了吸能能力。

如图5所示，为本发明的吸能组件处于压实状态的工作原理示意图。其中L2表示压缩弹簧的压缩到极限时未翻转部分的长度；L₃表示筒形薄壁部件被压缩变形到极限的长度。

如图6所示，为本发明的位移曲线示意图，其中，X代表水平方向的压缩距离，F代表组件上所承受的力大小。吸能组件具备总的吸能位移为L+L₁-L₂-L₃，其中弹性缓冲距离为L₁-L₂，塑性吸能距离为L-L₃。组件所能承载的弹性缓冲能为：

$E_e=\frac{1}{2}k{(L_1-L_2)}^2$

组件的塑性吸能能力为：

$E_p=2\mathrm{\πYtL}\sqrt{\mathrm{Dt}/2}$

从上述分析还能看出：通过调节筒形薄壁部件的直径及厚度，可以调节筒形薄壁部件屈曲平均翻转力，也就是弹塑性转化临界力F_L。通过调节筒形薄壁部件长度L可调节塑性翻转段长度及塑性吸能能力。

在特定F_L的情况下，在弹性阶段可通过调节弹性系数k来调节弹性缓冲特性，通过调节L₁可调节弹性缓冲段距离。

另外，筒形薄壁部件翻转可以分为带模具翻转和自由翻转。其中自由翻转需要适当的固定夹具，带模具翻转则是将筒形薄壁部件压在翻转模具上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种弹塑性吸能缓冲组件，包括筒形薄壁部件及压缩弹簧，其特征在于，所述压缩弹簧的一端与所述筒形薄壁部件的一端固定连接，所述压缩弹簧的另一端为受力端，还包括翻转座，所述翻转座包括座体及与所述座体连为一体的凸台，所述凸台与座体之间圆弧连接，所述筒形薄壁部件的另一端套装在所述凸台上。

2.根据权利要求1所述的弹塑性吸能缓冲组件，其特征在于，所述压缩弹簧与筒形薄壁部件之间通过连接板固定连接，所述压缩弹簧的受力端设有支承板。

3.根据权利要求1或2所述的弹塑性吸能缓冲组件，其特征在于，所述筒形薄壁部件的横断面为圆形、椭圆形、矩形或多边形。

4.根据权利要求1或2所述的弹塑性吸能缓冲组件，其特征在于，所述筒形薄壁部件的薄壁端部为圆弧形。

5.根据权利要求1或2所述的弹塑性吸能缓冲组件，其特征在于，所述弹塑性吸能缓冲组件所能承载的弹性缓冲能为

$E_e=\frac{1}{2}k{(L_1-L_2)}^2$

其中，k为压缩弹簧弹性系数，L1为压缩弹簧的自由长度，L₂压缩弹簧压实后长度；

组件的塑性吸能能力为

$E_p=2\mathrm{\πYtL}\sqrt{\mathrm{Dt}/2}$

其中，Y为筒形薄壁部件材料屈服强度，t为筒形薄壁部件厚度，D为筒形薄壁部件直径，L为为筒形薄壁部件的长度。