CN104890604A - 一种多胞汽车缓冲吸能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种梯度多胞汽车吸能缓冲装置，所述梯度多胞汽车吸能缓冲装置包括梯度多胞吸能管(2)，所述梯度多胞吸能管(2)包括若干胞格，每个胞格由若干侧壁围绕而成，每个侧壁的厚度呈现梯度变化，即从侧壁边缘到侧壁中部以预定梯度逐渐减小。本发明的吸能缓冲结构可由轻质金属材料通过挤压成型形成。本发明的梯度多胞汽车吸能缓冲装置在横向截面上采用多胞形状构型，与传统单管吸能结构相比，该结构的变形模式更加稳定，吸能效率更高。与等厚多胞结构相比，该结构通过厚度梯度变化有效增强结构塑性变性能贡献大的部分，弱化变性能贡献小的部分。本发明作为汽车的正碰吸能结构能大大增强汽车正碰安全性，降低汽车乘员伤亡。

Description

一种多胞汽车缓冲吸能装置

技术领域

本发明主要涉及到汽车碰撞安全结构设计领域，具体涉及一种梯度多胞汽车缓冲吸能装置。

背景技术

随着汽车保有量的增加，汽车碰撞安全越来越受到人们的重视。为了保护汽车发生碰撞时乘员的安全，汽车研发人员在汽车前端设计有缓冲吸能装置来吸收碰撞时的能量，包括汽车保险杠，汽车缓冲吸能盒等。金属薄壁梁结构件因其结构简单，易于制造而广泛应用于汽车、轮船和飞机等几乎所有交通工具的碰撞动能耗散系统中。在受到撞击载荷的作用时，金属薄壁梁构件主要靠自身的塑性变形来吸收车辆碰撞中的冲击动能，并产生一定的压溃行程，从而达到吸收车辆的动能，减少车内乘员损伤，降低车辆速度的目的。

目前，传统的薄壁梁结构主要有圆形，方形和帽形等截面形式，这些结构的吸能效果较差，在碰撞过程中容易产生较大的初始峰值力，因而会给乘员或交通工具带来严重伤害。此外，传统薄壁吸能装置还易造成材料浪费。就目前的技术现状而言，现有技术在不增加材料的情况下还无法通过薄壁梁结构实现在提高结构吸能效率的同时，使传统吸能结构表现出理想的峰值力和质量轻量化。

发明内容

针对现有汽车吸能缓冲装置存在的问题，本发明提供一种碰撞峰值力低以及比吸能高的梯度多胞汽车吸能缓冲装置。

具体而言，本发明提供一种梯度多胞汽车吸能缓冲装置，其特征在于，所述梯度多胞汽车吸能缓冲装置包括吸能管。

进一步地，所述吸能管为梯度多胞吸能管，所述梯度多胞吸能管包括若干胞格，每个胞格由若干侧壁围绕而呈管状，每个胞格侧壁的厚度从侧壁边缘一端到侧壁中部以预定梯度逐渐减小，再从侧壁中部到侧壁另一端边缘以预定梯度逐渐增大。

进一步地，所述多胞吸能管的每个胞格的截面为n边形，n为大于等于3的正整数。

进一步地，所述多胞吸能管的每个所述胞格呈管状，截面为大体正方形，相邻胞格共用相邻的侧壁，每个侧壁的厚度从侧壁边缘到侧壁中部以预定梯度逐渐减小，再从侧壁中部到侧壁另一端边缘以预定梯度逐渐增大。

进一步地，所述梯度多胞汽车吸能缓冲装置包括九个胞格，九个胞格的长度方向彼此平行，截面为九宫格形状。

进一步地，所述梯度多胞汽车吸能缓冲装置包括一个多边形大胞格和若干角部小胞格，大胞格和小胞格厚度以预定梯度变化。

进一步地，所述多边形大胞格的每个边分成若干段，每一段中侧壁的厚度从段边缘一端到段中部以预定梯度逐渐减小，再从段中部到段另一端以预定梯度逐渐增大。

进一步地，其还包括前端安装板和后端安装板，所述多胞吸能管通过所述前端安装板与汽车保险杠相连，通过所述后端安装板与汽车前纵梁相连。

进一步地，所述多胞吸能管的碰撞端设有若干诱导槽，所述诱导槽彼此间隔布置，而非连续布置。

另一方面，本发明提供一种制备所述的梯度多胞汽车吸能缓冲装置的方法，其特征在于，利用挤压成型技术制备所述梯度多胞汽车吸能缓冲装置的多胞吸能管。

需要说明的是，本发明所提到的“侧壁厚度呈现梯度变化”指的是侧壁在吸能结构截面内厚度具有梯度变化，而沿着吸能管轴线方向上侧壁厚度可以具有梯度变化也可以没有梯度变化。吸能管轴线是指吸能管胞格的延伸方向，胞格彼此平行。

另外，虽然在后续实施例中，各胞格截面形状为正方形，但是，本发明的范围不仅限于此，各胞格截面形状可以彼此不同，并且各个胞格的形状不限于正方形，可以为n变形，例如三角形、五边形、六边形等。

本发明从高效吸能特性和结构轻量化等实际工程角度出发，根据薄壁结构在缓冲吸能过程的变形特点，将轻质合金材料依据塑性变形能贡献大小，在薄壁管的横截面材料分布进行合理布置，形成一种新型梯度多胞缓冲吸能结构。该汽车吸能缓冲装置可以由挤压成型技术制造。

本发明在吸能装置的碰撞端设置了间隔分布的诱导槽，用以降低碰撞初始峰值以及引导梯度吸能管各胞格以预定变形模式相继折叠变形。而且，针对不同的缓冲吸能要求，本发明的装置只需要调节梯度变化值就可以获得不同厚度变化梯度的九胞梯度方形管，实现不同的吸能效果。

技术效果

本申请的发明人对比了本发明装置与传统的缓冲吸能装置在相同碰撞速度下的比吸能效果，本发明装置具有较好的吸能效果。本发明所设计的梯度多胞汽车缓冲装置在碰撞时，具有更加稳定的变形模式和更高的吸能效率，确保整体结构吸能冲击力平稳，并有效降低吸能结构重量。该结构厚度呈梯度变化，通过合理布置材料分布，在同等质量条件下进一步增强吸能效率，实现结构轻量化设计。该结构在保证轻量化目标的基础上可作为汽车正碰吸能结构，能极大增强汽车正碰安全性，降低汽车乘员伤亡。

本发明产品结构简单，可以通过挤压成型就能够制备。对于材质较轻，塑性成形性能良好的铝合金等，采用挤压成型工艺可以生成几乎任意截面的薄壁构件，极大的增加了薄壁结构设计的灵活性。并且本发明的吸能结构在不需要填充泡沫的情况下就可以实现现有技术填充泡沫后所能实现的效果。

本发明设计的梯度多胞汽车缓冲吸能装置可以作为独立的缓冲吸能装置，也可以与汽车保险杠联合使用，提高汽车前端吸能效率。

附图说明

图1为实施例一中的方形薄壁缓冲吸能装置的侧部示意图；

图2为实施例一中的方形薄壁缓冲吸能装置的横截面示意图；

图3为实施例一中的方形薄壁缓冲吸能装置的多胞吸能管的侧视示意图；

图4为现有的吸能管与本发明的吸能管的横截面对比示意图，其中，a为现有吸能管，b、c、d为本发明的吸能管；

图5为图4所示各种截面的吸能管的碰撞力-位移曲线；

图6为本发明实施例二中的缓冲吸能装置的立体结构示意图；

图7为实施例二中的缓冲吸能装置沿图6中BB线剖开的横截面示意图；

图8为现有的吸能管与本发明实施例二中的各种吸能管的横截面示意图；

图9为图8所示横截面的吸能管的碰撞力-位移曲线。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

实施例一

如图1-3所示，本实施例中，缓冲吸能装置由九胞梯度方形薄壁管(2)、前端安装板(1)和后端安装板(3)构成。本实施例中的缓冲吸能装置的主体结构—多胞吸能管2采用九胞梯度方形薄壁吸能缓冲结构，因此，下文中，称其为九胞梯度方形薄壁管，其采用轻质金属制备。梯度方形薄壁管横截面的尺寸如图2所示，图2中各尺寸的单位是mm。九胞梯度方形薄壁管通过前端安装板1与保险杠相连，通过后端安装板2与前纵梁相连。

在本实施例中，九胞梯度方形薄壁管轴向长度为200mm，横截面外尺寸为75mm×75mm，管壁等效厚度为1.5mm，共由九个均匀分布细胞构成。本领域技术人员应该理解，根据不同的应用需要，九胞梯度方形薄壁管的各项尺寸可以适当调整。

如图1所示，在距离碰撞端(碰撞端是指与保险杠相连的一端)15mm处设置一系列诱导槽，诱导槽设置方式与传统设置方式不同，采用间隔布置方式，而非连续布置方式。其主要目的在于两方面：第一，减少初始碰撞峰值力(由于间隔布置具有更好的变形模式)；第二，引导各细胞依次折叠压溃，实现整个吸能过程逐节进行，减少碰撞力幅值变化，产生平稳过渡碰撞力，最大程度吸收碰撞能量。细胞侧壁厚度呈现线性梯度变化，厚度从细胞侧壁边缘一端到侧壁中心由最大变到最小，再从侧壁中心到细胞侧壁边缘另一端由从最小变化到最大，侧壁截面厚度变化过程如图2所示。这种材料分布不仅增强结构变形稳定性，而且提高整个薄壁结构能量吸收特性，使得碰撞力在碰撞过程中变化平缓，从而大大提高汽车乘员安全性。如图2所示，若厚度变化呈现线性梯度变化，则细胞侧壁厚度可由下式确定(各参数见图2)：

$\left\{\begin{array}{cc}{T}_x=T_a-2xd/C& (x\≤0)\\ T_x=T_a+2xd/C& (x>0)\\ d=2(T_b-T_a)/C& \\ T_{ref}=0.5(T_a+T_b)& \end{array}\right.$

其中，T_a为侧壁中部的厚度，T_b为侧壁边缘的厚度，C为侧壁的宽度，x、y为横纵坐标，d代表梯度。

九胞梯度方形薄壁管可由挤压成型技术一次成型，制造难度不大，增加成本较少。图3为九胞吸能管的侧视图。通过调节梯度变化值可获得不同厚度变化梯度的九胞梯度方形薄壁管，图4所示为不同吸能管的各截面参数，其中(a)为传统吸能方管，(b)为梯度(d＝0)多胞管、(c)为梯度(d＝0.2)多胞管、(d)为梯度(d＝0.4)多胞管，梯度多胞管的具体厚度参数见表1。四种管具有相同质量，所有梯度九胞管其等效厚度为1.5mm。

表1(单位：mm)：侧壁厚度梯度变化

为验证梯度九胞吸能结构具有的结构轻量化、高吸能比的优势，将之与传统方形吸能结构和等厚九胞(d＝0)吸能结构进行对比分析。作为对比的传统方形吸能结构横截面外尺寸为75mm×75mm，轴向长度为200mm，厚度3mm，与九胞梯度管结构具有相同质量。

图(5)为不同结构的碰撞力-位移曲线，从图中可以看出，与传统方形吸能结构相比，梯度管可以产生非常平稳的碰撞力曲线，而传统方形吸能结构则震荡幅度较大，并且其平均碰撞力偏低。各结构碰撞吸能特性如表(2)所示，由表可知，从方形单管吸能结构、等厚九胞吸能结构到九胞梯度吸能结构，吸能结构的比吸能(单位质量吸收能量)以及平均碰撞力逐渐增加。相比于传统方形单管吸能结构，九胞梯度管(d＝0.048和d＝0.096)比吸能分别提高了43.8％和56.9％，而峰值力则降低了8.9％和3.9％。在相同质量下九胞梯度管相比其他两种结构具有明显优势。同时九胞梯度结构最大载荷比提高了14.54％，相应的碰撞力曲线也更加平稳，这意味着梯度九胞梯度管结构具有更加稳定的吸能过程，减少碰撞过程中薄壁失效的概率。因此相比其他两种更好，九胞梯度吸能结构用于正面碰撞能够对乘员具有更好的保护效果。

表2 不同截面形状吸能管吸能效果对比

由表1可知，随着厚度梯度增大，梯度吸能结构的比吸能以及平均碰撞力也随之逐渐增加。

实施例二

图6示出了本发明另一种缓冲吸能装置的立体结构示意图。角部细胞结构之间由4条薄壁连接板连接，从而形成4个角部细胞结构和中央腔体细胞结构，即五胞结构，如图6所示。角部细胞和中央腔体细胞结构由轻质合金材料挤压一次成型，并通过前端安装板与保险杠相连，以及后端安装板与前纵梁相连，距离碰撞端15mm设置一系列诱导槽，具体尺寸如图6、7所示。诱导槽设置与传统诱导槽设置有所区别，采用间隔布置方式，而非连续布置方式。主要目的在于两方面：第一，减少初始碰撞峰值力；第二，引导角部细胞侧壁和连接壁依次折叠压溃，实现整个吸能过程逐节进行，减少碰撞力幅值变化，产生平稳过渡碰撞力，最大程度吸收碰撞能量。

该结构可采用现有挤压成型技术制造，制造难度不大，增加成本较少。只需将挤压模具截面形状改为本发明截面构形。通过挤压成型使得材料在横截面各细胞边呈现厚度梯度变化，即细胞边厚度从细胞角部向边中部减小，再由中部向另一端角部增大。这种材料分布不仅增强结构变形稳定性，而且提高整个薄壁结构能量吸收特性，使得碰撞力在碰撞过程中变化平缓，从而大大提高汽车乘员安全性。

为验证实施例二中的多胞梯度吸能结构具有的结构轻量化、高吸能比的优势，将之与传统方形吸能结构、等厚多胞吸能结构进行对比分析，相应结构的截面尺寸如图8所示，各吸能管轴向长度为200mm，具有相同重量。图8中a为方形吸能管截面，b为等厚无胞吸能管截面(d＝0)，c为梯度九胞(d＝0.2)吸能管截面，d为梯度九胞(d＝0.4)吸能管截面。如图8中b，c和d图所示，角部最厚，细胞边中心最薄，之间厚度成线形分布。不同结构碰撞吸能特性如表(3)所示，不同结构碰撞力-位移曲线如图9所示。

表3 不同截面形状吸能管吸能效果对比

从表3可以看出，从方形单管、等厚五胞管到梯度五胞管，吸能结构的比吸能以及平均碰撞力逐渐增加。相比于传统方形单管吸能结构，梯度五胞管(d＝0.048和d＝0.096)比吸能分别提高了71.2％和87.4％，在相同质量下梯度五胞管相比其他两种结构具有明显优势。同时梯度五胞结构相应的碰撞力曲线也更加平稳，这意味着梯度五胞管结构具有更加稳定的吸能过程，减少碰撞过程中薄壁失效的概率。因此相比其他两种更好，梯度五胞管用于正面碰撞能够对乘员具有更好的保护效果。

Claims (10)

1.一种梯度多胞汽车吸能缓冲装置，其特征在于，所述梯度多胞汽车吸能缓冲装置包括吸能管。

2.根据权利要求1所述的梯度多胞汽车吸能缓冲装置，其特征在于，所述吸能管为梯度多胞吸能管(2)，所述梯度多胞吸能管(2)包括若干胞格，每个胞格由若干侧壁围绕而呈管状，每个胞格侧壁的厚度从侧壁边缘一端到侧壁中部以预定梯度逐渐减小，再从侧壁中部到侧壁另一端边缘以预定梯度逐渐增大。

3.根据权利要求2所述的梯度多胞汽车吸能缓冲装置，其特征在于，所述多胞吸能管的每个胞格的截面为n边形，n为大于等于3的正整数。

4.根据权利要求3所述的梯度多胞汽车吸能缓冲装置，其特征在于，所述多胞吸能管(2)的每个所述胞格呈管状，截面为大体正方形，相邻胞格共用相邻的侧壁，每个侧壁的厚度从侧壁边缘到侧壁中部以预定梯度逐渐减小，再从侧壁中部到侧壁另一端边缘以预定梯度逐渐增大。

5.根据权利要求3或4所述的梯度多胞汽车吸能缓冲装置，其特征在于，其包括九个胞格，九个胞格的长度方向彼此平行，截面为九宫格形状。

6.根据权利要求2所述的梯度多胞汽车吸能缓冲装置，其特征在于，其包括一个多边形大胞格和若干角部小胞格，大胞格和小胞格厚度以预定梯度变化。

7.根据权利要求6所述的梯度多胞汽车吸能缓冲装置，其特征在于，所述多边形大胞格的每个边分成若干段，每一段中侧壁的厚度从段边缘一端到段中部以预定梯度逐渐减小，再从段中部到段另一端以预定梯度逐渐增大。

8.根据权利要求2所述的梯度多胞汽车吸能缓冲装置，其特征在于，其还包括前端安装板(1)和后端安装板(3)，所述多胞吸能管(2)通过所述前端安装板(1)与汽车保险杠相连，通过所述后端安装板(3)与汽车前纵梁相连。

9.根据权利要求2所述的梯度多胞汽车吸能缓冲装置，其特征在于，所述多胞吸能管(2)的碰撞端设有若干诱导槽，所述诱导槽彼此间隔布置，而非连续布置。

10.一种制备根据权利要求1-9中任意一项所述的梯度多胞汽车吸能缓冲装置的方法，其特征在于，利用挤压成型技术制备所述梯度多胞汽车吸能缓冲装置的多胞吸能管(2)。