CN105691339A - 重型汽车仿生后保险杠 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种重型汽车仿生后保险杠，以克服现有重型汽车保险杠普通材料的吸能性不好以及容易使小型车钻入前车车底的问题，包括一个保险杠杠体，其保险杠杠体由上斜面、下斜面和连接上斜面与下斜面的两个半径不同的半圆弧面构成，保险杠杠体的上斜面上固定安装有两个下支座，两个下支座依次与两个缓冲杆的下端铰接，两个缓冲杆的上端依次与两个上支座铰接，两个上支座均固定在重型汽车的后车架上部，两个缓冲块均为圆台形状，保险杠杠体的小半径的半圆弧面通过两个连接块依次与两个缓冲块的上底面固定连接，两个缓冲块的下底面均固定在重型汽车的后车架下部；本发明结构简单、成本低，吸能效果好，易于使用和推广。

Description

重型汽车仿生后保险杠
技术领域
本发明属于重型汽车零部件领域，涉及一种重型汽车后保险杠，具体涉及一种减缓和吸收外界冲击力、防护车身前后部的重型汽车仿生后保险杠。
背景技术
随着对车辆行车安全要求的日益提高，在减缓发生碰撞时车辆所承受的伤害方面，目前重型车都配置有后保险杠。重型车的后保险杠是减缓和吸收外界冲击力、防护车身后部的安全装置。然而目前我国重型车配置的后保险杠几乎都是截面为实心矩形或圆形的普通材料的非吸能式保险杠，且后保险杠与车身为刚性连接，这其实是汽车安全性能的一个重大隐患。这种设计不仅不能很好地利用后保险杠通过对结构与材料因素设计所发挥出的缓冲与吸能的作用，还会发生后车，尤其是小型车钻入前车车底的状况，从而增加了对后车的破坏，对后车驾驶员的生命安全造成了极大的威胁。因此对于吸能式保险杠的研究和推广尚有很大的空间。
发明内容
本发明旨在克服现有保险杠普通材料的吸能性不好以及容易使小型车钻入前车车底的问题，提供一种新型的重型汽车仿生后保险杠，该保险杠比传统保险杠有更优越的强度与缓冲吸能的能力，在碰撞发生时，最大程度地降低了车的破坏与变形程度。
本发明采用的具体技术方案如下：
重型汽车仿生后保险杠，包括一个保险杠杠体，其特征在于，保险杠杠体由上斜面、下斜面和连接上斜面与下斜面的两个半径不同的半圆弧面构成，保险杠杠体的上斜面上固定安装有第一下支座和第二下支座，第一下支座和第二下支座依次与第一缓冲杆的下端和第二缓冲杆的下端铰接，第一缓冲杆的上端和第二缓冲杆的上端依次与第一上支座和第二上支座铰接，第一上支座和第二上支座均固定在重型汽车的后车架上部，第一连接块和第二连接块为圆台形状，保险杠杠体的小半径的半圆弧面通过第一连接块和第二连接块依次与第一缓冲块的上底面和第二缓冲块的上底面固定连接，第一缓冲块的下底面和第二缓冲块的下底面均固定在重型汽车的后车架下部。
进一步的技术方案包括：
所述的保险杠杠体从外至内依次为：钢制成的保险杠外层、铝制成的保险杠中间层和铝制成的蜂窝状的保险杠内层。
所述的第一缓冲块和第二缓冲块内部设置有以圆台轴线为中心的对称分布的、且垂直贯通圆台形缓冲块的圆形孔隙和曲边梯形孔隙，圆形孔隙以圆台轴线为中心由内到外间隔均匀分布4组，每组有8个圆形孔隙均匀分布在以圆台轴线为中心的圆上、且相邻的每个圆形孔隙间隔45°；曲边梯形孔隙设置在圆形孔隙外侧，圆形孔隙以圆台轴线为中心由内到外间隔均匀分为2组，每组也有6个曲边梯形孔且都均匀分布在以圆台轴线为中心的圆上。
所述的第一缓冲杆和第二缓冲杆为圆柱形直杆，第一缓冲杆和第二缓冲杆内部设置有以圆柱形直杆的轴线为中心的对称分布的、且垂直贯通圆柱形缓冲杆的圆形孔隙和曲边梯形孔隙，圆柱形直杆轴线中心有一圆形通孔，以该圆形通孔轴线为中心的圆上分布有间隔均匀的4个圆孔、且相邻的每个圆形孔隙间隔60°；曲边梯形孔隙设置在圆形孔隙外侧，6个曲边梯形孔均匀分布在以圆柱形直杆轴线为中心的圆上。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.传统重型车后保险杠设计领域很少有仿生学的应用，而本发明通过研究动物角的形态、结构、功能和材料的力学特性，充分运用仿生学原理，通过结构仿生、形态仿生和功能仿生，进行仿生结构设计，将动物角表现出的优良力学性能应用于重型车后保险杠中，大大提高了保险杠的各项性能指标。
2.传统重型车后保险杠大多采用单一材料，而本发明使用三种不同材料制作保险杠，最外层使用钢来保证保险杠的强度和硬度；第二层使用铝作中间缓冲材料，并符合轻量化的要求；最内层使用蜂窝铝来模仿羊角的微观结构，增强缓冲吸能的效果。
3.传统重型车后保险杠的设计往往忽略了所得的各项实验数据之间的联系，本发明在仿生探究中运用了多种实验方法和仿生手段，利用各种试验找出相关耦元，并通过数据分析计算找出耦元之间的关系并解耦。从而得到最优参数，最后应用到重型车后保险杠的设计中。
4.传统重型车后保险杠不能阻止后车在碰撞后的进一步钻入，本发明的被动防钻结构可有效解决这一问题，通过选择合适的离地间隙，采取缓冲杆，杆端关节轴承，塞打螺栓与支座结合的方式建立一种可旋转的机构，并将静定结构转化为静不定结构，增加稳定性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1是本发明所述的重型汽车仿生后保险杠结构的轴测投影图；
图2是本发明所述的重型汽车仿生后保险杠所采用的缓冲块结构的局部放大的轴测投影图；
图3是本发明所述的重型汽车仿生后保险杠所采用的缓冲杆结构的局部放大的轴测投影图；
图4是本发明所述的重型汽车仿生后保险杠内部结构的分解式轴测投影图；
图5是本发明所述的重型汽车仿生后保险杠的剖视侧视图；
图6是本发明所述的重型汽车仿生后保险杠的缓冲杆支座连接机构分解式轴测投影图；
图7是普通圆形后保险杠、现有的矩形后保险杠和本发明所述的重型汽车仿生后保险杠的碰撞变形曲线图；
图8是普通圆形后保险杠、现有的矩形后保险杠和本发明所述的重型汽车仿生后保险杠的碰撞内能变化曲线图；
图中：1.保险杠杠体、2.第一缓冲块，3.第二缓冲块，4.第一连接块，5.第二连接块，6.第一下支座，7.第二下支座，8.第一缓冲杆，9.第二缓冲杆，10.第一上支座，11.第二上支座，12.保险杠外层，13.保险杠中间层，14.保险杠内层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
参阅图1，本发明所述的重型汽车仿生后保险杠，包括一个保险杠杠体1，保险杠杠体1由上斜面、下斜面和连接上斜面与下斜面的两个半径不同的圆弧面构成，保险杠杠体1的上斜面上固定安装有第一下支座6和第二下支座7，第一下支座6和第二下支座7依次与第一缓冲杆8的下端和第二缓冲杆9的下端铰接，第一缓冲杆8的上端和第二缓冲杆9的上端依次与第一上支座10和第二上支座11铰接，第一上支座10和第二上支座11均固定在重型汽车的后车架上部，第一缓冲块2和第二缓冲块3为圆台形状，保险杠杠体1的小半径的圆弧面通过第一连接块4和第二连接块5依次与第一缓冲块2的上底面和第二缓冲块3的上底面固定连接，第一缓冲块2的下底面和第二缓冲块3的下底面均固定在重型汽车的后车架下部。
本发明将保险杠设计与仿生相结合，提出了多部件联合仿生吸能的结构的设计方案，采用缓冲块、缓冲杆和保险杠多层次仿生，以达到最好的吸能效果。并且将仿生出的结构做有限元仿真分析，与传统保险杠结构做对比，通过对比分析进行改进，优化方案。仿生结构与传统保险杠结构的耐撞特性曲线分析见附图7，吸能特性曲线见图8。
参阅图2，所述的第一缓冲块2和第二缓冲块3，是具有缓冲吸能性能的锥形管装置，锥度为5°。其特征是具有良好的缓冲吸能特性，能减缓车辆行驶方向上的冲击，是此设计中较为重要的组成部分，由图示的锥形结构和截面所示的均布通孔组成。第一缓冲块2和第二缓冲块3成“6晶胞”结构，即第一缓冲块2和第二缓冲块3上分别设置有以锥形管轴线为中心的对称圆形孔隙和曲边梯形孔隙。圆形孔隙以轴线为中心，由内到外间隔均匀分布4组，每组有8个圆形孔隙且相邻圆心间隔45°均匀分布在以轴线为中心的圆上；曲边梯形孔隙设置在相应圆形孔隙外侧，所在圆的圆心均为轴线中心，由内到外间隔均匀分为2组，每组也有6个曲边梯形孔隙且都均匀分布在以轴线为中心的圆上。两种孔隙的方向均与锥形管端面垂直，并且贯通锥形管。第一缓冲块2的下底面和第二缓冲块3的下底面均与车架焊接固定连接，第一缓冲块2和第二缓冲块3的上底面依次与第一连接块4的左端和第二连接块5的左端焊接固定连接，上底面的直径与连接块的高相等，两者的端面中心轴线共线，保证焊接强度。第一连接块4和第二连接块5的左端均为平面，依次与第一缓冲块2和第二缓冲块3的上底面焊接固定连接，第一连接块4和第二连接块5的右端均为凹形的曲面，与保险杠杠体1的小半径的圆弧面焊接固定连接。连接块的作用就是一种将缓冲块平面与保险杠圆弧面连接的过渡装置。
参阅图3，所述的第一缓冲杆8和第二缓冲块9，是具有缓冲吸能和连接强度的非实心直圆柱杆结构装置。其特征是具有良好的缓冲吸能和连接强度特性，能减缓垂直和平行车辆行驶方向上的两向冲击，是此设计中较为重要的组成部分，由图示的均布圆形和曲边梯形通孔组成。第一缓冲杆8和第二缓冲杆9两端面中部为凹陷圆柱孔，用以安装杆端关节轴承(球铰)与上下支座构成活动连接，第一缓冲杆8和第二缓冲杆9的内部仍为晶胞结构，即中部圆形端面上分别设置有以直杆轴线为中心的对称分布的圆形孔隙和曲边梯形孔隙。轴线中心有一圆形通孔，以其轴线为中心的圆上分布有间隔均匀的4个圆孔，相邻圆心相隔90°。曲边梯形孔隙设置在圆形孔隙外侧，凸缘内侧，6个曲边梯形孔均匀分布在以轴线为中心的圆上。两种孔隙的方向均与直杆端面垂直，并且贯通缓冲杆。第一缓冲杆8和第二缓冲杆9与第一缓冲块2和第二缓冲块3的结构非常类似，缓冲吸能原理相同。
参阅图4和图5,保险杠杠体1是碰撞的主体部分，保险杠杠体1的分层结构和仿生羊角截面形状，包括保险杠外层12,保险杠中间层13和保险杠内层14三部分结构。这种形状具体是由两个半径不同的圆做两条公切线所构成的形状，所选材质方便加工，节省经费，可以在市场推广使用，具有实际意义。保险杠杠体1的截面形状仿造羊角的截面形状，靠近车架的部分圆弧直径较小，朝外端的圆弧直径较大，连接圆弧部分采用外公切线。保险杠外层12采用钢，以保证碰撞表面的强度；保险杠中间层13采用铝，以减轻保险杠1的整体质量；保险杠内层14采用蜂窝铝，孔的边长为4mm，这种空心结构可以达到缓冲吸能的目的。三者均为接触连接，采用小过盈配合，装配时只需一层层地塞打压入即可，加工较方便简单。
所述的缓冲杆支座连接机构，用于达到被动防钻的目的，主要包括第一上支座10和第一下支座11或第一下支座6和第二上支座7，第一缓冲杆8和第二缓冲杆9，M10的塞打螺栓和螺母标准件。关节轴承的轴线与第一缓冲杆8和第二缓冲杆9凹陷圆柱孔的回转轴线共线，安装时，在圆孔内先粘上一个同心共轴线的套筒，再将关节轴承拧上，保证配合精度。第一缓冲杆8和第二缓冲杆9下端的关节轴承依次与第一下支座6和第二下支座7螺栓连接，采用M10的塞打螺栓和螺母标准件。第一缓冲杆8和第二缓冲杆9上端的关节轴承依次与第一上支座10和第二上支座11螺栓连接，也采用M10的塞打螺栓和螺母标准件。上下两端的两个螺栓朝向是相反的，达到防松的目的。
本发明所述的重型汽车仿生后保险杠工作原理：
参阅图1，当后车与保险杠杠体1的大半径的圆弧面接触碰撞时，碰撞产生的能量经过第一级缓冲性能装置保险杠杠体1内部的蜂窝铝被吸收了一部分，剩下的分别经过第一连接块4和第二连接块5以及第一下支座6和第二下支座7传到第二级缓冲吸能装置第一缓冲块2和第二缓冲块3以及第三级缓冲吸能装置第一缓冲杆8和第二缓冲杆9上，这就使得碰撞的能量进一步减小，保证部件的强度足够而不被破坏。
在达到保险杠缓冲吸能效果后，本发明改进了保险杠的连接机构，在平动的基础上增加转动机构的设计。当保险杠杠体1的大半径圆弧面接触碰撞时，使得第一缓冲块2和第二缓冲块3压缩，在保险杠压缩时，第一下支座6和第二下支座7随着保险杠杠体1绕着M10螺母的轴线向下顺时针转动，第一缓冲杆8和第二缓冲杆9通过关节轴承分别绕着第一上支座10和第二上支座11上的M10的塞打螺栓的轴线向下顺时针旋转，进而又达到了防钻的目的，降低了车辆碰撞时的危险性。
图7是普通圆形后保险杠、矩形后保险杠和本发明所述的重型汽车仿生后保险杠碰撞变形曲线图，即三种不同的保险杠仿真碰撞过程中最大变形量随时间变化关系图；图8是普通圆形后保险杠、矩形后保险杠和本发明所述的重型汽车仿生后保险杠碰撞内能变化曲线图，即三种不同的保险杠仿真碰撞过程中内能随时间的变化关系图；图7可以看出，本发明所述的重型汽车仿生后保险杠的刚度介于圆型和矩形保险杠之间，它可以承受一定的冲击，又不会被击溃，起到缓冲作用；图8可以看出，发明所述的重型汽车仿生后保险杠在发生碰撞时能够有效得将动能转化为内能，在保险杠断裂前，相同撞击时间内，仿生保险杠吸收了更多的能量，可减轻后车的受损程度；综合图7和图8可以看出，发明所述的重型汽车仿生后保险杠的吸能特性优于普通圆型和矩形保险杠。

Claims (4)

1.重型汽车仿生后保险杠，包括一个保险杠杠体(1)，其特征在于，保险杠杠体(1)由上斜面、下斜面和连接上斜面与下斜面的两个半径不同的半圆弧面构成，保险杠杠体(1)的上斜面上固定安装有第一下支座(6)和第二下支座(7)，第一下支座(6)和第二下支座(7)依次与第一缓冲杆(8)的下端和第二缓冲杆(9)的下端铰接，第一缓冲杆(8)的上端和第二缓冲杆(9)的上端依次与第一上支座(10)和第二上支座(11)铰接，第一上支座(10)和第二上支座(11)均固定在重型汽车的后车架上部，第一连接块(4)和第二连接块(5)为圆台形状，保险杠杠体(1)的小半径的半圆弧面通过第一连接块(4)和第二连接块(5)依次与第一缓冲块(2)的上底面和第二缓冲块(3)的上底面固定连接，第一缓冲块(2)的下底面和第二缓冲块(3)的下底面均固定在重型汽车的后车架下部。
2.根据权利要求1所述的重型汽车仿生后保险杠，其特征在于，所述的保险杠杠体(1)从外至内依次为：钢制成的保险杠外层(12)、铝制成的保险杠中间层(13)和铝制成的蜂窝状的保险杠内层(14)。
3.根据权利要求1或2所述的重型汽车仿生后保险杠，其特征在于，所述的第一缓冲块(2)和第二缓冲块(3)内部设置有以圆台轴线为中心的对称分布的、且垂直贯通圆台形缓冲块的圆形孔隙和曲边梯形孔隙，圆形孔隙以圆台轴线为中心由内到外间隔均匀分布4组，每组有8个圆形孔隙均匀分布在以圆台轴线为中心的圆上、且相邻的每个圆形孔隙间隔45°；曲边梯形孔隙设置在圆形孔隙外侧，圆形孔隙以圆台轴线为中心由内到外间隔均匀分为2组，每组也有6个曲边梯形孔且都均匀分布在以圆台轴线为中心的圆上。
4.根据权利要求1或2所述的重型汽车仿生后保险杠，其特征在于，所述的第一缓冲杆(8)和第二缓冲杆(9)为圆柱形直杆，第一缓冲杆(8)和第二缓冲杆(9)内部设置有以圆柱形直杆的轴线为中心的对称分布的、且垂直贯通圆柱形缓冲杆的圆形孔隙和曲边梯形孔隙，圆柱形直杆轴线中心有一圆形通孔，以该圆形通孔轴线为中心的圆上分布有间隔均匀的4个圆孔、且相邻的每个圆形孔隙间隔60°；曲边梯形孔隙设置在圆形孔隙外侧，6个曲边梯形孔均匀分布在以圆柱形直杆轴线为中心的圆上。
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