CN106379263B - 一种汽车保险杠缓冲结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有缓冲结构的汽车保险杠，包括保险杠减震横梁、保险杠外挡板以及设置在保险杠减震横梁和保险杠外挡板之间的缓冲结构，其特征在于：所述缓冲结构为仿生小柱‑格栅结构层，该小柱‑格栅结构层由多边形格栅单元的格栅壁和设置在栅格壁交汇处的薄壁柱构成；所述薄壁柱与格栅沿高度方向的截面为等截面的波形，在格栅壁与薄壁柱的交汇处形成波形的变形引导线。本发明保险杠缓冲结构吸能大、耗能稳定、有效降低碰撞后车速，可进一步提高汽车安全碰撞时的最高安全速度，重点适用于汽车零部件设计制造领域或类似有防撞要求的结构，可有效保障主体结构和人们的生命安全。

Description

一种汽车保险杠缓冲结构

技术领域

本发明涉及一种汽车配件，尤其涉及一种汽车保险杠缓冲结构。

背景技术

汽车保险杠是吸收缓和外界冲击力、防护车身前后安全的第一道防护装置，配合第二道防护装置-吸能盒-共同保障车身与车内人员的安全。随着汽车工业以及公路交通的发展，汽车速度也越来越快。汽车保险杠作为一种重要的安全装置也走向了革新的道路，现有的汽车保险杠主要包括:保险杠外挡板和保险杠减震横梁，其主要通过弯曲变形进行耗能。现有的汽车保险杠发生轻微碰撞时能够保障车身及车内人员安全。但当发生比较大的碰撞时，利用保险杠弯曲变形耗能的弊端就会显现出来，表现为其抗冲击能力薄弱，缓冲效果差，会产生较大的二次碰撞伤害，使用不安全。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种提高汽车缓冲减震效果的汽车保险杠。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种具有缓冲结构的汽车保险杠，包括保险杠减震横梁、保险杠外挡板以及设置在保险杠减震横梁和保险杠外挡板之间的缓冲结构，其特征在于：所述缓冲结构为仿生小柱-格栅结构层，该小柱-格栅结构层由多边形格栅单元的格栅壁和设置在栅格壁交汇处的薄壁柱构成。所述薄壁柱与格栅沿高度方向的截面为等截面的波形，在格栅壁与薄壁柱的交汇处形成波形的变形引导线。在碰撞过程中，通过本发明保险杠缓冲结构的变形吸收耗能碰撞能量，其中主要通过小柱-格栅结构层的压缩和弯曲变形进行耗能。薄壁柱与格栅壁的截面设置有正弦波或余弦波或二者组合的波形，可以使小柱-格栅结构层的变形耗能性能更加充分和稳定。所述波形为正弦波y＝Asinx、余弦波y＝Acosx或组合波y＝A(cosx+sinx)，其幅值A由下式所确定，其中P为无正弦波时盒体的最高抗压强度，F为使用时所要求的最高抗压强度，x为沿芯层高度方向的变量，dx为对x的微分：

只有余弦波时：

只有正弦波时：

正弦波与余弦波组合波时：

所述设置有正弦波或余弦波变形引导线的小柱-格栅结构层可由一体浇筑成型或机械加工方式形成。

所述多边形格栅单元是三角形、四边形或六边形。

保险杠的材质选用钢、铝合金或纤维复合材料。

保险杠减震横梁与仿生小柱-格栅壁结构层通过一体成型、焊接或粘结剂相连。

仿生小柱-格栅壁结构层通过焊接或粘结剂与保险杠外挡板相连。

保险杠减震横梁与外挡板的外表面为平面或曲面。

本发明汽车保险杠，其保险杠减震横梁、仿生小柱-格栅结构层以及保险杠外挡板的变形顺序为小柱-格栅结构层首先发生压缩变形以耗能，等其完全坍缩后保险杠减震横梁以及保险杠外挡板发生弯曲变形以耗能。

在发生较大的碰撞时，除了现有的保险杠外挡板和保险杠减震横梁之外，还有中间的仿生小柱-格栅壁结构层：既通过保险杠的弯曲变形耗能，更通过中间小柱-格栅结构的压缩变形耗散碰撞能。由力学原理可知，压缩耗能的效率远高于弯曲耗能，相当于两道防护装置从而起到双重的缓冲作用，大大增加了汽车保险杠的缓冲减震效果，提高汽车保险杠的抗冲击性能和使用安全，进一步提高汽车碰撞时的安全速度，重点适用于汽车零部件设计制造领域或类似有防撞要求的结构，可有效保障主体结构和人们的生命安全。

本发明汽车保险中小柱-格栅结构具有优秀的变形耗能能力，整个汽车保险杠碰撞过程中的变形顺序为：小柱-格栅结构层首先发生压缩变形以耗能，等其完全坍缩后，保险杠外挡板以及保险杠减震横梁发生弯曲变形以耗能。相比于现有汽车保险杠，本发明的变形耗能能力是现有汽车保险杠的3～5倍；相比于直筒(即未设置正弦波变形引导槽)压缩耗能结构层，本发明不但具有耗能稳定、充分利用材料塑性变形能力的特点，而且可以有效降低汽车碰撞瞬间的碰撞力峰值，尽可能地减少碰撞瞬间产生的巨大冲击力对车内人员的安全造成威胁。因此该汽车保险杠缓冲结构能够快速吸收碰撞能量，耗能稳定，有效降低碰撞后车速，进一步提高汽车安全碰撞时的最高安全速度，重点适用于汽车零部件设计制造领域或类似有防撞要求的结构，可有效保障主体结构和人们的生命安全。

附图说明

图1为本发明汽车保险杠的结构示意图。

图2为本发明汽车保险杠内仿生小柱-格栅壁结构层示意图(以正弦波为例)。

图3为本发明汽车保险杠内仿生小柱-格栅壁结构侧视图(以正弦波为例)。

图4为本发明保险杠缓冲结构与传统保险杠冲击动能曲线。

图中编号：1保险杠减震横梁；2为小柱-格栅壁结构层；3为保险杠外挡板；4为连接螺栓孔；5为搭扣；6为保险杠外挡板减重孔；7为变形引导线；8为薄壁柱；9为格栅壁。

具体实施方式

本发明实施例的保险杠缓冲结构示意图、中间仿生小柱-格栅壁结构层以及正弦波变形引导线示意图分别如图1、图2和图3所示。

该汽车保险杠缓冲结构包括保险杠减震横梁1和保险杠外挡板3，在保险杠减震横梁1与保险杠外挡板3之间设置具有缓冲减震作用的仿生小柱-格栅结构层2。其中保险杠减震横梁1通过螺栓孔4与车身固定，并通过搭扣5与保险杠外挡板固定。小柱-格栅结构层2由格栅壁构成，沿着栅格壁交汇处设有薄壁柱，且薄壁柱8与格栅壁9均形成有变形引导线7，可由一体浇筑成型或机械加工方式形成。在碰撞过程中整个保险杠的变形耗能顺序为：小柱-格栅结构层2首先发生压缩变形以耗能，等其完全坍缩后保险杠减震横梁1以及保险杠外挡板3发生弯曲变形以耗能。即相当于两道防护装置从而起到双重的缓冲作用，大大增加了汽车保险杠的缓冲减震效果，其中主要通过小柱-格栅结构层的压缩和弯曲变形进行耗能。设置正弦波(或余弦波及其组合波形)变形引导线可以使小柱-格栅结构层的变形耗能更加充分和稳定，且可通过改变不同波形的变形引导线的幅值改变保险杠碰撞力的峰值以适应不同使用需求。具体的，当波形为正弦波y＝Asinx或余弦波y＝Acosx或组合波y＝A(cosx+sinx)，其幅值A由下式所确定，其中P为无正弦波时盒体的最高抗压强度，F为使用时所要求的最高抗压强度：

只有余弦波时：

只有正弦波时：

正弦波与余弦波组合波时：

利用ABAQUS有限元软件对本发明具有正弦波引导变形缓冲结构层的汽车保险杠进行冲击模拟分析为例，并与现有常用的汽车传统保险杠相比较，阐明了本发明具有耗能稳定、耗能快、充分利用材料塑性变形能力的特点。且两种不同保险杠的体积相同，因此更具有可比性。在此基础上，两种保险杠的区别为是否设有正弦波引导变形的仿生小柱-格栅缓冲结构层。保险杠采用材料为铝合金，采用C3D20R单元分割网格，总体单元数约为50000，保险杠结构以70KM/h的速度冲击刚性板，碰撞时间0.01s。

图4为二者冲击动能随时间的变化曲线。由该动能曲线可知，1)本发明在0.01s时就吸收了约50％的动能；而传统保险杠在0.01s时吸收了18％动能。这意味着，当车辆发生碰撞时，本发明可吸收碰撞能量的一半，剩余一半的能力则由汽车吸能盒承担，极大减轻了汽车吸能盒以及汽车主框架的负担；而传统保险杠在失效之前只能吸收很少一部分的碰撞能量，绝大部分的动能仍有汽车吸能盒或汽车主框架耗散，极大增加了二次碰撞(由于汽车保险杠和吸能盒不能吸收全部的碰撞能量，由汽车主框架吸收剩余动能而产生的碰撞)的风险。由于二次碰撞产生的冲击力将直接由车架承担，导致其变形，严重威胁车内人员的安全；2)根据有限元模拟分析可知，当碰撞时间为0.01s时，传统保险杠的速度为62.83KM/h，而本发明的保险杠缓冲结构此刻的速度为45.16KM/h。由此可见，传统保险杠的耗能能力十分弱，不能起到明显降低碰撞后车速的效果。而本发明则能够有效降低碰撞后的速度，降幅达41.5％，即使发生高速碰撞，本发明也能够有效降低碰撞后的车速，从而大幅降低汽车吸能盒与汽车主框架的负担，有效减少二次碰撞给车辆和车内人员带来的伤害。

综上所述，该汽车保险杠除了具有传统的减震横梁和外挡板，还具有优秀的小柱-格栅壁吸能结构层，可显著提高保险杠的缓冲耗能能力。而小柱-格栅结构层上设置的正弦波(或余弦波及其组合波形)变形引导线不仅能够有效降低汽车碰撞瞬间的碰撞力峰值，而且能够充分发挥材料的塑性变形能力，耗能能力快速且稳定。现在常用的保险杠和吸能盒结构通常只能应对低速碰撞，即安全速度为35～50KM/h。而该汽车保险杠缓冲结构以及另一提交的专利：仿生吸能盒，这一缓冲组合预期可将安全速度提升至80～90KM/h，从而显著降低车祸时的车辆损毁程度和车内人员的生命安全，极具应用价值。除了汽车领域，也适用于航空航天、船舶及动车等缓冲力学性能要求更高的领域，应用范围极其广泛。

该结构除了由保险杠外挡板，减震横梁以及含有薄壁柱的栅格层组成外，在空腔中填塞发泡型缓冲材料以进一步增强缓冲性能。

该结构依然由保险杠外挡板，减震横梁以及含有薄壁柱的栅格层组成，但在制作时，通过调整模具，实现板面由平变曲，进一步增强保险杠的缓冲能力以及适用范围。

Claims (7)

1.一种具有缓冲结构的汽车保险杠，包括保险杠减震横梁、保险杠外挡板以及设置在保险杠减震横梁和保险杠外挡板之间的缓冲结构，其特征在于：所述缓冲结构为仿生小柱-格栅结构层，该小柱-格栅结构层由多边形格栅单元的格栅壁和设置在栅格壁交汇处的薄壁柱构成，且所述薄壁柱与格栅沿高度方向的截面为等截面的波形，在格栅壁与薄壁柱的交汇处形成波形的变形引导线；所述波形为正弦波y＝Asinx、余弦波y＝Acosx或组合波y＝A(cosx+sinx)，其幅值A由下式所确定，其中P为无正弦波时盒体的最高抗压强度，F为使用时所要求的最高抗压强度，x为沿芯层高度方向的变量，dx为对x的微分：

只有余弦波时：

只有正弦波时：

正弦波与余弦波组合波时：

2.根据权利要求1所述的汽车保险杠，其特征在于：设置正弦波或余弦波变形引导线的小柱-格栅结构层由一体浇筑成型或机械加工方式形成。

3.根据权利要求1或2所述的汽车保险杠，其特征在于：所述多边形格栅单元是三角形、四边形或六边形格栅。

4.根据权利要求1所述的汽车保险杠，其特征在于：保险杠的材质选用钢、铝合金或纤维复合材料。

5.根据权利要求1所述的汽车保险杠，其特征在于：保险杠减震横梁与仿生小柱-格栅壁结构层通过一体成型、焊接或粘结剂相连。

6.根据权利要求1所述的汽车保险杠，其特征在于：仿生小柱-格栅壁结构层通过焊接或粘结剂与保险杠外挡板相连。

7.根据权利要求1所述的汽车保险杠，其特征在于：保险杠减震横梁与外挡板的外表面为平面或曲面。