CN106696875A - 用于车辆的复合材料保险杠梁和复合材料溃缩盒的连接与加固 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种为车辆提供的前保险杠梁和溃缩盒(FBCC)系统。保险杠梁具有内表面且从内表面延伸多个肋。肋和内表面由短纤维复合材料制成且配合以与溃缩盒接合。短纤维复合材料加强了溃缩盒的接合表面和保险杠梁的内表面。溃缩盒具有由连续纤维复合材料制成的管状体。溃缩盒在间隔远离保险杠梁的端部具有向外延伸的凸缘。凸缘至少部分地设置有一层短纤维复合材料以加强向外延伸的凸缘与车架之间的连接。

Description

用于车辆的复合材料保险杠梁和复合材料溃缩盒的连接与 加固

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

本发明是在政府支持下根据能源部授予的DE-EE0005661号合同制作。政府对本发明享有某些权利。

技术领域

本公开总体涉及车辆的保险杠梁(bumper beam)和相关联的溃缩盒(crushcans)。更具体地，本公开涉及在特定区域中具有短纤维复合材料来进行加固和加强的复合保险杠梁和复合溃缩盒。

背景技术

大多数车辆在前部和后部装备有碰撞情况下保护车辆的保险杠。几十年的研究和创新已经产生通过吸收大量动能来最优地保护车辆的保险杠改进设计和相关结构。保险杠系统通过尽可能多地吸收碰撞的动能来减小车辆的峰值减速度，其有助于减小对车辆及其乘客损害的可能性和严重性。

典型的保险杠系统包括附接在车架前部的保险杠梁。可包括如“溃缩盒”的能量吸收部件以在保险杠梁和框架之间进行连接且保持保险杠梁和框架之间的间隔关系。这些能量吸收部件一般设计为在碰撞、弯曲或屈曲过程中在压力作用下发生塑性变形或进行渐进的溃缩以吸收接收到的动能。

发明内容

根据一个实施例，为车辆提供前保险杠梁和溃缩盒(FBCC)系统。连续纤维复合材料保险杠梁具有纵向外壳，该纵向外壳具有共同限定凸形外表面和凹形内表面的前构件、顶构件和底构件。多个短纤维(chopped fiber)复合材料肋从内表面沿着保险杠梁的长度延伸。肋和保险杠梁的内部表面配合限定具有多个短纤维复合材料第一配合表面的槽腔。溃缩盒可具有连续纤维复合材料管状体，该连续纤维复合材料管状体限定了与多个第一配合表面接合的多个第二配合表面。溃缩盒在管的前端具有向内延伸的凸缘，该凸缘在槽腔内与保险杠梁的内表面结合，且溃缩盒在管状体的后端处设置向外延伸的凸缘，该向外延伸的凸缘与车架结合。向外延伸的凸缘包括加强向外延伸的凸缘和车架之间的连接的短纤维复合材料层。

在另一个实施例中，车辆前保险杠梁包括具有限定了槽道的内表面的连续纤维复合材料梁。多个短纤维复合材料肋从内表面延伸并接触内表面。肋和梁的内表面配合限定沿着梁长度间隔开的两个槽腔。各个槽腔被配置为接收相应的溃缩盒以将梁连接至车架。多个肋在槽腔周边处限定多个短纤维复合材料接合表面。短纤维复合材料接合表面被配置成与溃缩盒的相应侧表面以面对面的关系接合。

在另一个实施例中，车辆保险杠溃缩盒可以具有连续纤维复合材料主体，该连续纤维复合材料主体包括具有第一和第二端的纵向部分、从第一端向外延伸的一对向外延伸的凸缘、以及从第二端向内延伸的一对向内延伸的凸缘，各个向外延伸的凸缘具有背离纵向部分的表面，短纤维复合材料层覆盖并接触向外延伸的凸缘的各个表面的至少一部分。

附图说明

图1是根据各种实施例的具有以下描述保险杠梁和一对车辆溃缩盒的前立体图；

图2是根据一个实施例的汽车保险杠梁和附接的一对溃缩盒的后立体图；

图3是根据一个实施例的溃缩盒的两个半部在装配一起前且在装配到保险杠梁前的后立体图；

图4是一个分离的溃缩盒的后视图；以及

图5是一端安装至车架且另一端固定在保险杠梁的腔槽内的一个溃缩盒的剖视图。

具体实施方式

本文描述了本公开的实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅是示例且其他实施例可以采用各种形式和替代形式。附图不一定按比例；一些特征可以被放大或缩小以示出特定组件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅是作为教导本领域技术人员以各种方式采用实施例的代表性基础。如本领域普通技术人员理解的，参照任何一张附图示出和描述的各种特征可以与一张或多张其他附图中所示的特征组合，以产生未明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供了典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改可期待用于特定应用或实施。

应当理解，本文使用的方向性术语仅旨在说明性目的。例如，术语“向内”或“向外”可指相对于车辆中心的方向。作为另一个示例，术语“垂直”、“水平”、“上”和“下”旨在给出特定部件相对于可附接保险杠梁和溃缩盒系统的正常朝向车辆所处的环境。这些方向性术语旨在给出各种部件之间的相对位置环境，且不意味着仅限于这样定位或定向。

根据本公开的各个方面，已经开发了复合前保险杠梁和溃缩盒(FBCC)系统。FBCC系统包括保险杠梁，以及从保险杠梁向内延伸的一个或多个溃缩盒。这些部件将在下面详细描述。

本文公开的FBCC系统可用于车辆中的任何位置，但是在优选实施例中，FBCC用于车辆的前保险杠。在其他实施例中，FBCC系统用于车辆的后保险杠或侧面。

本文公开的保险杠梁通常用于减少或消除对位于保险杠梁内部的如发动机部件或其它动力系部件的车辆部件的损坏。FBCC被设计成吸收和传递来自冲击的力以减少或消除对这些部件以及车辆内的乘客造成的伤害。

由于在高速碰撞中通过保险杠系统传递了大量能量，保险杠梁和能量吸收组件传统上由钢或铝制成。有多种将金属梁和溃缩盒相互连接以及连接至车架的方法。例如，它们可被焊接或螺栓连接在一起。

FBCC系统10通常如图1所示为安装在车辆14的前保险杠面板12(或前饰板)后面。图2中分离地示出了FBCC系统，而FBCC系统10的各种部件的附加视图在图3-5中示出。下面提供关于所有这些附图的描述，这些附图旨在作为本公开发明的说明性和非限制性示例。

参考这些附图，FBCC通常显示为10。保险杠梁16沿着弓形长度延伸且具有基本C形的横截面。在一个实施例中，保险杠梁的最外部分或外壳18在保险杠梁的外壳18的内表面24内限定了C形的凸形槽道20。外壳18可包括大致垂直延伸的前构件26以及各个大致横向于前构件延伸的顶构件28和底构件30。各个前构件、顶构件和底构件26、28、30具有在其中提供C形槽道20的相应内表面。

应当理解，虽然槽道20通常称为是C形的，但其旨在表明槽道20形状的一个实施例的一般特征。槽道20可以是在其中形成的凸起性质的肋的任何形状。

该外壳18可由如碳纤维或玻璃等连续纤维复合材料制成。在替代实施例中，纤维复合材料是不连续纤维复合材料。多个肋34从内表面24向内延伸。肋34包括沿着保险杠梁长度纵向的且大致水平的肋36以及横向延伸至水平肋36的大致垂直的肋38。肋34也可部分包括多个X形肋40以提供额外的支撑。可根据各种规格布置考虑肋34的其他构造，以最优地支撑外壳18。

与上述的保险杠梁16的外壳18采用的连续纤维复合材料相对，肋34可由如片状模塑料(SMC)的短纤维复合材料制成。短纤维复合材料肋为支撑保险杠梁16的结构提供了更高的强度。

在一个实施例中，肋34共同模制到C形槽道20的内表面24中。一旦固化，肋34的短纤维复合材料性质比肋是连续纤维复合材料提供更高的刚度和结构支撑。并且，由于肋34与C形槽道20的连续纤维复合材料共同模制，肋34和C形槽道20可以在任一个固化之前大体同时形成，从而降低关联附加成型步骤的成本和时间，然而在保险杠中仍然具有两种分离的材料。

溃缩盒44(将在下面进一步详细描述)连接至外壳18的内表面24上。为了接合并附接到溃缩盒44的端部，肋34可以模制成具有溃缩盒44的形状。例如，如图3-5的实施例所示，肋在也从C形槽道的前构件26的内表面延伸出来的溃缩盒附接表面46处终止。这些溃缩盒附接表面46被成形以形成溃缩盒44的定位槽腔48；它们的尺寸和形状设置成以与溃缩盒的相应外表面面对面的结合。如图3所示，肋34可朝向溃缩盒附接表面46逐渐变细，使得大部分肋34比溃缩盒附接表面46距离前部构件26的内表面24延伸得更远。

在图3中最优地示出的一个实施例中，在定位槽腔48的顶部和底部没有额外形成的溃缩盒附接表面。换句话说，C形槽道20的顶构件28和底构件30的内表面用作与溃缩盒44直接接合的接合表面。在未示出的不同实施例中，单独的溃缩盒附接表面与到其以面对面方式配合的顶构件28和底构件30的内表面形成共面。并且，为了容纳从溃缩盒本体径向向外延伸的凸缘50(如下所述)，可以在溃缩盒附接表面46中设置间隙52。在该间隙52的上方和下方，额外的溃缩盒附接表面可以与溃缩盒44的凸缘50面对面的配合。

与肋34的情况一样，所有的溃缩盒附接表面46可与短纤维复合材料共同模制以在溃缩盒44附接的区域中提供刚性和强度。并且，C形槽道20的内表面24可与溃缩盒44附接的位置中的短纤维共同模制。

在图3中最优地示出一个预装配的溃缩盒44的示例，并且在图4中示出装配后的溃缩盒44。溃缩盒44可是沿着纵向延伸的凸缘50的结合在一起的两个半部，凸缘50沿着溃缩盒长度延伸(如下面将描述的)。虽然附图图示了两个半部连接在一起的溃缩盒44，其他实施方式设想单个溃缩盒可由单个模具而不是两个半部制成。并且，应当理解，虽然使用术语“半部”或“几个半部”，但是并不意味着几个半部是相同或对称的。

溃缩盒44具有细长管状体56，其具有沿着中心纵向轴线延伸的中空内部。中空管状体56的横截面可采取具有十二边的十二边形的形状。利用这种形状，由此得出管状体56具有十二个外部大致平坦的表面58。应当理解，十二边形形状是示例性的，且任何数量的侧面都可以用于与保险杠梁16接合。具有十二个平坦的表面58提供了特别的益处：相对多数量的外表面允许来自碰撞的力沿着等数量的表面路径分布，吸收力并减小其对车辆部件的冲击。并且，例如，与六个侧面中的仅四个粘合相比，增加粘合平面的数量提供了改进的粘合设计。在其他实施例中可以使用多于或少于十二个外表面58。

这些外表面58与保险杠梁16的溃缩盒附接表面46接合，如上所述。然后，十二个外表面58可以与相应的溃缩盒附接表面46粘合，其中与溃缩盒附接表面46共同模制的短纤维提供额外的强度。

一对纵向凸缘50位于溃缩盒44的管状体56的外部的各一侧。这些凸缘50沿着管状体56的长度远离外表面58。在一个实施例中，其中各个溃缩盒可由两半部制成，如上所述，凸缘50提供粘合表面使得溃缩盒44的每一半沿着配合凸缘50黏合到另一半。可在两个凸缘之间使用如聚氨酯、环氧或甲基丙烯酸甲酯等粘合剂以将两个溃缩盒的半部粘合在一起。在其它实施例中，可使用振动焊接或超声波焊接来接合两个凸缘50。螺栓或铆接也可单独地或与粘合或焊接组合地用于连接溃缩盒的两个半部。根据所使用的部件的具体组成，可以实施本领域技术人员已知的其它连接方法。可在定位槽腔48的附接表面46上设置相同的粘合剂或连接方法，以在溃缩盒44和保险杠梁16之间提供粘附。

如图3所示，溃缩盒的一个半部可以设置有一个或多个如突起60的定位特征，突起60延伸到另一个溃缩盒半部中的相应的插孔62内。定位特征允许两个溃缩盒半部在凸缘50上的粘合剂固化时彼此正确地对准。

在溃缩盒的半部被组装之后，溃缩盒44连接至保险杠梁12。凸缘50延伸穿过保险杠梁16的C形槽道20内的溃缩盒附接表面46中的间隙52。凸缘50可与纵向延伸的肋36面对面地粘结。

在溃缩盒的前端，前粘结凸缘66从管状体56径向向内延伸。当组装至保险杠梁16时，该前粘结凸缘66提供了与前构件26外壳18的内表面面对面接合的前表面。前粘结凸缘66为溃缩盒44附接至保险杠梁16的前构件26上提供了额外的表面区域，为吸收碰撞力提供增加的溃缩盒44的刚性。

在溃缩盒的后端，一对相对的后附接凸缘68从管状体56径向向外延伸。这些后附接凸缘68提供大致平坦的表面以安装至车架(未示出)。多个孔70设置成接收用于将溃缩盒44安装至车架上的紧固件。

如图4和5最优示出，在溃缩盒44的特定区域中可以存在两层不同的材料。例如，溃缩盒44的管状体56，在管状体56的任一侧上的纵向凸缘50、以及前附接凸缘66可由如碳纤维或玻璃等连续的编织纤维复合材料制成。短纤维复合材料(例如SMC)的层71可共同模制(co-molded)或过模制(over-molded)至后附接凸缘68上。短纤维复合材料可共同模制至后附接凸缘68的一(前或后)侧(例如，安装至车架的后附接凸缘68的一侧)。在另一个实施例中，短纤维复合材料仅可在围绕孔70的区域共同模制，所述孔70接收将溃缩盒安装至车架的紧固件以提供围绕该点的附加强度的紧固件。短纤维复合材料增强了凸缘68在孔70区域的强度，同时消除了对预浸材料片的需要以及原有伴随这样预浸材料的装配的精度需要。

短纤维复合材料层71覆盖后附接凸缘68的粘合表面且遍布在后附接凸缘68和两个凸缘50之间的弯曲半径72，两个凸缘50沿溃缩盒44的管状体56的纵向轴线延伸。换句话说，短纤维复合材料层71不仅层叠在后附接凸缘68上，且还在溃缩盒的上半部和下半部之间在纵向延伸凸缘50之间的弯曲半径72上至少部分地延伸。这增加了短纤维复合材料与构成溃缩盒44其余部分的连续编织纤维复合材料的粘合。这也增强了大量的碰撞力很可能实现的两个横向凸缘50之间的过渡区域。在一个实施例中，短纤维复合材料不沿凸缘50的整个长度延伸，如图3-5所示。

短纤维的共模制层71还使得能够在后附接凸缘68和纵向凸缘50之间的弯曲半径72的向后侧形成更尖锐的拐角73。如碳纤维等连续的编织纤维的材料性质使得溃缩盒44难以在两个横向凸缘50、68的相交处形成相对尖锐的拐角。连续纤维的材料倾向于在整个拐角上需要大致相等的厚度。另一方面，短纤维复合材料更好地适合模制并符合期望的形状。因此，短纤维复合材料在后附接凸缘68和纵向凸缘50之间的弯曲半径72处能够允许更锐利的角。在凸缘50、68的相交处以73示出的相对尖锐的角允许溃缩盒44的顶部和底部半部彼此装配，而它们各自的后附接凸缘68在平面中对准且两个拐角彼此对接。换句话说，短纤维复合材料允许一个溃缩盒44的顶部和底部后附接凸缘68相遇并形成比仅使用连续纤维复合材料更紧接和完整的表面。在拐角处使用短纤维复合材料的结果是拐角的凸起侧可比拐角暴露的凹入侧具有的更尖锐的曲率，以及稍长的粘结表面。在一个实施例中，其中一个纵向延伸的管连接凸缘50和其中一个向外延伸的凸缘68的相交处限定了斜面，且短纤维复合材料层71覆盖并接触斜面。在另一个实施例中，其中一个纵向延伸的管连接凸缘50和其中一个向外延伸的凸缘68的相交处限定了在连续纤维的面向框架侧上的弯曲表面，且短纤维复合材料层71覆盖并接触弯曲表面。短纤维复合材料层71覆盖斜面或弯曲表面，且包括比斜面或弯曲表面更尖锐的角度。

虽然上面描述了示例性实施例，但是这些实施例并不旨在描述了权利要求包含的所有可能的形式。在说明书中使用的词语是描述性而不是限制性的词语，且应当理解，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下进行各种改变。如前所述，各种实施例的特征可以组合以形成本发明的未被明确描述或示出的其他实施例。虽然各种实施例可被描述为相比其它实施例或现有技术在一个或多个期望特性有利或优化，但是本领域普通技术人员认识到一个或多个特征或特性可以被折衷以实现期望的整体系统属性，这取决于具体的应用和实行。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐久性、寿命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、适用性、重量、制造性、装配容易性等。就本身而言，对于一个或多个特性，任何实施例被描述为不如其它实施例或现有技术实施方式所期望的程度，这些实施例在本公开的范围之内且期望应用到特定应用中。

Claims (20)

1.一种用于车辆的前保险杠梁和溃缩盒(FBCC)系统，所述FBCC系统包括：

连续纤维复合材料保险杠梁，其具有纵向外壳，纵向外壳具有共同限定凸形外表面和凹形内表面的前构件、顶构件和底构件；

多个短纤维复合材料肋，其从内表面沿着保险杠梁的长度延伸，其中肋和保险杠梁的内部表面配合以限定具有多个第一短纤维复合材料配合表面的槽腔；以及

溃缩盒，其具有连续纤维复合材料管状体，连续纤维复合材料管状体限定了与多个第一配合表面接合的多个第二配合表面，其中，溃缩盒在管状体的前端具有向内延伸的凸缘并且在管状体的后端具有向外延伸的凸缘，该向内延伸的凸缘在槽腔内与保险杠梁的内表面接合，该向外延伸的凸缘与车架接合，向外延伸的凸缘包括加强向外延伸的凸缘和车架之间的连接的短纤维复合材料层。

2.如权利要求1所述的FBCC系统，其中溃缩盒还可包括沿着管状体长度延伸的纵向凸缘。

3.如权利要求2所述的FBCC系统，其中向外延伸的凸缘和纵向凸缘相交以在相交凸缘的相对侧上限定第一和第二弯曲表面，其中第一弯曲表面比第二弯曲表面具有更尖锐的曲率半径。

4.如权利要求3所述的FBCC系统，其中向外延伸的凸缘包括面向车架的后向表面，其中短纤维复合材料层覆盖后向表面的至少一部分且遍布在第一曲面的至少一部分上。

5.如权利要求1所述的FBCC系统，其中管状体是两件分离的管状体，其在沿管状体的长度延伸的一对配合纵向凸缘处连接。

6.如权利要求5所述的FBCC系统，还包括在该对配合的纵向凸缘之间的粘合剂以粘合分离的管状体。

7.如权利要求1所述的FBCC系统，其中管状体的多个第二配合表面的连续纤维复合材料与保险杠梁的槽腔的多个第一配合表面的短纤维复合材料接合。

8.如权利要求1所述的FBCC系统，其中梁外壳的顶构件和底构件的一部分部分地限定槽腔。

9.一种用于车辆的前保险杠梁，包括：

具有限定槽道的内表面的连续纤维复合材料梁；以及

多个短纤维复合材料肋，其从所述内表面延伸并与内表面接触；

其中肋和梁的内表面配合以限定沿着梁长度间隔开的两个槽腔，各个槽腔被配置为接收相应的溃缩盒以将梁连接至车架，其中多个肋在槽腔周边处限定多个短纤维复合材料接合表面，且该表面被配置成与溃缩盒的相应侧表面以面对面的关系接合。

10.如权利要求9所述的前保险杠梁，其中短纤维复合材料是片状模塑复合材料(SMC)。

11.如权利要求9所述的前保险杠梁，其中各个槽腔周边内的内表面是大致平坦的，以与溃缩盒相应的平坦表面接合。

12.如权利要求9所述的前保险杠梁，其中梁包括顶构件、底构件、以及连接顶构件和底构件的前构件，其中顶构件和底构件比肋更远离前构件。

13.如权利要求9所述的前保险杠梁，其中各个槽腔限定两个相邻接合表面之间的间隙，该间隙被构造成接纳溃缩盒的凸缘。

14.一种车辆保险杠溃缩盒，包括：

连续纤维复合材料主体，其包括具有第一端和第二端的纵向部分、从第一端向外延伸的一对向外延伸的凸缘、以及从第二端向内延伸的一对向内延伸的凸缘，各个所述向外延伸的凸缘具有背离纵向部分的表面；以及

短纤维复合材料层，其覆盖并接触向外延伸的凸缘的各个表面的至少一部分。

15.如权利要求14所述的车辆保险杠溃缩盒，其中主体包括沿着两个管连接凸缘连接在一起的两个分离的半部，该管连接凸缘在第一和第二端之间沿着管长度延伸。

16.如权利要求15所述的车辆保险杠溃缩盒，其中短纤维复合材料层从向外延伸凸缘的表面延伸且部分地延伸至两个管连接凸缘之间的区域中。

17.如权利要求15所述的车辆保险杠溃缩盒，其中一个管连接凸缘和一个向外延伸的凸缘的相交处限定了弯曲表面，并且短纤维复合材料层覆盖且接触该弯曲表面。

18.如权利要求16所述的车辆保险杠溃缩盒，其中短纤维复合材料层在两个管连接凸缘之间仅部分地沿着管长度延伸。

19.如权利要求15所述的车辆保险杠溃缩盒，其中一个管连接凸缘和一个向外延伸凸缘相交以在相交的凸缘的相对侧限定第一弯曲表面和第二弯曲表面，并且第一弯曲表面设置有短纤维复合材料，且第二弯曲表面没有设置短纤维复合材料。

20.如权利要求18所述的车辆保险杠溃缩盒，其中第一弯曲表面具有比第二弯曲表面更尖锐的曲率半径。