CN106884919B

CN106884919B - 一种嵌入式多级高效吸能装置

Info

Publication number: CN106884919B
Application number: CN201710120153.3A
Authority: CN
Inventors: 张勇; 闫晓刚; 徐翔; 王琎; 林继铭; 赖雄鸣
Original assignee: Huaqiao University
Current assignee: Huaqiao University
Priority date: 2017-03-02
Filing date: 2017-03-02
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2037-03-02
Also published as: CN106884919A

Abstract

本发明公开了一种嵌入式多级高效吸能装置，包括活塞、上圆锥薄壁套管、下圆锥薄壁套管和缓冲耗材；所述上环形薄壁和下环形薄壁错位套接在一起，并使上环形薄壁和下环形薄壁滑动配合，形成摩擦耗能结构；所述活塞通过一柱形空心承力管装接于所述上圆锥薄壁套管；所述上圆锥薄壁套管采用CFPR材料，所述下圆锥薄壁套管为铝材质。本发明提供了一种嵌入式多级高效碰撞吸能装置，结构简单，利用巧妙的结构布局，满足了强度高、柔韧性好、吸能效率高等对高性能吸能装置的要求。

Description

一种嵌入式多级高效吸能装置

技术领域

本发明涉及被动安全技术领域，特别是涉及一种嵌入式多级高效碰撞吸能装置。

背景技术

随着科技的迅速发展，人们对效率的追求越来越苛刻，各种交通工具的最高时速不断刷新纪录。不断提高的速度尽管带来了高的效率，但同时也成为了一个很大的不安全因素。近年来交通事故频发，每年因此死亡的人数大幅度上升，因此，被动安全领域技术的革新迫在眉睫。而被动安全技术中，吸能装置的吸能性能是最重要的一环，好的吸能装置可以在发生碰撞事故时更好的保护人员的安全。

但是，目前大多数吸能装置主要运用的吸能方式是较为单一的传统薄壁管件，在碰撞时靠其压缩变形吸收冲击能量。这种吸能装置整体吸能量小，效率低下，在碰撞压缩过程中变形不稳定，从而产生冲击波，不能有效地保护人员的安全。此外，只能在一定的速度工况范围内的碰撞才能发挥其效能，运用范围窄。因此，传统吸能装置远远不能满足日益苛刻的要求，必须发明一种新型高效的吸能装置，以改进当前被动安全领域吸能装置的不足。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供了一种嵌入式多级高效碰撞吸能装置，结构简单，利用巧妙的结构布局，满足了强度高、柔韧性好、吸能效率高等对高性能吸能装置的要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种嵌入式多级高效吸能装置，包括活塞、上圆锥薄壁套管、下圆锥薄壁套管和缓冲耗材；

该上圆锥薄壁套管由外向内设有复数个互相平行的上环形薄壁，且所述上圆锥薄壁套管的中心设有上导向让位槽；该下圆锥薄壁套管由外向内设有复数个互相平行的下环形薄壁，且所述下圆锥薄壁套管的中心设有下导向让位槽；所述缓冲耗材填充于所述下导向让位槽，并配合于所述上导向让位槽；

所述上环形薄壁和下环形薄壁错位套接在一起，并使上环形薄壁和下环形薄壁滑动配合，形成摩擦耗能结构；所述活塞通过一柱形空心承力管装接于所述上圆锥薄壁套管；所述上圆锥薄壁套管采用CFPR材料，所述下圆锥薄壁套管为铝材质。

CFPR材料为碳纤维增强复合材料的简称。

作为一种优选，所述柱形空心承力管的侧壁具有多层承力结构，该侧壁自外向内依次为铝材料层、CFPR材料层和铝材料层。

作为一种优选，所述下圆锥薄壁套管的环形薄壁表面贴设有橡胶耗能层。

作为一种优选，所述橡胶耗能层为丁苯橡胶。

作为一种优选，所述上圆锥薄壁套管的环形薄壁表面为锯齿形结构。

作为一种优选，所述缓冲耗材为聚氨酯泡沫。

作为一种优选，所述活塞的底面设有定位台；该定位台的边缘设有第一导向角，相应的，所述下圆锥薄壁套管的下导向让位槽设有第二导向角；该第一导向角和第二导向角的倾斜角度相同。

本发明的有益效果为：

1、本吸能装置采用了使用了新材料CFRP，有效地利用了其高强度、高吸能性和质量轻等优点，在增加装置强度和吸能性能的同时，满足了轻量化设计的要求。且材料利用率高，每一个结构都能在碰撞中通过变形或撕裂，吸收相应的能量。

2、本吸能装置采用多级梯度形式，从吸能始点到吸能终点的吸能量逐级递增，满足不同冲击工况的要求。如在冲击速度较小时，只需要吸能较少的SBR5参与吸能即可，随着碰撞速度的加大，吸能较多的部件逐渐参与进行吸能。当受到较小的冲击时，在更换部件的过程中，仅需对相应的配件进行更换即可，未参与吸能的部件还可以继续使用。

3、橡胶耗能层采用拥有高摩擦系数的丁苯橡胶(SBR)进行摩擦吸能，吸能效果好，且易于更换。

4、本吸能装置结合了塑性良好的铝材和脆性较大的CFRP，既利用了铝材柔韧性好的优点又利用了CFRP撕裂吸能多和强度大的优点。CFRP材料与铝材料的交互作用，使其综合吸能量远远大于单独CFRP和铝的吸能量之和。本装置中，上圆锥薄壁套管(CFRP)嵌于下圆锥套管(AL)中，因外部铝的约束，CFRP撕裂产生“楔形”的碎屑进一步促使CFRP产生撕裂吸能；而内部撕裂的CFRP客观上形成外部铝的填充物，增加了其变形吸能效率。一般CFRP材料在受压时会撕裂，但通过适当地诱导后，可以使薄壁CFRP材料产生折叠变形，比撕裂吸收更多的能量。如该装置中的柱形空心承力管结构，通过两侧夹层铝材的折叠变形，诱导芯部薄壁CFRP的折叠变形，大大提升吸能效能。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种嵌入式多级高效吸能装置不局限于实施例。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图一(剖视图)；

图2是本发明的整体结构示意图二(立体图)；

图3是本发明的柱形空心承力管的剖视图；

图4是本发明的“楔形”碎屑夹具限位撕裂示意图。

具体实施方式

实施例：

以下结合附图1至附图4对本发明作详细说明。

本发明的一种嵌入式多级高效吸能装置，包括活塞1、上圆锥薄壁套管3、下圆锥薄壁套管4和缓冲耗材6；该上圆锥薄壁套管3由外向内设有复数个互相平行的上环形薄壁，且所述上圆锥薄壁套管3的中心设有上导向让位槽；该下圆锥薄壁套管4由外向内设有复数个互相平行的下环形薄壁，且所述下圆锥薄壁套管4的中心设有下导向让位槽；所述缓冲耗材6填充于所述下导向让位槽，并配合于所述上导向让位槽；所述上环形薄壁和下环形薄壁错位套接在一起，并使上环形薄壁和下环形薄壁滑动配合，形成摩擦耗能结构；所述活塞1通过一柱形空心承力管2装接于所述上圆锥薄壁套管3；所述上圆锥薄壁套管3采用CFPR材料，所述下圆锥薄壁套管4为铝材质。

所述柱形空心承力管2的侧壁具有多层承力结构，该侧壁自外向内依次为铝材料层21、CFPR材料层22和铝材料层23。

所述下圆锥薄壁套管4的环形薄壁表面贴设有橡胶耗能层5。所述橡胶耗能层5为丁苯橡胶。

所述上圆锥薄壁套管3的环形薄壁表面为锯齿形结构31。

所述缓冲耗材6为聚氨酯泡沫。

所述活塞1的底面设有定位台；该定位台的边缘设有第一导向角11，相应的，所述下圆锥薄壁套管4的下导向让位槽设有第二导向角41；该第一导向角和第二导向角的倾斜角度相同。

本发明装置由活塞1，柱形空心承力管2，上圆锥薄壁套管3、下圆锥薄壁套管4、橡胶耗能层5和缓冲耗材(聚氨酯泡沫)6等三部分组成。(整个吸能装置的剖视图见图1、三维结构图见图3)

所述装置的第一部分是活塞1，当其受到冲击碰撞时，会依次向柱形空心承力管2、上圆锥薄壁套管3、缓冲耗材(聚氨酯泡沫)6、下圆锥薄壁套管4和橡胶耗能层5施压，使这些吸能部件相继失效，达到吸收冲击能量的目的。活塞1下凸起倾角角度与下圆锥薄壁套管4内侧倒角角度相同(见图1)，以便于活塞1的下凸起能顺利的压缩填充的缓冲耗材(聚氨酯泡沫)6，从而4的薄壁能顺利向外扩展。

所述装置的第二部分是铺层角为0°的碳纤维增强复合材料(CFRP)与铝材(AL)夹芯管2。采用这种夹芯结构，在受压时可以通过夹层铝的塑性折叠变形来诱导夹芯CFRP薄壁材料产生同样的折叠变形，这样可以大大提高CFRP的吸能性能；此外CFRP的铺层角为0°时，纤维方向与2管壁的折叠方向垂直，这样柱形空心承力管2在折叠变形时，必然会促使纤维丝产生最大角度(90°)的折叠，纤维丝的折叠变形会消耗大量的能量，所以0°的铺层角可以使夹芯管2的吸能效率达到最大。此外在夹芯管2的顶端活塞1，可以使其更易产生折叠变形，并且大大降低峰值碰撞力，对人员提供更好的保护。

所述装置的第三部分由上、下圆锥薄壁套管3、4和橡胶耗能层5及缓冲耗材(聚氨酯泡沫)6组成。

上圆锥薄壁套管3采用[0°/45°/-45°/90°]n铺层形式的碳纤维增强复合材料(CFRP)，因为混合铺层形式的碳纤维材料刚度较大，在上圆锥薄壁套管3受压向下嵌入下圆锥薄壁套管4中时，不会发生形变；此外，因受4横向扩张的挤压，3的直径逐渐扩大，碳纤维材料产生的是撕裂失效模式，同时在受到活塞1的压力时会进一步撕裂，相对于传统铝材来说，新材料的CFRP撕裂吸能效率也很高，可以吸收大量的能量；另外，很重要的一点就是其质量轻，在满足现在对轻量化要求的同时，还可能保证强度和吸能效能。另外，为使在初级吸能阶段有更有效的吸能，把3的内壁做成锯齿形(见图1)，这样在下行过程中，可大大增加与丁苯橡胶5的摩擦力，从而吸收更多的初级冲击能量。

下圆锥薄壁套管4采用铝材制作，因吸能装置需要一定的缓冲能力，而铝材的柔韧性很好，受压时会产生塑性变形，在变形吸能的同时还能起到缓冲的作用。此外，可以将上圆锥薄壁套管3包围起来，使3的撕裂在4内发生，一方面，3撕裂会产生大量的“楔形”碎屑，这些“楔形”碎屑在受到4的约束后，会刺向尚未撕裂的纤维材料，促进其产生撕裂吸能，这样可以大大提高吸能效率(“楔形”碎屑加剧纤维撕裂见图4)。另一方面，被撕裂的纤维材料也在客观上成为了圆锥套管4的填充材料，这样可以大大提高装置的吸能能力。

高摩擦系数橡胶耗能层5的作用是，当碰撞的速度较小时，可以利用其高摩擦系数的性质与下行的上圆锥薄壁套管3产生摩擦，吸收初级部分的能量，当碰撞的速度较小时，待吸收初级能量相对较少，可以使其在吸能后不会对装置的其他部件产生损坏，装置在略微调整后即可再次使用，节约资源，减少成本；另外，橡胶的弹塑性好，也可以起到缓冲的作用，减小峰值碰撞力，有力的保护人员的安全。

缓冲耗材(聚氨酯泡沫)6填充在4的空腔中并延伸至上圆锥薄壁套管3的上导向让位槽中(见图1)。当上圆锥薄壁套管3在下行过程中摩擦吸收的能量不能满足要求时，上圆锥薄壁套管3与缓冲耗材(聚氨酯泡沫)接触后对其进行挤压，从而和摩擦一起作用来吸收较多的冲击能。缓冲耗材(聚氨酯泡沫)材料孔隙率较高且比表面积大，其可以吸收各个方向的能量，具有很好的吸收动能特性，正是由于缓冲耗材(聚氨酯泡沫)的这些性质，使其在形变过程中，压缩模式稳定而且吸能效率很高。另外，一方面缓冲耗材(聚氨酯泡沫)有吸声减震的性能，能有效的缓和冲击、减弱振荡、降低应力幅值以及减少碰撞时的震动和噪声；另一方面缓冲耗材(聚氨酯泡沫)有比重小、价格低和成型容易等优势，既可以降低成本，又满足了轻量化设计的要求。

具体动作过程如下：

当吸能装置受到冲击碰撞时，因上圆锥薄壁套管3与橡胶耗能层5之间是摩擦接触，力相对较小，故3在受到活塞1通过CFRP圆管2传来的冲击力时，率先逐渐嵌入下圆锥薄壁套管4中，在此过程中与5发生摩擦吸能，当3与缓冲耗材(聚氨酯泡沫)6接触后，受到压缩的6产生压缩吸能，与摩擦一道增强吸能能力。当3完全嵌入4中时，CFRP—AL夹芯管2在活塞1的冲击压力作用下产生折叠变形，进行吸能。在2完全失效后，3的顶部在冲击力的作用下被撕裂并吸能；同时受挤压的缓冲耗材(聚氨酯泡沫)6横向扩展，4在发生横向塑性变形时吸能；3因受横向挤压直径扩大而撕裂；随后，上、下圆锥薄壁套管3、4一起在活塞1的纵向作用下压缩，同时，下圆锥套管3进一步撕裂。最后，压缩到接近4的底部时，吸能装置压实，吸能结束。此时，压实的吸能装置的强度也大大增强，阻止活塞1的进一步前进，可以对人员提供很好地保护。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种嵌入式多级高效吸能装置，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种嵌入式多级高效吸能装置，其特征在于：包括活塞、上圆锥薄壁套管、下圆锥薄壁套管和缓冲耗材；

所述上环形薄壁和下环形薄壁错位套接在一起，并使上环形薄壁和下环形薄壁滑动配合，形成摩擦耗能结构；所述活塞通过一柱形空心承力管装接于所述上圆锥薄壁套管；所述上圆锥薄壁套管采用CFPR材料，所述下圆锥薄壁套管为铝材质；所述下圆锥薄壁套管的环形薄壁表面贴设有橡胶耗能层。

2.根据权利要求1所述的一种嵌入式多级高效吸能装置，其特征在于：所述柱形空心承力管的侧壁具有多层承力结构，该侧壁自外向内依次为铝材料层、CFPR材料层和铝材料层。

3.根据权利要求1所述的一种嵌入式多级高效吸能装置，其特征在于：所述橡胶耗能层为丁苯橡胶。

4.根据权利要求1所述的一种嵌入式多级高效吸能装置，其特征在于：所述上圆锥薄壁套管的环形薄壁表面为锯齿形结构。

5.根据权利要求1所述的一种嵌入式多级高效吸能装置，其特征在于：所述缓冲耗材为聚氨酯泡沫。

6.根据权利要求1所述的一种嵌入式多级高效吸能装置，其特征在于：所述活塞的底面设有定位台；该定位台的边缘设有第一导向角，相应的，所述下圆锥薄壁套管的下导向让位槽设有第二导向角；该第一导向角和第二导向角的倾斜角度相同。