CN108545042B - 一种表面纳米技术处理的凹槽式碰撞吸能盒 - Google Patents

Abstract

本发明属于汽车车身结构制造技术领域，提供一种表面纳米技术处理的凹槽式碰撞吸能盒。碰撞吸能盒整个外表面均采用表面纳米化技术处理，并在每个棱边区域都预制若干个菱形的凹槽，用于保证吸能盒结构的稳定性，实现预设的变形模式；每个棱边上预制的凹槽的个数根据实际情况确定，要求凹槽的位置不能位于吸能盒的顶端或底端，且均匀的分布在棱边区域中。本发明将表面纳米化技术与凹槽排布同时应用于碰撞吸能盒，诱导吸能盒的屈曲模态以及发展路径，不仅能够提升吸能盒的整体强度和吸能效果，并且能够降低压缩力效率，预设破坏形式。

Description

一种表面纳米技术处理的凹槽式碰撞吸能盒

技术领域

本发明属于汽车车身结构制造技术领域，涉及到汽车撞击情况的安全性结构设计，特别涉及到一种在汽车发生碰撞时能够吸收冲击动能的吸能盒。

背景技术

汽车的防撞性能是汽车整体安全性设计中一个重要的方面。在现有汽车设计，采用汽车前部和尾部保险杠系统来吸收和减缓外界冲击力，以达到防护车身前后部的目的。为了尽可能的提高汽车在碰撞时的能量吸收能力，保险杠系统中通常设计有可变性的金属薄壁结构，即碰撞吸能盒。碰撞吸能盒是汽车保险杠系统的主要吸能组件。在汽车发生碰撞时，吸能盒将吸收撞击产生的动能转化为不可逆的结构变形能。此外，吸能盒还同时降低撞击力，保护车身和乘员安全。性能优异的吸能盒应具有较低的压缩力效率(定义为在碰撞吸能盒在受撞击过程中传递给车厢结构的最大荷载与整个变形过程传递的平均荷载的比值)和较高的比吸能(指吸能结构单位质量内所吸收的能量，反映了结构的吸能效率)。除此之外，还应该有质量轻、成本低以及合理的预设破坏形式等。现有吸能盒多为采用钢或者铝合金加工成的薄壁方管。然而，在实际碰撞中，该类金属薄壁方管吸能盒优先发生吸能效率较低的变形模式。因此，提升吸能盒的能量吸收能力成为当前亟待解决的关键问题。

现有的设计方式可以在一定程度上提高吸能盒的吸能效果，并能够有效地降低薄壁方管轴向压缩时的初始峰值载荷，如对薄壁方管预屈曲，方管角处开缺口，引入凹槽或压痕等几何缺陷，使用波纹管，在管壁开平行尖凹槽、圆形凹槽或蝶形凹槽，引入切口等。然而上述方法均存在一定缺陷，会给方管的其他性能带来不利影响。如引入凹槽将直接导致结构轴向强度的显著降低，从而直接影响吸能效果。

因此，目前亟需提出一种既能满足较低的压缩力效率及高的比吸能，又能够具备预设的破坏形式的新型碰撞吸能盒，从而全面提升汽车的防撞性能。

发明内容

本发明要解决的问题是为各类交通事故，特别是汽车碰撞时提供一种压缩力效率低、吸能效果良好且发生可控规则变形的吸能装置。

为了达到上述目的，本发明的有益效果为：

一种表面纳米技术处理的凹槽式碰撞吸能盒，碰撞吸能盒整个外表面均采用表面纳米化技术处理，并在每个棱边区域都预制若干个菱形的凹槽，实现预设的变形模式。表面纳米化技术与凹槽排布同时应用于碰撞吸能盒，不仅能够提升吸能盒的整体强度和吸能效果，并且能够降低压缩力效率，预设破坏形式。所述的每个棱边上预制的凹槽的个数根据实际情况确定，凹槽的位置不能位于吸能盒的顶端或底端，应均匀的分布在棱边区域中，用于保证吸能盒结构的稳定性。菱形凹槽由两个正三角形组成，其边长与凹槽式碰撞吸能盒截面边长的比例为2:5。

所述的凹槽式碰撞吸能盒的截面采用方形、矩形或正六边形；凹槽式碰撞吸能盒的材料采用低碳钢、不锈钢、铝合金等金属材料。

所述的表面纳米化技术处理包括高能喷丸表面纳米化技术、超声冲击表面纳米化技术或激光表面纳米化技术，优选为超声冲击表面纳米化技术。所述的高能喷丸表面纳米化技术是利用外在载荷高频作用于材料表面，促使表面强烈塑变，其粗大的晶粒逐渐细化，直至获得晶粒尺寸为10-100nm纳米晶表层，产生细晶强化效应，大大提高表面硬度，延长材料的疲劳寿命。所述的超声冲击表面纳米化技术是通过冲击工作头沿表面法线方向工件施加一定幅度的超声频机械振动，使材料产生弹塑性变形，在表面形成晶粒尺寸为20-80nm，平均尺寸为50nm的纳米晶表层，它可以显著提高材料的强度、硬度。所述的激光表面纳米化技术是利用激光这种特定的技术手段，直接改变或是添加材料改变被处理固体材料表面的形态、成分或结构，使其形成平均尺寸为40nm的纳米晶粒或一定纳米颗粒成分的表层，该表层能够改善材料表面的力学性能，物理性能。第一种和第三种技术难度相对较大，并且成本高。而第二种超声冲击纳米化技术则操作简单、成本较低。

在加工工艺上，本发明的碰撞吸能盒应用表面纳米化技术进行表面强化。所述的碰撞吸能盒可以采用整体铸造，或者各部分组件分别铸造、表面纳米化技术处理后通过焊接、粘结而得；前者难度较大，成本较高，而后者则工艺简单，容易实现，并且成本较低。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明吸能盒通过表面纳米化处理和预制凹槽，诱导吸能盒的屈曲模态以及发展路径，保持稳定的渐进屈曲变形模式和诱导产生高吸能屈曲模态，使同时满足高比吸能和低的压缩力效率。

(2)本发明采用的表面纳米化技术工艺简单，菱形凹槽也容易制作，生产成本均较低，加工精度也相对很高。另外，整个生产过程绿色环保，不会导致任何环境污染问题。

附图说明

图1是方形截面碰撞吸能盒的成型图；

图2是方形截面碰撞吸能盒四单个板的平面展开图；

图3是六边形截面碰撞吸能盒的成型图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

需要说明的是，以下实施例都是在先对吸能盒的组件先进行表面纳米化处理以后，再采用粘结或者焊接的方法组装到一起的。另外，说明中所有的图只是对该发明进行解释，而本发明并不局限于这几种形式。

实施例1

图1是经过超声冲击表面纳米化处理的方形薄壁吸能盒。图2是单板的平面图，用来说明吸能盒的形状设计。该吸能盒由四个相同的单板组成。图1中有预制的凹槽，形状为菱形(即由两个正三角形组成的)，且菱形的边长与方形管截面边长的比例2:5。在每个棱边区域，有两个菱形凹槽，一共有八个。为了保证吸能盒结构的稳定性，凹槽的位置不能位于吸能盒的顶端或者是底端，应该均匀的分布在棱边区域中。图2中的单板采用钢板压制成型，并经过剪裁而成。图1就是四块图2中的单板采用粘结或者焊接的方式安装完成的。

实施例2

图1是经过超声冲击表面纳米化处理的六边形形薄壁吸能盒。图2是单板的平面图，用来说明吸能盒的形状设计。该吸能盒由六个相同的单板组成。图3中有预制的凹槽，形状为菱形(即由两个正三角形组成的)，且菱形的边长与方型管截面边长的比例2:5。在每个棱边区域，有两个菱形凹槽，一共十二个。为了保证吸能盒结构的稳定性，凹槽的位置不能位于吸能盒的顶端或者是底端，应该均匀的分布在棱边区域中。图2中的单板采用钢板压制成型，并经过剪裁而成。图3就是六块图2中的单板采用粘结或者焊接的方式安装完成的。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明保护范围。

Claims (3)

1.一种表面纳米技术处理的凹槽式碰撞吸能盒，其特征在于，所述的凹槽式碰撞吸能盒整个外表面均采用表面纳米化技术处理，并在每个棱边区域均预制若干个菱形的凹槽，用于保证吸能盒结构的稳定性，实现预设的变形模式；所述的每个棱边上预制的凹槽的个数根据实际情况确定，凹槽均匀分布在棱边区域中，且不能位于吸能盒的顶端和底端；

所述的菱形凹槽边长与凹槽式碰撞吸能盒截面边长的比例为2:5；

所述的表面纳米化技术处理为高能喷丸表面纳米化技术、超声冲击表面纳米化技术或激光表面纳米化技术；采用高能喷丸表面纳米化技术使凹槽式碰撞吸能盒表面获得晶粒尺寸为10-100nm纳米晶表层；采用超声冲击表面纳米化技术使凹槽式碰撞吸能盒表面形成晶粒尺寸为20-80nm，平均尺寸为50nm的纳米晶表层；采用激光表面纳米化技术直接改变或添加材料改变凹槽式碰撞吸能盒表面的形态、成分或结构，使其形成平均尺寸为40nm的纳米颗粒成分的表层；所述的吸能盒是由单板组装而成的。

2.根据权利要求1所述的一种表面纳米技术处理的凹槽式碰撞吸能盒，其特征在于，所述的凹槽式碰撞吸能盒的截面采用方形、矩形或正六边形。

3.根据权利要求1或2所述的一种表面纳米技术处理的凹槽式碰撞吸能盒，其特征在于，所述的凹槽式碰撞吸能盒的材料采用低碳钢、不锈钢或铝合金。

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