CN108778847B - 能量吸收部件和用于生产能量吸收部件的方法 - Google Patents

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Abstract

提出了一种用于吸收其上的撞击能量的能量吸收部件(1)，其中该部件(1)能够因撞击而塑性变形并且可选地能够部分地被破坏。能量吸收部件(1)包括至少一个芯结构(10)和至少一个辅助结构(12)。至少一个芯结构(10)由第一材料制造，第一材料是金属或用连续长丝纤维加强的聚合物材料，且至少一个辅助结构(12)由第二材料制造，第二材料是非加强的聚合物材料或由短纤维或长纤维加强的聚合物材料。至少一个辅助结构(12)优选地包括肋(14，15，16，18)且被连接到至少一个芯结构(10)，以使得至少一个辅助结构(12)支撑与其连接的至少一个芯结构(10)。本发明还涉及用于生产此能量吸收部件(1)的方法。

Description

能量吸收部件和用于生产能量吸收部件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于吸收其上的撞击能量的能量吸收部件，其中所述部件能够因撞击而塑性变形，且可选地可以至少部分地被破坏。本发明还涉及一种用于生产此能量吸收部件的方法。
背景技术
能量吸收部件被用于例如汽车工业中的保险杠领域。例如当必须受控地消散由于撞击造成的大量动能以诸如对乘客或重要且贵重的邻近结构的不利影响最小化时，使用它们。例如在发生碰撞的情况下，通过所述部件的变形和受控失效来吸收能量。因为考虑到期望减少燃料消耗而减轻重量是必要的，所以期望由较轻的材料(例如塑料)制造所述部件。特别地，在能量吸收部件的情况下，如在保险杠领域中使用的那样，另外必要的是所述部件具有尽可能理想的失效行为。目的是在于在尽可能小的安装空间的情况下吸收更多能量。
WO2010/015711A1公开了一种用于吸收在其上撞击造成的能量的结构。所述结构能够因撞击而塑性变形，且可选地可以至少部分地被破坏。在一个实施方案中，所述结构具有用于加强的肋，其中所述肋被布置为相对于轴向方向彼此成一定角度，使得在一个肋已经失效的情况下，作用在所述结构上的力在轴向方向上被另一个肋吸收。所述肋可以由用长纤维加强的聚合物材料制造。所述结构表现出对作用的能量的均匀吸收。
引入到能量吸收部件内的力作用在所述部件上的方式通常是单向的和高度动态的。这导致由压缩力主导的加载。因此，能量吸收部件的设计必须能够避免整个部件的屈曲(弯曲)，即机械不稳定性的风险。过早屈曲的一个结果是用来吸收能量的实际物理原理(塑化、压碎、纤维断裂)不再有针对性的发挥，且能量吸收部件不以预期的方式起作用。除了屈曲的风险之外，另一个重要因素是能量吸收部件相对于力的方向具有足够高的坚固性。例如如果在纯的轴向作用力的情况下非常有效的能量吸收部件经受由于倾斜撞击而产生的横向力，这同样会导致不能够维持期望的能量吸收，这是因为零件的侧向分离，或甚至整个能量吸收部件的侧向分离。
用连续长丝纤维加强的具有热塑性基质或热固性基质的已知的能量吸收部件具有由生产过程决定的相当简单的几何形状。除了简单的管、圆筒或1-折弯曲扁平开口轮廓之外，还已知通过接合简单的轮廓而生产的多零件吸收器。特定的力-位移(能量)特性所需的成形越复杂，结构就越复杂且越麻烦。例如首先使用连续长丝纤维和基质材料来生产定制的预浸料，然后在另一个步骤中进一步处理这些预浸料以产生结构。生产过程大大限制能量吸收部件的几何形状，使得不能够实现或仅在非常有限的程度上能够实现用于其他邻近结构的和用于能量吸收部件自身的可靠紧固的功能元件(诸如螺纹固紧(Verschraubungen)和紧固系统)的集成。
发明内容
能量吸收部件的设计目的主要是在给定的变形距离上吸收一定量的能量。在此，要求是实现预定义的力-位移曲线，例如尽可能恒定的力-位移曲线，或以恒定方式上升的力-位移曲线。一直要求的辅助条件是，为了避免损坏在力的作用方向上位于能量吸收部件后面的部件，不允许超过给定的最大力。在此，在开发中，假定的待被吸收的能量的量以及假定的最大力取决于在相关时间点内已知的与剩余系统的行为有关的信息。这些要求常常在开发过程期间改变，或当用整个系统的原型即将进行初始试验时发生改变。在此，使用已知的设计原理常常难以缩放已经开发的能量吸收部件，即，难以根据与力-位移特性、能量的量或最大允许力相关的改变条件来适配能量吸收部件。因此，要求一种能够容易地根据给定的力-位移特性适配的能量吸收部件。
本发明的另一个目的是提供一种能量吸收部件，所述能量吸收部件即使在侧向地引入横向力的情况下也确保受控的能量吸收。
本发明的另一个目的是提供一种方法，所述方法在能量吸收部件的生产期间实现容易地将部件与预定的力-位移特性适配，且还实现容易地适配部件的几何形状。
提出了一种用于吸收其上的撞击能量的能量吸收部件，其中所述部件能够因撞击而塑性变形并且可选地可以部分地被破坏。所述能量吸收部件包括至少一个芯结构和至少一个辅助结构。所述至少一个芯结构由第一材料制造，所述第一材料是金属或是用连续长丝纤维加强的聚合物材料，且所述至少一个辅助结构由第二材料制造，所述第二材料是非加强的聚合物材料或由短纤维或长纤维加强的聚合物材料。所述至少一个辅助结构优选地包括肋，且所述至少一个辅助结构被连接到至少一个芯结构。所述连接优选地被实施为且所述结构优选地被成形为使得所述至少一个辅助结构支撑与其连接的所述至少一个芯结构。
在所述能量吸收部件中，优选地设置通过所述芯结构吸收在撞击期间出现的能量的大部分。在此，连接到所述至少一个芯结构的至少一个辅助结构支撑所述芯结构，使得在发生由非正面撞击引起的横向力的情况下防止所述芯结构屈曲。特别地，这防止所述芯结构的侧向脱离。所述芯结构的设计在此优选地使得它可以吸收所要求的能量的大部分。通过所述芯结构破坏所吸收的能量在此可以比在现有技术的用连续长丝纤维加强的能量吸收部件的情况下更大，因为连接到所述至少一个芯结构的至少一个辅助结构提高了抗屈曲性。因此，本发明中提出的能量吸收部件在吸收能量期间也实现预期的力-位移特性，甚至在撞击不是精确正面的而且还包括横向分量或侧向分量时。
在另一个有利的实施方案设置，能量主要通过所述至少一个辅助结构吸收，其中在此实施方案中，所述芯结构的设计使得它支撑所述辅助结构。为此例如将所述至少一个芯结构设计成使得其包围至少一个辅助结构。
优选地通过使所述芯结构变化和通过使所使用的芯结构的数目变化来调整所述部件的能量吸收属性，即，特别是力-位移特性。在此，力-位移特性是指相对于位移距离的使能量吸收部件变形或破坏所需的力，其中位移距离是由于所述部件的逐渐破坏造成的所述部件的尺寸的在力的方向上的减少。
所述芯结构的变化特别地可以通过使几何形状变化和/或通过使所使用的材料变化来实现。
所述芯结构可以成形为例如管或中空平截头圆锥体。此类型的几何形状可以例如通过使半成品(例如片材形式的半成品)经受成形方法来实现，或所述芯结构可以直接以此形状生产。
特别地，当由扁平的半成品生产芯结构时，优选的是，在垂直于能量吸收部件的轴向方向的截面中查看的芯结构是波状的、锯齿形的或Ω形的，或由线性区段和/或弯曲区段构成的。特别地，在此优选的是不包括底切部(Hinterschneidungen)的形状，以便它们可以通过褶皱成形(Drapieren)由扁平的半成品生产。
在本发明的意义上，轴向方向是指，在未变形的能量吸收部件的情况下，作用于所述部件上的撞击的主要作用方向。此方向也与能量吸收部件的最大的长度伸展大致相同。
优选的是，在垂直于轴向方向的截面中查看时的芯结构包括至少一个棱角(Kante)。在此，“棱角”是指处于通过改型产生的芯结构的材料的最小可能曲率半径的数量级内的曲率。这些棱角为芯结构提供了高稳定性，且在发生撞击的情况下作为起始点，在所述起始点处通过芯结构的受控破坏来吸收能量。
如果所述能量吸收部件具有中空形状，例如管或中空平截头圆锥体的形状，或如果所述能量吸收部件已经通过褶皱成形方法由扁平的板状半成品生产，则芯结构的壁厚度是另一能够改变以调整力-位移特性的参数。在此优选设置的是，所述芯结构的壁厚度在轴向方向上查看时增大或减小。以这种方式，可以有利地实现的是，随着所述能量吸收部件的破坏的增加，用于进一步破坏所需的力增加。
优选的是，所述至少一个芯结构由用连续长丝纤维加强的聚合物材料制造。在此所述芯结构的能量吸收属性可以通过适当地选择用连续长丝纤维加强的聚合物材料来影响。特别地，在此可以有目的性地规定聚合物、所使用的纤维、纤维的比例和/或纤维的定向。替代地，所述至少一个芯结构由金属(例如钢或铝)制造。
如果所述第一材料是用连续长丝纤维加强的聚合物材料，则纤维的比例优选地在1体积％至70体积％的范围内，特别地在10体积％至60体积％的范围内，且非常特别优选地20体积％至50体积％的范围内。所述第一材料的连续长丝纤维可以以一层或多层引入到所述第一材料内。所述纤维在此例如以编织织物形式或作为平行定向的连续长丝纤维被包含在第一材料中。特别优选的是，所述纤维是平行定向的连续长丝纤维。
如果所述纤维作为平行定向的连续长丝纤维被引入到所述第一材料内，则例如可以使用所谓的带。在这些带中，连续长丝纤维具有平行定向并且用聚合物材料浸渍。如果以由连续长丝纤维制造的编织织物的形式引入纤维，则所述编织织物包括在至少两个不同的方向上定向并且例如彼此编织在一起的连续长丝纤维。
如果在多个层中引入纤维，则个体层的定向可以相对于彼此变化，使得个体纤维方向相对于彼此旋转。例如如果使用两层带，则在两个不同的纤维方向彼此包围的角度可以例如是90°。例如如果两个编织织物相互叠置，则优选的是使两层编织织物相对于彼此旋转45°的角度，以使得在四个纤维方向中的每个彼此之间产生45°的角度。优选的是层通过材料的厚度的对称布置。
优选设置的是，所述至少一个芯结构的第一材料中的纤维的比例在轴向方向上看是变化的。为此，例如所述第一材料中的纤维的比例可以在轴向方向上增加或减少。这与使壁厚度变化具有类似的结果：随着位移距离增加，破坏芯结构所需的能量增加或减少。
所述能量吸收部件中的至少一个芯结构被连接到所述至少一个辅助结构。此连接可以是材料锁合的、形状锁合的或力锁合的。材料锁合连接可以例如借助于焊接或胶合实现。此外，对于材料锁合连接，可以使用铸造方法，诸如注射成型、重力铸造或真空铸造，其中至少一个辅助结构被铸造到至少一个芯结构上，或辅助结构被铸造在所述至少一个芯结构周围。注射成型方法特别适合于此目的。对于形状锁合连接，优选的是，连接元件(呈闩锁元件的形式)被形成在所述至少一个芯结构和/或所述至少一个辅助结构上。同样地，可以设置连接元件(例如铆钉或螺钉)，以将所述至少一个芯结构连接到所述至少一个辅助结构。
所述至少一个辅助结构由第二材料制造，且优选地具有多个肋。
所述第二材料是聚合物材料，所述聚合物材料例如实施为非加强的，即实施为不含纤维，或用短纤维或长纤维加强的。在此优选的是用短纤维或长纤维加强。如果所述第二材料是纤维加强的，则所述第二材料中的纤维的比例优选地在1体积％至70体积％的范围内，特别优选地在10体积％至60体积％的范围内，且非常特别优选地在20体积％至50体积％的范围内。
在本发明的范围内，长纤维是指通常长度在5mm至25mm的范围内的纤维。在本发明范围内，短纤维是指长度在5mm以下的纤维，其中短纤维的典型长度在0.1mm至1mm的范围内。
在本发明的范围内，连续长丝纤维是指被制造为连续的且在进一步处理中被缩短到有限长度的长丝，但所述长丝的长度显著大于长纤维的长度。一方面，连续长丝纤维的长度可以通过部件的尺寸、特别是通过芯结构的尺寸而受到限制。另一方面，长度可以通过经由成形方法生成芯结构所用的半成品的尺寸而受到限制。优选的是，连续长丝纤维的长度被选择成相对于所述部件或半成品尽可能大，使得纤维的长度基本上对应于一个芯结构或半成品的尺寸。
辅助结构优选地具有多个肋，且包括至少一个区域，所述至少一个区域被成形为使得所述辅助结构可以被连接到至少一个芯结构。为此，例如在所述辅助结构的一个外侧上形成一个区域使得芯结构可以接触辅助结构。此外，所述至少一个辅助结构可以包括至少一个腔，所述至少一个腔被成形为使得它可以接收一个芯结构。为此，替代地可以设置，所述辅助结构的外部形状可以通过一个芯结构的腔的形状规定，使得一个辅助结构可以被接收在一个芯结构的内部。
所述辅助结构的肋优选地布置为使得所述辅助结构包括至少一个肋，所述至少一个肋在轴向方向上的第一平面中延伸并且与在轴向方向上的第二平面中延伸的至少一个肋连接，所述第二平面相对于所述第一平面旋转。在此优选的是，所述辅助结构包括平行于所述第一平面或第二平面的多个肋。
优选设置的是，除了平行于在轴向方向上延伸的平面布置的肋之外或作为平行于在轴向方向上延伸的平面布置的肋的替代，所述辅助结构包括平行于与轴向方向垂直布置的平面延伸的至少一个肋。在此优选的是，平行于在轴向方向上延伸的平面的肋与平行于与轴向方向垂直布置的平面的肋交叉。在此相互交叉的肋优选地形成矩形形状的规则结构。在由多个肋形成的此矩形内，可以布置其他结构以用于进一步加强。在此优选的是，另一个肋将一个矩形分成两半，其中所述另一个肋将矩形的两个对角拐角彼此连接。优选的是，对角地延伸的这些肋的定向与垂直于轴向方向布置的平面成-45°至+45°的范围内的角度。这产生了两个三角形结构。三角形肋结构是特别有利的，因为它们提供特别好的支撑效果。
沿着轴向方向延伸的肋支撑至少一个芯结构，使得其不能够侧向偏离或翻转。具有与垂直于轴向方向布置的平面平行或成-45°至45°的范围内的角度的定向的肋防止用连续长丝纤维加强的至少一个芯结构屈曲。
所述肋还可以具有如下结构：例如所述肋可以具有波形结构或锯齿形结构。
此外，所述辅助结构优选地包括功能区域，特别是连接区域。这些连接区域例如用于一个或多个辅助结构之间的连接、用于将能量吸收部件固定在其使用位置处，和/或用于将其他部件固定在所述能量吸收部件上。
为此，所述至少一个辅助结构可以在其背离撞击的一侧处包括一个紧固板。进而例如可以在所述紧固板处布置紧固元件，诸如孔、卡扣元件、闩锁元件或螺纹，通过所述紧固元件，所述能量吸收部件可以被紧固在其使用位置处。
此外，可以在辅助结构的其他位置处布置连接区域，例如呈螺钉表面、螺钉圆顶、卡扣元件、闩锁元件和紧固孔的形式，以使得可以将其他部件连接到所述能量吸收部件。因此例如可以设想当所述能量吸收部件用在车辆中时，将车辆的辅助组件固定在所述能量吸收部件上。这节省了安装空间和重量，因为所述能量吸收部件附加地也承担保持功能。
如果所述第一材料是用连续长丝纤维加强的聚合物材料，则优选的是用于加强第一材料的纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维、玄武岩纤维、硼纤维、金属纤维或钛酸钾纤维。
如果所述第二材料具有纤维加强，则短纤维或长纤维优选地选自玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维、玄武岩纤维、硼纤维、金属纤维或钛酸钾纤维。此外，在连续长丝纤维的情况下以及在短纤维或长纤维的情况下，可以想到使用上述纤维类型的组合。
如果所述第一材料是用连续长丝纤维加强的聚合物材料，则所述第一材料的聚合物优选地是热塑性聚合物或热固性聚合物。合适的热固性聚合物例如是环氧树脂或聚氨酯树脂。然而，特别优选的是，所述聚合物是热塑性聚合物。在此情况下，所有热塑性聚合物原则上都是合适的。合适的聚合物的实例是聚酰胺和聚丙烯，但特别优选的是聚酰胺。合适的聚酰胺例如是PA 6、PA 66、PA 46、PA 6/10、PA 6T、PA 66T、PA9T、以及PA 11和PA 12。
所述第二材料的聚合物优选地是通过浇铸方法处理的热固性聚合物或热塑性聚合物。然而，特别优选的，所述聚合物是热塑性聚合物。在此，所有热塑性聚合物都是合适的。合适的聚合物的实例是聚酰胺和聚丙烯，但特别优选的是聚酰胺。合适的聚酰胺例如是PA 6、PA 66、PA 46、PA 6/10、PA 6T、PA 66T、PA 9T、以及PA 11和PA 12。
优选的是，所述第一材料和所述第二材料的聚合物选择为是相同的或分别选择相互相容的聚合物。如果通过材料锁合的结合方法诸如焊接、或通过在注射成型方法中的注射，可以彼此形成良好的粘附性连接，则两种聚合物在此被认为是相容的。
优选的是，所述能量吸收部件附加地包括至少一个插入件。所述插入件优选地被布置在芯结构上，且具体地布置在撞击作用在所述能量吸收部件上的一侧上。然而，也可以在其他部位处将所述插入件引入到所述能量吸收部件内，例如为了受控地加强所述能量吸收部件。在此优选设置的是，所述插入件被紧固在所述至少一个辅助结构上。所述插入件可以附加地包括连接装置，例如螺纹，通过所述连接装置例如可以将辅助组件连接到所述能量吸收部件上。此外，所述连接装置也可以用来将所述能量吸收部件紧固在其使用位置处。
如果所述插入件布置在芯结构上，则优选设置的是，所述插入件在不止一个接触部位接触在所述芯结构上。在发生所述能量吸收部件上的撞击的情况下，所述插入件与所述芯结构接触的接触部位像撞锤或刀片一样起作用，因此表示用于受控破坏芯结构的起始点，在所述起始点吸收能量。以此方式，通过芯结构的受控破坏来确保限定且受控的能量吸收。优选的是，所述插入件与所述芯结构上的1至10个接触部位接触，以使得对应地提供用于受控破坏的1至10个起始点。特别优选的是，每个芯结构使用2至8个接触部位。
优选的是，所述插入件由金属或塑料制造。所述插入件的形状例如构造为环形的，其中所述环可以具有扁平形状。例如由金属制造的环形构造的插入件被布置在连续长丝纤维加强的芯结构上，以允许受控期望的分层(即层之间的分裂)，外加同样期望的纤维通过轴向裂缝的断裂。这由于以下原因实现：所描述的插入件被轴向地挤压或拉动穿过芯结构，因此以能量消散破坏所述芯结构。此插入件的特定设计允许失效原理的各适应性的分配，例如通过裂缝的数目的改变或分层时涉及的横截面区域的改变，因此同样允许改进上文描述的能量吸收和力-位移特性的缩放性。
优选的是，所述能量吸收部件包括一个壳体，在所述壳体中容纳所述至少一个芯结构和所述至少一个辅助结构。所述壳体可以例如构造为盒或笼的形式，且例如可以由金属或聚合物制造。如果所述壳体由聚合物制造，则所述聚合物特别地可以被选择为与所述第一材料和/或所述第二材料的聚合物相同或相容。如果所述能量吸收部件用在车辆中，则所述壳体可以是车辆的车体结构的一部分。所述壳体可以例如是车辆的侧向底梁或车顶框架。
所述能量吸收部件的壳体可以进一步加强容纳在其内的至少一个芯结构和至少一个辅助结构的稳定性，且可以可选地提供附加的连接区域，通过所述连接区域，所述能量吸收部件可以被紧固在其使用位置处，或通过所述连接区域，辅助组件可以被紧固在所述能量吸收部件上。
优选的是，所述能量吸收部件的腔填充有泡沫。在此，所述芯结构内和/或所述辅助结构内的腔可以填充有泡沫。此外，如果所述能量吸收部件具有一个壳体，则可以设置用于将泡沫引入到所述至少一个芯结构中和/或所述至少一个辅助结构中的适当的孔或通道，且同样可以用泡沫填充在所述壳体和其内所容纳的结构之间的腔。所述泡沫优选地是聚氨酯泡沫、聚酰胺泡沫或环氧基热固性泡沫。
一方面，所述泡沫为所述能量吸收部件的结构提供进一步支撑。另一方面，粘附的泡沫在发生撞击的情况下防止或至少抑制碎片的不受控制的飞出。
所述能量吸收部件必须具有一定的力-位移特性以用于其特定的预期目的，且必须适合于吸收规定量的能量。在设计所述部件时另外需要考虑的是，当作用在所述能量吸收部件上的能量被吸收时，必须避免超过规定的最大力，以避免损坏在力的作用方向上布置在所述能量吸收部件后面的元件。仅在非常罕见的情况下，可以孤立地考虑所述能量吸收部件，因为需要在其规定的使用位置与其他构件和部件相互作用。在此，在设计能量吸收部件时需要考虑的因素特别是外部尺寸和连接区域的布置。在本发明中提出的将所述能量吸收部件分成芯结构和辅助结构有利地允许将多种要求分配到至少一个芯结构和至少一个辅助结构。例如，所述能量吸收部件的外部尺寸以及预设的连接区域可以通过所述至少一个辅助结构来规定，其中通过仅仅使所述至少一个芯结构在其性质和/或其数目方面变化来实现对待被吸收的能量的量以及力-位移特性的适配。这允许根据要求来缩放所述能量吸收部件的性能，而不改变所述能量吸收部件的外部设计或连接区域的布置。如果根据本发明的能量吸收部件例如以相同几何形状的外部构型用于不同质量的车辆上，则可以通过简单地改变所述至少一个芯结构来缩放力-位移特性。例如，可以使壁厚度、纤维/聚合物材料组合、纵向方向和厚度方向的层结构、加强构架以及纤维含量变化，而不改变所述部件的外部构型。术语加强构架在此是指芯结构内的纤维的布置的选择。
如果所述能量吸收部件例如意在用在机动车辆中，则可以使用在多种类型的车辆上标准化的形状和尺寸以及紧固点，其中通过所述至少一个芯结构的不同选择来相应地调整力-位移特性和可吸收的能量。同样地，以此方式可以在设计车辆时改变所述能量吸收部件的设计而不对车辆的其他部件(例如紧固在所述能量吸收部件上的其他部件)造成任何影响。
另一个优点是，所提出的能量吸收部件可以将用连续长丝纤维加强的结构的良好的能量吸收属性与非纤维加强的结构或仅用短纤维或长纤维加强的结构的复杂几何形状的优点组合。用连续长丝纤维加强的结构可以通过多种破坏机制吸收能量，特别是通过使连续长丝纤维断裂所需的能量，以及通过连续长丝纤维加强的材料的多个层的分层所需的能量。所提出的辅助结构在此具有特别有利的效果，因为这在涉及横向方向上的力的撞击的情况下防止用连续长丝纤维加强的结构的屈曲或侧向脱离。通过引入插入件可以有利地进一步改善经由所述能量吸收部件的限定且受控的破坏所实现的受控能量吸收。这些插入件可以在撞击方向上查看时布置在芯结构的前面，而且提供用于破坏芯结构的限定的起始点。因此，通过引入辅助结构和可选地引入插入件以受控的方式规定所述能量吸收部件的失效机制，以使得不仅在发生正面撞击的情况下允许控制所述部件的失效行为，而且在具有横向分量的力的作用的情况下允许控制所述部件的失效行为。因此，即使在条件不理想的情况下，本发明的能量吸收部件也能够实现所规定的能量吸收。在此特别地通过选择芯结构的数目、选择芯结构的材料、选择芯结构的纤维材料、选择芯结构中的纤维的比例、选择芯结构的壁厚度和/或选择布置在芯结构上的插入件的接触部位的数目来规定在发生撞击的情况下的失效行为。
优选的是，所述能量吸收部件包括接合在一起的至少两个辅助结构。在此所述辅助结构可以例如通过连接元件(诸如螺钉或铆钉)或通过焊接或胶合来连接。多个辅助结构的连接还允许在铸造过程中容易地制造具有底切部的结构。
本发明的另一方面是提供一种用于生产此能量吸收部件的方法。在所述能量吸收部件的描述的上下文中公开的特征在此也被认为对于所述方法公开，且反过来，在所述方法的上下文中描述的特征也被认为是与能量吸收部件相关地公开的。
在所提出的用于生产具有至少一个芯结构和至少一个辅助结构的能量吸收部件的方法中，将至少一个芯结构或至少一个板状半成品放置在一个模具内。所述模具包括可在相反方向上移动的至少两个模具轮廓，其中所述模具轮廓的突出区域和凹陷区域包括辅助结构的负像。所述芯结构且相应地所述板状半成品由选自金属或用连续长丝纤维加强的聚合物材料的第一材料制造。
在所述方法的一个随后的步骤中，关闭所述模具，其中在关闭所述模具时，可选地插入的半成品被改型成芯结构。然后将第二材料注射到关闭的模具内，其中在此形成所述至少一个辅助结构。所述第二材料是无纤维的聚合物材料或是包括用于加强的短纤维或长纤维的聚合物材料。在生产所述辅助结构之后，再次打开所述模具并且移除所述生产的部件。
如在第二变体中，如果将所述板状半成品插入到所述模具内，则这优选地是用连续长丝纤维加强的热塑性层压材料。它例如是包括一层或多层由连续长丝纤维制造的编织织物的有机片材，或是由单向连续长丝纤维加强且由聚合物基质预浸渍的带构成的直纹稀松布织物。
在本发明的范围内，同样可能的是，半成品通过隔离方法被预先改型。例如，使用的半成品或预成形件可以预先在另一个位置生产，且由此获得的芯结构只能放置到注射模具内中进行最终生产。
放置到模具内的半成品优选地在放置之前被加热，以使得所述模具可以改型成最终形状。
优选的是，在关闭所述模具之前，将至少一个插入件附加地放置在所述模具内。在此所述插入件可以例如被布置成：当在所述能量吸收部件的撞击方向上查看时，所述插入件布置在芯结构的前面。所述插入件优选地由金属或聚合物制造，其中特别优选地是金属。
附加地或替代地，还可以在铸造辅助结构之后布置至少一个插入件。为此，优选的是，在所述辅助结构上设置连接结构(诸如卡扣元件或闩锁元件)，和/或所述插入件可以通过螺纹紧固、铆接或胶合连接到所述辅助结构。
在打开所述模具之后，可以移除成形的部件并且将所述部件插入到壳体内。在此所述部件可以例如通过使用焊接、胶合或铆接的结合方法牢固地连接到所述壳体。所述壳体可以在位于所述能量吸收部件的轴向方向上的区域处开口。
在生产所述辅助结构之后可以设置，存在于所述能量吸收部件中的腔填充有泡沫。位于所述芯结构的零件和/或所述辅助结构的零件和可选地存在的壳体之间的腔在此也可选地被填充。优选的是，孔和/或通道被布置在芯结构中和/或至少一个辅助结构中，用于引入泡沫。用泡沫填充所述腔可以发生在从所述模具移除所述部件之后。替代地，可以在从所述模具移除之前更换所述模具的零件，使得形成新的腔，然后可以用泡沫填充所述腔。
优选的是，借助于所提出的方法生产的多个部件通过接合方法(诸如胶合、焊接、铆接或螺纹紧固)彼此连接，以形成更大的能量吸收部件。然而，每个包括至少一个芯结构和至少一个辅助结构的部件本身形成一个功能性能量吸收部件。
所提出的生产方法允许同时制造由半成品制成的用连续长丝纤维加强的芯结构，以及至少一个辅助结构。在此有利的是，所述至少一个芯结构和所述至少一个辅助结构可以同时彼此材料锁合地连接。为此，所述至少一个芯结构的第一材料的聚合物和所述至少一个辅助结构的第二材料的聚合物有利地选择为相同或相容，以使得所述至少一个辅助结构可以喷射(anspritzen)到所述至少一个芯结构上。
在所提出的方法中，有利地可以适当地调整力-位移特性以及可吸收的能量，而不改变所述模具。为此可以简单地通过适当调整放置在所述模具内的芯结构或所使用的芯结构的数目。如果使用半成品，同样可以适当调整放置的半成品的数目以及半成品的材料。在此有利地不要求模具的复杂的改变或重新生产。
此外，将所述能量吸收部件分离成芯结构和辅助结构便于将附加的功能集成到所述部件中。如果所述至少一个辅助结构是例如通过注射成型方法生产的，则可以利用由注射成型技术提供的所有可能性。凸缘的喷射，保留系统、孔、螺纹插入件和卡扣连接器的集成同样是可能的，如所述插入件(例如由金属制造的插入件)的进一步功能集成一样。以此方式，所描述的本发明可以实现一种部件，所述部件一方面具有在发生撞击的情况下所需的能量吸收属性，且另一方面承担其他主要或次要结构功能。例如，本发明中所描述的能量吸收部件可以是用于高度集成的车辆冷却器保持器的保持系统的一部分，或车辆的车体中的加劲插入件的一部分。
在本发明的一个特别优选的实施方案中，由金属制造的单独存在的插入件在注射成型过程期间或之后伴随地集成到所述能量吸收部件内。此集成的插入件的第一个功能可以在于将相邻的零件连接到所述能量吸收部件上。这些在车辆的前部区域中可以例如是用于灯、冷却器或其他辅助组件的保持系统。借助于所述插入件，所述能量吸收部件的紧固优选地还可以出于力传输的目的而提供特定的支撑和加强。
所提出的能量吸收部件特别地适合于用在机动车辆中。机动车辆中可能的安装部位例如是在发动机罩下方、在侧向底梁的区域中、在车门模块中或在包层元件下方在内部。除了用在机动车辆中之外，另一个可能性是在包装技术中使用所述能量吸收部件以用于保护要求包装的商品。
另一个应用例如是所述能量吸收部件在道路交通应用中的固定使用，例如在指示牌、交通护栏、车道分离带或建筑工地处的临时结构中的固定使用，或在要求保护的建筑物上的固定使用。在此在发生车辆撞击的情况下，动能以受控的方式消散，使得车辆乘员仅被暴露于较小的负载。
附图说明
在图中描绘了本发明的实施例，且在下文的描述中更详细地解释了本发明的实施例。
图1是根据本发明的能量吸收部件的透视图，
图2A示出了通过放置芯结构生产能量吸收部件，
图2B示出了通过放置半成品生产能量吸收部件，
图3是具有连接区域的能量吸收部件的透视图，
图4是具有壳体的能量吸收部件的透视图，
图5示出了能量吸收部件中的插入件的布置，
图6是用连续长丝纤维加强的部件的失效机制的示意性视图，
图7A、图7B和图7C示出了芯结构的多种轮廓形状，以及
图8A和图8B示出了插入件的多个实施方案。
具体实施方式
图1是根据本发明的能量吸收部件1的透视图，能量吸收部件1具有芯结构10和辅助结构12。芯结构10材料锁合地与辅助结构12连接。在所描绘的实施方案中，芯结构10具有大致管的形状，其中在该管形状的两个相对端中的每个处，肋布置在该管的弯曲外表面上，所述肋与辅助结构12的第一肋16无缝地邻接。该第一肋16布置在在轴向方向上延伸的第一平面中。该轴向方向在图1中由附图标记2指示。
辅助结构12附加地包括大量第二肋14，第二肋14布置为平行于同样在轴向上延伸的第二平面。第二平面相对于第一平面旋转，使得在第一平面和第二平面之间包括90°的角度。第二肋14与第一肋16交叉。此外，设置了大量第三肋15，每个第三肋15布置为平行于相对于该轴向方向垂直延伸的第三平面。第一肋16与第二肋14和第三肋15一起形成长方体形区域，其中该长方体的一侧是敞开的。具有肋14、15、16的辅助结构12在此支撑芯结构10，使得当处于不仅仅是在轴向方向上起作用而且还包括横向分量的力的作用下时，它不弯曲或不经受侧向断裂。
在图1中所描绘的实施方案中，长方体形区域中的一些通过对角肋18被进一步分割，其中每个长方体形区域通过对角肋18被分割成两个三角形区域。三角形形状表现出特别高的刚度，且进一步加强辅助结构12。
位于肋14、15、16和18之间的区域优选地填充有泡沫(图1中未描绘)。结构10、12进一步由泡沫支撑。此外，在发生撞击的情况下，有利地防止或至少抑制结构10、12的碎片不受控制地飞出去。
能量吸收部件1的辅助结构12优选地在注射成型方法中生产。为此，肋14、15、16和18的布置使得相对于对称平面20没有产生底切部。因此，图1中描绘的辅助结构12的形状可以容易地通过注射成型生产。芯结构10不是通过注射成型生产的，而是在放置在模具内时已经是成品芯结构10或半成品，如下文参考图2A和图2B描述的。
图2A和图2B示意性地描绘了能量吸收部件1的生产。图2A和图2B中的每个示出了包括两个模具轮廓23的模具22。模具轮廓23包括突出区域24和凹陷区域25，凹陷区域25提供了用于辅助结构的阴模。可以使模具轮廓23朝向彼此移动，以关闭模具22。
在图2A中描绘的实施方案中，在模具22关闭之前将芯结构10放置在模具22内。在描绘的实施例中，芯结构10由用连续长丝纤维加强的第一聚合物材料构成。在模具22关闭之后，将第二聚合物材料注射到模具22内以产生辅助结构。第一聚合物材料的聚合物和第二聚合物材料的聚合物在此被选择成相同的或彼此相容的，以使得产生的辅助结构材料锁合地与芯结构10连接。在制造所述辅助结构之后，再次打开模具22，且移除所制造的能量吸收部件。替代地，可以由金属制造芯结构10并且将辅助结构10注射在所述芯结构周围。在该情况下，金属芯结构被放置在适当的模具内，且第二材料被注射在所述金属芯结构周围，因此在所述金属芯结构周围产生辅助结构。
在图2B中描绘的生产方法的变体中，将半成品11代替芯结构10放置在模具22内。在此实施例中，该半成品进而由用连续长丝纤维加强的聚合物材料制造。如果选择热塑性塑料作为第一聚合物材料的聚合物，则在放置在模具22内之前加热半成品11。如果使用热固性塑料，则塑料尚未被硬化。在关闭模具22时，该模具对半成品11施加压力，使得该半成品改型成芯结构10。在关闭模具22之后，再次注射第二聚合物材料以形成辅助结构。
图3描绘了能量吸收部件1的另一个变体。如上文关于图1描述的，能量吸收部件1包括芯结构10和与所述芯结构材料锁合地连接的辅助结构12。图3中描绘的辅助结构12附加地包括连接区域30，通过连接区域30可以将能量吸收部件1固定在其使用位置处或能够将其连接到其他部件。为此，该能量吸收部件当在轴向方向上查看时其后侧处包括具有孔36的紧固板32。在能量吸收部件1的上侧处布置有两个螺钉圆顶34。螺钉圆顶34可以例如被用来固定其他部件。
紧固板32和螺钉圆顶34这二者在此都被设计为辅助结构12的一部分，且优选地通过注射成型与辅助结构一起制造。
图4描绘了包括壳体40的能量吸收部件1。在壳体40中，容纳芯结构10以及材料锁合地连接到芯结构10的辅助结构12，如关于图1描述的。在壳体40的内部，在壳体和容纳在其内的结构10、12之间，留有腔42，腔42优选地由泡沫(图4中未描绘)填充。结构10、12被嵌入泡沫内并且通过泡沫连接到壳体40。在不同的实施方案变体中，腔42完全填充有泡沫，或泡沫仅被布置在腔42内的选定部位处。
图5示出了插入件50在能量吸收部件1的芯结构10处的布置。在描绘的实施例中，插入件50实施为矩形框架，且在四个接触部位52处与用连续长丝纤维加强的芯结构10接触。在轴向方向上查看，插入件50在芯结构10的前面，使得在发生碰撞的情况下，插入件50被迫使进入芯结构10内或穿过芯结构10。在接触部位52处，插入件50像刀的一样切割到芯结构10内，且因此规定芯结构10中的裂缝的起点。这确保芯结构10的限定的破坏行为或失效行为。
插入件50可以例如通过布置在辅助结构12上的连接元件连接，所述连接元件诸如是闩锁元件或卡扣元件。其他可能的连接例如是插入件50的螺纹固紧或铆接以及接合方法，诸如胶合或焊接的使用。替代地或附加地，插入件50可以与芯结构10和辅助结构12一起嵌入泡沫内。
在图6中在用连续长丝纤维加强的板60上示意性地描述用连续长丝纤维加强的部件的失效机制。连续长丝纤维64例如采用编织织物、多层直纹稀松布织物的形式或带的形式布置。在描绘的实施例中，连续长丝纤维64被布置在多个层62中。来自上方的力的作用使连续长丝纤维64在两个裂缝66处断裂。连续长丝纤维64的断裂需要大量能量，使得板60吸收大量能量。此外，在个体纤维层62之间发生分层，其中在图6中描绘的实施例中，一些纤维层向前倾斜并且一些纤维层向后倾斜。分层也需要能量，使得还通过此第二失效机制吸收能量。
在两种情况下对撞击能量的理想吸收的要求是裂缝66从上向下延伸穿过板60。板60的侧向脱离将使板60避开作用在其上的力而能量不会如预期的以裂缝和分层的形式被吸收。因此，根据本发明的辅助结构12有利地用于支撑用连续长丝纤维加强的芯结构10，且确保即使在具有横向分量的力作用的情况下，根据本发明的能量吸收部件也吸收所作用的能量。
图7A、图7B和图7C通过实施例的方式示出了芯结构10的三种不同形状。所述形状中的每个被描绘为在轴向方向上查看的横截面。
图7A示出了具有四个棱角(Kante)的中空轮廓。此芯结构例如可以从两个结合在一起的有机板材获得。为此第一有机板材经受褶皱成形(Drapiert)且然后例如通过焊接或胶合而材料锁合地接合到第二有机板材板。
图7B示出了“Ω”形芯结构。此形状具有两个棱角以及连接这些棱角的圆弧，且可以例如通过机板材的打皱来获得。如果两个这样的具有“Ω”形的芯结构被例如通过焊接或胶合而镜像地彼此接合，则获得在管的外表面上具有两个肋的管形状，如图1、图3、图4和图5中描绘的。
图7C示出了具有四个棱角的芯结构，该芯结构对应于图7A中的形状但未通过与第二有机板材的连接而关闭。
除了图7A、图7B和图7C中描绘的实施例之外，还可以想到用于芯结构的其他形状。如果芯结构由金属制造，则该芯结构特别地可以构造为缩短到所需长度的金属轮廓或管。
图8A和图8B描绘了插入件50的两个实施例。
图8A中示出的插入件50实施为扁平金属环。
图8B示出了三角形形状的插入件50。图8B中的插入件50附加地包括呈螺纹38形式的连接元件，以使得插入件50提供了用于固定其他部件的附加可能性。
附图标记的列表
1 能量吸收部件
2 轴向方向
10 芯结构
11 半成品
12 辅助结构
14 第二肋
15 第三肋
16 第一肋
18 对角肋
20 对称平面
22 模具
23 模具轮廓
24 突出区域
25 凹陷地区
30 连接区域
32 紧固板
34 螺钉圆顶
36 孔38螺纹
40 壳体
42 腔
50 插入件
52 接触部位
60 板
62 纤维层
64 纤维
66 裂缝

Claims (16)

1.一种用于吸收其上的撞击能量的能量吸收部件(1)，其中所述能量吸收部件(1)能够因撞击而塑性变形，其特征在于
所述能量吸收部件(1)包括至少一个芯结构(10)和至少一个辅助结构(12)，其中所述至少一个芯结构(10)由第一材料制造，所述第一材料是金属或用连续长丝纤维加强的聚合物材料，且所述至少一个辅助结构(12)由第二材料制造，所述第二材料是非加强的聚合物材料或由短纤维或长纤维加强的聚合物材料，
其中所述至少一个辅助结构包括肋(14，15，16，18)，且所述至少一个辅助结构(12)被连接到至少一个芯结构(10)，
其中所述能量吸收部件(1)被配置为通过所述能量吸收部件(1)的限定且受控的破坏来吸收能量，其中通过所述至少一个芯结构吸收所述能量的大部分，且其中所述至少一个芯结构(10)经由多种破坏机制来吸收能量，
其中所述能量吸收部件(1)还包括至少一个插入件(50)，其中所述插入件(50)被布置成在撞击作用于所述部件上的一侧上与一个芯结构(10)接触，使得在发生所述能量吸收部件上的撞击的情况下，所述插入件与所述芯结构接触的接触部位形成用于受控破坏芯结构的起始点，在所述起始点吸收能量。
2.根据权利要求1所述的能量吸收部件(1)，其特征在于，所述能量吸收部件(1)能够因撞击而至少部分地被破坏。
3.根据权利要求1所述的能量吸收部件(1)，其特征在于，所述芯结构(10)的形状是管或中空平截头圆锥体，或在垂直于轴向方向的截面中查看的芯结构(10)包括至少一个棱角。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的能量吸收部件(1)，其特征在于，在垂直于轴向方向的截面中查看的芯结构(10)是波状的、锯齿形的或Ω形的，或由线性区段和/或弯曲区段构成。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的能量吸收部件(1)，其特征在于，所述至少一个芯结构(10)的壁厚度在轴向方向上增大或减小。
6.根据权利要求1或2所述的能量吸收部件(1)，其特征在于，所述辅助结构(12)包括至少一个第一肋(16)，所述至少一个第一肋(16)在轴向方向上的第一平面中延伸并且与在轴向方向上的第二平面中延伸的至少一个第二肋(14)连接，所述第二平面相对于所述第一平面旋转。
7.根据权利要求6所述的能量吸收部件(1)，其特征在于，所述辅助结构(12)还包括至少一个第三肋(15)，所述至少一个第三肋(15)相对于轴向方向垂直地布置。
8.根据权利要求1至3中的任一项所述的能量吸收部件(1)，其特征在于，所述连续长丝纤维和/或所述短纤维或长纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维、玄武岩纤维、硼纤维、金属纤维或钛酸钾纤维。
9.根据权利要求1至3中的任一项所述的能量吸收部件(1)，其特征在于，所述插入件(50)至少部分地覆盖所述芯结构(10)，和/或所述插入件(50)包括用于连接到其他部件的连接元件。
10.根据权利要求9所述的能量吸收部件(1)，其特征在于，所述插入件(50)在1至10个接触部位处接触所述芯结构(10)。
11.根据权利要求1至3中的任一项所述的能量吸收部件(1)，其特征在于，通过选择芯结构(10)的数目、选择所述第一材料、选择所述至少一个芯结构(10)的壁厚度和/或选择布置在所述芯结构(10)上的插入件(50)的接触部位的数目来设定撞击时限定的失效行为。
12.根据权利要求1至3中的任一项所述的能量吸收部件(1)，其特征在于，所述至少一个辅助结构(12)包括至少一个连接区域(30)。
13.根据权利要求1至3中的任一项所述的能量吸收部件(1)，其特征在于，所述能量吸收部件(1)包括一个壳体(40)，在所述壳体(40)中容纳所述至少一个芯结构(10)和所述至少一个辅助结构(12)。
14.一种用于生产根据权利要求1所述的能量吸收部件(1)的方法，所述能量吸收部件(1)具有至少一个芯结构(10)和至少一个辅助结构(12)，所述方法包括以下步骤：
a)将由第一材料生产的至少一个芯结构(10)或由用于生产芯结构(10)的第一材料生产的至少一个板状半成品(11)放置到一个模具(22)内，所述模具(22)包括在相反方向上能移动的至少两个模具轮廓(23)，其中所述模具轮廓(23)的突出区域(24)和凹陷区域(25)包括辅助结构(12)的负像，且其中所述第一材料选自金属或用连续长丝纤维加强的聚合物材料，
b)关闭所述模具(22)，其中在关闭所述模具(22)时，可选地插入的至少一个板状半成品(11)改型成芯结构(10)，
c)将第二材料注射到所述模具(22)内，其中形成所述至少一个辅助结构(12)，且其中所述第二材料是非纤维加强的聚合物或用短纤维或长纤维加强的聚合物材料，
d)打开所述模具(22)并且移除所述部件(1)，
在步骤a)中，将至少一个插入件(50)附加地放置在所述模具(22)内。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在从所述模具(22)移除所述部件(1)之后，用泡沫填充所述能量吸收部件(1)的腔(42)。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，通过选择所述至少一个芯结构(10)来设定所述能量吸收部件(1)的力-位移特性。
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