CN108791113A - 具有低峰值吸能结构的高集成一体化汽车顶棚 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有低峰值吸能结构的高集成一体化汽车顶棚，包括：顶棚外板、低峰值吸能结构层、内饰板；低峰值吸能结构层是由多个单元胞体在X向上依次排列组合而成的立体结构；单元胞体由从上之下间隔均布设置的内凹四边形吸能部和用于连接相邻两个内凹四边形吸能部的连接板构成；内凹四边形吸能部包括水平方向对称设置的两个第一横向吸能部、竖直方向上与第一横向吸能部对称设置的两个第二横向吸能部、水平方向对称设置的两个第一竖向吸能部、竖直方向上与第一竖向吸能部对称设置的两个第二竖向吸能部。该顶棚碰撞初始峰值低，吸能过程稳定，吸能效果好，安全性和舒适性可同时保证。

Description

具有低峰值吸能结构的高集成一体化汽车顶棚
技术领域
本发明属于汽车用零部件领域,具体涉及一种具有低峰值吸能结构的高集成一体化汽车顶棚。
背景技术
汽车顶棚是汽车车身的重要组成部分之一，它不仅可以提高与车外的隔音效果，提高吸音效果，降低车内噪声，提高乘坐舒适性；还可以在汽车翻车或者重物坠落时，对汽车起到缓冲吸能的作用，从而提高乘坐的安全性。此外，汽车顶棚本体与内饰板中间还要走线，通过电线传送控制指令，实现汽车的智能控制。
现有汽车顶棚大都采用多层材料复合成型，例如中国专利CN 205930567 U公开了“一种汽车顶棚结构”，包括顶棚本体、设置在顶棚本体上的内饰板，所述内饰板由上至下包括第一基板、杀菌板、第二基板、隔音板；所述第一基本包括上饰板层、支架层和下饰板层，所述支架层呈瓦楞状或蜂窝状中空结构，通过采用中空结构降低自重，提高零件抗冲击强度，实现零件轻质化。然而，该顶棚结构复杂，在生产制造过程中工序繁琐，而且没有考虑汽车顶棚吸能问题，导致乘车安全性不能得到保证。
为了提高顶棚的吸能效果，提高汽车顶棚碰撞时的安全性能，中国专利CN106143386 A公开了“车内顶棚吸能结构、车辆顶棚以及车辆”，该车辆顶棚包括顶棚钣金、顶棚内饰板，在顶棚钣金与顶棚内饰板之间形成空腔，空腔内设有吸能结构；所述吸能结构包括基板、加强肋、溃缩部，加强肋和溃缩部相互结合，使乘员头部遭受的碰撞力能够得到较好的分散及吸收，提高了车辆侧碰或侧翻时对乘员的安全保护，降低了乘员被伤害的风险。然而，这种吸能结构吸能过程不稳定，从它的加速度曲线中可以看出，存在曲线斜率的阶跃点，意味着反力也会有大的波动，虽然反力最大值在人体的承受阈值之内，但是这种波动仍会给人体带来很大的损伤，仍存在安全隐患，同时这种结构轻量化效果不佳。另外，现有顶棚还可以在顶棚钣金与顶棚内饰板之间设置六边形蜂窝吸能结构，或填充柔韧性比较好的缓冲吸能结构或泡沫缓冲吸能结构来减轻司乘人员头部所受到的撞击力度，但六边形蜂窝吸能结构碰撞初始峰值高，会给人体带来很大的冲击力，对人员造成一定伤害，同时也不利于吸能；填充柔韧性好的缓冲吸能结构或泡沫缓冲吸能结构后，顶棚的机械强度无法保证，而且泡沫结构的孔隙利用率很低，仍不能很好的起到吸能效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有低峰值吸能结构的高集成一体化汽车顶棚，以解决现有汽车顶棚结构复杂，生产工序繁琐，碰撞初始峰值高，吸能过程不稳定，吸能效果不好，安全性和舒适性无法同时保证技术难题。
为实现上述目的，本发明是采用如下技术方案实现的：
一种具有低峰值吸能结构的高集成一体化汽车顶棚，包括：顶棚外板、低峰值吸能结构层、内饰板；所述低峰值吸能结构层设置于顶棚外板与内饰板之间；所做的改进是：所述低峰值吸能结构层是由多个单元胞体在X向上依次排列组合而成的立体结构；
所述单元胞体由从上至下间隔均布设置的内凹四边形吸能部和用于连接相邻两个内凹四边形吸能部的连接板构成，通过连接板使单元胞体上形成多个内凹四边形吸能孔和六边形吸能孔；
所述内凹四边形吸能部为左右对称的结构，包括水平方向对称设置的两个第一横向吸能部、竖直方向上与第一横向吸能部对称设置的两个第二横向吸能部、水平方向对称设置的两个第一竖向吸能部、竖直方向上与第一竖向吸能部对称设置的两个第二竖向吸能部；其中，水平方向对称设置的两个第一横向吸能部相连，之间的夹角为β；两个所述的第二横向吸能部相连，之间的夹角为β；所述第一竖向吸能部与第二竖向吸能部相连，之间的夹角为β，所述β的范围为120°-150°；所述第一横向吸能部与第一竖向吸能部相连；所述第二横向吸能部与第二竖向吸能部相连；在所述第一横向吸能部与第一竖向吸能部连接端的外表面加工有一个水平连接面和一个竖直连接面；在第二竖向吸能部与第二横向吸能部连接端的外表面同样加工有一个水平连接面和一个竖直连接面；所述竖直连接面用于与另外一个单元胞体在X向进行连接；所述水平连接面用于通过连接板将多个内凹四边形吸能部在Y向进行连接。
作为本发明的优选，所述的低峰值吸能结构层为3D打印的一体式结构，构成低峰值吸能结构层中单元胞体上的第一横向吸能部、第二横向吸能部、第一竖向吸能部、第二竖向吸能部的壁厚与连接板的壁厚相同，且第一横向吸能部、第二横向吸能部、第一竖向吸能部、第二竖向吸能部的长度与宽度与连接板的长度与宽度相同；单元胞体的高度为H，内凹四边形吸能部的层数为N，连接板的宽度为L；
H＝(N-1)×L+2L sin(β/2)×N。
作为本发明的进一步优选，所述顶棚外板采用高强钢、碳纤维等高强度材料；所述低峰值吸能结构层采用PP、PLA等塑料材料；所述内饰板采用改性PP材料；所述内凹四边形吸能部的层数N在4-15层，最好取6-10层。
作为本发明的更进一步优选，在所述六边形吸能孔内部可以填充隔热材料、吸音材料或杀菌材料，不仅可以实现孔隙的高利用率，同时还可减少了原来的隔热层、吸音层、杀菌层、走线，实现高度的集成化。
本发明的优点和有益效果是：
(1)本发明提供的汽车顶棚结构简单，大大降低了顶棚设计的复杂程度，其吸能过程稳定，吸能效果好，适应性强，可适应很多车型。此外，该汽车顶棚通过对现有汽车顶棚结构进行改进，增加低峰值吸能结构层，利用低峰值吸能结构层中各个单元胞体上的吸能件，使侧面碰撞初始峰值降低；同时利用单元胞体零泊松比效应，使碰撞过程中，材料不向四周膨胀，而是沿着冲击方向聚集压缩，充分吸能，使能量得到更大的吸收，能更好的保护驾驶员生命安全，同时减少材料在压缩吸能时的溢出。
(2)本发明提供的汽车顶棚利用多胞结构的吸能孔增加变形空间，在六边形蜂窝孔优异吸能性能的条件下，利用内凹四边形吸能部结构的零泊松比效应以及易旋转特性，降低其碰撞初始峰值，从而防止冲击反力过大，对人员造成伤害，提高乘车安全性。而且采用该汽车顶棚，在满足强度的要求下，其耐撞性增强，重量更轻。
(3)本发明以四边内凹的单元胞体作为最小单元进行填充，使碰撞初始峰值较低，与平台应力区相近，有利于保护驾驶员生命安全，同时应力平台区长而稳，使吸能过程较稳定，吸能效果更好。
(4)本发明的汽车顶棚的低峰值吸能结构层可以直接采用3D打印的方式打印，不需要焊接等装配工艺，使其接合牢固，经济性好，可大大降低工艺复杂度，降低生产成本、提高生产效率。
(5)本发明的汽车顶棚集成度高，充分利用吸能结构的孔隙，可直接在吸能孔内添加吸音材料等，兼顾了隔热性、吸音性等，保证驾驶舒适性；同时一定程度上也减少了一些不需要的隔层，有利于电线的走线，适合工厂的快节拍生产方式，实现汽车的轻量化，还可降低油耗。
附图说明
图1为汽车顶棚的示意图。
图2为单元胞体X向排列后的结构示意图。
图3为单元胞体X向排列后的主视图。
图4为内凹四边形吸能部的结构示意图。
图5为内凹四边形吸能部的主视图。
图6为填充吸音材料后汽车顶棚的示意图。
图7为本发明与六边形蜂窝结构吸能件碰撞初始峰值对比图。
具体实施方式
为使本领域技术人员能够更好的理解本发明的技术方案及其优点，下面结合附图对本申请进行详细描述，但并不用于限定本发明的保护范围。
参照图1，本发明提供的一种具有低峰值吸能结构的高集成一体化汽车顶棚，包括：顶棚外板1、低峰值吸能结构层2、内饰板3；其中，所述低峰值吸能结构层2设置于顶棚外板1与内饰板3之间；低峰值吸能结构层2、顶棚外板1、内饰板3通过粘接连接，形成三明治结构；所述顶棚外板1采用高强钢、碳纤维等高强度材料；所述低峰值吸能结构层2采用PP、PLA等塑料材料；所述内饰板3采用改性PP材料。
参照图2、图3，所述低峰值吸能结构层2是由多个单元胞体A在X向上依次排列组合而成的立体结构；所述单元胞体A由从上至下间隔均布设置的内凹四边形吸能部21和用于连接相邻两个内凹四边形吸能部的连接板22构成，通过连接板22使单元胞体上形成多个内凹四边形吸能孔23和六边形吸能孔24,利用内凹四边形吸能孔23和六边形吸能孔24在碰撞过程中的形变充分吸能，同时利用内凹四边形吸能孔23降低碰撞初始峰值，使其与平台应力区相近，使吸能过程较稳定，更好的保护驾驶员生命安全。
参照图4、图5，所述内凹四边形吸能部21为左右对称的结构，包括水平方向对称设置的两个第一横向吸能部a、竖直方向上与第一横向吸能部对称设置的两个第二横向吸能部b、水平方向对称设置的两个第一竖向吸能部c、竖直方向上与第一竖向吸能部对称设置的两个第二竖向吸能部d；其中，水平方向对称设置的两个第一横向吸能部a相连，之间的夹角为β；两个所述的第二横向吸能部b相连，之间的夹角为β；所述第一竖向吸能部c与第二竖向吸能部d相连，之间的夹角为β，所述β的范围为120°-150°；所述第一横向吸能部a与第一竖向吸能部c相连；所述第二横向吸能部b与第二竖向吸能部d相连；在所述第一横向吸能部a与第一竖向吸能部c连接端的外表面加工有一个水平连接面e和一个竖直连接面f；在第二竖向吸能部d与第二横向吸能部b连接端的外表面同样加工有一个水平连接面e和一个竖直连接面f；所述水平连接面e用于通过连接板22将多个内凹四边形吸能部21在Y向进行连接；所述竖直连接面f用于与另外一个单元胞体在X向进行连接。
本发明所述的低峰值吸能结构层为3D打印的一体式结构，构成低峰值吸能结构层中单元胞体A上的第一横向吸能部a、第二横向吸能部b、第一竖向吸能部c、第二竖向吸能部d的壁厚与连接板的壁厚相同，且第一横向吸能部a、第二横向吸能部b、第一竖向吸能部c、第二竖向吸能部d的长度与宽度与连接板的长度与宽度相同；单元胞体A的高度为H，内凹四边形吸能部的层数为N,连接板的宽度为L；
H＝(N-1)×L+2L sin(β/2)×N。
在实际制作过程中，根据具体车型而定，一旦H确定，通过控制N、β、L三个参数来合理设计低峰值吸能结构层的结构。本发明的单元胞体设计成上述结构能够使单元胞体受力变形稳定，传力效果更好。
本发明所述的汽车顶棚，中间低峰值吸能结构层2厚度越厚，容纳的层数越多，吸能效果越好，但是层数越多，不仅受空间限制，而且顶棚结构越重，这是轻量化与安全性的博弈，因为采用多胞材料的填充，在原来其他条件保持不变的情况下，一定会变轻，因此我们可以在保证原汽车顶棚重量的前提下，在内部空间允许的情况下，尽可能地多加层数，提高吸能量。根据现有汽车顶棚的内部空间情况来看，一般控制低峰值吸能结构层2中内凹四边形吸能部的层数N在4-15层，最好取6-10层。
本发明的汽车顶棚在碰撞冲击过程中，单元胞体的胞壁(第一横向吸能部、第二横向吸能部、第一竖向吸能部、第二竖向吸能部)逐渐填充了吸能孔隙部分，孔隙部分就是所谓的吸能空间，为单元胞结构的变形提供空间条件，从而吸收更多的能量；此外，由于该结构具备零泊松比现象，在碰撞冲击过程中，材料不向四周延伸，只在压缩方向变形，每个单元胞体的材料都往各自中心处聚集，后期呈现越压越硬，这也就保证了汽车顶棚的刚度条件，不至于被撞坏，综合这两个优点，通过合理的设计，将在保证汽车顶棚刚度与强度的条件下，尽可能吸收更多的碰撞能量，一方面保护了驾驶员的安全，另一方面也降低了汽车顶棚的破坏程度。采用本发明的单元胞结构在冲击碰撞过程中，由于各个吸能部内凹，所以相对更容易发生变形，使初始峰值大大降低，同时由于内凹带来的零泊松比效应，使得在冲击过程中，伴随着一段长而稳的应力平台区，吸能过程更加平稳，吸能量也大大增多。
参照图6，由于设计汽车顶棚时不仅需要考虑安全性，同时还有考虑舒适性，所以为了节省空间，本发明在所述六边形吸能孔内部填充隔热材料、吸音材料或杀菌材料，这样不仅可以实现孔隙的高利用率，同时还可减少了原来的隔热层、吸音层、杀菌层、走线，实现高度的集成化。
工作原理：
当汽车受到碰撞时，顶棚内部的低峰值吸能结构层2将受到压缩，单元胞体上各个吸能部逐渐填充周围的孔隙部分，利用变形对碰撞能量进行吸收损耗；同时，由于单元胞体结构的零泊松比效应，材料不向四周延伸，只在压缩方向变形，每个单元胞的材料都往各自中心处聚集，后期呈现越压越硬，该过程会形成一段稳而长的平台区域，处于该区域应力值基本保持不变，形成一个平台，平台区越长，所包围的面积越大，吸收能量越多，有效保护驾驶员生命安全；平台区波动越小，能量吸收过程越稳定。此外，通过合理设计单元胞体的几何结构和尺寸，使应力应变曲线中的平台区接近限定值，即在保证驾驶员生命安全的前提下，吸收尽可能多的能量，过了平台区之后将进入密实区，材料越压越实，越压越硬，保证顶棚刚度，降低对顶棚的破坏程度，此时碰撞能量也基本被吸收消耗。
性能检测：
按照现有碰撞试验，将本申请的汽车顶棚与顶棚外板与内饰板与本申请相同，中间设置有与本申请高度和层数相同的正六边形蜂窝吸能结构的汽车顶棚进行对比。
结果：从图7可以看出，本发明通过将吸能部件设计成内凹四边形结构，并通过连接板将两个内凹四边形吸能部连接，充分利用内凹四边形吸能结构吸能，大大降低正六边形蜂窝吸能结构的碰撞初始峰值，使平台区升高，平台应力上升，吸能增强，减小给人体带来的冲击力，保护驾驶者的安全。

Claims (4)

1.一种具有低峰值吸能结构的高集成一体化汽车顶棚，包括：顶棚外板、低峰值吸能结构层、内饰板；所述低峰值吸能结构层设置于顶棚外板与内饰板之间；其特征在于，所述低峰值吸能结构层是由多个单元胞体在X向上依次排列组合而成的立体结构；
所述单元胞体由从上之下间隔均布设置的内凹四边形吸能部和用于连接相邻两个内凹四边形吸能部的连接板构成，通过连接板使单元胞体上形成多个内凹四边形吸能孔和六边形吸能孔；
所述内凹四边形吸能部为左右对称的结构，包括水平方向对称设置的两个第一横向吸能部、竖直方向上与第一横向吸能部对称设置的两个第二横向吸能部、水平方向对称设置的两个第一竖向吸能部、竖直方向上与第一竖向吸能部对称设置的两个第二竖向吸能部；其中，水平方向对称设置的两个第一横向吸能部相连，之间的夹角为β；两个所述的第二横向吸能部相连，之间的夹角为β；所述第一竖向吸能部与第二竖向吸能部相连，之间的夹角为β，所述β的范围为120°-150°；所述第一横向吸能部与第一竖向吸能部相连；所述第二横向吸能部与第二竖向吸能部相连；在所述第一横向吸能部与第一竖向吸能部连接端的外表面加工有一个水平连接面和一个竖直连接面；在第二竖向吸能部与第二横向吸能部连接端的外表面同样加工有一个水平连接面和一个竖直连接面；所述竖直连接面用于与另外一个单元胞体在X向进行连接；所述水平连接面用于通过连接板将多个内凹四边形吸能部在Y向进行连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有低峰值吸能结构的高集成一体化汽车顶棚，其特征在于，所述的低峰值吸能结构层为3D打印的一体式结构，构成低峰值吸能结构层中单元胞体上的第一横向吸能部、第二横向吸能部、第一竖向吸能部、第二竖向吸能部的壁厚与连接板的壁厚相同，且第一横向吸能部、第二横向吸能部、第一竖向吸能部、第二竖向吸能部的长度与宽度与连接板的长度与宽度相同；单元胞体的高度为H，内凹四边形吸能部的层数为N，连接板的宽度为L；
H＝(N-1)×L+2Lsin(β/2)×N。
3.根据权利要求1所述的一种具有低峰值吸能结构的高集成一体化汽车顶棚，其特征在于，所述顶棚外板采用高强钢、碳纤维材料；所述低峰值吸能结构层采用PP、PLA材料；所述内饰板采用改性PP材料；所述内凹四边形吸能部的层数N在4-15层。
4.根据权利要求1所述的一种具有低峰值吸能结构的高集成一体化汽车顶棚，其特征在于，在所述六边形吸能孔内部填充隔热材料、吸音材料或杀菌材料。
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