CN108819889B - 一种连接汽车防撞梁与车架纵梁的六棱柱形吸能装置 - Google Patents

一种连接汽车防撞梁与车架纵梁的六棱柱形吸能装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种连接汽车防撞梁与车架纵梁的六棱柱形吸能装置，涉及汽车技术领域，包括大号空心六棱柱和位于其内部的小号空心六棱柱，所述大号空心六棱柱与所述小号空心六棱柱之间设有蜂窝网格结构，所述小号空心六棱柱内也设有蜂窝网格结构，所述大号空心六棱柱外包覆有薄壁钢，所述薄壁钢内侧设有开槽，所述大号空心六棱柱边长为50‑160mm，小号空心六棱柱边长为20‑100mm，所述大号空心六棱柱、小号空心六棱柱、薄壁钢三者厚度相同，均为2‑10mm，可以有效保护驾乘人员的人身安全。

Description

一种连接汽车防撞梁与车架纵梁的六棱柱形吸能装置
技术领域
本发明涉及汽车技术领域，具体涉及一种连接汽车防撞梁与车架纵梁的六棱柱形吸能装置。
背景技术
截至2017年底，中国机动车保有量达3.10亿辆，其中汽车2.17亿辆；机动车驾驶人达3.85亿人，其中汽车驾驶人3.42亿人。
汽车给居民出行带来了便利，但是随之而来的就是交通事故的增多，据报道2017年全年因为交通事故而造成的死亡人数达到6.3万人，高居世界第二，对车体加设安全防护设施，成为降低交通事故伤害的重要手段。
其中车体安全防护设施又分为两个方向，一个是加设刚性材料，比如钢制防撞梁，它的高强度和高硬度可以保护车体以及内部驾乘人员，但是后来有科学家逐渐认识到这是一个误区，比如著名的“鸡蛋实验”，将一个鸡蛋固定在一个小车上，以一定的速度撞击到木桩上，小车没有任何损坏，但是鸡蛋却碎了，如果车体是一个刚性体的话，那撞击的冲击力就全部由人来承担，从物理学的角度出发，车体越硬，碰撞时间越短，转移到人体的冲击力越大，对人造成的伤害越重；后来科学家又做了个实验，还是“鸡蛋实验”，区别在于，在小车的前端贴上了几个空的火柴盒，结果碰撞后，火柴盒完全被压瘪，但是鸡蛋却保持了完整，这就是第二个方向，加设吸能装置，目前的吸能装置(吸能盒、吸能支架)大多由刚性较低的金属构件制成，在受到撞击时容易发生折叠、变形，可以延长撞击时间、化解撞击能量，从而让最终传递到驾乘人员身上的冲击力降低，减少驾乘人员所受到的伤害。目前的吸能装置结构简单，吸能效果不好，还需要进一步改进。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种连接汽车防撞梁与车架纵梁的六棱柱形吸能装置。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种连接汽车防撞梁与车架纵梁的六棱柱形吸能装置，包括大号空心六棱柱和位于其内部的小号空心六棱柱，所述大号空心六棱柱与所述小号空心六棱柱之间设有蜂窝网格结构，所述小号空心六棱柱内也设有蜂窝网格结构，所述大号空心六棱柱外包覆有薄壁钢，所述薄壁钢内侧设有开槽，所述大号空心六棱柱边长为50-160mm，小号空心六棱柱边长为20-100mm，所述大号空心六棱柱、小号空心六棱柱、薄壁钢三者厚度相同，均为2-10mm。
进一步地，所述薄壁钢包括以下重量百分数的元素组成：C 1.5-3.2％、V 4.5-11.5％、Mn 11-14％、Cr 2.4-4.5％、Si 0.3-0.8、Zr 0.05-0.12％、P≤0.01％、S≤0.01％，其余为铁。
进一步地，所述蜂窝网格结构的制作方法为：将熔融后的填充材料注入到空芯蜂窝铝中，空芯蜂窝铝孔隙被填满后，放入30-35℃的烘箱中固化15-20h即可。
进一步地，所述填充材料由以下重量份数的成分组成：聚氨酯弹性体40-60份、乙丙橡胶弹性体20-30份、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物10-15份、纳米碳纤维5-15份、增容剂1-5份。
进一步地，所述填充材料的制备方法如下：将聚氨酯弹性体、乙丙橡胶弹性体、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物烘干除水，加入到高速混合机中再加入纳米碳纤维，400r/min混合5-10min后加入到双螺杆挤出机中，加入增容剂，调整双螺杆挤出机转速为150-160r/min，温度为170-180℃，熔融混炼8-10min后挤出，冷却造粒，即可得到所述填充材料。
进一步地，所述增容剂为SBS-g-MAH、ABS-g-MAH、PE-g-MAH中的至少一种。
进一步地，所述大号空心六棱柱与所述小号空心六棱柱的材质相同，均为碳化硼填充空芯蜂窝铝材料。
进一步地，所述碳化硼填充空芯蜂窝铝材料的具体制作方法为：将优质碳化硼陶瓷粉体加入到水中，再加入粘结剂、分散剂，高速搅拌混合制成均一浆料后注入到空芯蜂窝铝中，80-100℃固化40-60min后，再400-500℃烧结，即可得到所述碳化硼填充空芯蜂窝铝材料。
进一步地，所述粘结剂为环氧树脂粘接剂或氰基丙烯酸酯粘结剂。
进一步地，所述分散剂为DH5350、DH5380、5040中的任意一种。
聚氨酯弹性体品牌WEILIXIN/微粒信，牌号PJ-5890H；
乙丙橡胶弹性体为国产101F；
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物产自比利时根拓，品牌文茂；
纳米碳纤维品牌DK NANO产品规格150-200nm；
空芯蜂窝铝生产厂家为百世德利。
(三)有益效果
本发明提供了一种连接汽车防撞梁与车架纵梁的六棱柱形吸能装置，具有以下有益效果：
本发明六棱柱形吸能装置内部密布有六边形蜂窝网格结构，重量轻，节省材料，在碰撞时可以内陷吸能但是又不会整体溃散，后续缓速回弹，保护了驾乘人员的人身安全，内部的大号空心六棱柱和小号空心六棱柱起到结构加强的作用，起到两道拦截冲击动能的作用。
附图说明
图1为本发明六棱柱形吸能装置的结构示意图；
图2为未装备本发明吸能装置的汽车正碰模型；
图3为装备本发明吸能装置的汽车正碰模型；
图4为模拟实验碰撞加速度曲线对比结果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种连接汽车防撞梁与车架纵梁的六棱柱形吸能装置，包括大号空心六棱柱和位于其内部的小号空心六棱柱(大号空心六棱柱与小号空心六棱柱的材质相同，均为碳化硼填充空芯蜂窝铝材料)，所述大号空心六棱柱与所述小号空心六棱柱之间设有蜂窝网格结构，所述小号空心六棱柱内也设有蜂窝网格结构，所述大号空心六棱柱外包覆有薄壁钢，所述薄壁钢内侧设有开槽，所述大号空心六棱柱边长为100mm，小号空心六棱柱边长为50mm，所述大号空心六棱柱、小号空心六棱柱、薄壁钢三者厚度相同，均为6mm。
薄壁钢包括以下重量百分数的元素组成：C 1.8％、V 8.5％、Mn 12.3％、Cr2.6％、Si 0.44％、Zr 0.08％、P≤0.01％、S≤0.01％，其余为铁。
蜂窝网格结构的制作方法为：将熔融后的填充材料注入到空芯蜂窝铝中，空芯蜂窝铝孔隙被填满后，放入30-35℃的烘箱中固化16h即可。
填充材料由以下重量份数的成分组成：聚氨酯弹性体50份、乙丙橡胶弹性体26份、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物13份、纳米碳纤维8份、增容剂SBS-g-MAH 2份。
填充材料的制备方法如下：将聚氨酯弹性体、乙丙橡胶弹性体、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物烘干除水，加入到高速混合机中再加入纳米碳纤维，400r/min混合8min后加入到双螺杆挤出机中，加入增容剂，调整双螺杆挤出机转速为155r/min，温度为175℃，熔融混炼9min后挤出，冷却造粒，即可得到所述填充材料。
碳化硼填充空芯蜂窝铝材料的具体制作方法为：将优质碳化硼陶瓷粉体加入到水中，再加入环氧树脂粘接剂、分散剂DH5380，高速搅拌混合制成均一浆料后注入到空芯蜂窝铝中，90℃固化50min后，再480℃烧结，即可得到所述碳化硼填充空芯蜂窝铝材料。
实施例2：
一种连接汽车防撞梁与车架纵梁的六棱柱形吸能装置，包括大号空心六棱柱和位于其内部的小号空心六棱柱(大号空心六棱柱与小号空心六棱柱的材质相同，均为碳化硼填充空芯蜂窝铝材料)，所述大号空心六棱柱与所述小号空心六棱柱之间设有蜂窝网格结构，所述小号空心六棱柱内也设有蜂窝网格结构，所述大号空心六棱柱外包覆有薄壁钢，所述薄壁钢内侧设有开槽，所述大号空心六棱柱边长为50mm，小号空心六棱柱边长为20mm，所述大号空心六棱柱、小号空心六棱柱、薄壁钢三者厚度相同，均为2mm。
薄壁钢包括以下重量百分数的元素组成：C 1.5％、V 4.5％、Mn 11％、Cr 2.4％、Si 0.3％、Zr 0.05％、P≤0.01％、S≤0.01％，其余为铁。
蜂窝网格结构的制作方法为：将熔融后的填充材料注入到空芯蜂窝铝中，空芯蜂窝铝孔隙被填满后，放入30℃的烘箱中固化15h即可。
填充材料由以下重量份数的成分组成：聚氨酯弹性体40份、乙丙橡胶弹性体20份、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物10份、纳米碳纤维5份、增容剂ABS-g-MAH 1份。
填充材料的制备方法如下：将聚氨酯弹性体、乙丙橡胶弹性体、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物烘干除水，加入到高速混合机中再加入纳米碳纤维，400r/min混合5min后加入到双螺杆挤出机中，加入增容剂，调整双螺杆挤出机转速为150r/min，温度为170℃，熔融混炼8min后挤出，冷却造粒，即可得到所述填充材料。
碳化硼填充空芯蜂窝铝材料的具体制作方法为：将优质碳化硼陶瓷粉体加入到水中，再加入氰基丙烯酸酯粘结剂、分散剂5040，高速搅拌混合制成均一浆料后注入到空芯蜂窝铝中，80℃固化40min后，再400℃烧结，即可得到所述碳化硼填充空芯蜂窝铝材料。
实施例3：
一种连接汽车防撞梁与车架纵梁的六棱柱形吸能装置，包括大号空心六棱柱和位于其内部的小号空心六棱柱(大号空心六棱柱与小号空心六棱柱的材质相同，均为碳化硼填充空芯蜂窝铝材料)，所述大号空心六棱柱与所述小号空心六棱柱之间设有蜂窝网格结构，所述小号空心六棱柱内也设有蜂窝网格结构，所述大号空心六棱柱外包覆有薄壁钢，所述薄壁钢内侧设有开槽，所述大号空心六棱柱边长为160mm，小号空心六棱柱边长为100mm，所述大号空心六棱柱、小号空心六棱柱、薄壁钢三者厚度相同，均为10mm。
薄壁钢包括以下重量百分数的元素组成：C 3.2％、V 11.5％、Mn 14％、Cr 4.5％、Si 0.8、Zr 0.12％、P≤0.01％、S≤0.01％，其余为铁。
蜂窝网格结构的制作方法为：将熔融后的填充材料注入到空芯蜂窝铝中，空芯蜂窝铝孔隙被填满后，放入35℃的烘箱中固化20h即可。
填充材料由以下重量份数的成分组成：聚氨酯弹性体60份、乙丙橡胶弹性体30份、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物15份、纳米碳纤维15份、增容剂PE-g-MAH5份。
填充材料的制备方法如下：将聚氨酯弹性体、乙丙橡胶弹性体、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物烘干除水，加入到高速混合机中再加入纳米碳纤维，400r/min混合5-10min后加入到双螺杆挤出机中，加入增容剂PE-g-MAH，调整双螺杆挤出机转速为150-160r/min，温度为170-180℃，熔融混炼8-10min后挤出，冷却造粒，即可得到所述填充材料。
碳化硼填充空芯蜂窝铝材料的具体制作方法为：将优质碳化硼陶瓷粉体加入到水中，再加入环氧树脂粘接剂、分散剂DH5350，高速搅拌混合制成均一浆料后注入到空芯蜂窝铝中，100℃固化60min后，再500℃烧结，即可得到所述碳化硼填充空芯蜂窝铝材料。
实施例4：
一种连接汽车防撞梁与车架纵梁的六棱柱形吸能装置，包括大号空心六棱柱和位于其内部的小号空心六棱柱(大号空心六棱柱与小号空心六棱柱的材质相同，均为碳化硼填充空芯蜂窝铝材料)，所述大号空心六棱柱与所述小号空心六棱柱之间设有蜂窝网格结构，所述小号空心六棱柱内也设有蜂窝网格结构，所述大号空心六棱柱外包覆有薄壁钢，所述薄壁钢内侧设有开槽，所述大号空心六棱柱边长为100mm，小号空心六棱柱边长为30mm，所述大号空心六棱柱、小号空心六棱柱、薄壁钢三者厚度相同，均为3mm。
薄壁钢包括以下重量百分数的元素组成：C 2.5％、V 6.3％、Mn 11.5％、Cr3.3％、Si 0.35％、Zr 0.12％、P≤0.01％、S≤0.01％，其余为铁。
蜂窝网格结构的制作方法为：将熔融后的填充材料注入到空芯蜂窝铝中，空芯蜂窝铝孔隙被填满后，放入35℃的烘箱中固化15h即可。
填充材料由以下重量份数的成分组成：聚氨酯弹性体44份、乙丙橡胶弹性体26份、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物11份、纳米碳纤维6份、增容剂SBS-g-MAH2份。
填充材料的制备方法如下：将聚氨酯弹性体、乙丙橡胶弹性体、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物烘干除水，加入到高速混合机中再加入纳米碳纤维，400r/min混合6min后加入到双螺杆挤出机中，加入增容剂SBS-g-MAH，调整双螺杆挤出机转速为160r/min，温度为180℃，熔融混炼10min后挤出，冷却造粒，即可得到所述填充材料。
碳化硼填充空芯蜂窝铝材料的具体制作方法为：将优质碳化硼陶瓷粉体加入到水中，再加入氰基丙烯酸酯粘结剂、分散剂DH5380，高速搅拌混合制成均一浆料后注入到空芯蜂窝铝中，80-100℃固化40-60min后，再400-500℃烧结，即可得到所述碳化硼填充空芯蜂窝铝材料。
实施例5：
一种连接汽车防撞梁与车架纵梁的六棱柱形吸能装置，包括大号空心六棱柱和位于其内部的小号空心六棱柱(大号空心六棱柱与小号空心六棱柱的材质相同，均为碳化硼填充空芯蜂窝铝材料)，所述大号空心六棱柱与所述小号空心六棱柱之间设有蜂窝网格结构，所述小号空心六棱柱内也设有蜂窝网格结构，所述大号空心六棱柱外包覆有薄壁钢，所述薄壁钢内侧设有开槽，所述大号空心六棱柱边长为160mm，小号空心六棱柱边长为40mm，所述大号空心六棱柱、小号空心六棱柱、薄壁钢三者厚度相同，均为4mm。
薄壁钢包括以下重量百分数的元素组成：C 5％、V 8.4％、Mn 12.6％、Cr 2.5％、Si 0.3％、Zr 0.06％、P≤0.01％、S≤0.01％，其余为铁。
蜂窝网格结构的制作方法为：将熔融后的填充材料注入到空芯蜂窝铝中，空芯蜂窝铝孔隙被填满后，放入32℃的烘箱中固化16h即可。
填充材料由以下重量份数的成分组成：聚氨酯弹性体55份、乙丙橡胶弹性体30份、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物14份、纳米碳纤维8份、增容剂PE-g-MAH 1份。
填充材料的制备方法如下：将聚氨酯弹性体、乙丙橡胶弹性体、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物烘干除水，加入到高速混合机中再加入纳米碳纤维，400r/min混合7min后加入到双螺杆挤出机中，加入增容剂PE-g-MAH，调整双螺杆挤出机转速为150r/min，温度为180℃，熔融混炼10min后挤出，冷却造粒，即可得到所述填充材料。
碳化硼填充空芯蜂窝铝材料的具体制作方法为：将优质碳化硼陶瓷粉体加入到水中，再加入氰基丙烯酸酯粘结剂、分散剂5040，高速搅拌混合制成均一浆料后注入到空芯蜂窝铝中，85℃固化48min后，再460℃烧结，即可得到所述碳化硼填充空芯蜂窝铝材料。
实验1：
对蜂窝网格结构(实施例1)、填充材料、空芯蜂窝铝进行静态压缩实验，实验结果如下表1所示(都是压缩到10KN停止)：
表1：
Figure BDA0001721030060000091
单纯将聚氨酯弹性体作为吸能原件应用在车体上，的确可以起到吸能缓冲的作用，但是其体积压缩性差，横向变形较大，而且汽车碰撞方向具有不确定性，容易使汽车碰撞后回弹方向不确定，大大增加发生交通事故的风险；变形回复率较高使得汽车在接触完缓冲装置后又以一定的速度被回弹出去，容易造成汽车的二次损伤，因此，如果单纯用聚氨酯作汽车保险杠的缓冲吸能构件就有很多局限性。
利用聚氨酯弹性体作为填充材料主体，对其进行共混改性，并添加纳米碳纤维作为增韧材料，注入空芯蜂窝铝中制成的蜂窝网格结构，改善了单纯聚氨酯的体积不可压缩性，降低了变性回复率，防止二次回弹对行人或汽车造成的伤害。
实验2：
采用多刚体与有限元耦合计算的方法，采用MADYMO软件分别对装有本发明吸能装置及未装备该吸能装置的汽车在正碰(50km/h)过程中的碰撞特性进行模拟对比分析。
图2为未装备本发明吸能装置的汽车正碰模型；
图3为装备本发明吸能装置(实施例1)的汽车正碰模型；
模拟实验碰撞加速度曲线对比结果如图4所示，结果分析：装备本发明吸能装置的汽车碰撞时加速度峰值由428.10m/s2降低到312.5m/s2，降低了27％，使碰撞时间增加了约26ms(延长碰撞时间，减少了碰撞的动量)，吸收了碰撞动能的37.88％，保护了驾乘人员的人身安全。
本发明实施例1-5薄壁钢的各项力学性能如下表2所示：
表2：
Figure BDA0001721030060000101
本发明中用于包覆大号空心六棱柱的薄壁钢硬度适中，密度小，延伸率高，具有很好的弹性性能。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种连接汽车防撞梁与车架纵梁的六棱柱形吸能装置，其特征在于，包括大号空心六棱柱和位于其内部的小号空心六棱柱，所述大号空心六棱柱与所述小号空心六棱柱之间设有蜂窝网格结构，所述小号空心六棱柱内也设有蜂窝网格结构，所述大号空心六棱柱外包覆有薄壁钢，所述薄壁钢内侧设有开槽，所述大号空心六棱柱边长为50-160mm，小号空心六棱柱边长为20-100mm，所述大号空心六棱柱、小号空心六棱柱、薄壁钢三者厚度相同，均为2-10mm；
所述蜂窝网格结构的制作方法为：将熔融后的填充材料注入到空芯蜂窝铝中，空芯蜂窝铝孔隙被填满后，放入30-35℃的烘箱中固化15-20h即可；
所述填充材料由以下重量份数的成分组成：聚氨酯弹性体40-60份、乙丙橡胶弹性体20-30份、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物10-15份、纳米碳纤维5-15份、增容剂1-5份；所述增容剂为SBS-g-MAH、ABS-g-MAH、PE-g-MAH中的至少一种；
所述大号空心六棱柱与所述小号空心六棱柱的材质相同，均为碳化硼填充空芯蜂窝铝材料；
所述碳化硼填充空芯蜂窝铝材料的具体制作方法为：将优质碳化硼陶瓷粉体加入到水中，再加入粘结剂、分散剂，高速搅拌混合制成均一浆料后注入到空芯蜂窝铝中，80-100℃固化40-60min后，再400-500℃烧结，即可得到所述碳化硼填充空芯蜂窝铝材料；所述粘结剂为环氧树脂粘接剂或氰基丙烯酸酯粘结剂，所述分散剂为DH5350、DH5380、5040中的任意一种；
所述薄壁钢包括以下重量百分数的元素组成：C 1.5-3.2％、V 4.5-11.5％、Mn 11-14％、Cr 2.4-4.5％、Si 0.3-0.8％、Zr 0.05-0.12％、P≤0.01％、S≤0.01％，其余为铁。
2.如权利要求1所述的连接汽车防撞梁与车架纵梁的六棱柱形吸能装置，其特征在于，所述填充材料的制备方法如下：将聚氨酯弹性体、乙丙橡胶弹性体、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物烘干除水，加入到高速混合机中再加入纳米碳纤维，400r/min混合5-10min后加入到双螺杆挤出机中，加入增容剂，调整双螺杆挤出机转速为150-160r/min，温度为170-180℃，熔融混炼8-10min后挤出，冷却造粒，即可得到所述填充材料。
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