CN109094499B - 一种多截面多材料混合的汽车吸能盒装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多截面多材料混合的新型汽车吸能盒装置，所述吸能盒由外而内包括第一薄壁结构、第二薄壁结构、第三薄壁结构；所述第一薄壁结构内具有第一容置腔，所述第二薄壁结构置于所述第一容置腔内，所述第二薄壁结构内具有第二容置腔，所述第三薄壁结构置于所述第二容置腔内；所述第一薄壁结构、第二薄壁结构及第三薄壁结构的长度依次减小；所述第一薄壁结构、第二薄壁结构及第三薄壁结构均固定设置于一法兰盘上；所述第一薄壁结构、第二薄壁结构及第三薄壁结构的一端固定于汽车的横梁上，所述法兰盘固定连接于汽车的纵梁上；应用本技术方案可实现吸能盒的整个吸能过程持续高效，且能够减轻汽车自重，实现汽车的节能减排。
Description
技术领域
本发明涉及汽车碰撞吸能盒领域，具体是指一种多截面多材料混合的汽车吸能盒装置。
背景技术
经过一百多年的发展，汽车工业已经成为国民经济发展的重要支柱产业之一。作为人们必不可少的交通工具，汽车早已与人们的日常生活和工作息息相关。但由汽车快速增长带来的安全与环境问题也日益严重。首先，汽车数量的增加使得交通事故数居高不下，给人类社会发展带来巨大损失，威胁人民生命财产安全。给人民和社会带来了巨大的生命和经济损失，这也使汽车的碰撞安全越发受到重视。而在碰撞事故发生后，汽车前端薄壁防撞吸能盒结构通过压溃变形尽可能多的转化车辆碰撞时的动能来保护成员安全，是碰撞安全的核心。因此，设计出优异的汽车的薄壁吸能盒装置来增强汽车的耐撞性，提高汽车的碰撞安全性，能有效降低交通事故中人员死亡率。其次，汽车排放污染已经成为大气污染的主要来源，给人类生存的环境带来了巨大压力。解决这一问题的措施之一就是汽车的轻量化设计。轻量化是当今汽车产业发展的一项重要技术，减轻汽车自重，不仅可以减少原材料的消耗，降低汽车的成本，还可以显著降低汽车能源消耗量，减少有害气体的排放，提高汽车的动力性能。目前轻量化已成为提高燃油经济性及节能减排的关键技术，也是各大汽车企业和科研人员研究的之一。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种多截面多材料混合的汽车吸能盒装置，实现吸能盒的整个吸能过程持续高效，且能够减轻汽车自重，实现汽车的节能减排。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多截面多材料混合的汽车吸能盒装置，所述吸能盒由外而内包括第一薄壁结构、第二薄壁结构、第三薄壁结构；所述第一薄壁结构内具有第一容置腔，所述第二薄壁结构置于所述第一容置腔内，所述第二薄壁结构内具有第二容置腔，所述第三薄壁结构置于所述第二容置腔内；所述第一薄壁结构、第二薄壁结构及第三薄壁结构的长度依次减小；所述第一薄壁结构、第二薄壁结构及第三薄壁结构均固定设置于一法兰盘上；所述第一薄壁结构、第二薄壁结构及第三薄壁结构远离所述法兰盘的一端固定于汽车的横梁上，所述法兰盘背离所述第一薄壁结构的一面固定连接于汽车的纵梁上；
所述第一薄壁结构远离所述法兰盘的一端设置有若干第一贯穿孔，所述第一薄壁结构的侧面设置有若干第二贯穿孔；
所述第二薄壁结构远离所述法兰盘的一端均匀设置有若干个缺口；所述第三薄壁结构远离所述法兰盘的一端以所述第三薄壁结构长度方向为中心轴沿周向设置有一凸出圆环。
在一较佳的实施例中，所述第一薄壁结构具体为两端开口的长方体结构；所述第一薄壁结构的四个侧壁远离所述法兰盘的一端均设置有所述第一贯穿孔，所述第一薄壁结构的四个侧壁均设置有所述第二贯穿孔。
在一较佳的实施例中，所述的第一薄壁结构的侧壁均分别设置有六个第一贯穿孔及三个第二贯穿孔。
在一较佳的实施例中，所述第一贯穿孔具体为长方形状的第一贯穿孔，所述第二贯穿孔具体为方状的第二贯穿孔；六个所述的贯穿孔以2×3阵列分布，所述第二贯穿孔以1×3阵列分布。
在一较佳的实施例中，所述第二薄壁结构在所述法兰盘上的投影为正六边形，所述缺口的数量具体有三个，所述缺口间隔设置。
在一较佳的实施例中，所述第三薄壁结构具体为一外侧壁具有一凸出圆环的两端开口的圆柱体。
在一较佳的实施例中，所述第一薄壁结构具体由轻质铝合金材料制成；所述第二薄壁结构具体由碳纤维复合材料制成；所述第三薄壁结构具体由碳纤维布及金属铝箔叠加二次的混合材料制成。
在一较佳的实施例中，所述第一薄壁结构、第二薄壁结构及第三薄壁结构的两端通过端焊接分别固定于法兰盘及汽车的横梁上，所述法兰盘背离所述第一薄壁结构的一面焊接固定于汽车的纵梁上。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
1.多种截面薄壁结构混合使用，能充分发挥并综合各截面的优势。
本发明的吸能盒主体采用三种不同截面形式的薄壁结构，最外层采用初始峰值力较小的方型结构，第二层采用吸能量较高的六边形结构，最内层采用综合碰撞效果最好的圆形截面薄壁结构，这样多种截面形式的混合使用，可以充分发挥并综合各截面的优势。
2.面对连续追尾事故，防护效果好。
三层高度尺寸依次减小的薄壁结构的设置，不仅在高速冲击时，能层层压溃吸收大量能量，在高度连续追尾情况下，一次追尾破坏一层或两层时，还有剩下的可以在下一次追尾时作用以有效保护成员安全。
3.铝合金和碳纤维材料，可有效满足轻量化要求。
本发明中的吸能盒三层薄壁结构，最外层采用轻质铝合金材料，并设置有第一贯穿孔及第二贯穿孔来有效降低质量，中间层采用质轻碳纤维材料，最内层采用碳纤维布与金属铝箔纸层层铺放制备得到的混合材料。由于碳纤维复合材料和铝合金材料均是轻质材料，这样的吸能盒可以满足轻量化设计的要求。
4.逐级吸能，有效保证吸能效率，且碰撞稳定性强，可有效保证汽车乘员安全。
本发明中的三层薄壁结构的设置，由于高度尺寸的不同，且每层都设有诱导变形机构，最外层的第一贯穿孔，中间层的相互交错的缺口，和最内层的凸出圆环，使得每层开始压溃时的碰撞力不会剧增，最外层的高度压缩到与二层高度一致是，由于两层结构开始变形吸能，使得吸能量提升，同时由于二层缺口的设置，又使得这个提升过程稳定，不会出现骤变现象，对车内乘员的安全有利。同样的，当最外层和二层压溃高度与内层一致时，作用效果类似。这样的层层设置，层层压溃实现了稳定的逐级吸能，使吸能量逐渐增加的同时，也保证了结构的稳定性，可有效保护乘员安全。
5.多种变形结合，有效提高碰撞吸能效果。
最外层材料铝合金，通过折叠波层层折叠变形吸能，二层碳纤维复合材料，通过撕裂变形吸能，内层采用二者混合材料，两种吸能并行。
6.的混合材料可以综合金属铝材和碳纤维复合材料的优点。
本发明中的内层薄壁结构采用碳纤维布与金属铝箔纸层层铺放制备得到的混合材料。研究表明，金属铝材压溃变形模式稳定，以折叠波层层溃缩，但整体吸能量低，且效率略低。而碳纤维复合纤维材料的碰撞吸能是钢或铝的4-5倍，非常适用于车身结构部件。但是其各向异性显著，制备工艺繁琐，实现规模生产困难，导致其市场价格普遍较高。而且纤维复合材料主要是靠撕裂变形来吸收能量，其变形可控性低，稳定性差。本发明中的混合材料可以结合两者的优点，即一方面通过铝的良好延展性诱导纤维复合材料稳定变形来吸收更多能量，另一方面由于碳纤维密度小，强度高，混合材料能在一定程度提高整体结构的强度，提高碰撞效率。
7.第一贯穿孔、第二贯穿孔及缺口的设计有效地减轻了汽车自重，不仅可以减少原材料的消耗，降低汽车的成本，还可以显著降低汽车能源消耗量，减少有害气体的排放，提高汽车的动力性能。
附图说明
图1为本发明优选实施例中多截面多材料混合的汽车吸能盒装置的整体结构示意图；
图2为本发明优选实施例中多截面多材料混合的汽车吸能盒装置的整体结构俯视图；
图3为本发明优选实施例中多截面多材料混合的汽车吸能盒装置的第一薄壁结构示意图；
图4为本发明优选实施例中多截面多材料混合的汽车吸能盒装置的第二薄壁结构示意图；
图5为本发明优选实施例中多截面多材料混合的汽车吸能盒装置的第三薄壁结构示意图。
具体实施方式
下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种多截面多材料混合的汽车吸能盒装置，参考图1至5，所述吸能盒由外而内包括第一薄壁结构1、第二薄壁结构2、第三薄壁结构3；所述第一薄壁结构1内具有第一容置腔，所述第二薄壁结构2置于所述第一容置腔内，所述第二薄壁结构2内具有第二容置腔，所述第三薄壁结构3置于所述第二容置腔内；所述第一薄壁结构1、第二薄壁结构2及第三薄壁结构3的长度依次减小，所述第一薄壁结构1、第二薄壁结构2及第三薄壁结构3的尺寸也依次减小；所述第一薄壁结构1、第二薄壁结构2及第三薄壁结构3均固定设置于一法兰盘4上；所述第一薄壁结构1、第二薄壁结构2及第三薄壁结构3远离所述法兰盘4的一端固定于汽车的横梁上，所述法兰盘4背离所述第一薄壁结构1的一面固定连接于汽车的纵梁上；在本实施例中，所述第一薄壁结构1、第二薄壁结构2及第三薄壁结构3的两端通过端焊接分别固定于法兰盘4及汽车的横梁上，所述法兰盘4背离所述第一薄壁结构1的一面焊接固定于汽车的纵梁上。这样三层高度尺寸依次减小的薄壁结构的设置，不仅在高速冲击时，能层层压溃吸收大量能量，在高度连续追尾情况下，一次追尾破坏一层或两层时，还有剩下的可以在下一次追尾时作用以有效保护成员安全。
具体来说，所述第一薄壁结构1远离所述法兰盘4的一端设置有若干第一贯穿孔11，所述第一薄壁结构1的侧面设置有若干第二贯穿孔12；所述第二薄壁结构2远离所述法兰盘4的一端均匀设置有若干个缺口21；所述第三薄壁结构3远离所述法兰盘4的一端以所述第三薄壁结构3长度方向为中心轴沿周向设置有一凸出圆环31。所述第一薄壁结构1具体为两端开口的长方体结构；所述第一薄壁结构1的四个侧壁远离所述法兰盘4的一端均设置有所述第一贯穿孔11，所述第一薄壁结构1的四个侧壁均设置有所述第二贯穿孔12。所述的第一薄壁结构1的侧壁均分别设置有六个第一贯穿孔11及三个第二贯穿孔12。所述第一贯穿孔11具体为长方形状的第一贯穿孔11，所述第二贯穿孔12具体为方状的第二贯穿孔12；六个所述的贯穿孔以2×3阵列分布，所述第二贯穿孔12以1×3阵列分布。所述第二薄壁结构2在所述法兰盘4上的投影为正六边形，所述缺口21的数量具体有三个，所述缺口21间隔设置。所述第三薄壁结构3具体为一外侧壁具有一凸出圆环31的两端开口的圆柱体。
所述第一薄壁结构1具体由轻质铝合金材料制成；所述第二薄壁结构2具体由碳纤维复合材料制成；所述第三薄壁结构3具体由碳纤维布及金属铝箔叠加二次的混合材料制成。采用这些轻质材料制作吸能盒能够有效减轻汽车自重，同时第一贯穿孔、第二贯穿孔及缺口的设计也有效地减轻了汽车自重，不仅可以减少原材料的消耗，降低汽车的成本，还可以显著降低汽车能源消耗量，减少有害气体的排放，提高汽车的动力性能。
本发明充分结合了各个薄壁结构的形状优点，第一薄壁结构1的方形形状拥有最小的初始峰值力，第二薄壁结构2的六边形截面拥有最高的吸能量，第三薄壁结构3的圆形截面拥有最佳的综合性能，再加上每层材料的变化，使得该吸能盒有着优秀的碰撞性能。另外，由于高度尺寸的不同，和第一贯穿孔11、第二贯穿孔12、缺口21及凸出圆环31等诱导装置的存在，使得每层薄壁结构在开始压溃时的碰撞力不会剧增，当第一薄壁结构1的高度压缩至与第二薄壁结构2高度一致时，由于两层结构开始变形吸能，碳纤维撕裂变形吸能结合铝合金折叠变形吸能，使得吸能量提升，同时由于第二薄壁结构2的缺口21设置，又使得这个提升过程稳定，不会出现骤变现象，对车内乘员的安全有利。同样的，当第一薄壁结构1和第二薄壁结构2压溃高度与第三薄壁结构3一致时，作用效果类似。这样的层层设置，层层压溃实现了稳定的逐级吸能，使吸能量逐渐增加的同时，也保证了结构的稳定性，可有效保护乘员安全。另外，本发明中所涉及的第三薄壁结构3，材料采用混合材料，通过将碳纤维复合材料布和金属铝箔纸交替铺层得到。研究表明纤维复合材料的碰撞吸能是钢或铝的4-5倍，非常适用于车身结构部件。但是纤维复合材料的各向异性显著，制备工艺繁琐，实现规模生产困难，而且纤维复合材料主要是靠撕裂变形来吸收能量，其变形可控性低。但是金属铝，制备简单，价格较低，并且其延展性优，在压溃变形中通过层层折叠变形来吸能能量。本发明提出的混合材料，由于碳纤维密度小，强度高，使得混合材料的碰撞强度和吸能效率提高。同时混合铺层的设置使得压溃时延展性较好的铝诱导碳纤维逐级折叠变形，克服了碳纤维撕裂变形的不可控性。另一方面由于金属价格较低，混合材料能在一定程度降低经济成本，增加实用性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (3)
1.一种多截面多材料混合的汽车吸能盒装置，其特征在于，所述吸能盒由外而内包括第一薄壁结构、第二薄壁结构、第三薄壁结构；所述第一薄壁结构内具有第一容置腔，所述第二薄壁结构置于所述第一容置腔内，所述第二薄壁结构内具有第二容置腔，所述第三薄壁结构置于所述第二容置腔内；所述第一薄壁结构、第二薄壁结构及第三薄壁结构的长度依次减小；所述第一薄壁结构、第二薄壁结构及第三薄壁结构均固定设置于一法兰盘上；所述第一薄壁结构、第二薄壁结构及第三薄壁结构远离所述法兰盘的一端固定于汽车的横梁上，所述法兰盘背离所述第一薄壁结构的一面固定连接于汽车的纵梁上；
所述第一薄壁结构远离所述法兰盘的一端设置有若干第一贯穿孔，所述第一薄壁结构的侧面设置有若干第二贯穿孔；
所述第二薄壁结构远离所述法兰盘的一端均匀设置有若干个缺口；所述第三薄壁结构远离所述法兰盘的一端以所述第三薄壁结构长度方向为中心轴沿周向设置有一凸出圆环；所述第一薄壁结构具体为两端开口的长方体结构；所述第一薄壁结构的四个侧壁远离所述法兰盘的一端均设置有所述第一贯穿孔，所述第一薄壁结构的四个侧壁均设置有所述第二贯穿孔；所述的第一薄壁结构的侧壁均分别设置有六个第一贯穿孔及三个第二贯穿孔；
所述第二薄壁结构在所述法兰盘上的投影为正六边形，所述缺口的数量具体有三个，所述缺口间隔设置；所述第三薄壁结构具体为一外侧壁具有一凸出圆环的两端开口的圆柱体；所述第一薄壁结构具体由轻质铝合金材料制成；所述第二薄壁结构具体由碳纤维复合材料制成；所述第三薄壁结构具体由碳纤维布及金属铝箔叠加二次的混合材料制成。
2.根据权利要求1所述的多截面多材料混合的汽车吸能盒装置，其特征在于，所述第一贯穿孔具体为长方形状的第一贯穿孔，所述第二贯穿孔具体为方状的第二贯穿孔；六个所述的贯穿孔以2×3阵列分布，所述第二贯穿孔以1×3阵列分布。
3.根据权利要求1至2中任意一项所述的多截面多材料混合的汽车吸能盒装置，其特征在于，所述第一薄壁结构、第二薄壁结构及第三薄壁结构的两端通过端焊接分别固定于法兰盘及汽车的横梁上，所述法兰盘背离所述第一薄壁结构的一面焊接固定于汽车的纵梁上。
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