CN109263711A - 一种新型多胞结构的汽车溃缩式吸能转向柱 - Google Patents

Abstract

一种新型多胞结构的汽车溃缩式吸能转向柱,属于机械设计领域,包括下转向轴、下转向柱管、负泊松比多胞结构的吸能装置、上转向柱管、上转向轴，吸能装置设于上转向柱管和下转向柱管之间，上转向柱管和下转向柱管上分别安装上转向轴、下转向轴。吸能装置包括圆盘状的顶板和底板，二者之间设有圆筒，圆筒上设有三维负泊松比多胞结构。本发明，由于负泊松比结构具有轴向受压‑收缩的特性，在发生碰撞时，汽车转向柱能够吸收更多的能量；并且该结构从开始溃缩到最后吸能的停止，整个过程结构收缩的位移很大，可以给驾驶员提供更大的生存空间；另外，此多胞结构刚度较大，能够更高效地传递扭矩。

Description

一种新型多胞结构的汽车溃缩式吸能转向柱

技术领域

本发明属于机械设计领域，涉及一种转向柱，更具体地说，涉及一种新型多胞结构的汽车溃缩式吸能转向柱。

背景技术

当汽车发生正面碰撞时，由于惯性，驾驶员有向前倾的趋势，因为这个趋势，人体的头部和胸部可能会和转向柱方向盘部分碰撞，造成驾驶员的损伤。所以提高转向管柱的吸能能力和抵抗位移能力是提高驾驶人员安全性的关键。

转向柱是转向系统连接方向盘和转向器的元件。通过转向柱，驾驶员可以把扭矩传递给转向器，带动转向器实现转向。转向柱大体由三部分构成，分别是上轴总成、转向支架、下轴总成这三大部件。目前转向柱可以分为两类：溃缩式转向柱和波纹管式转向柱。溃缩式转向柱是在两个部件之间设计一个转向节之类的东西，溃缩式转向柱包括两种:可溃缩式和可伸缩式。当汽车发生正面撞击时，溃缩式的转向柱可以自动收缩进去，或者瞬间“折断”，而可伸缩式转向柱会自动断开或脱开，以上两种溃缩式转向柱都可以在汽车发生碰撞时，拉开转向柱与驾驶员的距离，增加生存空间。波纹管式转向柱，则需要在各个主部件之间设计一个波纹管结构，这种转向柱主要靠波纹管被压缩而吸收碰撞带来的能量，同时可以减少一定转向柱的移动量。这两种形式的转向柱能一定程度减少驾驶员的损伤，但受结构空间的限制，这两种结构吸收的能量和抵抗的位移都是十分有限。

发明内容

为了克服当汽车发生碰撞时，汽车转向柱吸收能量不足和抵挡的位移有限等问题，本发明提供了一种新型多胞结构的汽车溃缩式吸能转向柱。此新型转向柱需要在上转向管和下转向管之间加一个负泊松比多胞结构的吸能装置。此转向柱的新型三维负泊松比多胞结构的泊松比小于0，能够产生受压-收缩的现象，可以使转向柱在发生碰撞时刚度提高，吸收更多的能量和抵抗更多的位移。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种新型多胞结构的汽车溃缩式吸能转向柱，包括下转向轴1、下转向柱管2、负泊松比多胞结构的吸能装置3、上转向柱管4、上转向轴5，吸能装置3设于上转向柱管4和下转向柱管2之间，上转向柱管4和下转向柱管2上分别安装上转向轴5、下转向轴1。

所述的吸能装置3包括圆盘状的顶板31和底板32，在顶板31和底板32之间设有薄壁圆筒33，即薄壁圆筒33的一端与顶板31固连，另一端与底板32固连。所述的薄壁圆筒33上设有三维负泊松比多胞结构34。所述的三维负泊松比多胞结构34是由若干层多胞结构叠加而成，一层多胞结构为圆环形，由三维负泊松比元胞341紧密拼接而成。

所述的三维负泊松比多胞结构34过盈装配于薄壁圆筒33内侧。

所述的顶板31和底板32上设有均匀分布的螺栓孔，分别通过螺栓与上转向柱管4和下转向柱管2连接。

本发明与现有技术相比，其显著优点包括：

将新型三维负泊松比多胞结构应用于汽车转向柱，由于负泊松比结构轴向受压-收缩的特性，当此结构受到轴向压缩时，材料的刚度会得到提高，在发生碰撞时，汽车转向柱将能够吸收更多的能量；并且转向柱会发生溃缩，抵抗位移能力明显增高，所以安全性能大大提高。

另外，转向柱的最重要的功能就是传递扭矩，而此多胞结构，刚度较大，因此能够更高效地传递扭矩。

附图说明

图1为一种新型多胞结构的汽车溃缩式吸能转向柱模型示意图。

图2为负泊松比多胞结构的吸能装置示意图。

图3为一层三维负泊松比结构图。

图4为三维负泊松比元胞模型图；(a)为二维元胞；(b)为三维元胞。

图5为二维负泊松比元胞结构参数示意图。

图6为负泊松比多胞结构的轴向压缩应力应变曲线示意图。

图7为三维负泊松比元胞受力分析图。

图8为三维负泊松比多胞结构轴向受力分析图。

图中：1下转向轴；2下转向柱管；3负泊松比多胞结构的吸能装置；4上转向柱管；5上转向轴；31顶板；32底板；33薄壁圆筒；34三维负泊松比多胞结构；341三维负泊松比元胞。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供一种新型多胞结构的汽车溃缩式吸能转向柱，如图1所示，包括下转向轴1、下转向柱管2、负泊松比多胞结构的吸能装置3、上转向柱管4、上转向轴5，其中负泊松比多胞结构的吸能装置3,如图2所示，包括圆盘状的顶板31和圆盘状的底板32，在顶板31和底板32之间设有薄壁圆筒33。在顶板31与底板32之间是三维负泊松比多胞结构34，图3为一层三维负泊松比结构，此结构为圆环形，将这样的若干层叠加在一起构成了三维负泊松比多胞结构34，一层三维负泊松比结构是由如图4所示的三维负泊松比元胞341紧密拼接而成。所述多胞结构过盈配合在所述圆筒33中，薄壁圆筒33结构能够增强负泊松比结构在压缩变形过程中的稳定性，避免负泊松比结构发生整体弯曲等不利的变形模式。

所述的上顶板31和下底板32上都有均匀分布的螺栓孔，能够分别通过螺栓与上转向管和下转向管连接，进而将负泊松比多胞结构的吸能装置3连接在转向柱中。

如图4所示，每个三维负泊松比元胞341都是通过两个二维负泊松比元胞垂直拼合而成，所以三维负泊松比元胞主要参数由二维负泊松比的元胞参数(见图5)决定，二维负泊松比的设计参数包括长胞壁长度L，短胞壁长度M，元胞高度H，长胞臂夹角短胞壁夹角θ，已知任意三个参数，可以根据几何关系求得其他两个参数，T_L和T_M分别是元胞长短壁的厚度。

根据材料力学性能对多胞结构的力学性能的影响，本发明采用的是金属材料组成的多胞结构。多胞结构由于能够产生较大的压缩应变，所以表现出良好的能量吸收性能。

图6为负泊松比多胞结构的轴向压缩应力应变曲线示意图，图中曲线与应变坐标轴围成的面积是单位体积吸收的能量。多胞结构的能量吸收性能主要由相对密度和平台应力来决定，相对密度越低，多胞结构能够产生的应变越大，作用力的位移也就越大，而平台应力越大，作用力的大小也就越大。负泊松比多胞结构在弹性区随着应变地增大，产生刚度增强效应，最终获得更高的平台应力，以较低的相对密度实现了较高的平台应力，所以负泊松比多胞结构具有良好的能量吸收性能。

图7为三维负泊松比元胞受力分析图。当受到如图所示的作用力时，元胞会产生收缩现象，由原来细实线的位置收缩到粗实线的位置。

图8为三维负泊松比多胞结构轴向受力分析图。当负泊松比多胞结构受到轴向作用力时，该结构会沿与作用力垂直的方向收缩，从而使该结构的弹性模量增强，能吸收更多的能量。

转向柱的最重要的功能就是传递扭矩，而此多胞结构，刚度较大，因此能够更高效地传递扭矩，保证转向柱可以很好的发挥基本功能。

下面是利用本发明设计的其中一个直径约为61mm转向柱的负泊松比多胞结构的元胞参数。此转向柱的吸能装置共有同轴的两圈多胞结构，外圈的元胞参数为：长胞壁长度L＝10mm，短胞壁长度M＝6.5mm，元胞高度H＝4.5mm，长胞臂夹角元胞长短壁的厚度T_L和T_M分别是0.5mm、0.3mm。内圈的元胞参数为：长胞壁长度L＝9.22mm，短胞壁长度M＝5.22mm，元胞高度H＝4.5mm，长胞臂夹角元胞长短壁的厚度T_L和T_M分别是0.45mm、0.26mm。层数为30层，大约能够吸收1400J能量，满足汽车碰撞时的安全标准。本专利并不仅限于此设计参数。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，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，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种新型多胞结构的汽车溃缩式吸能转向柱，其特征在于，所述的汽车溃缩式吸能转向柱包括下转向轴(1)、下转向柱管(2)、负泊松比多胞结构的吸能装置(3)、上转向柱管(4)、上转向轴(5)，吸能装置(3)设于上转向柱管(4)和下转向柱管(2)之间，上转向柱管(4)和下转向柱管(2)上分别安装上转向轴(5)、下转向轴(1)；

所述的吸能装置(3)包括圆盘状的顶板(31)和底板(32)，在顶板(31)和底板(32)之间设有薄壁圆筒(33)，薄壁圆筒(33)上设有三维负泊松比多胞结构(34)；所述的三维负泊松比多胞结构(34)是由若干层多胞结构叠加而成，一层多胞结构为圆环形，由三维负泊松比元胞(341)紧密拼接而成。

2.根据权利要求1所述的一种新型多胞结构的汽车溃缩式吸能转向柱，其特征在于，所述的三维负泊松比多胞结构(34)过盈装配于薄壁圆筒(33)内侧。

3.根据权利要求1或2所述的一种新型多胞结构的汽车溃缩式吸能转向柱，其特征在于，所述的顶板(31)和底板(32)上设有均匀分布的螺栓孔，分别通过螺栓与上转向柱管(4)和下转向柱管(2)连接。