CN109624896A - 一种车前缓冲结构及具有该结构的车体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及方程式汽车设备技术领域，尤其涉及一种车前缓冲结构及具有该结构的车体。本发明的车前缓冲结构中，固定板和抗冲击前端板之间连接有抗冲击侧壁，抗冲击侧壁内设有中空的封闭空间；抗冲击侧壁用于在抗冲击前端板承受碰撞冲击时通过断裂压溃吸收冲击能量，从而在保证车前缓冲结构的吸能特性优秀的前提下，有效减小车前缓冲结构的体积和重量，实现结构轻量化，并有利于对赛车进行空气动力学优化设计。

Description

一种车前缓冲结构及具有该结构的车体

技术领域

本发明涉及方程式汽车设备技术领域，尤其涉及一种车前缓冲结构及具有该结构的车体。

背景技术

国大学生方程式汽车大赛(简称“中国FSC”)是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。为了保证赛车的安全性能，大赛规则对赛车的车前缓冲结构做出规定，要求当前端缓冲安装在总重量为300kg的赛车上，并以7.0m/s的初速度与刚性障碍物发生碰撞时，整车的平均减速度不超过20g，最大减速度不超过40g，总吸收能量必须达到或超过7350J，峰值力不超过12kN。

目前现有的赛车使用的标准缓冲结构如图1所示的BSCI标准缓冲结构(BSCI为美国一家专门生产赛场缓冲材料的厂商)，该标准缓冲结构通过固定板1固定在赛车前端，在固定板1上向前伸出有梯形结构。

但是由于赛车在比赛时根据比赛环境需要满足非常高的轻量化要求，并为了保证车体行使稳定，车体需要满足诸如具有较高抓地性等空气动力学需求，而上述的标准缓冲结构虽然具备一定的缓冲效果，但因其设计冗余量过大导致该缓冲结构具有较大的体积和重量，无法满足日益增长的空气动力学需求和结构轻量化要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供了一种车前缓冲结构，该结构的吸能特性优秀，而且大大降低了结构所需体积和重量，满足日益增长的空气动力学需求和结构轻量化要求。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种车前缓冲结构，包括固定板和抗冲击前端板，所述固定板和抗冲击前端板之间连接有抗冲击侧壁，所述抗冲击侧壁内设有中空的封闭空间；所述抗冲击侧壁用于在所述抗冲击前端板承受碰撞冲击时，通过断裂压溃吸收冲击能量。

进一步的，所述抗冲击侧壁包括由内至外设置的内壁、过渡壁和加固壁，所述内壁的两端分别连接在所述固定板与抗冲击前端板之间，所述过渡壁和加固壁的尾端分别固定在固定板上，所述过渡壁和加固壁的前端由内至外成阶梯状设置在所述内壁层外。

进一步的，所述内壁、过渡壁和加固壁分别包括一层或多层辅层，相邻各层所述辅层之间紧密贴合。

进一步的，所述铺层的层数由前向后沿轴向分段增大。

进一步的，所述抗冲击侧壁的外部分别设有多个凸起部和内凹部，各个所述凸起部和内凹部间隔设置。

进一步的，每个所述凸起部和内凹部均为弧面，相邻的各个所述凸起部和内凹部之间通过弧面平滑连接。

进一步的，所述抗冲击侧壁的各个横截面的形状相同。

进一步的，所述抗冲击侧壁的材质为碳纤维增强树脂。

进一步的，所述碳纤维增强树脂由碳纤维与树脂混合而成。

本发明还提供了一种车体，包括如上所述的车前缓冲结构。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：

1、本发明的车前缓冲结构中，固定板和抗冲击前端板之间连接有抗冲击侧壁，抗冲击侧壁内设有中空的封闭空间；抗冲击侧壁用于在抗冲击前端板承受碰撞冲击时通过持续断裂压溃的过程吸收冲击能量，从而在保证车前缓冲结构的吸能特性优秀的前提下，有效减小车前缓冲结构的体积和重量，实现结构轻量化；

2、本发明的车前缓冲结构中，抗冲击侧壁通过间隔设置的多个凸起部和内凹部连续合围成波浪形，从而利用该侧壁的形状特征有效提高车前缓冲结构在受到碰撞冲击时的压溃稳定性，避免侧壁在压溃时发生过弯折而影响侧壁的粉碎断裂，从而进一步提高车前缓冲结构的吸能效果。

3、本发明的车前缓冲结构中，抗冲击侧壁设置有由内至外成阶梯状分布的内壁、过渡壁和加固壁，从而诱导车前缓冲结构的基体和抗冲击侧壁发生持续的粉碎断裂，进而提高车前缓冲结构的吸能效果；

4、本发明的车前缓冲结构采用T700碳纤维增强树脂制成，该材料具有优秀的断裂吸能特性，以使该车前缓冲结构能够在碰撞过程中通过材料纤维和基体的断裂吸收能量，即通过碳纤维增强树脂的整体粉碎消耗的断裂能吸收冲击能量；

5、本发明的车前缓冲结构安装在车体上时，除了能够满足车体在碰撞时具有优秀的吸能特性和结构轻量化要求外，还能满足车体在一般行进时的空气动力学需求，保证车体在比赛时不会对车速造成不良影响。

附图说明

图1为现有技术中所述的标准缓冲结构的结构示意图；

图2为本发明实施例的车前缓冲结构的结构示意图；

图3为本发明实施例的抗冲击侧壁的纵向剖视图；

图4为本发明实施例的试验例与对比例的试验力-位移曲线对比图；

图中：

1、固定板；2’、碰撞缓冲接触部；3’、安装管；

2、抗冲击前端板；3、凸起部；4、内凹部；5、内壁；6、过渡壁；7、加固壁。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图2所示，本实施例提供的车前缓冲结构中，固定板1和抗冲击前端板2之间连接有抗冲击侧壁，抗冲击侧壁内设有中空的封闭空间；抗冲击侧壁用于在抗冲击前端板2承受碰撞冲击时通过持续断裂压溃的过程吸收冲击能量，从而在保证车前缓冲结构的吸能特性优秀的前提下，有效减小车前缓冲结构的体积和重量，实现结构轻量化。

本实施例中，上述的抗冲击侧壁的材质优选为碳纤维增强树脂。该碳纤维增强树脂优选采用T700碳纤维增强树脂制成，T700碳纤维增强树脂由碳纤维与树脂混合而成。该材料具有优秀的断裂吸能特性，以使该车前缓冲结构能够在碰撞过程中通过材料纤维和基体的断裂吸收能量，即通过碳纤维增强树脂的整体粉碎消耗的断裂能吸收冲击能量。

为了诱导结构体在冲击压溃过程中发生稳定持续的纤维及基体断裂(材料失效)，需要充分考虑车前缓冲结构外形的压稳性。本实施例抗冲击侧壁的外部分别设有多个凸起部3和内凹部4，各个凸起部3和内凹部4间隔设置，从而利用多个凸起部3和多个内凹部4连续合围成具有中空的波浪围板，以诱导车前缓冲结构的基体和抗冲击侧壁发生持续的粉碎断裂，进而提高车前缓冲结构的吸能效果。

为了进一步提高诱发侧壁的持续断裂的几率，有效降低侧壁上的应力集中情况，优选每个凸起部3和内凹部4均为弧面，优选相邻的各个凸起部3和内凹部4之间通过弧面平滑连接，以使侧壁整体构成波浪形围板，该侧壁的形状特征能有效提高车前缓冲结构在受到碰撞冲击时的压溃稳定性，避免侧壁在压溃时发生过弯折而影响侧壁的粉碎断裂，从而进一步提高车前缓冲结构的吸能效果。

需要说明的是，本实施例的每个凸起部3和内凹部4均为弧面，从而使得该抗冲击侧壁形成波浪结构，除了该波浪形结构外，还可以设置每个凸起部3和内凹部4均为平直面，即使得该抗冲击侧壁形成锯齿结构，或者设置设置每个凸起部3和内凹部4为平直面和弧面相结合，从而使得该抗冲击侧壁形成不规则结构。

如图3所示，该车前缓冲结构的抗冲击侧壁包括由内至外设置的内壁5、过渡壁6和加固壁7，内壁5的两端分别连接在固定板1与抗冲击前端板2之间，过渡壁6和加固壁7的尾端分别固定在固定板1上，过渡壁6和加固壁7的前端由内至外成阶梯状设置在内壁5层外，从而诱导车前缓冲结构的基体和抗冲击侧壁发生持续的粉碎断裂，进而提高车前缓冲结构的吸能效果。

如图3所示的结构中，箭头指向的方向为车前缓冲结构的后端(尾端)，该侧壁的内壁5、过渡壁6和加固壁7分别包括一层或多层辅层，相邻各层辅层之间紧密贴合，以通过铺层的层数由前向后沿轴向分段增大，来诱导车前缓冲结构的侧壁中的基体与纤维发生持续的断裂，从而产生吸能作用。优选的，抗冲击侧壁的各个横截面的形状相同，以使每层辅层均平行与车前缓冲结构的轴向，从而在车体前端承受正面碰撞冲击时，能够使得每层辅层与冲击力的方向平行，以防止辅层弯曲，避免影响辅层的持续断裂效果。

本实施例还提出了一种车体，该车体上安装有上述的车前缓冲结构。该车前缓冲结构安装在车体上时，除了能够满足车体在碰撞时具有优秀的吸能特性和结构轻量化要求外，还能满足车体在一般行进时的空气动力学需求，保证车体在比赛时不会对车速造成不良影响。

为了验证本实施例所述的车前缓冲结构的尺寸参数、吸能特性及其他相关特性，选用如图2和图3所示的车前缓冲结构、以及如图1所示的标准缓冲结构作为试验例和对比例。以下试验由清华大学汽车碰撞试验室完成，采用试验数据真实、有效、可靠。

试验例具体参数如下：选用的如图2所示车前缓冲结构为T700编织碳纤维增强树脂制成的抗冲击薄壁结构，并采用非热压预浸料成型工艺制作而成。经过仿真和试验相结合的研究方法，最终确定车前缓冲结构的结构体的体积为230mm×146mm×200mm，质量为295g。

试验例试验过程：将车前缓冲结构尾部的固定板1粘接在刚性平面上，并将车前缓冲结构的抗冲击前端板2竖直向上固定放置在落锤正下方；将质量为285kg的落锤自距离抗冲击前端板2上方3m处向下自由释放，以冲击车前缓冲结构，初始冲击能量为8379J；最终，落锤下落过程中的机械能被缓冲结构全部吸收。

试验过程中通过安装在刚性平面下方的力传感器计算落锤受力，作为冲击过程中的实验力；通过Photron高速摄像机拍摄冲击过程，使用图像处理软件VIC-2D处理得到落锤位移，作为冲击过程中的位移，以得到如图4中所示的试验力-位移曲线a；计算试验得到的试验力-位移曲线a下的面积，以得到车前缓冲结构吸收的能量；使用冲击过程中的试验力折算相同的作用力作用在质量300kg的赛车上时的平均加速度为18.7g，峰值加速度为39.2g。

试验例所得各项指标如下：试验力的峰值力为112kN，峰值加速度为39.2g，平均加速度为18.7g，溃缩长度为160mm，吸能为8379J。

对比例具体参数如下：选用的如图1所示的标准缓冲结构由型号为IMPAXX^TM700的吸能泡沫制成。该标准缓冲结构的底面尺寸为358mm×307mm，高度256mm，重量为680g。

对比例试验过程：将标准缓冲结构的固定板1粘接在刚性平面上，标准缓冲结构头部的碰撞缓冲接触部2’竖直向上固定放置在落锤正下方；将质量为285kg的落锤自距离碰撞缓冲接触部2’上方3m处向下自由释放，以冲击该标准缓冲结构，初始冲击能量为8379J。最终，落锤下落过程中的机械能被缓冲结构吸收。

该对比例试验过程中的参数采集过程与试验例相同，相同之处不再赘述。经过对比例试验最终计算得到的试验力-位移曲线b如图4中的曲线b所示，计算该试验力-位移曲线b下的面积可得到标准缓冲结构吸收的能量为8379J；使用冲击过程中的试验力折算为相同的作用力作用在质量300kg的赛车上时的平均加速度为11.4g，峰值加速度为22.1g。

对比例所得各项指标如下：试验力的峰值力为63kN，峰值加速度为22.1g，平均加速度为11.4g，溃缩长度为210mm，吸能为8379J。

试验结果表明，试验例与对比例相比，在包括吸收相同冲击能量等试验条件的基础上，吸能效果能够满足大赛规则要求。并且与标准缓冲结构相比，能够承受冲击力更高、冲击加速度更大、溃缩长度更短。由此可知，本实施例所述的车前缓冲结构具有更加优秀的吸能特性，且设计简单，具有很小的体积和质量，能够满足日益增长的空气动力学及轻量化需求。

综上所述，本实施例的车前缓冲结构中，固定板1和抗冲击前端板2之间连接有抗冲击侧壁，抗冲击侧壁内设有中空的封闭空间；抗冲击侧壁用于在抗冲击前端板2承受碰撞冲击时通过持续断裂压溃的过程吸收冲击能量，从而在保证车前缓冲结构的吸能特性优秀的前提下，有效减小车前缓冲结构的体积和重量，实现结构轻量化。

该车前缓冲结构中，抗冲击侧壁通过间隔设置的多个凸起部3和内凹部4连续合围成波浪形，从而利用该侧壁的形状特征有效提高车前缓冲结构在受到碰撞冲击时的压溃稳定性，避免侧壁在压溃时发生过弯折而影响侧壁的粉碎断裂，从而进一步提高车前缓冲结构的吸能效果。

该车前缓冲结构中，抗冲击侧壁设置有由内至外成阶梯状分布的内壁5、过渡壁6和加固壁7，从而诱导车前缓冲结构的抗冲击侧壁发生持续的粉碎断裂，进而提高车前缓冲结构的吸能效果。

该车前缓冲结构采用T700碳纤维增强树脂制成，该材料在受到冲击时具有良好持续断裂性能，以使该车前缓冲结构能够在碰撞过程中通过材料纤维和基体的断裂吸收能量，即通过碳纤维增强树脂的整体粉碎消耗的断裂能吸收冲击能量。

该车前缓冲结构安装在车体上时，除了能够满足车体在碰撞时具有优秀的吸能特性和结构轻量化要求外，还能满足车体在一般行进时的空气动力学需求，保证车体在比赛时不会对车速造成不良影响。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种车前缓冲结构，其特征在于，包括固定板和抗冲击前端板，所述固定板和抗冲击前端板之间连接有抗冲击侧壁，所述抗冲击侧壁内设有中空的封闭空间；所述抗冲击侧壁用于在所述抗冲击前端板承受碰撞冲击时，通过断裂压溃吸收冲击能量。

2.根据权利要求1所述的车前缓冲结构，其特征在于，所述抗冲击侧壁包括由内至外设置的内壁、过渡壁和加固壁，所述内壁的两端分别连接在所述固定板与抗冲击前端板之间，所述过渡壁和加固壁的尾端分别固定在固定板上，所述过渡壁和加固壁的前端由内至外成阶梯状设置在所述内壁层外。

3.根据权利要求2所述的车前缓冲结构，其特征在于，所述内壁、过渡壁和加固壁分别包括一层或多层辅层，相邻各层所述辅层之间紧密贴合。

4.根据权利要求3所述的车前缓冲结构，其特征在于，所述铺层的层数由前向后沿轴向分段增大。

5.根据权利要求1所述的车前缓冲结构，其特征在于，所述抗冲击侧壁的外部分别设有多个凸起部和内凹部，各个所述凸起部和内凹部间隔设置。

6.根据权利要求5所述的车前缓冲结构，其特征在于，每个所述凸起部和内凹部均为弧面，相邻的各个所述凸起部和内凹部之间通过弧面平滑连接。

7.根据权利要求1所述的车前缓冲结构，其特征在于，所述抗冲击侧壁的各个横截面的形状相同。

8.根据权利要求1-7任一项所述的车前缓冲结构，其特征在于，所述抗冲击侧壁的材质为碳纤维增强树脂。

9.根据权利要求8所述的车前缓冲结构，其特征在于，所述碳纤维增强树脂由碳纤维与树脂混合而成。

10.一种车体，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的车前缓冲结构。