CN109941345B - 一种双变形吸能车架结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双变形吸能车架结构，包括前横梁，前纵梁前部，前纵梁前部采用内外分段结构，该内外分段结构包括纵向设置的内梁和外梁，内梁为实心结构，部分的伸入前部为空心内筒结构的外梁内部，并和外梁配合紧固连接，所述外梁内筒的底壁上开设内部诱导槽，内梁在其一端，相应的设置有与外梁的所述内部诱导槽形状配合的端部；所述内梁和外梁的紧固配合连接的部位，在碰撞时发生剪切变形破坏；所述内部诱导槽，用来引导内、外梁继续发生塑性变形，进一步吸收碰撞能量。

Description

一种双变形吸能车架结构

本申请是《一种具有双变形吸能效果的车架结构》(申请号：2017109508963，申请日：2017-10-13)发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及车辆车架结构领域，尤其涉及一种增强碰撞吸能效果的车架结构。

背景技术

车辆车架碰撞吸能结构中，最基本最重要的结构之一就是纵向金属梁结构。图1为车辆车架布置示意图。在碰撞发生时，金属梁被设计为易于通过塑性变形来吸收能量，降低车身冲击载荷，保护乘员安全。在碰撞冲击中，纵梁的变形大概有两种，一种是叠加收缩塑性变形，能较好的吸收碰撞能量，一种是弯曲变形，吸能效率不高。因此，在设计中倾向使纵梁更容易发生吸能效果好的叠加收缩塑性变形。现有技术中，通常使用诱导梁结构来促使纵梁发生叠加收缩变形。如图2所示，通过精密计算，在金属梁的合适尺寸部位，纵向对称位置的开设诱导槽。通过诱导槽的设置，保证车架前端的纵梁在碰撞时发生叠加收缩塑性变形。

然而，诱导槽的设置虽然在计算中强调既要起到变形引导作用，保证在碰撞中整体结构发生有效变形，又要保证车架整体结构强度，不能引起结构失效。然而在应用中发现，诱导槽还是成为车架整体结构强度的薄弱点，在不发生碰撞的情况时，经过车辆长期行驶条件下，金属梁受到交变应力冲击载荷、车身固定载荷作用下，承受弯矩的能力较差，容易发生疲劳损伤或者变形，影响车架和车辆整体力学性能。

同时，本领域技术人员公知，理想的车辆或车架碰撞吸能效果为，乘员室的结构刚度大于车架前部变形区域的刚度，车架前部碰撞变形区域尽可能多地吸收撞击能量，同时满足，低速碰撞时，车辆的变形以及变形力值都较小；当发生中等速度的碰撞时，变形力应尽量均匀，避免产生加速度峰值；高速碰撞时，充分阻止碰撞力传导入驾驶室，变形力值应急剧上升。现有技术中，多利用变截面梁更优良的抗冲击载荷能力和可变应力特性，来接近该技术效果，如梯形金属梁或者锥形金属梁。然而，分析和试验表明，单一使用变截面梁还是不能完全符合上述理想碰撞特性。

此外，现有技术中对于车辆或者车架碰撞吸能解决方案要么采用上述塑性变形吸能，要么采用螺钉螺纹配合或者结构薄弱点的剪切变形/破坏吸能，导致车架单位吸能区域的吸能效率并不高，也成为车辆被动安全领域需要解决的问题之一。

发明内容

本发明提供了一种双变形吸能车架结构，包括前横梁，前纵梁前部，所述前纵梁前部包括靠前的等截面部，以及靠后的变截面部，用于传递来自前方等截面部的冲击载荷；其特征在于：在所述前纵梁前部的等截面部对称的开设诱导槽，并在所述诱导槽顶部均跨接设置第一加强筋，同时在所述前纵梁前部上对称的跨接设置第二加强筋，第二加强筋一端固定连接所述等截面部，其另一端固定连接所述变截面部；所述诱导槽，用于引导前纵梁前部在碰撞时发生叠加收缩塑性变形，第一、第二加强筋在碰撞时发生剪切变形破坏，吸收碰撞能量。

优选的，所述变截面部设置为梯形梁或者锥形梁。

优选的，第一、二加强筋在纵梁上的设置方式通过螺钉连接或者焊接实现。

上述车架结构中，第一、第二加强筋的设置，在不破坏纵梁碰撞吸能特性的前提下，确保了纵梁及车架整体的结构强度，弥补了诱导槽和截面过渡部位的结构薄弱点，能够承受车辆正常行驶过程中的各种交变应力载荷的冲击，更能够承受作用于车架纵梁上的弯矩；同时，在碰撞发生时，第一、第二加强筋在较大冲击载荷下，其与纵梁固定连接部位会承受剪切变形破坏，进一步吸收了碰撞的冲击载荷。因此，车架结构在碰撞时，既会发生塑性变形，也会发生剪切变形，通过双重变形效果提高了单位区域的吸能效率，也保证了车架整体的结构强度不会失效。

本发明还提供了第二种双变形吸能车架结构，包括前横梁，前纵梁前部，前纵梁前部采用内外分段结构，该内外分段结构包括纵向设置的内梁和外梁，内梁为实心结构，部分的伸入前部为空心内筒结构的外梁内部，并和外梁配合紧固连接，其特征在于：所述外梁内筒的底壁上开设内部诱导槽，内梁在其一端，相应的设置有与外梁的所述内部诱导槽形状配合的端部；所述内梁和外梁的紧固配合连接的部位，在碰撞时发生剪切变形破坏；所述内部诱导槽，用来引导内、外梁继续发生塑性变形，进一步吸收碰撞能量。

优选的，内梁和外梁配合紧固连接的方式为类似内外螺纹连接，或者齿和齿槽连接方式。

优选的，内梁伸入外梁空心内筒的一端，与内部诱导槽的底部，留有一定间隙。

进一步的，所述内梁和外梁的紧固配合连接的部位材料强度设为最小；所述内梁和外梁其余主体结构的材料强度设为最大；所述内梁伸入外梁空心内筒、与内部诱导槽配合的端部的材料强度，设为上述最大最小材料强度之间。

进一步优选的，内梁13配合部角13J或齿的强度大于与外梁14的配合部；

进一步优选的，内梁13配合部角13J的面积占整个环形面积为30％-80％。

进一步优选的，内梁13配合部角13J的面积占整个环形面积为50％-60％。

上述车架结构，通过在纵梁内部设置诱导槽，引导纵梁发生叠加收缩变形，又通过剪切变形和塑性变形的双重吸能效果，提高了纵梁和车架单位区域的吸能效率。同样的，由于车架和纵梁结构截面上没有明显的部件收缩区域，也保证了整体的结构抗疲劳强度高，不会由于周期性应力失效，降低车辆安全性。

同时，将内梁和外梁配合连接处的材料强度设为最小，使得剪切变形优先发生；将内梁和外梁主体结构的材料强度设为最大；最后将内梁13伸入外梁、与内部诱导槽配合的端部的材料强度设为上述最大最小强度之间，使得内梁的所述端部在于外梁作用过程中，随着冲击载荷的增大结构也将被破坏，避免了“穿刺效应”的产生。

本发明还提供了一种车架结构，其为本发明前两种车架结构的组合，纵梁前部2F的前部区域，采用本发明第二种内梁、外梁配合紧固连接的结构；在纵梁前部2F的后部区域，即与所述前部区域相接的纵梁区域，采用本发明第一种变截面梁设置外部诱导槽配合加强筋的结构。

附图说明

图1是本发明的车辆车架布置示意图。

图2是现有技术的车架纵梁碰撞吸能效果图。

图3是本发明的第一实施方式的车架纵梁结构示意图。

图4是本发明的第二实施方式的车架纵梁结构示意图。

图5是本发明的第二实施方式的车架纵梁结构A区域的示意图。

图6是本发明的第二实施方式的车架纵梁内梁截面的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步的详细描述。

图1为根据本发明的车辆车架结构1的示意图。前纵梁2被设置在车架结构1前部的左右侧，该对前纵梁2位于车体前部的前车厢两侧，并在车辆纵向方向上延伸。前纵梁2的后端分别接续中间纵梁3，中间纵梁3位于车厢中车辆横向方向的两侧并且它的末端接续后纵梁4。横梁5被连接在左右前纵梁2的末端之间，一对左右斜加强筋6连接到横梁5的中部，并在两侧连接到前纵梁2上。前部保险杠构件7连接左右前纵梁2的前端。其中，左右中间纵梁3的距离L2大于左右前纵梁2的前部2F之间的距离L1，左右前纵梁2的后部2R向车辆的后部横向向外倾斜。

本发明的主旨，就在于对车架前纵梁2中的前纵梁前部2F的碰撞吸能结构改进，具体如下。

具体实施方式1

如图3所示，前纵梁的前部2F包括两部分，靠前的等截面部11，最先受到碰撞载荷的冲击；以及靠后的变截面部12，传递来自前方等截面部11的冲击载荷。等截面部11和变截面部12组成的纵梁前部2F，在低速、中速、高速碰撞下，比使用单独种类的纵梁更加接近车架理想碰撞特性。变截面部12例如可以设置为梯形梁或者锥形梁。

同时，为了保证纵梁更易于发生叠加收缩塑性变形，在纵梁前部2F的等截面部上下对称的开设诱导槽7。

在此基础结构上，在对称的诱导槽7顶部均跨接设置第一加强筋8。同时，在纵梁前部2F上对称的跨接设置第二加强筋9，第二加强筋9一端固定连接在纵梁前部2F的等截面部11，另一端固定连接在纵梁前部2F的变截面部12。第一、二加强筋8，9在纵梁上的设置方式可以是通过螺钉连接或者焊接等方式实现。

这种车架结构中，诱导槽7的设置保证纵梁发生叠加收缩塑性变形(如图2所示)，具有优良的碰撞吸能效果；等截面部11和变截面部12的组合使用，逼近更理想的碰撞特性。

最体现本发明主旨的是，第一、第二加强筋的设置，在不破坏纵梁碰撞吸能特性的前提下，确保了纵梁及车架整体的结构强度，弥补了诱导槽和截面过渡部位的结构薄弱点，能够承受车辆正常行驶过程中的各种交变应力载荷的冲击，更能够承受作用于车架纵梁上的弯矩；同时，在碰撞发生时，第一、第二加强筋8，9在较大冲击载荷下，其与纵梁固定连接部位会承受剪切变形破坏，进一步吸收了碰撞的冲击载荷。因此，车架结构在碰撞时，既会发生塑性变形，也会发生剪切变形，通过双重变形效果提高了单位区域的吸能效率，也保证了车架整体的结构强度不会失效。

具体实施方式2

与现有技术中纵梁诱导槽开设在纵梁外部不同，如图4所示，本实施方式诱导部分开设在纵梁内部。纵梁前部2F采用内外分段结构，纵梁部分外部没有明显的诱导槽，其抗交变应力和疲劳强度得到提高。

纵梁前部2F包括纵向设置的内梁13和外梁14，内梁13可以为实心结构，也可以为中空结构，外梁14前部为空心筒状结构。内梁13和外梁14通过内部诱导部分配合紧固连接。配合紧固连接的具体方式如图4中A区域所示，放大来看为如图5所示的类似内外螺纹连接，也可以采用的齿和齿槽连接，即所有旋转内部配合连接方式均可适用于本发明。如图6所示，内梁13的截面部分可以设置为多角形，如四角形，五角形或八角形，而外梁14与内梁13配合部分可以采用传统的内螺纹结构。在本实施方式中，在内梁13和外梁14的配合连接位置，内外螺纹结构，或者齿和齿槽结构采用强度较低的金属材料加工制造，其中优选内梁13配合部角13J或齿的强度大于与外梁14的配合部，在碰撞发生初期时，外梁14配合部受冲击载荷作用容易发生剪切变形破坏，首先吸收部分冲击能量。由于外梁14为筒状中空结构，其被内梁13剪切后，自然形成了一种便于纵向变形的诱导结构，保证了纵向变形的进一步发生，可以进一步吸收碰撞能量。

进一步优选的，如图6左图所示，内梁13角部13J的根部所在的圆周为小圆，角部13J顶部所在的圆周为大圆，大圆和小圆之间的面积差为本申请中的环形面积。内梁13配合部角13J的面积占整个环形面积为30％-80％；进一步优选的，内梁13配合部角13J的面积占环形面积为50％-60％；上述配合部角13J的面积设置保证了剪切后外梁14便于纵向变形的诱导结构，其被剪切后的纵向变形效果优于未做面积限定的情况，不容易发生横向变形，从而保证吸收撞击能量的效果。

同时，本发明在外梁内筒的底壁上开设内部诱导槽10，内梁13在其一端，相应的设置有与外梁14的内部诱导槽10配合的端部。在碰撞进行过程中，纵梁前部2F的内梁13和外梁14的配合连接部完全发生剪切破坏，螺纹结构或齿槽结构逐步破坏。纵梁前部2F继续变形，内梁13伸入外梁14的一端与外梁14的内部诱导槽发生作用，引导外梁14继续发生塑性变形(而不是弯曲变形)，进一步吸收剩余的碰撞能量。

内梁13本身的结构为螺纹式，其结构保证了内梁13也具有纵向诱导变形的倾向。在碰撞发生后，其可以和外梁14一起变形，吸收碰撞能量，保证车架整体的安全性。

本实施方式的车架结构的改进之一在于，通过在纵梁内部设置诱导槽，引导纵梁发生叠加收缩变形，又通过剪切变形和塑性变形的双重吸能效果，提高了纵梁和车架单位区域的吸能效率。同样的，由于车架和纵梁结构截面上没有明显的部件收缩区域，也保证了整体的结构强度不会失效。

优选的，内梁13和外梁14配合连接部位在剪切变形破坏之后，为了增加内、外梁塑性变形的冲击载荷，增强内部诱导槽的变形引导效果，内梁13伸入外梁14的一端，与内部诱导槽10的底部，并不接触，留有一定间隙(未示出)

进一步的，本实施方式中，纵梁前部2F应首先发生剪切变形破坏，然后内梁13伸入外梁14的端部与内部诱导槽10接触作用，引导叠加收缩塑性变形的产生。然而，在试验中发现，如果不合理设置内梁13与外梁14内部诱导槽10配合的端部的材料强度，随着变形程度加大，将影响叠加纵梁收缩变形的吸能效果。原因在于，如果内梁13端部的材料强度较大，即较硬，其端部将对外梁14的内部诱导槽处产生一种“穿刺效应”，虽然有引导变形方向的作用，但外梁的塑性变形程度将减少，影响吸收冲击能量的效果。

为了解决这一问题，将内梁13和外梁14配合连接处的材料强度设为小，使得剪切变形优先发生，其中优选内梁13配合部角13J或齿的强度大于外梁14的配合部，在碰撞发生初期时，外梁14配合部受冲击载荷作用容易发生剪切变形破坏，首先吸收部分冲击能量；将内梁13和外梁14主体结构的材料强度设为最大；最后将内梁13伸入外梁14、与内部诱导槽10配合的端部的材料强度设为上述最大最小强度之间。

通过此设置，内梁13的所述端部在于外梁14作用过程中，随着冲击载荷的增大结构也将被破坏，避免了“穿刺效应”的产生。

具体实施方式3

本实施方式为具体实施方式1和2的组合(未示出)，纵梁前部2F的前部区域，采用具体实施方式2的内梁、外梁配合紧固连接结构；在纵梁前部2F的后部区域，即与所述前部区域相接的纵梁区域，采用具体实施方式1的变截面梁设置外部诱导槽配合加强筋的结构。

本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。

Claims (8)

1.一种双变形吸能车架结构，包括前横梁(27)，前纵梁前部(2F)，所述前纵梁前部(2F)采用内外分段结构，包括纵向设置的内梁(13)和外梁(14)，其特征在于：内梁(13)部分的伸入前部为空心内筒结构的外梁(14)内部，并和外梁(14)配合紧固连接，所述内梁(13)和外梁(14)的紧固配合连接的部位，在碰撞时发生剪切变形破坏；所述外梁(14)内筒的底壁上开设内部诱导槽(10)，内梁(13)在其一端，相应的设置有与外梁(14)的所述内部诱导槽(10)形状配合的端部；所述内部诱导槽(10)，用来引导外梁(14)继续发生塑性变形，进一步吸收碰撞能量。

2.如权利要求1所述的双变形吸能车架结构，所述内梁(13)和外梁(14)配合紧固连接的方式为内外螺纹连接，或者齿和齿槽连接。

3.如权利要求2所述的双变形吸能车架结构，所述内梁(13)伸入外梁(14)空心内筒的一端，与内部诱导槽(10)的底部，留有一定间隙。

4.如权利要求1所述的双变形吸能车架结构，所述内梁(13)和外梁(14)的紧固配合连接的部位材料强度设为最小；所述内梁(13)和外梁(14)其余主体结构的材料强度设为最大；所述内梁(13)伸入外梁(14)空心内筒、与内部诱导槽(10)配合的端部的材料强度，设为上述最大最小材料强度之间。

5.如权利要求4所述的双变形吸能车架结构，所述内梁(13)紧固配合连接部位材料强度大于外梁(14)的紧固配合连接部位材料强度。

6.如权利要求1所述的双变形吸能车架结构，所述内梁(13)紧固配合连接部位为截面为四角形/五角形/八角形。

7.如权利要求1所述的双变形吸能车架结构，内梁(13)配合部角(13J)的面积占截面环形面积为30％-80％。

8.如权利要求1所述的双变形吸能车架结构，内梁(13)配合部角(13J)的面积占截面环形面积为50％-60％。

Images