CN110843710A - 一种汽车碰撞吸能三明治结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种汽车碰撞吸能三明治结构，其特征在于包括：端部吸能层、吸能内芯和吸能内芯包裹层；所述端部吸能层由钛金属层和铝合金层级波纹管组合而成，铝合金层级波纹管置于两层钛金属层中间；所述吸能内芯包括铝合金圆管和金属泡沫材料，所述金属泡沫材料置于铝合金圆管夹层；所述吸能内芯结构由内芯胞元结构在X轴、Y轴和Z轴，按照正置‑倒置‑正置的顺序阵列形成，各内芯胞元结构之间通过钎焊的方式进行连接；所述内芯胞元结构包括铝合金圆管和金属泡沫材料，所述金属泡沫材料置于铝合金圆管夹层中。本发明克服了传统碰撞吸能盒峰值应力高、低效、质量重、适用面窄等问题。

Description

一种汽车碰撞吸能三明治结构
技术领域
本发明是一种新型的汽车碰撞吸能三明治结构，属于汽车被动安全防护领域。
背景技术
随着汽车产业的不断发展，现目前已经成为国民经济重要支柱产业之一，截至2018年底，我国汽车保有量已达2.4亿辆。汽车数量的飞速增长，在给人民的生活带来便利的同时，也带来了较为严峻的安全问题和环保问题。因此，提高汽车安全性及环保性是目前全球汽车行业的共同目标。当汽车发生碰撞时，汽车横梁纵梁上的薄壁吸能盒结构通过压溃产生塑形变形来吸收碰撞产生的能量，进而最大可能的降低传递到乘员身上的碰撞能量，达到保护乘员的目的，故而汽车碰撞吸能盒至关重要。目前汽车碰撞吸能盒结构多为方形、圆管形或者其他简单构件，其峰值应力高、比吸能低，无法在汽车发生碰撞时达到较好的安全性能，同时该类结构仅仅只考虑汽车在发生正面碰撞的吸能性，并未考虑到汽车在多种角度的碰撞冲击下的安全性能；此外，目前大多数的碰撞吸能盒为了达到较高的耐撞性，其质量一般较重，而较重的车身质量所带来的就是更多的耗能和排放，因此当前的大多数吸能盒无法满足人们对车安全性、轻量化及环保性的要求。所以，设计具有低峰值应力、高吸能比、轻质，且适用于多种碰撞角度下的汽车碰撞吸能盒具有非常重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的主要问题是克服传统碰撞吸能盒峰值应力高、低效、质量重、适用面窄等问题，设计出低峰值应力、高效、轻质、适用性广的汽车碰撞吸能盒，达到安全、轻质、环保的汽车发展目标。
为了解决上述问题，本发明设计了一种汽车碰撞吸能三明治结构，包括：端部吸能层、吸能内芯和吸能内芯包裹层；
所述端部吸能层由钛金属层和铝合金层级波纹管组合而成，铝合金层级波纹管置于两层钛金属层中间；
所述吸能内芯结构由内芯胞元结构在X轴、Y轴和Z轴，按照正置-倒置-正置的顺序阵列形成，各内芯胞元结构之间通过钎焊的方式进行连接；所述内芯胞元结构包括铝合金圆管和金属泡沫材料，所述金属泡沫材料置于铝合金圆管夹层中。
在一较佳实施例中：自上而下的各吸能内芯胞元中的金属泡沫填充呈梯度变化，最外层的吸能内芯胞元中的金属泡沫填充密度小，最底层的吸能内芯胞元中的填充密度大。
在一较佳实施例中：所述吸能内芯的外侧设有吸能内芯包裹层，吸能内芯包裹层由玻璃纤维层和碳纤维纤维层组成。
在一较佳实施例中：所述玻璃纤维层缠绕在吸能内芯结构外表面；
碳纤维层相对玻璃纤维层以90°的角度编织在玻璃纤维层外侧。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
1.本发明提供的一种汽车碰撞吸能三明治结构，复合圆管吸能内芯胞元正置-倒置-正置的交替阵列排布，梯度金属泡沫填充，使得该吸能盒能有效应对多种角度的碰撞，提高吸能盒的适用性。
2.本发明提供的一种汽车碰撞吸能三明治结构，通过对复合圆管吸能内芯胞元进行正置-倒置-正置的交替阵列排布，且金属泡沫填充在整体上呈梯度设置，使得该吸能结构在受到不同角度的碰撞时，有稳定的变形模式，各部分之间变形有良好的交互作用，使得该吸能结构的适用性更加广泛。
3.本发明提供的一种汽车碰撞吸能三明治结构，通过端部吸能层和吸能内芯来吸收碰撞产生的能量。端部吸能层内部的铝合金层级波纹管，由于其具有层级诱导结构，所以在有效降低吸能盒峰值应力的同时，能够在汽车受到低速碰撞时，迅速变形吸收能量；内芯的晶体结构，能够有效提高结构的比吸能和峰值应力。当汽车在收到不同速度下的碰撞时，端部吸能层和内芯能产生不同程度的变形，吸能效果好，安全性能高。
4.本发明提供的一种汽车碰撞吸能三明治结构，所用材料为碳纤维、玻璃纤维、钛金属、轻质铝合金、金属泡沫材料，此类材料在满足吸能盒设计所需的强度和吸能特性的同时，由于其密度小，质量轻，满足轻量化的设计理念，符合环保设计要求。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的端部吸能层结构示意图；
图3是本发明的吸能内芯结构示意图；
图4是本发明的吸能内芯胞元结构示意图；
图5是本发明的吸能内芯包裹层结构示意图；
图中：101是端部吸能层结构；102是吸能内芯包裹层结构；103是吸能内芯结构；201是钛金属层；202是铝合金层级波纹管；301是内芯胞元-低密度金属泡沫填充层；302是内芯胞元-中密度金属泡沫填充层；303是内芯胞元-高密度金属泡沫填充层；401是内芯胞元铝合金圆管；402是金属泡沫填充层；501是玻璃纤维层；502是碳纤维层。
具体实施方式：
下面结合具体实施例进一步阐述说明。应该说明的是：以下实施例仅用以说明本发明并非限制本发明所描述的技术方案，一切不脱离本范围的技术方案及其改进均应包括在本发明的权利要求范围当中。
本实施例所提供的是一种新型的汽车碰撞吸能盒结构，如图1所示，包括端部吸能层结构101、吸能内芯包裹层结构102和吸能内芯结构103。其中端部吸能层结构101如图2所示，包括钛金属层201、铝合金层级波纹管202；铝合金层级波纹管202置于钛金属层201中间，通过钎焊技术进行组合，增强该吸能层的整体性。层级波纹管的特殊结构，能够有效降低该吸能盒的峰值应力，并且能够有效吸收汽车在发生较低速碰撞下所产生的能量，该部分结构便于替换，能有效降低维修费用；置于外侧的钛金属材料，由于其高强度特性，可以高效地将碰撞产生的能量传递到内芯结构，并通过内芯结构的变形吸收碰撞能量，同时由于钛金属具有低温性能好、热强度高等特性，可以适应各种天气、环境下所发生的碰撞情况，提高该吸能盒结构的可适用性。
吸能内芯结构103如图3所示，包括内芯胞元-低密度金属泡沫填充层301、内芯胞元-中密度金属泡沫填充层302、内芯胞元-高密度金属泡沫填充层303；吸能内芯结构103由内芯胞元结构在X轴、Y轴和Z轴，按照正置-倒置-正置的顺序阵列形成，各内芯胞元结构之间通过钎焊的方式进行连接。可保证内芯结构的稳定，通过该种阵列形式，使得结构从各个方向都具有相同的特征，从而可以有效应对不同角度的碰撞，提升吸能结构在多工况碰撞情况下的吸能性，大大提高了吸能盒在各种情况下的可适用性，同时正置倒置的交叉排列，相比单一排列方式，可以有效降低结构的峰值应力。
内芯胞元结构如图4所示，由内芯胞元结构铝合金圆管401和金属泡沫填充层402组成，两者接触面利用工业胶进行粘合，加强内芯胞元铝合金圆管401与金属泡沫填充层402在受到冲击后两者的变形交互作用。有关研究已经证明，金属泡沫填充薄壁管的比吸能和多工况冲击下的力学性能远优于单一金属管，同时铝合金和金属泡沫材料密度小、制造成本低的优点，是应用于碰撞吸能结构较好的材料。将金属泡沫填充层402置于铝合金圆管401夹层，两者的接触面再利用工业胶粘合，进一步提高吸能内芯的整体性，加强吸能内芯在收到碰撞后，两者变形过程中的交互作；同时在本实施例中，自上而下各吸能内芯胞元结构的金属泡沫填充层呈梯度变化，最外层的金属泡沫填充层402的填充密度最小，最底层的金属泡沫填充层402的填充密度最大，由于汽车在发生碰撞时，刚开始所产生的碰撞能量较大，为了尽可能保证车内乘员的安全，设置低密度的金属泡沫填充可以更加快速高效地吸收碰撞能量，在吸能最后阶段，高密度的金属泡沫填充可以有效吸收剩余碰撞能量，从而达到保护车内乘员安全的目的，该种结构对提高汽车的安全性具有重要意义。
在吸能内芯结构103的外侧是吸能内芯包裹层，其结构如图5所示，由玻璃纤维层501和碳纤维纤维层502组成。玻璃纤维层501由于其尺度安定性、耐热性均佳，并且与树脂接着性良好，所以直接将缠绕在吸能内芯结构103外表面，进一步加强吸能盒内芯结构的稳定性，碳纤维层502相对于玻璃纤维层501呈90°编织而成，交错的纤维编织层，能增强吸能内芯的整体性，加强其变形的交互作用，提高吸能内芯的力学性能。玻璃纤维因其尺度安定性和耐热性较好，同时其加工性能佳，与树脂接着性良好，所以本发明中选择将玻璃纤维层紧紧缠绕在吸能内芯结构外层，碳纤维层相对玻璃纤维层以90°的角度编织在玻璃纤维层外侧，此种设计，其目的是为了进一步提高吸能内芯的整体性，加强各吸能内芯胞元在变形阶段的交互性。
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 (4)

1.一种汽车碰撞吸能三明治结构，其特征在于包括：端部吸能层、吸能内芯和吸能内芯包裹层；
所述端部吸能层由钛金属层和铝合金层级波纹管组合而成，铝合金层级波纹管置于两层钛金属层中间；
所述吸能内芯包括铝合金圆管和金属泡沫材料，所述金属泡沫材料置于铝合金圆管夹层；
所述吸能内芯结构由内芯胞元结构在X轴、Y轴和Z轴，按照正置-倒置-正置的顺序阵列形成，各内芯胞元结构之间通过钎焊的方式进行连接；所述内芯胞元结构包括铝合金圆管和金属泡沫材料，所述金属泡沫材料置于铝合金圆管夹层中。
2.根据权利要求1所述的一种汽车碰撞吸能三明治结构，其特征在于：自上而下的各吸能内芯胞元中的金属泡沫填充呈梯度变化，最外层的吸能内芯胞元中的金属泡沫填充密度小，最底层的吸能内芯胞元中的填充密度大。
3.根据权利要求1所述的一种汽车碰撞吸能三明治结构，其特征在于：所述吸能内芯的外侧设有吸能内芯包裹层，吸能内芯包裹层由玻璃纤维层和碳纤维纤维层组成。
4.根据权利要求1所述的一种汽车碰撞吸能三明治结构，其特征在于：所述玻璃纤维层缠绕在吸能内芯结构外表面；
碳纤维层相对玻璃纤维层以90°的角度编织在玻璃纤维层外侧。
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