CN111344219B - 用于乘用车的共享安全车厢 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于具有替代传动系的乘用车的被动安全车厢(2)，该被动安全车厢被共享以供乘客(3)使用以及供包含其主要部件的能量源(4)使用从而在一个车厢中进行这两方面的保护。

Description

用于乘用车的共享安全车厢
本发明涉及一种用于具有替代传动系的乘用车的被动安全车厢，该被动安全车厢被共享以供乘客使用以及供包含其主要部件的能量源使用从而以一个车厢来进行这两方面的保护。
1886年，Gottlieb Daimler以其发明的一种机动马车以及Karl Benz以其发明的机动车使汽车成为乘客的一种新型个人私家交通运输技术。在他们着手发明的前几十年中，机动车显然是由马车和驾车人演变出来的。因此，此类汽车构造的安全性也源自较慢的马车及其全部其他运动行为。一个新现象是，例如，会发生车头碰撞并且由于车头没有马匹导致驾驶员和副驾驶员受到直接且致命的冲击。这就是为什么在20世纪20年代仍然由于转向构造方式(一根长转向柱，其在车头碰撞期间发生类似长矛的行为)导致了多起致命事故。此外，一个新的体验是，还会产生侧面冲击。因此，需要发明、批准和介入新的构造方法，以保证机动车的乘客安全。
20世纪30和40年代的新被动安全概念的两个示例是，德国专利申请767715C中所述的X形管状框架或者来自德国专利申请742977C的平台式框架。Béla Barényi开发了分体式汽车车身(DE704477C、DE834048C)和车厢结构设计(DE810924C、DE826699C、DE835843C、DE820380C)，是现代安全汽车概念的先行者，因此那些概念可被视为新旧安全汽车概念之间的桥梁。作为当今安全汽车概念的中间阶段，专利申请DE828485C和DE933372C以其横舱壁(B柱)和中央纵梁(DE755321C、DE683885C、DE741448C)值得一提。此外，在乘客前方和后方集成横壁(DE841852C、DE823698C、DE973838C)在当今的乘用车中是熟知的并且表示向较新开发的乘客车厢所迈出的一步。这个方向的深入进展是专利申请DE885204C、DE947856C或DE843503C。
直到20世纪50年代，乘用车的一大缺点在于，从材料角度看，纵向中心线上的强度在车辆的整个长度上几乎相同。Béla Barényi在其德国专利申请854157C中定义了汽车的强度最高的乘客舱室。在车辆前-后端方向上，强度以恒定量或逐渐变化的量减小。因此，发明了用于乘用车的安全车厢，用于在事故或碰撞情况下保护乘客。此后，汽车的前舱室和尾端被称为可变形区。Béla Barényi再次使用车厢结构设计，并提及用于较高强度乘客车厢的中心车厢以及用于较软的前舱室和尾端的外车厢。此外，他还定义了预定断裂点，以进一步保护安全车厢和内部乘客。随着变形构件(当今称为冲撞盒)的加入，德国专利申请DE1157935B指出，被动安全概念原则上在当今仍然适用。
此后，现有技术乘客安全车厢的设计或多或少地转向了车辆的纵向方向。事实上，46％的事故发生于车头碰撞，另有27％发生于车尾冲击，因此，所有事故中有73％是纵向方向上的冲击[2]。然而，该研究分析的159.994次事故中有53％发生于速度v<20km/h，另有38％发生于21≤v≤46km/h的速度范围。但是对于速度v≥64km/h的那2％的事故，侧面冲击的次数大幅增加，其中26％的这些侧面冲击造成致命后果，且另有57％造成严重后果。侧向撞击提出的特殊挑战是，辅助主动安全系统，如约束系统，由于本身靠近侧面冲击区域(例如，车门或B柱)而无法被实施。常见的构造方法是增加该区域中的汽车刚度，并使用前面提到的具有较高强度材料的安全乘客车厢。对于汽车客户而言，乘客安全是购买标准的最重要因素，其重要比例为95％，属于“极重要”类别[1]。
但用于乘客的安全车厢是为具有内燃机及其周围部件的乘用车开发的。替代传动系概念，如果被构造为转换设计或专用设计，则是独立的，这些概念使用相同的安全乘客车厢，但它们的部件是作为安装零件集成到既定的构造方式中。因此，乘客仍然直接受到乘客舱室的保护，但由于根本不考虑碰撞后果，因此也存在间接风险。此类后果可能是损坏电池电动汽车(BEV)和混合电动汽车(HEV)的车用电池，继而造成自燃、短路风险、电池液泄漏和功能丧失(成本、维修或更换)。燃料电池汽车(FCV)或燃料电池混合动力汽车(FCHV)也可能发生相同的情况。在现有技术中，替代传动系的能量源不是被动安全的组成部分，因为这些系统不集成到乘客舱室来保护自身及乘客。通过同时保护替代传动系的能量源，乘客以及如救援队等其他人员也受到间接保护，因为能够避免与能量源故障有关的事故，如火灾、电池液接触或触电。“事故后的行为”是安全管理的一个重要子系统，但对于具有替代传动系的乘用车来说，它具有进一步的发展潜力。
一个即将到来的挑战将是自主驾驶的主题，其中乘员在乘用车内的自由度增加。因此，在每个可能的冲击方向上保护乘客的要求也显著提高。现有的负载路径会丢失或失效，并且必须通过针对汽车的每个弱点的多向系统来增强。尤其是对于自主驾驶的主题，在安全方面，设计高强度安全车厢是不够的。必须减小加速力(“g力”)，以使产生的冲击后果对乘客以及对替代传动系统而言是可承受的。
此处提及的所有方面都是被动安全的组成部分，或者也称为事故缓解。乘员保护分为不同的冲击方向。
本发明的目的是消除现有技术的某些缺点，并且实现一种用于替代传动系的具有集成安全车厢的乘用车，该集成安全车厢被共享以供乘客使用以及供能量源使用从而以一个车厢来进行这两方面的保护。该乘用车以一定方式设计，以使得在汽车的横向方向和高度方向上，安全系统像组合弹簧系统那样工作，而安全车厢区域像组块上的弹簧那样工作(“安全区域”)，并且围绕安全车厢直达外侧的区域像压缩弹簧那样工作(“能量吸收区域”)。影响也可任选地传递到纵向侧，这在所提及的专利申请中或多或少是已知的。安全车厢布置在汽车的前轴线与后轴线之间，并且包括先前的乘客舱室，但也包括具有驱动技术及其能量存储系统的能量源。如果驱动技术的单体部件对于碰撞不起关键作用并且在包装、设计、装配或维修方面都较易处理，则这些部件可任选地布置在安全车厢外部。
安全车厢可被任选地设计成若干内室以将乘客与发动机分隔。在这种情况下，源自船舶领域但在这里为水平取向的舱壁可将不同空间彼此分隔。通过这种构造方式，安全车厢确保根据UN R94和R95标准的物理保护，以防止人员接触被完全覆盖的高压部件(IPXXB保护)。另外，没有高电压部件能够与电动汽车分离。此外，根据FMVSS 305，没有高电压部件侵入实际的乘客舱室。
这样，乘用车的构造就能够以先前所述的方式像组合弹簧系统那样工作，优选地为使用安全车厢的金属材料，更优选地，使用具有高强度和超高强度特性的钢或不锈钢，由此，用于安全车厢的材料与用于周围零件的材料之间的屈服强度比为：
rRP0.2＝RP0.2安全车厢/RP0.2周围零件≥2.0，
更优选地为2.5≤rRP0.2≤3.5。
由于安全车厢不允许变形的事实，因此优选通过屈服强度来设计车辆，尤其是本发明的安全车厢。总的来说，安全车厢区域中的屈服强度高得多，相比之下，周围零件(“能量吸收区域”)的屈服强度则被设计为低得多。因此，可任选地适合将其零件的周围区域再细分成不同的屈服强度区域。优选地，屈服强度朝车辆端部关于所有车辆方向减小：x轴(车辆的纵向方向)、y轴(横向方向)和z轴(高度方向)。这样，不同的强度可例如通过持续减小强度等级恒定的材料或各种热处理材料的厚度来稳定地且持续地降低，或者例如通过组合不同强度的材料、柔性成卷材料或定制产品(如定制焊接坯料、定制接合坯料或定制回火材料)来不连续且间歇地降低。
优选地，在碰撞行为、维修成本以及维修期间的可用性方面，而且就简单且具有成本效益的构造设计而言，本发明的构造分阶段逐渐为周围区域布置。周围区域的所述构造方式可通过具有可调弹簧特性或弹簧劲度系数的压缩弹簧的物理效应来描述。弹簧劲度系数，也称为弹簧刚度或弹簧硬度，定义作用于弹簧并因此引起弹簧位移的力的比率。SI单位制的弹簧劲度系数D可使用公式(1)来计算：
D＝F/ΔL＝(E*A)/L0，其中物理单位N·m-1＝kg·s-2 (1)
其中，F[kN]是压缩力，或者在这里更详细地讲是进入车辆的冲击力，ΔL[mm]通常是弹簧挠度，而在这种情形下是在达到组块长度之前周围零件的收缩，E是取决于材料的杨氏模量[N/m2]，A是弹簧(系统)的横截面积，并且L0是弹簧(系统)的初始长度，就本发明的情形而言，更详细地讲是在碰撞之前处于初始状态的周围零件的尺寸。在下文中，L0被称为“长度变形区域”(LD)。
侵入物可根据特定车辆构造以线性、递增或递减的弹簧劲度系数被吸收。线性弹簧劲度系数对应于周围零件的恒定强度等级。非线性递增弹簧特性对应于强度根据车辆构造朝车辆端部稳定或不连续地降低。在这种情况下，首先吸收能量，最后产生对冲击的高阻力。相反，如果一开始就需要高阻力然后再将能量吸收到周围零件内，则可以使用递减弹簧特性。周围零件的所述弹簧效应可以不同的布置方式来建立以达到刚度和能量吸收的最佳组合：
·平行布置
·串联布置
·组合布置
描述碰撞期间周围零件行为的一个其他参数是弹簧挠度，其在压缩(螺旋)弹簧中被描述为弹簧可从初始无负载状态到呈现卷绕相叠状态的实现方式。最终状态被称为组块长度。弹簧挠度可被理解为周围零件的最大侵入程度，并取决于侧面区域(y轴)或车身底盘和车顶结构(z轴)或车头或车尾结构(x轴)的可用包装。弹簧挠度越高，能量吸收就越高并且安全车厢上的力和加速度就越小，从而内部乘员和储能装置上的力和加速度就越小。作为本发明的特别有利的弹簧特性设计，锥形螺旋压缩弹簧或具有相同操作原理的系统值得一提，它们的优点在于，具有定义的组块长度、包装需求低且能量吸收潜力大(低弹簧劲度系数)。
作为本发明的优选使用的材料，高强度不锈钢，更优选地具有显著应变硬化效应的较高强度奥氏体不锈钢，被用于安全车厢。作为本发明的一个理想实施方案，使用钢，该钢的屈服强度RP0.2≥500MPa、更优选地RP0.2≥800MPa，并且其拉伸强度Rm≥1,000MPa，其屈服强度与拉伸强度的比率≥65％、更优选地≥75％。另一种优选材料的代表是可冲压硬化(或者也称为可热成型)的硼锰合金钢(如22MnB5)族群，该硼锰合金钢可在热成型期间硬化至1250-2200MPa之间的拉伸强度等级。以相同的方式进行热处理后，马氏体不锈钢如1.4034适合形成具有Rp0.2≥1200MPa且Rm≥1800MPa的机械特性，并且因此适合达到高刚度不可变形安全车厢的目标。尤其是，与本发明相比，不锈钢族群显示出更大的可能性：它们的耐热性、耐酸性和耐腐蚀性为安全车厢扩增了额外的优点，并以这些特性进一步保护乘员以及能量源。
本发明的方法可经调整用于所有级别的车辆，从“微型车”到“紧凑级”和“中级”乃至“奢华级、“厢式货车”或“SUV”。根据ECIE(欧洲汽车制造商信息交换协会-第17版文件)所述的不同尺寸，如汽车长度(L103)、轴距(L101)或离地间隙(H157)，因车辆级别而异，但不影响本发明的系统。另外，与乘客相关的尺寸，如以从臀部点到脚跟接触水平的垂直距离计的座椅高度H30，不受本发明的影响，这就使得汽车车身工程师在车辆设计和内部空间布置方面拥有更大的自由度。
利用本发明的方法，乘客占据较高的座椅高度，从而由于视野增大而对间接安全有着直接的贡献。就过去几年SUV在欧洲国家的趋势而言，这一特征给了乘客一种方便的感觉。此外，乘客相对于布置得靠下的负载路径具有的较高位置(以前冲撞盒、后冲撞盒、横梁、纵梁等部件为代表)，这也提高了安全等级。在碰撞期间，冲击力可来源自乘客和安全车厢下方。该机构可用碰碰车的示例来说明。与德国专利申请885818C相反，本发明的方法不显示悬挂元件，事实上，它来自封闭单元的外侧，其中安全车厢完全嵌入到周围的能量吸收区域中。另一个示例可由卡车提供，其中在碰撞期间，内燃机的受力源自驾驶室下方，由此，乘员因其较高的乘坐位置而安全。此外，本发明的布置也在侧面冲击情形期间提供较高的安全等级，因为侵入并不直接作用到乘员身体所在的高度水平(车门侧冲击梁或B柱的中部部分)，事实上，相对于潜在侵入元件(如障碍物、立柱或冲撞盒布置得较低的其他车辆)的较高乘坐位置有助于将冲击力导离乘客而不冲击与乘客相同的高度水平。此外，由于与内燃机相关的部件数量减少，因此替代传动系允许车辆设计者在纵向方向(x轴)上任选地构造较短的车辆长度。在停车空间方面，这一事实可给城市区域带来收益。在例如电池舱内具有沉重电池的替代传动系时代，车顶结构的安全要求变得更高。在翻车的情况下，电池部件的整个重量都作用于车顶结构，而车顶结构必需稳定而不翘曲以保证乘客安全。在本发明的方法中也考虑了这一事实：同样就车顶结构而言，安全车厢被定义为由能量吸收区域围绕的不可变形区。一种优选的构造方式可为集成源自敞篷车的防滚杆，由此，防滚杆可连接在安全车厢的车顶与地板结构之间以进一步支撑不可变形的安全区域。对于z轴(高度方向)的其他冲击方向(即，车身底盘冲击)，安全车厢下方的能量吸收区域允许吸收侵入元件，如立柱、障碍物或尖锐锋利的元件，而不损坏安全车厢，并且因此不损坏内部的能量源部件。一般来讲，利用本发明的安全概念，给设计工程师提供了新的设计机遇。
通过调整和扩展，本发明还适用于其他类型的电动客运或货运车辆，如公共汽车、捷运车、商用车或包裹派送车。此外，本发明可经调整用于必须对乘客和能量源进行共同保护的其他类型的运输系统，如自主驾驶汽车、出租车、小型公共汽车或厢式货车。此外，本发明的方法可被部分地调整以用于具有内燃机的车辆，或者以将其单体专用部件(如燃料箱)集成到安全车厢中的方式来用于具有内燃机的混合动力汽车。
参考以下附图更详细地说明了本发明，其中
图1示出了通过侧视图示意性地示出的本发明的一个优选实施方案，
图2示出了通过正视图示意性地示出的本发明的一个优选实施方案，
图3示出了通过正视图示意性地示出的本发明的一个优选实施方案，
图4示出了通过正视图示意性地示出的本发明的一个优选实施方案，
图5示出了通过正视图示意性地示出的本发明的一个优选实施方案，
图6示出了通过正视图示意性地示出的本发明的一个优选实施方案，
图7示出了通过正视图示意性地示出的本发明的一个优选实施方案。
图1示出了作为组合弹簧系统的汽车在纵向方向(x轴)上的构造方式，其中(如本领域所知)较软的区域5作为能量吸收区域像压缩弹簧那样工作，并且因此被称为围绕安全车厢2直达外侧的“长度变形区域”(LD)。安全车厢区域2像组块LB上的弹簧那样工作以保护乘客3以及能量源4，因此被称为“安全区域”。
图2示出了用于替代传动系的乘用车的优选设计实施方案，其中不可变形的安全车厢2在横向方向(y轴)和高度方向(z轴)上被较软的区域5围绕，该较软的区域像压缩弹簧那样工作以吸收碰撞能量。
图3示出了作为组合弹簧系统的汽车在横向方向(y轴)上的构造方式，其中较软的区域5作为能量吸收区域像压缩弹簧那样工作，并且因此被称为围绕安全车厢2直达外侧的“宽度变形区域”(WD)。安全车厢区域2像组块WB上的弹簧那样工作以保护乘客3以及能量源4，因此被称为“安全区域”。
图4示出了在来自横向方向(y轴，侧面冲击)的碰撞期间的行为，其中碰撞后的车辆尺寸6与碰撞前的车辆尺寸7相关。尺寸WBC定义整个(组合)弹簧系统的碰撞后组块长度。
图5示出了作为组合弹簧系统的汽车在高度方向(z轴)上的构造方式，其中较软的区域5作为能量吸收区域像压缩弹簧那样工作，并且因此被称为围绕安全车厢2直达外侧的“宽度变形区域”(HD)。安全车厢区域2像组块HB上的弹簧那样工作以保护乘客3以及能量源4，因此被称为“安全区域”。
图6示出了在来自高度方向(z轴)的由车身底盘冲击引起的碰撞期间的行为，其中碰撞后的车辆尺寸6与碰撞前的车辆尺寸7相关。尺寸HBC定义由于车身底盘冲击(如立柱、障碍物或其他锋利物体8)而对弹簧系统造成碰撞后的组块长度。
图7示出了在来自高度方向(z轴)的由进入车顶结构的冲击(翻车)引起的碰撞期间的行为，其中碰撞后的车辆尺寸6与碰撞前的车辆尺寸7相关。尺寸HBC定义弹簧系统的碰撞后的组块长度。
参考文献：
[1]H.-H.Braess,U.Seiffert:Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik,6.Auflage,ATZ Vieweg Teubner,2011
[2]M.Büchsner：在第二届柏林年度乘坐创新峰会(2017年4月6日)上的演讲“Integration of occupant safety systems into seating environment in the lightof autonomous driving”(在自主驾驶情形中将乘员安全系统集成到乘坐环境中)。

Claims (19)

1.一种用于替代传动系的具有集成安全车厢的乘用车，其特征在于，所述安全车厢被共享以供乘客使用以及供能量源使用从而以一个车厢来保护所述乘客和所述能量源，所述集成安全车厢被较低强度的能量吸收区域围绕并且以一定方式设计以使得在所述乘用车的横向方向和高度方向上，安全系统像组合弹簧系统那样工作，而安全车厢区域像组块上的弹簧那样工作并且围绕所述安全车厢直达外侧的区域像压缩弹簧那样工作。
2.根据权利要求1所述的用于替代传动系的具有集成安全车厢的乘用车，其特征在于，除所述横向方向和所述高度方向之外，所述乘用车的纵向侧也被设计为组合弹簧系统，而所述安全车厢区域像所述组块上的弹簧那样工作并且围绕所述安全车厢直达所述外侧的所述区域像压缩弹簧那样工作。
3.根据权利要求1所述的用于替代传动系的具有集成安全车厢的乘用车，其特征在于，所述安全车厢布置在所述乘用车的前轴线与后轴线之间。
4.根据权利要求1所述的用于替代传动系的具有集成安全车厢的乘用车，其特征在于，所述安全车厢通过使用舱壁分隔成至少两个内室以将乘客与发动机分隔。
5.根据权利要求1所述的用于替代传动系的具有集成安全车厢的乘用车，其特征在于，所述安全车厢通过使用舱壁在水平取向上分隔成至少两个内室以将乘客与发动机分隔。
6.根据权利要求1所述的用于替代传动系的具有集成安全车厢的乘用车，其特征在于，用于所述安全车厢的材料与用于周围零件的材料之间的屈服强度比为≥2.0。
7.根据权利要求6所述的用于替代传动系的具有集成安全车厢的乘用车，其特征在于，用于所述安全车厢的材料与用于周围零件的材料之间的屈服强度比为2.5≤rRP0.2≤3.5。
8.根据权利要求1所述的用于替代传动系的具有集成安全车厢的乘用车，其特征在于，所述安全车厢由屈服强度≥520MPa的应变硬化奥氏体不锈钢制成。
9.根据权利要求8所述的用于替代传动系的具有集成安全车厢的乘用车，其特征在于，所述安全车厢由屈服强度≥800MPa的应变硬化奥氏体不锈钢制成。
10.根据权利要求1所述的用于替代传动系的具有集成安全车厢的乘用车，其特征在于，所述安全车厢使用拉伸强度≥1,200MPa的可冲压硬化的钢来制成。
11.根据权利要求1所述的用于替代传动系的具有集成安全车厢的乘用车，其特征在于，所述安全车厢使用拉伸强度≥2,200MPa的可冲压硬化的钢来制成。
12.根据权利要求1所述的用于替代传动系的具有集成安全车厢的乘用车，其特征在于，所述安全车厢的周围区域被设计为像压缩弹簧那样工作的碰撞吸收元件。
13.根据权利要求1所述的用于替代传动系的具有集成安全车厢的乘用车，其特征在于，所述安全车厢的周围区域由弹簧钢制成。
14.根据权利要求1所述的用于替代传动系的具有集成安全车厢的乘用车，其特征在于，所述安全车厢的周围区域由奥氏体不锈弹簧钢制成。
15.根据权利要求1所述的用于替代传动系的具有集成安全车厢的乘用车，其特征在于，车身底盘和传动系部件周围元件由不锈钢制成。
16.根据权利要求1所述的用于替代传动系的具有集成安全车厢的乘用车，其特征在于，车身底盘和传动系部件周围元件由高耐热耐酸的不锈钢制成。
17.根据权利要求1所述的用于替代传动系的具有集成安全车厢的乘用车，其特征在于，所述乘用车为自主驾驶汽车，其中乘客和能量源共同在一个安全车厢中受到保护。
18.根据权利要求1所述的用于替代传动系的具有集成安全车厢的乘用车，其特征在于，所述乘用车为出租车、小型公共汽车或厢式货车，其中乘客和能量源共同在一个安全车厢中受到保护。
19.根据权利要求1所述的用于替代传动系的具有集成安全车厢的乘用车，其特征在于，所述乘用车为由内燃机提供动力的车辆或由内燃机提供动力的混合车辆，并且所述内燃机的单体部件被集成到所述安全车厢中。
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