CN111361630A - 一种梯度多胞结构的汽车溃缩式吸能转向柱 - Google Patents

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Abstract

一种梯度多胞结构的汽车溃缩式吸能转向柱，属于汽车技术领域，包括下转向轴、下转向柱管、吸能装置、上转向柱管、上转向轴。吸能装置中包括梯三维梯度负泊松比多胞结构，该多胞结构由若干层三维负泊松比多胞结构在竖直方向梯度排列且首尾相连而成，每层之间密度不同。该多胞结构具有轴向压缩‑收缩的特性，当其受到轴向力作用时材料刚度提高，在发生碰撞时，汽车转向柱将能够吸收更多的能量。并且该结构从开始溃缩到最后吸能停止，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。且能够更高效地传递扭矩。另外，由于引进梯度概念，可以进一步降低制造成本，可以更加有效地改变能量吸收特性和变形特征。

Description

一种梯度多胞结构的汽车溃缩式吸能转向柱
技术领域
本发明属于汽车技术领域，涉及一种转向柱，更具体地说，涉及一种分层递变梯度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或紧急刹车时，驾驶员由于惯性的存在，会不由控制的继续向前运动，如果惯性和速度过大，驾驶员的的头部和胸部可能会和方向盘发生碰撞，因而对驾驶员造成伤害甚至生命安全。所以为了减少作用到驾驶员身上的冲击，提高驾驶人员安全性，关键在于提高转向管柱的能量吸收能力和抵抗位移能力。
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。转向柱主要是由以下三部分构成：上轴总成、转向支架、下轴总成这三大部件。目前市场上存在的转向柱大致可以分为两类：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，这种转向柱主要是当碰撞发生时通过压缩波纹管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都能在一定程度上减少驾驶员的损伤，但受结构空间的限制，这两种结构能量吸收和抵抗位移的能力都是十分有限。
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位移有限等的问题，本发明提供了一种梯度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梯度负泊松比多胞结构的吸能装置。此转向柱的三维负泊松比多胞结构的泊松比小于0，能够产生压缩-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，同时，对多胞结构引入一个密度梯度，可以更加有效地改善能量吸收特性和变形特征，而且可以一定程度上降低制造成本，减小装置的体积。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种梯度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、梯度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。其中上转向轴5位于上转向柱管4内，下转向轴1包含在下转向柱管2内，下转向柱管2和上转向柱管4之间通过吸能装置3连接。
所述的梯度负泊松比多胞结构的吸能装置3包括顶板31、底板32、薄壁圆筒33、三维梯度负泊松比多胞结构34，其中，薄壁圆筒33设于顶板31和底板32之间，薄壁圆筒33两端分别与顶板31和底板32固连，三维梯度负泊松比多胞结构34设于薄壁圆筒33内，与薄壁圆筒33过盈配合。
所述的三维梯度负泊松比多胞结构34由若干层三维负泊松比多胞结构在竖直方向阵列且首尾相连而成，此三维梯度负泊松比多胞结构34由传统的均匀排列改进为梯度排列，且通过每层之间三维负泊松比元胞341长胞壁厚度TL的递增，达到每层之间相对密度的递增，保证整个结构成梯度排列。所述的每层三维负泊松比多胞结构由多个的三维负泊松比元胞341在同一水平面内进行阵列后，通过手部相连组成，各层三维负泊松比元胞341的数目相同。
所述的每个三维负泊松比元胞341由两个二维负泊松比元胞垂直拼合而成。
进一步的，所述的三维负泊松比元胞341为金属材料。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
(1)将梯度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压缩-收缩的特性，从而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。
(2)另外，由于引进了密度梯度的概念，可以有效地降低结构整体的重量，减小装置的体积，可以在保证低质量的前提下保证足够的强度，实现成本的降低。
(3)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为一种梯度多胞结构的汽车溃缩式吸能转向柱模型示意图。
图2(a)为梯度负泊松比多胞结构的吸能装置示意图。
图2(b)为三维梯度负泊松比多胞结构示意图。
图3为二维梯度负泊松比结构示意图。
图4(a)为单个负泊松比二维元胞模型图。
图4(b)为单个负泊松比三维元胞模型图。
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为三维梯度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；34三维梯度负泊松比多胞结构；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。
本发明一种新型梯度多胞结构的汽车溃缩式吸能转向柱，见图1，包括下转向轴1、下转向柱管2、梯度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，其中梯度负泊松比多胞结构的吸能装置3(见图2)包括圆盘状顶板31和圆盘状底板32，在顶板31和底板32之间设有薄壁圆筒33，所述圆筒一端与顶板固连，一端与底板固连。在顶板31与底板32之间是三维梯度负泊松比多胞结构34，图3为二维梯度负泊松比结构示意图，可以看到与传统均匀排列方式的不同，此结构每层之间可以通过改变每层之间三维负泊松比元胞341长胞壁厚度TL实现相对密度不同的目的；将两个二维负泊松比元胞垂直拼合组成一个三维负泊松比元胞341(见图4)，然后将多个的三维负泊松比元胞341在同一水平面内进行阵列，然后手部相连组成一层三维负泊松比多胞结构。将此多层三维负泊松比多胞结构在竖直方向进行阵列且首尾相连组成三维梯度负泊松比多胞结构34(见图2)，各层三维负泊松比元胞341的数目相同。
为将负泊松比多胞结构的吸能装置3连接在转向柱中，在顶板31和底板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。
见图4，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341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
Figure BDA0002417602510000041
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，TL和TM分别是元胞长短壁的厚度，为实现整体多胞结构的梯度排列，通过将长胞壁厚度TL逐层递增达到每层之间相对密度的不同，其他参数不变。
所述三维梯度负泊松比多胞结构34过盈配合在所述薄壁圆筒33中。薄壁圆筒结构会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。
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三维梯度负泊松比多胞结构34。
三维梯度负泊松比多胞结构34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为三维梯度负泊松比多胞结构34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。三维梯度负泊松比多胞结构34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。三维梯度负泊松比多胞结构34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，所以三维梯度负泊松比多胞结构34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8三维负泊松比多胞结构轴向受力分析图。当三维梯度负泊松比多胞结构34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，而此三维梯度负泊松比多胞结构34，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。
下面是利用本专利设计的其中一个直径约为61mm转向柱的三维梯度负泊松比多胞结构34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
Figure BDA0002417602510000052
元胞长短壁的厚度TL和TM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
Figure BDA0002417602510000051
元胞长短壁的厚度TL和TM分别是0.45mm、0.26mm。此多胞结构通过改变厚度进而改变相对密度，厚度梯度为0.1mm，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或此梯度排列方试。

Claims (2)

1.一种梯度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)、梯度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)；其中上转向轴(5)位于上转向柱管(4)内，下转向轴(1)包含在下转向柱管(2)内，下转向柱管(2)和上转向柱管(4)之间通过吸能装置(3)连接；
所述的梯度负泊松比多胞结构的吸能装置(3)包括顶板(31)、底板(32)、薄壁圆筒(33)、三维梯度负泊松比多胞结构(34)，其中，薄壁圆筒(33)设于顶板(31)和底板(32)之间，薄壁圆筒(33)两端分别与顶板(31)和底板(32)固连，三维梯度负泊松比多胞结构(34)设于薄壁圆筒(33)内，与薄壁圆筒(33)过盈配合；
所述的三维梯度负泊松比多胞结构(34)由若干层三维负泊松比多胞结构在竖直方向阵列且首尾相连而成，此三维梯度负泊松比多胞结构(34)由传统的均匀排列改进为梯度排列，且通过每层之间三维负泊松比元胞(341)长胞壁厚度TL的递增，达到每层之间相对密度的递增，保证整个结构成梯度排列；所述的每层三维负泊松比多胞结构由多个的三维负泊松比元胞(341)在同一水平面内进行阵列后，通过手部相连组成，各层三维负泊松比元胞(341)的数目相同。
所述的每个三维负泊松比元胞(341)由两个二维负泊松比元胞垂直拼合而成。
2.根据权利要求1所述的一种梯度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元胞(341)为金属材料。
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