CN111959420B - 一种具有多次防护功能的吸能结构及吸能方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有多次防护功能的吸能结构及吸能方法，属于安全防护技术领域，解决了现有技术中溃缩式吸能结构无法多次使用的问题。本发明的具有多次防护功能的吸能结构包括吸能芯子和外壳，吸能芯子套设在外壳中，吸能芯子和外壳均能够产生形变，且外壳的形变能够传递至吸能芯子并引起吸能芯子发生形变。本发明的外壳内设有吸能芯子，吸能芯子和外壳的形变产生叠加吸能效果，增大了吸能结构在碰撞冲击后保持完好无损的概率，使吸能结构能够耐受多次碰撞而不损坏，解决了溃缩式结构一次碰撞后必须更换的问题，提高了吸能结构的耐用性和经济性，进而提高了应用吸能结构的产品的安全性。

Description

一种具有多次防护功能的吸能结构及吸能方法

技术领域

本发明涉及安全防护技术领域，尤其涉及一种具有多次防护功能的吸能结构及吸能方法。

背景技术

吸能结构是一种在交通工具外壳中应用非常广泛的结构，借助材料和结构变形的吸能机理是一种经过证明并且获得广泛应用的机理。形变吸能结构也被称作溃缩式结构，在经历碰撞之后常发生明显的塑性形变，这使得形变吸能结构只能经历一次碰撞，之后必须被更换。

提高汽车车身的另一种思路是提高车身的刚度和强度，这样就提高了汽车结构的坚固性，但是面临较为剧烈的碰撞时，刚性结构无法起到吸能和缓冲作用。碰撞能量可能传递至成员进而难以实现安全。

如果能够将刚性外壳与形变吸能芯子结合起来，发生碰撞时，一方面可以借助内部形变产生吸能效果，另一方面可以借助外壳的形变产生一定的反弹效果。当碰撞冲击不剧烈时，两方面效果叠加产生的效果将有可能在碰撞之后保持完好无损，从而能够耐受多次碰撞。

现有的泡沫轴的吸能效果完全依赖于泡沫轴外裹的泡沫材料所产生的形变及材料内部的分子摩擦，泡沫轴芯子为刚性PVC材质轴，基本不具备吸能效果。如果将刚性PVC材质轴设计为可具有内部形变能力的结构，将能够增强泡沫轴的吸能效果。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种具有多次防护功能的吸能结构，用以解决现有溃缩式吸能结构无法多次使用的问题。

一方面，本发明提供了一种具有多次防护功能的吸能结构，包括吸能芯子和外壳，吸能芯子设于外壳中，吸能芯子和外壳均能够产生形变，且外壳的形变能够传递至吸能芯子并引起吸能芯子发生形变。

进一步地，所述吸能芯子由多个形变单元连接而成，形变单元包括第一连接部和第二连接部，第一连接部和第二连接部转动连接。

进一步地，所述第一连接部包括圆弧部和交叉部，圆弧部连接于交叉部的一端。

进一步地，所述第二连接部和交叉部形成剪刀形合页结构。

进一步地，所述交叉部包括第一连接板、第一圆筒和第二连接板，第一连接板和第二连接板对称设置在第一圆筒的两侧。

进一步地，所述交叉部上开设有第一槽孔，所述第二连接部上开设有第二槽孔。

进一步地，所述第二连接部包括第三连接板、第二圆筒和第四连接板，第三连接板和第四连接板对称设置在第二圆筒的两侧。

进一步地，相邻两第一槽孔的间距等于第二槽孔的宽度，相邻两第二槽孔的间距等于第一槽孔的宽度。

进一步地，所述圆弧部的一端与第一连接板连接，另一端与相邻的第三连接板连接；所述第二连接板与相邻的第四连接板连接。

另一方面，本发明提供了一种吸能方法，使用上述所述的具有多次防护功能的吸能结构，步骤包括：

将外壳套设在吸能芯子的外周，将组装好的吸能结构安装于待吸能的设备上；

当设备发生碰撞，外壳在外力的作用下发生形变进行吸能，吸能芯子受到外壳的作用力发生形变，与外壳的形变叠加吸能。与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明的吸能结构，外壳内设有吸能芯子，吸能芯子与外壳均能够产生形变，借助吸能芯子和外壳形变产生叠加吸能效果，从而增大吸能结构在碰撞冲击后保持完好无损的概率，能够耐受多次碰撞，提高结构的耐用性和经济性。

(2)本发明的吸能结构由两个尺寸相同的多边形圆筒状结构交叉结合而成，第二连接部和交叉部形成剪刀形合页结构，当受到外力作用时，第一连接部和第二连接部之间能够发生转动，即两个多边形筒状结构之间发生相对形变进行吸能。

(3)本发明的外壳内部设有与圆弧部配合的凹槽，当外壳受到外力作用时，通过圆弧部传递给剪刀形合页结构，进而发生形变进行吸能，同时多个圆弧部形成的圆柱形外包络线，提高了吸能结构的稳定性。

(4)本发明的吸能芯子能够作为泡沫轴的轴心，与刚性内轴的泡沫轴相比，由于吸能芯子形变能够提供额外的吸能效果，增强了泡沫轴的吸能效果，进而与人体产生更多的相互作用，促进人体肌肉及骨骼组织的运动后恢复。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明的吸能结构的整体结构图；

图2为本发明的吸能芯子的结构图；

图3为本发明的外壳的结构图；

图4为本发明的吸能芯子的吸能单元结构图。

附图标记：

1-吸能芯子；11-形变单元；12-第一连接部；13-第二连接部；14-圆弧部；15-交叉部；2-外壳；21-凹槽。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。

实施例1

本发明的一个具体实施例，如图1-图4所示，公开了一种具有多次防护功能的吸能结构，包括吸能芯子1和外壳2，吸能芯子1套设在外壳2中，吸能芯子1和外壳2均能够产生形变，外壳2的形变能够传递至吸能芯子1并引起吸能芯子1产生形变，吸能芯子1和外壳2的形变能够叠加用于吸能。

与现有技术相比，本实施例提供的吸能结构，外壳套设在吸能芯子的外部，吸能芯子和外壳均能够产生形变，内部吸能芯子的形变与外壳形变产生叠加的吸能效果，增大了吸能结构在碰撞冲击后保持完好无损的概率，从而能够耐受多次碰撞，提高了吸能结构的耐用性和经济性。

吸能芯子1由多个形变单元11连接而成，形变单元11包括第一连接部12和第二连接部13，第一连接部12和第二连接部13之间转动连接，具体地，第一连接部12包括圆弧部14和交叉部15，圆弧部14的横截面为扇环结构，扇环的圆心角为θ，0°＜θ≤180°，且圆心角的整数倍等于360°，圆弧部14连接于交叉部15的一端，交叉部15包括第一连接板、第一圆筒和第二连接板，第一连接板和第二连接板对称设置在第一圆筒的两侧，第一连接板、第二连接板的纵截面与第一圆筒的轴向共面，交叉部15上开设有第一槽孔，第一槽孔均布在交叉部15的侧面且第一槽孔分布在第一连接板、第一圆筒和第二连接板上，即第一槽孔将第一圆筒截断，以使第一连接部12和第二连接部13形成合页连接结构。

具体而言，第一连接部12和第二连接部13之间转动连接，圆弧部14的横截面为劣弧扇环，使得交叉部15、第二连接部13均能够与圆弧部14相切连接，避免了圆弧部14与交叉部15、第二连接部13连接时的应力集中，便于圆弧部14受力时发生力的传导。

圆弧部14的横截面为劣弧扇环结构，使得首尾连接的第一连接部12和第二连接部13形成一个规则的多边形筒状结构，圆弧部14位于筒状结构的棱边处。吸能结构是由两个尺寸相同的多边形筒状结构交叉结合而成，交叉处位于多边形筒状结构的侧面，即交叉处为两个多边形筒状结构中各自包括的第二连接部13和交叉部15形成剪刀形合页连接结构，在外力的作用下，两个多边形筒状结构之间发生相对形变。

需要说明的是，吸能结构的各个圆弧部13的母线位于同一圆柱面上，使得圆弧部13的最外侧包络线形成一个虚拟的圆柱。

本实施例中，圆弧部14的横截面为扇环结构，扇环的圆心角为90°，使得首尾连接的四个第一连接部12和四个第二连接部13形成一个方形筒，圆弧部14位于方形筒的棱边处。吸能结构是由两个方形筒交叉结合形成，交叉位置为第一圆筒和第二圆筒所在位置，即位于两个方形筒中的第二连接部13和交叉部15形成剪刀形合页连接结构，在外力的作用下，两个方形筒之间能够发生相对形变。

进一步地，第二连接部13包括第三连接板、第二圆筒和第四连接板，第二连接板和第四连接板对称设置在第二圆筒的两侧，第三连接板、第四连接板的纵截面与第二圆筒的轴线共面，第二连接部上开设有第二槽孔，第二槽孔均布在第二连接部的侧面且第二槽孔分布在第三连接板、第二圆筒和第四连接板上，即第二槽孔将第二圆筒截断，以使第一连接部12和第二连接部13形成合页连接结构。

值得注意的是，第一圆筒和第二圆筒的直径相等；相邻第一槽孔的间距等于第二槽孔的宽度，相邻第二槽孔的间距等于第一槽孔的宽度，使交叉部15和第二连接部13形成合页连接的形式。

本实施例中，圆弧部14的一端与第一连接板连接，圆弧部的另一端与相邻形变单元11的第三连接板连接，第二连接板与相邻形变单元11的第四连接板连接，具体地，圆弧部14与第一连接板、第三连接板之间粘接在一起，第二连接板与第四连接板粘接在一起。

值得注意的是，第一圆筒和第二圆筒交叉后形成一个圆筒，圆筒内设有销轴，以便吸能芯子1在外力作用下发生变形时，第一连接部12和第二连接部13发生相对转动达到吸能效果。

本实施例中，第二连接部13和交叉部15形成剪刀形合页结构，圆弧部与交叉部15粘接，当发生外力作用时，圆弧部14与剪刀形合页结构形成联动，从而产生形变。

外壳2为圆筒状结构，考虑到外壳2的内外圆柱面均是连续光滑曲面，外壳2的内圆柱面需要为吸能芯子1提供光滑的外包络面。外壳2的内圆柱面设有与吸能芯子1的圆弧部14相匹配的凹槽21，以便与吸能芯子形成刚性接触，方便力的传导。凹槽21的长度等于圆弧部14的长度。

本实施例的吸能结构，既能够将吸能芯子1与外壳2装配在一起使用，用于交通工具(如汽车)的防撞，也能够单独使用吸能芯子1，如将吸能芯子1设在复合材料(如泡沫轴)的内部，即吸能芯子1作为泡沫轴的芯子，由于吸能芯子1能够提供额外的吸能效果，进而增强了泡沫轴的吸能效果，与人体产生更多的相互作用，促进人体肌肉及骨骼组织的运动后恢复。

本实施例的吸能结构的材质由金属或高分子聚合物组成。交叉部15和第二连接部13可采用硬质材料或部分软质材料，以提供额外的吸能效果。

考虑到吸能芯子1由于具有连续交错的剪刀形合页结构，使用传统铸造式成型技术较难实现，使用机械加工方式实现难度也较大，形变单元11采用3D打印的方式制作。

本实施例的吸能轴芯壳体结构，主要借助内部吸能芯子及外壳的形变产生吸能效果。该结构可以与刚性外壳的形变与反弹作用结合产生增强吸能效果。该结构可以与软性材料的可回弹形变结合产生增强吸能效果。

实施例2

本发明的一个具体实施例，公开了一种吸能方法，使用实施例1的具有多次防护功能的吸能结构，步骤包括：

将外壳2套设在吸能芯子1的外周，将组装好的吸能结构安装于待吸能的设备上(如汽车的保险杠处)。

需要说明的是，作用到外壳2上的外力的作用点为外壳2的圆柱面，而非外壳2的端面。

当设备发生碰撞，外壳2在外力的作用下发生形变进行吸能，吸能芯子1受到外壳2的作用力发生形变，与外壳2的形变叠加吸能。

外壳2发生形变时，外壳2的均匀圆筒结构发生变形，挤压与外壳2接触的圆弧部14，圆弧部14受到外壳2传递来的力，位于不同多边形圆筒结构内的第二连接部13和交叉部15发生转动，使得多边形圆筒结构发生形变进行吸能，至此，在外力的作用下，外壳2的形变传递到吸能芯子1并进而产生形变，外壳2和吸能芯子1均发生形变吸能，产生叠加的吸能效果。

需要说明的是，由于吸能芯子1能够产生形变，而并非一次性的塑性变形，避免了溃缩式吸能结构只能进行一次吸能的弊端，提高了吸能结构的耐用性和经济性。

本发明的吸能结构在外壳内设有吸能芯子，吸能芯子与外壳均能够产生形变进行吸能，当吸能芯子和外壳同时使用时，吸能芯子和外壳的形变产生叠加吸能效果，增大了吸能结构在碰撞冲击后保持完好无损的概率，使吸能结构能够耐受多次碰撞而不损坏，改善了溃缩式结构一次碰撞后必须更换的现状，提高了吸能结构的耐用性和经济性，进而提高了应用吸能结构的产品(如汽车)的安全性。

本发明的吸能结构外壳内部设有与圆弧部配合的凹槽，当外壳受到外力作用时，外壳挤压部分圆弧部，由于第二连接部和交叉部形成剪刀形合页结构，使得两个多边形圆筒结构能够发生相对形变，通过圆弧部将外力传递给剪刀形合页结构与外壳产生叠加的形变进行吸能；同时多个圆弧部形成的圆柱形外包络线，提高了吸能结构的稳定性。

本发明的吸能芯子既能够与外壳一起使用，如应用到汽车的保险杠，可承受多次碰撞，又能够单独使用，如作为泡沫轴的轴心；当吸能芯子作为泡沫轴的芯轴使用时，与刚性内轴的泡沫轴相比，由于吸能芯子形变能够提供额外(泡沫轴自身的形变也产生吸能效果)的吸能效果，增强了泡沫轴的吸能效果，进而与人体产生更多的相互作用，促进人体肌肉及骨骼组织的运动后恢复。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有多次防护功能的吸能结构，其特征在于，包括吸能芯子(1)和外壳(2)，吸能芯子(1)设于外壳(2)中，吸能芯子(1)和外壳(2)均能够产生形变，且外壳(2)的形变能够传递至吸能芯子(1)并引起吸能芯子(1)发生形变；

所述吸能芯子(1)由多个形变单元(11)连接而成，形变单元(11)包括第一连接部(12)和第二连接部(13)，第一连接部(12)和第二连接部(13)转动连接；

所述第一连接部(12)包括圆弧部(14)和交叉部(15)，圆弧部(14)连接于交叉部(15)的一端；

所述第二连接部(13)和交叉部(15)形成剪刀形合页结构；

所述交叉部(15)包括第一连接板、第一圆筒和第二连接板，第一连接板和第二连接板对称设置在第一圆筒的两侧；所述第二连接部(13)包括第三连接板、第二圆筒和第四连接板，第三连接板和第四连接板对称设置在第二圆筒的两侧；所述圆弧部(14)的一端与第一连接板连接，另一端与相邻的第三连接板连接；所述第二连接板与相邻的第四连接板连接。

2.根据权利要求1所述的具有多次防护功能的吸能结构，其特征在于，所述交叉部(15)上开设有第一槽孔，所述第二连接部上开设有第二槽孔。

3.根据权利要求2所述的具有多次防护功能的吸能结构，其特征在于，相邻两第一槽孔的间距等于第二槽孔的宽度，相邻两第二槽孔的间距等于第一槽孔的宽度。

4.一种吸能方法，其特征在于，使用权利要求1-3任一项所述的具有多次防护功能的吸能结构，步骤包括：

将外壳(2)套设在吸能芯子(1)的外周，将组装好的吸能结构安装于待吸能的设备上；

当设备发生碰撞，外壳(2)在外力的作用下发生形变进行吸能，吸能芯子(1)受到外壳(2)的作用力发生形变，与外壳(2)的形变叠加吸能。

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