CN112572600B

CN112572600B - 用于优化能量吸收条带的方法和支撑支架组件

Info

Publication number: CN112572600B
Application number: CN202011008567.5A
Authority: CN
Inventors: A·沃伊塔利克; P·波尼基耶夫斯基; D·克里梅克; L·杜季奇
Original assignee: Zf Steering Systems Poland Sp zoo
Current assignee: Zf Steering Systems Poland Sp zoo
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2024-01-09
Anticipated expiration: 2040-09-23
Also published as: GB202000143D0; GB2595840B; GB2595840A; US20210094606A1; CN112572600A; US11643132B2; DE102020211841A1

Abstract

本发明公开了一种用于优化能量吸收条带的方法，所述方法包括以下步骤：生产单个金属片材，所述单个金属片材包括第一连接部分和第二连接部分，所述第一连接部分用于连接至支撑支架和车辆的固定部分中的一者，所述第二连接部分用于连接至所述支撑支架和所述车辆的固定部分中的另一者；在所述单个金属片材中生产弱化部来将所述第一连接部分与可撕裂部分隔开；弯曲所述单个金属片材的一部分，以产生将所述第二连接部分和所述可撕裂部分相互连接的弯曲部分，所述第二部分相对于所述可撕裂部分向后弯回；其中，所述步骤被选择成产生所期望的能量吸收曲线。本发明还公开了一种用于将转向柱组件的护罩固定至车辆的支撑支架组件。

Description

用于优化能量吸收条带的方法和支撑支架组件

技术领域

本发明涉及转向柱组件，该转向柱组件允许在发生碰撞时方向盘通过将转向柱组件的一部分与将转向柱组件固定至车辆主体的安装支架的受控脱离(breakaway)而以受控的方式溃缩。更具体地，本发明涉及一种用于将转向柱组件的护罩固定至车辆的支撑支架组件。本发明还涉及一种用于优化能量吸收条带的方法。

背景技术

已知提供包括容纳有转向轴的护罩的转向柱组件。转向轴将方向盘连接至车辆的道路车轮，从而允许驾驶员旋转方向盘进而移动道路车轮。此连接可以通过齿轮齿条式齿轮箱来实现，并且为了帮助驾驶员，可以提供液压辅助或电动辅助。在电动辅助的情况下，马达将作用于转向轴或转向轴与道路车轮之间的转向部分，以施加与驾驶员施加的转矩同向的转矩。

在简单的布置中护罩可以是不可调节的，在该布置中，护罩直接固定至紧固至车身的支撑支架，例如固定至仪表板后面延伸穿过车辆的梁。在其他情况下，护罩可以是倾斜度可调的、或伸长度可调的、或倾斜度和伸长度可调的。这可以将护罩通过可调节的夹紧机构连接至支撑支架来实现，支撑支架进而固定至安装支架。在调节期间，松开夹紧组件，并且可以使护罩向上或向下移动或沿着支撑支架移动。

为了提高安全性，已知护罩是伸缩式的，以便在驾驶员被抛到方向盘上的碰撞事件中，护罩可以溃缩并允许方向盘与驾驶员一起移动。这要求护罩应该在正常情况下是固定至车身的(因此在正常使用期间不能移动)，但在发生这样的碰撞时能够脱离并移动。为了实现这个目的，已知使用一个或多个脱离盒组件来将护罩或固定至护罩的支撑支架固定至安装支架。这些盒组件被设计成在正常使用期间提供刚性连接，但是当预先确定的载荷施加到盒组件上时脱离。一旦损坏，护罩就可以相对于安装支架移动。可以提供能量吸收机构来吸收与移动相关的能量，从而一旦破坏就使得移动受控。

发明内容

根据第一方面，提供了一种用于优化能量吸收条带的方法，包括以下步骤：

生产单个金属片材，所述单个金属片材包括第一连接部分和第二连接部分，所述第一连接部分用于连接至支撑支架和车辆的固定部分中的一者，所述第二连接部分用于连接至所述支撑支架和所述车辆的固定部分中的另一者；

在所述单个金属片材中生产弱化部来将所述第一连接部分与可撕裂部分隔开；

弯曲所述单个金属片材的一部分，以产生将所述第二连接部分和所述可撕裂部分相互连接的弯曲部分，所述第二部分相对于所述可撕裂部分向后弯回；

其中，所述步骤被选择成产生所期望的能量吸收曲线。

因此，该方法使得能量吸收条带的制造能够针对所期望的行为进行优化。这允许设计者和制造者将能量吸收条带的单一设计用于许多不同的车辆或用于不同的预期冲击力，例如考虑驾驶员的质量或碰撞的预期速度。

所述弯曲部分可以被生产成具有恒定的半径。

所述弯曲部分的半径可以与所述弯曲部分的自然半径相同。至于“自然半径”，意味着半径可以与能量吸收条带变形期间自然形成的半径相匹配。当弯曲部分的半径与自然半径相匹配时，已经发现，使能量吸收条带变形的力是恒定的或大致恒定的，从而保持恒定的能量吸收曲线。

所述弯曲部分的半径可以与所述弯曲部分的自然半径不同。至于“自然半径”，意味着半径可以与能量吸收条带变形期间自然形成的半径相匹配。当弯曲部分的半径与自然半径不同时，已经发现，使能量吸收条带变形的初始力高于或低于当能量吸收条带具有自然半径时使能量吸收带变形所需的力。然而，在溃缩期间，弯曲部分将最终适配成弯曲部分具有自然半径，此时使能量吸收条带变形的力将变得恒定。通过具有与自然半径不同的半径，可以获得在碰撞冲程期间变化的能量吸收曲线。

弯曲部分可以被生产成具有可变的半径。

所述可变的半径可以随着离所述可撕裂部分的距离的增大而增大。

弯曲部分可以是U形或大致U形的。弯曲部分可以是椭圆形或圆化的椭圆形的。

弯曲部分可以是V形或大致V形的。

所述生产弱化部的步骤可以包括在所述可撕裂部分与所述第一连接部分之间形成凹槽。可以选择凹槽的深度和长度以有助于产生所期望的能量吸收曲线。

所述凹槽的深度可以沿着所述凹槽的长度变化。

所述生产弱化部的步骤可以包括在所述可撕裂部分与所述第一连接部分之间形成穿孔。可以选择穿孔的长度、深度、频度、和/或任何其他特征以有助于产生所期望的能量吸收曲线。

弱化部可以包括凹槽、穿孔、或任何其他形式的弱化部的组合。

该方法可以进一步包括选择所述单个金属片材的晶粒方向以便影响能量吸收曲线的步骤。改变晶粒方向可以对使能量吸收条带变形所需的力具有重大影响。

晶粒方向可以选择成与可撕裂部分的撕裂方向对齐或大致对齐。

至于“撕裂方向”，意味着能量吸收条带沿其变形的方向。

晶粒方向可以选择成与可撕裂部分的撕裂方向垂直或大致垂直。

已经发现，与具有不与撕裂方向对齐的晶粒的能量吸收条带相比，将晶粒与撕裂方向对齐导致相同移位的力较低。在所有其他条件相同的情况下，使得晶粒垂直于撕裂方向对齐会产生所需的最高的力。

该方法可以进一步包括扭转第二连接部分以形成扭转部的步骤。扭转部的存在可以增强与支撑支架的连接。扭转部可以配置成与支撑支架对齐。

通过包括扭转部，连接部分就可以为以任何角度与连接部分所要附接的支撑支架相连接而完美地对齐。扭转部可以另外地或替代性地确保为连接紧固件(例如待附接的螺钉或铆钉)提供适当的入口。

扭转部的另一个优点是，扭转部可以加强条带，以便降低可能影响噪声、振动、或声振粗糙度(NVH)的问题的风险。

根据第二方面，提供了一种用于将转向柱组件的护罩固定至车辆的支撑支架组件，该支撑支架组件包括：

支撑支架，所述支撑支架配置成可固定至所述护罩；以及

能量吸收条带，所述能量吸收条带用于将所述支撑支架与所述车辆的固定部分相互连接；

其中，所述能量吸收条带由单个金属片材形成，并且包括：

第一连接部分，所述第一连接部分配置成连接至所述支撑支架和所述车辆的固定部分中的一者；

可撕裂部分，所述可撕裂部分沿着所述能量吸收条带的一个边缘的一部分延伸，所述可撕裂部分通过弱化部连接至所述能量吸收条带的第一连接部分；

第二连接部分，所述第二连接部分配置成连接至所述支撑支架和所述车辆的固定部分中的另一者；以及

弯曲部分，所述弯曲部分将所述第二连接部分和所述可撕裂部分相互连接，所述第二部分相对于所述可撕裂部分向后弯回。

由第二方面提供的支撑支架能够被调整成具有制造者所期望的能量吸收曲线，并且因此可以适于许多用途。

弯曲部分可以具有恒定的半径。

所述弯曲部分的半径可以与所述弯曲部分的自然半径相同。

所述弯曲部分的半径可以与所述弯曲部分的自然半径不同。

弯曲部分可以具有可变的半径。

弯曲部分可以是V形或大致V形的。

所述弱化部可以形成为在所述可撕裂部分与所述第一连接部分之间的凹槽。

可以选择所述单个金属片材的晶粒方向以便影响所述能量吸收曲线。

第二连接部分可以包括扭转部。扭转部可以配置成与支撑支架对齐。

附图说明

现在将参考附图描述特定实施例，在附图中：

图1是包括第一方面的支撑支架组件的、转向柱组件的透视图；

图2是图1的支撑支架组件的透视图；

图3是能量吸收条带的第二实施例的透视图；图4是能量吸收之后的图3的能量吸收条带的透视图；

图5a是晶粒与能量吸收条带的撕裂方向对齐的、示例性能量吸收条带的晶粒结构的显微照片图像；

图5b是晶粒与能量吸收条带的撕裂方向垂直对齐的、示例性能量吸收条带的晶粒结构的显微照片图像；

图6是示出了具有图4和图5的晶粒结构的能量吸收条带的溃缩力相对于距离的对比的曲线图；

图7a至图7c示出了在变形期间示例性能量吸收条带的弯曲部分的半径的变化；以及

图8a至图8c针对能量吸收条带的三个实施例的位移示出了载荷的变化，每个实施例最初具有不同弯曲半径的弯曲部分。

具体实施方式

首先参考图1，示出了转向柱组件100，该转向柱组件包括容纳轴104的护罩102。轴104被配置成附接至方向盘(未示出)。轴104由支承组件106支撑，该支承组件允许轴104相对于护罩102旋转。支撑支架108包括两个臂110，这两个臂在大致竖直方向上悬垂，并且为护罩102提供支撑和稳定性。安装支架112通过位于支撑支架108的每一侧处的盒组件114连接至支撑支架108。为了清楚起见，仅在图1中示出了安装支架112。夹紧组件116被配置成在未夹紧状态下允许护罩102相对于支撑支架108移动，并且在夹紧状态下防止护罩102相对于支撑支架108移动。夹紧组件116在本领域中是众所周知的，并且因此为了简洁起见，省略了对夹紧组件的进一步描述。

本实施例的护罩102与下部护罩118伸缩布置，使得护罩102可相对于下部护罩118进行调节，并且通过夹紧组件116固定在位。护罩102可以因此被称为上部护罩。下部护罩118可附接至转向齿轮箱(未示出)。在溃缩期间，护罩102可以溃缩到下部护罩118上，使得护罩和下部护罩的组合长度变短。

图2放大示出了盒组件114。为了清楚起见，已经省略了安装支架112和螺栓。盒组件114与支撑支架108的翼部120接合，并且通过延伸穿过孔口122的螺栓固定至安装支架112。这种与支撑支架108的接合是用易碎紧固件124实现的，该易碎紧固件通常将支撑支架108相对于盒组件114和安装支架112保持固定。在足够冲击的情况下，易碎紧固件124断裂，允许支撑支架108相对于盒组件114移动，并因此相对于安装支架112移动。为了控制这种移动，在每个盒组件114上设置有能量吸收条带126。

每个能量吸收条带126由单个金属片材形成、生产(例如，通过冲压)。能量吸收条带126包括连接至盒组件114的第一连接部分128、和连接至支撑支架108的第二连接部分130。

可撕裂部分132通过弱化部134与第一连接部分128隔开，该弱化部延伸第一连接部分128的长度的大约百分之90。在所描绘的实施例中，弱化部134是通过能量吸收条带126的凹槽。弱化部134确保了随着弱化部134破裂，能量吸收条带126的变形导致可撕裂部分132与第一连接部分128逐渐分开。弯曲部分136将可撕裂部分132与第二连接部分130相互连接。这样，能量吸收条带126在第一连接部分128与第二连接部分130之间形成连续的片材金属路径。

第一连接部分128通过沿着连接部分128的长度的焊缝138连接至盒组件114。在其他实施例中，可以使用其他的连接形式，例如螺钉、螺栓、和/或铆钉。第二连接部分130通过紧固件(在这种情况下紧固件是螺栓140)连接至支撑支架108。

图3示出了能量吸收条带226的第二实施例。第二实施例与第一实施例完全相同的是其也包括第一连接部分228、第二连接部分230、可撕裂部分232、弯曲部分236、和凹槽234。所示出的第一连接部分228包括多个(在这种情况下为三个)螺栓孔242。螺栓可以因此被插入穿过螺栓孔242和盒组件，以便将能量吸收条带226固定至盒组件中对应的孔。

在图2的实施例中更清楚地示出，但也在图1中示出，能量吸收条带226包括在第二连接部分230上的扭转部244。这个扭转部244确保了能量吸收条带226与支撑支架适形，以便在转向柱组件溃缩和能量吸收条带226因而变形期间，将能量吸收条带226牢固地固持在位。

如前所述，能量吸收条带226的变形导致弱化部234破裂，从而允许支撑支架在能量吸收条带226的纵向方向上相对于安装支架移动。这样，在变形期间，可撕裂部分232逐渐变形并弯曲，从而增加了能量吸收条带226的实际长度。图4示出了冲击导致其变形后的图3的能量吸收条带226。

能量吸收条带的能量吸收曲线(即在变形的每个阶段吸收的能量)可以因此通过改变弯曲部分的形状、初始单个金属片材的材料性质、和/或设计的其他部分的几何形状来改变。这样，所描绘的实施例的能量吸收条带是高度可定制的，以便获得设计者或制造者所需的能量吸收曲线。

图5a和图5b示出了能量吸收条带的两个实施例的晶粒结构的两个显微照片。在每个图中，撕裂方向(每个图中撕裂方向完全相同)连同晶粒取向方向一起示出，晶粒取向方向是从显微照片上可见的晶粒中识别出来的。撕裂方向是沿着能量吸收条带长度的、在转向柱组件的溃缩方向上的方向、并且总体上与弱化部对齐。

在图5a中，可以看出晶粒取向的方向与撕裂方向平行。相反，在图5b中，晶粒取向与撕裂方向垂直。在各自情况下，晶粒尺寸大致相同。这对于每个能量吸收条带的能量吸收曲线的差异可以在图6中看到，因为除了晶粒结构之外，两个实施例的能量吸收条带是完全相同的，并且具有类似于图3的形状。

在溃缩位移的第一个6mm期间，能量吸收条带的能量吸收基本上完全相同。这是因为在发生任何撕裂之前，溃缩冲程的这一部分与弯曲部分的弯曲相对应。然而，一旦撕裂开始，沿着弱化部的长度，晶粒结构的差异变得明显。

图6上的下部轨迹与图5a的能量吸收条带的能量吸收曲线相对应，并且图6上的上部轨迹与图5b的能量吸收条带的能量吸收曲线相对应。如可以看到的，一旦弱化部开始撕裂，使晶粒与撕裂方向对齐的实施例变形的每毫米位移所需的力明显低于晶粒与撕裂方向垂直的实施例(低大约300N)。因此，清楚的是，通过控制晶粒取向，可以进一步调整每个能量吸收条带的能量吸收曲线。

当然，虽然所描绘的实施例仅示出了晶粒取向的两个极端，即对齐和垂直，但是也可以具有这两个极端位置之间的任何晶粒取向。通过具有这两个位置之间的晶粒取向，可以获得图6所示的两个极端之间的能量吸收曲线。

调整能量吸收条带的能量吸收曲线的另一种方法是改变能量吸收条带的初始弯曲半径。初始弯曲半径是在冲击前并且因此当在转向柱组件中时是在任何力已经施加到能量吸收条带之前弯曲部分的半径。应当注意的是，每个能量吸收条带均具有受材料性质影响的自然弯曲半径，所述材料性质例如但不限于刚度、材料晶粒方向/结构、和撕裂能量。在第一初始撕裂距离后，弯曲部分趋向于实现自然稳定的恒定的半径。

图7a至图7c示出了在条带326变形期间，实施例能量吸收条带326的弯曲部分336的半径的改变。图7a示出了弯曲部分336的初始弯曲半径。在这种情况下，弯曲半径小于由能量吸收条带326的材料性质决定的自然弯曲半径。

在变形的初始阶段之后，能量吸收条带326到达图7b所示的位置。在此，弯曲部分336在初始弯曲半径与自然弯曲半径之间过渡，并且处于过渡状态。可以看出，由于自然半径大于初始弯曲半径，弯曲半径开始变大。

图7c示出了进一步变形后的能量吸收条带326。在此，弯曲半径已经扩大到现在处于能量吸收条带326的自然半径的点。能量吸收条带326的变形中任何点的半径都对进一步使得能量吸收条带326移位所需的力具有影响。

图8a针对图7a至图7c的能量吸收条带的移位距离描绘了力的差异。在此，可以看出，一旦超过其中力高增长的初始变形，使得能量吸收条带移位每单位长度所需的力就减小。这种减少可归因于变形过程中弯曲部分半径的增大。一旦弯曲部分达到自然半径，使能量吸收条带进一步变形所需的载荷就是恒定的，因为弯曲部分在碰撞冲程的剩余部分保持自然半径。

在图8b中，示出了具有与自然半径相等的初始弯曲半径的实施例的能量吸收曲线。在此，由于弯曲部分的半径在碰撞冲程期间不变，所以使能量吸收条带变形所需的力保持恒定。

在图8c中，示出了初始弯曲半径大于自然半径的实施例的能量吸收曲线。在这种情况下，在初始变形之后，使得能量吸收条带移位每单位长度所需的力增大。这种增大可归因于变形过程中弯曲部分的半径的尺寸的减小。一旦弯曲部分达到自然半径，使能量吸收条带进一步变形所需的载荷就是恒定的，因为弯曲部分在碰撞冲程的剩余部分保持自然半径。

能量吸收条带通过撕裂的变形是一种剪切和弯曲两者同时发生的复杂的材料现象。然而，简单的计算机辅助工程(CAE)方法可以实现良好的预测水平。

动能的耗散是通过塑性耗散和剪切期间的材料损伤来实现的。剪切力水平受凹槽的尺寸的影响，而弯曲力水平受整个样品厚度和弯曲部分宽度的影响。凹槽深度/总厚度/零件宽度的不同组合可以产生不同的加载方案，这些方案可以最佳地用于方向盘柱的期望设计中。

在对能量吸收条带的任何实施例进行仿真之前，需要完成材料的相关试验。至少，为了提供良好的仿真，有必要进行拉伸试验和剪切试验。

易于获得优化能量吸收条带的形状的计算方法，使CAE成为在原型开发期间优化整个组件性能的良好且可重复的方法。

除上述性质之外，撕裂能量吸收条带所需的力可以通过改变晶粒结构、晶粒尺寸、晶粒厚度、滚动方向、或任何其他材料性质来改变。通过改变比如这些性质，可以进一步控制能量吸收条带的撕裂特征。

Claims

1.一种用于优化能量吸收条带的方法，所述方法包括以下步骤：

弯曲所述单个金属片材的一部分，以产生将所述第二连接部分和所述可撕裂部分相互连接的弯曲部分，所述第二连接部分相对于所述可撕裂部分向后弯回；

其中，所述步骤被选择成产生所期望的能量吸收曲线。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述弯曲部分被生产成具有恒定的半径。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述弯曲部分的半径与所述弯曲部分的自然半径相同。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述弯曲部分的半径与所述弯曲部分的自然半径不同。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述弯曲部分被生产成具有可变的半径。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述可变的半径随着离所述可撕裂部分的距离的增大而增大。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述弯曲部分是U形或大致U形的，其中，所述弯曲部分是椭圆形或圆化的椭圆形的。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述弯曲部分是V形或大致V形的。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述生产弱化部的步骤包括在所述可撕裂部分与所述第一连接部分之间形成凹槽。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述凹槽的深度沿着所述凹槽的长度变化。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述生产弱化部的步骤包括在所述可撕裂部分与所述第一连接部分之间形成穿孔。

12.根据权利要求1所述的方法，进一步包括选择所述单个金属片材的晶粒方向以便影响能量吸收曲线的步骤。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述晶粒方向被选择成与所述可撕裂部分的撕裂方向对齐或大致对齐，或者其中所述晶粒方向被选择成与所述可撕裂部分的撕裂方向垂直或大致垂直。

14.根据任一前述权利要求所述的方法，进一步包括扭转所述第二连接部分以形成扭转部的步骤。

15.一种用于将转向柱组件的护罩固定至车辆的支撑支架组件，所述支撑支架组件包括：

支撑支架，所述支撑支架配置成可固定至所述护罩；以及

其中，所述能量吸收条带由单个金属片材形成，并且包括：

弯曲部分，所述弯曲部分将所述第二连接部分和所述可撕裂部分相互连接，所述第二连接部分相对于所述可撕裂部分向后弯回，

选择所述单个金属片材的晶粒方向以便影响所期望的能量吸收曲线。

16.根据权利要求15所述的支撑支架组件，其中，所述弯曲部分具有恒定的半径。

17.根据权利要求16所述的支撑支架组件，其中，所述弯曲部分的半径与所述弯曲部分的自然半径相同。

18.根据权利要求16所述的支撑支架组件，其中，所述弯曲部分的半径与所述弯曲部分的自然半径不同。

19.根据权利要求15所述的支撑支架组件，其中，所述弯曲部分具有可变的半径，其中，所述可变的半径随着离所述可撕裂部分的距离的增大而增大。

20.根据权利要求15所述的支撑支架组件，其中，所述弯曲部分是U形或大致U形的，其中，所述弯曲部分是椭圆形或圆化的椭圆形的，或其中，所述弯曲部分是V形或大致V形的。

21.根据权利要求15所述的支撑支架组件，其中，所述弱化部形成为在所述可撕裂部分与所述第一连接部分之间的凹槽，其中，所述凹槽的深度沿所述凹槽的长度变化。

22.根据权利要求15所述的支撑支架组件，其中，所述弱化部形成为在所述可撕裂部分与所述第一连接部分之间的穿孔。

23.根据权利要求15所述的支撑支架组件，其中，所述晶粒方向被选择成与所述可撕裂部分的撕裂方向对齐或大致对齐，或者其中所述晶粒方向被选择成与所述可撕裂部分的撕裂方向垂直或大致垂直。

24.根据任一前述权利要求所述的支撑支架组件，其中，所述第二连接部分包括扭转部。