CN1443108A - 制造模块化能量吸收组件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造用于使撞击该组件的物体减速的能量吸收组件的方法。该组件包括一个底板和至少一个与其相关联的能量吸收模块。为了提供预定的能量吸收特性，至少一个能量吸收模块用以下某种结构制成，其包括第一结构(A)和第二结构(B)。结构(A)是一个由底板支撑的金属网格结构。结构(B)包括多个每个都有底面和壁的凹槽。总之，结构(A)和结构(B)及其组合为使用者提供了决定冲击抗力的能力。

Description

制造模块化能量吸收组件的方法
技术领域
本发明涉及一种制造模块化能量吸收部件的方法，该部件用于使撞击部件或有该部件置于其中的组件的物体减速。
背景技术
在许多场合需要提供一些组件，它能够在给定的有限距离使撞击该组件的物体减速。为此，该组件必须吸收由物体传过来的大部分冲击能。在过去，这是通过为该组件提供支撑该组件的变形的能量吸收部件，以吸收冲击该物体的能量来具体实现的。替代的方法示例于共同拥有的美国专利No.5,700,545、1998年2月24日提出申请的美国序列号No.09/018,666(现在的美国专利No.6,017,084)和1999年6月8日提出申请的美国序列号No.09/328,196，这些文献在此引用作为参考。
例如，在汽车内，需要保护乘客免受诸如柱和顶轨等内部部件的冲击。这些结构用钢管和槽钢制成，焊接在一起，构成汽车的结构框架或组合本体。设计人员曾经试图在柱、顶轨和汽车的其它部分设置能量吸收装置，以保护汽车乘员。在先有技术中发现有使用吸收能量用的聚氨酯橡胶、刚性聚合物泡沫、工程塑料块或单元或叶片、各种板状金属结构、金属梁、蜂巢状金属和其它实心几何形状体。但是，大多数这类材料，在撞击时吸收的能量总少于对于给定位移的预期的能量。
能量吸收材料自材料开始受到初始载荷到断裂的理想反应是力与所产生的偏移之间的近似“方波”的反应，即作用在减速物体上的力在所需的一段撞击距离或偏移上是不变的。授予Audi等人的共同拥有的美国专利No.5,700,545公开了这样一种结构。其中所公开的能量吸收部件包括一种材料(例如多孔金属网)阵列，带有大体与处于事故面所在平面上的间隔面正交的垂直支撑面结构。尽管这种结构的能量吸收特性比先有技术的有所改进，但是由于其结构的原因，仅有其支撑面，占吸收部件的约50％，在能量吸收方面发挥了作用。而因为间隔面基本处于垂直于冲击方向的平面上，所以它们在能量吸收中几乎或根本不起作用。
因此，需要提供一种制造能量吸收组件的方法，同先有技术结构相比，该组件能够最大限度地利用能量吸收部件，使得最大的可塌陷的材料得到利用，与先有技术相比，以产生优良的能量吸收特性，以及最佳的单位质量的能量吸收量和能量吸收部件的单位偏移能量吸收量。
吸收组件吸收所需能量的大小取决于所要减速物体的动能和受该物体撞击时背景结构的偏移。在汽车内部的情况下，车本体或框架在受到乘员撞击时产生一定程度的偏移。相对于给定大小的冲击能，偏移量随车辆框架结构变化。所以要求能量吸收结构在车辆不同的位置吸收不同的能量。可用的冲击空间的大小也是变化的。
因此，最好还另外提供一种制造模块化能量吸收组件的方法，其中各组成模块对冲击力提供不同程度的抗力。再者，提供这样的模块将是有用的，其中支撑各个模块的材料本身也用能量吸收材料构成。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种制造模块化能量吸收组件的方法，它能够在给定的有限距离内使冲击物体在与该组件接合后减速，其中组件的不同模块或区域对冲击力提供不同的抗力，因此能够使设计人员根据采用该组件的环境的要求对该组件进行特制。
本发明的另一个目的是构成一个与该组件成整体的固定装置，导线、管子、导管等可以置于其中，而不需要采用额外的，如夹子、粘接剂等连接装置。
本发明的再一个目的是提供一种制造能量吸收组件的方法，同先有技术结构相比，该组件能够在给定距离内使能量吸收最大化，同时制造中在经济上能够承受。
本发明的又一个目的是提供一种制造能量吸收组件的方法，该组件以近乎方波的方式吸收能量。
本发明的又一个目的是提供一种制造能量吸收组件的方法，它适合于安装在车辆上，以提供冲击保护。
相应地，提供了一种制造热成型的能量吸收组件的方法，这种组件用于使撞击该组件的物体减速。该组件包括一个底板和至少一个与该底板相关联用于承受该组件的变形的能量吸收模块。该至少一个能量吸收模块包括从一组结构中选择的一个结构，该组结构包括在此称为结构(A)的第一结构和在此称为结构(B)的第二结构。结构(A)包括互连的条索的网格结构，条索相交构成多个单元，并支撑在于底板内形成的通道内。结构(A)的取向是这样的，各单元的平面大体平行于冲击力，目的是在给定距离上最大化吸收能量。在能量吸收过程中，该网格结构塌陷且至少一些单元变得至少部分被封闭。
该模块可以是单独部件，或者模块的一些部分或仅仅是某些部件的区域可以设计成在其之间改变吸收特性。或者，各部件可以设计为具有某些吸收特性。不同的部件设计可以依次布置或相互间紧密相邻，以形成整体上连续的能量吸收功能。
结构(B)包括多个杯状或其它形状的凹槽，每个凹槽具有一个在底板内形成的底面和截头圆锥壁。结构(B)的取向是这样的，各杯的底面大体垂直于冲击力。其截头圆锥壁大体平行于冲击力，目的是在给定距离内借助该壁最大化吸收能量。在能量吸收过程中，该壁至少部分塌陷且至少一些杯成为至少部分地被压缩。结构(B)中杯的形状在平面图上可以是圆形、椭圆形、三角形、六边形或其它任意多边形。
结构(A)和(B)允许设计人员或使用者决定冲击力的抗力。
通过附图、所附说明书和权利要求，本发明的上述目的和其它目的、特性和优点将更加容易理解。
附图说明
图1给出了根据本发明方法制造的能量吸收组件的一个模块中一个部件的透视图；
图2是图1所示本发明一个部件的平面形实施例的侧视图；
图3是图1所示本发明一个部件的曲折形实施例的顶视图；
图4是能量吸收部件的平面形实施例在垂直于事故面的平面内变形后的侧视图；
图5是能量吸收部件的曲折形实施例在其在平行于事故面的平面内变形后的顶视图；
图6是在本发明能量吸收部件内单独一个单元的局部放大图；
图7是根据本发明步骤制造的能量吸收部件的力-偏移曲线，其中各单元对齐，使短轴大体平行于冲击的方向；
图8是根据本发明步骤制造的能量吸收部件的力-偏移曲线，其中各单元对齐，使长轴大体平行于冲击方向；
图9示出根据本发明步骤制造，连接到典型的汽车A柱盖上的能量吸收部件；
图10给出根据本发明步骤制造，连接到典型的汽车B柱盖上的能量吸收部件；
图11给出根据本发明步骤制造的能量吸收部件，封装在填充材料内；
图12是用于制造模块化能量吸收组件的主要制造过程中主要步骤的示意图；
图13(a)示出制成底板的塑料板；和工具(图13(b))，和制成品(图13(c))的图示；
图14是根据本发明步骤制造，如第一结构所采用的能量吸收模块的下侧的透视图；
图15是图14所示结构的顶视图；
图16是图14-15所示结构的底视图；
图17是图14-16所示结构的顶视图；和
图18是能量吸收部件一个模块的力-偏移曲线，其中该模块包括杯形凹槽，每个凹槽具有一个在底板内构成的底面和截头圆锥形壁。
具体实施方式
在公开根据本发明的原理所实施的制造过程步骤之前，首先公开各种产品及其品质特征。
首先参见图1，图中给出了一个根据本发明步骤制造的，用于使撞击该组件的物体(未示出)减速的能量吸收组件10。在优选实施例中，组件10包括具有与撞击物体接触的事故面14的事故部件12。至少一个能量吸收部件16连接到用于承受组件10的变形的事故部件12的相对面18的连接区17。
现在参见图2，各能量吸收部件16包括相互连接的材料的条索20的网格结构，如多孔金属网，其为组件10提供了独特的能量吸收特性。能量吸收部件16最好用多孔金属网制成，该多孔金属网可以从佛罗里达的Tampa的McNichols公司购得。根据组件10的所需的能量吸收特性，该材料可以有多种形式且可以用多种材料制成。代表性材料包括碳钢、ASTM-F-1267-9-1、热浸镀锌钢材、铝(5005H34)、304不锈钢、316不锈钢，以及类似材料。如果需要，多孔金属网上可以涂覆保护涂层，以提供防锈能力。
或者，该网格结构可以由任何形式的钢、塑料或复合材料制成。对于本技术领域的专业人士很明显，该网格结构可以通过将板材钻孔、拉制、气割、冲压、激光切割或冲切制成。该网格结构可以通过模制、铸造或其它固化过程制造，或者通过焊接、钎焊或其他连接过程制成。在制成网格结构后，能量吸收部件16最好通过冲压、辊压成形、或其它类似过程压扁。因此，“网格结构”一词意味着包括这些结构及其等效结构。
能量吸收部件16内的条索20相交构成多个单元22(图2)。单元22在受到物体冲击前最好是钻石型的，但是单元22可以是馅饼形或多边形，具有任意数目的侧边，侧边可以是弯曲的也可以是直的。该网格结构在高度方向最好是1-5个单元。在优选实施例中，能量吸收部件16的取向是这样的，每个单元22的平面基本垂直于连接区17(最佳地示于图1)，如线A-A’、B-B’和C-C’所示。采用这样的结构，各单元可以有效地吸收冲击能。“基本垂直”一词用于表示为了补偿事故部件12的曲率，有可能使能量吸收部件16倾斜达约45度。
仍参见图2，能量吸收部件16的网格结构包括多个互连的部分24，其中各部分24具有中心点26。各部分24可以是共平面的，如图2所示，也可以处于不同的平面，以形成锯齿状、方形、曲折形或其它任何类型结构的能量吸收部件16。各部分24还包括多个相互连接的区段28，这些区段可以是平面的或者曲线的形式，如图3所示。平面或曲线的区段连接在一起，以构成优选的曲折形结构的能量吸收部件16。图3中的点A、B或C与图1中的点A、B和C相对应。对于给定的曲线区段28，区段内的角30可以在0到180度之间变化。
如图4所示，能量吸收部件16的任何实施例可以在一个大体垂直于事故面14的平面内变形，以与事故部件12的曲率相一致，在某些情况下，它可不完全是平直的。同样，能量吸收部件16的任何结构还可以在大体平行于事故面14的平面内变形，如图5的顶视图所示。
现在参见图6，图中给出了能量吸收部件16内的一个代表性单元22。各单元22由长轴32和短轴34构成，其中长轴32长于短轴34。在优选实施例中，各单元22的取向是这样的，短轴34大体垂直于事故面14，而长轴32大体平行于事故面14，理由如下。
网格结构内的单元22相互作用，以向因物体与能量吸收组件10的碰撞所产生的撞击力提供连锁的、渐进的反应。随着压缩的进行，单元22以与手风琴风箱类似方式变扁。但是，最终该网状结构不再能够吸收冲击力。在这一点，单元22变得塌陷，然后能量吸收部件16如塌陷柱般在外力作用下坍塌。但是，在吸收能量的过程中，对冲击力的反应在网格结构压缩过程中大体保持恒定，如下所示。
图7和图8给出了例如能量吸收部件16的力-偏移曲线，其中部件16由3/16英寸-22规格的压扁多孔金属网制成，部件16呈曲折形构形布置，而单元22为钻石形。在图7中，能量吸收部件16的取向是短轴34大体平行于冲击的方向。如图所示，由能量吸收部件16每单位位移所吸收的力随冲击而提高，然后在能量吸收网格结构的原始高度50％多的压缩过程中在一段位移上保持大体恒定。这样，力-偏移曲线呈现近似方波的特性，如所示其平均形状系数为0.8或更高。力-偏移曲线最好多少具有一些圆角，使得物体不会由于冲击力瞬时加速或减速。
在图8中，能量吸收部件16的取向是长轴32大体平行于冲击方向。可以看出，这些曲线没有表现出近似方波的特性，如所示其平均形状系数为0.4或更低。再者，在各曲线中表现出的力“峰值”可反向影响物体的减速，增加损坏或身体受伤的可能。因此，其中短轴34大体平行于冲击方向的单元22取向，构成本发明的优选实施例。
在由所公开方法制造的产品的优选实施例中，能量吸收组件10还包括将事故部件连接到支撑表面，如车辆的柱或顶轨的装置。连接装置包括胶、插入模制、压力配合、卡扣配合、热桩接、紧固部件、焊接、钎焊或其它金属连接方法。
图9和图10给出了分别连接到车辆A柱盖44和车辆B柱盖46的连接区17上的能量吸收部件16的示例。车辆B柱向上延伸到车顶，在车辆的两侧上处于紧接前门之后的位置。尽管所示的能量吸收部件16位于A柱盖44(图8)和B柱盖46(图9)上大体垂直的方向，但是能量吸收部件16可以以任意取向布置。
图11给出了至少部分置于填充材料48，例如聚合材料、泡沫、气体或其混合物内的能量吸收部件16。这种构形可以用于保护连接到车辆A柱和B柱的顶部，构成车辆车顶的周边的车辆顶轨。位于能量吸收组件10内的这种物质的灌注可以提高壁的抗弯能力。各种材料也可以间隙方式置于能量吸收组件10内，以提供回弹，包括表现出弹性的金属弹簧和聚合物。
图12给出了模块化能量吸收组件的制造过程涉及的主要步骤。步骤I和II涉及形成网格孔，随后通过诸如模具切割的过程以所需的形状制备网格的条。接下来(步骤III)，将网格条折成曲折状、正弦曲线或其它结构，或其它有图案的凹槽。可选地(步骤IV)，该条可以进行防腐涂漆或进行其它防腐处理，而且尖角可进行研磨钝化以易于处理。在步骤V，该条装载在示于图13(b)的热成型工具内。
在步骤VI，将一个塑料板放置在热成型机内。随后将该塑料加热到其软化温度以上且融化点以下(步骤VII)。
接下来(步骤VIII)，使热塑料板在热成型机上运动。在步骤IX，使热塑料板与热成型工具接触，并施加真空以将塑料抽吸到工具上，使塑料的形状与工具的形状成一致。可选地，此步骤可以通过采用某种工具使塑料板压迫在热成型工具上，为帮助抽吸步骤完成。或者，可以通过流体介质将正压施加到塑料板与热成型工具接触的另一侧，以促进塑料板与工具的形状一致化。
随后使该塑料在与热成型工具保持接触的同时冷却(步骤X)。然后使现在已经是工具形状的塑料弹出(步骤XI)。然后修整和/或切割边缘(步骤XII)，以形成多个部件(在成形操作中制造一个以上的结构)。可选地(步骤XIII)，在槽内可以布置电线、管道等，卡接配合、凹槽或其它连接装置可以在热成型时模制在结构中。最后(步骤XIV)，产品检验、包装和发货。
在图13(c)中，给出了多孔金属网的金属网格结构，插入在热成型工具内构成的凹入曲折形压入部分或通道内(图13(b))。这些通道的整体形状示于图13b。长的矩形横截面将大部分能量吸收部件固定在内。较宽的区域可以多种方式成形，其起到使热成型塑料能够绕吸收部件流动并将其保持在位的作用。图13(c)中，凹槽可以通过肋条(未示出)相互连接，这是非常有用的。如果需要，凹槽可以配置成使其中心处于在平面图中构成六边形的壁的交点上，而在各凹槽之间可以形成肋条。结果将基本呈蜂巢形状。本发明的能量吸收组件是用于车头冲击的结构，该结构具有标称厚度在7至25毫米之间。它吸收能量更加有效，重量轻，制造成本低，且模制有刚性聚乙烯泡沫。根据本发明方法制成的成品部件的一个实施例(结构A)示于图14-17。
图18给出了结构(B)的负载-偏移特性。应该注意，其形状参数不象金属网格结构那样接近1.0。但是，该形状是方形的，足以承担能量吸收。
模块化能量吸收组件的底板包括热塑性树脂。适用的材料包括聚丙烯共聚物，例如Shulman Polytrope TPP 524-31、Rhe TECH HP 509、Amoco 6015；ABS(GE Cyxlolas ZA5、Multibase ABS 802)聚酯(DuPortRynite 415 HP、Hoechst Impet 504)、Nylon(Custom Resins CRINX1170-RV200、Monsanto Vydyne 668等)、聚碳酸酯(Dow Califre302-E、Miles Makralon 6653)或热塑弹性材料(Himont HiFax RTA3362-E、DuPort Alcryn ALC2060UT)。
所选择的塑性树脂最好是热塑性的，熔点低于约400°F，以允许塑性变形和热成型。另外，选择的树脂应该具有约190-240°F以上的热软化温度，即塑料明显变软的温度，使得该部件能够在汽车内部的整个温度范围内实施。另外，选择的树脂应该具有尽可能高的IZOD冲击强度，超过250,000psi的挠曲模数，以抵抗弯曲；并具有大于10-15％的断裂延伸率，以能够塑性变形，而不是脆性断裂。
如果需要，该底板可以不仅构成杯形的凹槽和支撑网格的通道，而且还可以有导管或线性通道，用于容纳电线、排水管、保险杠板、气囊、机壳、紧固部件(例如夹子和卡扣)和类似装置。可选地，形成凹槽的步骤可以包括构成自塑料板的凸起，用于形成一个或多个连接部件，使得冷却后的塑料板能够以可拆卸的方式连接到安装表面上。如果需要，形成凹槽的步骤可以包括在塑料板上形成一个或多个铰链，以使塑料板能够以可以控制的方式在一个或多个优选的位置弯曲。形成凹槽的步骤还可以包括形成一个或多个定位装置，以使塑料板能够与夹具或固定装置对准，或者与可构成液体和/或气体的流体导管的管道对准。
将可理解，使塑料板与热成型工具接触的步骤涉及采用一种工具，使该塑料板压迫在热成型工具上，以帮助真空抽吸步骤完成，或采用流体产生的正压。
在某些环境下，在将塑料板置于热成型工具内之前，最好使塑料板邻接一层或多层材料层。可选地，一片或多片材料可布置在塑料板的任何一侧，而加热塑料板足够热到将这些片热粘结在其上。可以理解，附加的片可通过以下的步骤粘结，如粘接剂结合、介电结合、爆炸结合、超声结合、机械连接和类似方法。
作为实施本发明方法的一种替代方式，在成形前，可将一个或多个部件插入到热成型工具中，随着热塑料板与该工具形成一致，它们将加热板被固定。在传统的热成型过程中，由平塑料板形成的杯形凹槽的平均壁厚小于塑料板的厚度。如果需要，可以采用根据本发明的制造模块化能量吸收组件的方法，提供一个带有多个凹腔的模具，用于形成所限定的凹槽。采用这种实际操作，壁的尺寸可以确定成，使一个或多个能量吸收模块具有所选定的能量吸收特性。
本文所用“整体模制”一词(参考在底板内形成凹槽)，指的是一个或多个凹槽，每个作为一个单元用制造该凹槽的塑料板制成。
这样，同同样整体体积的采用刚性尿脘泡沫吸收部件的布置相比，所公开的发明提供了制造效率。所公开的热成型吸收结构可使工具成本成倍降低，因此可以降低每部件的成本。同注射模制成型相比，所公开的热成型吸收部件使工具加工成本下降。

Claims (18)

1.一种制造模块化能量吸收组件的方法，该组件带有一个底板和一个或多个与该底板相关联的能量吸收模块，其包括的步骤有：
提供一个在其中构成有多个凹槽的热成型工具；
将一塑料板加热到变形温度和溶化温度之间的温度；
使加热的塑料板与热成型工具接触，并将加热的塑料板推迫到工具上，使前者与后者形状一致，从而在塑料板内形成凹槽，并制成加热的塑料部件；
冷却该加热的塑料部件以构成冷却的塑料部件；和
将该冷却的塑料部件从工具中弹出，从而在该冷却的塑料部件中整体形成有一个或多个凹槽。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其包括的步骤还有：
将一个或多个物体至少部分地放置于在冷却塑料部件中形成的至少一些凹槽内，其中各物体选自以下组中，该组包括紧固部件、保险杠板、电线、管子、气囊、机壳和类似装置。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成凹槽的步骤包括形成一些自塑料板的凸起，用于构成一个或多个连接部件，使得冷却的塑料部件能够以可拆卸的方式连接到安装表面上。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成凹槽的步骤包括在塑料板上形成一个或多个铰链，以使该塑料板能够在一个或多个优选位置以可控制的方式弯曲。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成凹槽的步骤包括形成一个或多个定位装置，以使塑料板能够置于与夹具和固定装置对准的位置。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成凹槽的步骤包括形成用于吸收能量的杯形凹槽。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成凹槽的步骤包括形成至少一些曲折形或正弦曲线形或其它图案的凹槽，用于容纳一个或多个能量吸收部件。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成凹槽的步骤包括形成至少一些线性通道，用于容纳选自以下组的物品，该组包括紧固部件、保险杠板、电线、管子、气囊、机壳和类似装置。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成凹槽的步骤包括在加热的塑料部件中形成导管，用于流体从中通过的通道。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使加热的塑料板与热成型工具接触的步骤包括采用一种工具，将该塑料板推迫到热成型工具上，以帮助真空抽吸步骤完成。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其还包括：
在将塑料板放入热成型工具之前，将一层或多层材料层邻接该塑料板放置，使得一层或多层材料层可以连接到该塑料板上。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述放置步骤包括：
在塑料板的每侧放置一片或多片，同时该加热的塑料板是足够的热以便能将这些片热粘合在其上。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，附加的片通过选自以下步骤组中的一个步骤结合，该组包括粘接剂结合、介电结合、爆炸结合、超声结合、机械连接和类似过程。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在成形前，可以将一个或多个部件插入热成型工具，随着使加热的塑料板与工具的形状一致，它们被该加热的塑料板固封住。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使加热的塑料板与热成型工具接触的步骤包括在加热的塑料板和工具之间施加真空。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使加热的塑料板与热成型工具接触的步骤包括从加热的塑料板相对工具的另一面施加压力，以便于成形、拉拔、压制、或使加热塑料板与热成型工具一致。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其还包括在其中形成凹槽的步骤过程中或之后修整塑料板的步骤。
18.一种制造模块化能量吸收组件的方法，该组件带有一个底板和与底板相关联的一个或多个能量吸收模块，其包括的步骤有：
提供一个带有多个用于形成在模块化能量吸收组件内构成的凹槽的空腔，壁的尺寸确定成使一个或多个能量吸收模块具有所选定的能量吸收特性；
将一熔化物注射到模具和空腔内；
使该模具冷却；和
打开模具，然后自其中取出冷却的产品，在该冷却的产品中构成有在其中整体模制的一个或多个凹槽。
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