CN1578742A - 作为汽车承载结构的部件的纵梁 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种作为汽车承载结构的部件的纵梁。为了在一给定的结构空间内优化一纵梁的弯曲刚度、承载能力和冲撞性能，其包括两个分别具有一个约为1的高/宽比的空心型材，它们彼此间隔设置而形成一个自由空间并且在其两端(5、6，9a、9b，10a、10b)形状稳定地相互连接。

Description

作为汽车承载结构的部件的纵梁

技术领域

本发明涉及一种作为汽车承载结构的部件的纵梁，其宽/高比a₀/b₀＜1并且所述纵梁由至少两个基本上彼此平行延伸的空心型材构成。

背景技术

按照今天的现有技术制成的纵梁在结构上关于更大的重量节省同时具有最大的刚度方面已经进行了优化设计。亦即单独通过板厚的缩减或单独通过承载型材的横截面积的减小几乎不能再实现重量节省可能性。板厚的进一步缩减产生纵梁的不足的刚度、特别是弯曲刚度或翘曲刚度的结果。

为了通过板厚的减小来降低重量，一已知的结构上的措施是，采用较高强度的材料，其即使在减小的板厚下仍然具有足够的机械强度，以便保持纵梁具有足够大的强度并且其不会降低到要求的最小值以下。因此已知的措施看来是，纵梁型材由高强度的钢材制成并且首次作为可能的解决方法用来相应地缩减板厚。

但是高强度的钢材的应用带来关于承载结构本身的冲撞性能的新问题。在冲撞情况下经由纵梁传到客厢的力F按公式F＝σ×A算出，其中σ表示材料的屈服极限并且适用A＝U×t，亦即A是纵梁型材具有周长U和板厚t的材料横截面积。由于在高强度的钢材中σ值明显地大于在传统的纵梁用的材料中的，不减小板厚时在冲撞情况下传到客厢的力F是不可接受的高的(危害乘客)。相反如果为了降低在冲撞情况下传递的力F而减小板厚t，则产生弯曲刚度降低的结果并从而增大所谓弯曲崩塌的危险。所谓弯曲崩塌被理解为纵梁由于纵向挠曲而失效。

冲撞情况下传递的力F也可以通过纵梁型材的周长U的减小、而且通过其边缘的缩短来设定，但这样的解法不予考虑，因为因此伴随有纵梁的刚度的过大的降低，这导致承载功能的降低。此外边缘长度a₀和b₀的减小提高弯曲崩塌的危险性，因为型材变得更窄了。

因此，由于上述原因在将传到客厢的力保持在一对于乘客可忍受的水平的条件下通过型材的边缘长度和/或板厚的减小不可能达到重量的值得提起的降低。

关于不可能进一步减小边缘长度比a₀/b_o的另一原因，是其必须遵守关于纵梁在其因冲撞的变形产生的折曲的所谓稳定性准则(SchrieverT.：“关于汽车纵梁包括有目的地制出的缺陷的变形行为的非线性FE分析”；自动车驾驶事宜亚琛(Aachen)研究所，亚琛RWTH，亚琛1990年)。一种用术语“折曲相容性”表明的第一稳定性准则意味着，在纵梁因冲撞而变形时型材的长边b₀必须能自由地折曲，因为只有在这种情况下才能吸收最大可能的能量并转变为变形能。因此不允许产生型材的内表面沿其纵向边缘b₀在折曲时接触并从而妨碍自由的折曲形成。因此边缘长度a_o/b_o必须不低于一下限值。

第二稳定性准则是所谓“紧凑性”。一稳定的和常规的因冲撞变形的折曲过程取决于纵梁型材的板厚t与长边b_o的比值。因此该比值t/b_o必须不低于一规定的临界值，其中关于该临界值的问题此外取决于由哪种材料以何种品质构成纵梁。因此明显的是，该稳定性准则“紧凑性”妨碍专家为了减轻重量进一步减小板厚，专家在冲撞情况下稳定的和常规的折曲过程的需求的方面力图遵守该稳定性准则。

稳定性准则“折曲相容性”在已知的开头所述型式的纵梁(US-PS 4986 597)中也未被遵守。在这样的纵梁中两个空心型材沿其全长以凸缘连结，其中各空心型材以各凸缘在其间构成另一空心型材料。这样的纵梁形成一功能的组合部件，亦即其两空心型材由于它们沿全长的连结作为一个部件承受载荷，特别是关于弯曲和扭转载荷。在该已知的纵梁中各空心型材的宽与高之比值按常规大于1，部分地甚至显著地大于1。因此在这样的纵梁中可能存在这样的危险，即在冲撞情况下妨碍自由的折曲形成，以致相对的各面的折曲相互碰撞。

除这样的由各空心型材构成一功能的组合部件的纵梁以外，已知一种纵梁结构(钢和铁121(2001年)No.7第36和37页)，其包括双重的纵梁平面，分别具有小型的并彼此间隔设置的各个型材。在这样的纵梁结构中在前面冲撞的情况下也只在简单的弯曲载荷时构成空心型材的各个型材彼此独立地承受载荷，因为不同于上述的纵梁，由于各个型材彼此间没有连结不能提供相互的支承。这意味着，每一单个型材必须按最大出现的载荷设计，这通常利用各个型材的较厚的壁厚来实现。因此这种已知的包括双重纵梁平面的纵梁没有形成其各个型材构成一功能的组合部件的承载件。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种轻型结构的汽车纵梁，其具有下列特性：

a)该纵梁比按照传统的构造原理的纵梁具有较小的重量；

b)该纵梁具有至少象按照传统的构造原理的纵梁那样大的刚度，特别是弯曲刚度；

c)该纵梁比按照传统的构造原理的纵梁具有在冲撞情况下的较大的能量吸收能力；

d)该纵梁比按照传统的构造原理的纵梁不需要更大的结构空间。

所谓“按照传统的构造原理的纵梁”被理解为由一封闭的型材构成的纵梁，其高度b₀明显大于其宽度a₀，一般其比值为2-3。该封闭的型材可包括两个相互以连接凸缘连结的半型材(所谓窄构造方式)，但其也可涉及一无凸缘的封闭的型材。但在任一情况下其特征是几何条件“高度b_o大于宽度a_o”。因此，这种几何形状的传统的纵梁具有高的弯曲刚度，一这样的型材围绕一垂直于其纵轴线的轴线具有该高的弯曲刚度。

按照本发明上述目的将利用开头所述型式的纵梁来达到，其中各空心型材分别具有一宽/高比a_1，2/b_1，2≈1并且彼此间隔开设置而形成一自由空间以及在其两端形状稳定地相互连结。特别是纵梁的总高度比每一空心型材的高度应该大许多。

按照本发明的纵梁在如按照传统的构造原理的纵梁相同的外形尺寸时具有一至少相等的弯曲刚度，从而其可以完全满足承载功能。但其还满足稳定性准则“折曲相容性”和“紧凑性”，即使每一单个型材满足这些准则。在冲撞情况下由于确定的尺寸可以不妨碍全部单个型材折曲。因此在冲撞情况下确保最大的能量吸收。仅仅由于新的几何构形和纵梁的尺寸确定得到20％的重量节省可能性。

在端面和/或侧面安装的板和/或薄板用作为各空心型材之间的形状稳定的连结。但其他的邻接的构件也可构成形状稳定的连结。

附图说明

以下借助于附图更详细地说明本发明。其中：

图1  汽车承载结构的一个纵梁的示意侧视图，该纵梁包括两个构成一个功能组合部件的空心型材并包括所属的横截面；

图2  两个按图1的连接到客厢的纵梁的透视图，其作为汽车在空间框架结构中的承载结构的部件并包括所属的各种横截面；

图3  两个按图1的以不同于图2的实施形式连接到客厢的纵梁的透视图，其作为汽车在空间框架结构中的承载结构的部件并包括所属的各种横截面；以及

图4  一按照本发明的纵梁和一按照传统的构造原理的纵梁的对比的示意图和横截面。

具体实施方式

本发明的纵梁1、2、3、4是汽车在空间框架结构中的承载结构T的部件，其中图2和3中还示出客厢的部件。

每一纵梁1、2、3、4包括两个彼此间隔开设置的相互平行延伸的由钢板制成的空心型材1a、1b，2a、2b，3a、3b，4a、4b。两个空心型材1a、1b，2a、2b，3a、3b，4a、4b在其端部形状稳定地相互连结，从而其构成一个功能部件。这样的形状稳定的连结作为连接件1c、1d示意地示于图1中。它们可以以不同的方式构成，特别是它们可以是端面的和侧面的板/薄板。在形状稳定的连结中还可以插入连接的承载结构T，如图2和3所示。作为连结技术考虑全部传统的技术，例如焊接或钎焊接、螺钉连接、胶接或铆接。决定性的是，这样的连结形状稳定地相互连结空心型材2、3。

在图2和3所示的两实施例中空心型材1a、1b，2a、2b，3a、3b，4a、4b的前端经由端面的板/薄板5、6、7、8连结。虽然在图2的实施例中后端一方面搭接在客厢的承载结构T的空心型材上特别经由钎焊接材料锁合连接，但它们在另一方面经由侧面的板/薄板9a、9b，10a、10b相互形状稳定地连结。在图3的实施例中后端与客厢的承载结构T的刚性空心型材搭接并在其上也相互形状稳定地连结。

图4中是一按照传统的构造原理的、由一单独的空心型材构成的纵梁与一按照本发明的纵梁的对比，后者包括两个间隔开的、构成一功能的组合部件的空心型材1a、1b。传统的纵梁以窄构造方式制成，亦即其两外壳11、12经由凸缘11a、11b，12a、12b相互连结。如对比表明的，两纵梁具有相等的外部尺寸，即宽度a_o＝a₁＝a₂。传统的纵梁的高度总共为b_o＝b+2c。在本发明的纵梁中高度总的是相同的并且为b_o＝b₁+b₂+d，其中d＝两空心型材1a、1b之间的自由空间的高度。优选b₀≈b₂和d＝0.5b₁至1.0b₁。对于高/宽比因此适用a_o/b_o＜1，特别是a_o/b_o＜＜1，其中所谓“＜＜”被理解为至少“2”倍，一般在“2”与“3”倍之间。在说明书的最后对规定的确定尺寸给出关于这样的两个对比的纵梁。在实例1中具有屈服极限R_p0.2＝340N/mm²的高强度钢DP-K34/60用作本发明的纵梁的材料，而传统的构造方式的对比纵梁由ZStE300(屈服极限R_p0.2＝300N/mm²)构成。各型材的壁厚比传统的纵梁从1.35mm到1.0mm减小约25.93％。用于通过纵梁传力的重要的截面积A(在实例1中称之为“横截面积”)在本发明的纵梁中只为A＝496mm²，而其在传统的纵梁中A＝623.7mm²。由于纵梁的质量正比于其自由截面积(质量＝P×L×A，P×L＝常量)，可以由这些值的比较确定，本发明的纵梁只为传统的纵梁的质量的79.5％，因此可以实现20.5％的重量节省。

关于力F_m的值表明，在本发明的纵梁中，在冲撞情况下吸收的能量明显大于在传统的纵梁中的。该比较可以借助于F_m值确定，因为吸收的能量正比于力F_m，其由公式F_m＝σ_m×A算出，其中σ_m是作用于纵梁中的有效的平均拉应力：

${\mathrm{\σ}}_m={\left[\frac{k_m\·E\·{\left(\frac{t}{b}\right)}^2}{(1-v^2)\·\mathrm{\β}\·R_{p0.2}}\right]}^n\·R_{p0.2}$

(来源：见上述Schriever，T.的论文)值σ_m一方面取决于材料(高强度的钢的σ_m值显著大于传统的纵梁钢的)，另一方面σ_m还取决于纵梁或各个空心型材的几何形状。

应该指出，本发明在新的纵梁的几何构形方面是独有的。但通过材料的强度的选择可以得到进一步达到的重量节省，如上述实例1中所说明的。不过，当只选择如现有技术中同一种材料时也可得到明显的重量节省。对此参阅实例2。

实例：

a₀＝a₁＝a₂＝62mmb₀＝b+2c＝b₁+b₂+d＝170mmb＝136mmb₁＝b₂＝62mmc＝17mmd＝46mm≥0.7a₀

实例1：

ZStE300，R_p0.2＝300N/mm²                 DP-K34/60，R_p0.2＝340N/mm²

t＝1.35mm                  板厚            t＝1.00mm

A＝U·t＝462mm·1.35mm     横截面积        A＝2.248mm·1.00mm

＝623.7mm²                作为质量的度量  ＝496.00mm²

m～A＝100％                质量            m＝79.5％

σ_m＝58.1N/mm²           平均拉应力     σ_m＝83.3N/mm²

F_m＝36.2kN                力-吸收的能量   F_m＝41.3kN

实例2：

ZStE300，R_p0.2＝300N/mm²                  ZStE300，R_p0.2＝300N/mm²

t＝1.35mm                 板厚             t＝1.00mm

A＝U·t＝462mm·1.35mm    横截面积         A＝2.248mm·1.00mm

＝623.7mm²               作为质量的度量   ＝496.00mm²

m～A＝100％               质量             m＝79.5％

σ_m＝58.1N/mm²          平均拉应力      σ_m＝77.6N/mm²

F_m＝36.2kN               力-吸收的能量    F_m＝38.5kN

Claims (3)

1.作为汽车承载结构的部件的纵梁，其宽/高比a₀/b₀＜1并且所述纵梁由至少两个基本上彼此平行延伸的空心型材构成，其特征在于，各空心型材分别具有一个宽/高比a_1，2/b_1，2≈1并且彼此间隔设置而形成一个自由空间以及在其两端形状稳定地相互连结。

2.按照权利要求1所述的纵梁，其特征在于，纵梁的总高度b₀比每一空心型材的高度b_1，2大许多。

3.按照权利要求1或2所述的纵梁，其特征在于，在端面和/或侧面安装的板和/或薄板用作为各空心型材之间的形状稳定的连结。

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