CN1802521B - 包括因变形而至少部分地吸收冲击的结构元件的机械装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械装置，其包括一细长的结构元件，该元件用于通过变形而至少在部分上吸收某些冲击。该结构元件或结构体的正截面具有选定的型体，所述型体上设置有局部的改型部分(α2、α3、α4)，这些改型部分的形状和各自选定的位置基本上满足联合作用作用下的给定变形规律，其中的联合作用是由沿元件轴线方向的压力和一个力矩组成的，该力矩的轴线垂直于经过所述元件轴线的平面。所述变形规律包括一个吸能阶段，之后是一个将该部件撤消的阶段。

Description

包括因变形而至少部分地吸收冲击的结构元件的机械装置

技术领域

本发明特别涉及车辆的安全性，尤其是涉及车辆在与物体相撞情况下的安全性，其中的物体或者是行人、骑自行车人、骑摩托车人、其它机动车、固定物体，或者是树木，其中的固定物体例如是墙壁、房屋等的建筑物，但这些有关固定物体和移动物体的举例并非是车辆可能碰撞到的物体的限制性列表名单。

背景技术

当与行人、骑车人、或骑摩托车人发生碰撞时，冲击力量并不是非常大，但绝对需要对行人或骑车(摩托车)人实施尽可能多的保护，以保护其身体的完整性和生命。

因而，按照撞击的剧烈程度，遇到的事故实例涉及城区环境内的撞击到极其猛烈的撞击(专业人员称这样的撞击为“毁性撞车”)，在这些事故中，必须要保护车辆上乘客的生命，且如果可能的话，必须要防止乘客由于该撞击而受到任何伤害，或者至少要能减少对乘客的严重损伤。

在过去的几年中，汽车制造商已着手研究多种方案来应对这些安全限制条件，但尚未有任何一个厂家找出了完全令人满意的方案。事实上，为安全性而提出的技术方案在最初首先应对的是与正面撞击有关的情况，其中的正面撞击也就是指其发生时能沿车辆主轴线施加作用力和应力的撞击。

因而，人们已在车辆的结构部件上应用了多种解决方案，以吸收撞击的动能，其中的结构部件例如是纵梁、车身托架(cradle)，甚至于在车辆结构上增设补充性的装置，这些补充装置例如是吸能器、托架侧梁、延长部或延伸体。

但迄今为止，对于下面的撞击情况尚未找到理想的解决方案：即施加在车辆结构元件上的作用力和应力的指向未沿车辆主轴向的情况，从而，在发生撞击时，这样的情况将使得某些结构元件或上述的补充装置受到联合作用的作用，该联合作用将作用力与力矩同时组合起来。

另外，迄今为止实现的解决方案并不能完全令人满意地控制和定位吸收动能的位置点，既不能将吸能点置于一定的位置处、以便于能根据撞击的情形而吸收变化度很大的动能，也无法控制这些结构元件和补充性装置发生变形的局部位置点。

发明内容

因而，本申请人致力于提出一些部件，其能更为理想地满足这些需求。本发明体现了在这一研究方向上的突出进展。

根据本发明的一个方面，本发明的一个目的在于提供一种机械装置，其包括一细长的结构元件，该元件用于通过变形而至少在部分上吸收某些冲击。该元件包括一具有选定平直截面的管体。该管体上设置有局部的改型部分，这些改型部分的形状和位置分别经过了选择，以便于基本上对应着联合作用作用下的给定变形规律，其中的联合作用是由沿部件轴线方向的压力和一个力矩组成的，该力矩的轴线垂直于经过所述部件轴线的平面。所述变形规律包括一个吸能阶段，之后是一个将该部件撤消的阶段。

根据本发明一特殊的特征，车辆的托架或前部结构上设置了一个或多个被称为“延伸体”的前部元件，尤其是，可设置多于两个的延伸体。

这样的延伸体可被看作是一个撑架，其将托架的前部与缓冲器的下梁连接起来，因而，托架借助于一个或多个冲击吸能器与缓冲器的基部连接起来。申请人已经认识到该延伸体因而必须具备如下特征：

-能抵抗一个最小作用力，在该最小作用力之下，延伸体可保持不变形状态，而缓冲器和吸能器则被压溃；

-超过该最小作用力后，延伸体必须发生变形，因而可吸收最多的能量，而不会对托架造成损坏；

-在该变形结束时能被去除，以便于在压溃过程结束时不会在托架与撞击障碍物之间形成撑架结构。

附图说明

从下文的描述以及附图可清楚地认识到本发明其它的特征和优点，在附图中：

图1中的左侧视图表示了车辆上前部部件的一种实施方式；

图2A和图2B表示了作用力施加到某个部件上时两种不同的可能构造；

图3示意性地表示了堆缩和弯折的概念；

图4A中的断面图表示了型体的一种实例，并表示出了一些指标；

图4B和4C表示了该型体发生局部变化时的第一种实例，在图示的情况是该变化是由变形造成的；

图5表示了型体发生局部变化时的另一种实例；

图6中的网格轴测图表示了一个具有三个变化部的部件；

图6A中的轴测图表示了与一个部件有关的各个指标；

图7A到图7D中的侧视图表示了部件变形过程中的不同阶段，

图中情况下，该部件在基本为纯轴向力的作用下发生堆缩变形；

图8A中的图线表示了对于图7所示的情形、受纯轴向力作用的部件的受力曲线(y轴)随时间(x轴)的变化关系，图8B中的图线表示了对于同一现象，部件在受冲击时沿x轴的溃缩程度(或长度的缩短)；

图9A到图9D中的侧视图表示了部件在受到伴有力矩的轴向力作用而发生弯折变形时的不同阶段；

图10A和图10B是与图8A和图8B属于同样类型的图线，但针对的是图9A到图9D所示的部件，图中对上表面和下表面进行了区分；

图11A到图11E中的侧视图表示了部件在受到伴有力矩的轴向力作用而先堆缩而后弯折变形时的不同阶段；

图12A和图12B是与图10A和图10B属于同样类型的图线，但针对的是图11A到图11D所示的部件；

图13A到图13E表示了一个设置有改型部分的部件，这些改型部分的位置略有区别；

图14A和图14B中的侧面图和俯视图表示了带有改型部分的部件，其中的改型部分既是凹入的，也是突出的；

图15表示了一种部件，其带有略为不同的改型部分，该改型部分带有一个变形部和一个穿孔；

图16A到图16F中的轴测图表示了部件在受到伴有力矩的轴向力作用而先堆缩而后弯折变形时的不同阶段；

图17A到图17F与图16A到图16F类似，但是是俯视图；

图18A到图18F与图16A到图16F类似，但是是侧视图；

图19和图20中的轴测图按照相同的方式表示了带有穿孔的一种第一部件，图中表示出了XYZ的三向轴线；

图19A到图19D中沿XZ方向的侧视图表示了第一部件在变形时的不同阶段，在另一方面，图20A到图20D中沿XY方向的侧视图也表示了对应的各个变形阶段；

图21A、21B和21C中的图线分别表示的是图19和20所示的第一部件在变形过程中受力与时间的关系、受力与溃缩度的关系、以及吸收能量与时间的关系；

图22和图23中的轴测图按照相同的方式表示了带有穿孔的一种第二部件，图中表示出了XYZ的三向轴线；

图22A到图22D中沿XZ方向的侧视图表示了第二部件在变形时的不同阶段，在另一方面，图23A到图23D中沿XY方向的侧视图表示了对应的各个变形阶段；

图24A、24B、24C中的图线分别表示的是图22和23所示的第二部件在变形过程中受力与时间的关系、受力与溃缩度的关系、以及吸收能量与时间的关系；

图25和图26中的轴测图按照相同的方式表示了带有穿孔的一种第三部件，图中表示出了XYZ的三向轴线；

图25A到图25D中沿XZ方向的侧视图表示了第三部件在变形时的不同阶段，在另一方面，图26A到图26D中沿XY方向的侧视图表示了对应的各个变形阶段；

图27A、27B、27C中的图线分别表示的是图25和26所示的第三部件在变形过程中受力与时间的关系、受力与溃缩度的关系、以及吸收能量与时间的关系；

图28和图29中的轴测图按照相同的方式表示了带有穿孔的一种第四部件，图中表示出了XYZ的三向轴线；

图28A到图28D中沿XZ方向的侧面图表示了第四部件在变形时的不同阶段，在另一方面，图29A到图29D中沿XY方向的侧面图表示了对应的各个变形阶段；

图30A、30B、30C中的图线分别表示的是图28和29所示的第四部件在变形过程中受力与时间的关系、受力与溃缩度的关系、以及吸收能量与时间的关系；

图31和图32中的轴测图按照相同的方式表示了带有穿孔的一种第五部件，图中表示出了XYZ的三向轴线；

图31A到图31D中沿XZ方向的侧视图表示了第五部件在变形时的不同阶段，在另一方面，图32A到图32D中沿XY方向的侧视图表示了对应的各个变形阶段；以及

图33A、33B、33C中的图线分别表示的是图31和32所示的第五部件在变形过程中受力与时间的关系、受力与溃缩度的关系、以及吸收能量与时间的关系。

具体实施方式

附图以及说明书中的附录中包含了特征明确的元件。因而，附图及其说明不仅有助于对说明书进行理解，而且在必要的情况下有助于对本发明进行定义。

在弹性变形的领域对机械结构的行为进行建模是为人所熟知的。但是，对于塑性变形却不是一件容易的事情，对于严重挤压的情况则更为困难。目前，出现了一些被称为“撞损计算器”的软件程序，例如分别由MECALOG公司、ESI集团、以及LSTC(Livemore软件技术公司)开发的软件RADIOSS、PAM CRASH以及LS DYNA。在这些软件程序中，采用了与弹性行为规律显著不同的结构行为规律。为了确定这些行为规律，必须按照材料的使用形式来对其动力学特性进行描述，并对结构建模。利用Johnson-Cook定律或Cowper Symond定律，通过实验装置来完成对材料特性的描述。利用在大尺度高速变形情况下行为的数学规律，完成对结构的数字建模。

图1中的左视图示意性地表示了车辆前部部件(左手侧部件)的一种实施方式。该视图表示出了上分支和下分支，上下分支基本上是按照轴线10定义的(注意：上分支有时也被称作中间分支，因而，上分支在车辆上处于较高的位置)。车辆上的前部即为图中的左侧。在图中的右面，在部件体上，表示出了一个与轴线10平行的部件11，其被称为纵梁，该部件向上升高而限定了上分支，其末端带有一个冲击吸能器14和一个缓冲器上梁(标号为15)。

在图中的下部，一托架12以柔性或刚性的方式安装到纵梁11上。从该托架12延续出一部件20，其被称为延伸体，其后连接着一个下吸能器24(为行人而设置的)，然后是一个缓冲器下梁25。在上梁15与下梁25之间形成了一个前缓冲器18。优选地是，一个悬垂部件13将延伸体20与纵梁11上位于该延伸体上方的部分垂直地连接起来。应当指出的是：延伸体20利用悬垂部件13悬挂在纵梁11上。此处，该悬挂关系并非是刚性的联接。

例如可从专利文件FR-A-2800695或FR-A-2824523了解与图1所示结构类似的结构。

尤其可采用上述的软件程序，以寻求使车辆的结构体具有所需的特性，对于车辆的前部，该过程一般是通过增大撞击的幅度来实现的：

-对于非常微小的冲击不发生任何变形；

-之后，使缓冲器和吸能器等可更换部件发生变形，而不对其余部件造成损坏；

-之后，整个前部部件开始发生变形，以保护发动机舱以及托架和前车轴；

-最后，发生了很大的变形，使整个车辆前部损毁，此时关心的是保护乘客舱，而不论车辆的结果如何。

直到目前为止，所做的努力都局限在那些非常易于折皱弯曲的部件上，原因在于：

-它们非常细长柔弱(在欧拉公式的意义上)；或者

-在沿其长度的多个位置处，部件获得了良好的支撑，例如对于前纵梁(其受到与其相连器件的各个支撑功能件的支撑作用，其中的器件例如是车轮罩板、齿轮箱支撑体等)或后纵梁(例如被车轮罩板、后底盘、以及横梁支撑着)。

本申请人通过集中精力研制了一种结构元件而开辟了一个不同的途径，该结构元件例如是安装在一短托架(而非最为常用的长托架)端部上的延伸体。

在此情况下，这样的结构元件一般不是在其全长范围内受到支撑，这一点是很重要的。因而，这些元件能发生褶曲变形。附录1中公式[I]给出了欧拉公式意义上细长比λ的定义，其中：

-L是元件的长度；

-S是其平直截面的面积；以及

-lmin是所考虑截面的最小惯性模量。

返回到现有技术中。具有类似功能的现有机械部件例如是冲击吸能器。这些部件被制成封闭中空体的形式，它们是用薄板材制成的，并带有“堆缩波纹”。这些结构是平直截面上的环周变形(“波纹状变形”)、角形的破口、或类似的装置，它们使得部件能像一个塑性瓶体那样自身折缩起来(堆缩)。

这些现有部件的长度相对于它们的平直截面是相对短的(在运动的主方向上，因而也就是在冲击的方向上)。因而，由于这些部件并非是非常细长的，所以可避免发生弯折。

因而，申请人首先考虑的是如何实现类似功能-但却是利用相对较长部件的问题，尤其是使部件如上述延伸体那样发挥作用的问题。一般来讲，所提出元件的细长比大于25，尤其是显著高于25。该细长比大致上能限定一个最小长度。如果需要的话，可从公式[II]确定出最大的长度，式中E为杨氏模量，F是临界欧拉力，k是一个系数，如果部件的两端是可自由转动的，则k＝1。本领域的技术人员能认识到：在其它情况下，k可以是其它数值。

首先，似乎看来：可以在相对较高的轴向推力(Fmin)的作用下，保持形状而不发生弯折。有利地是，可采用带有圆角的小厚度中空型体。“小厚度”在此是指厚度范围与所需的抗弯折能力相适合，且具有在弯折之前先堆缩的性能。还已发现：通过适当地限定平直截面的型体形状，能对堆缩变形进行控制，而且使其仍然不发生弯折。

型体的总体形式可以为平直的筒柱形表面。尽管其平直截面可采用多种不同的多边形形状，但最为常用的形状是方形或矩形。但是，本发明也适用于其长度范围上具有一个或多个挠曲的部件。

按照上述的现有技术，堆缩元件是用薄板材料制成的，其截面型体被制成U形的形式，然后焊接到一起而形成一个封闭的型体。

根据本发明，最好是使用焊接成的或无焊缝的管体，其具有如下的特性：

-在两个半型体之间不存在焊接，因而不会像用薄板材料制造的通常情况那样存在焊接的不连续性；

-不带有封盖，因而能减少材料和成本，但至少能实现同等的强度。

其次，申请人已经致力于用相同的部件获得如下的效果：首先是沿纵向发生变形(“堆缩”)，然后沿一横向轴线发生弯折变形(“弯折”)。

另外，申请人还寻求研制一种部件，不论所施加的力是一个纯粹的压力，还是伴随有一个力矩，该部件都具有上述的特性。产生所述力矩的原因可以是：

-部件相对于车辆的主运动方向是偏斜的(见图2A)；和/或

-发生了斜向撞击，也就是说，对前面的撞击具有一个侧向分量，其中的原因是该撞击本身就是斜向的，或者该撞击未与部件的轴线对正(见图2B)。

在本文的描述中，词语“力矩”既指力矩的力矩矢量(见图6A)，也指力矩的代数量值-即向量的幅值。

图3是一个非常示意化的视图，从左到右，该视图表示了希望部件随着作用力的增大而表现出的行为。

图4A表示了一种其型体经过设计的部件，该部件的平直截面基本上是均匀的矩形。图4B表示的是同一部件，但从横截面上看具有局部改型部分，而图4C是图4B所示部件的左侧视图。

在该实例中，局部改型部分采用了变形部的形式，在图示的情况下，该变形部是由凹痕形成的，在横截面上，两变形的邻角为角(1)和角(2)，但允许相对表面(f)自由地变形。在此操作过程中，截面的周长基本上保持不变。

图4B和图4C所示的改型部分相对于部件的纵向中间平面P4基本上是对称的。

大体上，凹入的改型部分(凹痕)位于较小的表面上，而突出的改型部分(鼓凸)则位于大表面上。

与图4相比，图5上的改型部分基于相同的原理，但相对于部件的纵向中间平面P5是明显不对称的。

在该实例中，局部改型部分的形式表现为表面(f1)上角度为(1)的凹痕，在此情况下，表面f1即为上表面，而相邻的表面(f2)却能自由地变形。与上述的情况相同，截面的周长基本上保持不变。

图6中的轴测图表示了一种部件，其上设置有三个如图5所示的改型部分A1-A3。

在实际情况中，可利用传统的造型方法(例如模压方法)、液压成型方法、或借助于其它类似的造型工艺来形成这些改型部分。

图6A表示了部件位置和形状的参数，其中的部件例如是图6所示的部件，车辆的前部位于图中的左侧。

图7表示了一个被制成中空体(此处为一方形管)的延伸体在变形时的不同阶段(或变形顺序)，该延伸体的两相对表面上设置有对称的隆凸，隆凸被制成垂直于纵向轴线，且会影响到其所涉及表面的总宽度(凸起的折纹或突出的改型部分)，在另外两个相对的表面上还设置了对称的凹痕，它们被制成垂直于纵向轴线，并能影响其所涉及的表面的总体宽度(凹陷的折纹或凹入的改型部分)。当部件受到沿其轴线作用的力时，部件上的这些改型部分起到了变形触发点的作用。图7A表示了处于自然静止状态的延伸体。

随着变形(沿部件纵向轴线的挤压变形)的不断发展：

-图7B：通过使头部发生改变而形成了第一折纹；

-图7C：之后形成了第二、第三、第n、以至最后一道折纹；

-最后为图7D的状态，从图中可看出，该部件沿其纵向轴线被完全压溃(形成了波纹状的一道道折纹，该波纹是从第一改型部分处开始的)。

这一现象在现有技术中也被称为“堆缩”。

图8A和图8B中的图线分别表示的是：图7所示的部件在受到纯轴向力作用时其受力曲线(y轴)随时间(x轴)的变化关系；以及对于同一现象，部件在受冲击后的溃缩程度(或长度的减小)被表示在x轴上。

图9表示了一个与图7A所示部件相同的部件，但表示的却是这样的情况：部件受到的作用力组合了沿部件纵向轴线施加的力和一个力矩，该力矩的作用轴线与部件的纵向轴线垂直，并位于部件的主对称平面(此处，该平面具有一与图面方向垂直的轴线)内。对于作用力F不对正的情况，就会产生一个沿轴线的作用力A和一个力矩C。

从图中可确定出，在此情况下，部件立即就会发生转角变形(纵向轴线被破坏，这种现象在现有技术中被称为“弯折”)，这一现象导致对动能的吸收不充分(与图7所示的情况相反)，并出现了不受控制的变形(弯折)。F增大，则A和C也将随之成比例地增大。起先部件还抵抗着外力(见图9A)；然后，其迅速发生改变而逐渐变弯(见图9B到图9D)。

图10A和图10B中的图线分别表示的是：部件在如图9所示那样同时受到轴向力和力矩作用时其受力曲线(y轴)随时间(x轴)的变化关系，以及对于同一现象，部件在受冲击后的溃缩程度(长度的减小)被表示在x轴上。

此处，图10A表示出了现有技术中力随时间的变化规律，其中：

-上侧曲线：最大力(上表面受力)；以及

-下侧曲线：最小力(下表面受力)。

在接近受力第一峰值的区间处，开始出现弯折。该过程伴随着上表面上改型部分的折纹发生闭合。可以认为：发生弯折是由于部件两相对表面上的力峰值既不相等、也不同步。

图10B表示了部件中力随溃缩的变化关系，其中：

-上侧曲线：最大力(上表面受力)；以及

-下侧曲线：最小力(下表面受力)。

总的行为只源于开始区域处的弹性场，该开始区域是指位于第一峰值之前的区域。在过了该峰值之后，图10B表示了在弯折过程中部件内受力随变形而变化的状况。

图11A到图11E涉及一种部件实例，该部件是根据本发明而制出的。

该部件的至少一个表面上设置有改型部分，该改型部分并不影响其所涉及表面的总体状况(在平直截面内)。部件上这样的设计也被称为“非对称改型部分”或“欠对称改型部分”。这一概念还包括根据另一实施方式的情况：改型部分是具有定向性的，即形成了一个角度，其不与部件的纵向轴线垂直。

更一般而言，希望改型部分具有一个非对称平面，该平面经过部件的轴线。可考虑这样的设计：

-改型部分相对于部件的轴线是不对称的，并处于一个经过部件轴线的平面内，该平面与力矩矢量的轴线垂直(其为图11A中的图面平面)；

-或者改型部分相对于经过部件轴线、且经过力矩矢量轴线的平面(该平面即经过轴线、且与图11A图面平面垂直的平面)是不对称的。

对于这样的部件，如果像在图9中的情况那样，受到一个作用力A和一个力矩C，则将发现：变形首先是从第一改型部分处形成折纹而开始，随后将形成另一折纹(堆缩)，而后发生弯折。因而，在此情况下，首先是抵抗变形的第一阶段，然后，在强度增大的作用力和力矩的作用下，发生堆缩现象(同时吸收动能)，而后出现“弯折”现象。从下文的描述可了解到，可控制该弯折的起始点，并能控制对应折缩的方向。这样就能根据变形的特定情形来损毁机械元件，以便于保护乘客舱(或限制对其的损害)，因而在发生撞击的情况下，有助于保护乘客身体的完整性。

图11A到图11E所涉及的部件属于这样情况：其带有图5所示类型的非对称改型部分。

从上文可了解到：该部件受到一个推力F作用，该推力被分解成一个沿轴线的力A和一个轴线与图面垂直的力矩C，因而，力A和力矩C能成比例地增加。因而能获得如下的行为特性：

-首先，部件具有抵抗性(图11A)；

-然后，与图10情况不同的是，部件开始发生堆缩(图11B)，部件自身皱缩到一起(在外周面上，折纹是对称的)；

-发生堆缩(图11C)，然后，排挤到第二改型部分(见图11D)处；

-随后，部件开始发生弯折(见图11E)，出现非对称的折缩。

在上述的实例中，非对称的改型部分基本上保持在与部件轴线垂直的区域内。可以使改型部分倾斜(“定向”)为一个选定的倾斜度(见图13)。

图12A和图12B中的曲线与图10A和图10B中的曲线是相似的，但针对的是图11所示的部件。

从图12A和图12B可看出：只要上下表面上的作用力的峰值能基本上保持同步，就能维持堆缩变形。对于图12A中的头两个峰值，情况的确是这样的，其中的两个峰值对应于顺次的两个改型部分。只有在此之后，才开始发生弯折，如图11E所示，部件的不对称弯折处基本上位于改型部分之外的其它位置。

图12A和12B中的两个图线表示的是对于图11所示的部件、力随时间的变化曲线以及力随溃缩度的变化曲线。

图13表示了一种部件，一方面，该部件上具有非对称的改型部分，这些改型部分具有引发堆缩的作用，在另一方面，部件上具有一个或多个补充性的改型部分，其与上述的改型部分采用不同的形式，并具有引发弯折的功效。另外，至少其中的某些改型部分是定向性的。

可利用与图12所示曲线为相同类型的曲线来描述图13所示部件的行为特性。

能发生堆缩的改型部分的区域数可以是1个、2个、3个或更多。

至于所关心的弯折选定点，可将这样的选定点限制为单个改型部分区，或者也可具有多个这样的区域，尤其是在希望具有多个弯折点的情况下。

如图14A和图14B所示，一种类型的非对称改型部分可以既是凹陷的，也是突出的，图14A、14B是沿两个垂直的轴向平面对同一部件所作的视图。两改型部分的平直截面被表示在图S1和S2中。在图14A中，改型部分具有凹入的折皱，而在图14B中，改型部分具有突出的折皱。在此情况中，视图所对应的两个平面代表着力矩的两个分量。

基本上，改型部分是可变形的区域。可按照选定的方式在这些改型部分上增设孔隙或穿孔，这些孔隙或穿孔能增强改型部分的效果。从下文可了解到，作为一种改变形式，仅利用孔隙或穿孔就能形成改型部分。

换言之，一个或多个改型部分最好是向外开口的，也就是说，改型部分的顶点(对于突出的改型部分)或基部(对于凹陷的改型部分)具有一个孔隙(例如孔洞或孔腔)，例如可根据撞车情形所导致的应力来选择该孔隙的形状和外形型体。

图15表示了向外开口的凹入改型部分的一种实例。应当指出的是：两孔隙之间的边缘也被形成为凹陷的形状。

因而，该部件的内部至少可部分地设置一内衬，该内衬例如是由不可压缩的泡沫制成的。选择性地填充有助于确定堆缩点和/或弯折点。

图16、17和18分别是轴测图、俯视图、以及侧视图，它们表示了一个部件在变形过程中的各个状态。图示的各个阶段基本上对应着各自的次序。该部件具有改型部分α1、α2、α3、以及α4。从图16A可看出，改型部分α1与图15中的改型部分类似，具有两个孔隙。此处，改型部分α2、α3、α4属于凹陷的非对称类型，从图18A可容易地看出这一点。

图16A、17A、18A表示了处于自然静止状态的部件。在该实例中，该部件的左侧端(车辆的前部)应当基本上是自由的，而右侧端(车体托架一侧)则是固定的。该部件是一个中空的金属型材，其尺寸(可参见图4A中的标注)是(方括号中给出了该实例的最小范围)：

I＝50mm[30到60]

h＝70mm[40到90]

e＝2mm[1到4]

R＝5mm[2到30]。

图16B、17B、以及18B表示的是堆缩的开始时刻。堆缩是由部件左侧端上有限的凹痕引发的，凹痕被置于理想的位置上，以便于使所施加的作用力被转化为堆缩过程，此处，该堆缩过程还伴有非常轻微的弯折(左侧端区域)。

在图16C、17C、18C以及其后的图16D、17D、18D中，先前已开始的堆缩继续进行，而先前已开始发生的轻微弯折则基本上保持不变。因而，直到那时为止，部件一直在进行堆缩，这是明显主导的行为。这样就能吸收非常大量的能量。

在图16E、17E、18E以及其后的图16F、17F、18F中，可看到部件上出现了双道折纹，或发生了双级弯折：首先，是已在左端出现的弯折继续发展，其次，在右端出现了另一个弯折点，此处，这一现象联系到部件在这一侧(托架侧)是固定的事实。

这一重要阶段能实现撤消该部件的所需效果，从上文可看出，在汽车的安全性方面，这样的效果绝对是重要的。

本发明一个重要的方面在于：在该撤消现象之前，是一个显著吸能的阶段，上文已对此作了介绍。

如果返回来参见图1，本发明使得具有给定长度的延伸体实现了理想的吸能规律，随后再被撤消掉。尽管该目的基本上是针对于车辆前部的下分支，但将本发明提出的部件应用于其它前部元件或其它撞击情况也并非是不可能的，甚至可应用到非汽车的场合中，其它的撞击例如是侧向撞击或后部撞击。

在当前的研究状态下，申请人已经注意到：对于带有对称的改型部分(位于平直截面的附近)，在受到纯轴向力的情况下，部件能抵抗着外力而没有变形，直到达到一个阈值力Fmin为止，在超过该Fmin之后，通过发生堆缩而吸能；但在另一方面，在存在不可忽略的力矩分量时，部件将自动发生弯折。在另一方面，已经发现：在此情况下，通过合适地选择至少在部分上非对称的改型部分，就能获得利用堆缩来首先吸能的效果，如果必要的话，还可以通过控制预设计的弯折来实现该效果，而显著的弯折现象只是在随后才发生。这样的部件具有非常有利的性能，可根据不同的行业需求而提供该部件，因而可进行选择。可通过反复试验的方法来进行选择。

申请人还致力于只利用孔隙或穿孔(“孔洞”)来获得所需的效果。下面将基于5组附图对此进行描述，这些附图是按照相同的方式绘制的，对应着5种具有不同孔隙构造的部件。所设计的前三种部件带有非对称布置的孔洞(位于平直截面的附近)；在另一方面，后两种部件上的孔洞被对称地布置在平直截面的附近。

图19中的轴测图表示了这样的情况：管体上的改型部分是由两对穿孔构成的，穿孔被设置在管体的下边缘或“拐角”处。图20与图19表示的内容是相同的，目的是为了帮助理解。

已制订了一个试验，该试验基本上对应着被称为“EURONCAP”(欧洲碰撞试验)的条件，碰撞的初速是64km/h，并复制了部件在车辆上的装配条件，但并非是完全的真实环境。

随后，部件受到一个由压力和力矩组成的联合作用。力矩的效果在于使管体的上部(图中的上部)受到更强的应力。

图19A和图20A中的侧视图表示的是变形即将开始时的情形。然后，图19B到19D、以及图20B到20D所表示的状态分别是2.5微秒、5微秒、以及10微秒时的情形。

在所有沿XY方向所作的侧视图中，都可看到在标志点T处，部件上带有一个固定孔。该孔并不是一个严格意义上的改型部分，尽管其也能起到同样的作用。

试验发现：该管体先堆缩，然后弯折。

对图21A来说，其表示的是作为时间函数的测得力，图中的虚线表示的是管体上部的数值，实线表示的是下部受力，该作用力穿过了与管体轴线正交的截面。作为横坐标，时间的计数单位是微秒。作为纵坐标，力F的计量单位是千daN(1daN等于10牛顿)。

在“受力/时间”曲线以及“受力/溃缩度”曲线上，当曲线“向下冲”向零或负数时-也就是说在第三个波峰之后，开始出现弯折现象。图线上的垂直虚线是X轴上一数轴的标记(在时间上约为10ms，在溃缩度上约为120mm)，并非是弯折的开始发生点。

从图中可看到存在三个波峰，这三个波峰可被看作是管体上即将形成三道折纹时的反映，这些情形被依次表示在图19B到19D以及图20B到20D上。在这一阶段，管体约从2微秒起开始发生堆缩，曲线之间的差值几乎保持恒定，为3000daN。可以认为：这些曲线的波动是“伴随着”不同穿孔依次发挥作用的实际过程。

在超过10ms之后，下表面变为拉伸状态，这对应着强弯折的出现。更确切来讲，当力矩的拉伸贡献变得大于压力的压缩贡献时，下表面上形成的作用力变成拉力。

图21B中的力/溃缩度曲线清楚地表示出：在弯折阶段，部件的抵抗作用很弱。

因而，图21C中的累积吸能曲线表示出：当进入弯折阶段时，吸收能量达到约为4.5千焦的上限，而在此之前，曲线保持着非常接近于线性关系的规律。

应当指出的是，对部件的保持条件类似于其被安装到车辆上的状态，但并未用整个底盘包围着该部件。在一种“完全”的碰撞现象(考虑到了构成车辆的其它构件，这些构件在变形时也吸能)中，所吸收的能量大于此处所测得的数值。

图22到图24表示了第二种部件的行为，这些附图的绘制条件与上述那些附图相同，因而不对这些附图的形式作详细描述。

该第二部件具有两对类似的穿孔，它们被设置在管体的两个侧面上，且在管体的下表面上设置了一对穿孔，它们在位置上类似于第一部件的情况。

约从2微秒开始，两曲线之间的差值粗略地保持着恒定，范围在2500daN到3000daN之间。

在此情况中，图24C中的累积吸能曲线表示：当开始弯折时，吸收能量达到上限-约5千焦。而在此之前，曲线保持着非常接近于线性关系的规律。

图25到图27表示了第三种部件的行为，这些附图的绘制条件与上述情况相同，因而不对这些附图的形式作详细描述。

该第三部件具有两个穿孔，它们被依次制在管体的下表面上。

从图中可看出，利用该第三部件可获得这样的受力规律：从2ms开始，高曲线与低曲线之间的差值几乎不变，这与第一管体的情况相同。曲线的总体比率略有不同。

与第二管体的情况相同，图27C中的累积吸能曲线表示：当开始弯折时，吸收能量达到上限-约5千焦。在此之前，曲线保持着非常接近于线性关系的规律。

图28到图30表示了第四部件的行为，下文只讨论该部件的试验结果。

该第四部件具有四个穿孔，在纵向上，这四个穿孔基本上位于同一距离上，并处于管体的四个边缘或“拐角”上。同样，此处的侧视图也表示出：在压力和力矩的合力作用下，该管体先堆缩，然后弯折。

对于该第四管体，可获得这样的受力规律：高曲线与低曲线之间的间距约为3000daN，但此条件下，大约是从5ms处开始的。曲线的峰值不是非常明确，在5ms到10ms之间，受力几乎是恒定的。

从图30C的累积吸能曲线可见：吸收能量所达到的上限明显低于先前的情况，约为3.5千焦。

图31到图33表示了第五部件的行为，下文只讨论该部件的试验结果。

该第五部件具有四个穿孔，这四个穿孔位于管体的四个表面上，且基本上位于同一纵向距离处。与前述的情况相同，该管体先堆缩，然后弯拆。

但是，发现堆缩阶段较短，且弯折过程伴随有“堆缩”，也就是说，弯折过程伴随着部件直线部分上开始形成“折纹”(见图31D和32D)，“折纹”出现在未制有任何改型部分的区域处。这就意味着：在发生撞击的情况下，“溃缩”点的出现位置是随机的(无法确定)，这就使得部件被撤消的环节成为不可预计的，因而存在这样的风险：该环节的后果会失控。

由于该部件的吸收能量在2千焦处就达到了顶峰，所以该指标甚至低于前面的情况，且缺乏线性，而且没有观察到堆缩过程与弯折过程之间的任何明确过渡。

已发现：前三种部件与后两种部件在吸收能量方面的差距是显著的，且简单弯折过程中的吸收能量在3千焦耳的数量级上。

因而，如上述的前三种穿孔管体所表现的那样，如看重吸收尽可能多能量的性能，则不对称的穿孔将是优选的。显然，上述的实例只是纯示例性的，如果希望的话，可将边缘上设孔与表面上设孔的方案组合起来，但保持非对称的性质(至少在部分上如此)。特别是，最好留有足够的材料，以保持部件的刚性，可按照公知的方式来确定具体的设计。

每一截面上穿孔的数目取决于预计的峰值力和要被考虑到的力矩。可利用管体和改型部分的尺寸来调整管体的吸能性。

在上文中已介绍了通过变形(凹痕)来形成改型部分、利用孔隙(“穿孔”或“孔洞”)来形成改型部分、或将这两方面组合起来的实施方式。事实上，如上文提到的那样，可将变形与穿孔组合起来使用，在此情况下，或者可采用非对称的特征，或者也可不采用非对称的特征。

在目前的研究条件下，申请人预计：采用穿孔或孔洞似乎能对部件中的受力进行重新定向，而采用变形结构或凹痕似乎能增强部件的堆缩性。

显然，效果将取决于截面的尺寸。事实上，如果部件平直截面的尺寸被增大，则部件所能承受的作用力也将增大，也能吸收更多的能量。在实际条件下，尽管也会验证部件是否会出现折弯，但部件平直截面的尺寸是由所能允许的安装空间决定的。

另外，可采用各种材料。在第一情况下，可考虑采用金属材料。目前可考虑使用不同等级的钢材和铝材，例如那些用在汽车工业中的金属材料，或者还可以采用复合材料，例如含玻璃纤维或碳纤维的塑料。

申请人还对平直截面具有不同几何参数和形状的部件(但周长基本上不变)进行了对比。这样的情况对应于各种形状的型体结构，在这些词语的几何意义上，是指筒柱表面例如基本上是基于圆形、方形、矩形、六边形、或八边形的(词语“基本上”特别意味着如果必要的话，可将拐角圆化)。尽管在详细的行为方面存在差异，但只要在破坏对称性方面作了较为接近的设计，这些不同结构似乎大致上是等效的(较为扁平的矩形被看作是对此情况的验证)。

这些实测结果与上述细长比的问题是有联系的。

在另一层次上，已经发现：在考虑到所需的作用力幅度和吸收能量度的情况下，可着眼于对部件性能的优化来调整引发点的尺寸。

可根据如下的考虑因素而进行折衷处理：

-增大材料的机械抗力-尤其在弹性限度的端点处，将是有利的，原因在于：在发生堆缩的情况下，这样能获得更好的结果；

-在另一方面，材料的这些机械特性越高，部件平直截面出现不稳定的风险越高；

-但是，对于车辆上那些在撞车时必须要抵抗冲击而不发生变形的区域，使用弹性限度非常高的材料(例如被称为THLE钢的材料)将是重要的，其中的耐冲击区域例如是乘客室，其构成了乘客的生存空间。

但是，上文的描述主要涉及的是这样的部件：如上文指出的那样，该部件可以是汽车上一个延伸体。必须牢记的是：在实际情况中，该延伸体的前方设置有一个冲击吸能器，在撞击后的一段时间内，该吸能器承担着所有的抗力，该时间段大约对应着头一个10微秒。显然，还可根据所要求的抵冲击特性，将本发明应用在车辆的其它构件上。

最后，为了增大吸收能量，增加能发生堆缩现象改型部分的数目将是有利的，这样进行设计的效果是：在发生碰撞时，基本上按照相同的比例增加了堆缩“折纹”的数目，因而也能提高吸能。但必须要对改型部分的数目进行限制，以保证堆缩时的稳定性，其中，堆缩过程必须要沿着管体的轴线方向进行。

附录1-公式

[I] $\mathrm{\λ}=\frac{L}{\sqrt{I_{\min }/S}}$

[II] $F=k\frac{{\mathrm{\Π}}^{2}E{I}_{\min }}{L^2}$

Claims (17)

1.机械装置，其包括一细长的结构元件，该结构元件用于通过变形而至少部分地吸收某些冲击，

其特征在于：该结构元件包括一具有选定的平直截面的型体，

所述型体设置有局部的改型部分，这些改型部分的形状和位置相应地选定，以便于满足在联合作用下的给定变形规律，其中的联合作用由沿所述结构元件轴线方向的压力和一力矩组成，该力矩的轴线垂直于一经过所述轴线的平面，

所述变形规律包括一吸能阶段——该吸能阶段通过堆缩方式进行，之后是一所述结构元件的撤消阶段，在该撤消阶段，所述结构元件通过弯折方式从至少一个所述的改型部分开始被撤消，所述改型部分具有堆缩和弯折的双重功能，并允许引发所述弯折；

所述局部的改型部分采用变形部的形式；

所述改型部分相对于所述结构元件的轴线是不对称的，并处于一个经过所述结构元件的平面内，该平面与力矩矢量的轴线垂直；或者所述改型部分相对于经过所述结构元件轴线、且经过力矩矢量轴线的平面是不对称的。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：至少某些改型部分是非对称的。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：至少某些改型部分在平直截面内是非一致的。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：至少某些改型部分被制成具有恒定的周长。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：至少一个改型部分是定向性的。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：至少一个改型部分具有一个或多个孔隙。

7.根据上述权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于：至少某些改型部分被制在所述部件的一个或多个边缘上。

8.根据上述权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于：至少某些改型部分被制在部件的一个或多个表面上。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于：给定的变形规律是由一第一阶段和一随后的第二阶段构成的，第一阶段主要是堆缩过程，第二阶段主要是弯折过程。

10.根据上述权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于：所述结构元件由一管体构成。

11.根据上述权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于：所述型体的总体形状是一平直的筒柱表面。

12.根据上述权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于：所述结构元件的细长比大于25。

13.根据上述权利要求1至6中任一项所述的装置，其包括车辆前部的下分支，且在托架与前部结构之间设置至少一个延伸体，其特征在于：所述延伸体构成所述结构元件。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于：所述延伸体的一端是固定的。

15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述改型部分是凹入的。

16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述改型部分是突出的。

17.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：在所述改型部分上增设孔隙或穿孔。

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