CN204161435U

CN204161435U - 充液式吸能转向管柱和具有该充液式吸能转向管柱的车辆

Info

Publication number: CN204161435U
Application number: CN201420527078.4U
Authority: CN
Inventors: 李一兵; 孙岳霆; 徐晓庆; 李鹏辉
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2014-09-12
Filing date: 2014-09-12
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2024-09-12

Abstract

本实用新型公开了一种充液式吸能转向管柱和具有所述充液式吸能转向管柱的车辆。所述充液式吸能转向管柱包括：下管柱；上管柱，所述上管柱的一部分设在所述下管柱内，所述上管柱和所述下管柱限定出容纳腔，所述容纳腔内填充有吸能物质，所述吸能物质包括无机盐溶液和经过憎水处理的纳米多孔件；和用于密封所述容纳腔的密封圈，所述密封圈设在所述上管柱和所述下管柱之间。根据本实用新型实施例的充液式吸能转向管柱具有结构简单、制造和维护成本低、吸能响应速度快等优点。

Description

充液式吸能转向管柱和具有该充液式吸能转向管柱的车辆

技术领域

本实用新型涉及一种充液式吸能转向管柱，还涉及一种具有所述充液式吸能转向管柱的车辆。

背景技术

正面碰撞是车辆碰撞事故中最常见的一种形式。在汽车发生正面碰撞时，安装在转向管柱上的方向盘因车体变形将向后(即朝向驾驶员胸部方向)运动，而驾驶员在惯性作用下将向车体前方运动。虽然驾驶员的一部分惯性能会被安全带等约束系统吸收，但是驾驶员的头部及胸部仍很有可能与方向盘发生碰撞。因此，需要方向盘及其转向管柱具备一定的吸能能力，从而减少人体与方向盘碰撞所造成的伤害。

实用新型内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种具有结构简单、制造和维护成本低、吸能响应速度快的优点的充液式吸能转向管柱。

本实用新型还提出一种具有所述充液式吸能转向管柱的车辆。

根据本实用新型的第一方面的充液式吸能转向管柱包括：下管柱；上管柱，所述上管柱的一部分设在所述下管柱内，所述上管柱和所述下管柱限定出容纳腔，所述容纳腔内填充有吸能物质，所述吸能物质包括无机盐溶液和经过憎水处理的纳米多孔件；和用于密封所述容纳腔的密封圈，所述密封圈设在所述上管柱和所述下管柱之间。

根据本实用新型的充液式吸能转向管柱具有结构简单、制造和维护成本低、吸能响应速度快等优点。

另外，根据本实用新型上述的充液式吸能转向管柱还可以具有如下附加的技术特征：

所述纳米多孔件上的孔的平均孔径在0.5纳米-500纳米的范围内，所述纳米多孔件的孔容在100立方毫米/克-2000立方毫米/克的范围内，所述纳米多孔件的比表面积在100平方米/克-1000平方米/克的范围内。

所述纳米多孔件上的孔的平均孔径为7.8纳米，所述纳米多孔件的孔容为550立方毫米/克，所述纳米多孔件的比表面积为287平方米/克。

所述无机盐溶液为饱和溶液。

所述无机盐溶液为氯化锂溶液、氯化钠溶液、氯化钙溶液、氯化镁溶液、氯化锰溶液、氯化铯溶液、溴化钠溶液和氯化钾溶液中的一种或多种。

所述上管柱包括：上管柱本体；和活塞件，所述活塞件设在所述上管柱本体上且位于所述下管柱内，所述密封圈设在所述活塞件与所述下管柱之间，其中所述活塞件的直径大于所述上管柱本体的直径。

所述下管柱包括：下管柱本体，所述活塞件位于所述下管柱本体内，所述密封圈设在所述下管柱本体与所述活塞件之间；和法兰盘，所述法兰盘设在所述下管柱本体的上表面上，所述上管柱本体上设有外花键，所述法兰盘上设有与所述外花键相连的内花键，所述上管柱本体的下端穿过所述法兰盘且伸入到所述下管柱本体内。

充液式吸能转向管柱进一步包括弹性垫圈，所述弹性垫圈套装在所述上管柱本体上，所述弹性垫圈在上下方向上位于所述法兰盘与所述活塞件之间。

所述下管柱上设有与所述容纳腔连通的注料孔，所述充液式吸能转向管柱进一步包括用于封堵所述注料孔的密封件，所述密封件可拆卸地设在所述注料孔内。

根据本实用新型的第二方面提出一种车辆，所述车辆包括根据充液式吸能转向管柱，所述充液式吸能转向管柱为本实用新型第一方面所述的充液式吸能转向管柱；和方向盘，所述方向盘与所述上管柱相连。

根据本实用新型的车辆具有安全性高、制造成本低、便于维护等优点。

附图说明

图1是根据本实用新型实施例的充液式吸能转向管柱的结构示意图；

图2是图1的沿A-A方向的剖视图；

图3是根据本实用新型实施例的充液式吸能转向管柱的吸能物质在准静态下的压强-体积变量曲线。

附图标记：

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面参考图1和图2描述根据本实用新型实施例的充液式吸能转向管柱10。如图1和图2所示，根据本实用新型实施例的充液式吸能转向管柱10包括下管柱101、上管柱102和用于密封容纳腔1011的密封圈103。

上管柱102的一部分设在下管柱101内，上管柱102和下管柱101限定出容纳腔1011，容纳腔1011内填充有吸能物质，所述吸能物质包括无机盐溶液1012和经过憎水处理的纳米多孔件1013。密封圈103设在上管柱102和下管柱101之间。也就是说，下管柱101内具有容纳空间，上管柱102的一部分设在该容纳空间内，密封圈103设在上管柱102和该容纳空间的壁之间。

下面参考图1和图2描述根据本实用新型实施例的充液式吸能转向管柱10的工作过程。设有充液式吸能转向管柱10的车辆在正常状态下，上管柱102位于初始位置，且上管柱102受到吸能物质的弹性约束，无法在其轴向上向下移动。出人意料的是，该吸能物质对上管柱102的弹性约束可以提高驾驶员操作方向盘的舒适性。

当车辆发生正面碰撞时，驾驶员因惯性向前运动并与方向盘接触。此时，上管柱102在冲击载荷下开始向下运动并压缩容纳腔1011内的吸能物质。当上管柱102施加在吸能物质上的压强达到吸能物质的吸能阈值后，无机盐溶液1012开始进入到纳米多孔件1013的孔道内。由此吸能物质开始产生大变形以便使上管柱102向下移动较大距离，为人体与方向盘的碰撞提供缓冲空间，并且在此过程中将外界的冲击能量转化为固液界面能和热能，从而可以缓解人体的碰撞损伤。在碰撞结束后，吸能物质可以自行恢复形变，即无机盐溶液1012流出纳米多孔件1013的孔道，从而可以使上管柱102复位，充液式吸能转向管柱10可以再次承受冲击。

图3示出了根据本实用新型实施例的充液式吸能转向管柱10的吸能物质在准静态下的压强-体积变量曲线。其中，该吸能物质包括氯化锂溶液和平均孔径为7.8nm的纳米多孔硅胶，比例体积变化为吸能物质的体积变化与纳米多孔件1013的质量之比。采用其他无机盐溶液和具有其他参数的纳米多孔件1013也可以获得类似的结果，在此不再一一列出。

如图3所示，当上管柱102施加在吸能物质上的压强达到吸能物质的吸能阈值后，无机盐溶液1012将克服毛细阻力进入到纳米多孔件1013的孔道内，从而将外界机械能转化为固液界面能和热能。也就是说，只要上管柱102施加在吸能物质上的压强达到吸能物质的吸能阈值后，吸能物质立刻产生大变形，即吸能物质的体积被大幅度压缩，因此充液式吸能转向管柱10具有响应速度快的优点。而在卸载过程中，无机盐溶液1012在较低的压强下从纳米多孔件1013的孔道内流出。因此，图3中的加卸载曲线具有显著的迟滞效应，其加卸载循环将吸收大量的机械能。具体地，上管柱102施加在吸能物质上的压强阈值P_in可以是27MPa。

而且，根据本实用新型实施例的充液式吸能转向管柱10的再次加卸载的曲线与第二次加卸载的曲线基本重合(为了清楚地显示两次加卸载循环的曲线，首次加卸载循环的曲线沿横轴进行了平移)。由此说明了吸能物质可以重复使用，且每次加卸载均有较好的吸能效果。也就是说，根据本实用新型实施例的充液式吸能转向管柱10可以重复使用，具有较佳的重复性。

根据本实用新型实施例的充液式吸能转向管柱10通过在容纳腔1011内填充吸能物质，从而在车辆发生正面碰撞时，可以通过上管柱102压缩吸能物质来使吸能物质产生大变形。由此可以将外界的冲击能量转化为固液界面能和热能，从而可以缓解人体的碰撞损伤。

也就是说，只需在上管柱102与下管柱101之间限定出容纳腔1011且在容纳腔1011内填充吸能物质，就可以在车辆发生正面碰撞时对驾驶员实施安全保护。因此，根据本实用新型实施例的充液式吸能转向管柱10具有结构简单、制造和维护成本低、吸能响应速度快等优点。而且，根据本实用新型实施例的充液式吸能转向管柱10在吸能过程中不会影响方向盘的扭矩传递，为驾驶员在事故中的应急自救行为提供了保障。

可以通过改变吸能物质的组分方便地调节充液式吸能转向管柱10的工作压强，以便适用于各类车型及不同的使用工况。因此，根据本实用新型实施例的充液式吸能转向管柱10还具有应用范围广等优点。

由于在碰撞结束后，吸能物质可以自行恢复形变，即无机盐溶液1012流出纳米多孔件1013的孔道，因此上管柱102可以自动地复位，且充液式吸能转向管柱10可以重复使用，从而无需对充液式吸能转向管柱10进行维修，即便在经过多个碰撞后，充液式吸能转向管柱10也能正常工作。

出乎实用新型人意料的是，容纳腔1011内的吸能物质可以对上管柱102实施弹性约束，从而可以提高驾驶员操作方向盘的舒适性。

如图1和图2所示，根据本实用新型实施例的充液式吸能转向管柱10包括下管柱101、上管柱102、密封圈103和弹性垫圈104。

在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，上管柱102包括上管柱本体1021和活塞件1022。活塞件1022设在上管柱本体1021上，且活塞件1022位于下管柱101内，密封圈103设在活塞件1022与下管柱101之间。其中，活塞件1022的直径大于上管柱本体1021的直径。通过使活塞件1022的直径大于上管柱本体1021的直径，从而可以减小上管柱102与下管柱101之间的摩擦力，降低加工环节中对上管柱102和下管柱101的同轴度的要求，且可以改善活塞件1022与下管柱101之间的配合。

如图1所示，具体而言，上管柱本体1021可以是圆柱状，且活塞件1022也可以是圆柱状，上管柱本体1021的下端可以与活塞件1022的上端相连。有利地，上管柱本体1021与活塞件1022可以一体形成，由此不仅可以提高上管柱102的结构强度，而且可以降低上管柱102的制造难度和制造成本。

在本实用新型的一个实施例中，如图1所示，下管柱101包括下管柱本体1014和法兰盘1015。活塞件1022位于下管柱本体1014内，密封圈103设在下管柱本体1014与活塞件1022之间。换言之，下管柱本体1014内具有容纳空间，活塞件1022设在该容纳空间内，密封圈103设在活塞件1022与该容纳空间的壁之间。

法兰盘1015设在下管柱本体1014的上表面上，上管柱本体1021上设有外花键，法兰盘1015上设有与外花键相连的内花键，即上管柱本体1021上的外花键与法兰盘1015上的内花键配合。上管柱本体1021的下端穿过法兰盘1015，且上管柱本体1021的下端伸入到下管柱本体1014内。

通过在下管柱本体1014上设置法兰盘1015，从而可以利用法兰盘1015上的内花键传递扭矩。而且，还可以更加方便地、容易地安装活塞件1022和上管柱本体1021，即可以更加方便地、容易地将上管柱102安装在下管柱101上。具体地，法兰盘1015可以通过螺栓1016安装在下管柱本体1014上。

如图1所示，有利地，下管柱101上设有与容纳腔1011连通的注料孔。具体地，注料孔设在下管柱本体1014上，吸能物质通过注料孔注入到容纳腔1011内。充液式吸能转向管柱10进一步包括用于封堵注料孔的密封件105，密封件105可拆卸地设在注料孔内。由此不仅可以更加方便地、容易地将吸能物质注入到容纳腔1011内，而且可以方便地对容纳腔1011内的吸能物质进行更换。

具体地，密封件105可以是螺栓，注料孔可以是螺纹孔。

在本实用新型的一个具体示例中，充液式吸能转向管柱10进一步包括弹性垫圈104，弹性垫圈104套装在上管柱本体1021上，弹性垫圈104在上下方向上位于法兰盘1015与活塞件1022之间。

通过在法兰盘1015与活塞件1022之间设置弹性垫圈104，从而可以增加吸能物质的密实度，提供一定的预设压强(具体地，可以通过改变弹性垫圈104的厚度来改变该预设压强)，由此可以确保上管柱102在正常工作条件下不会发生显著的轴向位移。出乎申请人意料的是，在充液式吸能转向管柱10正常工作的情况下，弹性垫圈104可以给方向盘提供有限的弹性缓冲，从而可以提高驾驶员操作方向盘的舒适性。

也就是说，上管柱102若想向下运动，需要压缩无机盐溶液，上管柱102若想向上运动，需要压缩弹性垫圈104。无机盐溶液和弹性垫圈104在上下两个方向上对上管柱102进行约束和弹性缓冲，使得上管柱102在正常工况下无法在其轴向上移动。由于无机盐溶液和弹性垫圈104均具备一定的弹性变形的能力，因此可以为驾驶员操作方向盘提供一定的舒适性。

具体而言，弹性垫圈104可以是橡胶垫圈。弹性垫圈104的上表面可以与法兰盘1015的下表面接触，弹性垫圈104的下表面可以与活塞件1022的上表面接触，即弹性垫圈104在上下方向上可以夹持在法兰盘1015与活塞件1022之间。其中，上下方向如图1中的箭头B所示。

在本实用新型的一些示例中，纳米多孔件1013上的孔的平均孔径在0.5纳米-500纳米的范围内，纳米多孔件1013的孔容在100立方毫米/克-2000立方毫米/克的范围内，纳米多孔件1013的比表面积在100平方米/克-1000平方米/克的范围内。由此可以在控制纳米多孔件1013的制造成本的情况下，使充液式吸能转向管柱10能够吸收更多的外界机械能。

优选地，纳米多孔件1013上的孔的平均孔径在2纳米-25纳米的范围内，纳米多孔件1013的孔容在450立方毫米/克-650立方毫米/克的范围内，纳米多孔件1013的比表面积在150平方米/克-500平方米/克的范围内。由此可以在控制纳米多孔件1013的制造成本的情况下，使充液式吸能转向管柱10能够吸收更多的外界机械能。

进一步优选地，纳米多孔件1013上的孔的平均孔径在4纳米-15纳米的范围内，纳米多孔件1013的孔容在480立方毫米/克-620立方毫米/克的范围内，纳米多孔件1013的比表面积在200平方米/克-350平方米/克的范围内。由此可以在控制纳米多孔件1013的制造成本的情况下，使充液式吸能转向管柱10能够吸收更多的外界机械能。

更加优选地，纳米多孔件1013上的孔的平均孔径在6纳米-10纳米的范围内，纳米多孔件1013的孔容在520立方毫米/克-580立方毫米/克的范围内，纳米多孔件1013的比表面积在250平方米/克-300平方米/克的范围内。由此可以在控制纳米多孔件1013的制造成本的情况下，使充液式吸能转向管柱10能够吸收更多的外界机械能。

最优选地，纳米多孔件1013上的孔的平均孔径为7.8纳米，纳米多孔件1013的孔容为550立方毫米/克，纳米多孔件1013的比表面积为287平方米/克。由此可以在控制纳米多孔件1013的制造成本的情况下，使充液式吸能转向管柱10能够吸收更多的外界机械能。

优选地，无机盐溶液1012可以是氯化锂溶液、氯化钠溶液、氯化钙溶液、氯化镁溶液、氯化锰溶液、氯化铯溶液、溴化钠溶液和氯化钾溶液中的一种或多种。其中，无机盐溶液1012可以利用去离子水和无机盐配制而成。

无机盐溶液1012可以是饱和溶液。例如，无机盐溶液1012可以是饱和氯化锂溶液、饱和氯化钠溶液、饱和氯化钙溶液、饱和氯化镁溶液、饱和氯化锰溶液、饱和氯化铯溶液、饱和溴化钠溶液或饱和氯化钾溶液。由此可以使充液式吸能转向管柱10具有更加优良的可重复性。

其中，饱和氯化钠溶液的压强阈值约为20MPa，饱和氯化钠溶液的吸能密度约为15J/g。饱和氯化锂溶液的压强阈值约为27MPa，饱和氯化锂溶液的吸能密度约为16J/g。饱和氯化钾溶液的压强阈值约为21MPa，饱和氯化钾溶液的吸能密度约为15J/g。饱和溴化钠溶液的压强阈值约为21MPa，饱和溴化钠溶液的吸能密度约为19J/g。

饱和氯化钙溶液的压强阈值约为26MPa，饱和氯化钙溶液的吸能密度约为18J/g。饱和氯化镁溶液的压强阈值约为26MPa，饱和氯化镁溶液的吸能密度约为13J/g。饱和氯化锰溶液的压强阈值约为23MPa，饱和氯化锰溶液的吸能密度约为18J/g。饱和氯化铯溶液的压强阈值约为21MPa，饱和氯化铯溶液的吸能密度约为14J/g。

优选地，纳米多孔件1013可以是纳米多孔人造沸石或纳米多孔硅胶。也就是说，纳米多孔件1013可以由纳米多孔人造沸石或纳米多孔硅胶制成。

通过改变纳米多孔件1013和/或无机盐溶液1012的种类可以改变吸能物质的压强阈值。具体地，吸能物质的压强阈值可以在1MPa-100MPa的范围内。

本实用新型还提供了一种车辆。根据本实用新型实施例的车辆包括充液式吸能转向管柱和方向盘。所述充液式吸能转向管柱为根据上述实施例的充液式吸能转向管柱10，所述方向盘与上管柱102相连。

因此，根据本实用新型实施例的车辆具有安全性高、制造成本低、便于维护等优点。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种充液式吸能转向管柱，其特征在于，包括：

下管柱；

上管柱，所述上管柱的一部分设在所述下管柱内，所述上管柱和所述下管柱限定出容纳腔，所述容纳腔内填充有吸能物质，所述吸能物质包括无机盐溶液和经过憎水处理的纳米多孔件；和

用于密封所述容纳腔的密封圈，所述密封圈设在所述上管柱和所述下管柱之间。

2.根据权利要求1所述的充液式吸能转向管柱，其特征在于，所述纳米多孔件上的孔的平均孔径在0.5纳米-500纳米的范围内，所述纳米多孔件的孔容在100立方毫米/克-2000立方毫米/克的范围内，所述纳米多孔件的比表面积在100平方米/克-1000平方米/克的范围内。

3.根据权利要求2所述的充液式吸能转向管柱，其特征在于，所述纳米多孔件上的孔的平均孔径为7.8纳米，所述纳米多孔件的孔容为550立方毫米/克，所述纳米多孔件的比表面积为287平方米/克。

4.根据权利要求1所述的充液式吸能转向管柱，其特征在于，所述无机盐溶液为饱和溶液。

5.根据权利要求1或4所述的充液式吸能转向管柱，其特征在于，所述无机盐溶液为氯化锂溶液、氯化钠溶液、氯化钙溶液、氯化镁溶液、氯化锰溶液、氯化铯溶液、溴化钠溶液和氯化钾溶液中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的充液式吸能转向管柱，其特征在于，所述上管柱包括：

上管柱本体；和

活塞件，所述活塞件设在所述上管柱本体上且位于所述下管柱内，所述密封圈设在所述活塞件与所述下管柱之间，其中所述活塞件的直径大于所述上管柱本体的直径。

7.根据权利要求6所述的充液式吸能转向管柱，其特征在于，所述下管柱包括：

下管柱本体，所述活塞件位于所述下管柱本体内，所述密封圈设在所述下管柱本体与所述活塞件之间；和

法兰盘，所述法兰盘设在所述下管柱本体的上表面上，所述上管柱本体上设有外花键，所述法兰盘上设有与所述外花键相连的内花键，所述上管柱本体的下端穿过所述法兰盘且伸入到所述下管柱本体内。

8.根据权利要求7所述的充液式吸能转向管柱，其特征在于，进一步包括弹性垫圈，所述弹性垫圈套装在所述上管柱本体上，所述弹性垫圈在上下方向上位于所述法兰盘与所述活塞件之间。

9.根据权利要求1所述的充液式吸能转向管柱，其特征在于，所述下管柱上设有与所述容纳腔连通的注料孔，所述充液式吸能转向管柱进一步包括用于封堵所述注料孔的密封件，所述密封件可拆卸地设在所述注料孔内。

10.一种车辆，其特征在于，包括：

充液式吸能转向管柱，所述充液式吸能转向管柱为根据权利要求1-9中任一项所述的充液式吸能转向管柱；和

方向盘，所述方向盘与所述上管柱相连。