CN204172825U - 一种简易三段套筒式充液缓冲吸能元件 - Google Patents

Abstract

一种简易三段套筒式充液缓冲吸能元件，由一级套筒(1)、二级套筒(2)、三级套筒(3)、四级套筒(4)、软脂密封胶(5)、前连接板(6)、后连接板(7)、溢流阀(8)、液压液体(9)组成；套筒(1)、(2)、(3)、(4)为等长度薄壁管，之间相互嵌套，底部相连互通，并通过软脂密封胶(5)进行密封与连接；套筒(1)与前连接板(6)及套筒(4)与后连接板(7)之间固定连接成密封结构；前连接板(6)与防撞横梁连接，后连接板(7)与车架连接；上述溢流阀(8)安装在四级套筒(4)底部，保持碰撞过程中套筒内压力恒定，实现恒压卸荷与碰撞加速度恒定。该结构通过多级吸能结构作用，实现多级吸能、过程恒压控制，结构简易、低成本。

Description

一种简易三段套筒式充液缓冲吸能元件

技术领域

本实用新型涉及一种汽车前碰撞安全吸能元件及其设计方法，可以有效缓冲车辆前碰撞的冲击力，起到缓冲吸能与减小乘员伤害的作用。

技术背景

目前、国内汽车的销售量与保有量逐年攀升，汽车的安全问题越来越为人所关注。传统的车辆前防撞吸能系统，主要由前保险杠、防撞横梁、吸能盒及前纵梁结构组成，采用钢板冲压或滚压等结构焊接，通过结构的压溃变形缓冲吸能。在碰撞过程中，传统前防撞吸能系统较难实现碰撞加速度的恒定控制，且属于一次性破坏，无法重复使用，同时具有开发模具投入大、制造成本较高的缺点。因此，其他吸能与防撞结构的研究也在大量进行，包括液压及气压吸能元件的开发与研究。但采用液压或气压缓冲装置，需有整套的液压管路元件与控制系统，会对车辆的总体布置造成一定影响，显著增加成本的同时增加了整车重量，不利于提高车辆的燃油经济性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，在不影响车辆原有结构与布置的前提下，通过数个顺序连接的简易套筒元件及一个溢流阀，实现车辆碰撞过程中碰撞缓冲力的恒定控制，以获得较理想的碰撞加速度(缓冲力)波形。

附图1、2、3为本实用新型的结构图与剖视图，说明如下：

一种简易三段套筒式充液缓冲吸能元件，其特征在于：由一级套筒1、二级套筒2、三级套筒3、四级套筒4、软脂密封胶5、前连接板6、后连接板7、溢流阀8、液压液体9组成；一级套筒1、二级套筒2、三级套筒3、四级套筒4为等长度薄壁管，之间相互嵌套，底部相连互通，并通过软脂密封胶5进行密封与连接；一级套筒1与前连接板6及四级套筒4与后连接板7之间固定连接成密封结构；前连接板6与防撞横梁连接，后连接板7与车架连接；上述溢流阀8安装在四级套筒4底部，保持碰撞过程中套筒内压力恒定，实现恒压卸荷与碰撞加速度恒定。

所述的液压液体9可以是任何防锈、无腐蚀性、不易燃易爆的液体。

所述的套筒间的重叠区域根据设计碰撞载荷的大小，控制在5-30mm之间。

一种简易三段套筒式充液缓冲吸能元件的设计方法，其特征在于：可以按照如下方法进行设计：

(1)单侧套筒最大压缩力设计：

参考相关法规及人体碰撞生物力学研究成果，设定车内乘员所能承受的最大加速度值为a，则整车质心平均加速度最大值不应超过a，整车平均碰撞力可表示为F＝ma，单侧套筒最大压缩力为F₁＝F/2；

(2)各级套筒的实际长度设计：

根据相关法规，设定碰撞初始速度为V₀，则车辆最大变形量即为套筒的有效压缩量，可确定各级套筒的有效长度L₀＝L/3；

考虑套筒压缩初期的升压余量，获得套筒的名义长度L₁＝(1+μ)L₀，其中μ取值在0.1～0.2之间；

考虑重叠区域搭接量，获得套筒的实际长度L₂＝L₁+ΔL，其中ΔL取值在5～30mm之间；

(3)最大截面套筒的外径设计：

根据车身结构自身特点、车辆总体布置尺寸及原有的传统吸能盒尺寸，确定一个合适的最大套筒外径D；

通常情况下，套筒壁厚尺寸远小于外径，近似认为内环面积与截面积相同，均为S；

(4)溢流阀额定压力设计：

根据上述单侧套筒最大压缩力F₁，以最大套筒作为强度设计计算基准，可知套筒结构实际所受内压为p＝F₁/S，即为溢流阀设计的额定压力值，其中S为最大套筒截面积；

溢流阀额定流量设计：

根据碰撞初始速度V₀，最大套筒截面积S，可知碰撞初始时刻的液体流量为q＝V₀S，作为溢流阀的额定流量设计标准；

根据溢流阀的额定压力及额定流量参数，选择合适的溢流阀结构，对套筒内部液体进行恒压控制；

(5)套筒壁厚设计：

根据上述套筒结构所受内压p、最大套筒外径D及制造筒体钢板在常温下的许用应力[σ]，并将套筒视为薄壁圆管模型，应用第四强度理论作为强度校核条件，获取套筒的备选参数；

套筒在内压p作用下，内壁径向应力σ_r＝-p，轴向应力σ_x＝0，沿套筒圆周切线的环向应力σ_θ＝pD/2t，其中t为套筒壁厚；

则三个方向主应力可规定为：σ₁＝σ_θ，σ₂＝σ_x，σ₃＝σ_r；

根据第四强度理论所建立的强度条件为  $\sqrt{\frac{1}{2}[{({\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2)}^2+{({\mathrm{\σ}}_2-{\mathrm{\σ}}_3)}^2+{({\mathrm{\σ}}_3-{\mathrm{\σ}}_1)}^2]}\≤\left[\mathrm{\σ}\right],$ 计算壁厚t的取值范围为  $t\≥\frac{p^{2}D+\mathrm{pD}\sqrt{p^2+4({\left[\mathrm{\σ}\right]}^2-p^2)}}{4({\left[\mathrm{\σ}\right]}^2-p^2)};$

从结构轻量化角度及实际制造的工艺可行性考虑，选取合适的套筒壁厚。

有益效果：该结构通过多级吸能结构作用，实现多级吸能、过程恒压控制，使得该结构可以在碰撞的主要缓冲过程中处于恒压吸能状态，避免碰撞过程加速度峰值过大对人体产生冲击，减小乘员伤害。同时，可根据不同车辆的重量与需要抵抗的初始碰撞速度，调整与选配不同的套筒结构以及溢流阀结构，实现结构简易、低成本、多级、恒压的吸能缓冲效果。

附图说明

图1是本实用新型的总体外廓轴测图；

图2是本实用新型总体外廓正视图；

图3是本实用新型总体剖视图；

图4是一级套筒缓冲吸能示意图；

图5是二级套筒缓冲吸能示意图；

图6是三级套筒缓冲吸能示意图；

图7是本实用新型结构与防撞梁的总体装配图；

图8是安装本吸能套筒后的碰撞加速度曲线图。

其中：1为一级套筒、2为二级套筒、3为三级套筒、4为四级套筒、5为软脂密封胶、6为前连接板、7为后连接板、8为溢流阀、9为液压液体。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明：

本实用新型涉及一种简易三段套筒式充液缓冲吸能元件及其设计方法，由一级套筒1、二级套筒2、三级套筒3、四级套筒4、软脂密封胶5、前连接板6、后连接板7、溢流阀8、液压液体9组成。

上述一级套筒1、二级套筒2、三级套筒3、四级套筒4为等长度薄壁管，之间相互嵌套，底部相连互通，并通过软脂密封胶5进行密封与连接。

上述一级套筒1与前连接板6及四级套筒4与后连接板7之间采用焊接方式连接成密 封结构。

上述溢流阀8，安装在四级套筒4底部，保持碰撞过程中套筒内压强恒定，实现恒压卸荷与碰撞加速度恒定。

上述液压吸能元件的液压液体9可以是任何防锈、无腐蚀性、不易燃易爆的液体组成，如对碰撞接触初期的加速度要求更高时，可以在套筒中充入少量空气，使得套筒开始吸能阶段的力量上升更加平顺，增加碰撞时间，减少对人员的冲击，可以获取如图8所示较为理想的碰撞加速度曲线。

上述套筒间的重叠区域控制在5-30mm之间，确保连接紧密。

上述套筒吸能元件通过前连接板6与防撞横梁连接，通过后连接板7与车架连接。

上述吸能套筒的设计可以按照如下方法进行设计：

单侧套筒最大压缩力设计：参考相关法规及人体碰撞生物力学研究成果，设定车内乘员所能承受的最大加速度值为a，则整车质心平均加速度最大值不应超过a，整车平均碰撞力可表示为F＝ma，单侧套筒最大压缩力为F₁＝F/2；

各级套筒的实际长度设计：根据相关法规，设定碰撞初始速度为V₀，则车辆最大变形量即为套筒的有效压缩量，可确定各级套筒的有效长度L₀＝L/3；

考虑套筒压缩初期的升压余量，获得套筒的名义长度L₁＝(1+μ)L₀，其中μ取值在0.1～0.2之间；

考虑重叠区域搭接量，获得套筒的实际长度L₂＝L₁+ΔL，其中ΔL取值在5～30mm之间；

最大截面套筒的外径设计：根据车身结构自身特点、车辆总体布置尺寸及原有的传统吸能盒尺寸，确定一个合适的最大套筒外径D；

通常情况下，套筒壁厚尺寸远小于外径，近似认为内环面积与截面积相同，均为S；

溢流阀额定压力设计：根据上述单侧套筒最大压缩力F₁，以最大套筒作为强度设计计算基准，可知套筒结构实际所受内压为p＝F₁/S，即为溢流阀设计的额定压力值，其中S为最大套筒截面积；

溢流阀额定流量设计：根据碰撞初始速度V₀，最大套筒截面积S，可知碰撞初始时刻的液体流量为q＝V₀S，作为溢流阀的额定流量设计标准；

根据溢流阀的额定压力及额定流量参数，选择合适的溢流阀结构，对套筒内部液体进行恒压控制；

套筒壁厚设计：根据上述套筒结构所受内压p、最大套筒外径D及制造筒体钢板在常温下的许用应力[σ]，并将套筒视为薄壁圆管模型，应用第四强度理论作为强度校核条件， 获取套筒的备选参数；

套筒在内压p作用下，内壁径向应力σ_r＝-p，轴向应力σ_x＝0，沿套筒圆周切线的环向应力σ_θ＝pD/2t，其中t为套筒壁厚；

则三个方向主应力可规定为：σ₁＝σ_θ，σ₂＝σ_x，σ₃＝σ_r；

根据第四强度理论所建立的强度条件为 $\sqrt{\frac{1}{2}[{({\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2)}^2+{({\mathrm{\σ}}_2-{\mathrm{\σ}}_3)}^2+{({\mathrm{\σ}}_3-{\mathrm{\σ}}_1)}^2]}\≤\left[\mathrm{\σ}\right],$ 计算壁厚t的取值范围为 $t\≥\frac{p^{2}D+\mathrm{pD}\sqrt{p^2+4({\left[\mathrm{\σ}\right]}^2-p^2)}}{4({\left[\mathrm{\σ}\right]}^2-p^2)};$

从结构轻量化角度及实际制造的工艺可行性考虑，选取合适的套筒壁厚。

实施例：

以某整车整备质量为1.2t的乘用车的吸能元件设计为例进行说明：

根据相关文献表明，乘用车的吸能系统完全溃缩变形过程的加速度平均值一般控制在40g左右，设定碰撞初始速度为40km/h(即11.11m/s)的100％刚性墙碰撞；

计算单侧套筒最大压缩力：计算出碰撞的理论平均碰撞力F＝ma＝1200*40*9.8＝470.4KN，则单侧套筒结构承受碰撞力为235.2KN；

计算各级套筒的实际设计长度：由于碰撞初始速度V₀为11.11m/s，则车辆变形量L为0.16m(套筒有效压缩量)，则各级套筒的有效长度L₀为0.053m；

考虑套筒压缩初期的升压余量，获得各级套筒的名义长度L₁为0.06m；

考虑重叠区域搭接量，将各级套筒长度设计为0.07m；

计算最大截面套筒的外径：根据车辆总体布置尺寸及原有的传统吸能盒尺寸经验值，将最大套筒的外径D设计为0.1m；

计算溢流阀额定压力：由上述单侧套筒承受的碰撞力及最大套筒外径，将溢流阀的额定压力设计为30.0MPa；

溢流阀额定流量设计：根据碰撞初始速度11.11m/s，最大套筒外径0.1m，将溢流阀的额定流量设计为0.09m³/s；

计算套筒壁厚：根据工程实际需求，制造套筒的材料通常选择16Mn，屈服极限为345MPa(可根据实际设计需要取适当安全系数)，则钢板在常温下的许用应力为345MPa；

由套筒壁厚的取值范围公式，可计算得t≥4.3mm，考虑结构轻量化及实际制造工艺可行性，将壁厚设计为4.5mm。

按照本实用新型所述设计方法，计算得到的实现本装置所需的各项技术参数如下表：

参照图3、4、5、6，在车辆行驶过程中，当车辆发生碰撞时，保险杆与防撞梁先与障碍物发生碰撞，并推动一级套筒1的压缩液体，压力升高达到一定值时，四级套筒4底部的溢流阀8开启，使得一级套筒1以恒定加速度推进，至碰撞力将一级套筒1推至二级套筒2底部，如图4所示。若碰撞产生的剪切力超过二级套筒2与三级套筒3的密封胶剪切许用应力，活塞推动二级套筒2运动，继续进行缓冲吸能，至套筒3底部，如图5所示。同样，若再次超过三级套筒3与四级套筒4之间的密封胶剪切许用应力，则推动三级套筒3运动将四级套筒4中的液体排出，继续进行缓冲吸能，如图6所示。该结构通过多级吸能结构作用，实现多级吸能、过程恒压控制，使得该结构可以在碰撞的主要缓冲过程中处于恒压吸能状态，避免碰撞过程加速度峰值过大对人体产生冲击，减小乘员伤害。同时，可根据不同车辆的重量与需要抵抗的初始碰撞速度，调整与选配不同的套筒结构以及溢流阀结构，实现结构简易、低成本、多级、恒压的吸能缓冲效果。

Claims (2)

1.一种简易三段套筒式充液缓冲吸能元件，其特征在于：由一级套筒(1)、二级套筒(2)、三级套筒(3)、四级套筒(4)、软脂密封胶(5)、前连接板(6)、后连接板(7)、溢流阀(8)、液压液体(9)组成；一级套筒(1)、二级套筒(2)、三级套筒(3)、四级套筒(4)为等长度薄壁管，之间相互嵌套，底部相连互通，并通过软脂密封胶(5)进行密封与连接；一级套筒(1)与前连接板(6)及四级套筒(4)与后连接板(7)之间固定连接成密封结构；前连接板(6)与防撞横梁连接，后连接板(7)与车架连接；上述溢流阀(8)安装在四级套筒(4)底部，保持碰撞过程中套筒内压力恒定，实现恒压卸荷与碰撞加速度恒定。

2.权利要求1所述一种简易三段套筒式充液缓冲吸能元件，其特征在于：所述的套筒间的重叠区域根据设计碰撞载荷的大小，控制在5-30mm之间。