CN208615867U - 一种采用预应力的防撞钢梁装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用预应力的防撞钢梁装置，属于汽车领域。该装置其包括弧形钢梁、传力支撑柱、钢绞线和吸能盒，所述的传力支撑柱一端固定于弧形钢梁中部，另一端向弧形钢梁凹陷侧延伸；所述钢绞线上施加有预应力并处于张紧状态，钢绞线两端分别与钢梁的两端固接，中部由所述传力支撑柱的另一端支顶；所述弧形钢梁两端朝向凹陷侧分别设有吸能盒。本实用新型利用普通预应力钢绞线的超高抗拉强度，抵抗大部分冲击力，是一种能够由普通材料制成的，成本较低且能抵抗高速冲击的装置。

Description

一种采用预应力的防撞钢梁装置

技术领域

本实用新型涉及的是一种采用预应力的新型防撞钢梁装置，属于汽车领域。

背景技术

随着我过汽车工业的飞速发展，我国汽车保有量和驾驶员人数呈飞速上升趋势。据公安部交管局统计，截至2017年6月底，全国机动车保有量达3.04亿辆，其中汽车2.05亿辆；机动车驾驶人达3.71亿人，其中汽车驾驶人3.28亿人。驾驶人数量位居世界第一，汽车数量仅次于美国，居第二位。

然而，近年来，我国交通事故频发，伤亡人数相对偏多，每年全国大约有6万人死于交通事故，20多万人在事故中受伤。在频发的交通事故中，常常较轻微的冲撞，就造成驾驶员及乘客的严重伤亡，这引起了社会各界的高度重视。据调查，这样的交通事故，主要集中在售价10万元及以下车辆，缺乏汽车防撞钢梁保护是造成“轻冲撞、重伤亡”现象的重要原因之一。

汽车防撞钢梁与车架纵梁连接，作为汽车被动安全的第一道屏障，是吸收和缓和外界冲击力、防护车身前后部的重要安全装置。

汽车前后防撞梁本体在高速碰撞时由于需要承受较大的冲击载荷，一般需采用屈服强度620MPa以上的超高强度钢板或者更高的超高强度热成型钢板,使得防撞钢梁成本大幅增加；且防撞梁本体一般采用辊压成型或者热成型工艺来制作，两种工艺均需要大量投入，批量生产量不大时单件成本会很高，故部分汽车厂商为应对竞争，节约成本而选择安装由普通钢材采用普通冲压工艺生产的防撞钢梁或者不安装防撞钢梁。

因此，迫切需要研究一种由普通材料制成的，成本较低且能抵抗高速冲击的防撞钢梁。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决传统防撞钢梁生产成本较高，部分汽车厂商为应对竞争，节约成本而选择不安装防撞钢梁的问题。并基于预应力结构理论，利用普通预应力钢绞线的超高抗拉强度，提出一种采用预应力的防撞钢梁装置。

本实用新型所采用的具体技术方案如下：

一种采用预应力的防撞钢梁装置，其包括弧形钢梁、传力支撑柱、钢绞线和吸能盒，所述的传力支撑柱一端固定于弧形钢梁中部，另一端向弧形钢梁凹陷侧延伸；所述钢绞线上施加有预应力并处于张紧状态，钢绞线两端分别与钢梁的两端固接，中部由所述传力支撑柱的另一端支顶；所述弧形钢梁两端朝向凹陷侧分别设有吸能盒。

作为优选，所述钢梁为空心钢梁。

作为优选，所述钢梁由支撑底面和弧形的抗冲击面围合形成空心的钢梁外壁，钢梁的内腔中设有两块横断面呈弧形的支撑隔板，两块支撑隔板的一端均固定于抗冲击面内壁上，两块支撑隔板的另一端均固定于支撑底面的内壁上，且两块支撑隔板的凸起侧固定连接，形成背靠背的支顶结构。

作为优选，，所述抗冲击面的横断面呈半圆形；且钢梁的横断面以两块支撑隔板的固定连接点所在垂面为中心面，呈镜像对称。

作为优选，所述的钢梁与吸能盒采用四周焊连接，吸能盒底部设置方形支座板。

作为优选，所述钢梁的前端还设有弹性吸能装置；弹性吸能装置由弹性材料制成，内部具有密闭空腔，密闭空腔底部的弹性支撑底面的外壁配合安装于所述钢梁的抗冲击面上，所述的密闭空腔内通过两条弹性隔板分割成三个独立腔体，且两侧的独立腔体均通过排气孔连接外部大气。

进一步的，所述的密闭空腔在弹性吸能装置内部具有多个，且相互独立不连通。

进一步的，所述的弹性吸能装置中，密闭空腔底部的弹性支撑底面外壁呈弧形或平面直线形。

进一步的，所述弹性吸能装置中的弹性支撑底面外壁曲率与钢梁上的抗冲击面外壁曲率一致，使弹性支撑底面能够贴合与抗冲击面上。

作为优选，所述钢绞线两端采用锚具与钢梁连接。

本实用新型相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

(1)本实用新型基于预应力结构理论，利用普通预应力钢绞线的超高抗拉强度，当汽车高速碰撞产生较大的冲击载荷后，首先由钢梁中事先已存在的预应力将全部或者部分抵消冲击荷载，剩余冲击荷载部分有钢梁承担，大部分通过传力支撑柱传递到钢绞线上。这样可以大大减少作用在钢梁上的冲击荷载，故可采用普通钢材代替现有防撞钢梁中屈服强度620MPa以上的超高强度钢板或者更高的超高强度热成型钢板，大大降低材料成本。

(2)本实用新型防撞钢梁加工工艺上可由普通冲压工艺代替辊压成型或者热成型工艺，大大降低生产成本。

(3)本实用新型的装置最主要受力构件为钢绞线，其次受力构件为钢梁，由于钢绞线有超高拉伸屈服强度(Rp0.2＝1294MPa～1725MPa)，冷冲压钢板按照其拉伸屈服强度Rp0.2可分为：普通钢(Rp0.2>120N/mm2MPa)、强度钢(Rp0.2>180MPa)、高强度钢板(Rp0.2>260MPa)、特高强度钢板(Rp0.2>340MPa)和超高强度钢板(Rp0.2>620MPa)。根据比较，钢绞线的拉伸屈服强度远远＞冷冲压钢板的拉伸屈服强度，故可采用更少的材料，制作出能抵抗更大冲击荷载的装置，且钢绞线可成品购置、生产工艺成熟、价格低廉，可大大降低材料成本。

(4)本实用新型装置在受到冲击时，支座受到钢梁的推力以及钢绞线的拉力，能部分抵消水平力，不会在支座上产生过大水平荷载；而传统防撞钢梁在受到冲击力F时，将在支座上产生一个＞2F的水平力，此水平力由车架纵梁承担，大大增加了纵梁的破坏风险。

(5)本实用新型装配部件简单，便于安装，节约制造，安装和维护成本低。

附图说明

图1为一种采用预应力的防撞钢梁装置的整体结构示意图。

图2为计算时采用的普通轿车中常用的防撞梁的截面结构图。

图3为在不同冲击位移下新型设计与传统设计所对应的冲击荷载曲线图。

图4为在不同冲击位移下新型设计与传统设计所对应的支座横向剪力曲线图。

图5为在不同冲击位移下新型设计与传统设计所对应的支座横向剪力/冲击荷载比值曲线图。

图6为在不同冲击位移下新型设计与传统设计所对应的冲击荷载比值曲线图。

图7为实施例2的钢梁横截面结构示意图。

图8为钢梁抗冲击面正前方弹性吸能装置的横截面结构示意图。

图9为弹性吸能装置碰撞后的横截面结构示意图。

图10为钢梁抗冲击面正前方弹性吸能装置的纵剖面图。

图中附图标记：钢梁1、传力支撑柱2、钢绞线3、吸能盒4、支撑底面5、抗冲击面6、支撑隔板7、弹性支撑底面8、弹性抗冲击面9、弹性隔板10、弹性支撑体11、排气孔12、分隔板13。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步阐述和说明。

实施例1：

如图1所示，展示了本实用新型的一个较佳实施例中的采用预应力的新型防撞钢梁装置的整体结构示意图。为便于理解结构图，图1展示了各部分的示意图。该装置中，包括弧形钢梁1、传力支撑柱2、钢绞线3和吸能盒4。钢梁1为空心钢梁，外框尺寸为1200mm(长)×100mm(宽)×60mm(高)，壁厚4mm。在钢梁1中部设置传力支撑柱2，传力支撑柱2一端固定于弧形钢梁1中部，另一端向弧形钢梁1凹陷侧延伸。钢绞线3(2×15-7Φ5)上施加有预应力并处于张紧状态，钢绞线3两端分别与钢梁1的两端采用锚具固接，中部由传力支撑柱2的另一端支顶，由此使得钢梁1也具有一定的预应力。弧形钢梁1两端朝向凹陷侧分别设有吸能盒4，钢梁1与吸能盒4采用四周焊连接，吸能盒4底部设置方形支座板。

为了展示本实用新型中最核心的预应力钢绞线的工作原理和效果，利用结构计算软件ANSYS R17.1对上述装置进行了有限元仿真模拟分析。结果如图2、图3所示。

基于该装置的普适性，以及更好表现出本实用新型设计的新型防撞钢梁装置(以下简称新型设计)相对于传统设计的优势，本次计算中，新型设计与传统设计中的钢梁均采用普通轿车中常用的防撞梁的截面结构，如图2所示。

本新型设计中，钢梁跨度为1.2m，支座为三位固体单元，钢绞线为桁架单元。冲击载荷采用平面接触加载，模仿汽车撞击实验的加载方式。钢绞线初始拉力为25kN。

钢梁和钢绞线的材料弹塑性参数如表1。

表1材料弹塑性参数表

材料力学常数	钢梁	钢绞线
			弹性模量	207GPa	207GPa
泊松比	0.3	0.3
			屈服强度	235MPa	1636.8MPa

图3为在不同冲击位移下所对应的冲击荷载曲线图。表明增加钢绞线后，冲击荷载有明显提升，在较大冲击位移下，结构未达到屈服，冲击荷载还有较大幅度的提升空间。

图4、图5分别为在不同冲击位移下所对应的支座横向剪力、支座横向剪力/冲击荷载比值曲线图。表明在受到冲击时，支座受到钢梁的推力以及钢绞线的拉力，能部分抵消水平力，不会在支座上产生过大水平荷载。

对比例1：

本对比例采用传统的防撞钢梁(以下简称传统设计)与实施例1进行对比。对比例1与实施例1相比的区别在于：不设置钢绞线及传力支撑柱，冲击荷载只靠钢梁承担。

图3为在不同冲击位移下所对应的冲击荷载曲线图。表明传统设计结构在20mm冲击荷载时，结构已基本屈服，再增加冲击位移，冲击荷载无明显提升。

图4、图5分别为在不同冲击位移下所对应的支座横向剪力、支座横向剪力/冲击荷载比值曲线图。表明受到冲击力F时，将在支座上产生一个＞2F的水平力，此水平力由车架纵梁承担，大大增加了纵梁的破坏风险。

图6为在不同冲击位移下新型设计与传统设计所对应的冲击荷载比值曲线图。在不同冲击位移下，冲击荷载比值呈直线上升趋势，表明新型设计冲击荷载在不同冲击位移下呈递增速度大于传统设计，新型设计能抵抗更大冲击荷载。

表2新型设计与传统设计比较表

由上表可知，新型设计在传统设计基础上，结构质量增加27％，其抵抗冲击荷载增加129％，单位质量冲击荷载能力可提高81％；新型设计比传统设计增加的结构单位质量冲击荷载能力是传统设计的4.85倍(30.73/6.33＝4.85)。说明在抵抗相同冲击荷载的情况下，新型设计的结构质量只为传统设计的55％，可大大降低材料成本。

综上所述，采用预应力的新型防撞钢梁装置具有成本低，且能抵抗更大冲击荷载的功能。

实施例2：

钢梁1由支撑底面5和弧形的抗冲击面6围合形成空心的钢梁外壁，钢梁1的内腔中设有两块横断面呈弧形的支撑隔板7，两块支撑隔板7的一端均固定于抗冲击面6内壁上，两块支撑隔板7的另一端均固定于支撑底面5的内壁上，且两块支撑隔板7的凸起侧固定连接，形成背靠背的支顶结构。钢梁1的横断面以两块支撑隔板7的固定连接点所在垂面为中心面，呈镜像对称。

本实施例与实施例1相比的区别在于钢梁横截面不同，图7为实施例2的钢梁横截面结构图。该钢梁包括平直的支撑底面5、弧形的抗冲击面6、设置在所述支撑底面与抗冲击面之间的支撑隔板7。支撑隔板7的横断面呈内凹弧形。钢梁1由支撑底面5和弧形的抗冲击面6围合形成空心的钢梁外壁，钢梁1内腔中的两块支撑隔板7的一端均固定于抗冲击面6内壁上，两块支撑隔板7的另一端均固定于支撑底面5的内壁上，且两块支撑隔板7的凸起侧固定连接，形成背靠背的支顶结构。钢梁1的横断面以两块支撑隔板7的固定连接点所在垂面为中心面，呈镜像对称。

钢梁在碰撞过程中，抗冲击面6主要用于抗弯曲。在受到均布荷载q时，跨度均为L，支座为三位固体单元时，抗冲击面6采用半圆形结构及平面直线结构的跨中弯矩分别是0.01175qL²、0.04167qL²；支座弯矩分别为0.02467qL²、0.08333qL²。跨中及支座弯矩半圆形结构均小于平面直线结构，弧形结构弯矩比半圆形结构更小，且弧形及半圆形结构，在受到冲击时变形过程中，具有一定的吸能作用，故抗冲击面6选用弧形或者半圆形结构。在受到冲击时，通过抗冲击面6的变形，把力部分传递到内凹弧形支撑隔板7上，由于弧度的诱导作用，支撑隔板7变形，两个隔板弧形面相互顶住，可抵消受到的水平荷载，更好的起到支撑作用，增加钢梁的抗弯能力；并在内凹弧形支撑隔板受冲击变形过程中，也起到一定的吸能作用。

实施例3：

在钢梁抗冲击面6正前方，设置弹性吸能结构，可填充树脂保险杠和防撞钢梁之间的空隙，在低速度以及很轻微受力时，弹性吸能结构起到缓冲吸能的作用，可保护行人以及减少保险杠的变形损坏程度。在受到高速冲击时，弹性吸能结构与吸能盒一起在溃缩引导设计下，通过碰撞压缩变形，增加碰撞接触时间，会大大降低碰撞力峰值，达到了平稳吸收碰撞能量的目的。

图8为钢梁抗冲击面正前方弹性吸能装置的横截面结构图。该弹性吸能装置包括弹性支撑底面8、弹性抗冲击面9、设置在所述弹性支撑底面与弹性抗冲击面之间的内凹弧形弹性隔板10、连接在所述弹性支撑底面与弹性抗冲击面两侧之间的弧形弹性支撑体11和设置在弧形弹性支撑体11上的排气孔12。弹性吸能装置的主体由弹性材料制成，主体由弹性支撑底面8、弹性抗冲击面9、弧形弹性支撑体11围成外壁，内部包围形成密闭空腔。密闭空腔底部的弹性支撑底面8的外壁呈弧形，弹性抗冲击面9用于配合安装在钢梁1的抗冲击面6上。密闭空腔内通过两条弹性隔板10分割成三个独立腔体，其中弹性支撑底面8、弹性抗冲击面9及内凹弧形弹性隔板10形成气腔一；弹性支撑底面8、弹性抗冲击面9及弧形弹性支撑体一11形成两侧气腔二。且两侧的两个气腔二均通过排气孔12连接外部大气。

弹性支撑底面8放置于钢梁抗冲击面6上，根据钢梁抗冲击面的结构面形状不同，可做成弧形或者平面直线形。当钢梁抗冲击面成弧形时，弹性吸能装置中的弹性支撑底面8外壁曲率可以设计成与钢梁1上的抗冲击面6外壁曲率一致，使弹性支撑底面8能够贴合与抗冲击面6上。

根据玻意耳定律PV/T＝C(P：压强；V：气体体积；T：气体温度；C：常数)，当温度T一定时，压强P与体积V成反比。在受到高速碰撞时，弹性抗冲击面9、内凹弧形弹性隔板10及弧形弹性支撑体一1均压缩变形，导致气腔一及两侧气腔二体积减少，气腔一内压强直线上升；由于碰撞瞬间，两侧气腔二内的气体无法瞬时排出，气腔二内的压强瞬间上升，挤压气腔一，增大气腔一内的压强，气腔一内的压强反作用于弹性抗冲击面9，抵抗冲击力，气腔一瞬时不会被无限制压缩，随着时间推移，气腔二内的气体通过排气孔12被排出，气腔二内的压强减少，不在挤压气腔一，气腔一及材料本身继续被压缩，直至内外受力平衡为止。如图9所示，在弹性吸能装置内部，密闭空腔在顺着钢梁沿程方向具有多个，且相互之间通过分隔板13隔断，相互独立不连通。弹性吸能装置被压缩后，结构挤压到一起相互之间不串通，增强了材料抗压能力，使得弹性吸能装置不会被无限制压缩，碰撞结束后，气腔内的压强以及自身材料弹性使得吸能装置反弹，恢复原样，不影响下次碰撞吸能。

根据冲量及动力定理，物体在一段时间间隔内所受合外力的冲量等于该间隔时间内物体动量的增量。(平均冲击力；m：物体质量；v₂、v₁：分别为t₂、t₁时的速度)，当物体动量的增量(mv₂-mv₁)一定时，平均冲击力与时间间隔(t₂-t₁)成反比。从弹性吸能装置受到撞击，气腔一及气腔二被压缩，到气腔二内气体排出，最后到气腔一及材料本身继续被压缩，直至平衡，新设计的弹性吸能装置在整个碰撞过程中弹性接触的时间远远大于没有气腔只靠自身材质变形的传统泡沫缓冲块的接触时间，使得受到的平均冲击力大大的减小。

Claims (10)

1.一种采用预应力的防撞钢梁装置，其特征在于，包括弧形钢梁(1)、传力支撑柱(2)、钢绞线(3)和吸能盒(4)，所述的传力支撑柱(2)一端固定于弧形钢梁(1)中部，另一端向弧形钢梁(1)凹陷侧延伸；所述钢绞线(3)上施加有预应力并处于张紧状态，钢绞线(3)两端分别与钢梁(1)的两端固接，中部由所述传力支撑柱(2)的另一端支顶；所述弧形钢梁(1)两端朝向凹陷侧分别设有吸能盒(4)。

2.如权利要求1所述的采用预应力的防撞钢梁装置，其特征在于，所述钢梁(1)为空心钢梁。

3.如权利要求1所述的采用预应力的防撞钢梁装置，其特征在于，所述钢梁(1)由支撑底面(5)和弧形的抗冲击面(6)围合形成空心的钢梁外壁，钢梁(1)的内腔中设有两块横断面呈弧形的支撑隔板(7)，两块支撑隔板(7)的一端均固定于抗冲击面(6)内壁上，两块支撑隔板(7)的另一端均固定于支撑底面(5)的内壁上，且两块支撑隔板(7)的凸起侧固定连接，形成背靠背的支顶结构。

4.如权利要求3所述的采用预应力的防撞钢梁装置，其特征在于，所述抗冲击面(6)的横断面呈半圆形；且钢梁(1)的横断面以两块支撑隔板(7)的固定连接点所在垂面为中心面，呈镜像对称。

5.如权利要求1所述的采用预应力的防撞钢梁装置，其特征在于，所述的钢梁(1)与吸能盒(4)采用四周焊连接，吸能盒(4)底部设置方形支座板。

6.如权利要求1所述的采用预应力的防撞钢梁装置，其特征在于，所述钢梁(1)的前端还设有弹性吸能装置；弹性吸能装置由弹性材料制成，内部具有密闭空腔，密闭空腔底部的弹性支撑底面(8)的外壁配合安装于所述钢梁(1)的抗冲击面(6)上，所述的密闭空腔内通过两条弹性隔板(10)分割成三个独立腔体，且两侧的独立腔体均通过排气孔(12)连接外部大气。

7.如权利要求6所述的采用预应力的防撞钢梁装置，其特征在于，所述的密闭空腔在弹性吸能装置内部具有多个，且相互独立不连通。

8.如权利要求6所述的采用预应力的防撞钢梁装置，其特征在于，所述的弹性吸能装置中，密闭空腔底部的弹性支撑底面(8)外壁呈弧形或平面直线形。

9.如权利要求6所述的采用预应力的防撞钢梁装置，其特征在于，所述弹性吸能装置中的弹性支撑底面(8)外壁曲率与钢梁(1)上的抗冲击面(6)外壁曲率一致，使弹性支撑底面(8)能够贴合与抗冲击面(6)上。

10.如权利要求1所述的采用预应力的防撞钢梁装置，其特征在于，所述钢绞线(3)两端采用锚具与钢梁(1)连接。