ES2281503T3 - Elemento estructural de un automovil y carroceria de automovil que lo contiene. - Google Patents
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Abstract
Elemento estructural para un coche, caracterizado por estar formado por un tubo de acero de alta resistencia a la tracción que tiene unas propiedades de material de no menos de 1.400 MPa de resistencia a la tracción y no menos del 5% de alargamiento, y que tiene además una configuración de sección transversal con una estructura de sección cerrada y que tiene una configuración de sección transversal que satisface la expresión (1) expuesta a continuación, cuando se define a como la longitud máxima de dicha configuración de sección transversal en dirección longitudinal, cuando se define b como la longitud máxima de la misma en dirección perpendicular a dicha dirección, cuando se define L como la longitud circunferencial de la misma, y cuando se define t como el grosor de pared del tubo de acero, 0, 65 = b/a = 0, 75, (1) 0, 014 = t/L = 0, 020
Description
Elemento estructural de un automóvil y
carrocería de automóvil que lo contiene.
La presente invención se refiere a un elemento
estructural para un coche, tal como una barra de protección contra
impactos en puertas que constituye un elemento de rigidización de
puertas, un elemento de rigidización de pilares, un elemento de
rigidización de parachoques, etc., capaz de mostrar un rendimiento
excelente en resistencia a flexión y energía absorbida, y que
permite además obtener una reducción del peso, y a una carrocería de
coche fabricada utilizando el elemento estructural para un
coche.
Hasta la actualidad, se ha utilizado ampliamente
un elemento estructural para un coche, tal como una barra de
protección contra impactos en puertas que constituye un elemento de
rigidización de puertas, para asegurar la integridad de un
conductor en el caso de un impacto lateral de un coche. Como barra
de protección contra impactos en puertas, se ha adoptado un tubo de
acero de ultra/alta resistencia a la tracción para garantizar la
seguridad en caso de impacto y obtener un consumo de combustible
reducido mediante la reducción del peso. Como material para un tubo
de acero como éste, se ha utilizado de manera general un material
con una resistencia a tracción de no menos de 1.400 MPa y una
sección transversal con una forma de círculo perfecto.
En la actualidad, resulta necesario reducir más
el consumo de combustible mediante la reducción del peso de los
componentes del coche y similares, y por lo tanto se requiere una
barra de protección contra impactos en puertas más ligera. De este
modo, es deseable una barra de protección contra impactos en puertas
que tenga un grosor de pared lo más fino posible. No obstante, dado
que una barra de protección contra impactos en puertas se utiliza
para garantizar la seguridad en un impacto, y es necesaria para
asegurar un rendimiento en resistencia a la flexión y energía
absorbida por encima de cierto nivel, la reducción de peso de una
barra convencional de protección contra impactos en puertas que
tiene una sección transversal con una forma de círculo perfecto ha
alcanzado un límite.
El objetivo de la presente invención es dar a
conocer un elemento estructural para un coche, tal como una barra de
protección contra impactos en puertas que constituye un elemento de
rigidización de puertas, un elemento de rigidización de pilares, un
elemento de rigidización de parachoques, etc., siendo capaz dicho
elemento estructural de resolver los problemas convencionales
mencionados anteriormente, y que tiene un rendimiento en
resistencia a la flexión y energía absorbida equivalente o superior
al de un tubo de acero convencional con una sección transversal
circular cuando se produce un impacto en el coche (por ejemplo, un
impacto frontal, un impacto lateral, etc.), de manera específica,
un impacto lateral, y que además permite obtener una mayor reducción
de peso que un elemento estructural convencional, y una carrocería
de coche fabricada utilizando dicho elemento estructural para un
coche.
La presente invención se ha creado para resolver
los problemas mencionados anteriormente, y la esencialidad de la
presente invención es la siguiente:
(1) Elemento estructural para un coche,
caracterizado por estar formado por un tubo de acero de alta
resistencia a la tracción que tiene unas propiedades de material de
no menos de 1.400 MPa de resistencia a la tracción y no menos del
5% de alargamiento, y que tiene además una configuración de sección
transversal con una estructura de sección cerrada y en el que la
configuración de sección transversal que satisface la expresión
<1>, cuando se define a como la longitud máxima de dicha
configuración de sección transversal en dirección longitudinal,
cuando se define b como la longitud máxima de la misma en dirección
perpendicular a dicha dirección, cuando se define L como la longitud
circunferencial de la misma, y cuando se define t como el grosor de
pared del tubo de acero,
(2) Elemento estructural para un coche según el
apartado (1), caracterizado porque dicha configuración de sección
transversal tiene una parte lineal en al menos una parte de los
lados.
(3) Elemento estructural para un coche según el
apartado (1), caracterizado porque todos los lados de dicha
configuración de sección transversal están formados con curvas.
(4) Elemento estructural para un coche según el
apartado (1), caracterizado porque dicha configuración de sección
transversal es una elipse.
(5) Elemento estructural para un coche según uno
cualquiera de los apartados (1) a (4), caracterizado porque dicho
elemento está dispuesto de modo que la dirección longitudinal de la
configuración de sección transversal del mismo coincide con la
dirección del impacto de una carrocería de coche cuando el elemento
estructural está unido a la carrocería de coche.
(6) Elemento estructural para un coche según uno
cualquiera de los apartados (1) a (4), caracterizado porque dicho
elemento se utiliza como una barra de protección contra impactos en
puertas dispuesta de modo que la dirección longitudinal de la
configuración de sección transversal de la misma coincide con la
dirección del impacto lateral de una puerta cuando el elemento
estructural está unido a la puerta.
(7) Carrocería de coche, caracterizada porque un
elemento estructural para un coche según uno cualquiera de los
apartados (1) a (6) está dispuesto de modo que la dirección
longitudinal de la configuración de sección transversal de dicho
elemento estructural coincide con la dirección del impacto de la
carrocería de coche.
La Figura 1 es un gráfico que muestra la
relación de b/a con la carga máxima y la energía absorbida cuando
unas barras cuadriláteras, que tienen un peso idéntico al de una
barra con una sección transversal circular con un diámetro de 31,8
mm x un grosor de 1,6 mm, y cambiando la relación entre b y a de
manera variable, son sometidas al ensayo de flexión en tres puntos,
en un vano de 950 mm.
La Figura 2 es un gráfico que muestra un ejemplo
de la relación entre el grosor de pared t y la longitud
circunferencial L.
La Figura 3 es un gráfico que muestra la
relación entre el desplazamiento y la carga cuando las piezas de
ensayo son sometidas a un ensayo de flexión en tres puntos, en un
vano de 950 mm.
La Figura 4 es una vista en sección que muestra
una realización de la presente invención.
La figura 5 es una vista en sección que muestra
otra realización de la presente invención.
La Figura 6 es una vista en sección que muestra
otra realización adicional de la presente invención.
La Figura 7 es una vista en sección que muestra
otra realización adicional de la presente invención.
La Figura 8 es una vista en sección que muestra
otra realización adicional de la presente invención.
La Figura 9 es un gráfico que muestra los
resultados del ensayo de flexión en tres puntos en los ejemplos de
la invención y en los ejemplos comparativos.
La Figura 10 es un gráfico que muestra la
energía absorbida en el ensayo de flexión en tres puntos.
A continuación se explicarán las realizaciones
preferidas tomando como ejemplo el caso en el que un elemento
estructural para un coche según la presente invención se utiliza
como una barra de protección contra impactos en puertas, unida a una
carrocería de coche, y haciendo referencia a los dibujos.
Una barra de protección contra impactos en
puertas según la presente invención está formada por un tubo de
acero de alta resistencia a la tracción, cuya sección transversal
perpendicular al eje largo tiene una estructura de sección cerrada,
estando formado dicho tubo de acero por una banda de acero que tiene
unas propiedades de material de no menos de 1.400 MPa de resistencia
a la tracción y no menos del 5% de alargamiento, y una composición
química que contiene, en peso, por ejemplo, C: 0,24%, Si: 0,25%, Mn:
2,4%, Cr: 0,5%, Mo: 0,7%, Ti: 0,03%, B: 20 ppm, consistiendo el
resto en Fe e impurezas inevitables.
La configuración de sección transversal cumple
la expresión <1>, cuando se define a como la longitud máxima
de dicha configuración de sección transversal en dirección
longitudinal, cuando se define b como la longitud máxima de la
misma en dirección perpendicular a dicha dirección, cuando se define
L como la longitud circunferencial de la misma, y cuando se define
t como el grosor de pared del tubo de acero,
Preferiblemente, la barra está dispuesta de modo
que la dirección longitudinal de la configuración de sección
transversal de la misma coincide con la dirección del impacto
lateral cuando la barra está unida a una puerta.
La configuración de sección transversal de una
barra según la presente invención se diseña basándose en la
configuración que se inscribe en un rectángulo en el que cada una de
sus partes de esquina está redondeada con la forma de un arco
circular. Conformando cada parte de esquina con una forma de arco
circular, se evita la aparición de grietas y deformaciones
provocadas por concentraciones excesivas de esfuerzos en cada parte
de esquina cuando se aplica una carga de impacto.
A continuación, se explicarán las razones para
limitar las dimensiones de la configuración de sección transversal
mencionadas anteriormente.
(1) En primer lugar, se explicarán las
condiciones de limitación de b/a.
La Figura 1 es un gráfico que evalúa las
propiedades de flexión en términos de carga máxima y cantidad de
energía absorbida cuando unos tubos de acero que tienen un área de
sección transversal idéntica son sometidos al ensayo de flexión en
tres puntos, con una carga aplicada en la misma dirección que la
dirección longitudinal de la configuración de sección transversal,
mientras se modifican los valores de b/a.
Cuando el valor de b/a se reduce gradualmente
desde una forma redonda (b/a = 1), la carga máxima y la energía
absorbida aumentan, y aumentan considerablemente en el intervalo de
0,65 \leq b/a \leq 0,75. En el intervalo de b/a < 0,65,
aunque las propiedades de flexión siguen mejorando, el lado largo a
(la longitud máxima en dirección longitudinal) se hace demasiado
largo en comparación con el lado corto b (la longitud máxima en
dirección perpendicular a la dirección longitudinal), y así, las
barras se hacen inestables en su configuración, se produce un
retorcimiento y un giro de las barras durante una colisión lateral
y, por lo tanto, las barras no presentan su rendimiento original y
puede producirse un problema de seguridad. Otro posible problema
consiste en que la barra no puede alojarse en una puerta debido a la
limitación del espacio.
Por esta razón, es preferible que b/a esté
controlado en el intervalo de 0,65 \leq b/a \leq 0,75.
(2) En segundo lugar, se explicarán las
condiciones de limitación de t/L.
Para determinar una configuración de sección
transversal eficaz para garantizar la seguridad en caso de impacto,
además del valor de b/a, la relación entre el grosor de pared t y la
longitud circunferencial L, es decir t/L, constituye un parámetro
importante.
La Figura 2 es un gráfico que muestra la
relación entre t y L cuando b/a está dentro del intervalo anterior
(0,65 \leq b/a \leq 0,75).
En el intervalo de t/L < 0,014, dado que L es
grande en comparación con t, tiende a producirse una deformación y
un agrietamiento después de la deformación. Por otro lado, en el
intervalo de t/L > 0,020, aunque las propiedades de flexión son
buenas, el peso tiende a aumentar, ya que t es grande en comparación
con L, y esto es contrario al propósito de la invención.
Cuando una barra se une a una puerta, además del
intervalo de limitación de 0,014 \leq t/L \leq 0,020, L está
limitada por el espacio en una puerta a la que se une la barra, y t
también está limitada por la necesidad de reducir el peso. Además,
L y t tienen que estar en la zona en la que la barra tiene unas
propiedades de flexión suficientes, y la zona óptima (la parte de
las líneas oblicuas en la figura 2, en el caso de K = 140) es la
zona en la que el producto de L por t cumple la expresión L x t >
K (en este caso, K se determina por el rendimiento requerido de una
puerta).
Cuanto más se separa la distribución de la masa
del eje neutro de la sección transversal de la barra perpendicular a
la dirección longitudinal de la barra, más mejora la rigidez a
flexión en dirección perpendicular a la dirección del eje largo de
la barra (tubo de acero). Por lo tanto, es preferible que la
configuración de sección transversal de una barra sea, por ejemplo,
un óvalo que tiene partes lineales a lo largo de los dos lados
largos, tal como se muestra en la figura 4, o una forma
sustancialmente rectangular que tiene partes lineales a lo largo de
los dos lados largos y los dos lados cortos perpendiculares a los
lados largos, tal como se muestra en las figuras 5 y 6, ya que la
rigidez a flexión en dirección perpendicular a la dirección del eje
largo de la barra (tubo de acero) mejora considerablemente.
Cuando los lados largos tienen partes lineales,
hay una tendencia a mejorar la rigidez a flexión en dirección
perpendicular a la dirección del eje largo de la barra (tubo de
acero), aunque también a aumentar el agrietamiento después de la
deformación. Para reducir el agrietamiento provocado por la
deformación, es preferible que la configuración de sección
transversal tenga unas curvas convexas dirigidas hacia fuera a lo
largo de los lados largos, tal como se muestra en la Figura 7.
En el caso de una barra que tiene una
configuración de sección transversal oval en la que los lados largos
y los lados cortos están conectados entre sí mediante curvas suaves,
tal como se muestra en la figura 8, aunque existe una tendencia a
que el mantenimiento de la configuración oval sea inestable y genere
retorcimientos y flexiones en la barra cuando se produce un impacto,
es difícil que se produzca una deformación, y el agrietamiento
provocado por la deformación es extremadamente pequeño y, por lo
tanto, puede aplicarse una configuración de sección transversal oval
a una barra.
(3) En tercer lugar, se explicará la disposición
de una barra en una puerta o carrocería de coche.
Debido a que la configuración de sección
transversal de una barra según la presente invención no es
omnidireccional (no es isotrópica), lo cual es diferente a una
configuración de sección transversal circular, es preferible hacer
que la configuración de sección transversal sea direccional, de modo
que la barra pueda mostrar las propiedades de flexión máximas cuando
la barra está dispuesta en una puerta. Es decir, es preferible
disponer una barra de modo que la dirección longitudinal de la
configuración de sección transversal de la barra coincida con la
dirección del impacto lateral cuando la barra está unida a una
puerta. Cuando un elemento está unido a una carrocería de coche, es
preferible disponer el elemento de modo que la dirección
longitudinal de la configuración de sección transversal del
elemento coincida con la dirección del impacto. Esto se debe a que
el elemento tiene una rigidez a flexión superior en la misma
dirección que la dirección longitudinal de la configuración de
sección transversal, tal como se ha descrito anteriormente.
Un elemento estructural para un coche según la
presente invención también puede utilizarse como un elemento de
rigidización de pilares, un elemento de rigidización de parachoques
o un elemento estructural para una carrocería de coche, además de
como una barra de protección contra impactos en puertas.
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Unas barras que tienen configuraciones de
sección transversal con las dimensiones y las distintas proporciones
mostradas en los Ejemplos 1 a 3 de la Tabla 1 se sometieron al
ensayo de flexión en tres puntos (velocidad: 2 mm/s, indentación:
200 mm) en el vano de 950 mm (I = 950 mm). Los resultados fueron
satisfactorios en la evaluación de la carga máxima y la energía
absorbida. Por otro lado, como ejemplos comparativos, una barra de
tipo convencional con una sección transversal circular de 31,8 mm de
diámetro y 1,8 mm de grosor de pared (Ejemplo Comparativo 1) y una
barra orientada ligera con una sección transversal circular de 31,8
mm de diámetro y 1,6 mm de grosor de pared (Ejemplo Comparativo 2)
fueron sometidas del mismo modo al ensayo de flexión en tres puntos.
En este caso, los Ejemplos 1, 2 y 3 se corresponden con las Figuras
4, 5 y 6, respectivamente. La Figura 3 muestra las curvas de
carga-desplazamiento del Ejemplo 2 y de los Ejemplos
Comparativos 1 y 2 en el ensayo de flexión en tres puntos. Debe
observarse que la energía absorbida está en la zona indicada con
líneas oblicuas en la parte inferior de la curva de
carga-desplazamiento mencionada anteriormente en el
ensayo de flexión en tres puntos, tal como se muestra en la Figura
10.
En la Figura 9 se muestran los resultados
obtenidos de carga máxima y energía absorbida sometiendo los
Ejemplos y los Ejemplos Comparativos al ensayo de flexión de tres
puntos.
Tal como resulta evidente a partir de los
resultados, se confirmó que las barras según la presente invención,
además de tener el mismo peso que la barra de tipo ligero con una
sección transversal circular de 31,8 mm de diámetro y 1,6 mm de
grosor de pared, mostraron el mismo rendimiento en carga máxima y
energía absorbida que la barra con una sección transversal circular
de 31,8 mm de diámetro y 1,8 mm de grosor de pared, y demostraron
excelentes rendimientos de configuración (Figura 9).
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\vskip1.000000\baselineskip
Tal como resulta evidente a partir de la
anterior explicación, la presente invención hace posible reducir el
peso de un elemento estructural para un coche (por ejemplo, una
barra de protección contra impactos en puertas que constituye un
elemento de rigidización de puertas, un elemento de rigidización de
pilares, un elemento de rigidización de parachoques) y para una
carrocería de coche, mostrando un rendimiento de elevada resistencia
a flexión y energía absorbida en comparación con un tubo de acero
convencional con una sección transversal circular cuando se produce
un impacto en el coche, de manera específica un impacto lateral.
Claims (7)
1. Elemento estructural para un coche,
caracterizado por estar formado por un tubo de acero de alta
resistencia a la tracción que tiene unas propiedades de material de
no menos de 1.400 MPa de resistencia a la tracción y no menos del
5% de alargamiento, y que tiene además una configuración de sección
transversal con una estructura de sección cerrada y que tiene una
configuración de sección transversal que satisface la expresión (1)
expuesta a continuación, cuando se define a como la longitud máxima
de dicha configuración de sección transversal en dirección
longitudinal, cuando se define b como la longitud máxima de la misma
en dirección perpendicular a dicha dirección, cuando se define L
como la longitud circunferencial de la misma, y cuando se define t
como el grosor de pared del tubo de acero,
2. Elemento estructural para un coche
según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha
configuración de sección transversal tiene una parte lineal en al
menos una parte de los lados.
3. Elemento estructural para un coche
según la reivindicación 1, caracterizado porque todos los
lados de dicha configuración de sección transversal están formados
con curvas.
4. Elemento estructural para un coche
según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha
configuración de sección transversal es una elipse.
5. Elemento estructural para un coche
según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4,
caracterizado porque dicho elemento está dispuesto de modo
que la dirección longitudinal de la configuración de sección
transversal del mismo coincide con la dirección del impacto de una
carrocería de coche cuando el elemento estructural está unido a la
carrocería de coche.
6. Elemento estructural para un coche
según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4,
caracterizado porque dicho elemento se utiliza como una barra
de protección contra impactos en puertas dispuesta de modo que la
dirección longitudinal de la configuración de sección transversal de
la misma coincide con la dirección del impacto lateral de una puerta
cuando el elemento estructural está unido a la puerta.
7. Carrocería de coche,
caracterizada porque un elemento estructural para un coche
según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 está dispuesto
de modo que la dirección longitudinal de la configuración de
sección transversal de dicho elemento estructural coincide con la
dirección del impacto de la carrocería de coche.
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|---|---|
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