ES2386269B1 - Sistema hibrído metal-composite para absorción de energía en choque - Google Patents
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Abstract
Sistema híbrido metal-composite para absorción de energía en choque que tiene forma de barra que tiene: una carcasa (1) metálica; un núcleo (2) de relleno de material composite configurado para absorber energía y para aumentar una absorción de energía de la carcasa (1) por medio de una deformación en un eje transversal (10) de la carcasa (1).
Description
SISTEMA HíBRIDO METAL-COMPOSITE PARA ABSORCiÓN DE ENERGíA EN
CHOQUE
Campo de la invención
la presente invención se encuadra en el sector del transporte, más concretamente en lo relativo a piezas con componente estructural para absorción de energra en choque.
Antecedentes de la invención
Se define el habitáculo de seguridad de un vehiculo como la zona interior de la carrocerla o estructura del vehículo dondei viajan los ocupantes. En caso de choque, este se daña pero debe deformarse lo menos posible. Para ello. la carrocería del vehículo contiene elementos cuya función es la de absorber energía en el choque y evitar que esta se transmita al habitáculo.
El concepto de absorción de energlía es utilizado en numerosos campos y en particular en el ·crash~ de automóvil. Existen diversas soluciones de estructuras que permiten absorber energía, siendo una de ellas la absorción por deformación del malerial. Esta deformación puede ser elástica (con retorno) o plástica (permanente).
Se considera que el sistema del absorción de choque de un automóvil comprende las piezas del vehículo dedicadas a "consumir" la energía durante un choque, principalmente en un choque de alta velocidad. Así, el sistema de absorción delantero puede comprender una viga transversal que se apoya sobre los extremos de los largueros de la caja en blanco -traducción de la expresión inglesa BIW (Body In White) usada en todo el sector de aut'omoción para referirse a la carrocería o estructura metálica del vehículo-a través de absorbedores de choque.
El principal objetivo de los conSitructores automoviUsticos es alcanzar la relación óptima entre absorción de energía y peso del vehículo. En todos los vehículos podemos encontrar elementos que participan en la disipación de la energía recibida por efecto de un impacto. Estos elementos forman vías de esfuerzo, que dependiendo de la estrategia de los constructores toman una forma u otra (hay fabricantes que reparten el esfuerzo por la zona inferior del vehículo y por la zona media, otros derivan una parte a la zona alta, ... ). Algunos elementos comunes a todos los constructores son el parachoques, la viga frontal y los lar!~ueros, entre otros, mientras que otros tipos de refuerzos o absorbedores pueden estar o no presentes.
Los largueros son parte fundamental del comportamiento global del vehículo en
un choque frontal. los diversos fabricantes diseñan el sistema delantero del vehículo para conseguir una deformación controlada y asegurar la integridad del habitáculo. Algunos constructores usan diferentes tipos de acero de alto limite elástico en los componentes de la zona delantera para disipar energla mediante deformación y aceros de alta resistencia en la ZOOéI central para conseguir rigidez. Otros constructores, utilizan numerosas piezas de aluminio en lugar de acero, consiguiendo mayores deformaciones con menor peso.
Los diferentes fabricantes del sector automovilístico trabajan en diversas líneas de investigación para mejorar el comportamiento global del vehículo en caso de choque, intentando al mismo tiempo reducir el peso. En este sentido existen un número considerable de patentes con el objetivo de conseguir una mayor absorción de energía, por ejemplo ES2295533T3, ES2:134259T3, ES2325347A1 y ES2331190T3, ES2251670T3 entre muchas otras.
Todas las soluciones actuales para largueros tienen un punto en común, y es que están basadas en estructuras metálicals, ya sea en acero o aluminio. La presente invención aporta como novedad el hecho de desarrollar una estructura híbrida metal composite, de modo que se saque provecho de las mejores características de cada material.
Descripción de la invención
La invención tiene por objeto un sistema de absorción de energía de impacto en choque que puede ser un choque delantero de automóvil, destinado a ser montado en el lugar de los largueros tradicionales. La absorción de la energla se produce por la deformación de los materiales que trabajan a compresión y rotura.
De este modo, se conseguirá una absorción de energía mejorada respecto a la actual, permitiendo aligerar el resto de la estructura del automóvil sin pe~uicio de la seguridad de los ocupantes.
El sistema comprende por una partE! metálica, es decir un larguero similar a los actuales (perfil metálico de sección cuadrada) y que forma un cuerpo hueco y un núcleo de material composite. El material compuesto desempeña la función de núcleo absorbedor de energía, mientras que 1':1 parte metálica sirve para mantener la estabilidad de la estructura del vehículo y :seguir desempeñando su función como vía de esfuerzo principal. Una de las características es que el núcleo de material composite sea un componente en si miSimo, de modo que pueda ser introducido fácilmente (adaptando la geometría) sin introducir modificaciones sustanciales en el proceso de fabricación del vehículo. Lo qUt:t se consigue con el sistema híbrido es, por un lado, mejorar la absorción de energía debido al trabajo realizado por el material composite, y por otro lado, se provoca que el acero trabaje de modo diferente a como lo hace en solitario, ya que el hecho de tener un núcleo provoca que también se deforme en el eje transversal y no solo en el longitudinal (a mayor deformación, mayor absorción de energía).
El núcleo interno absorbedor de energ la puede realizarse de diversos materiales, entre otros:
Termoplástico.
Resina epoxi + fibra de carbono.
Espumas estructurales (PET, PVC, corcho).
La unión entre el tubo metálico y el mkleo puede realizarse mediante adhesivos estructurales o por encastre.
Breve descripción de los dibujos
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.
La Figura 1A muestra una perspectiva con un corte para mostrar el interior y la Figura 1 B muestra una planta de un sish~ma de la invención con láminas o placas planas que forman una celosía. Esta geometrla puede utilizarse cuando el material del núcleo es termoplástico.
La Figura 2A muestra una perspectiva con un corte para mostrar el interior de un sistema de la invención con láminas () placas onduladas. Esta geometría puede utilizarse cuando el material del núcleo es resina epoxi y fibra de carbono.
La Figura 3 muestra una perspectivi8 con un corte para mostrar el interior de un sistema de la invención con planchas transversales al eje longitudinal de la barra. Esta geometría puede utilizarse cuando el material del núcleo es espuma.
La Figura 4 muestra los resultados obtenidos de un ensayo de compresión realizado en una máquina universal de ensayos con una célula de carga de 100 kN. La gráfica representa el comportamiento de un sistema similar al actual, solamente de acero (gráfica de trazo grueso) y un sistema híbrido acero-termoplástico (las gráficas de trazo fino corresponden a sistemas híbridos con dos materiales termoplásticos diferentes).
"
La Figura 5 muestra la colocación de cinco capas con una configuración 45/45/0/90/ud/O/90/-45/45 para formar la placa/lámina ondulada mostrada en la parte inferior de dicha figura. La denominación ud significa unidireccional.
Dicha gráfica representa la fuerza aplicada (Newtan), frente al desplazamiento (mm) para un ensayo de compre.sión en estático. El área comprendida debajo de cada gráfica corresponde a la energía absorbida y claramente los sistemas híbridos consiguen una mayor absorción que el sistema de metal. El comportamiento en estático es extrapolable al comportamiento en dinámico, ya que la capacidad de absorción de energía (resistencia) de los materiales utilizados, aumenta con la velocidad de impacto, siendo esto una característica intrínseca del material.
Descripción detallada de un modo de realización
Una realización de la invención se refiere a un sistema híbrido metal-composite para absorción de energía en choque que tiene forma de barra que comprende: 1a) una carcasa (1) metálica; 1 b) un núcleo (2) de relleno de material composite configurada para absorber energla
y para aumentar una absorción de energía de la carcasa (1) por medio de una
deformación en un eje transversal (10} de la carcasa (1).
Conforme a otras características de la invención:
- 2.
- El núcleo (2) comprende una pluralidad de láminas (20) orientadas según un eje longitudinal (11) de la carcasa (1).
- 3.
- Las láminas (20) son planas. Las lámim!s o placas (20) pueden ser rectangulares. La estructura nervada interior puede construirse mediante encastrado de placas termoplásticas realizadas mediante procesl:> de inyección. Conforme a una realización de la invención, el sistema comprende una pluralidad de láminas/placas primarias (201), las que definen unas cavidades (12) entre las láminas/placas primarias (201) y la carcasa (1), y una pluralidad de lámina~;/placas secundarias (202), las que ocupan las cavidades. Las láminas/placas primari,as (201) Y las láminas/placas secundarias
(202) pueden tener un espesor de 2mm. Esta geometría puede construirse posicionando y encastrando las placas por facilidad de construcción, pero también puede inyectarse el componente como geometría única.
- 4.
- Las láminas (20) son onduladas. Las láminas o placas (20) pueden ser fabricadas por moldeo en prensa de placas epoxi Carbono en base a un impregnado unidireccional o bidireccional. Las láminas tJ placas (20) pueden ser posicionadas en el interior de la carcasa (1) mediante un posic.ionador.
- 5.
- Las láminas (20) son paralelas. La disposición de las láminas (20) en paralelo puede ser a su vez en concordancia, cuando la distancia entre ondulaciones se mantiene constante, o en contraposición, cuando la distancia entre ondulaciones varia. la figura 2A muestra una disposición en contraposición donde valles y picos de las ondulaciones son enfrentados, obteniendo una distancia mínima entre una primera lámina y una segunda lámina, y una distancia máxima entre una segunda lámina y una tercera lámina.
- 6.
- Las láminas (20) tienen un espesor comprendido entre 1,8 Y 2mm.
- 7.
- Las láminas (20) tienen una configuración de capas 0/90/+45/-45/0/-45/+45/90/0. La figura 5 muestra una configuración de capas -45/45/0/90/ud/0/90/-45/45. En caso de usar tejido bidireccional, las capas son alPiladas girada cada una 45° respecto a la anterior y usando tipicamente 5 capas. En caso de tejido unidireccional, la segunda capa se posiciona girada 90° respecto a la primera (para simular lo que sería un tejido bidireccional), la tercera sería posicionada girada 45° y asl sucesivamente, obteniendo un total de 9 capas.
- 8.
- El núcleo (2) comprende una pluralidad de planchas (21) transversales al eje longitudinal (11) de la carcasa (1).
- 9.
- Las láminas (20) tienen un espesor comprendido entre 10 Y 14mm. En una realización de la invención, el espesor es 1.2mm.
- 10.
- No hay unión entre láminas (20) y la carcasa (1).
- 11.
- No hay unión entre las láminas (20).
- 12.
- El núcleo interno (2) comprende una composición seleccionada entre: termoplástico; resina epoxi y fibra de carbono; espuma estructural.
Claims (10)
- REIVINDICACIONES1. Sistema híbrido metal-composite para ,absorción de energía en choque que tiene forma de barra caracterizado por que comprende: 1a) una carcasa (1) metálica; 1b) un núcleo (2) de relleno de material composite configurado para absorber energíay para aumentar una absorción de energía de la carcasa (1) por medio de una deformación en un eje transversal (10) de la carcasa (1).
-
- 2.
- Sistema híbrido metal-composite para absorción de energía en choque según la reivindicación 1 caracterizado por que el núcleo (2) comprende una pluralidad de láminas (20) orientadas según un eje longitudinal (11) de la carcasa (1).
-
- 3.
- Sistema híbrido metal-composite para absorción de energía en choque según la reivindicación 2 caracterizado por que las láminas (20) son planas.
-
- 4.
- Sistema híbrido metal-composite para absorción de energía en choque según la reivindicación 2 caracterizado por que las láminas (20) son onduladas.
-
- 5.
- Sistema hibrido metal-composite para. absorción de energía en choque según cualquiera de las reivindicaciones 3-4 calracterlzado por que las láminas (20) son paralelas.
-
- 6.
- Sistema hlbrido metal-composite para. absorción de energla en choque según cualquiera de las reivindicaciones 4-5 camcterizado por que las láminas (20) tienen un espesor comprendido entre 1,8 Y 2mm.
-
- 7.
- Sistema híbrido metal-composite para. absorción de energla en choque según cualquiera de las reivindicaciones 4-6 camcterizado por que las láminas (20) tienen una configuración de capas 0/90/+45/-45/0/-45/+45/90/0.
B. Sistema híbrido metal-composite para absorción de energía en choque según la reivindicación 1 caracterizado por que EII núcleo (2) comprende una pluralidad de planchas (21) transversales al eje longitudinal (11) de la carcasa (1). - 9. Sistema hlbrido metal-composite para absorción de energla en choque según la reivindicación 8 caracterizado por qU11t las laminas (20) tienen un espesor comprendido entre 10 y 14mm.5 10. Sistema híbrido metal-composite para absorción de energía en choque según cualquiera de las reivindicaciones 1-9 caracterizado por que no hay unión entre láminas (20) y la carcasa (1).
- 11 . Sistema híbrido metal-composite parel absorción de energía en choque según10 cualquiera de las reivindicaciones 1-10 car,8cterlzado por que no hay unión entre las láminas (20).
- 12. Sistema híbrido metal-composite parel absorción de energía en choque según cualquiera de las reivindicaciones 1-11 caracterizado por que el núcleo interno (2)15 comprende una composición seleccionada entre: termoplástico; resina epoxi y fibra de carbono; espuma estructural.B
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