ES2609514B2 - Sistema y método de absorción de impactos basado en una espuma de aluminio reforzada - Google Patents

Abstract

Sistema y método de absorción de impactos basado en una espuma de aluminio reforzada.#La presente invención se refiere a un sistema y un método para la absorción de impactos. Dicho sistema comprende una espuma de aluminio deformable reforzada mediante unos elementos de refuerzo tubulares de pequeño espesor, repartidos homogéneamente por dicha espuma, que aumentan la energía absorbida por el sistema ante un impacto.

Description

5

10

15

20

25

30

DESCRIPCION

Sistema y metodo de absorcion de impactos basado en una espuma de aluminio reforzada

CAMPO TECNICO DE LA INVENCION

La presente invention se refiere en general a los sistemas mecanicos de protection frente a impactos, mas concretamente a las estructuras basadas en espuma de aluminio empleadas para la absorcion de energia liberada en impactos, aprovechando sus caracteristicas estructurales.

Es objeto de la presente invencion el proporcionar, partiendo de una espuma de aluminio, un sistema de absorcion de impactos reforzado capaz de absorber la energia de un impacto formando parte de un sistema absorbedor como los usados tipicamente en automocion (parachoques, cajas de impacto...).

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Actualmente, los sistemas de absorcion de impactos contemplan el uso de cajas de impacto, parachoques y otros elementos de seguridad pasiva fabricados con estructuras metalicas complejas o rellenos con espumas de aluminio y otros materiales deformables que presentan una cierta capacidad de absorcion de energia ante un eventual impacto. De esta forma, por ejemplo en el sector de automocion, se puede dotar a los vehiculos de un mayor nivel de seguridad y proteger a sus ocupantes ante una eventual colision.

Las espumas de aluminio presentan alta eficiencia como elementos de absorcion de energia dinamica. La estructura altamente isotropica de la espuma de aluminio hace que durante un impacto la energia mecanica recibida se disperse por igual en todas las direcciones, produciendo un colapso de los poros que actuan de amortiguador y disipando asi la energia de un posible choque.

Este concepto de deformaciones controladas es ya habitualmente tenido en cuenta en la fabrication de carrocerias de vehiculos, donde el diseno respeta ciertos principios estructurales que garantizan una deformation plastica progresiva de la carroceria mediante

5

10

15

20

25

30

el uso por ejemplo de elementos retractiles o colapsables, que mantienen el habitaculo intacto haciendole absorber la menor cantidad de ene^a en un choque.

Existen soluciones en el estado del arte que utilizan este tipo de espumas por sus propiedades fisicas, mecanicas, termicas y acusticas. El mayor inconveniente es que, una vez la espuma ha sufrido una deformacion plastica ha de ser reemplazada porque ya no recupera su forma original ni, por tanto, sus cualidades.

Dependiendo de las aplicaciones a las que se destinen las espumas de aluminio, pueden ser frecuentes pequenos impactos que no tienen ninguna necesidad de ser amortiguados, pero sin embargo deterioran la espuma por tener un limite elastico muy bajo.

Seria por tanto deseable una solucion para absorber la energia causada por impactos que, manteniendo o incluso realzando las ya conocidas cualidades de las espumas de aluminio, ademas permita preservar las caracteristicas originales de la espuma frente a pequenos impactos.

SUMARIO DE LA INVENCION

La presente invencion tiene por objeto proporcionar un sistema de absorcion de energia causada por un impacto que resuelve los problemas mencionados anteriormente reforzando la espuma de aluminio, para aumentar asi su capacidad de absorcion de energia y, al mismo tiempo, aumentar su resistencia elastica inicial para que impactos de pequena intensidad no deterioren la espuma y la hagan perder eficacia con el tiempo.

Para ello se presenta, en un primer aspecto de la presente invencion, un sistema de absorcion de impactos que comprende una espuma de aluminio deformable, donde dicho sistema comprende unos elementos de refuerzo tubulares repartidos homogeneamente por dicha espuma.

Los elementos de refuerzo incorporados a la espuma de aluminio, de acuerdo a una realizacion de la invencion, consisten en unos tubos, preferentemente de material metalico como por ejemplo aluminio. Dichos tubos, en una realizacion preferente de la invencion, estan dispuestos paralelamente a la direccion de impacto (estando dispuesta la espuma en

5

10

15

20

25

30

direction transversal a la direction del impacto) de forma que al recibir la energia del impacto pandean, es dedr, experimentan desplazamientos en direccion perpendicular a la del impacto absorbiendo parte de la energia. Los tubos en esta situation se ven sometidos a una tension de pandeo, la cual, mientras no sobrepase un cierto limite que exceda el limite elastico del conjunto, permite ventajosamente que el sistema mantenga todas sus caracteristicas estructurales una vez la energia aplicada por el impacto se haya extinguido.

Los elementos de refuerzo de acuerdo a una de las realizaciones de la invention, consisten uno o mas tubos de pequeno espesor, del orden de 1 mm.

De acuerdo a una de las realizaciones de la invencion, los elementos de refuerzo tubulares consisten en uno o mas tubos con un diametro del orden 30mm.

De acuerdo a una de las realizaciones de la invencion, los elementos de refuerzo tubulares estan parcialmente recubiertos por la espuma y uno o ambos extremos de dichos elementos de refuerzo estan libres. De esta manera, en caso de un impacto, los elementos de refuerzo son el primer punto de contacto.

El sistema de la invencion contempla, de acuerdo a una de las realizaciones de la invencion, una configuration de la espuma y los elementos de refuerzo, tal que la energia absorbida por el sistema ante un impacto es la suma de la deformation plastica de la espuma mas la resistencia a la compresion de los elemento de refuerzo.

Adicionalmente, la resistencia elastica inicial del sistema segun una de las realizaciones de la presente invencion, depende directamente de la tension de pandeo soportada por los elementos de refuerzo.

Un segundo aspecto de la invencion se refiere a una espuma de aluminio para la absorcion de impactos caracterizada porque comprende unos elementos de refuerzo tubulares repartidos homogeneamente por dicha espuma, donde los elementos de refuerzo tienen una determinada resistencia a la compresion que protege la espuma de sufrir deformaciones plasticas causadas por un impacto.

5

10

15

20

25

30

La espuma de aluminio, de acuerdo a una de las realizaciones de la presente invention, se refuerza interiormente con varios tubos de aluminio de espesor pequeno de manera que aumentan la resistencia elastica del conjunto hasta alcanzar la tension necesaria de pandeo de los tubos antes de empezar su deformation plastica y durante el proceso de deformation se suma la ene^a necesaria para deformar verticalmente el tubo con la energia que absorbe la espuma de aluminio con lo que se produce un aumento muy importante de la energia absorbida por el conjunto.

Un ultimo aspecto de la invencion se refiere a un metodo de fabrication de una espuma de aluminio reforzada que comprende los pasos de:

a) disponer unos elementos de refuerzo tubulares homogeneamente en un molde de

inyeccion;

b) inyectar en el molde una espuma de aluminio que recubre, al menos parcialmente, los

elementos tubulares.

La presente invencion por tanto, ofrece una protection eficiente ante grandes impactos a la vez que preserva las caracteristicas estructurales de la espuma ante pequenos impactos, una cosa muy habitual en parachoques y trenes, donde pequenos impactos dan lugar a deformaciones plasticas irreversibles que van deteriorando la espuma de aluminio al tener un bajo limite elastico. De esta forma se mejoran los sistemas existentes aumentando la absorcion de energia y el limite elastico inicial antes de empezar a absorber energia. Estos dos aspectos mejoran la eficacia de los elementos absorbedores de impacto y evitan su deterioro cuando se producen impactos de pequena magnitud.

Adicionalmente la seguridad pasiva de los sistemas que incorporan la presente invencion (parachoques, cajas de impacto y en general cualquier elemento de seguridad pasiva) es incrementada notablemente porque el grado de proteccion que ofrece la espuma reforzada aqu presentada se mantiene en su valor maximo y se conoce con certeza, a diferencia de las soluciones conocidas en el estado del arte, donde el estado real de proteccion que ofrecen es a menudo una incertidumbre, debido al deterioro que sufren con el paso del tiempo y pequenos golpes.

5

10

15

20

25

30

DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

Para complementar la description que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracteristicas de la invention, de acuerdo con unos ejemplos preferentes de realizaciones practicas de la misma, se acompana como parte integrante de esta descripcion un juego de dibujos en donde, con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1 representa un esquema de la invencion de acuerdo a una de las realizaciones.

La figura 2 muestra una grafica comparativa entre una espuma de aluminio con refuerzos, de acuerdo a una de las realizaciones de la invencion, y una espuma de aluminio sin refuerzos.

REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION

La presente invencion divulga un sistema de absorcion de impactos basado en una espuma de aluminio reforzada que, ante un eventual impacto, absorbe la energia liberada, al menos parcialmente, aprovechando la deformation plastica que sufre el sistema. Se incluyen unos elementos de refuerzo que proporcionan ventajas adicionales al sistema.

De acuerdo a las figuras resenadas, la presente invencion comprende una espuma de aluminio reforzada interiormente con varios elementos de refuerzo. Los elementos de refuerzo, de acuerdo a una de las realizaciones de la invencion representada en la figura 1, consisten en varios tubos de aluminio con un espesor de 1 mm y un diametro de 30 mm. Estas medidas corresponden a una realization particular que unicamente se describe con fines explicativos de la invencion y de ningun modo debe interpretarse como limitativa, sino que otras multiples realizaciones son posibles y se pueden adoptar diferentes medidas en funcion de la resistencia con la que se quiera dotar al conjunto, asi como diferentes materiales con caracteristicas similares.

Los elementos de refuerzo tubulares insertados en la espuma aumentan la resistencia elastica inicial del conjunto hasta alcanzar la tension necesaria de pandeo de los tubos antes de empezar la deformacion plastica del sistema. Esto implica que los pequenos impactos no deterioran la espuma, ya que la energia liberada no es suficiente como para que los tubos alcancen dicha tension de pandeo y su resistencia a la compresion mantiene el sistema

5

10

15

20

25

30

intacto y conservando su forma y propiedades iniciales, una vez la energia aplicada ha cesado.

Los elementos de refuerzo consiguen aumentar el Kmite elastico del sistema tal y como se ha descrito arriba, pero tambien influyen durante el proceso de deformacion, donde provocan que la energia total absorbida sea la suma de la ene^a necesaria para deformar el tubo mas la energia que absorbe la espuma de aluminio, con lo que se produce un aumento muy importante de la energia absorbida por el conjunto.

La disposition mas optima de los elementos de refuerzo tubulares es en una direction coincidente con la del impacto recibido. Preferentemente, los tubos se oponen verticalmente al impacto para conseguir la mayor resistencia a la compresion y absorber la maxima energia, aunque similares resultados se pueden obtener variando las dimensiones de los elementos de refuerzo o los materiales. Hay que tener en cuenta que el objetivo al fabricar una espuma de aluminio reforzada generalmente no consiste en lograr la mayor resistencia posible, sino un compromiso entre resistencia y deformacion para conseguir absorber la mayor energia en un impacto.

La figura 1 representa un esquema de la invention de acuerdo a una de las realizaciones, con una vista de perfil (1) y otra en alzado (2). En esta realization los elementos de refuerzo son cuatro tubos de aluminio (3) que se incrustan transversalmente en una espuma de aluminio de section cuadrada (4). La distribution de los elementos de refuerzo en esta realizacion resulta homogenea, con lo que ofrece un refuerzo homogeneo en toda la espuma. Otras realizaciones de la invencion contemplan diferentes secciones de espuma, rectangulares o incluso irregulares, que implicarian otras configuraciones en cuanto al numero de tubos, diametro y disposicion para conseguir el mismo efecto de refuerzo homogeneo.

Tambien los elementos de refuerzo contemplan otras secciones aparte de la circular aqu descrita, pudiendo utilizarse tubos de seccion cuadrada, triangular o cualquier otra geometria.

La figura 2 representa una comparativa entre una de las realizaciones de la presente invencion, que corresponde con la lmea superior (21) de la grafica mostrada y una espuma

5

10

15

20

25

30

de aluminio corriente sin refuerzo, que corresponde a la lmea inferior (22) de la grafica. El eje horizontal recoge la deformacion del sistema en tanto por uno, mientras que el eje vertical recoge la tension soportada por el sistema en Megapascales. La grafica evidencia los ventajosos resultados que se logran con los elementos de refuerzo insertados en la presente invention, donde, el limite elastico se incrementa considerablemente y evita que ante pequenos golpes se produzca un deterioro del sistema. En dicha figura 2 puede apreciarse como una vez superado el limite elastico (23, 24), la energia absorbida por el sistema durante la deformacion plastica del mismo tambien se ve incrementada notablemente como demuestra la evolution de las lmeas del grafico, donde para la misma deformacion, la realization con elementos de refuerzo soporta claramente tensiones superiores y absorbe por tanto una energia mayor.

En una de las realizaciones de la invencion, los elementos de refuerzo tubulares sobresalen parcialmente de la espuma de aluminio en la que han sido insertados, de forma que uno o ambos extremos se encuentran al descubierto y en caso de choque suponen el primer punto del sistema en recibir el impacto.

La fabrication de una espuma de aluminio reforzada de acuerdo a la presente invencion, comprende cualquiera de los procedimientos habituales en la fabricacion. Se puede partir de un bloque de espuma de aluminio sobre el que se insertan los refuerzos por mecanizacion o realizar la fabricacion directa de espumas de aluminio sobre un molde donde se han dispuesto los refuerzos previamente introduciendo la espuma de aluminio mediante inyeccion directa de gas o mediante la adicion de agentes espumantes al aluminio fundido; asi como metodos indirectos, donde pueden llevarse a espumacion los componentes procesados por sinterizado con un agente espumante. Alternativamente tambien puede optarse por la espumacion de piezas sinterizadas en estado solido mediante la espumacion de un precursor por medio de un tratamiento termico, o utilizando espumas obtenidas por electrodeposicion o por deposition en fase vapor. Cualquiera de ellas puede combinarse con la estructura de refuerzo que va a ser incrustada durante la fabricacion, la cual puede fijarse por ejemplo en un molde de inyeccion como paso previo a inyectar la espuma de aluminio con la section elegida. A continuation unicamente hay que dejar enfriar el conjunto.

Claims (10)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   REIVINDICACIONES

   1. Uso de un sistema de absorcion de impactos que comprende una espuma de aluminio deformable y unos elementos de refuerzo tubulares repartidos homogeneamente por dicha espuma, para absorber impactos en vehlculos de automocion sin que la espuma se deforme, siempre que la energla recibida por el impacto sea inferior a una determinada tension de pandeo asociado a los refuerzos tubulares.
2. 2. Uso de un sistema de acuerdo a la reivindicacion 1 donde la espuma esta dispuesta en direccion transversal a la direccion del impacto y los elementos de refuerzo tubulares estan dispuestos paralelamente a la direccion de impacto.
3. 3. Uso de un sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde los elementos de refuerzo tubulares estan parcialmente recubiertos por la espuma y uno o ambos extremos de dichos elementos de refuerzo estan libres.
4. 4. Uso de un sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde los elementos de refuerzo tubulares son metalicos.
5. 5. Uso de un sistema de acuerdo a la reivindicacion 4 donde los elementos de refuerzo tubulares son de aluminio.
6. 6. Uso de un sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde los elementos de refuerzo tubulares tienen un espesor del orden de 1 mm.
7. 7. Uso de un sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde los elementos de refuerzo tubulares tienen un diametro del orden de 30 mm.
8. 8. Uso de un sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la energla absorbida por el sistema ante un impacto es la suma de la deformacion plastica de la espuma mas la resistencia a la compresion de los elemento de refuerzo.
9. 9. Uso de un sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la resistencia elastica inicial del sistema depende de la tension de pandeo soportada por los elementos de refuerzo.

   5 10.- Espuma de aluminio para la absorcion de impactos caracterizada porque comprende

   unos elementos de refuerzo tubulares repartidos homogeneamente por dicha espuma, donde los elementos de refuerzo tienen una determinada resistencia a la compresion que protege la espuma de sufrir deformaciones plasticas causadas por un impacto.

   10 11. Un sistema de absorcion de impactos que comprende una espuma de aluminio

   deformable y unos elementos de refuerzo tubulares repartidos homogeneamente por dicha espuma, caracterizado porque los elementos los elementos de refuerzo tubulares tienen un espesor del orden de 1 mm, y una determinada tension de pandeo a partir de la cual la energla recibida por un impacto provoca una deformacion plastica de la espuma.

   15
10. 12. El sistema de acuerdo a la reivindicacion 11, donde los elementos de refuerzo tubulares tienen un diametro del orden de 30 mm.

    20

    imagen1

    2

    y>

    imagen2

    Figura 1

    imagen3

    Figura 2