MX2013005765A - Disposicion de absorcion de energia con fibras integradas en un material plastico, y cara delantera asociada. - Google Patents

Abstract

La invención se relaciona con un dispositivo de absorción de energía para un vehículo motorizado, dicho dispositivo comprende una estructura proporcionada para deformarse plásticamente bajo el efecto de un impacto de la energía dada, que absorbe parte de la energía del impacto, la estructura consiste en un material que comprende: una matriz de un material plástico dúctil; y las fibras de alto rendimiento integradas en la matriz, la mayoría de las fibras tienen una longitud de entre 0.1 y 10 mm, y el material comprende entre 2 y 10% en peso de las fibras de alto rendimiento.

Description

DISPOSITIVO DE ABSORCIÓN DE ENERGÍA CON FIBRAS INTEGRADAS EN UN MATERIAL PLÁSTICO. Y CARA DELANTERA ASOCIADA Descripción de la Invención La presente invención se refiere en general a dispositivos de absorción de energía para un vehículo motorizado.

Se conocen por ejemplo dispositivos de absorción de energía para impactos de intensidad mediana de tipo Danner. Estos dispositivos de absorción de energía son típicamente colocados entre la cara delantera del vehículo y los largueros principales o entre la cara delantera y los largueros inferiores del vehículo. Los largueros inferiores son también conocidos bajo el nombre de "prolongación de chasis".

Estos dispositivos de absorción de impacto son típicamente formados de cajas metálicas taradas para deformarse plásticamente en caso de impacto de intensidad superior a una energía predeterminada, absorbiendo en parte la energía del impacto. Tales dispositivos de absorción se describen, por ejemplo en la FR 0756932. La fuerza que provoca la deformación plástica debe ser la más elevada posible para permitir una disipación eficaz de energía en un tamaño reducido. La misma debe ser superior a un límite inferior Fmini.

Esta fuerza debe igualmente ser inferior a la tara de los largueros principales o largueros inferiores, con el fin de no provocar la deformación permanente de los largueros en caso de impacto. Asimismo, la tara debe ser inferior a un límite superior Fmaxi.

Es imperativo que la tara del dispositivo de absorción esté muy cercana a Fmaxi con el valor inferior. En práctica, la diferencia entre Fmini y Fmaxi es de alrededor de 20%, el dispositivo de absorción de energía se debe encontrar en este rango.

Por consiguiente, es conocido que la tara de un dispositivo de absorción de energía puede variar con la temperatura ambiente. El registro de las cargas impuestas por los fabricantes de automóviles impone típicamente que la tara de los dispositivos de absorción de energía se encuentre en el rango anteriormente mencionado para cualquier temperatura que oscila entre -30°C a +80°C.

Los dispositivos de absorción de impacto de tipo caja metálica muestran generalmente una buena estabilidad en temperatura. Sin embargo, los mismos muestran una masa elevada y tiene un estructura compleja, porque son compuestos de varias piezas ensambladas unas con las otras: una placa de apoyo, un bloque de espuma de aluminio o una caja metálica, una envoltura deformable en el interior en la cual se inserta el bloque de espuma metálica o la caja metálica, etc. Por lo tanto, estos dispositivos de absorción son costosos porque su ensamble demanda mucho tiempo y contiene muchas piezas.

En este contexto, la invención propone un dispositivo de absorción de impacto que sea más simple, menos costoso, pero en donde el rendimiento sea más estable con la temperatura.

A este propósito, la invención de acuerdo con un primer aspecto muestra un dispositivo de absorción de energía que comprende una estructura prevista para deformarse plásticamente bajo el efecto de un impacto de energía establecida absorbiendo una parte de la energía del impacto, la estructura es formada de un material que comprende: - una matriz de un material plástico dúctil; - fibras de alto rendimiento integradas en la matriz, la mayoría de las fibras tienen una longitud de entre 0.1 y 10 mm y el material comprende entre 2% y 10% en peso de las fibras de alto rendimiento.

El dispositivo puede igualmente mostrar una o varias características anteriores, consideradas individualmente o de acuerdo con todas las combinaciones técnicamente posibles: - el material comprende entre 5 y 9 % en peso de fibras de alto rendimiento; - las fibras de alto rendimiento son fibras de vidrio, de carbono o de aramida; - la matriz es un polímero de estireno o un policarbonato, o una poliamida o poliéster saturado o una poliolefina, elastómero, o una aleación de uno o varios de estos materiales; - la mayoría de las fibras muestra una longitud comprendida entre 0.1 y 7 mm; y - la estructura es una estructura alveolar que comprende una pluralidad de paredes que definen en conjunto celdas cruzadas yuxtapuestas.

De acuerdo con un segundo aspecto, la invención se refiere a una cara delantera de vehículo automotriz, la cara delantera comprende una barra rígida que tiene partes laterales colocadas en la prolongación individual de los largueros de los vehículos y al menos un dispositivo de absorción de energía que presenta las características a continuación, interpuestas longitudinalmente entre uno de los largueros y una de las partes laterales de la barra.

De acuerdo con un tercer aspecto, la invención se refiere a una cara delantera de vehículo automotriz, la cara delantera comprende una estructura rígida que comprende: - una barra transversal superior; - una barra transversal inferior; - jambas verticales que conectan la barra superior y la inferior y que son previstas para apoyo sobre los largueros de los vehículos, al menos una jamba vertical consiste de una estructura de absorción de energía que muestra las características anteriormente mencionadas.

La cara delantera puede igualmente mostrar una o varias características a continuación, consideradas individualmente o de acuerdo con todas las combinaciones técnicamente posibles: - la estructura rígida es formada por inyección; - las barras superior e inferior son principalmente hechas de un primer material que comprende una matriz de un primer material plástico, las jambas son hechas de un segundo material diferente al primer material y contiene una matriz constituida del primer material plástico: - las barras superior e inferior son hechas de un primer material que contiene una matriz hecha de un primer material plástico y un elastómero, o un copolímero; y - las barras superior e inferior son hechas de un primer material que contiene una matriz de un primer material plástico, las jambas son hechas de un segundo material diferente al primer material y contiene una matriz constituida de un segundo material plástico diferente, el primer y el segundo material comprende un aditivo de acoplamiento químico y los segundos materiales plásticos, previstos para reforzar la unión de las jambas con las barras superior e inferior.

Otras características y ventajas de la invención emergen de la descripción detallada que se proporciona a continuación, como título indicativo y no limitativo, con referencia a las figuras anexas, entre las cuales: - la figura 1 es una vista frontal de una estructura rígida que contiene varios dispositivos de absorción de energía de acuerdo con la invención, la estructura rígida es prevista para ser integrada en una cara delantera del vehículo automotriz; - la figura 2 es una gráfica que muestra la fuerza de resistencia de cada dispositivo de absorción de energía de la estructura de la figura 1, en función del hundimiento, a diferentes temperaturas del ambiente; - la figura 3 es una gráfica que muestra la evolución de la tara de un dispositivo de absorción de energía en polipropileno copolímero que no corresponde con la invención, en función de la temperatura; - la figura 4 es una gráfica similar a la figura 2, para un dispositivo de absorción de impactos en polipropileno que no corresponde con la invención; y - la figura 5 muestra dispositivos de absorción de energía y algunos elementos de una cara delantera de acuerdo con una segunda modalidad de la invención.

En la descripción a continuación, por las direcciones longitudinales y transversales, delanteras y posteriores, se entiende relativamente la dirección de desplazamiento normal del vehículo.

La estructura 1 representada en la figura 1 es destinada a ser integrada sensiblemente verticalmente en una cara delantera de un vehículo automotriz. La misma tiene una barra superior transversal 3, una barra transversal inferior 5 y dos jambas 7, proporcionadas para ser colocadas sensiblemente en posición vertical. Cada jamba 7 conecta una barra transversal superior 3 a la extremidad correspondiente de la barra transversal inferior 5.

Las barras y las jambas delimitan entre ellas una abertura central 9.

Las zonas 11 de la estructura 1, colocadas a la intersección de la barra superior 3 y las jambas 7, son destinadas a ser colocadas sensiblemente en la prolongación longitudinal de los largueros principales del vehículo automotriz. Las zonas 13 colocadas sensiblemente a la intersección de la barra inferior 5 y las jambas 7 son destinadas a ser colocadas en la prolongación longitudinal de los largueros inferiores del vehículo automotriz.

En esta modalidad, cada zona 11 y 13 constituye de un dispositivo de absorción de energía, tarado para los impactos de intensidad mediana (impactos Danner).

Las zonas 11 y 13 de la estructura son hechas de un material que contiene: - una matriz de un material plástico dúctil; - fibras de alto rendimiento integradas en la matriz, la mayoría de las fibras tienen una longitud de entre 0.1 y 10 mm, y el material comprende entre 2 y 10% en peso de las fibras de alto rendimiento.

Por matriz se entiende el compuesto químico o copolímero que constituye de la mayor parte del material. Otros compuestos son aditivos que son dispersados e integrados en la matriz. Estos aditivos pueden ser de tamaño grande como las fibras anteriormente mencionadas. Los aditivos pueden igualmente ser compuestos químicos dispersados y mezclados en forma de nódulos muy finos o partículas en la matriz.

En este caso, la matriz comprende en la mayor parte poliolefina o poliamida, polímero de estireno, policarbonato o un poliéster saturado o un elastómero. Típicamente, la matriz es constituida de una poliolefina o polímero de estireno, policarbonato, poliamida o un poliéster saturado o un elastómero. La poliolefina es típicamente un polipropileno o un copolímero de propileno-eteno, o un copolímero de propileno-hexeno o un copolímero de propileno-octeno o un copolímero de etileno-octeno o un terpolímero de propileno-etileno, buteno.

Las fibras de alto rendimiento son típicamente fibras de vidrio, fibras de carbono o fibras de aramida.

Las fibras son de un tipo conocido bajo el nombre "fibras cortas" o "fibras largas". Las fibras cortas tienen típicamente una longitud inferior a 1 mm. Las fibras largas, para la mayor parte de las fibras, tienen una longitud comprendida entre 1 y 7 mm.

De preferencia, la mayor parte de las fibras tiene una longitud comprendida entre 0.5 y 5 mm. Se debe notar que la longitud a la que se hace referencia, corresponde con la longitud de las fibras de las que constituye el producto terminado. Una parte de las fibras se rompen al momento de la plastificación y de la inyección en un molde a temperatura alta.

El material comprende, como se indicó anteriormente, entre 2 a 10% en peso de fibras, el resto constituye de la matriz de material plástico y eventualmente de otros aditivos. Aún más preferiblemente, el material comprende entre 5 y 9% en peso de fibras.

Las zonas 11 y 13 tienen típicamente una estructura alveolar que contiene una pluralidad de celdas cruzadas 15 yuxtapuestas. Las celdas 15 son definidas por las paredes 17 que pueden ser comunes cuando hay varias celdas. Las paredes son constituidas del material anteriormente descrito.

Las celdas 15 son, por ejemplo, selladas hacia la cara delantera del vehículo por una barrera delantera 18 y las aberturas hacia la parte trasera del vehículo. Las mismas son típicamente cerradas hacia la parte alta, la parte baja, a la derecha y a la izquierda del vehículo. En un ejemplo representado en la Figura 1, la barrera delantera tiene un orificio 19 que permite el escape del aire cuando el dispositivo de absorción de energía se descompone.

Las celdas 15, consideradas en secciones perpendiculares en la dirección longitudinal, pueden tener cualquier tipo de formas. En el ejemplo de la figura 1, las mismas son sensiblemente cuadradas o rectangulares. Estas pueden ser igualmente hexagonales, triangulares, circulares, ovalas, etc.

La figura 2 es una gráfica que muestra la evolución de la fuerza de resistencia a hundimiento (ordenado, expreso en kilo néwtones, kN) en función de la deformación del material bajo el efecto de desplazamiento del objeto impactado (abscisa, expresa en milímetros, para cada una de las zonas 11 y 13. La Figura 2 contiene varias curvas, cada curva corresponde al comportamiento de las zonas 11 o 13 a una temperatura ambiente diferente. Estas curvas se han hecho para los dispositivos de absorción de energía con una matriz de copolímero de propileno-etileno, cargada con fibras de vidrio largas al 7.5%.

Como se puede ver en la figura 2, todas las curvas tienen una primera sección un poco inclinada entre 0 y 50 mm, seguido por una parte frontal 21 fuertemente inclinada, cerca de la vertical. La sección ligeramente inclinada corresponde a un momento o al objeto que impacta la cara delantera que no ha alcanzado las estructuras rígidas de la cara delantera. Cuando este objeto alcanza la estructura, la fuerza de resistencia aumenta espontáneamente, lo que corresponde a la parte frontal 21. Cuando el objeto carga la cara delantera con una carga superior a la tara de las zonas que forma el dispositivo de absorción de energía, estas zonas se deforman progresivamente, de manera que la fuerza de resistencia de estas zonas disminuye. En la figura 2, la altura de la parte frontal 21 corresponde a la tara del dispositivo de absorción de energía.

Entre -30° y 20°C, la tara queda comprendida entre 150 kN y 170 kN. No se observa ningún pico superior a 170 kN, de manera que la caja del vehículo, notablemente los largueros superiores e inferiores, son perfectamente protegidos. Estos valores elevados permiten igualmente una absorción eficaz de energía. Entre 50 y 80°C, el dispositivo de absorción se vuelve más flexible, conservando la tara superior a 100 kN. La estructura de la caja es siempre perfectamente protegida y la energía es suficientemente absorbida.

Asimismo, los dispositivos de absorción de impacto descritos anteriormente muestran un comportamiento remarcablemente homogéneo en comparación con la temperatura ambiente.

Esto se debe al hecho de que la añadidura de fibras en cantidad reducida indujo un comportamiento particular del dispositivo de absorción de impactos. A baja temperatura, y a temperatura ambiente, la matriz se rompe de manera muy progresiva, en un modo frágil. El material se cohesiona muy progresivamente desde la parte delantera a la parte trasera del vehículo, sin ruptura brutal del dispositivo de absorción. Un tal modo de deformación autoriza una disipación muy eficaz de energía y permite obtener una tara estable a temperatura, apenas inferior a la tara nominal de los largueros. A temperatura alta, la tara disminuye ligeramente, pero en proporciones inferiores a aquellas del material de polímero que constituye la matriz.

En efecto, como lo muestra la figura 3, un dispositivo de absorción de energía que tiene la misma estructura que la de las zonas 11 y 13 de la figura 1, tarado para ofrecer una resistencia de aproximadamente 150 kN a temperatura ambiente, ofrece una resistencia al aplastamiento que varía de manera significativa en función de la temperatura. La curva de la figura 4 se ha establecido para un dispositivo de absorción de polipropileno. La tara disminuye de manera regular con la temperatura. A 80°C, la tara no es más de 70 kN, lo que es insuficiente para absorber la energía que resulta de un impacto. El objeto que impacta la cara delantera está en riesgo de entrar en colisión con la estructura de la caja y de ocasionar daños irreversibles. Al contrario, a -20°C, el dispositivo de absorción de energía es mucho más rígido (tara de aproximadamente 280 kN). La tara del dispositivo de absorción de energía se vuelve superior a la tara de los largueros, de manera que estos largueros se deformarán antes de absorber la energía.

El modo de deformación de los dispositivos de absorción de energía de la invención es diferente al modo de los dispositivos de absorción de energía hechos de polímero dúctil no cargado. Estos últimos se deforman por flameado y más precisamente por sujeción. En este método de deformación, la estructura forma pliegues de tipo botella de plástico que se aplasta.

Se debe notar que los dispositivos de absorción de impactos de un material que contiene una matriz de material plástico y una concentración elevada de fibras de alto rendimiento, por ejemplo más de 15% de fibras de alto rendimiento, no ofrece un comportamiento satisfactorio. El material es extremadamente quebradizo a temperatura baja y mediana, notablemente entre -30°C a +20°C. El material ahora no es apto para disipar la energía eficazmente; el mismo se hunde brutalmente y se divide en varios pedazos.

En el ejemplo de la modalidad de la figura 1, las barras inferiores y superiores pueden ventajosamente ser hechas de un material diferente al material de las jambas. En efecto, el registro de las cargas de las barras es diferente al registro de los dispositivos de absorción de energía. Las barras superiores e inferiores son destinadas a absorber la energía sobre toda la caja de velocidades del vehículo y se opone a la intrusión y mantiene la integridad de la estructura.

En un ejemplo de la modalidad, las barras inferiores y superiores son de un material hecho de una matriz idéntica a la matriz de las jambas 7 y un elastómero, por ejemplo EPDM.

En este caso, la estructura puede ventajosamente ser hecha de material. La misma es, por ejemplo, obtenido por bi-inyección o co-inyección de las jambas y de las barras en un mismo molde. Se entiende por bi-inyección, una inyección realizada en un molde que contiene orificios de inyección diferentes, cada uno dedicado a uno de los materiales a inyectar. Se entiende por co-inyección, una inyección en el molde que contiene un orificio de inyección único, los dos materiales son inyectados sucesivamente en el molde.

En otro ejemplo de la modalidad, las barras superiores e inferiores pueden ser hechas de un primer material que contiene una matriz en un primer material plástico, las jambas estaban hechas de un segundo material diferente al primer material y contiene una matriz que constituye de un segundo material plástico diferente al primer material plástico. En este caso, es ventajoso que el primer y el segundo material tengan cada uno un aditivo de acoplamiento técnico del primero y segundo material plástico, proporcionado para reforzar la unión de las jambas con las barras superiores e inferiores. Por ejemplo, el primer material plástico puede ser hecho de poliamida, y el segundo material plástico es hecho de polipropileno o al revés. Se conocen aditivos que permiten el acoplamiento químico de los materiales plásticos.

En todo caso, la estructura obtenida se hace por inyección. Esto permite integrar fácilmente en la estructura, zonas funcionales tales como de soporte sobre el proyector, una cara delantera técnica, zonas formando el soporte estructural de la piel del escudo o el accesorio tales como faros de niebla, calandrias, alerones controlados, etc.

En una variante, es posible inyectar por separado las jambas y las barras superiores e inferiores y solidarizarlos en seguida una con la otra. Es igualmente posible proporcionar en la estructura de potros plásticos o metálicos, formando una armadura sobre la cual se inyectan en seguida las jambas y las barras superiores e inferiores.

En la modalidad de la figura 5, los dispositivos de absorción de energía 31 no son integrados a una estructura de la cara delantera.

La cara delantera tiene, por ejemplo, en este caso una barra 33, por ejemplo metálica, los dispositivos de absorción de energía 31 son interpuestos entre dos partes laterales 35 de la barra 33 y los largueros 37 del vehículo. Cada uno de los dispositivos de absorción de energía 31 es una estructura alveolar del tipo descrito anteriormente, constituida de un material con un material plástico dúctil y las fibras de alto rendimiento.

Por ejemplo, cada dispositivo tiene cuatro filas de tres alveolos. La cara delantera puede notablemente contener placas, no representadas en la figura 5, fijadas por una primera cara grande, cada una tiene un larguero 37, el dispositivo de absorción de energía es rígidamente fijado a una segunda cara grande de la placa. Los largueros 37 pueden ser los largueros principales del vehículo. Los mismos pueden ser igualmente los largueros inferiores del vehículo.

Los dispositivos de absorción de energía descritos anteriormente y las caras, antes de integrar los dispositivos de absorción de energía, tienen múltiples ventajas.

Los dispositivos de absorción de energía tienen una masa reducida, por el hecho que son integralmente hechos de un material plástico cargado. Estos tienen un diseño sencillo y contienen solamente un número de piezas reducidas (una pieza por dispositivo de absorción de energía). Los mismos se obtienen fácilmente por ejemplo por inyección.

Las caras delanteras integrantes de estos dispositivos de absorción de energía, notablemente cuando comprenden un cuadro del tipo descrito relativamente en la figura 1, son particularmente de simple fabricación y montado. Es notablemente posible integrar múltiples zonas funcionales de estas estructuras.

Los dispositivos de absorción de energía presentan una tara remarcablemente estable en temperatura.

Los dispositivos de absorción de energía se han descrito anteriormente para la absorción de impactos de intensidad mediana. Por consiguiente, se pueden tarar para absorber la energía de los impactos de la intensidad más baja a la más alta.

Estos dispositivos de absorción de energía se pueden utilizar no solamente en una cara delantera del vehículo automotriz pero igualmente en la parte posterior o en cualquier zona de un vehículo en donde sea necesario absorber una energía tarada.

En la modalidad de la figura 1, las jambas 7 pueden ser integralmente realizadas del material adaptado para las zonas que forman los dispositivos de absorción de energía 11 y 13. Alternativamente, las jambas 7 pueden contener zonas constituidas del material adaptado para las zonas 11 y 13 y otras zonas constituidas de un otro material, por ejemplo material de las barras 3 y 5.

Los dispositivos de absorción de energía de la invención se han descrito relativamente con la figura 1 como constituyentes de las zonas de una estructura con dos barras y dos jambas. Estos dispositivos pueden constituir de zonas de una estructura que tiene varias formas, y no tiene solo una barra o más de dos barras o tiene cualquier otra forma.

Asimismo, los dispositivos de absorción de energía se han descrito con relación a la figura 5 como si fueran bloques integrados entre una barra metálica y los largueros del vehículo. Estos bloques pueden ser integrados en las caras delanteras constituidas de manera diferente.

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo de absorción de energía para un vehículo automotriz, el dispositivo de absorción de energía (11, 13, 31) tiene una estructura prevista para deformarse plásticamente bajo efecto de impacto de energía dada absorbiendo una parte de la energía del impacto, la estructura tiene un material que comprende: - una matriz de un material plástico dúctil; - fibras de alto rendimiento integradas en la matriz, la mayoría de las fibras tienen una longitud de entre 0.1 y 10 mm y el material comprende entre 2% y 10% en peso de las fibras de alto rendimiento.

2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque el material comprende entre 5 a 9% por peso de las fibras de alto rendimiento.

3. Dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2 caracterizado porque las fibras de alto rendimiento son fibras de vidrio, de carbono o de aramida.

4. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la matriz es una poliolefina o una poliamida, un poliéster saturado o un polímero de estireno, o un policarbonato o una aleación de uno o varios de estos materiales.

5. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la mayoría de las fibras presentes tienen una longitud comprendida entre 0.1 a 7 mm.

6. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la estructura es una estructura alveolar que comprende una pluralidad de paredes (17) que definen un conjunto de celdas huecas (15) yuxtapuestas.

7. Cara delantera de vehículo automotriz, la cara delantera comprende una barra rígida (33) que tiene partes laterales (35) colocadas en la prolongación longitudinal de los largueros (37) del vehículo y al menos un dispositivo de absorción de energía (31) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes interpuesto longitudinalmente entre uno de los largueros (37) y una de las partes laterales (35) de la barra (33).

8. Cara delantera del vehículo automotriz, la cual comprende una estructura rígida (1) que contiene: - una barra transversal superior (3); - una barra transversal inferior (5); - jambas verticales (7) conectadas a las barras superiores e inferiores (3, 5) una a la otra y proporcionadas para tener apoyo sobre los largueros del vehículo, al menos una de las jambas verticales (7) tiene una estructura de absorción de energía (11, 13) de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 6.

9. Cara delantera de acuerdo con la reivindicación 8 caracterizada porque la estructura rígida (1) esta hecha por inyección.

10. Cara delantera de acuerdo con la reivindicación 8 o 9, caracterizada porque las barras superior e inferior (3, 5) son hechas de un primer material que tiene una matriz hecha de un primer material plástico, las jambas (7) son hechas de un segundo material diferente al primer material y tienen una matriz hecha del primer material plástico.

11. Cara delantera de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizada porque las barras superior e inferior (3, 5) son hechas de un primer material que tiene una matriz de un material plástico y un elastómero de copolímero.

12. Cara delantera de acuerdo con la reivindicación 8 o 9, caracterizada porque las barras superior e inferior (3, 5) son hechas de un primer material que tiene una matriz hecha de un material plástico, las jambas (7) son hechas de un segundo material diferente al primer material y tiene una matriz constituida de un segundo material plástico diferente al primero, el primero y segundo material comprenden un aditivo de acoplamiento químico del primero y segundo material plástico, proporcionado para reforzar la unión de las jambas (7) con las barras superior e inferior (3, 5).