NO168880B - Energiabsorberende konstruksjon for opptak av anslagsenergi samt fremgangsmaate ved fremstilling av denne - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører energiabsorberende konstruksjoner anvendt i sammenstillinger utsatt for anslagsbe-lastninger for å kontrollere omfang av skader påført slike sammenstilte konstruksjoner og for å beskytte passasjerer eller innhold av disse. Mer spesielt vedrører oppfinnelsen energiabsorberende konstruksjoner innlemmet i karosseri til motorvogner for å oppta anslagsenergien og en fremgangsmåte ved fremstilling av slike konstruksjoner.

Det stadig økende antallet av veiulykker førte til utvikling av det nåværende grunnkonseptet for bilkarosseri omfattende stiv kabin for besetning og deformerbare karosserideler med høy energiopptaksevne plassert foran og bakom kupéen.

Aluminium og Al-legeringer, takket være utmerkede korrosjons-egenskaper, god ekstrudering, høy duktilitet og lav spesifikk vekt er følgelig et naturlig materiale å velge for fremstilling av karosserideler for bilene. Den spesifikke masseenergi-absorbsjon for en aluminium profil som har en stivhet til-svarende stålplatekonstruksjon hittil anvendt som energiabsorberende materiale i biler, kan imidlertid være opptil to ganger så høy. Denne vesentlige høyere spesifikke energiabsorbsjon i et materiale anvendt i fremre deler på en bil vil medføre at bilens besetning vil være utsatt for høyere krefter i forbindelse med en frontal kollisjon. Dette betyr at for å oppnå en fullstendig kontroll med energiopptak og det progressive sammenbrudd av deformerbare karosserideler, noe som sikrer en tilstrekkelig retardasjonbane slik at den fysiske kapasiteten av menneskekropper til å overleve en plutselig stans ikke overskrides, kan man simpelthen ikke bare gå over til bruk av f.eks. ekstruderte aluminiumspro-filer som energiabsorberende konstruksjoner.

Fra teknikkens stand kjenner man til flere måter å angripe dette problem på, f.eks. ved å fremskaffe flere individuelle seksjoner med forskjellige materialegenskaper koblet sammen ved hjelp av mekaniske midler eller anvendelse av forsterk-ningselementer anbragt på utsiden eller innersiden av ekstruderte profiler på forutbestemte steder langs en under-dimensjonert profil.

Disse løsningene medfører en nokså komplisert konstruksjon omfattende flere deler og derved nødvendigheten av en ar-beidskrevende samleoperasjon. Anvendelse av profilen med et redusert tverrsnitt i det sist nevnte tilfellet vil også resultere i en nedsatt stivhet av konstruksjonen, noe som er uønsket for den vanlige behandling og funksjon av bilens karosseri.

Følgelig, det er et formål med den foreliggende oppfinnelse å fremskaffe en ny energiabsorberende konstruksjon som unngår de ovennevnte ulemper og samtidig tilbyr en enkel sammen-stilling/oppbygging av konstruksjonen. Dette og andre formål er i samsvar med den foreliggende oppfinnelse oppnådd ved fremskaffelse av et langstrakt bærende element slik det fremgår av den karakteriserende del av kravene 1 og 4 henholdsvis.

Oppfinnelsen blir nå i det etterfølgende beskrevet mer detal-jert ved hjelp av eksempler og foretrukne utforminger av elementet og dets fremstilling under henvisning til de vedlagte tegningene Fig. 1-2, hvor

Fig.l viser i et skjematisk tverrsnitt den energiabsorberende konstruksjonen, og Fig. 2 illustrerer grafisk den såkalte energi/banekurven for et varmebehandlet langstrakt bærende element utsatt for en økende anslagskraft. Fig. 1 viser skjematisk og i tverrsnitt fremre delen i en bil omfattende et langstrakt bærende element 1 som forløper fra en sidesvill 4 mot støtfanger 2. En hydraulisk anslagsdemper 3 anbragt mellom støtfangeren og fremre vange er et valgfritt tilleggsutstyr. Slike hydrauliske dempere installeres for å sikre at under kollisjon ved lave hastigheter, opptil ca. 5 km/timen, er hele anslagsenergien absorbert uten noen form for permanent deformasjon av det fremre bærende elementet. Anslag allerede ved relativt moderate hastigheter fra 15 til 2 0 km/timen vil resultere i en permanent deformasjon av konstruksjonen, særlig de fremre bærende elementene, noe som nødvendiggjør reparasjoner eller utskifting av de deformerte delene.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelsen ble det funnet ut at ved å varmebehandle på en spesiell måte fremre del 11 av det langstrakte fremre bærende elementet 1 laget av herdet Al-legering kan dens styrke vesentlig reduseres mens stiv-heten av hele elementet forblir uforandret. Samtidig vil duktiliteten øke slik at man oppnår en bedre formbarhet under deformasjon. På denne måten kan man oppnå en fullstendig kontroll med energiopptak (absorbsjon) f.eks. nesten 50% reduksjon av energiopptak i deformasjonssonen 11 sammenlignet med utgangstilstand på materialet.

Eksempel 1

Rør med diameter på 3 0 mm og veggtykkelsen på 2 mm ble ekstrudert av Al-legering 6060 (AlMgSi 0,5) og herdet ved 185°C for 4 timer til en strekkfasthet på 230 N/mm<2>. Serier av prøver ble i det etterfølgende utsatt for en overeldnings varmebehandling ved 350°C for en periode fra 5 til 30 minutter og material-styrken ble målt - se tabellen.

Kompressjonstester ble utført på rørene varmebehandlet på den ovennevnte måte, høyde på rørprøvene var 100 mm. Man regist-rerte belastninger som var nødvendig å anvende for å redusere rørene ned til 30 mm behandlet ved de forskjellige tempera-turene. Mens en kraft på 4 0,7 kN var nødvendig å bruke på røret varmebehandlet for 5 minutter ble kraften redusert til 22,3 kN for rørene behandlet for 3 0 minutter, dvs. en kraftreduksjon på 45% (!).

Eksempel 2

En ekstrudert og varmebehandlet (eldet) Al-legeringsbjelke 1, som skjematisk avbildet i Fig. 2, har et fremre parti 11 som ble underkastet en overeldning, varmebehandling, f.eks. ved hjelp av en lokal induksjonsoppvarming av partiet. Bjelken ble så fastspent i en fikstur og aksialt belastet med kraft F som økte gradvis fra Fl til F3. Den resulterende progressive kompressjonsdeformasjonen av bjelken som starter ved belast-ningen F2 er begrenset til det overeldete fremre partiet 11. Bare ved en ytterligere belastning F3 begynner også det tilgrensede partiet 12 av bjelken å absorbere energien ved materialfolding. Det vedlagte kraftbane diagrammet hvor F markerer den anvendte kraften og deformasjonbanen illustrerer grafisk den oppnådde (resulterende) aksial deformasjon av bjelken.

De faktisk anvendte krefter for å oppnå den illustrerte energiabsorbsjon ved hjelp av en aksial kompressjonsdeformasjon av bjelken er ved siden av å være relatert til de ak-tuelle anvendte legeringstyper og varmebehandlinger også avhengige av fasongen på bjelken og dens dimensjoner. Det er viktig at den anvendte behandlingstemperaturen er såpass lav at det ikke fremkalles natural elding av noe slag etter denne varmebehandlingen slik at materialet består stabilt.

Det er innlysende at flere fordeler knyttes til energiabsorberende konstruksjonselementer fremskaffet i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Et helt enkelt-stykke element kan fremstilles i et trinn, f.eks. ved ekstrudering av en egnet utherdbar Al-legering, og videre differensiert varmebehandles slik at forskjellige deformasjonssoner fremstår langs bjelken. Under henvisning til Fig. 1 kan man således varmebehandle det fremre partiet 11 på det langstrakte elementet 1 for å redusere evnen til energiabsorbsjon med ca. 50% mens de etterfølgende partiene eller deformasjonssoner 12 og 13 vil beholde henholdsvis sin halvharde og harde (material) til-stand.

Under en kollisjon ved moderat hastighet, f.eks. under 35 km/timen vil bare det fremre partiet 11 være berørt og defor-mert ved kollisjon og kunne enkelt erstattes ved å skjære bort det skadede partiet og sveise et nytt parti 11 til de gjenværende partiene 12 og 13. Bare ved høyere anslagskrefter vil også partiene 12 og 13 absorbere anslagsenergi ved sam-menfolding, bøyning og/eller forvridning som vil kreve utskifting av hele energiabsorberende konstruksjonselementet.

Med bakgrunn i at oppfinnelsen i det foranstående er beskrevet ved hjelp av foretrukne utforminger er det åpenbart at modifikasjoner kan gjøres uten å avvike fra beskyttelsesom-fanget av oppfinnelsen slik det er definert i de vedlagte kravene. Således kan den viste energiabsorberende konstruksjonen også anvendes i f.eks. lastcontainere for å beskytte lasten fra skader eller i landingspalletter for å oppta anslagskrefter fra bakken.

Claims (4)

1. Energiabsorberende konstruksjon, særlig for motor-kjøretøyer, for opptak av anslagsenergi ved hjelp av en aksial kompressjonsdeformasjon omfattende et langstrakt bærende element (1), karakterisert ved at det langstrakte elementet (1) er en integrert metall-profil av vesentlig konstant tverrsnittsform som utviser varierende materialstyrke langs sin longitudinale ut-strekning frembragt av en differensiert varmebehandling.

2. Konstruksjon ifølge krav 1, karakterisert ved at det integrerte langstrakte elementet (1) er en ekstrudert profil av aluminiumlegering omfattende flere deformasjonssoner (11,12,13) som strekker seg etter hverandre i longitudinal retning og hvor sonene har undergått en individuell varmebehandling.

3. Konstruksjon ifølge krav 2, karakterisert ved at det langstrakte elementet (1) er et fremre bærende element i et vognkarosseri fremstilt av herdet aluminiumlegering og hvor den fremre deformasjonssone (11) er overeldningsbehandlet.

4. Fremgangsmåte ved fremstilling av et longitudinalt element egnet for opptak av anslagsenergi ved hjelp av en kompresjonsdeformasjon, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter følgende trinn: ekstrudering av en profil i en herdbar aluminiumleg- er ing, utherding av profilen ved hjelp av varmebehandling, og til slutt - overeldningsbehandling utført på begrenset parti av profilen.