TWI779111B - 用於小客車的共用安全區 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種用於具有替代動力系之小客車的被動安全區,其由乘客以及能量源共用,其中該被動安全區之主要組件將小室單元作為一個區來保護。
Description
本發明係關於一種用於具有替代動力系之小客車的被動安全區,其由乘客以及能量源共用,其中該被動安全區之主要組件將小室單元作為一個區來保護。
1886年,Gottlieb Daimler發明的機動車架,及Karl Benz發明的機動車輛,將汽車確定為一種新的乘客用私人運輸技術。在起始的數十年內,機動車輛顯然衍生自馬車車架及四輪大馬車。因此,此類汽車構造之安全亦採納自較慢馬車車架,且伴隨其全部的其他運動行為。一個新現象係例如歸因於前方缺失馬而發生之前方碰撞,及對於駕駛員及輔助駕駛員的直接及致命影響。此為1920年代仍產生致命事故之原因,由於轉向的構造方式:一個較長轉向柱,其在前方碰撞期間表現得如同長槍。此外,側面碰撞係新經歷。因此,需要發明、核准及插入新構造方法,以保證機動車輛的乘客安全。
1930年代及1940年代的被動安全概念之兩個實例係DE專利申請案767715C中描述之X管形框架或自DE專利申請案742977C之平台框架。Bela Barenyi開發了其分離車身(DE704477C、DE834048C)及區結構設計(DE810924C、DE826699C、DE835843C、DE820380C),其係現代安全汽車概念的先驅,且因此彼等概念可評定為舊與新安全汽車概念之間的橋樑。作為當今安全汽車概念之中間階段,可提及具有其橫向隔框(b柱)的專利申請案 DE828485C及DE933372C,及中心縱向橫樑之發明(DE755321C、DE683885C、DE741448C)。此外,橫向牆在乘客前方及後方之整合(DE841852C、DE823698C、DE973838C)在現今的小客車中已為吾人所熟知,且表示後來開發之乘客區的一個步驟。朝向此方向之進一步步驟係專利申請案DE885204C、DE947856C或DE843503C。
直至1950年代,小客車之一大缺點係自材料視點,縱向中心線之強度在車輛全長上幾乎相同之情況。Bela Barenyi在其DE專利申請案854157C中界定了具有汽車之最高強度水平的乘客區室。強度在車輛前端及後端方向恆定或逐漸減小。藉此發明了用於小客車的安全區,以用於在事故或碰撞情境期間保護乘客。此後,汽車之前端及後端區室被稱為可變形區域。Bela Barenyi再次使用區結構設計,且提及將中心區用於更高強度乘客區,及外部區用於較軟前端及後端區室。此外,其界定預定破壞點,以產生對於安全區及內部乘客之進一步保護。藉由加入DE專利申請案DE1157935B中指出之變形構件(當今被稱為碰撞方塊),當今仍原則上應用被動安全概念。
此後,目前先進技術乘客安全區之設計或多或少定向於車輛之縱向。實際上,46%事故發生為前端碰撞,另外27%為後部撞擊,因此,全部事故之73%係縱向撞擊[2]。然而,在此研究中分析之159.994次事故中的53%在發生時具有<20km/h的速度v,另外38%的速度範圍在21v46km/h之間。但對於具有>64km/h之速度v的2%事故,側面撞擊之數目增加過多,其中彼等側面撞擊之26%示出致命影響,再加上具有各自後果的57%。側向碰撞存在特殊挑戰,即由於局部接近側面撞擊區域(例如,門或b柱)而無法實施支援性主動安全系統,如約束系統。常見構造方式係增加此區域中之汽車剛度,且使用之前提及之具有更高強度材料的安全乘客區。對於汽車客戶,乘客安全具有購買指標之最高重要性,在類別「極其重要」中佔據95%比例[1]。
但乘客安全區係為具有燃機及其周圍組件的小客車而開發。替代性動力系概念,其在作為轉換或用途設計獨立建構,使用相同乘客安全區,但其組件作為安裝部分整合至已確定的構造方式中。作為結論,乘客仍直接受乘客區室保護,但完全未考慮歸因於碰撞後果的間接風險。此類後果可能為電池電動車輛(Battery Electric Vehicle;BEV)或混合式電動車輛(Hybrid Electric Vehicle;HEV)之車輛電池的損壞,具有隨後的自燃、短路危險、電池液體洩漏及功能損失(用於修復或更換的成本、工作量)。對於燃料電池車輛(Fuel Cell Vehicle;FCV)或燃料電池混合式車輛(Fuel Cell Hybrid Vehicle;FCHV)可指出相同事實。目前先進技術,替代動力系之能量源並不為被動安全之一部分,此係因為此等系統並不整合於乘客區室中以連同乘客保護它們。藉由亦保護替代動力系之能量源,乘客以及諸如急救小組之其他人員受間接保護,此係因為可避免關於能量源失效,如火災、電池液體接觸或電擊之事故。「事故後行為」係安全管理的一個重要子系統,但其對於具有替代動力系之小客車具有進一步開發潛力。
即將到來的一個挑戰係自動駕駛之主題,其中乘員在小客車內具有增加之自由度。因此,在每一可能撞擊方向上保護乘客之要求亦顯著增加。現存載荷路徑影響可丟失或故障,且必須由多向系統增強,以用於汽車之每一弱點。尤其對於自動駕駛之主題,設計高強度安全區就安全而言並不足夠。加速度力(「g力」)必須被減小,以產生乘客及替代動力系系統可忍受的撞擊後果。
此處提及之全部點係被動安全,或亦稱作事故緩解的一部分。乘員保護分為不同撞擊方向。
本發明之目標係消除先前技術之若干缺陷,且實現用於替代動力 系的小客車,其具有由乘客以及能量源共用以將小室單元作為一個區來保護的整合式安全區。小客車以如下方式設計:在該汽車之橫向以及高度方向上,該安全系統如同一組合彈簧系統般工作,而該安全區域如同塊上之一彈簧般工作(「安全區域」),且在該安全區周圍至該外側之該等區域如同一壓縮彈簧般工作(「能量吸收區域」)。該效果亦可任選地傳輸至縱向側,其自提及之專利申請案或多或少地已知。安全區配置於汽車之前軸與後軸之間,且包括先前乘客區室,且亦包含具有驅動技術及其能量儲存系統的能量源。若驅動技術之單個、個別組件在碰撞時非關鍵且關於封裝、設計、組裝或修復更易處理,則可以視情況將其配置於安全區外部。
該安全區可視情況設計為若干內室,以將乘客與引擎分離。在此狀況下自船已知但此處為水平定向之艙壁可將不同空間彼此分離。藉由此構造方式,安全區根據UN R94及R95標準確保物理保護,以防止人員觸碰完全覆蓋的高電壓組件(IPXXB保護)。此外,無高電壓組件可自電動車輛拆卸。此外,根據FMVSS 305,無高電壓組件侵入實際乘客區室中。
為使得小客車之構造能夠在之前指出之方式中作為組合彈簧系統工作,較佳地使用金屬材料用於安全區,更佳地使用具有高強度及超高強度特性的鋼或不鏽鋼,藉此用於安全區的材料與用於周圍部分的材料之間的屈服強度比率為:rRP0.2=安全區之RP0.2/周圍部分之RP0.2 2.0,更佳地在2.5rRP0.2 3.5之間。
由於安全區不允許變形之事實,較佳地藉由屈服強度設計本發明之車輛,且尤其安全區。總結屈服強度在安全區域中相對於周圍部分(「能量吸收區域」)顯著更高,該等周圍部分設計為顯著更低。藉此,視情況將周圍區域再次細分為不同屈服強度區域可係合適的。較佳地,屈服強度朝向車輛的 關於以下全部車輛方向的末端減小:x軸(車輛之縱向)、y軸(橫向)及z軸(高度方向)。藉此,不同強度可穩定且持續地減小,例如,藉由恆定強度水平材料或多種經熱處理之材料的連續厚度減少,或不連續且間歇地減小,例如,藉由合併不同強度材料、可撓性捲軋式材料或定製產品,諸如定製焊接坯料、定製黏合坯料或定製回火材料。
較佳地,關於碰撞行為、修復成本及使用期間,及關於簡單及成本效率的構造設計態樣,本發明之構造被配置於周圍區域的逐漸階段。提及之周圍區域構造方式可藉由具可調整彈簧特徵或彈簧應變率之壓縮彈簧的物理效應描述。彈簧應變率,亦被稱作彈簧剛度或彈簧硬度,界定影響彈簧之力與因此激發的彈簧位移之比率。作為SI單位的彈簧應變率D可藉由使用方程式(1)計算:D=F/△L=(E * A)/L0,其具有物理單位N m-1=kg s-2(1)
其中F[kN]係壓縮力,或此處更詳細地,進入車輛的衝擊力;△L[mm]大體係彈簧變形,且在此狀況下係周圍部分達到塊長度之前的收縮;E係取決於材料的楊氏模數[N/m2],A係彈簧(系統)之截面積,且L0係彈簧(系統)之初始長度,且在本發明之情況下更詳細地係碰撞之前周圍部分在初始狀態下的尺寸。以下L0被稱作「長度變形區域」(LD)。
根據線性的、漸進或漸減彈簧應變率之特定車輛構造而定,可吸收侵入物體。線性的彈簧應變率對應於周圍部分之恆定強度水平。非線性漸進彈簧特徵對應於朝向車輛末端的減小強度,其視車輛構造而穩定或間斷變化。在此狀況下能量首先被吸收,且在末端產生針對撞擊的高抵抗。相反地,若初始需要高抵抗,則可使用漸減彈簧特徵,且隨後能量將在周圍部分內被吸收。所描述周圍部分彈簧效果可設置為不同配置,以達成剛度與能量吸收之最佳組合:
˙平行配置
˙串聯配置
˙組合配置
描述碰撞期間周圍部分行為的一個其他參數係彈簧變形,其描述加壓(螺旋形)彈簧,如同彈簧可自初始未負載狀態覆蓋至捲繞繞組時之狀態般。結束狀態係稱為塊長度。彈簧變形可解譯為周圍部分之最大入侵水平,且取決於用於側面區域(y軸)或用於車身底板及車頂構造(z軸),或亦用於前部或後部構造(x軸)之可使用封裝。彈簧變形越高,則能量吸收越高,且安全區上及其內部之乘員及能量儲存上之力及加速度越低。作為本發明之尤其有利的彈簧特徵設計,可提及錐形螺旋壓縮彈簧或具相同操作原理之系統,其優勢在於界定的塊長度及低封裝需要以及高能量吸收潛力(低彈簧應變率)。
作為本發明較佳使用之材料,高強度不鏽鋼,更佳地具顯著應變硬化效果的更高強度奧氏體不鏽鋼,係用於安全區。作為本發明之理想實施例,使用具有屈服強度RP0.2 500MPa,更佳地RP0.2 800MPa,及抗拉強度Rm 1,000MPa之鋼,其中屈服強度與抗拉強度之間比率65%,更佳地75%。另一較佳材料由壓製可硬化,或亦稱為可熱成形的硼錳合金鋼組,如22MnB5表示,其可在熱形成期間硬化至1250至2200MPa之間的抗拉強度水平。與熱處理相同,如1.4034之麻田散體不鏽鋼適合於產生RP0.2 1200MPa以及Rm 1800MPa之機械特性,且因此達成高剛度、不可變形安全區之目標。尤其相較於本發明,不鏽鋼組表明增加之可能性:其熱、酸及腐蝕抗性使安全區擴充額外益處,且進一步藉由此等特性保護乘員以及能量源。
本發明方法可適用於自「小型汽車」起至「緊湊類」及「中檔段」至「豪華類」「貨車」或「SUV」之全部類別車輛。根據ECIE(歐洲汽車製造商資訊交換小組-17期)之不同尺寸,如汽車長度(L103)、軸距(L101)或離 地間隙(H157)相對於車輛類別變化,但不影響本發明之系統。此外,乘客相關尺寸,如作為乘客臀部點至腳跟接觸水平面垂直距離的椅子高度H30並不受本發明影響,其允許車身工程師關於車輛設計及內部空間配置之進一步自由度。
根據本發明之方法,乘客佔據更高座位高度,由於增加之概觀而直接輸入間接安全性。關於過去幾年歐洲國家之SUV趨勢,此特徵為乘客提供便利感。此外,乘客相對於更低配置之負載路徑(由如前部及後部碰撞方塊、橫向及縱向樑等組件表示)的更高位置亦構成增加之安全水平。在碰撞期間,乘客及安全區下方可能衍生衝擊力。可藉由減震器汽車之實例說明該機制。與DE專利申請案885818C相反,本發明方法未示出懸伸元件,實際上其自外側係閉合單元,其中安全區完全嵌入能量吸收周圍區域中。可藉由卡車給出額外實例,其中在碰撞期間,燃機自機櫃下方導出,藉此藉由其更高就座位置,乘員係安全的。此外,本發明之配置亦在側面撞擊情形期間提供更高安全水平,此係因為入侵並不直接進入乘員身體水平面(門側撞擊橫樑或B柱中間部分),實際上相關於如障礙物、桿或其他具較低配置之碰撞方塊的車輛的潛在侵入元件的更高座位位置允許將衝擊力導出為遠離乘客,而不撞擊至乘客的水平面。此外,由於相對於燃機之減小數目的組件,替代動力系允許車輛設計者視情況在縱向(x軸)構建更短車輛長度。此事實可關於停車位情況對城區產生益處。在替代動力系具有例如電池區室內之重型電池組時,車頂結構成為增加之安全需求。在翻車下,電池組件之整個重量作用於車頂結構,其必須穩定而不彎曲以保護乘客。在本發明之方法亦考慮此事實:對於車頂結構,安全區亦定義為由能量吸收區域包圍的不可變形區。一個較佳建構方式可為自敞篷車中已知的翻車保護杠的整合,其中翻車保護杠可連接於安全區之車頂與車身底板結構之間,以進一步支撐不可變形安全區域。關於z軸(高度方向)之另一撞擊方向,車身底板撞擊,安全區下方之能量吸收區域允許吸收如桿、障礙物或尖銳及縱切元件 的侵入元件,而不損壞安全區且因此不損壞內部之能量源組件。一般而言,藉由本發明之安全概念,為設計工程師提供新的設計機會。
藉由調整及縮放,本發明亦適用於其他類型之電動乘客或貨物運輸車輛,諸如公共汽車、人員搬運車,商用車輛或包裹遞送車。進一步,本發明適用於其他類型的傳送系統,其中乘客及能量源必須共同受保護,如自動駕駛汽車、計程車、小型公共汽車或貨車。此外,本發明之方法可部分適用於具有燃機的車輛或具有燃機的混合式汽車,其方式為其單獨特殊部分如同燃料槽般整合至安全區中。
2‧‧‧安全區/安全區域
3‧‧‧乘客
4‧‧‧能量源
5‧‧‧較軟區域
6‧‧‧碰撞之後的車輛尺寸
7‧‧‧碰撞之前的車輛尺寸
8‧‧‧縱切物體
LD‧‧‧長度變形區域
LB‧‧‧塊
WD‧‧‧寬度變形區域
WB‧‧‧塊
WBC‧‧‧尺寸
HD‧‧‧高度變形區域
HB‧‧‧塊
HBC‧‧‧尺寸
H157‧‧‧離地間隙
參考以下附圖更詳細地說明本發明,其中:圖1示出本發明之一個較佳實施例,其示意性地自側視圖所見,圖2示出本發明之一個較佳實施例,其示意性地自前視圖所見,圖3示出本發明之一個較佳實施例,其示意性地自前視圖所見,圖4示出本發明之一個較佳實施例,其示意性地自前視圖所見,圖5示出本發明之一個較佳實施例,其示意性地自前視圖所見,圖6示出本發明之一個較佳實施例,其示意性地自前視圖所見,圖7示出本發明之一個較佳實施例,其示意性地自前視圖所見。
圖1說明作為組合彈簧系統的汽車在縱向(x軸)上之構造方式,其中(如自目前先進技術已知)較軟區域5如同壓縮彈簧般作為能量吸收區域工作,且因此被稱為在安全區2周圍至外側的「長度變形區域」(LD)。安全區域2如同塊LB上之彈簧般工作,以保護乘客3以及能量源4,且因此被稱為「安全區 域」。
圖2說明用於替代動力系的小客車之較佳的設計實施例,其中不可變形的安全區2在橫向(y軸)及高度方向(z軸)上被較軟區域5包圍,該等較軟區域如同壓縮彈簧般工作以吸收碰撞能量。
圖3說明作為組合彈簧系統的汽車在橫向(y軸)上之構造方式,其中較軟區域5如同壓縮彈簧般作為能量吸收區域工作,且因此被稱為在安全區2周圍至外側的「寬度變形區域」(WD)。安全區域2如同塊WB上之彈簧般工作,以保護乘客3以及能量源4,且因此被稱為「安全區域」。
圖4說明在橫向碰撞(y軸,側面撞擊)期間的行為,其中碰撞之後的車輛尺寸6與碰撞之前的車輛尺寸7有關。尺寸WBC界定整個(組合)彈簧系統在碰撞之後的塊長度。
圖5說明作為組合彈簧系統的汽車在高度方向(z軸)上之構造方式,其中較軟區域5如同壓縮彈簧般作為能量吸收區域工作,且因此被稱為在安全區2周圍至外側的「高度變形區域」(HD)。安全區域2如同塊HB上之彈簧般工作,以保護乘客3以及能量源4,且因此被稱為「安全區域」。
圖6說明在由車身底板撞擊引發的高度方向(z軸)碰撞期間的行為,其中碰撞之後的車輛尺寸6與碰撞之前的車輛尺寸7有關。尺寸HBC界定彈簧系統在由於如同桿、障礙物或其他縱切物體8之車身底板撞擊而碰撞之後的塊長度。
圖7說明在由車頂結構撞擊(翻車)引發的高度方向(z軸)碰撞期間的行為,其中碰撞之後的車輛尺寸6與碰撞之前的車輛尺寸7有關。尺寸HBC界定彈簧系統在碰撞之後的塊長度。
來源:
[1]H.-H.Braess、U.Seiffert:Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik,6.Auflage,ATZ Vieweg Teubner,2011年。
[2]M.Buchsner:基於自動駕駛將乘員安全系統整合至座位環境,演示於柏林舉行的第2屆座椅創新峰會(2017年4月6日)。
2:安全區/安全區域
3:乘客
4:能量源
5:較軟區域
LD:長度變形區域
LB:塊
Claims (12)
- 一種用於替代動力系的小客車,其具有一整合式的安全區(2),其中該安全區(2)由乘客(3)以及能量源(4)共用,以將由一較低強度能量吸收區域包圍之小室單元作為一個區來保護,其特徵在於,該安全區(2)以如下方式設計:在汽車之橫向以及高度方向上,安全系統(2)如同一組合彈簧系統般工作,而該安全區(2)如同塊上之一彈簧般工作,且在該安全區(2)周圍至外側之區域如同一壓縮彈簧般工作。
- 如請求項1所述之用於替代動力系的小客車,其中除該橫向及該高度方向以外,該汽車之縱向側亦設計為一組合彈簧系統,而該安全區(2)如同該塊上之一彈簧般工作,且在該安全區(2)周圍至該等外側之該等區域如同一壓縮彈簧般工作。
- 如請求項1所述之用於替代動力系的小客車,其中該安全區(2)配置於該汽車之前軸與後軸之間。
- 如請求項1所述之用於替代動力系的小客車,其中藉由使用艙壁,該安全區(2)係分離成至少兩個內室,以較佳沿一水平定向將該等乘客與引擎分離。
- 如請求項1所述之用於替代動力系的小客車,其中該安全區(2) 之周圍區域經設計為碰撞吸收元件,其如同一壓縮彈簧般工作。
- 如請求項1所述之用於替代動力系的小客車,其中周圍區域係用彈簧鋼,更佳用奧氏體不鏽彈簧鋼製成。
- 如請求項1所述之用於替代動力系的小客車,其中車身底板及動力系組件之周圍元件係用不鏽鋼,更佳用具有較高耐熱及耐酸性的不鏽鋼製成。
- 如請求項1所述之用於替代動力系的小客車,其中車輛係一自動駕駛汽車、一計程車、公共汽車或一廂式車,其中乘客及能量源在一個安全區(2)中一起受保護。
- 如請求項1所述之用於替代動力系的小客車,其中車輛由一燃機或混合燃機提供動力,且其單個部分係整合於該安全區(2)中。
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