CN112158159A - 一种汽车碰撞吸能盒 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车碰撞吸能盒，包括用于引导吸能芯体叠缩的导向装置和吸能芯体，吸能芯体设置在导向装置内，吸能芯体包括内薄壁圆管、外薄壁圆管和蜂窝元件，内薄壁圆管和外薄壁圆管同轴，蜂窝元件填充于内薄壁圆管、外薄壁圆管之间，内薄壁圆管、外薄壁圆管之间设置主干，主干与内薄壁圆管相交并沿内薄壁圆管向内侧形成分支，分支结束于与相邻分支的交点。本发明吸能盒的导向装置能够使得吸能芯体获得更加稳定和规则的变形模式，具有更高的比吸能和载荷效率，碰撞峰值力降低；在整个碰撞吸能过程中，冲击力非常平稳，大大提高了汽车的被动安全性，减低人员伤亡。

Description

一种汽车碰撞吸能盒

技术领域

本发明涉及吸能盒，具体为一种汽车碰撞吸能盒。

背景技术

交通事故发生时，汽车的被动安全防护装置是至关重要的。汽车纵梁前的吸能盒在较小的碰撞发生时，可以保护前纵梁不受损伤，节省维修费用；在较大碰撞发生时，可以吸收大量碰撞能，降低人员伤亡。

金属薄壁结构因具有质量轻和良好的耐撞性能，被广泛地运用到汽车、船舶、航天等领域。汽车的吸能盒就是采用金属薄壁结构，一般为光滑的圆截面管或方截面管。金属薄壁吸能构件主要是通过塑性变形来耗散激烈碰撞产生的冲击动能，在实际碰撞过程中，往往有多种破坏模式或者变形模式混杂在一起，具有不可预测和不可控制的特征。

理想的碰撞吸能盒需要满足如下条件：

(1)高的比吸能，即碰撞吸能盒吸收的总能量和自身质量的比值要大；

(2)小的碰撞峰值力，即吸能盒碰撞过程中产生的最大碰撞力要小；

(3)高的载荷效率，即吸能盒在碰撞过程中的碰撞力平均值和最大碰撞力的比值要大；

(4)稳定性高，优良的抗撞结构应当以稳定的破坏模式和可控的方式通过结构本身的塑性变形，尽可能地将不可逆转的碰撞动能转化成抗撞结构的变形势能，从而达到吸受动能，降低冲击速度，增大汽车的被动安全性。

传统的由钢或铝合金加工成的薄壁圆管或方管被广泛运用于汽车的碰撞吸能盒，但其存在的主要问题是初始屈服载荷远远高于其屈服后的承载力，在碰撞过程中它会把很大的初始碰撞峰值传递给汽车纵梁，威胁驾驶者和乘客的生命安全。现有的吸能结构尚未达到较好的吸能效果。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种能够同时满足高比吸能、高载荷效率要求的汽车碰撞吸能盒。

技术方案：本发明所述的一种汽车碰撞吸能盒，包括用于引导吸能芯体叠缩的导向装置和吸能芯体，吸能芯体设置在导向装置内，吸能芯体包括内薄壁圆管、外薄壁圆管和蜂窝元件，内薄壁圆管和外薄壁圆管同轴，蜂窝元件填充于内薄壁圆管、外薄壁圆管之间，内薄壁圆管、外薄壁圆管之间设置主干，主干与内薄壁圆管相交并沿内薄壁圆管向内侧形成分支，分支结束于与相邻分支的交点。

主干的数量为四个以上，均匀间隔设置，将内薄壁圆管、外薄壁圆管之间的空间。分支的截面形状为内凹八边形。分支的数量为两个以上时，分支的分叉角度逐渐减小。主干、分支均为薄板。蜂窝元件的截面形状为正六边形或圆形。

进一步地，导向装置包括圆环板一、圆环板二和多个负泊松比结构单元，负泊松比结构单元设置在圆环板一、圆环板二之间。负泊松比结构单元形成以圆环板一为轴心的圆环阵列，多个负泊松比结构单元首尾相连形成单元体，单元体由冲压制作。圆环板一、圆环板二互相平行且同轴，通过3D打印制成。为了便于吸能芯体的安装和固定，圆环板一、圆环板二均向其内壁侧延伸。

上述汽车碰撞吸能盒焊接在安装底板上，安装底板通过螺栓连接固定在防撞横梁上和纵梁上。

工作原理：当本发明设计的汽车碰撞吸能盒受到正面碰撞力时，底板将碰撞力同时传递给导向装置和吸能芯体，导向装置和吸能芯体均沿载荷作用方向发生塑性变形吸收能量，导向装置中具有负泊松比结构单元在沿载荷作用方向压缩变形的同时由于其负泊松比特性，还会发生一定程度的径向收缩，能够抑制吸能芯在变形过程中的横向膨胀，使得吸能芯体获得更加稳定和规则的变形模式，从而大幅度提升吸能盒的能量吸收效率和载荷效率。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

1、汽车吸能盒在吸能芯四周布有具有负泊松比结构单元的导向装置发生碰撞时，导向装置由于负泊松比结构单元的负泊松比特性，其既可以沿载荷作用方向发生塑性变形吸收能量，还能够产生径向收缩，进而抑制吸能芯在变形过程中的横向膨胀，使得吸能芯体获得更加稳定和规则的变形模式，具有更高的比吸能和载荷效率，碰撞峰值力降低；

2、汽车碰撞吸能盒与防撞梁采用螺栓连接方式，有利于在较小碰撞(防撞梁无损坏)的情况下，对防撞梁重复利用，只需更换吸能盒即可，节省了维修费用；

3、汽车碰撞吸能盒既可以与防撞梁联合使用，提高汽车的被动安全性，其吸能芯也可以作为独立的缓冲吸能材料，可用于各种需要吸能的装置上。

附图说明

图1是本发明的应用结构示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明吸能芯体2的结构示意图；

图4是本发明吸能芯体2的截面图；

图5是本发明导向装置1的结构示意图；

图6是本发明负泊松比结构单元103的局部放大图；

图7是本发明正向碰撞的力与位移曲线关系图。

具体实施方式

以说明书附图所示的方向为上、下、左、右。

如图1～2，汽车碰撞吸能盒的一端对称安装在防撞梁3的两边，汽车碰撞吸能盒的另一端则安装在纵梁上。吸能盒通过螺栓将有凹槽安装底板4与防撞梁3固连，吸能盒的另一端则是通过无凹槽的安装底板5与纵梁螺栓固连。防撞梁3与吸能盒螺栓连接，有利于在较小碰撞防撞梁3无损坏的情况下，对防撞梁3重复利用，只需更换吸能盒即可，节省了维修费用。吸能芯体2嵌套在导向装置1内。导向装置1和吸能芯体2同时焊接在安装底板5上。

如图3～4，蜂窝元件203填充在外薄壁圆管202与内薄壁圆管201之间被主干204分割的胞元内。蜂窝元件203的填充方式有全胞元填充式和间隔胞元填充式，全胞元填充式是将蜂窝元件203填充于所有的胞元内，间隔胞元填充则是相隔一个胞元填充蜂窝元件203。蜂窝元件203由沿内薄壁圆管201的轴线延伸的多个管状的金属柱焊接组成，该金属柱的截面形状优选为正六边形或圆形，还可以为其它形状，此处不做唯一限定，根据具体的情况和实际需求进行选择。外薄壁圆管202与内薄壁圆管201同轴，m个主干204以内薄壁圆管201或外薄壁圆管202的中心轴为轴心，以角度360/m为间隔的圆周阵列的方式进行排布。主干204的数目m≥4。主干204起始于外薄壁圆管202的内壁，结束于内薄壁圆管201的外壁。主干204与内薄壁圆管201相交并沿内薄壁圆管201向内侧以一定的角度分叉形成分支205，结束于与相邻分支205的交点。外薄壁圆管202的直径一定，内薄壁圆管201的直径随两者直径之比γ(外薄壁圆管202/内薄壁圆管201)变化，0<γ<1。分支205数目k≥1。主干204终端可以进行多次分叉，分支205分叉角度依次减小，越靠近内薄壁圆管201内壁的分支205的分叉角越大。

如图5～6，导向装置1包括平行设置且同轴的圆环板一101、圆环板二102以及多个首尾相连的负泊松比结构103。负泊松比结构103设置在圆环板一101、圆环板二102之间。负泊松比结构103以圆环板一101的中心轴为轴心，以角度α为间隔的圆周阵列的方式进行排布，形成了一个稳定的圆环结构。其中0°<α<360°。为了便于吸能芯体2的安装和固定，圆环板一101、圆环板二102的内壁向内延伸了一定的长度。具有负泊松比结构单元103的导向装置1在受到正面的碰撞时，产生径向收缩，保护了吸能芯体2不被挤压，纵向压缩引导了吸能芯体2的叠缩，同时吸收了能量。多个负泊松比结构单元103首尾相连形成单元体是通过冲压制作而成，与传统的金属薄片焊接成型方法相比，减小了焊缝处的应力值。单元体和圆环板一101、圆环板二102是通过焊接连接。

表1吸能测试结果

吸能盒形式	圆截面吸能盒	方截面吸能盒	汽车碰撞吸能盒
				能量吸收(KJ)	5.97	6.27	7.448
性能提升(％)	24.62	18.66	/

为验证本实施例的汽车碰撞吸能盒具有结构轻量化、高吸能比的优势，将其与传统的圆截面吸能盒和方截面吸能盒进行对比分析，三种吸能盒的吸能芯总质量保持一致均为16.3Kg，各吸能芯吸能结果如上表1所示。由表1可以看出，相比于传统的圆截面吸能盒和方截面吸能盒，本实施例的汽车碰撞吸能盒其吸能总量分别提升了24.62％和18.66％，在相同质量下本实施例中的汽车碰撞吸能盒相比其他两种结构具有明显优势吸能性能更好，被动安全性更优。

图7是本实施例的汽车碰撞吸能盒正向碰撞的与和位移曲线关系图，从图6中可以看到，该吸能盒在整个碰撞过程中，开始碰撞力先急剧上升到一定的值(274.956KN)，随后随着压缩位移的增加碰撞力稳定增加，最后碰撞力上下振荡，吸能盒的承载力开始出现衰退。在整个碰撞吸能过程中，吸能效率高，冲击力非常平稳，碰撞峰值力低。

Claims (9)

1.一种汽车碰撞吸能盒，其特征在于：包括导向装置(1)和吸能芯体(2)，所述吸能芯体(2)设置在导向装置(1)内，所述吸能芯体(2)包括内薄壁圆管(201)、外薄壁圆管(202)和蜂窝元件(203)，所述内薄壁圆管(201)和外薄壁圆管(202)同轴，所述蜂窝元件(203)填充于内薄壁圆管(201)、外薄壁圆管(202)之间，所述内薄壁圆管(201)、外薄壁圆管(202)之间设置主干(204)，所述主干(204)与内薄壁圆管(201)相交并沿内薄壁圆管(201)向内侧形成分支(205)，所述分支(205)结束于与相邻分支(205)的交点。

2.根据权利要求1所述的一种汽车碰撞吸能盒，其特征在于：所述主干(204)的数量为四个以上。

3.根据权利要求1所述的一种汽车碰撞吸能盒，其特征在于：所述分支(205)的截面形状为内凹八边形。

4.根据权利要求1所述的一种汽车碰撞吸能盒，其特征在于：所述分支(205)的数量为两个以上时，分支(205)的分叉角度逐渐减小。

5.根据权利要求1所述的一种汽车碰撞吸能盒，其特征在于：所述蜂窝元件(203)的截面形状为正六边形或圆形。

6.根据权利要求1所述的一种汽车碰撞吸能盒，其特征在于：所述导向装置(1)包括圆环板一(101)、圆环板二(102)和多个负泊松比结构单元(103)，所述负泊松比结构单元(103)设置在圆环板一(101)、圆环板二(102)之间。

7.根据权利要求6所述的一种汽车碰撞吸能盒，其特征在于：所述负泊松比结构单元(103)形成以圆环板一(101)为轴心的圆环阵列。

8.根据权利要求6所述的一种汽车碰撞吸能盒，其特征在于：所述圆环板一(101)、圆环板二(102)互相平行且同轴。

9.根据权利要求6所述的一种汽车碰撞吸能盒，其特征在于：所述圆环板一(101)、圆环板二(102)均向其内壁侧延伸。

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