CN1166874C - 吸收冲击能量的能量吸收器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用来吸收冲击能量的能量吸收器。所述能量吸收器包含模塑成形元件(4)，该元件具有多个基本上排列在同一方向上且相互毗邻排列的蜂窝单元(2)。本发明的能量吸收器的特征还在于该元件是从挤出的聚碳酸酯制得的，且蜂窝单元在挤出方向上伸展。

Description

吸收冲击能量的能量吸收器
技术领域
本发明涉及用来吸收冲击能量的能量吸收器。
背景技术
在机动车辆开发领域以及其它领域里，无源安全正逐渐成为主要的研究目标。在该方面，能量吸收能力强的结构和材料是人们所首要关注的。例如，在汽车工业中，采用了由聚氨酯(PU)或弹性体改性的聚丙烯(EPP)组成的泡沫材料。这些材料的特点在于具有几乎理想的行为，即，在力最初急剧增加后，在吸收能量期间出现了恒定力的水平阶段，而能量继续增加。该过程中吸收的功定义为力-位移曲线下方的面积。该面积应当尽可能大。本领域已知的各种泡沫材料在其吸收能量的性能方面非常接近该理想状态。
然而，这些能量吸收器有这样的问题，即，在公路交通事故或其它事故中，产生的加速度太高超出了不允许超出的对人冲击的极限值。例如，若是头部受到冲击，仅仅在短于3毫秒(ms)的时间内允许超过80g的加速度。
在汽车例子中，侧梁结构的塑性变形可作为吸收能量的另一个例子。在此情况下，侧梁结构的金属在一定的载荷下受压直至该结构破坏。也就是说，该结构弯曲并向内收缩。这样，金属发生塑性变形，导致大量吸收能量。
尽管迄今用作能量吸收器的材料具有很高的吸收能量的性能，但是能量吸收器的重量不小，即便是采用诸如铝等轻金属。由于减少重量在汽车工业中起着重要的作用，因此迫切需要找到一种吸收能量的能力高且重量非常轻的材料。
在现有技术中，重量的进一步减轻也可通过采用不是实心材料而是制造出有空腔结构(如夹心结构)的能量吸收器来实现，该空腔结构在优先的方向上表现出特别高的吸收能量的能力。为了这个目的，空腔结构具有多个蜂窝室，这些蜂窝室基本上排列在相同的方向上并相互毗邻。而且，在此情况下，当采用金属或轻金属时，也不可能保持重量低于某一重量。
因此，本发明的技术问题是确定重量非常轻且吸收能量能力高的能量吸收器。
发明内容
根据本发明，现已认识到，可对聚碳酸酯挤压制得蜂窝室在挤出方向上伸展的模塑物(成形物(moulding))。与轻金属相比，聚碳酸酯是非常轻质的材料，且该材料本身非常有弹性。另外，聚碳酸酯非常耐冲击，因此在突然受力的情况下不会破碎，而是发生弹性变形，在适当的情况下会熔化。因此，聚碳酸酯不仅能保证用作吸收能量的材料，而且同时也使能量吸收器的重量非常轻。
为了制造该模塑物，挤压聚碳酸酯，根据所采用的挤出工具，在挤出方向上形成多个并排的蜂窝室，每两个毗邻的蜂窝室由共有的壁各自隔开。在制造期间，根据模塑物的大小和围长，制得数层具有蜂窝室的挤出的聚碳酸酯层。在挤出后，通过材料封闭方法(material closure)将这些层相互连接起来。然后，从连接形成的块体分割出(例如在热线(hot wire)帮助下)一片片具有对应的多个蜂窝室的层，其中蜂窝室长度对应于从该块体上分割出来的片厚度。
蜂窝室具有多边形截面，较佳的是四边形或六边形截面。在较佳的方案中，蜂窝室的外部尺寸在1-6毫米范围内，在个别情况下，也可超出这些范围限制。由于蜂窝室尺寸的值很小，因此也可称为毛细管。
另外，蜂窝室的壁厚度在50微米-400微米范围内。这使得壁厚度与蜂窝室尺寸之比非常低，这可作为重量进一步减少的基础。
因此，模塑物的密度在例如39千克/立方米至50千克/立方米范围内。与轻金属制得的能量吸收器相比，该密度明显小得多。
如上所述，从例如数层由蜂窝室的挤出层所构成的块状物上切下一片片，因此，属于一片上的蜂窝室基本上有预定的长度。这种类型的模塑物也称为蜂窝片。
能量吸收器模塑物也可以是平面结构的。
模塑物除了有扁平的设计结构外，还可有弯曲的形状，以便使能量吸收器在弯曲的表面上进行镶衬。因此，模塑物可适用于可根据模塑物厚度确定小的半径的表面。在各种情况下，蜂窝室基本上沿相对于要镶衬表面的相应曲率的径向延伸。因此，在弯曲的内表面情况下，也能有效地保证冲击保护。
在模塑物的另一种构型中，至少其一个具有蜂窝室开孔的端面上有基本上封闭的层。所述封闭层宜通过材料封闭方法与相应端面相连，这样，该封闭层除了使模塑物具有平坦或弯曲表面的形状外，还起了使模塑物稳定的作用。该层也可以呈片或膜形式，同样可以是聚碳酸酯材料，或者用不同的合成材料制成。该层也可以是织物的形式。该层宜象模塑物那样是有弹性的结构，以便在冲击的情况下不会裂开。另外，该层起着将所受的力分散到相当多的蜂窝室上的作用，因为这种冲击不仅被没有该层时实际受冲击的蜂窝室吸收，而且该冲击也会凭借覆盖层而被实际冲击点周围区域内的蜂窝室吸收。
在特别佳的方案中，将模塑物布置在交通工具(尤其是机动车辆)的内表面上，可保护通常硬而脆的交通工具内表面。这样，在交通工具中的人(尤其是头部)受到冲击的情况下，得到了可靠的保护。这里所说的内表面，可以是顶部结构所需的支柱、挡泥板以及顶部的内面。
另外，前述模塑物可构成交通工具保险杠的至少一部分。由于该结构的重量很轻，因此可大大减轻交通工具的重量。
交通工具可以是机动车辆(尤其是汽车)和铁路交通工具和飞机。由于该材料除了要有吸收能量的能力外还需要有低的可燃性，因此采用聚碳酸酯还有其它优点，因为聚碳酸酯是一种自熄灭性材料，因此它在防火级别中被评为燃烧能力低。聚碳酸酯易燃性小于用作能量吸收器(尤其在交通工具内部)的其它材料(如聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯)。
在另一较佳的应用中，该模塑物可布置在建筑物墙壁上。因此，除了用于汽车制造工程中外，能量吸收器还可用于运动场或幼儿园，例如用来为在运动中角逐时偶尔撞在墙上的人提供冲击保护。因此，也可想到使用该能量吸收器使运动场馆的地板具有缓冲作用。
由于聚碳酸酯是半透明的，因此聚碳酸酯可很好地用作必须有特定光学性能的结构组件材料。例如，聚碳酸酯可用于希望是半透明的屏幕和窗户上。而在能量吸收器的场合下没有这种要求，因而也能有利地使用聚碳酸酯次品，这些次品由于制造缺陷而不透明，至少部分是褪色的，并呈现出黑色或有色的颜料。因此，不能用来制造透明模塑物的次品材料可用来制造能量吸收器。
附图简述
本发明将参照附图根据下文的实施方案作更详细的描述。在附图中，
图1是本发明能量吸收器第一实施方案的透视图；
图2是本发明能量吸收器第二实施方案的透视图；
图3是图1所示能量吸收器的截面图；
图4是图2所示能量吸收器的具有弯曲轮廓的截面图；
图5是头部冲击实验的力-位移图。
较佳实施方案
图1显示了本发明能量吸收器的第一实施方案，其中模塑物4具有多个蜂窝室2。蜂窝室排列在基本上相同的方向上，且相互毗邻排列。每两个毗邻排列的蜂窝室2具有共同的壁3，从而形成了图1所示的蜂窝结构。根据本发明，模塑物4从聚碳酸酯挤出(挤压)得到，蜂窝室2在挤出方向上延伸。
在制造加工上，不可能挤压出任意多的蜂窝室2，使一个蜂窝室在另一蜂窝室的上面，所以先用并排挤出的方法制得许多层，例如有5排蜂窝室2，其一排位于另一排之上。随后，将这许多层相互连接，使所得模塑物4的截面如图1所示。从随后形成的多层体上切下一个个片4，该片具有图1所示的形状。在本实施方案中，单蜂窝室2的开口呈四边形，蜂窝室2在片4的整个宽度上都有，即在图1中表示为从左到右。在模塑物4的蜂窝室2纵向上首先获得了高的吸收能量的能力。尽管模塑物的壁厚非常小，整体密度低，但却产生了高的吸收能量的能力。另一方面，图1所示的能量吸收器在垂直于其纵向的方向上只能稍稍吸收能量。因此，在每种情况下，蜂窝室2应当排列成这样的方式，即应排列成与能量吸收方向平行。
蜂窝室2通常具有多边形的截面，在本例中是四边形。蜂窝室的外部尺寸在1毫米至6毫米的范围内，较佳为2毫米至5毫米，特别佳的为3.5毫米至4.5毫米。在每种情况下，可调节精确的外部尺寸以满足能量吸收器的特殊要求。
另外，蜂窝室2的壁厚在50微米至400微米，较佳的为100微米至350微米，特别佳的为150微米至300微米的范围内。壁厚可随蜂窝室2的外部尺寸来调节，从而产生最优的稳定性、和能量吸收能力以及尽可能低的重量。
根据前述蜂窝室2的外部尺寸和壁厚，可以得出：模塑物的密度在30千克/立方米至50千克/立方米，较佳为35千克/立方米至45千克/立方米，特别佳的为37千克/立方米至43千克/立方米的范围内。尽管这些密度数值非常低，但是通过蜂窝结构和聚碳酸酯的弹性获得了所需的高的能量吸收能力。
蜂窝室2的形状和排列方式也可如图3所示，该图显示了图1所示能量吸收器的截面。
图1和3所示的也可称为蜂窝片的模塑物4具有基本上在一个平面延伸的表面。因此，该模塑物特别适合用来镶衬平坦的表面。
另一方面，图4显示了蜂窝片4的一种弯曲轮廓，其中蜂窝室2基本上在相对于曲率的径向上延伸。以这种构型，模塑物4也可用来镶衬弯曲的表面，尤其是交通工具中的弯曲表面。
图2中显示了根据本发明的另一能量吸收器实施例，其中由蜂窝室2组成的模塑物4的具有蜂窝室2开口的端面6上有基本上封闭的层8。这些层8是通过材料封闭方法与相应端面6相连，层8呈膜的形式。在较佳实施方案中，层8用聚碳酸酯制成，也就是说，用与模塑物4本身相同的材料制成。另一方面，层8起着稳定模塑物4形状(即，例如图2所示的平坦的形状或图4所示的弯曲形状)的作用。调节模塑物4的厚度，也可获得小的半径，从而可用能量吸收器来覆盖例如机动车辆内部的适当弯曲的表面。
另外，层8还起着将冲击能量分散到更多蜂窝室上的作用，如果没有层8，这是做不到的。这对于冲击情况下产生的加速度有一定影响，这在下文的头部冲击实验中有所描述。
在头部冲击实验中，将在形状和重量上一定程度地模拟人头的球状体从某一高度自由下落在能量吸收器上。在球状体冲击时，记录下产生的反作用力和加速度与在能量吸收器中位移的关系。对应的力位移图显示在图5中。
下落实验所用质量m＝4533克，下落高度为h＝2米，采用未变形总高度为25毫米的能量吸收器。如图5所示，能量吸收器模塑物凹进去约17毫米，力的增加大致呈线性。在球状体完全被能量吸收器减速后，力迅速下降(见测定曲线的右侧)，而球状体的位移回调到大约12.5毫米。这意味着能量吸收器模塑物发生了永久塑性变形。其原因是在能量吸收达到极限值之前聚碳酸酯可能发生的是塑性变形。超过该极限值后，动能转化成热能增加，结果蜂窝室材料开始熔化并发生永久的塑性变形。在这里，重要的是聚碳酸酯材料熔化而非破碎，这在本发明能量吸收器的情况下具有安全的优点。
上述头部冲击实验采用了图1所示的没有覆盖层的能量吸收器以及图2所示的具有覆盖层的能量吸收器。在这些测试中，可知该覆盖层有使模塑物整体结构稳定的作用。当模塑物两侧被包覆时，产生了约150g的加速度，而未被包覆的模塑物仅有约90g的加速度。该事实是特别重要的，因为不仅所吸收的能量绝对值而且该作用的加速度水平对于能量吸收器来说很重要。因此，例如在头部受冲击的情况下，仅仅允许在少于3毫米的时间内发生超过80g的加速度。

Claims (24)

1.一种用来吸收冲击能量的能量吸收器，它具有模塑物(4)，该模塑物具有多个蜂窝室(2)，这些蜂窝室(2)排列在同一方向上且相互毗邻，所述蜂窝室具有多边形的截面，是开口的并且在所述模塑物的整个宽度上都有，所述蜂窝室的外部尺寸在1-6毫米之间，壁厚在50-400微米之间，所述蜂窝室在整个模塑物中是均匀的，其中模塑物(4)用挤出的聚碳酸酯制成，使得蜂窝室(2)在挤出方向上伸展，且每个蜂窝室与毗邻的蜂窝室以共有的壁隔开，且所述模塑物的密度在30-50千克/立方米之间。
2.根据权利要求1所述的能量吸收器，其特征在于，蜂窝室(2)平行于能量吸收的方向排列。
3.根据权利要求1所述的能量吸收器，其特征在于，所述截面呈四边形或六边形。
4.根据权利要求1所述的能量吸收器，其特征在于，蜂窝室(2)的外部尺寸为2毫米至5毫米。
5.根据权利要求1所述的能量吸收器，其特征在于，蜂窝室(2)的外部尺寸为3.5毫米至4.5毫米的范围内。
6.根据权利要求1所述的能量吸收器，其特征在于，蜂窝室(2)的壁厚度为100微米至350微米。
7.根据权利要求1所述的能量吸收器，其特征在于，蜂窝室(2)的壁厚度为150微米至300微米。
8.根据权利要求1所述的能量吸收器，其特征在于，模塑物(4)的密度为35千克/立方米至45千克/立方米。
9.根据权利要求1所述的能量吸收器，其特征在于，模塑物(4)的密度为37千克/立方米至43千克/立方米。
10.根据权利要求1所述的能量吸收器，其特征在于，蜂窝室(2)有预定的长度。
11.根据权利要求10所述的能量吸收器，其特征在于，模塑物(4)采取蜂窝片的形式。
12.根据权利要求11所述的能量吸收器，其特征在于，模塑物(4)的表面在一个平面内伸展。
13.根据权利要求10或11所述的能量吸收器，其特征在于，模塑物(4)具有弯曲的形状，蜂窝室(2)在相对于相应曲率的径向上伸展。
14.根据权利要求11所述的能量吸收器，其特征在于，蜂窝片的具有蜂窝室(2)开口的至少一个端面(6)上具有基本封闭的层(8)。
15.根据权利要求14所述的能量吸收器，其特征在于，层(8)通过材料封闭方法与端面(6)相连。
16.根据权利要求14或15所述的能量吸收器，其特征在于，层(8)是片或膜的形式。
17.根据权利要求14所述的能量吸收器，其特征在于，层(8)从聚碳酸酯或不同的合成材料制得。
18.根据权利要求14所述的能量吸收器，其特征在于，层(8)从织物制得。
19.根据权利要求1所述的能量吸收器，其特征在于，模塑物(4)排列在交通工具的内表面上。
20.根据权利要求19所述的能量吸收器，其特征在于，所述交通工具是汽车。
21.根据权利要求19所述的能量吸收器，其特征在于，模塑物(4)形成交通工具消震器的至少一部分。
22.根据权利要求1所述的能量吸收器，其特征在于，模塑物(4)排列在建筑物墙壁上。
23.根据权利要求22所述的能量吸收器，其特征在于，模塑物(4)排列在运动场馆或幼儿园的墙壁上。
24.根据权利要求1所述的能量吸收器，其特征在于，模塑物(4)至少部分从脱色的聚碳酸酯制得。
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