TWI742930B - 載具結構材料強化系統及包含其的載具 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種載具結構材料強化系統及包含其的載具。該載具結構材料強化系統包含至少一碰撞感測器、一處理器及一電源。該碰撞感測器適於安裝在一載具上。該處理器電性連接該碰撞感測器，用以接收該碰撞感測器的一碰撞訊號，以及根據該碰撞訊號判斷是否發出一電源啟動訊號。該電源電性連接該處理器與該載具。當該碰撞訊號大於或等於一碰撞閥值，則該處理器發出該電源啟動訊號予該電源，其中該電源根據該電源啟動訊號通電該載具；或當該碰撞訊號小於該碰撞閥值，則該處理器不發出該電源啟動訊號。

Description

載具結構材料強化系統及包含其的載具
本發明係關於車輛領域，特別是關於一種載具結構材料強化系統及包含其的載具。
車輛作為交通工具，其安全性一直是重要指標之一。對於使用鋁合金做載具結構的車輛，一般可通過鋁合金的成份組成(例如6000系列或7000系列)及其熱處理技術(例如T1、T3或T6熱處理步驟)來達成具有不同機械性質的鋁合金。
然而，上述的方式在工業中雖然已經非常成熟，但是仍有成份組成與熱處理技術的侷限之處。故，有必要提供一種載具結構材料強化系統及包含其的載具，以解決習用技術所存在的問題。
本發明之一目的在於提供一種載具結構材料強化系統，其透過在載具被碰撞時施加一電流於載具，以增加載具結構的強度。
本發明之另一目的在於提供一種載具，其包含本發明的載具結構材料強化系統，該載具結構材料強化系統可以加裝在現有的載具(例如加裝在現有的輔助氣囊的相關設備)上，可節省成本。
為達上述之目的，本發明提供一種載具結構材料強化系統，其包含：至少一碰撞感測器、一處理器及一電源。該至少一碰撞感測器適於安裝在一載具上。該處理器電性連接該至少一碰撞感測器，用以接收該至少一碰撞感測器的一碰撞訊號，以及根據該碰撞訊號判斷是否發出一電源啟動訊號。該電源電性連接該處理器與該載具。當該碰撞訊號大於或等於一碰撞閥值，則該處理器發出 該電源啟動訊號予該電源，其中該電源根據該電源啟動訊號通電該載具；或當該碰撞訊號小於該碰撞閥值，則該處理器不發出該電源啟動訊號。
在本發明一實施例中，該載具包含一有人載具及一無人載具中的至少一種。
在本發明一實施例中，該有人載具包含一汽車、一大眾運輸車廂、一履帶運輸器及一航空器中的至少一種。
在本發明一實施例中，該有人載具係該汽車，以及該電源電性連接該汽車的一A柱、一B柱及一C柱中的至少一個。
在本發明一實施例中，該載具結構材料強化系統更包含至少一輔助氣囊，該至少一輔助氣囊安裝在該載具內以及電性連接該處理器，其中該處理器根據該碰撞訊號判斷是否發出一輔助氣囊啟動訊號，其中：當該碰撞訊號大於或等於該碰撞閥值，則該處理器發出該輔助氣囊啟動訊號予該至少一輔助氣囊，其中該至少一輔助氣囊根據該輔助氣囊啟動訊號進行啟動；或當該碰撞訊號小於該碰撞閥值，則該處理器不發出該輔助氣囊啟動訊號。
在本發明一實施例中，該至少一碰撞感測器包含多個碰撞感測器，該些碰撞感測器分散地安裝在該載具上。
在本發明一實施例中，該些碰撞感測器分散地安裝在該載具的外表面。
在本發明一實施例中，該至少一碰撞感測器包含一機電結合式碰撞感測器、一電子式碰撞感測器和一水銀開關式碰撞感測器中的至少一種。
在本發明一實施例中，該電源提供大於0A且小於或等於500A的電流予該載具。
為達上述之又一目的，本發明提供一種載具，其包含如上述任一實施例所述的載具結構材料強化系統。
20:載具結構材料強化系統
21:碰撞感測器
22:處理器
23:電源
24:輔助氣囊
90:載具
91:A柱
92:B柱
93:C柱
第1A圖是霍普金森桿的立體示意圖。
第1B圖是在施加或未施加電流的條件下，鋁合金的硬度呈現不同結果的示意圖。
第1C圖是未施加電流與施加電流5A的鋁合金的真實應力與真實應變的示意圖。
第1D圖是AA7075-T6撞擊前、AA7075-T6未施加電流並撞擊後以及AA7075-T6施加電流(5A)並撞擊後的XRD分析圖。
第1E圖是撞擊之前，鋁合金的表面的相同位置的晶面、亞晶界分析圖及亞晶界分析圖。
第1F圖是未施加電流並受撞擊後，鋁合金的表面的相同位置的晶面、亞晶界分析圖及亞晶界分析圖。
第1G圖是施加電流(約5A)並受撞擊後，鋁合金的表面的相同位置的晶面、亞晶界分析圖及亞晶界分析圖。
第1H圖是以顏色區分第1E至1G圖的晶面的對應指示圖。
第1I至1K圖分別是撞擊之前的鋁合金的表面、未施加電流並受撞擊後的鋁合金的表面以及施加電流(約5A)並受撞擊後的鋁合金的表面的穿透式電子顯微鏡示意圖。
第2圖是本發明實施例的載具結構材料強化系統的方塊圖。
第3圖是碰撞感測器以及A柱、B柱及C柱的示意圖。
為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。
這邊要說明的是，本發明是透過施加一電流予載具，進而加強載具結構的機械性質。上述的作法可以使載具在受到撞擊時，載具結構可以具有更強的延性與強度，以避免因撞擊所產生的載具結構的破裂。以下將提供具體的實驗分析結果以證明可行性。
首先，提供7000系列鋁合金(例如7075鋁合金)，並且經過T6熱 處理(7075鋁合金及T6熱處理可根據現有技術進行，其非本發明主要特徵)。接著，利用如第1A圖所示的霍普金森桿(Split Hopkinson pressure bar)10，以應力器11約10kg/cm2應力進行高應變速率(例如約3000s-1左右)以方向X撞擊AA7075-T6鋁合金試片12以產生壓縮形變，並以應變規13計算應變。之後，依據一維波傳理論計算出應力-應變曲線關係以及平均應變速率，分析無通電與以電源14進行通電的條件(例如約3至7A)下電流對機械性質的影響。後續，再進行材料結構分析(如形貌、晶相、方位取向、硬度以及彈性模數)。
在施加或未施加電流的條件下，鋁合金的硬度呈現不同結果，如第1B圖所示。例如，與未施加電流的情況相比，施加電流5A的鋁合金的硬度較高。無施加電流情況與施加電流情況之平均硬度依序為170.19±5.57 HV、179.72±5.04 HV。此外，如第1C圖所示，與未施加電流的情況相比，施加電流5A的鋁合金的降伏應力較高。另外，在此實驗中，未施加電流的鋁合金已無法承受撞擊而破裂，而施加電流的鋁合金僅有塑性變形。
接著，請參考第1D圖，AA7075-T6均勻分布之(111)、(220)結晶面，在經過撞擊後轉變特定取向，其為最密堆積滑移面(111)。此外，施加電流的情況下，撞擊後會產生(111)面的強繞射訊號。
請參考第1E至1H圖，其中第1E圖是撞擊之前，鋁合金的表面的相同位置的晶面(上圖)、亞晶界分析圖(中圖)及亞晶界分析圖(下圖)；第1F圖是未施加電流並受撞擊後，鋁合金的表面的相同位置的晶面(上圖)、亞晶界分析圖(中圖)及亞晶界分析圖(下圖)；以及第1G圖是施加電流(約5A)並受撞擊後，鋁合金的表面的相同位置的晶面(上圖)、亞晶界分析圖(中圖)及亞晶界分析圖(下圖)。進一步說明的，亞晶界分析圖(中圖)及亞晶界分析圖(下圖)是根據不同的量測方式進行分析，其中亞晶界分析圖(中圖)的顏色越呈深色則表示次晶界的角度越大(例如淺灰色(或淺黑色)是0至5度、深灰色(或深黑色)是5度以上)；亞晶界分析圖(下圖)的顏色中，例如淺灰色(或淺黑色)是0至2度的次晶界、中灰色(或中黑色)是2至5度的次晶界，深灰色(或深黑色)是5度以上的次晶界)。另外，第1H圖中的顏色用於對應於第1E至1G圖的上圖，用以判斷第1E至1G圖的上圖中各個位置的晶面，例如淺灰色(或淺黑色)表示(101)面的位置，深灰色(或 深黑色)表示(111)面的位置。
從第1E及1H圖可知，在撞擊之前，鋁合金表面之(101)面的晶粒粗大，並且內部存在大量低角度次晶界(subgrain boundary)，應力大。另外，(111)面晶粒狹長，內部存在亞晶界且有少量較高角度的亞晶界。從第1F至1G圖可知，不論是否施加電流，經撞擊後的(101)面的內應力皆小於(111)面的內應力，晶粒內亞晶界數量增加。此外，施加電流並經撞擊後的鋁合金在(111)面的晶粒內產生低角度(例如約5度以下)之亞晶界。
請參照第1I至1K圖，分別是撞擊之前的鋁合金的表面、未施加電流並受撞擊後的鋁合金的表面以及施加電流(約5A)並受撞擊後的鋁合金的表面的穿透式電子顯微鏡示意圖。從第1I至1K圖比對可知，施加電流並受撞擊後的鋁合金觀察到較少量沿次晶界生成的析出物。
在一實施例中，利用如第1A圖所示的霍普金森桿(Split Hopkinson pressure bar)，以約10kg/cm2應力、不同施加電流(例如0A、3A、4A、5A、6A及7A的電流)及不同環境溫度(例如室溫或150℃下)來進行高應變速率(例如約3000s-1左右)撞擊AA7075-T6鋁合金試片以產生壓縮形變。從實驗結果可知，未施加電流(即0A)的鋁合金在室溫或150℃下皆會破裂，而施加3A、4A、5A、6A及7A的電流的鋁合金皆未破裂。
根據上述可知，施加電流於被撞擊的金屬(例如鋁合金)上時，可以加強金屬的機械性質。在一實施例中，該電流例如是大於0A且小於或等於500A。
據此，請參照第2圖，本發明實施例提出一種載具結構材料強化系統20，包含：至少一碰撞感測器21、一處理器22及一電源23。該至少一碰撞感測器21適於安裝在一載具90上。該處理器22電性連接該至少一碰撞感測器21，用以接收該至少一碰撞感測器21的一碰撞訊號，以及根據該碰撞訊號判斷是否發出一電源啟動訊號。該電源23電性連接該處理器22與該載具90。當該碰撞訊號大於或等於一碰撞閥值，則該處理器22發出該電源啟動訊號予該電源23，其中該電源23根據該電源啟動訊號通電該載具90；或當該碰撞訊號小於該碰撞閥值，則該處理器22不發出該電源啟動訊號。
從上可知，本發明實施例的載具結構材料強化系統20是透過感測到碰撞發生時來施加電流予載具，進而強化載具結構。強化載具結構的原理可透過上述的實驗結果得到證明，故不再贅述。
另外要提到的是，雖然上述的實驗結果是以AA7075-T6鋁合金為主，但實際上可應用於其他金屬上。
這邊要提到的是，本文中的“載具”指載運工具，也稱交通工具。一般而言，載具是指使用於人或貨物運輸的設備。為上述目的以人的意志為驅使的動物和人本身也可以稱為載具，包含陸上、水上、空中、水下、太空等，均有載具的使用。在本發明一實施例中，該載具包含一有人載具及一無人載具中的至少一種。在一範例中，該有人載具包含一汽車、一大眾運輸車廂及一履帶運輸器中的至少一種。在一具體範例中，該汽車例如是在道路上不依軌道或電力架線而以原動機行駛之車輛(包括機車)，例如二輪機車、四輪以上的車輛(例如根據分類包含有：貨車(truck)、公車(bus)、軍車、賽車、特種車、工程車、露營車(recreation vehicle)、私家車、客貨車、跨界休旅車(CRV)及跑車(sport car)等)。在另一範例中，該大眾運輸車廂例如包含捷運、火車、高鐵、磁浮列車等。在又一範例中，該航空器例如包含飛機。另一方面，該無人載具例如指車輛、航空器、船舶或其結合之無人駕駛交通運輸工具，透過遠端控制或自動操作而運行。在一具體範例中，該無人載具例如包含無人機、遙控車、遙控船或遙控潛艇等。
在一實施例中，本發明的載具結構材料強化系統適用於載具處於一高速運動的情況下，或者該載具與另一可能碰撞物體呈相對高速運動的情況下。在本實施例中，本發明的載具結構材料強化系統可以增加載具結構的強度與延性，以避免或減少載具的破裂。
以汽車為例，如第3圖所示，該電源20例如電性連接該汽車的一A柱91、一B柱92及一C柱93中的至少一個。要提到的是，如第3圖所示，A柱91在擋風玻璃和左、右前車門之間；B柱92在前座和后座之間；C柱93在后座頭枕的兩側。在一實施例中，該電源20的正極與負極分別電性連接在該汽車的A柱91(及/或B柱92、及/或C柱82)的頭尾兩端，以使整個A柱91(及/或B柱92、及/或C柱93)可以受到電流的影響而改善機械性質。
在一實施例中，本發明實施例的載具結構材料強化系統20中的一部分或整體可以與現有的輔助氣囊系統的構件的一部分或整體併用。例如，該至少一碰撞感測器21及/或處理器22可以是現有的輔助氣囊系統的構件；或者，本發明實施例的載具結構材料強化系統20中的至少一碰撞感測器21及/或處理器22可作為現有的輔助氣囊系統的構件。在一實施例中，本發明實施例的載具結構材料強化系統20中的電源23也可以採用現有的載具90內的電源(例如汽車啟動時所使用的電瓶)。
在一範例中，本發明實施例的載具結構材料強化系統20更包含至少一輔助氣囊24，該至少一輔助氣囊24可安裝在該載具90內以及電性連接該處理器22，其中該處理器22根據該碰撞訊號判斷是否發出一輔助氣囊啟動訊號，其中：當該碰撞訊號大於或等於該碰撞閥值，則該處理器22發出該輔助氣囊啟動訊號予該至少一輔助氣囊24，其中該至少一輔助氣囊24根據該輔助氣囊啟動訊號進行啟動；或當該碰撞訊號小於該碰撞閥值，則該處理器22不發出該輔助氣囊啟動訊號。由上可知，該至少一輔助氣囊24也是在碰撞訊號大於或等於碰撞閥值時啟動，以使該至少一輔助氣囊24充氣來保護位於載具90內的使用者。在一範例中，該至少一輔助氣囊24可以安裝在駕駛盤中。在一具體範例中，該至少一輔助氣囊24的數量可以是多個，並且分散地安裝在載具90內。
值得一提的是，本文中所提到的碰撞閥值可以是一設定值。例如，可以透過多次碰撞試驗來收集碰撞感測器21的碰撞訊號，並且根據碰撞試驗中對載具及/或使用者的損害來決定該設定值。在一實施例中，該碰撞閥值可以採用現有輔助氣囊系統中所採用的碰撞閥值。
在一實施例中，該至少一碰撞感測器21包含多個碰撞感測器21，該些碰撞感測器21分散地安裝在該載具90上。在一範例中，如第3圖所示，該些碰撞感測器21分散地安裝在該載具90的外表面。在另一範例中，該至少一碰撞感測器21的位置可以採用現有輔助氣囊系統中的碰撞感測器的設置位置。
在一實施例中，該至少一碰撞感測器21包含一機電結合式碰撞感測器、一電子式碰撞感測器和一水銀開關式碰撞感測器中的至少一種。機電結合式碰撞感測器主要是利用機械運動使電氣觸點的通/斷開來產生碰撞訊號。電 子式碰撞感測器主要是利用碰撞時應變電阻的變形使其電阻值變化或壓電晶體受力，進而產生輸出電壓變化來產生碰撞訊號。水銀開關式碰撞感測器主要是利用水銀的導電特性來產生碰撞訊號。
由上可知，本發明實施例之的載具結構材料強化系統20透過施加一電流予載具90，進而加強載具結構的機械性質。上述的作法可以使載具90在受到撞擊時，載具結構可以具有更強的延性與強度，以避免因撞擊所產生的載具結構的破裂。另外，本發明實施例之的載具結構材料強化系統20中的構件可由現有載具的構件部分或全部提供，或者本發明實施例之載具結構材料強化系統20可以直接加裝在現有載具上，因此不需大幅修改現有的載具。此外，也不需要更動現有載具結構所使用的材質。
另外要提到的是，現有技術中並未揭示任何在碰撞時根據碰撞訊號與碰撞閥值之間的關係來決定是否施加電流予載具的技術。值得一提的是，當施加電流予載具時，電流僅會從載具的外表面(例如金屬表面)流動，因此在載具內的使用者不會受到電擊。上述的原理可參考汽車受到雷擊時位在汽車內的使用者不會受到電擊的情況。
另外，本發明更提出一種載具90，包含如上述任一實施例的載具結構材料強化系統20。在一實施例中，該載具90可以是現有載具再加裝上述任一實施例的載具結構材料強化系統20。
雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
20:載具結構材料強化系統
21:碰撞感測器
22:處理器
23:電源
24:輔助氣囊
90:載具

Claims (10)

  1. 一種載具結構材料強化系統，包含： 至少一碰撞感測器，適於安裝在一載具上； 一處理器，電性連接該至少一碰撞感測器，用以接收該至少一碰撞感測器的一碰撞訊號，以及根據該碰撞訊號判斷是否發出一電源啟動訊號；以及 一電源，電性連接該處理器與該載具， 其中： 當該碰撞訊號大於或等於一碰撞閥值，則該處理器發出該電源啟動訊號予該電源，其中該電源根據該電源啟動訊號通電該載具；或 當該碰撞訊號小於該碰撞閥值，則該處理器不發出該電源啟動訊號。
  2. 如請求項1所述的載具結構材料強化系統，其中該載具包含一有人載具及一無人載具中的至少一種。
  3. 如請求項2所述的載具結構材料強化系統，其中該有人載具包含一汽車、一大眾運輸車廂、一履帶運輸器及一航空器中的至少一種。
  4. 如請求項3所述的載具結構材料強化系統，其中該有人載具係該汽車，以及該電源電性連接該汽車的一A柱、一B柱及一C柱中的至少一個。
  5. 如請求項3所述的載具結構材料強化系統，更包含至少一輔助氣囊，該至少一輔助氣囊安裝在該載具內以及電性連接該處理器，其中該處理器根據該碰撞訊號判斷是否發出一輔助氣囊啟動訊號，其中： 當該碰撞訊號大於或等於該碰撞閥值，則發出該輔助氣囊啟動訊號予該至少一輔助氣囊，其中該至少一輔助氣囊根據該輔助氣囊啟動訊號進行啟動；或 當該碰撞訊號小於該碰撞閥值，則不發出該輔助氣囊啟動訊號。
  6. 如請求項1所述的載具結構材料強化系統，其中該至少一碰撞感測器包含多個碰撞感測器，該些碰撞感測器分散地安裝在該載具上。
  7. 如請求項6所述的載具結構材料強化系統，其中該些碰撞感測器分散地安裝在該載具的外表面。
  8. 如請求項1所述的載具結構材料強化系統，其中該至少一碰撞感測器包含一機電結合式碰撞感測器、一電子式碰撞感測器和一水銀開關式碰撞感測器中的至少一種。
  9. 如請求項1所述的載具結構材料強化系統，其中該電源提供大於0A且小於或等於500A的電流予該載具。
  10. 一種載具，包含如請求項1至9任一項所述的載具結構材料強化系統。
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