專利名稱：優(yōu)化人的頭部撞擊的汽車車頭結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種優(yōu)化人的頭部撞擊的汽車車頭結構，該車頭結構具有一個穩(wěn)定的、但是在受到一個撞擊載荷作用時可變形的發(fā)動機罩，該發(fā)動機罩具有一個上殼層和一個安置在該上殼層下的并且與之相連接的加固層，在此，在一次頭部撞擊時會形成一定的隨時間變化的緩沖減速度變化曲線，從中可以導出一個HIC值。
長期以來汽車制造商和汽車用戶所重視的是汽車的乘員的被動安全性，近年來安全技術的焦點集中在行人與汽車相撞的交通事故的問題上。在發(fā)生這樣的交通事故時，汽車的車頭撞到行人。此時，保險杠從側面撞傷行人的腿部，因此身體跌在或倒在汽車的大致水平延伸的發(fā)動機罩上。最終，頭部撞在發(fā)動機罩上，同時出現(xiàn)一個劇烈的、可能會導致嚴重大腦損傷的緩沖減速過程。
為了可以確定在發(fā)生這樣的頭部撞擊時的受傷程度，給出了一個頭部損傷標準HIC(Head Injury Criterion)的定義。該頭部損傷標準HIC是在一個時間段內作用的緩沖減速度的平均值與該時間段的時間值的乘積，其中，所述平均的緩沖減速度是以2.5次方引入該乘積中。為了分析一個總的緩沖減速過程要觀察不同寬度時間段內的緩沖減速過程并且計算出上述定義的乘積。所產生的最大值就是所述頭部撞擊的標準的HIC值。這一計算公式是以在所述撞擊作用時間與緩沖減速度之間存在一定關系的認識為基礎。所述撞擊作用時間越短，頭部所要承受并且無損傷地挺過去的緩沖減速度就越大。因此，所述HIC值是以一個數(shù)學函數(shù)為基礎，利用這個數(shù)學函數(shù)可計算在一個時間段對頭部形成的緩沖減速度。
對于所述公式的具體應用通過一個極限值1000來評定，其中，所述緩沖減速度以m/s2來表示以及時間以sec(秒)來表示。當對于所述隨時間變化的緩沖減速度變化曲線分析所得出的結果值低于這個極限值時，那么可以以此為基礎推斷出頭部未受到嚴重損傷。
如果具有一個足夠長的緩沖減速行程，當然容易達到1000以下的HIC值，但在汽車的車頭結構中并不存在這樣足夠的緩沖減速行程，因為發(fā)動機機組和其他車身部件直接處于所述發(fā)動機罩之下。
此外要注意到的是，所述發(fā)動機罩必須要有足夠的剛度，這樣它才能夠承載自身的重量并且可以勝任靜態(tài)的和行駛時的動態(tài)載荷。但是在動態(tài)載荷作用時通常由此產生一些導致HIC值升高的阻力。
這種矛盾的目的、亦即一方面面對靜載荷的作用要具有一個足夠的剛度，另一方面在頭部撞擊時又要具有足夠的彈性，按照EP 0 992 418 A2是這樣來解決的，所述發(fā)動機罩具有一個拱形的形狀，其位于一些側向的支撐件上并且自由地覆蓋位于這些支撐件之間的發(fā)動機空間。所述發(fā)動機罩本身由一個上殼層和一個安置在該上殼層下方的吸收能量的加固層構成并且由此構成彈性的結構。所述發(fā)動機罩一方面通過所選擇的夾層結構具有其剛性，但是主要是通過所述拱形的形狀具有一定的剛性。通過這種結構要無作用力峰值地達到盡可能均勻的緩沖減速度變化曲線，如在EP 0 992418 A2中的幾點上所闡述的那樣。但是一個這樣的減速度變化曲線具體而言意味著，對于一個頭部可承受的緩沖減速度水平，所述結構對抗一個動載荷的阻力必須要小，而這樣的結構可能不能承受靜載荷。此外，這種結構還具有這樣的缺點，即，并不是在每個汽車結構中都可以采用這樣的發(fā)動機罩這樣一個發(fā)動機罩的所述拱形形狀在擋風玻璃前是否會阻擋視線，視所述支撐件處于一個由結構參數(shù)所限定的高度的情況而定。
因此，本發(fā)明所要解決的技術問題是，創(chuàng)造一種可普遍適用的帶有一個發(fā)動機罩的車頭結構，該車頭結構在汽車與行人相撞時使行人受到的傷害盡可能最小，同時要在盡可能短的緩沖減速行程上達到最優(yōu)化的隨時間變化的緩沖減速過程。
上述技術問題按照本發(fā)明通過一種按照權利要求1前序部分所述的車頭結構得以解決，該車頭結構具有下述特征所述加固層在受到一個沖擊載荷作用期間在達到一定載荷量時由于在其微觀結構和/或宏觀結構中的斷裂至少部分地失去功能，形成一個變形阻力，使得在所述隨時間變化的緩沖減速度曲線中出現(xiàn)一個前期的緩沖減速度高峰。
通過這種構造達到，使所述結構設計為在承受靜載荷時可以具有足夠的剛度，雖然這樣一個靜態(tài)剛度本身會導致HIC值升高。但是這種情況可以通過下述方式避免即，當超過一個與一定的作用力和彎曲度相關的載荷值時，所述結構的一部分、亦即所述加固層會萎陷，這導致在一個短的起始時間段內存在一個高的緩沖減速度值，由此不會使HIC值過于急劇的升高。
通過這樣一個緩沖減速過程使所述受到撞擊的頭部的動能較早地在更大程度上就已減小，因此，即便頭部在所述發(fā)動機罩撓曲后發(fā)生與處于其下面的機組觸碰，預計也不會受到嚴重傷害。
當所述前期的緩沖減速度高峰的最大值至少是1000或1500m/s2時，所述效果更加明顯，此時所述緩沖減速度隨后直接下降到500m/s2以下。在達到這些數(shù)值時吸收的能量特別多，而不會超過以一個HIC值表示的所許可的頭部承受載荷。上述數(shù)值尤其可通過在對

圖1的闡述中詳細描述的按照EEVC-WG10的模擬程序來求出。
所述緩沖減速度高峰優(yōu)選最遲在所述頭部第一次與前罩板撞擊接觸后的5至8毫秒之后下降到500m/s2以下。如果分析出這個第一高峰值，那么就應該產生一個小于1000的HIC值。
一個具體的結構可以是，所述加固層由一層塑料、尤其是泡沫材料構成，這些材料要具有一定的脆性，致使在局部受到沖擊載荷的作用時所述層的微觀結構萎陷，在這種情況下萎陷意味著一些圍成例如泡沫材料層的細孔的壁或連接部分由于材料脆性斷裂，使得所述層不再有阻力地或者以一個減小的阻力被壓縮。
另外，相對于所述上殼層發(fā)動機罩也可以具有一個下殼層，在這兩個殼層之間設置所述加固層。通過這種結合結構達到一個高剛度，而不必將所述上殼層設計得特別厚。由于所述加固層由下殼層承載，所以在受到沖擊載荷作用時所述加固層被壓縮，以產生所述前期的緩沖減速度高峰值。隨后整個的發(fā)動機罩才明顯地向下彎曲。此時所產生的力基本上決定了在達到第一個緩沖減速度高峰后的緩沖減速過程。以這種方式保證，在所述泡沫材料層萎陷后還能夠足夠地吸收動能。
當所述上殼層及必要時所述下殼層由塑料或金屬構成并且具有一個厚度t1時，以及構成所述加固層的那一層優(yōu)選是一個塑料層，且該塑料層具有一個遠大于厚度t1的、尤其是大于其4至15倍的厚度t2。由此實現(xiàn)，大部分動能在第一個緩沖減速度高峰通過所述塑料層的壓縮被吸收。
另一個實現(xiàn)上述緩沖減速過程的方法將在下文闡述。其中，這個解決方案所要解決的另一個問題在于所述發(fā)動機罩的上殼層通常由一層薄的板材構成，該薄板材可通過一個筋骨架或如上文所述通過一個傳統(tǒng)的泡沫材料層來加固，以防止在受到靜載荷的作用時發(fā)生凹陷。所述發(fā)動機罩上的一些部位尤其會遭受靜載荷，例如處于一個罩鎖上方的部位就是這樣。為了給該鎖上鎖，汽車使用者在該鎖之上的上殼層的上表面會施加一個壓力。為了防止在該區(qū)域處被壓癟，該區(qū)域通常通過一個附加的加強軌條被加強，但是這也可能會導致在發(fā)生頭部撞擊時產生一個具有更高HIC值的緩沖減速過程。
因此，重要的問題在于，需要這樣來設計所述發(fā)動機罩，使得該發(fā)動機罩在一個靜態(tài)的壓力載荷作用下避免凹陷，但同時在一個動載荷的作用下、如在發(fā)生頭部或身體撞擊時也可形成一個適當?shù)腍IC值。
從上述通常的另外的解決方案出發(fā)，本發(fā)明的另一技術解決方案在于，在按照權利要求1前序部分所述的車頭結構中，使所述發(fā)動機罩有一個具有小翹曲剛度的上殼層并且在所述上殼層的下側固定有一個由一種脆性材料構成的薄的支撐層。
所述由脆性材料構成的支撐層加強了所述上殼層，使得所述發(fā)動機罩具有這么一個翹曲剛度，就象它的上殼層由一種具有高翹曲剛度的更厚板材制成那樣。
但是由于所述支撐層整體上、亦即宏觀結構上因為所述材料的脆性在受到一個動載荷的作用時斷裂，因此產生一個在HIC值方面得以優(yōu)化的緩沖減速過程只要所述支撐層還是完好的，那么所述緩沖減速度就很高。但是只要該支撐層斷裂，所述緩沖減速度就會明顯減小，因此對于接下來的緩沖減速過程來說只有所述上殼層的剛度起決定性作用。所述起始時很高的緩沖減速度因此只是在一個短的時間段內存在，這樣，所述頭部載荷才可承受。
在一個有利的設計結構中，所述由脆性材料構成的支撐層面狀地與所述上殼層相連接。由此達到，一個較薄的支撐層也可產生一個足夠的加強效果。
這種加強方式優(yōu)選應用在所述罩鎖所在的局部區(qū)域中，因為所述罩鎖需要一定的空間位置，在上文中詳細闡述的具有一個起加強作用的在載荷作用下萎陷的泡沫材料層的夾層結構在這兒不能順利地被采用。
為了表達本發(fā)明思想，下面借助于兩種實施方式詳細闡述本發(fā)明。附圖中圖1以立體圖表示一個夾層構造的截取示出的發(fā)動機罩，圖2表示撞擊到圖1所示發(fā)動機罩情況下的一個優(yōu)化的緩沖減速度曲線，圖3模擬表示人的頭部撞擊在一個處于一減振器支座上方的發(fā)動機罩上的情形，圖4表示一個帶有一個罩鎖和一個按照本發(fā)明第二種實施方式的支撐層的發(fā)動機罩。
按照圖1，一個發(fā)動機罩1由一層被包裹的泡沫材料層構成，其中，該包裹層由一個上殼層3和一個下殼層4構成。在另一種設計結構中也可以取消下殼層。這種上、下殼層由一種結實的塑料或一種金屬制成，而所述泡沫材料層本身由一種塑料構成。在此也可以采用一種由碳纖維、玻璃纖維或芳族聚酸胺纖維及具有更高強度的一個熱塑性或熱固性基體構成的復合纖維結構(Faserverbundstruktur)。
通過相應地選擇材料并利用其制造出某種泡沫結構，就能實現(xiàn)使所述泡沫材料層以所期望的方式萎陷。當所述泡沫材料層由多個單層構成時，可以通過選擇相應的層分離強度來實現(xiàn)，通過斷開所述各單層的連接同樣引起所述泡沫材料層的萎陷。
也可以考慮由更高強度的玻璃制成的層合材料。對于玻璃來說典型的脆裂特性使得所述材料層在受到一定載荷作用時斷裂，由此它不再會形成阻力并且從中吸收的能量也不再施加到所述被撞擊的人的頭部上。
也可以采用在強度和脆裂特性方面具有類似玻璃特性的特殊的復合纖維聚合物或泡沫材料。
無論如何在所有情形下重要的都是，在發(fā)生撞擊時首先產生一個阻力，該阻力在達到一定的力值及彎曲度或凹陷度時例如通過構成所述內芯的材料的斷裂被減小。
通過這樣的結構產生一個緩沖減速度變化曲線7，如在圖2中以測量曲線所表示的那樣。這些測量數(shù)值是對于一個按照EEVC的模擬人頭被撞擊時進行測量所獲得的值。在此還涉及一個按照EEVC-WG10的頭形撞擊器12(見圖3)，該頭形撞擊器12由一種酚醛樹脂芯構成，該酚醛樹脂芯包裹一層7.5mm厚的橡膠層。所述撞擊器12具有4.8kg的質量并以一個40km/h的速度在與水平面成65°角的情況下撞擊在發(fā)動機罩上。圖2所表示的是頭部撞擊到在所謂的拱形罩11上方的發(fā)動機罩上時的緩沖減速度變化曲線，在該拱形罩11中固定了所述用于一個前車輪的減振器。
圖2所示的圖解中的X軸5表示時間，Y軸6表示頭部受到的緩沖減速度，這些減速度值通過一個在所述撞擊器12的重心處的加速度測量傳感器測得。所述緩沖減速度變化曲線7示出，在坐標系的原點處示出的所述頭部的第一次撞擊之后立刻產生一個較高的具有超過1500m/s2以上值的緩沖減速度高峰8，但是經過5毫秒后該緩沖減速度高峰值已經下降到500m/s2以下，因為所述發(fā)動機罩的內部結構已斷裂。但是所述撞擊器12的速度還未完全降下來，因此，由于所述發(fā)動機罩1與所述拱形罩11之間狹窄的間隙10，所述緩沖減速度變化曲線7又出現(xiàn)第二次爬升9，但這只涉及到一個明顯更小的緩沖減速度值，因此所形成的HIC值不會超過一個1000。
圖4表示本發(fā)明的第二種實施方式。所述發(fā)動機罩1由一通過一個板形框架15加固的上殼層3構成，在此以剖視圖示出了該發(fā)動機罩的前面部段。所述框架15具有一個圍繞在發(fā)動機罩1上的棱邊16和一些在此未詳細表示的橫撐和縱撐。所述框架15局部與所述上殼層3間隔一段間距，局部貼靠在其上面。
所述棱邊16的前部段在中間具有一個凹處17，一個發(fā)動機罩鎖的芯軸18固定在該凹處上。屬于該罩鎖的鎖套19安置在所述汽車車身的一個橫梁20中。
為了將所述芯軸18卡鎖在所述鎖套19中，必須通過推動或輕微地施壓使所述發(fā)動機罩在克服一個彈簧的彈力的情況下朝所述橫梁20的方向被擠壓。為此從上方在所述上殼層3上施加一個壓力。為了使所述上殼層3的薄板不被壓凹，在該薄板的內側粘貼有一層薄的由一種脆性材料制成的支撐層21。所述材料的斷裂極限在一些為關閉所述發(fā)動機罩靜態(tài)地作用在其上的力的作用下還沒有達到。而在頭部或身體撞擊時產生的一個動態(tài)的撞擊載荷的作用下，由所述上殼層3的薄板和所述支撐層21構成的結合體首先會反作用地對所述被撞擊的頭部施加一個高的阻力，但當所述支撐層21的脆性材料達到其斷裂極限時，該結合體在很大程度上會向內塌縮。由此在頭部撞擊或身體撞擊時會形成一個如在圖2中概略示出的緩沖減速度變化曲線，其特點是在撞擊的起始階段有一個高的緩沖減速度高峰出現(xiàn)。
對于所述材料來說，也可以采用與塑料、陶瓷或類似材料的屈服點接近的金屬。
附圖標記清單1發(fā)動機罩2泡沫材料層3上殼層4下殼層5X-軸6Y-軸7緩沖減速度變化曲線8緩沖減速度高峰9上升10 間隙11 拱形罩12 撞擊器15 板形框架16 棱邊17 凹處18 芯軸19 鎖套20 橫梁21 支撐層
權利要求
1.一種優(yōu)化人的頭部撞擊的汽車車頭結構，該車頭結構具有一個穩(wěn)定的、但是在受到一個撞擊載荷作用時可變形的發(fā)動機罩(1)，該發(fā)動機罩具有一個上殼層和一個安置在該上殼層下的并且與之相連接的加固層，在此，在一次頭部撞擊時會產生一定的隨時間變化的緩沖減速度變化曲線(7)，從中可以導出一個HIC值，其特征在于，所述加固層在受到一個沖擊載荷作用期間在達到一定載荷值時由于在其微觀結構和/或宏觀結構中的斷裂至少部分地失去功能，形成一個變形阻力，使得在所述隨時間變化的緩沖減速度曲線(7)中出現(xiàn)一個前期的緩沖減速度高峰(8)。
2.按照權利要求1所述的車頭結構，其特征在于，所述前期的緩沖減速度高峰(8)的最大值至少是1000m/s2，在這之后，該緩沖減速度立即下降到500m/s2以下。
3.按照權利要求2所述的車頭結構，其特征在于，所述前期的緩沖減速度高峰(8)的最大值至少是1500m/s2。
4.按照權利要求2或3所述的車頭結構，其特征在于，所述緩沖減速度最遲在頭部第一次與前罩板撞擊接觸后的5至8毫秒之后下降到500m/s2以下。
5.按照上述權利要求1至4之一所述的車頭結構，其特征在于，所述加固層由一個層(2)構成，該層的材料要具有一定的脆性，使得在局部受到沖擊載荷的作用時所述層在該局部處萎陷。
6.按照權利要求5所述的車頭結構，其特征在于，所述加固層是一層塑料層(5)、尤其是一泡沫材料層。
7.按照上述權利要求1至6之一所述的車頭結構，其特征在于，除了所述上殼層(3)外，所述發(fā)動機罩(1)還具有一個下殼層(4)，在這兩個殼層之間設置所述加固層。
8.按照上述權利要求1至7之一所述的車頭結構，其特征在于，這樣來構造所述發(fā)動機罩(1)，使得它在一個沖擊載荷的作用下彎曲，此時，抗彎強度基本上決定了在所述前期的緩沖減速度高峰(8)之后的緩沖減速度。
9.按照權利要求6所述的車頭結構，其特征在于，所述上殼層(3)以及必要時所述下殼層(4)由塑料或金屬構成，這些殼層分別具有一個厚度t1，以及構成所述加固層的那個層(2)具有一個遠大于t1的厚度t2。
10.按照權利要求9所述的車頭結構，其特征在于，t2比t1大4至15倍。
11.一種優(yōu)化人的頭部撞擊的汽車車頭結構，該車頭結構具有一個穩(wěn)定的、但是在受到一個撞擊載荷作用時可變形的發(fā)動機罩(1)，該發(fā)動機罩具有一個上殼層和一個安置在該上殼層下的并且與之相連接的加固層，在此，在一次頭部撞擊時會產生一定的隨時間變化的緩沖減速度變化曲線(7)，從中可以導出一個HIC值，其特征在于，所述上殼層(3)具有一個小的翹曲剛度并且在該上殼層(3)的下側面上固定有一個構成所述加固層的由一種脆性材料構成的薄的支撐層(21)。
12.按照權利要求11所述的車頭結構，其特征在于，所述由脆性材料構成的支撐層(21)面狀地與所述上殼層(3)相連接。
13.按照權利要求12所述的車頭結構，其特征在于，所述支撐層(21)局限在所述發(fā)動機罩(1)的一個局部區(qū)域內，所述罩鎖處于該局部區(qū)域之下。
全文摘要
在行人發(fā)生交通事故時，要使行人的頭部不受到嚴重損傷，關鍵在于，要使一個對應于該頭部撞擊的HIC值達到1000以下。為此，本發(fā)明建議，這樣設計所述發(fā)動機罩，使得在所述緩沖減速度曲線(7)中出現(xiàn)第一個高的緩沖減速度高峰(8)，該緩沖減速度高峰在底部具有一個大約5毫秒的寬度并且在頂點處達到一個1500m/s
文檔編號B60R21/34GK1694827SQ02813973
公開日2005年11月9日 申請日期2002年7月25日 優(yōu)先權日2001年7月28日
發(fā)明者斯蒂芬·布拉瑟, 克里斯托夫·柯克林, 拉杜-米黑爾·維西尼斯卡 申請人:亞當·奧佩爾有限公司