專利名稱：用于吸收撞擊能量的管狀能量管理系統(tǒng)的制作方法
用于吸收撞擊能量的管狀能量管理系統(tǒng)本申請是2004年8月26日提出的申請?zhí)枮?00480024354.4、發(fā)明名稱為"用于吸收撞擊能量的管狀能量管理系統(tǒng)"的專利申請的分案申請。相關文獻的交叉引用該申請為申請系列號為no.09/964，914，申請日為2001年9月27 日的連續(xù)專利申請的一部分，現(xiàn)在通過參考結合美國專利號為 No.6，648，384，題目為"具有不同強度的環(huán)的可壓碎塔"的專利申請的 整個內(nèi)容。發(fā)明領域本發(fā)明涉及一種能量管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)被配置成在撞擊沖程中能 夠以一種一致的和可預測的方式吸收有效撞擊能量。
背景技術：
關心車輛安全性的聯(lián)邦政府、保險公司、和經(jīng)銷商、協(xié)會以及公 司已經(jīng)建立了車輛緩沖系統(tǒng)必須通過的標準撞擊試驗。緩沖器支架和 可壓碎塔通常用于在車架上支撐保險杠并且常常在車輛撞擊過程中吸 收能量。幾個特點對于"成功的"緩沖器支架和可壓碎塔來說非常有 益。需要制造能夠在一個已知的窄范圍內(nèi)提供一致的和可預測的撞擊 能量，因此，個人車輛上的緩沖系統(tǒng)將全部通過測試是必然的。這要緩沖系統(tǒng)從而減少額外的重量并使用更低成本的材料。更明確的是， 它要求制造能夠提供一致的壓力對偏移曲線的緩沖裝置和可壓碎塔， 和提供一致的能量吸收對時間曲線，以及提供塌陷的一致的和可預測 的方式。這要求車輛制造商確切地知道任何給定的撞擊力能夠產(chǎn)生多 少偏移，在車輛撞擊或碰撞過程中，在任何點上有多少能量被吸收。 反過來，這允許車輛制造商在緩沖系統(tǒng)周圍設計足夠的空間以允許沒有損害的撞擊而不需要浪費空間來補償產(chǎn)品的差異并且對車架上的緩 沖系統(tǒng)提供足夠的支撐。該壓力對偏移曲線具有幾個重要的范圍，在 這些范圍中，可壓碎塔從彈性變形到永久變形到完全塌陷和塌陷到最 低點。這些塌陷的不同點可以被預測以確保在塌陷前和塌陷過程中相 當大的能量得到吸收，也能夠確保在過度的載荷通過緩沖系統(tǒng)傳遞給 車輛和車上乘客之前產(chǎn)生塌陷，這些是非常重要的。除上述之外，緩沖器的開發(fā)程序需要長的籌備期，任何可壓碎塔 是撓性的，可適應性的和"可調(diào)節(jié)的"是很重要的，這樣，在緩沖器 發(fā)展程序后期能夠可預測地對其進行修改和調(diào)節(jié)以在給定的車模上對 其優(yōu)化。同樣，盡管車輛的需要有很大的差異，但是需要提供能夠用 于不同的保險杠和具有不同的緩沖系統(tǒng)和車模上的可壓碎塔設計，以 便于每一個新的緩沖器系統(tǒng)，盡管是新的，也不是一個完全沒有經(jīng)過 測試的和"未知的"系統(tǒng)。在緩沖系統(tǒng)中， 一些支撐保險杠的管式可壓碎塔是已知的。在一 種類型中，兩個沖壓的半殼體被焊接在一起。然而，這個過程產(chǎn)生了 原料廢料。同樣，該焊接過程為增加制造總成本的附屬操作。另外， 該焊接的可壓碎塔受到重要產(chǎn)品變化和產(chǎn)品撞擊強度，壓力對偏移曲 線，能量吸收曲線和壓碎失敗點重要變化的支配。一些可壓碎塔使用比其他可壓碎塔更強的材料。然而，當可壓碎 塔的強度增加時，存在將越來越強的載荷從保險杠直接傳遞給車架的 趨勢。這常常是不希望的。相反，所述塔自身在一個分配的時間階段 內(nèi)可預測地壓縮和塌陷并吸收最大的能量是所希望的。尤其是，強度 非常高的可壓碎塔傾向于從保險杠向車架傳遞不期望的高載荷峰值。 這常常跟隨著可壓碎塔的災難性塌陷，很少的能量在這里被吸收并且 在這里從車輛到車輛的能量吸收不一致或不可預測。并且，它導致了 車架過早地損害。通過可壓碎塔來看，在車輛撞擊過程中，可壓碎塔 被設計成在整個壓碎沖程上連續(xù)和可預測地伸縮和彎曲是特別重要的。同時，允許使用超過強度材料，如高強度低合金鋼(HSLA)或 具有非常高的強度和重量比的超高強度鋼的設計是需要的。如緩沖器制造領域的技術人員所知道的，在高強度材料外簡單加工可壓碎塔的 想法是可憐的，實際上，由于將高的撞擊載荷和載荷峰值傳遞給車架， 以及與不充分能量吸收相關的問題常常導致緩沖系統(tǒng)的失敗。車架，如緩沖器支架和可壓碎塔，最好設計成能夠處理撞擊能量， 既在能量吸收也在能量耗散方面。需要降低對車輛部件的損害，也需 要降低對車輛乘員的傷害。如緩沖器支架和可壓碎塔，車架具有很長的開發(fā)時間，另外，它們常常需要在開發(fā)后期進行調(diào)整和調(diào)節(jié)。車架 (和車架上安裝的部件)具有很多與緩沖器支架和可壓碎塔相同的利 害關系，當然，因為緩沖部件和可壓碎塔(和其它車輛部件)連接在 車架上。更廣地，需要一種柔性的，能夠在非常不同的環(huán)境和應用中使用 的能量吸收系統(tǒng)。特別是，該能量吸收系統(tǒng)在緩沖系統(tǒng)，但是也在車 架上(縱向和交叉車)，和其他應用上，也在非車輛應用上。因此，需要一種解決上述問題并具有上述優(yōu)點的能量管理系統(tǒng)。 特別是，需要一種提供一致的撞擊強度， 一致的壓力對偏移曲線，一 致的能量吸收(對于彈性和永久變形)，以及一致的坍塌點和方式，所 有的這些在緊的/窄的產(chǎn)品和特性變化范圍內(nèi)得到提供。同樣，需要一種有成本竟爭力的能量管理系統(tǒng)，其能夠在減少對輔助操作的需要以 及減少對手工勞動需要的情況下加工，然而它是靈活的和可調(diào)節(jié)的。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個方面， 一種在被縱向撞擊時適于可靠地和可預測地吸收大部分撞擊能量的能量管理管，包括第一管部分；與第一管部 分對齊的第二管部分；和具有分別與第一和第二管部分整體連接的第一和第二端部的中間管部分；該第一和第二管部分在尺寸上不同，該中間管部分具有從第一管部分過渡到第二管部分的形狀；該第一管部 分的尺寸大于第二管部分并包括限定管狀邊界的外表面，該第一端部 包括一變形材料的連續(xù)帶，該連續(xù)帶徑向向外張開越過該外表面，并 用作在縱向撞擊時支撐和保持第一管部分的圓柱強度，當?shù)谝还懿糠?保持其圓柱強度時，第二端部對比地設置成在撞擊過程中開始第二管部分的可伸縮滾壓。本發(fā)明的另一個方面， 一種能量管理管包括第一管部分；對齊 的第二管部分；和具有分別與第一和第二管部分整體連接的第一和第二端部的中間管部分；該第一和第二管部分在尺寸上不同，該中間管 部分具有從第一管部分過渡到第二管部分的形狀；該第二管部分的尺 寸小于第一管部分，并包括限定管狀邊界的內(nèi)表面，該第二端部包括 一變形材料的連續(xù)帶，該連續(xù)帶徑向向內(nèi)張開在該邊界內(nèi)部，并在縱 向撞擊時用作支撐和維持第二管部分的圓柱強度，當?shù)诙懿糠直３?其圓柱強度時，該第一端部構造成在撞擊期間開始第一管部分的可伸 縮滾壓。本發(fā)明另外一個方面， 一種能量管理管包括第一管部分；對齊 的第二管部分；和具有分別與第一和第二管部分整體連接的第一和第 二端部的中間管部分；該第一管部分在尺寸上大于第二管部分，該中 間管部分具有從第一管部分過渡到第二管部分的形狀；該中間部分形 成一個連續(xù)的環(huán)，并且當縱向地交叉分割時，該中間部分為一非線性 壁部分，第一端部在該壁部分上限定第一半徑，第二端部在該壁部分 限定第二半徑，第一和第二半徑中的一個小于另一個半徑，具有一個較小半徑的端部比另一個具有較大半徑的端部對圓柱強度提供相對大 的支撐；具有另一個較大半徑的端部被構造成開始具有較大半徑的管 部分的可伸縮滾壓；由此，在承受縱向撞擊時，當中間管部分受到來 自縱向撞擊的力時，該中間管部分和該第二管部分可預測地滾壓并且 比第一端部更快和比第一管部分更快。本發(fā)明的又一個方面，提供一種在縱向撞擊時適于可靠地和可預 測地吸收大部分能量的能量管理管，該能量管理管包括第一管部分； 對齊的第二管部分；和具有分別與第一和笫二管部分整體連接的第一 和第二端部的中間管部分；該第一管部分在尺寸上大于第二管部分，該中間管部分具有從第一管部分過渡到第二管部分的形狀。 一可壓碎 支撐部件設置在第一管部分的內(nèi)部，并且被構造成當縱向撞擊時破碎且同時有助于材料的滾壓控制。 一可壓碎支撐部件設置在第一端部的內(nèi)部且用于支撐該第二端部，以提供額外的阻力來開始和保持伸縮滾 壓，支撐部件的功能獨立于端部的可伸縮滾壓。本發(fā)明還有另外一個方面， 一種能量管理管包括第一管部分； 對齊的第二管部分；和具有分別與第一和第二管部分整體連接的第一 和第二端部的中間管部分；該第一管部分在尺寸上大于第二管部分， 該中間管部分具有從第一管部分過渡到第二管部分的形狀；以及該中 間管部分和第一和第二管部分中的一個被退火以具有與第一和第二管 部分中的另 一個不同的材料特性，該不同的材料特性包括屈服和延長 特性的改變并且適于當中間管部分接受到足以使中間管部分變形的應 力時促進中間管部分的變形和成形。本發(fā)明能量吸收技術的目的是提供一個靈活的能量管理系統(tǒng)，該 系統(tǒng)能夠在不同的環(huán)境和應用中使用，例如緩沖系統(tǒng)，車架(縱向和 交叉車)，將主要車輛部件錨定于車架上的系統(tǒng)，車頂結構，還有非車 架應用，例如轉向柱管系統(tǒng)，儀表盤支撐系統(tǒng)等等。當研究完下述說明書，權利要求和附圖后，本領域的技術人員將 會對這些以及其他的方面、目的、和本發(fā)明的特點作出理解和評價。


圖1為包括連接于車架的安裝板、保險杠和包括連接于安裝板和 保險杠的相對末端的可壓碎塔的緩沖系統(tǒng)的水平截面圖；圖2為與圖1相似的視圖，但可擠壓塔已經(jīng)塌陷了第一距離(相 對短)；和圖3為與圖2相似的視圖，但可壓碎塔已經(jīng)塌陷了第二距離(相 對長)；圖4為體現(xiàn)本發(fā)明的能量管理管的側視圖； 圖5為能量管理管可采取的其他截面形狀的透視圖； 圖6-8為管狀坯料的側視圖，具有第一直徑的管狀坯料(圖6)， 管狀坯料在一端被壓縮成減小的直徑部分(圖7)，然后將中間管部分 縱向變形以呈現(xiàn)預期的S形(圖8),圖8說明了本發(fā)明的能量管理管； 圖9-11為圖8中所述管的側視圖，端視圖以及縱向截面圖，所述管在臨近其較大直徑管部分具有其中間管部分的向外擴張的末端部分；圖12為圖10中環(huán)繞區(qū)域XII的放大圖；圖13為圖14中所示管的透視圖，該管被部分可伸縮地塌陷并包 括在較大直徑管上的壓延材料；圖14 - 15為改進的能量管理管的側視圖和縱向截面圖，該管在臨 近其較小直徑管部分具有其中間管部分的向內(nèi)擴張的末端部分；圖16為圖15中環(huán)繞區(qū)域XVI的放大圖；圖17為說明圖10中所示管子受到縱向撞擊的載荷對偏移曲線的 曲線圖；圖18為說明退火在硬度和抗拉強度對從圖10中的管子底部的距 離影響的圖表，該管子直立并且具有中間管部分(范圍從約75mm到 約95mm)以及退火的第二管部分；圖18A為說明退火對圖18中管子所使用材料的影響的圖表，退 火溫度線A-J的順序說明了屈服強度的逐漸降低，抗拉強度的減少， 以及應變和基于逐漸上升的退火溫度的變形性的總體增加；圖19為包含圖10中的本發(fā)明的能量管理管的車架的透視圖，包 括四個放大的使用本發(fā)明能量管理系統(tǒng)特殊區(qū)域；圖20為兩個交叉的車梁的透視圖，一個為位于車輛地板下面在牟 架上使用的交叉梁，另一個為在車輛地板上面使用的并用于支撐車座 的交叉梁；圖21為一個緩沖系統(tǒng)的透視圖，該系統(tǒng)包括加強保險杠和在車架 上支撐保險杠的可壓碎塔；圖22為用于支撐儀表盤的十字形汽車梁的透視圖；和圖23- 24為說明從圖23中的能量管理管分解的并且位于圖24 中管內(nèi)的可壓碎支撐部件的透視圖；具體實施方式
一種車輛緩沖系統(tǒng)IO(圖1)包括具有裝配架的車輛前保險杠11、 包括導管裝配板12的車輛車架、和安裝于裝配架和裝配板12之間的可壓碎塔架。該可壓碎塔13包括由連續(xù)材料制成的管子，例如高強度 的可熱處理鋼。該管子具有通過互連部分16連接的第一和第二環(huán)形截 面14和15。該可互連部分16具有形成漏斗形斜面的截頭圓錐體部分 17。在一種方式中，第一環(huán)形部分14被熱處理成高材料強度，例如約 140 KSI抗拉強度，該抗拉強度基本高于第二環(huán)形部分15，第二環(huán)形 部分基本保持在60KSI抗拉強度?？梢灶A測，該第一環(huán)形部分14的 抗拉強度應該比第二環(huán)形部分15的抗拉強度高一個較大的數(shù)量，例如 約10%，但是優(yōu)選為抗拉強度的兩倍或比其高60KSI。這種配置為環(huán) 形部分14提供了必要的硬度以便縮疊在環(huán)形部分15上并且在互連部 分16的截頭圓錐形部分17上提供隆起。通過這種配置，當緩沖系統(tǒng)10受到平行于可壓碎塔13 —段長度 的末端撞擊時，第一和第二環(huán)形部分14和15具有可預測的和協(xié)調(diào)的 多相變形順序可疊縮地彼此陷入，在第一和第二環(huán)形部分14和15之 間開始形成(圖2)或已經(jīng)形成(圖3)第三環(huán)形部分或小半徑被壓緊 部分18。 一旦第三環(huán)形部分18完全形成，如由一定長度的互連部分 16限定的，材料開始變彎曲并且在由部分22形成的"鉤狀"部分下 于位置20處聚成一團。可以預期，如果一種車型有足夠的空間，可以 提供其他的環(huán)形部分和互連部分，并且在可壓碎塔最終降到底之前需 要其他的能量吸收。圖中說明的保險杠11為一種管式梁且為本領域所公知。例如，見 Sturrus專利5，092，512和5,813,594。然而，可以預測，該梁也可以為 一種敞開的非管式梁。同樣，該保險杠可以為直線的或曲線的。取決 于其形狀，裝配架或裝配板可被用于在保險杠上提供一個相對平的適 于連接于可壓碎塔的安裝表面。(見專利5,092,512中的圖14和專利 5,813,594中的圖4)。相似地，在車輛連接的每一個可壓碎塔的末端， 很多不同的裝置可用于提供將可壓碎塔固定于車架的連接點。本發(fā)明的可壓碎塔13由單管形制成。可以預期，管子的形狀最初 由巻制形成并焊接成一個永久的管子從而具有一個恒定的和環(huán)形的橫 截面，具有恒定厚度的均勻管壁。盡管如此，可以預期，非環(huán)形的管子也可以用于本發(fā)明中。管子形成并切割至一個需要的長度后，互連部分16被軋制或壓制 形成一個向內(nèi)變形的相對于管子中心線21具有一個較小角度的截頭 圓錐形狀部分17 (形狀如漏斗)，和一個相對于中心線21具有較大角 度的向內(nèi)變形的徑向急劇突出的部分22。該說明的截頭圓錐形狀部分 17具有一個相對線性的漏斗形部分以便于在撞擊期間形成一個剛性 斜面以引導環(huán)形部分15進入到環(huán)形部分14內(nèi)。同樣，急劇突出部分 22被形成圓角和角度以便于其承受一個導致其巻成一個向內(nèi)變形的 鉤形的彎曲力(見圖2)。該向內(nèi)彎曲變形的材料形成一個對于部分15 一致的圓柱形支撐，其保持管部分15的圓柱強度。這有助于在撞擊過 程中部分14和15的疊縮，如下面所討論的?？蓧核樗?3內(nèi)的內(nèi)腔25為開口的并且在撞擊過程中保持開口狀 態(tài)。因此，在腔25內(nèi)可以設置一個部件而不會對可壓碎塔13的性能 有負面影響。例如，如果需要，可以在腔25內(nèi)設置一個掛鉤襯套。在實施中，通過制作一個管子對可壓碎塔進行加工，如通過巻制， 然后通過巻制或變形成直徑減少的互連部分，再對環(huán)形部分14(和/ 或部分15， 17和22)進行熱處理。在可壓碎塔13水平地并且彼此橫 向間隔的情況下，然后通過連接于保險杠11將一對可壓碎塔13組裝 成緩沖系統(tǒng)IO。然后將該緩沖系統(tǒng)IO連接于車架。在撞擊過程中，由于環(huán)形部分14和15沿著其中心線21的線性強 度，互連部分16開始彎曲。特別是，當急劇突出部分22向后對折在 其上時，在急劇突出部分22下面的截頭圓錐形部分17受到驅動，形 成一個向內(nèi)變形的夾緊部分17的構型環(huán)。部分22與部分17剩余部分 材料相比的半徑有助于該結果的形成。這在能量吸收的第一 (較低) 級提供了塌陷的第一階段。在從汽車碰撞的長沖程過程中，當可壓碎 塔承受進一步的壓縮時，互連部分16的一端彎過來并且在環(huán)形部分 14剩余材料下面受到拉伸。當環(huán)形部分15的端部彎曲并巻在管部分 15的外表面時，在環(huán)形部分14和15之間形成了第三環(huán)形部分18。這 隨后的塌陷和不同部分14-16的變形并且尤其是，管部分14的材料的滾壓以一種很容易預測的方式并且在一個相對窄的變量范圍內(nèi)吸收 了相當大的能量?？梢灶A期，當前的可壓碎塔可以在滾壓機上由高強度的低合金鋼(HSLA)滾壓形成。另外，可以預期，鋼的滾壓可以為高強度鋼(例 如70KSI抗拉強度)，或超高強度鋼(如80KSI抗拉強度或更高)。如 果需要，這些材料可以在選定的區(qū)域退火以增加拉伸特性或降低它們 的屈服強度(例如60KSI抗拉強度或更低)和/或在選定的區(qū)域進行熱 處理以增加強度。例如，具有在其一端具有60KSI抗拉強度的區(qū)域并 在相對端具有120KSI抗拉強度區(qū)域的可壓碎塔可通過兩種方法進行 加工。該中間環(huán)形部分最好為約60KSI并且在強度上與較低強度環(huán)形 部分相似以更好地確保一個好的塌陷順序。應該注意到，在當前的公 開中，術語"熱處理"被認為比術語"退火"范圍更廣，術語熱處理 包括通過使用熱或溫度的方法增加或降低材料特性。同樣可以預期， 熱處理和/或退火可以與滾扎裝置在線進行并且作為一個連續(xù)過程與 滾扎同步進行。當退火步驟在線并且與裝置和滾扎步驟同步進行時， 滾扎形成的管形非常有益，以便于臨近的可壓碎塔在相反的方向上面 對。例如，在環(huán)形部分15(例如，連接于保險杠的末端)從高強度到 低強度退火的地方，臨近的可壓碎塔(例如，在分成兩個分開的管部 分之前)的兩個環(huán)形部分彼此臨近是很有益的，以便于在一個較寬的 區(qū)域內(nèi)應用單一的退火熱量。這增加了滾扎過程和退火過程的效率、 控制和作業(yè)線速。 改進在下面的描述中，相似的部件，特征和方面采用相同的標記標識， 但是具有額外的字母"A"， "B"等。這樣做是為了減少多余的討論。提供了一種改進的能量管理管13A (圖4),當被縱向撞擊時，其 增加了可靠性和可預測地吸收了實質的撞擊能量。該能量管理管13A 包括一個第一管部分14A, —個與第一管部分14A成直線的第二管部 分15A,和一個分別具有第一和第二端部30和31的中間管部分16A。 該末端部分30和31分別整體地與第一和第二管部分14A和15A連接。15該第一管部分14A在尺寸上大于第二管部分15A，并且具有類似圓柱 形截面形狀。然而，應該注意到，第一和笫二管部分14A和15A也可 以為包括矩形、正方形、橢圓、圓或其它幾何形狀的不同形狀。(見圖 5)另外，可以預期，管部分14A和15A也可沿它們的長度上具有不 同的截面形狀，尤其是在與中間管部分15A間隔開的位置，在那里管 部分14A和15A必須適合于連接不同的結構，例如車架部件等部件。 (見圖19 - 22 )中間管部分16A從第一管部分14A到第二管部分15A 具有一個形狀轉變，并且進一步地，如下面所說明的，第一和第二端 部30和31在形狀上不相似(圖9 - 12 )。當前公開的能量管理管13A (圖4)由可退火的鋼材料板制成， 具有作為一個單元整體在一個形成的每一個管部分14A, 15A和16A。 為了滿足功能設計的需要，壁厚可以不同。例如，對于保險杠可壓碎 塔和/或車架，厚度可為約1.5到4mm，取決于材料強度和使用要求的 特殊應用?？梢栽O想，板材初始在滾扎機上被加工成一個連續(xù)的長管， 然后切割成預定長度的管形坯料60(圖6)。然后，管形坯料將具有管 部分15A和退火的16A，然后形成輪廓61 (圖7)，在那里第二管部 分15A被壓制成一個直徑減少的部分，具有暫時呈現(xiàn)一個暫時截頭圓 錐體輪廓的中間部分16A。已經(jīng)確定了，其有助于固定地和縱向地使 能量管理管13A變形至一個預定的狀態(tài)(圖8)，這樣中間部分16A 呈現(xiàn)一個在初始撞擊過程中能避免高載荷峰值的特殊形狀，如下面所 說明的。對于自動緩沖系統(tǒng)和車架部件，板材為好的，可靠等級的鋼， 例如結構鋼，是優(yōu)選的。具有高于約35KSI屈服強度的鋼工作良好。 可在選定的區(qū)域進行熱處理或退火以獲得最佳屈服和拉伸特性的鋼也 是優(yōu)秀的候選對象，例如結構鋼，或高強度低合金鋼(HSLAS)或超 高強度鋼(UHSS)。關于材料的特殊說明是適當?shù)摹Ｓ捎诒贿x擇的材料變得越來越堅 固和堅硬，具有更高的屈服強度，更高的抗拉強度和較低的延伸值， 它們常常對于緊密的半徑更加敏感并且將趨向于抵制軋制?；蛘呖商?代的是，在緊密的半徑時，它們將趨向于斷裂，彎曲，剪切，裂紋，和/或裂口。當半徑接近材料的厚度時，這個斷裂的問題會變得更加嚴 重。本發(fā)明利用了向外和向內(nèi)的巻邊，間隙，和特別選來有助于解決 該問題的半徑。不同等級的鋼是本領域所熟知的并且本領域的技術人 員很容易理解。讀者的關心集中在用于標準工業(yè)限定的ASTMA1008/A和A1008M畫01a，和ASTM A1011A以及A1011M畫01a。 結構鋼，例如具有約25KSI和更高的，具有上面所提到的質量問題開 始出現(xiàn)的強度特性。結構鋼典型地要比冷扎商業(yè)等級鋼或熱軋商業(yè)等 級鋼的等級略高。盡管如此，當它們接近25至30KSI抗拉強度時， 它們就趨向于出現(xiàn)問題?？梢蕴貏e預期的是，在上面說明的能量管理 管13 (和管子13A和13B)中使用結構鋼，例如具有抗拉強度約為 25KSI或者更高的鋼，本發(fā)明將會工作良好。本發(fā)明對于強度為80KSI 和更高的更強材料，以及超高強度鋼(UHSS)同樣非常適合并且工 作良好。在需要材料的可加工性以及增強軋輥的地方，這些鋼可以被 熱處理或退火以在沿著能量管理管的關鍵性區(qū)域獲取最佳特性。應該注意到，這里討論的不同鋼材規(guī)定為并且相信能夠得到鋼材 料領域和滾扎領域的技術人員的很好理解。為了讀者的利益，應該注 意，附加信息可以從美國測試和材料協(xié)會(ASTM)得到。這里所使用的 關于鋼材的術語規(guī)定為與ASTM標準和限定一致。盡管如此，應該強 調(diào)，當前的技術是非常靈活的并且適于與很寬范圍的材料起作用。因 此，盡管合理地解釋，但是不同的術語應該得到更廣的解釋。應該確信，當前的原理對于HSLA鋼和超高強度鋼(UHSS)，例 如雙相鋼、三相鋼(TRIP),或馬氏體材料尤其有用。當前的原理對 于其他工程等級鋼材，例如鋁和甚至更軟的材料也同樣有用。當前的 原理在高強度材料允許通過減少壁厚(例如厚度壓減)來減少重量的 地方尤其有用。通過熱處理，所述材料內(nèi)在地更容易加工和變形 (flowable),和/或可以在選擇的區(qū)域變得更容易加工和變形。例如， 這允許預定在中間管部分16A形成較小半徑，又具有降低產(chǎn)生微觀裂 紋和/或宏觀裂縫和/或斷裂的危險，降低剪切問題和例如傾斜的材料 分離的危險和降低在小直徑彎曲區(qū)域產(chǎn)生材料強度減少的其他質量缺陷的危險。退火的特性也允許材料軋輥而不會剪切，開裂，或撕裂， 這在撞擊和縱向碰撞過程中對于取得最大的能量吸收非常重要。(見圖13 )。值得注意的是，本發(fā)明提供的能量管理管的特性可以調(diào)節(jié)并且通 過不同的方法調(diào)節(jié)成滿足特定標準，包括通過下列不同的調(diào)節(jié)材料 厚度，材料類型，材料硬度和可屈服性，退火溫度和條件，管子直徑 和形狀，所述特定軋制半徑設計和預期程度，定位在管部分內(nèi)(或外 部)的可壓碎插入件的使用，和影響材料軋制、圓柱強度、能量吸收 和在縱向擠壓撞擊過程中應力分配的其它特性。如圖9-12所說明的，第一管部分14A在尺寸上大于第二管部分 15A。該第一管部分14A包括一個限定了管狀邊界32的外表面。該管 狀邊界32在靠近第一端部30的區(qū)域與第一管部分14A的截面形狀相 匹配。第一端部30包括緊密變形材料34的一個環(huán)形連續(xù)帶，該變形 材料34超過邊界32徑向向往張開，例如以一個約25度的最小角度。 該緊密變形材料34限定了一個有效形成一個抵抗材料軋制的"壓緊" 區(qū)域的小半徑。同樣，在小半徑處有一些冷加工硬化的材料。該小半 徑(在其凹面)最好不小于第一端部30的材料厚度的0.5倍。因此， 其充分抵制了剪切或裂縫的趨勢。變形材料34抵制軋制的原因是多種 多樣的和細微的?？梢韵嘈牛刂哂袔嗊呅蔚木o密"小"半徑形成 了支撐第一管部分14A的均勻的環(huán)繞支撐，其用于在縱向撞擊時保持 第一管部分的圓柱強度。當縱向壓縮時，緊密變形部分34抵制第一端 部30和第一管部分14A的滾壓。對比地，第二端部31 (圖12)具有具有一個限定了相對大半徑的 (在其凹面)變形材料35，例如至少為第二端部31材料厚度的約1.0 倍。由于半徑較大，因此，第二端部31的變形部分35抵制第二管部 分15A的材料滾壓較弱并且對第二管部分15A的圓柱強度的支撐較 弱。實際上，由于第一管部分14A保持其圓柱強度，因此，第二端部 31被設置成在撞擊過程中開始第二管部分15A的可伸縮滾壓。管部分 15A和16A被退火和第一管部分14A沒有退火的事實進一步有助于并產(chǎn)生了該結果(盡管退火不要求具有材料滾壓的傾向)。提供有用于材料滾壓時所需要的材料流動的間隙。潛在地，管部分14A和15A的尺 寸可形成為在撞擊過程中、在材料的滾壓過程中彼此提供支撐。由于 其有助于避免初始時急劇升高的載荷峰值，因此中間管部分16A的預 定條件也很重要，這樣，當其達到一個預定的初始水平時，載荷快速 變平，然后保持在撞擊沖程中過程中的水平。(見圖17)。第二能量管理管13B (圖14-16)包括第一管部分14B,第二管 部分15B，和互連管14B和15B部分的中間管部分16B。然而，管13B 不同于管13A。在管13B中，較大直徑的第一管部分14B的末端部分 30B包括限定較大半徑的變形材料34B。另外，該變形材料34B沒有 向外擴張，但是替代為通常保持在由第一管部分14B的外表面限定的 邊界內(nèi)。同時，第二管部分15B的末端部分31B包括限定了一個較小 直徑的變形材料35B。該變形材料35B在環(huán)形邊界32B內(nèi)向內(nèi)擴張， 例如以一個約12度的最小角度。圖13說明了在從管13B的第一管部分14B的部分材料36已經(jīng)滾 壓的部分行程撞擊。(在管13A中，當以相同的方式滾壓時，第二較 小管部分15A為滾壓部分。圖17說明了對于管13A和14A的典型的載荷對偏移曲線。雖然 在撞擊沖程過程中加載時有些變化，但是這對于設計能量管理管系統(tǒng) (例如對于對于保險杠和車架)的本領域的技術人員來說是很明顯的， 載荷快速達到一個預定水平，并且在整個撞擊沖程中相對一致地停留 在選定的水平。載荷偏移曲線下面的面積代表了撞擊沖程過程中真實 的能量吸收("AEA")。理想的能量吸收("PEA")通過將一次撞擊 (Dl)過程中的最大載荷與全部沖程(D2)相乘得到。當前的能量管 理系統(tǒng)提供了非常高的效率額定值(例如，"AEA"除以"PEA")。 尤其是，由于相對固定的初始加載，和相對容易保持以及連續(xù)通過整 個撞擊沖程的加載的一致水平，當前的能量管理管技術比已知的緩沖 器可壓碎塔具有更高的和更一致的能量吸收效率。特別是，本發(fā)明的原理提供了載荷對偏移曲線的令人驚奇的和意想不到的一致性和可靠性，并同樣提供了一致和可靠的能量吸收和壓縮沖程。圖18為一個說明典型退火管的圖表，如可用于取得圖17和圖18A 中效果的退火管，該圖表說明了退火對用于圖18中管子的材料的影 響。退火溫度線A-J的序列說明了屈服強度的逐漸降低，抗拉強度的 減少，應力的總的增加以及基于逐漸增加的退火溫度的可變形性。其 同樣說明了抗拉強度與屈服強度的總的關系，還有這些特性與應變之 間的關系。圖19為一個體現(xiàn)本發(fā)明圖11和15提供的能量管理管的原理的管 狀車架的透視圖，其位于它的管狀大梁內(nèi)。以放大的方式說明了與四 個區(qū)域鄰接的四個特殊區(qū)域，每一個區(qū)域說明了可以應用本發(fā)明的能 量管理系統(tǒng)技術的地方。然而，應該注意到，本發(fā)明的技術可以應用 到其他區(qū)域。另外，在"真實的"車架上，使用的位置最有可能在車 架上更對稱的位置。圖示的管40 (圖19)位于靠近車架39的前端，在前部車架側梁 的縱向部分，正好位于車前橫梁的前部。管子40的截面為矩形，并且 包括一個單獨的中間管部分(16C)(見圖11),在壓縮撞擊過程中， 其被設置成管子(14C或15C)之一的初始的滾壓材料。能量管理管 41位于車架上一個相似的前部位置。管41截面為環(huán)形，并包括在壓 縮撞擊過程中用作初始滾壓材料的一個單獨的中間管部分(16D)。管 41也包括一個位于環(huán)形截面轉變成矩形截面以與車架部件前端(或后 端)接合的一端的緩沖區(qū)42。例如，管41可用于支撐車輛保險杠。兩端部管子43位于所述車架側邊的中間部分。管子43為圓形截 面，并包括兩個在位于中心的較小直徑管46相對端相向面對的中間管 部分44和45。管43還包括兩個位于每一個中間管部分44和45外端 的較大直徑管部分47和48。另外，較大直徑管部分在它們的外端轉 變成矩形截面。另一個能量管理管49與管40相似，并且位于車架大 梁的末端。然而，并不是位于最靠近的橫梁的前部，橫梁50直接連接 于能量管理管49的較大直徑管部分，例如通過焊接。圖20為兩個車橫梁的透視圖， 一個為用于相同平面(如車架)的車輛橫梁52。所述橫梁或能量管理管52與上面討論的兩端部管43相 似。它包括一個位于中間位置的較小直徑管部分53，和連接于車架大 梁的兩個較大直徑管部分54和55。值得注意的是，管13a(或13b) 的端部可以退火以有助于改造成與車架導軌的幾何形狀更加匹配。圖20中的其它能量管理系統(tǒng)包括一對作為橫梁設置，但是在車輛 地板上部使用，或至少設置在相對于地板可以在其上錨定座位的位置 的管55。每一個管55與管52相似，其相對端錨定在車輛側邊。每一 個管55包括一個較小的中間管部分56和兩個外部較大的管部分57 和58。車輛包括具有連接于較大管部分57和58的前部和后部外部支 腿的座位59和60，并具有連接于較小管部分56的前部和后部內(nèi)支腿 62。圖21為一個緩沖系統(tǒng)的透視圖，該緩沖系統(tǒng)包括一個加固保險杠 64和一個在車架上支撐保險杠64的能量管理管65。該可壓碎塔65 為一個類似于管41能量管理管，不需要詳細討論。圖22為用于支撐儀表盤68的橫梁67的透視圖。橫梁67包括一 個獨立的長的較小直徑管部分69，和在其每個末端的兩個較大直徑管 部分70。該較大直徑管部分70連接于車輛結構，例如正好在前部乘 客車門前部位于車輛"a"柱處。幾個軸環(huán)71設置在較小直徑管部分 69上，以便于支撐托座72和敞開的連接法蘭73。托座72用于錨定不 同的部件，例如儀表盤68，和在儀表盤68內(nèi)以及周圍的各種部件和 附件。圖23為說明了位于能量管理管76外端，并準備軸向安裝于其內(nèi) 的可壓碎插入件75的透視圖。該管76包括一個較小直徑管部分77， 一個較大直徑管部分78，和一個與它們互連的中間管部分79。該中間 管部分79設計成在縱向撞擊時，當較小直徑管部分77滾壓進入較大 直徑管部分78時，提供較小直徑管部分77材料的預定滾壓。該可壓 碎插入件75包括具有周向強度并且適于徑向支撐較大直徑管部分78 的結構環(huán)80。該結構環(huán)80通過將結構環(huán)80縱向間隔的薄環(huán)81互連。 然而，該薄環(huán)81具有預定的縱向強度，以便于當接受徑向壓力時，隨著預定的壓力塌陷。因此，當其設置在能量管理管76(圖24)內(nèi)部時， 該可壓碎插入件開始以一種阻止發(fā)出^噠聲的方式緊貼地配合進入較 大直徑管部分78。然而，在縱向撞擊過程中，當較小直徑管部分77 進入并朝較大直徑管部分78移動時，較小直徑管部分77的材料開始 滾壓并與可壓碎插入件75的一端接合。當較小直徑管部分77滾壓時， 可壓碎插入件75的薄環(huán)81塌陷，為更多的滾壓材料讓出額外的空間。 繼續(xù)這樣的順序，直到可壓碎插入件完全塌陷。在撞擊沖程過程中， 可壓碎插入件75接合并有助于控制滾壓的材料。例如，在一個測試中， 可壓碎插入件75增加了 10,000磅壓力的縱向載荷。同樣，測試潛在 地說明了載荷可以變得更加一致，因此增加了能量管理系統(tǒng)的效率(例 如，"AGA"除以"PEA"，如上面描述的)。因此，該可壓碎插入件對于管部分77的滾壓提供了額外的抗力并 且可以用于調(diào)節(jié)能量管理管的性能。圖23和24中說明的該可壓碎插 入件75由彈性體材料制成，在縱向加載時，當通過中間管部分79的 滾壓半徑傳遞時，該材料塌陷。凸面的環(huán)形圏81設置在較厚的邊界環(huán) 80之間。當可壓碎插入件受到加載時，環(huán)80將載荷傳遞給在加載下 初始塌陷的突起區(qū)域。突起區(qū)域81的向外塌陷通過管部分78的內(nèi)表 面被阻止。當管部分78滾壓時可以取得相似的特性并且管部分77保 持圓柱強度。該可壓碎插入件可由不同材料制成并且可以制成用于調(diào) 節(jié)能量管理管性能的不同幾何形狀?？蓧核椴迦爰捎糜谡{(diào)節(jié)管子的 性能而不是增加管子的直徑或材料厚度。也可以采用一些通過增加管 子厚度或增加管子直徑來調(diào)節(jié)管子性能的標準方法?？蓧核椴迦爰?使用提供和可替換方法來調(diào)節(jié)管子的性能，不增加有效成本并且不增 加重量負擔?？梢岳斫?，基于前面所述結構的修改和改變并不背離本發(fā)明的構 思，也可以進一步地理解，這些構思將由下述權利要求所涵蓋，除非 這些權利要求通過其語言明顯指示其它方面。
權利要求
1、一種在被縱向撞擊時適于可靠地和可預測地吸收大部分撞擊能量的能量管理管，包括第一管部分；與第一管部分對齊的第二管部分；和具有分別與第一和第二管部分整體連接的第一和第二端部的中間管部分；該第一和第二管部分在尺寸上不同，該中間管部分具有從第一管部分過渡到第二管部分的形狀；該第二管部分的尺寸小于第一管部分，并包括限定管狀邊界的內(nèi)表面，該第二端部包括一變形材料的連續(xù)帶，該連續(xù)帶徑向向內(nèi)張開在該邊界內(nèi)部，并在縱向撞擊時用作支撐和維持第二管部分的圓柱強度，當?shù)诙懿糠直３制鋱A柱強度時，該第一端部構造成在撞擊期間開始第一管部分的可伸縮滾壓。
2、 根據(jù)權利要求l所述的能量管理管，其特征在于，該第一、第 二和中間管部分由單片材料形成，其中該第一、第二和中間管部分中 的至少一個被熱處理以包含不同的材料特性。
3、 根據(jù)權利要求l所述的能量管理管，其特征在于，該第一、第二和中間管部分由鋼制成。
4、 一種在被縱向撞擊時適于可靠地和可預測地吸收大部分撞擊能 量的能量管理管，包括第一管部分；與第一管部分對齊的第二管部分；和具有分別與第一和第二管部分整體連接的第一和第二端部的中間 管部分；該第一管部分在尺寸上大于第二管部分，該中間管部分具有 從第一管部分過渡到笫二管部分的形狀；以及該中間管部分和第一和第二管部分中的一個被退火以具有與第一 和第二管部分中的另一個不同的材料特性，該不同的材料特性包括屈服和延長特性的改變并且適于當中間管部分接受到足以使中間管部分變形的應力時促進中間管部分的變形和成形。
5、 根據(jù)權利要求4所述的能量管理管，其特征在于，該不同的材 料特性包括增大的延伸特性和較低的屈服特性，其適于在縱向撞擊過 程中支持所述退火的一個管部分的預期的和希望的可伸縮滾壓。
6、 根據(jù)權利要求5所述的能量管理管，其特征在于，該不同的材 料特性包括增大的延伸特性和較低的屈服特性，其適于支持機械地成 形所述一個管部分，包括將該一個管部分的截面改變成不同的尺寸。
7、 根據(jù)權利要求5所述的能量管理管，其特征在于，該不同的材 料特性包括增大的延伸特性和較低的屈服特性，其適于在縱向撞擊過 程中支持加鍛中間管部分至促進材料的滾壓的形狀。
8、 一種減震器，包括較小直徑管部分和較大直徑管部分，它們通過部分壓縮或部分增 大可塑性變形的直管而整體地形成，和在較小直徑管部分和較大直徑管部分的邊緣之間、通過將該邊緣 折疊回每一個管部分而連續(xù)形成的階梯部分，其中，為了控制施加的撞擊能量的吸收量，摩擦部件安裝在較大直徑管 部分的內(nèi)部。
9、 根據(jù)權利要求8所述的減震器，其特征在于，階梯部分包括一 截面結構，在該截面結構中，該較小直徑管部分的截面圓弧形的環(huán)形 向后折疊部分具有在其截面上的較小的曲率半徑，該較大直徑管部分 的截面圓弧形的環(huán)形向后折疊部分具有在其截面上的較大的曲率半 徑， 一環(huán)形側面用于通過其邊緣連接該環(huán)形向后折疊部分的邊緣，由 此整體形成S形截面的階梯部分。
10、 根據(jù)權利要求8所述的減震器，其特征在于，摩擦部件為環(huán) 形的彈性部件，其外直徑小于較大直徑管部分的內(nèi)直徑并且其內(nèi)直徑 大于較小直徑管部分的外直徑，該環(huán)形彈性部件插入到較大直徑管部 分的內(nèi)部。
11、 根據(jù)權利要求8所述的減震器，其特征在于，該摩擦部件為 環(huán)形的彈性部件，其外直徑基本上等于較大直徑管部分的內(nèi)直徑并且其內(nèi)直徑大于較小直徑管部分的環(huán)形向后折疊部分的外直徑，該環(huán)形 彈性部件壓力插入到較大直徑管部分的內(nèi)部。
12、 一種減震器，包括較小直徑管部分和較大直徑管部分，它們 通過部分壓縮或部分增大可塑性變形的直管而整體地形成，以及包括 連接較小直徑管部分和較大直徑管部分的階梯部分，其中當通過階梯部分彼此連接時，較小直徑管部分的向后折疊部分和 較大直徑管部分的向后折疊部分都具有弧形角度大于90度的圓弧形 部分；和該階梯部分通過連接較小直徑管部分的向后折疊部分和較大直徑 管部分的向后折疊部分形成為具有S型截面。
13、 根據(jù)權利要求12所述的減震器，其特征在于 該階梯部分形成為具有S型的截面，在該S型的截面中，較小直徑管部分的向后折疊部分的圓弧形截面的半徑制成小于較大直徑管部 分的向后折疊部分的圓弧形截面的半徑。
14、 根據(jù)權利要求12所述的減震器，其特征在于 該階梯部分經(jīng)由通過環(huán)形側面連接較小直徑管部分的向后折疊部分和較大直徑管部分的向后折疊部分形成為具有S型截面。
15、 一種在被縱向撞擊時適于可靠地和可預測地吸收大部分撞擊 能量的能量管理管，包括第一管部分；與第一管部分對齊的第二管部分；和具有分別與第一和第二管部分整體連接的第一和第二端部的中間 管部分；該第一管部分具有與第二管部分相同的形狀，該中間管部分 具有從第一管部分過渡到第二管部分的形狀；該中間部分形成一個連續(xù)的環(huán)，并且當縱向地交叉分割時，該中 間部分為一非線性壁部分，第一端部在該壁部分上限定第一半徑，第 二端部在該壁部分限定第二半徑，第一和第二半徑中的一個小于另一 個半徑；具有一個較小半徑的端部比具有另一個較大半徑的端部對圓柱強度提供相對大的支撐；具有另一個較大半徑的端部被構造成開始具有較大半徑的管部分 的可伸縮滾壓；由此，在承受縱向撞擊時，當中間管部分受到來自縱向撞擊的力 時，該中間管部分和該第二管部分可預測地滾壓并且比第一端部更快 和比第一管部分更快。
16、 根據(jù)權利要求15所述的能量管理管，其特征在于，該第一、 第二和中間管部分由單片材料制成，其中第一、第二和中間管部分中的至少 一個被熱處理以包括不同的材料特性。
17、 根據(jù)權利要求16所述的能量管理管，其特征在于，該中間管 部分和第一和第二管部分中的一個被熱處理。
18、 根據(jù)權利要求17所述的能量管理管，其特征在于，該中間管 部分和該一個管部分被退火。
19、 根據(jù)權利要求15所述的能量管理管，其特征在于，該第一、 第二和中間管部分由鋼制成。
20、 一種在縱向撞擊時適于可靠地和可預測地吸收大部分撞擊能 量的能量管理管，包括第一管部分；與第一管部分對齊的第二管部分；和具有分別與第一和第二管部分整體連接的第一和第二端部的中間管部分；該第一管部分具有與第二管部分相同的形狀，該中間管部分 具有從第一管部分過渡到第二管部分的形狀；和該中間管部分和第一和第二管部分中的一個被退火以具有與第一 和第二管部分中的另一個不同的材料特性，該不同的材料特性包括屈服和延長特性的改變并且適于當中間管部分接受到足以使中間管部分 變形的應力時促進中間管的變形和成形。
21、 根據(jù)權利要求20所述的能量管理管，其特征在于，該不同的 材料特性包括增大的延伸特性和較低的屈服特性，其適于在縱向撞擊 過程中支持所述退火的一個管部分的預期的和希望的可伸縮滾壓。
22、 根據(jù)權利要求21所述的能量管理管，其特征在于，該不同的 材料特性包括增大的延伸特性和較低的屈服特性，其適于支持機械地 成形所述一個管部分，包括將該一個管部分的截面改變成不同的尺寸。
23、 根據(jù)權利要求21所述的能量管理管，其特征在于，該不同的 材料特性包括增大的延伸特性和較低的屈服特性，其適于在縱向撞擊 過程中支持加鍛中間管部分至促進材料的滾壓的形狀。
全文摘要
一種能量吸收系統(tǒng)，包括由連續(xù)材料例如可熱處理的鋼制成的管子，該管子具有通過中間部分連接的第一和第二環(huán)形部分。一方面，該中間部分被擴大和/或收縮以使一管部分在撞擊下可預測地伸縮地滾壓。另一方面，一個管部分被退火以優(yōu)化其延伸和屈服特性，從而在撞擊下有利于滾壓。通過這種設置，當緩沖系統(tǒng)接受到縱向的撞擊時，該第一和第二環(huán)形部分可預測地并與滾壓塌陷相一致地壓伸縮塌陷。本發(fā)明也公開了與上述系統(tǒng)相關的方法。
文檔編號B60R19/34GK101259851SQ200810093000
公開日2008年9月10日 申請日期2004年8月26日 優(yōu)先權日2003年8月26日
發(fā)明者B·W·萊昂斯, D·W·希瑟靈頓, S·C·格拉斯哥 申請人:沙普公司