一種簡(jiǎn)易三段套筒式充液緩沖吸能元件及其設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】一種簡(jiǎn)易三段套筒式充液緩沖吸能元件及其設(shè)計(jì)方法，由一級(jí)套筒(1)、二級(jí)套筒(2)、三級(jí)套筒(3)、四級(jí)套筒(4)、軟脂密封膠(5)、前連接板(6)、后連接板(7)、溢流閥(8)、液壓液體(9)組成；套筒(1)、(2)、(3)、(4)為等長(zhǎng)度薄壁管，之間相互嵌套，底部相連互通，并通過軟脂密封膠(5)進(jìn)行密封與連接；套筒(1)與前連接板(6)及套筒(4)與后連接板(7)之間固定連接成密封結(jié)構(gòu)；前連接板(6)與防撞橫梁連接，后連接板(7)與車架連接；上述溢流閥(8)安裝在四級(jí)套筒(4)底部，保持碰撞過程中套筒內(nèi)壓力恒定，實(shí)現(xiàn)恒壓卸荷與碰撞加速度恒定。該結(jié)構(gòu)通過多級(jí)吸能結(jié)構(gòu)作用，實(shí)現(xiàn)多級(jí)吸能、過程恒壓控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、低成本。
【專利說明】一種簡(jiǎn)易三段套筒式充液緩沖吸能元件及其設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種汽車前碰撞安全吸能元件及其設(shè)計(jì)方法，可以有效緩沖車輛前碰 撞的沖擊力，起到緩沖吸能與減小乘員傷害的作用。 技術(shù)背景
[0002] 目前、國(guó)內(nèi)汽車的銷售量與保有量逐年攀升，汽車的安全問題越來越為人所關(guān)注。 傳統(tǒng)的車輛前防撞吸能系統(tǒng)，主要由前保險(xiǎn)杠、防撞橫梁、吸能盒及前縱梁結(jié)構(gòu)組成，采用 鋼板沖壓或滾壓等結(jié)構(gòu)焊接，通過結(jié)構(gòu)的壓潰變形緩沖吸能。在碰撞過程中，傳統(tǒng)前防撞吸 能系統(tǒng)較難實(shí)現(xiàn)碰撞加速度的恒定控制，且屬于一次性破壞，無法重復(fù)使用，同時(shí)具有開發(fā) 模具投入大、制造成本較高的缺點(diǎn)。因此，其他吸能與防撞結(jié)構(gòu)的研究也在大量進(jìn)行，包括 液壓及氣壓吸能元件的開發(fā)與研究。但采用液壓或氣壓緩沖裝置，需有整套的液壓管路元 件與控制系統(tǒng)，會(huì)對(duì)車輛的總體布置造成一定影響，顯著增加成本的同時(shí)增加了整車重量， 不利于提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于，在不影響車輛原有結(jié)構(gòu)與布置的前提下，通過數(shù)個(gè)順序連接 的簡(jiǎn)易套筒元件及一個(gè)溢流閥，實(shí)現(xiàn)車輛碰撞過程中碰撞緩沖力的恒定控制，以獲得較理 想的碰撞加速度（緩沖力）波形。
[0004] 附圖1、2、3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖與剖視圖，說明如下：
[0005] -種簡(jiǎn)易三段套筒式充液緩沖吸能元件，其特征在于：由一級(jí)套筒1、二級(jí)套筒2、 三級(jí)套筒3、四級(jí)套筒4、軟脂密封膠5、前連接板6、后連接板7、溢流閥8、液壓液體9組成； 套筒1、2、3、4為等長(zhǎng)度薄壁管，之間相互嵌套，底部相連互通，并通過軟脂密封膠5進(jìn)行密 封與連接；套筒1與前連接板6及套筒4與后連接板7之間固定連接成密封結(jié)構(gòu)；前連接 板6與防撞橫梁連接，后連接板7與車架連接；上述溢流閥8安裝在四級(jí)套筒4底部，保持 碰撞過程中套筒內(nèi)壓力恒定，實(shí)現(xiàn)恒壓卸荷與碰撞加速度恒定。
[0006] 所述的液壓液體9可以是任何防銹、無腐蝕性、不易燃易爆的液體。
[0007] 所述的套筒間的重疊區(qū)域根據(jù)設(shè)計(jì)碰撞載荷的大小，控制在5-30_之間。
[0008] -種簡(jiǎn)易三段套筒式充液緩沖吸能元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：可以按照如下 方法進(jìn)行設(shè)計(jì)：
[0009] (1)單側(cè)套筒最大壓縮力設(shè)計(jì)：
[0010] 參考相關(guān)法規(guī)及人體碰撞生物力學(xué)研究成果，設(shè)定車內(nèi)乘員所能承受的最大加速 度值為a，則整車質(zhì)心平均加速度最大值不應(yīng)超過a，整車平均碰撞力可表示為F = ma，單側(cè) 套筒最大壓縮力為F1 = F/2 ;
[0011] (2)各級(jí)套筒的實(shí)際長(zhǎng)度設(shè)計(jì)：
[0012] 根據(jù)相關(guān)法規(guī)，設(shè)定碰撞初始速度為Vtl，則車輛最大變形量L = Vtl2Aa,即為套筒 的有效壓縮量，可確定各級(jí)套筒的有效長(zhǎng)度Ltl = L/3 ;
[0013] 考慮套筒壓縮初期的升壓余量，獲得套筒的名義長(zhǎng)度L1 = (1+iOU，其中y取值 在0. 1?0.2之間；
[0014] 考慮重疊區(qū)域搭接量，獲得套筒的實(shí)際長(zhǎng)度1^2 = L1+AL，其中AL取值在5?30mm 之間；
[0015] (3)最大截面套筒的外徑設(shè)計(jì)：
[0016] 根據(jù)車身結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)、車輛總體布置尺寸及原有的傳統(tǒng)吸能盒尺寸，確定一個(gè) 合適的最大套筒外徑D ;
[0017] 通常情況下，套筒壁厚尺寸遠(yuǎn)小于外徑，近似認(rèn)為內(nèi)環(huán)面積與截面積相同，均為 S ；
[0018] (4)溢流閥額定壓力設(shè)計(jì)：
[0019] 根據(jù)上述單側(cè)套筒最大壓縮力F1，以最大套筒作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算基準(zhǔn)，可知套筒 結(jié)構(gòu)實(shí)際所受內(nèi)壓為P = F1Z^即為溢流閥設(shè)計(jì)的額定壓力值，其中S為最大套筒截面積；
[0020] 溢流閥額定流量設(shè)計(jì)：
[0021] 根據(jù)碰撞初始速度Vtl，最大套筒截面積S，可知碰撞初始時(shí)刻的液體流量為q = VtlS,作為溢流閥的額定流量設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；
[0022] 根據(jù)溢流閥的額定壓力及額定流量參數(shù)，選擇合適的溢流閥結(jié)構(gòu)，對(duì)套筒內(nèi)部液 體進(jìn)行恒壓控制；
[0023] (5)套筒壁厚設(shè)計(jì)：
[0024] 根據(jù)上述套筒結(jié)構(gòu)所受內(nèi)壓p、最大套筒外徑D及制造筒體鋼板在常溫下的許用 應(yīng)力[0 ]，并將套筒視為薄壁圓管模型，應(yīng)用第四強(qiáng)度理論作為強(qiáng)度校核條件，獲取套筒的 備選參數(shù)；
[0025] 套筒在內(nèi)壓P作用下，內(nèi)壁徑向應(yīng)力〇 r = _p，軸向應(yīng)力〇 x = 〇,沿套筒圓周切線 的環(huán)向應(yīng)力〇 0 = pD/2t，其中t為套筒壁厚；
[0026] 則三個(gè)方向主應(yīng)力可規(guī)定為：〇i = 〇0, O2 = 〇x, O3 = 〇r;

【權(quán)利要求】
1. 一種簡(jiǎn)易三段套筒式充液緩沖吸能元件，其特征在于：由一級(jí)套筒（1)、二級(jí)套筒 (2)、三級(jí)套筒（3)、四級(jí)套筒（4)、軟脂密封膠（5)、前連接板（6)、后連接板（7)、溢流閥 (8)、液壓液體（9)組成；套筒（1)、套筒（2)、套筒（3)、套筒（4)為等長(zhǎng)度薄壁管，之間相互 嵌套，底部相連互通，并通過軟脂密封膠（5)進(jìn)行密封與連接；套筒（1)與前連接板（6)及 套筒（4)與后連接板（7)之間固定連接成密封結(jié)構(gòu)；前連接板（6)與防撞橫梁連接，后連接 板（7)與車架連接；上述溢流閥（8)安裝在四級(jí)套筒（4)底部，保持碰撞過程中套筒內(nèi)壓力 恒定，實(shí)現(xiàn)恒壓卸荷與碰撞加速度恒定。
2. 權(quán)利要求1所述一種簡(jiǎn)易三段套筒式充液緩沖吸能元件，其特征在于：所述的液壓 液體（9)可以是任何防銹、無腐蝕性、不易燃易爆的液體。
3. 權(quán)利要求1所述一種簡(jiǎn)易三段套筒式充液緩沖吸能元件，其特征在于：所述的套筒 間的重疊區(qū)域根據(jù)設(shè)計(jì)碰撞載荷的大小，控制在5-30_之間。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種簡(jiǎn)易三段套筒式充液緩沖吸能元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在 于：可以按照如下方法進(jìn)行設(shè)計(jì)： (1) 單側(cè)套筒最大壓縮力設(shè)計(jì)： 參考相關(guān)法規(guī)及人體碰撞生物力學(xué)研究成果，設(shè)定車內(nèi)乘員所能承受的最大加速度值 為a，則整車質(zhì)心平均加速度最大值不應(yīng)超過a，整車平均碰撞力可表示為F = ma，單側(cè)套筒 最大壓縮力為F1 = F/2 ; (2) 各級(jí)套筒的實(shí)際長(zhǎng)度設(shè)計(jì)： 根據(jù)相關(guān)法規(guī)，設(shè)定碰撞初始速度為Vtl，則車輛最大變形量L = Vtl2Aa,即為套筒的有 效壓縮量，可確定各級(jí)套筒的有效長(zhǎng)度U = L/3 ; 考慮套筒壓縮初期的升壓余量，獲得套筒的名義長(zhǎng)度L1= (1+iOU，其中ii取值在 0. 1?0. 2之間； 考慮重疊區(qū)域搭接量，獲得套筒的實(shí)際長(zhǎng)度L2 = L1+ A L，其中A L取值在5?30_之 間； (3) 最大截面套筒的外徑設(shè)計(jì)： 根據(jù)車身結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)、車輛總體布置尺寸及原有的傳統(tǒng)吸能盒尺寸，確定一個(gè)合適 的最大套筒外徑D ; 通常情況下，套筒壁厚尺寸遠(yuǎn)小于外徑，近似認(rèn)為內(nèi)環(huán)面積與截面積相同，均為S ; (4) 溢流閥額定壓力設(shè)計(jì)： 根據(jù)上述單側(cè)套筒最大壓縮力F1，以最大套筒作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算基準(zhǔn)，可知套筒結(jié)構(gòu) 實(shí)際所受內(nèi)壓為P = F1Z^即為溢流閥設(shè)計(jì)的額定壓力值，其中S為最大套筒截面積； 溢流閥額定流量設(shè)計(jì)： 根據(jù)碰撞初始速度Vtl，最大套筒截面積S，可知碰撞初始時(shí)刻的液體流量為q = VtlS,作 為溢流閥的額定流量設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)； 根據(jù)溢流閥的額定壓力及額定流量參數(shù)，選擇合適的溢流閥結(jié)構(gòu)，對(duì)套筒內(nèi)部液體進(jìn) 行恒壓控制； (5) 套筒壁厚設(shè)計(jì)： 根據(jù)上述套筒結(jié)構(gòu)所受內(nèi)壓P、最大套筒外徑D及制造筒體鋼板在常溫下的許用應(yīng)力 [〇 ]，并將套筒視為薄壁圓管模型，應(yīng)用第四強(qiáng)度理論作為強(qiáng)度校核條件，獲取套筒的備選 參數(shù)； 套筒在內(nèi)壓P作用下，內(nèi)壁徑向應(yīng)力〇!^ =-p，軸向應(yīng)力0x= 0,沿套筒圓周切線的環(huán) 向應(yīng)力〇 0 = pD/2t，其中t為套筒壁厚； 則三個(gè)方向主應(yīng)力可規(guī)定為= O1= O0，O2 = 〇 x，O3 = Or; 根據(jù)第四強(qiáng)度理論所建立的強(qiáng)度條件為
，計(jì)算壁厚t的取值范圍為
從結(jié)構(gòu)輕量化角度及實(shí)際制造的工藝可行性考慮，選取合適的套筒壁厚。
【文檔編號(hào)】B60R19/02GK104309555SQ201410546512
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月14日
【發(fā)明者】那景新, 吳長(zhǎng)風(fēng), 王童, 徐梓雯, 張?zhí)O蘋, 劉玉, 袁正, 李婷婷, 白霜, 陶士振 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)