本發(fā)明涉及被動(dòng)安全技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種嵌入式多級(jí)高效碰撞吸能裝置。

背景技術(shù)：

隨著科技的迅速發(fā)展，人們對(duì)效率的追求越來越苛刻，各種交通工具的最高時(shí)速不斷刷新紀(jì)錄。不斷提高的速度盡管帶來了高的效率，但同時(shí)也成為了一個(gè)很大的不安全因素。近年來交通事故頻發(fā)，每年因此死亡的人數(shù)大幅度上升，因此，被動(dòng)安全領(lǐng)域技術(shù)的革新迫在眉睫。而被動(dòng)安全技術(shù)中，吸能裝置的吸能性能是最重要的一環(huán)，好的吸能裝置可以在發(fā)生碰撞事故時(shí)更好的保護(hù)人員的安全。

但是，目前大多數(shù)吸能裝置主要運(yùn)用的吸能方式是較為單一的傳統(tǒng)薄壁管件，在碰撞時(shí)靠其壓縮變形吸收沖擊能量。這種吸能裝置整體吸能量小，效率低下，在碰撞壓縮過程中變形不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生沖擊波，不能有效地保護(hù)人員的安全。此外，只能在一定的速度工況范圍內(nèi)的碰撞才能發(fā)揮其效能，運(yùn)用范圍窄。因此，傳統(tǒng)吸能裝置遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足日益苛刻的要求，必須發(fā)明一種新型高效的吸能裝置，以改進(jìn)當(dāng)前被動(dòng)安全領(lǐng)域吸能裝置的不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供了一種嵌入式多級(jí)高效碰撞吸能裝置，結(jié)構(gòu)簡單，利用巧妙的結(jié)構(gòu)布局，滿足了強(qiáng)度高、柔韌性好、吸能效率高等對(duì)高性能吸能裝置的要求。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種嵌入式多級(jí)高效吸能裝置，包括活塞、上圓錐薄壁套管、下圓錐薄壁套管和緩沖耗材；

該上圓錐薄壁套管由外向內(nèi)設(shè)有復(fù)數(shù)個(gè)互相平行的上環(huán)形薄壁，且所述上圓錐薄壁套管的中心設(shè)有上導(dǎo)向讓位槽；該下圓錐薄壁套管由外向內(nèi)設(shè)有復(fù)數(shù)個(gè)互相平行的下環(huán)形薄壁，且所述下圓錐薄壁套管的中心設(shè)有下導(dǎo)向讓位槽；所述緩沖耗材填充于所述下導(dǎo)向讓位槽，并配合于所述上導(dǎo)向讓位槽；

所述上環(huán)形薄壁和下環(huán)形薄壁錯(cuò)位套接在一起，并使上環(huán)形薄壁和下環(huán)形薄壁滑動(dòng)配合，形成摩擦耗能結(jié)構(gòu)；所述活塞通過一柱形空心承力管裝接于所述上圓錐薄壁套管；所述上圓錐薄壁套管采用CFPR材料，所述下圓錐薄壁套管為鋁材質(zhì)。

CFPR材料為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的簡稱。

作為一種優(yōu)選，所述柱形空心承力管的側(cè)壁具有多層承力結(jié)構(gòu)，該側(cè)壁自外向內(nèi)依次為鋁材料層、CFPR材料層和鋁材料層。

作為一種優(yōu)選，所述下圓錐薄壁套管的環(huán)形薄壁表面貼設(shè)有橡膠耗能層。

作為一種優(yōu)選，所述橡膠耗能層為丁苯橡膠。

作為一種優(yōu)選，所述上圓錐薄壁套管的環(huán)形薄壁表面為鋸齒形結(jié)構(gòu)。

作為一種優(yōu)選，所述緩沖耗材為聚氨酯泡沫。

作為一種優(yōu)選，所述活塞的底面設(shè)有定位臺(tái)；該定位臺(tái)的邊緣設(shè)有第一導(dǎo)向角，相應(yīng)的，所述下圓錐薄壁套管的下導(dǎo)向讓位槽設(shè)有第二導(dǎo)向角；該第一導(dǎo)向角和第二導(dǎo)向角的傾斜角度相同。

本發(fā)明的有益效果為：

1、本吸能裝置采用了使用了新材料CFRP，有效地利用了其高強(qiáng)度、高吸能性和質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，在增加裝置強(qiáng)度和吸能性能的同時(shí)，滿足了輕量化設(shè)計(jì)的要求。且材料利用率高，每一個(gè)結(jié)構(gòu)都能在碰撞中通過變形或撕裂，吸收相應(yīng)的能量。

2、本吸能裝置采用多級(jí)梯度形式，從吸能始點(diǎn)到吸能終點(diǎn)的吸能量逐級(jí)遞增，滿足不同沖擊工況的要求。如在沖擊速度較小時(shí)，只需要吸能較少的SBR5參與吸能即可，隨著碰撞速度的加大，吸能較多的部件逐漸參與進(jìn)行吸能。當(dāng)受到較小的沖擊時(shí)，在更換部件的過程中，僅需對(duì)相應(yīng)的配件進(jìn)行更換即可，未參與吸能的部件還可以繼續(xù)使用。

3、橡膠耗能層采用擁有高摩擦系數(shù)的丁苯橡膠(SBR)進(jìn)行摩擦吸能，吸能效果好，且易于更換。

4、本吸能裝置結(jié)合了塑性良好的鋁材和脆性較大的CFRP，既利用了鋁材柔韌性好的優(yōu)點(diǎn)又利用了CFRP撕裂吸能多和強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)。CFRP材料與鋁材料的交互作用，使其綜合吸能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單獨(dú)CFRP和鋁的吸能量之和。本裝置中，上圓錐薄壁套管(CFRP)嵌于下圓錐套管(AL)中，因外部鋁的約束，CFRP撕裂產(chǎn)生“楔形”的碎屑進(jìn)一步促使CFRP產(chǎn)生撕裂吸能；而內(nèi)部撕裂的CFRP客觀上形成外部鋁的填充物，增加了其變形吸能效率。一般CFRP材料在受壓時(shí)會(huì)撕裂，但通過適當(dāng)?shù)卣T導(dǎo)后，可以使薄壁CFRP材料產(chǎn)生折疊變形，比撕裂吸收更多的能量。如該裝置中的柱形空心承力管結(jié)構(gòu)，通過兩側(cè)夾層鋁材的折疊變形，誘導(dǎo)芯部薄壁CFRP的折疊變形，大大提升吸能效能。

以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明；但本發(fā)明的一種嵌入式多級(jí)高效吸能裝置不局限于實(shí)施例。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖一(剖視圖)；

圖2是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖二(立體圖)；

圖3是本發(fā)明的柱形空心承力管的剖視圖；

圖4是本發(fā)明的“楔形”碎屑夾具限位撕裂示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例：

以下結(jié)合附圖1至附圖4對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。

本發(fā)明的一種嵌入式多級(jí)高效吸能裝置，包括活塞1、上圓錐薄壁套管3、下圓錐薄壁套管4和緩沖耗材6；該上圓錐薄壁套管3由外向內(nèi)設(shè)有復(fù)數(shù)個(gè)互相平行的上環(huán)形薄壁，且所述上圓錐薄壁套管3的中心設(shè)有上導(dǎo)向讓位槽；該下圓錐薄壁套管4由外向內(nèi)設(shè)有復(fù)數(shù)個(gè)互相平行的下環(huán)形薄壁，且所述下圓錐薄壁套管4的中心設(shè)有下導(dǎo)向讓位槽；所述緩沖耗材6填充于所述下導(dǎo)向讓位槽，并配合于所述上導(dǎo)向讓位槽；所述上環(huán)形薄壁和下環(huán)形薄壁錯(cuò)位套接在一起，并使上環(huán)形薄壁和下環(huán)形薄壁滑動(dòng)配合，形成摩擦耗能結(jié)構(gòu)；所述活塞1通過一柱形空心承力管2裝接于所述上圓錐薄壁套管3；所述上圓錐薄壁套管3采用CFPR材料，所述下圓錐薄壁套管4為鋁材質(zhì)。

所述柱形空心承力管2的側(cè)壁具有多層承力結(jié)構(gòu)，該側(cè)壁自外向內(nèi)依次為鋁材料層21、CFPR材料層22和鋁材料層23。

所述下圓錐薄壁套管4的環(huán)形薄壁表面貼設(shè)有橡膠耗能層5。所述橡膠耗能層5為丁苯橡膠。

所述上圓錐薄壁套管3的環(huán)形薄壁表面為鋸齒形結(jié)構(gòu)31。

所述緩沖耗材6為聚氨酯泡沫。

所述活塞1的底面設(shè)有定位臺(tái)；該定位臺(tái)的邊緣設(shè)有第一導(dǎo)向角11，相應(yīng)的，所述下圓錐薄壁套管4的下導(dǎo)向讓位槽設(shè)有第二導(dǎo)向角41；該第一導(dǎo)向角和第二導(dǎo)向角的傾斜角度相同。

本發(fā)明裝置由活塞1，柱形空心承力管2，上圓錐薄壁套管3、下圓錐薄壁套管4、橡膠耗能層5和緩沖耗材(聚氨酯泡沫)6等三部分組成。(整個(gè)吸能裝置的剖視圖見圖1、三維結(jié)構(gòu)圖見圖3)

所述裝置的第一部分是活塞1，當(dāng)其受到?jīng)_擊碰撞時(shí)，會(huì)依次向柱形空心承力管2、上圓錐薄壁套管3、緩沖耗材(聚氨酯泡沫)6、下圓錐薄壁套管4和橡膠耗能層5施壓，使這些吸能部件相繼失效，達(dá)到吸收沖擊能量的目的?；钊?下凸起傾角角度與下圓錐薄壁套管4內(nèi)側(cè)倒角角度相同(見圖1)，以便于活塞1的下凸起能順利的壓縮填充的緩沖耗材(聚氨酯泡沫)6，從而4的薄壁能順利向外擴(kuò)展。

所述裝置的第二部分是鋪層角為0°的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)與鋁材(AL)夾芯管2。采用這種夾芯結(jié)構(gòu)，在受壓時(shí)可以通過夾層鋁的塑性折疊變形來誘導(dǎo)夾芯CFRP薄壁材料產(chǎn)生同樣的折疊變形，這樣可以大大提高CFRP的吸能性能；此外CFRP的鋪層角為0°時(shí)，纖維方向與2管壁的折疊方向垂直，這樣柱形空心承力管2在折疊變形時(shí)，必然會(huì)促使纖維絲產(chǎn)生最大角度(90°)的折疊，纖維絲的折疊變形會(huì)消耗大量的能量，所以0°的鋪層角可以使夾芯管2的吸能效率達(dá)到最大。此外在夾芯管2的頂端活塞1，可以使其更易產(chǎn)生折疊變形，并且大大降低峰值碰撞力，對(duì)人員提供更好的保護(hù)。

所述裝置的第三部分由上、下圓錐薄壁套管3、4和橡膠耗能層5及緩沖耗材(聚氨酯泡沫)6組成。

上圓錐薄壁套管3采用[0°/45°/-45°/90°]n鋪層形式的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)，因?yàn)榛旌箱亴有问降奶祭w維材料剛度較大，在上圓錐薄壁套管3受壓向下嵌入下圓錐薄壁套管4中時(shí)，不會(huì)發(fā)生形變；此外，因受4橫向擴(kuò)張的擠壓，3的直徑逐漸擴(kuò)大，碳纖維材料產(chǎn)生的是撕裂失效模式，同時(shí)在受到活塞1的壓力時(shí)會(huì)進(jìn)一步撕裂，相對(duì)于傳統(tǒng)鋁材來說，新材料的CFRP撕裂吸能效率也很高，可以吸收大量的能量；另外，很重要的一點(diǎn)就是其質(zhì)量輕，在滿足現(xiàn)在對(duì)輕量化要求的同時(shí)，還可能保證強(qiáng)度和吸能效能。另外，為使在初級(jí)吸能階段有更有效的吸能，把3的內(nèi)壁做成鋸齒形(見圖1)，這樣在下行過程中，可大大增加與丁苯橡膠5的摩擦力，從而吸收更多的初級(jí)沖擊能量。

下圓錐薄壁套管4采用鋁材制作，因吸能裝置需要一定的緩沖能力，而鋁材的柔韌性很好，受壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生塑性變形，在變形吸能的同時(shí)還能起到緩沖的作用。此外，可以將上圓錐薄壁套管3包圍起來，使3的撕裂在4內(nèi)發(fā)生，一方面，3撕裂會(huì)產(chǎn)生大量的“楔形”碎屑，這些“楔形”碎屑在受到4的約束后，會(huì)刺向尚未撕裂的纖維材料，促進(jìn)其產(chǎn)生撕裂吸能，這樣可以大大提高吸能效率(“楔形”碎屑加劇纖維撕裂見圖4)。另一方面，被撕裂的纖維材料也在客觀上成為了圓錐套管4的填充材料，這樣可以大大提高裝置的吸能能力。

高摩擦系數(shù)橡膠耗能層5的作用是，當(dāng)碰撞的速度較小時(shí)，可以利用其高摩擦系數(shù)的性質(zhì)與下行的上圓錐薄壁套管3產(chǎn)生摩擦，吸收初級(jí)部分的能量，當(dāng)碰撞的速度較小時(shí)，待吸收初級(jí)能量相對(duì)較少，可以使其在吸能后不會(huì)對(duì)裝置的其他部件產(chǎn)生損壞，裝置在略微調(diào)整后即可再次使用，節(jié)約資源，減少成本；另外，橡膠的彈塑性好，也可以起到緩沖的作用，減小峰值碰撞力，有力的保護(hù)人員的安全。

緩沖耗材(聚氨酯泡沫)6填充在4的空腔中并延伸至上圓錐薄壁套管3的上導(dǎo)向讓位槽中(見圖1)。當(dāng)上圓錐薄壁套管3在下行過程中摩擦吸收的能量不能滿足要求時(shí)，上圓錐薄壁套管3與緩沖耗材(聚氨酯泡沫)接觸后對(duì)其進(jìn)行擠壓，從而和摩擦一起作用來吸收較多的沖擊能。緩沖耗材(聚氨酯泡沫)材料孔隙率較高且比表面積大，其可以吸收各個(gè)方向的能量，具有很好的吸收動(dòng)能特性，正是由于緩沖耗材(聚氨酯泡沫)的這些性質(zhì)，使其在形變過程中，壓縮模式穩(wěn)定而且吸能效率很高。另外，一方面緩沖耗材(聚氨酯泡沫)有吸聲減震的性能，能有效的緩和沖擊、減弱振蕩、降低應(yīng)力幅值以及減少碰撞時(shí)的震動(dòng)和噪聲；另一方面緩沖耗材(聚氨酯泡沫)有比重小、價(jià)格低和成型容易等優(yōu)勢，既可以降低成本，又滿足了輕量化設(shè)計(jì)的要求。

具體動(dòng)作過程如下：

當(dāng)吸能裝置受到?jīng)_擊碰撞時(shí)，因上圓錐薄壁套管3與橡膠耗能層5之間是摩擦接觸，力相對(duì)較小，故3在受到活塞1通過CFRP圓管2傳來的沖擊力時(shí)，率先逐漸嵌入下圓錐薄壁套管4中，在此過程中與5發(fā)生摩擦吸能，當(dāng)3與緩沖耗材(聚氨酯泡沫)6接觸后，受到壓縮的6產(chǎn)生壓縮吸能，與摩擦一道增強(qiáng)吸能能力。當(dāng)3完全嵌入4中時(shí)，CFRP—AL夾芯管2在活塞1的沖擊壓力作用下產(chǎn)生折疊變形，進(jìn)行吸能。在2完全失效后，3的頂部在沖擊力的作用下被撕裂并吸能；同時(shí)受擠壓的緩沖耗材(聚氨酯泡沫)6橫向擴(kuò)展，4在發(fā)生橫向塑性變形時(shí)吸能；3因受橫向擠壓直徑擴(kuò)大而撕裂；隨后，上、下圓錐薄壁套管3、4一起在活塞1的縱向作用下壓縮，同時(shí)，下圓錐套管3進(jìn)一步撕裂。最后，壓縮到接近4的底部時(shí)，吸能裝置壓實(shí)，吸能結(jié)束。此時(shí)，壓實(shí)的吸能裝置的強(qiáng)度也大大增強(qiáng)，阻止活塞1的進(jìn)一步前進(jìn)，可以對(duì)人員提供很好地保護(hù)。

上述實(shí)施例僅用來進(jìn)一步說明本發(fā)明的一種嵌入式多級(jí)高效吸能裝置，但本發(fā)明并不局限于實(shí)施例，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均落入本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。