塑料制能量控制梁的制作方法

专利名称：塑料制能量控制梁的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能量控制系统，该系统被构造成在撞击行程期间 以一致和可预测的方式吸收大量的撞击能量，该系统包括由聚合材料 制成的能量吸收器。
背景技术：
联邦政府、保险公司和与车辆安全有关的代理公司、协会和公司 已经建立了车辆保险杠系统必须通过的标准撞击实验。保险杠安装支 架和挤压支柱(crush tower)通常用来将保险杠杆支撑在车架上并经常用来在车辆撞击期间吸收能量。 一些特性有利于"成功的"保险杠 安装支架和挤压支柱。最好制造保险杠安装支架和挤压支柱^f吏其在已 知的严格范围内提供一致和可预测的撞击强度，使得各个车辆上的保 险杠系统必然将全部通过测试。这样使制造厂商制造出更安全的车辆 并且还使他们更加精确地优化其保险杠系统，以减小过分的重量和利 用低成本的材料。更准确地说，最好制造具有一致受力-变形曲线的保 险杠安装支架和挤压支柱，并提供一致能量吸收-时间的曲线，从而 达到一致和可预测的塌缩模式。这样使车辆制造厂商必定知道，在任 何给定的撞击力下产生多大挠度，在撞击或者车辆碰撞期间在任何部 位上吸收多少能量。同样也使车辆制造厂商能围绕保险杠系统设计足 够大的空间，使能达到非损坏撞击，又不会浪费空间来补偿产品变化， 并为车架上的保险杠系统提供足够的支撑。受力-挠曲曲线具有数个 重要区域，在该区域内，挤压支柱从弹性变形到永久变形的变化达到 完全塌缩和降到最低点。重要的是，这些各种塌缩部位可以预测确保 在塌缩之前和在塌缩期间，有相当大的能量被吸收，并且还确保在过 量负荷通过保险杠系统传递到车辆其及乘客之前，发生塌缩。
除了上述之外，保险杠的开发计划需要长久的提前时间，而且重 要的是，任何挤压支柱是柔性的、适用的和"可调的"，以使它可以预 测地进行改进和调整，从而在以后的保险杠开发计划中对其给定的车 辆型式进行优化。此外，理想的是，尽管车辆有各种要求，但提供的 挤压支柱结构，仍能用在不同的緩沖梁上并与不同的保险杠系统和车 辆型式一起使用，因此尽管每个新保险杠系统是新的，但其并非是完 全未试验和"未知，，的系统。
一些管形挤压支柱已知用于将緩冲梁支撑在保险杠系统内。在一 种型式中，两个冲压的半壳体焊接在一起。但是，这个过程产生了原 料废料。此外，焊接过程是辅助工序，它增加了制造的过高成本。此 外，焊接的挤压支柱承受较大的产品变化和产品撞击强度、受力-变 形曲线、能量吸收曲线和挤压损坏位置的较大变化。
某些挤压支柱要比另外的挤压支柱使用更坚固的材料。但是，当挤压支柱的强度提高时，就有这样的趋势，即把越来越大的负荷从緩 冲梁直接传递到车架中。这常常是不合乎要求的。相反，理想的是， 支柱本身在时间分布期间可预测地挤压和塌缩以及吸收最大能量。尤 其是，强度非常高的挤压支柱往往会将不需要的高峰负荷从緩沖梁传 递到车架中。这常常伴随着挤压支柱灾难性的塌缩，因为吸收的能量 非常小，而且能量吸收在车辆之间不一致或者不可预测。此外，还导 致过早地损坏车架。特别重要的是，挤压支柱被设计成在车辆碰撞期 间由挤压支柱承受的整个塌缩行程中，材料连续和可预测地弯折和弯 曲。同时，这样一种设计是理想的，即允许使用超高强度材料，比如
高强度低合金(HSLA)钢或者超高强度钢，这种钢具有很高的强度 -重量比。保险杠制造领域的普通技术人员知道，单纯由强度较高的 材料制造挤压支柱的理念往往是不好的理念，事实上，它经常导致保 险杠系统失效，因为大的撞击负荷和尖峰负荷被传递到车架中，并且 还产生与能量吸收不充分有关的问题。
车架，如同保险杠安装支架和挤压支柱优选地设计成能通过能量 吸收和能量散失控制撞击能量。欲使车辆零件的损坏最小化必须这样 做，而且要对车辆乘客的伤害最小化也有这样做的必要。如同保险杠 安装支架和挤压支柱，车架具有长期的开发时间，此外，在其开发的 后期，往往还需要调整和调节。当然，就是因为安装支架和挤压支柱 (和其它车辆零件)所连接的车架，使车架(和车架安装的零件)才
有许多上述的关连件，如保险杠安装支架和挤压支柱。
更概括地说，能量吸收系统是理想的，因为它适应性强，并且可 以用在各种环境和应用场合。优选的是，这种能量吸收系统可用于保 险杠系统，也可用于车架(纵向和横向车(Longitudinal and cross car )) 和其它用途以及非车辆应用。值得注意地，即使在由聚合材料制成的 零件中控制能量吸收也是重要的。例如，注射模塑和热成形的能量吸 收器经常用在车辆保险杠系统中，比如通过将聚合材料能量吸收器放 置在管形金属加强梁的表面上来实现。尤其是在车辆撞击期间使保险 杠达到增进步行者的安全时，控制初始能量的吸收同样是重要的。因此，能量控制系统理想地解决了上述问题并且具有上述优点。 尤其是，能量控制系统理想之处是因为它提供了一致的撞击强度、一 致的受力-变形曲线、 一致的能量吸收(对于弹性和永久变形)和一 致的塌缩点和模式，所有这些特性均处于产品和性能变化的严格/有限 的范围内。此外，成本低的能量控制系统理想之处是因为这种系统可 减少对二次加工的需要，并且也减少对手工的需求，而且适应性强、
可调整。

发明内容
本发明的一个方面是提供一种能量控制管，在受到纵向撞击时， 这种管适合可靠和可预测地吸收相当大的撞击能量。该管包括聚合物 第一管部、与第一管部对准的聚合物第二管部，和具有第一和第二端 部分别成整体地连接第一和第二管部的聚合物中间管部。第一和第二 管部的尺寸大小不同，并且中间管部具有从第一管部过渡到第二管部 的形状。第一管部的尺寸大于第二管部的尺寸并且包括限定管形边缘 的外表面。第一端部包括由一种材料制成的连续带，该带在纵向撞击 时起到支撑和保持第一管部的柱状强度的作用，而第二端部相反构造 成当第一管部保持其柱状强度时开始在撞击期间伸缩滚压第二管部。
本发明的另一个方面是提供一种能量控制管，在受到纵向撞击时，
这种管适合可靠和可预测地吸收相当大的撞击能量。该管包括具有 第一变形抗力的聚合物第一管部；具有第二变形抗力的聚合物第二管 部，该第二变形抗力大于第一变形抗力；以及将第一管部连接到第二 管部的聚合物中间管部。当受到纵向撞击中间管部接受来自纵向撞击 的力时，中间管部和第一管部可预测地滚压并且早于第二管部。
本发明的又一个方面是提供一种制成能量控制管的方法，在受到 纵向撞击时，该能量控制管适合可靠和可预测地吸收相当大的撞击能 量。该方法包括模制聚合物第一管部；模制聚合物第二管部；使第 二管部与第一管部对准；以及模制聚合物中间管部，其中，第一和第 二端部分别成整体地连接第一和第二管部。第一和第二管部的尺寸大 小不同，并且中间管部具有从第一管部过渡到第二管部的形状。第一管部的尺寸大于第二管部的尺寸并且包括限定管形边缘的外表面。第 一端部包括由一种材料制成的连续带，该带在纵向撞击时起到支撑和 保持第一管部的柱状强度的作用，而第二端部相反构造成当第一管部 保持其柱状强度时开始在撞击期间伸缩滚压第二管部。
在研究下面的说明书、权利要求和附图时，本领域的普通技术人 员将会理解和懂得本发明的这些和其它方面、目的和特征。


图1是保险杠系统的水平横剖视图，该系统包括连接到车架上的
安装板、緩冲梁和其相对端部连接到安装板和緩沖梁上的挤压支柱； 图2是与图1类似的视图，但是挤压支柱塌缩有第一 (较短的) 距离；以及
图3是与图2类似的视图，但是抗挤压支柱塌缩有第二(较长的) 距离。
图4是表示本发明的能量控制管的侧视图； 图5是可采用的能量控制管的另外横截面形状的透视图； 图6-8是具有第一直径的管形坯件的侧视图(图6)，管形坯件 的一端被压缩成直径减小(图7)，而后在中间管部纵向变形，从而呈 现S预定形状(图8)，图8示出本发明的能量控制管；
图9-ll是图8中管的侧视图、端视图和纵向横剖视图，该管邻 近其大直径管部的中间管部具有向外扩口的端部； 图12是图10中圓形区域XII的放大图13是图14所示管的透视图，该管局部套叠地塌缩并在较大直 径管部上具有滚压材料；
图14 - 15是改进型能量控制管的侧视图和纵向横剖视图，该管邻 近其小直径管部的中间管部具有向内扩口的端部；
图16是图15中圓形区域XVI的放大图17是曲线图，示出图10所示管的纵向撞击负荷-挠度曲线； 图18是图表，示出关于硬度和抗拉强度对与图10中管底部的距 离的退火效果，其中，该管立着放而且中间部(大约75mm到大约95mm的范围)和第二管部被退火；
图18A是曲线图，示出图18中管所用材料的退火效果，退火温
度线A-J的顺序表示根据升高的退火温度，屈服强度逐渐降低、抗
拉强度减小以及应变和可成形性的总增加；
图19是装有图10中本能量控制管的车架透视图，其包括使用本
发明能量控制系统的四个特殊区域的放大图20是两个横向车梁的透视图， 一个是用在车架中、设置在车辆
浅盘形地板下面的横向车梁，另一个是用于车辆浅盘形地板上面、用
来支撑车座的横向车梁；
图21是装有緩冲加强梁和挤压支柱的保险杠系统的透视图，其
中，挤压支柱将緩冲梁支撑在车架上；
图22是用来支撑仪表板的横向车梁的透视图；以及
图23 - 24是透视图，示出由于图23中能量控制管分解产生的、
位于图24中管内的可挤压支撑件；
图25A是本发明塑料制能量控制管(EMT)的前部透^L图25B是初始位置的本发明塑料EMT的横剖视图25C是撞击之后本发明塑料EMT的横剖视图25D是曲线图，示出本发明塑料EMT的负荷-位移曲线；
图26A是本发明塑料EMT的第二实施例的横剖视图26B是曲线图，示出本发明塑料EMT的第二实施例的负荷-
位移曲线；
图27A是初始位置的本发明塑料EMT的第三实施例的横剖视图； 图27B是第一挤压位置的本发明塑料EMT的第三实施例的横剖 视图27C是第二挤压位置的本发明塑料EMT的第三实施例的横剖 视图27D是曲线图，示出本发明塑料EMT的第三实施例的负荷-位移曲线；
图27E是本发明塑料EMT的改型的前视图；图27F是曲线图，示出本发明改型塑料EMT的负荷-位移曲线； 图28A示出本发明塑料EMT的第一用途； 图28B示出本发明塑料EMT的第二用途； 图28C示出本发明塑料EMT的第三用途； 图28D示出本发明塑料EMT的第四用途； 图29是采用本发明塑料EMT的緩冲梁的第一实施例的透视图； 图30A是采用本发明塑料EMT的緩冲梁的第二实施例的透视图； 图30B是采用本发明塑料EMT的緩冲梁的第二实施例的局部剖 开透视图30C是采用本发明塑料EMT的緩冲梁的第二实施例的横剖视
图31A是采用本发明塑料EMT的车顶内衬的透^L图。
图31B是沿图31A中线A - A截取的、采用本发明塑料EMT的
车顶内衬的横剖视图32是采用本发明塑料EMT的电梯井的示意图。
具体实施例方式
为了本文描述目的，术语"上"、"下"、"右"、"左"、"后"、"前"、 "垂直"、"水平"及其引伸语应按图1定向那样涉及本发明。但是， 将要知道，除了对相反情况明确说明之外，本发明也可采用各种其他 方位。此外还要知道，在附图中所示的及在下面说明书中所述的具体 装置和过程是附属权利要求中所限定的本发明原理的简单示范性实施 例。因此，涉及本文所公开的实施例的具体尺寸和其它物理特性并不 被认为是限制性的，除非权利要求另有明确的说明。
要注意的是，本发明包括采用热塑性和热固性聚合材料的能量控 制技术(EMT)，这种材料具有和没有诸如滑石、玻璃纤维等之类的 填料和加强料。
车辆保险杠系统IO(图l)包括具有安装支架的车辆前緩冲梁11、 包括轨道安装板12的车架和装在支架与板12之间的挤压支柱13。挤 压支柱13包括由诸如高强度可热处理的钢之类的连续式相连材料制成的管。该管具有被互连部16连接的第一和第二环形部14和15。互 连部16具有平截头锥形部17，该锥形部17形成漏斗形坡面。在一种 模式中，第一环形部14被热处理成高强度材料，比如约为140KSI抗 拉强度，该抗拉强度基本上大于第二环形部15的抗拉强度，而第二环 形部15保持在约为60KSI的抗拉强度。可以考虑到，第一环形部14 的抗拉强度应该比第二环形部15的抗拉强度高一个较大的量，比如高 大约10%,但是优选地应该是大约2倍的抗拉强度或者比它高大约 60KSI。这种设置为环形部14套进环形部15和在互连部16的平截头 锥形部17处形成聚束提供所需的硬度。
通过这种设置，在保险杠系统10受到平行于一段挤压支柱13的 端部撞击时，第一和第二环形部14和15以可预知和一致的多相变形 顺序彼此套叠地塌缩，在这里，第三环或者小半径的压紧部18(图2) 开始形成，然后在第一与第二环形部14和15之间形成(图3)。 一旦 完全形成第三环18，由于受到一段互连部16的限制，材料开始在部 分22形成的"钩形部，，下方的位置20处弯曲并聚拢一起。可以考虑 到，如果车辆模型具有足够的空间，则可设置另外的环形部和互连部， 并在挤压支柱最后到了底之前，要求有额外的能量吸收。
示出的緩冲梁ll是管形梁并在现有技术中已为人知。例如，参见 Sturrus的专利号5,092,512和5，813，594。但是，可以考虑到，该梁也 可以是敞开的非管形梁。此外，緩冲梁可以是线性的或者弯曲的。根 据它们的形状，安装支架或者板可以用来在保险杠上形成相对平坦的 安装面，这种安装面适合连接到挤压支柱上。(参见专利号5,092,512 中图14和专利号5,813,594中图4)类似地，在挤压支柱的车辆连接 端，各种不同的装置可以用来形成连接点，以便将挤压支柱固定到车架上。
本发明的挤压支柱13由单一的管形构成。可以考虑到，该管形开 始滚压成形再焊接到永久管上，以具有恒定的圆形横截面，其壁均匀 且具有恒定的厚度。然而，可以考虑到，非圆形管也可以用在本发明 中。在该管成形并被切割成所需长度之后，滚压或冲压互连部16，以 形成向内变形的平截头锥形部17 (形状似漏斗)和向内变形的辐射式 "速出"("quick-out")部22，其中，平截头锥形部17相对于管的中 心线21具有小的角度，而"速出"部22相对于中心线21具有较大的 角度。所示平截头锥形部17具有相对成线性的漏斗形段，因此形成陡 峭的坡面从而在撞击期间将环形部15导入环形部14中。此外，速出 部22幅射成角度，因此受到弯曲力而引起滚压成向内变形的钩形(参 见图2)。向内变形的材料形成部分15的均匀柱形支撑，该支撑保持 管部15的柱状强度。这有助于在撞击期间部分14和15的伸缩作用， 如下面所述。
挤压支柱13中的内腔25是敞开的并且在撞击期间保持敞开状态。 因此， 一个零件可以设置在腔25内，不会对挤压支柱13的性能产生 不利影响。例如，需要时，可将拖钩衬套设置在腔25内。
在生产时，通过管的制造比如滚压成形，而后滚压成形或者变形 成管，即缩径互连部，然后再热处理环形部14 (和/或部分15、 17和 22)，制造出挤压支柱13。然后通过连接到緩冲梁ll上，将一对挤压 支柱13装配到保险杠系统10中，其中，挤压支柱13水平并横向地相 互隔开。最后，将保险杠系统IO连接到车架上。
在撞击期间，互连部16由于环形部14和15沿其中心线21的线 性强度而开始弯曲。尤其是，当速出部22向后折叠到本身时，在速出 部22的作用下驱动平截头锥形部17，从而形成向内变形的钩形环， 该钩形环夹紧部分17。与部分17的材料其余部分相比，部分22的半 径有助于产生这种结果。这样形成第一 (低)能量吸收水平的塌缩第 一阶段。当在车辆碰撞长行程期间挤压支柱13受到进一步压紧时，互 连部16的端部弯过来并被拉到环形部14的剩余材料的下方。当环形 部15的端部弯曲并巻到管部15的外表面上时，第三环形部18便在环 形部14与15之间形成。各个部分14-16的这种连续塌缩和变形，特 别是管部14的材料滚压以非常可预测的方式并在较严格的变化范围 内吸收相当大的能量。可以考虑到，在滚压成形机上可由滚压高强度低合金(HSLA) 钢制造出本挤压支柱。此外，还可考虑到，钢的滚轧可以是高强度钢 (比如70KSI的抗拉强度)或者超高强度钢(比如80KSI的抗拉强度 或者更高)。需要时，这些材料可以在选择的区域进行退火，以提高其 延伸性能或者降低其屈服强度(比如60KSI的抗拉强度或者更低)和 /或在选择的区域可以热处理，以提高强度。例如，通过任何一种方法 可以制成挤压支柱，其一端具有60KSI抗拉强度的区域，而在相对端 具有120KSI抗拉强度的区域。中间环形部优选为大约60KSI强度并 且类似于低强度环形部，以便更好地确保良好塌缩顺序。要注意的是， 在本公开内容中，术语"热处理"被认为比术语"退火"广泛，并且 术语"热处理"包括通过使用加热和热力装置来提高或者降低材料的 性能。还可以考虑到，热处理和/或退火可以与滚压成形设备串联且与 滚压成形成连续作业同时进行。当退火步骤与设备和滚压成形工序串 联和同时进行时，将滚压成形的管形制造成使得相邻的挤压支柱成相 反的方向面对是有利的。例如，如果环15(即将要连接緩冲梁的端部) 从较高强度退火到较低强度，则有利于使相邻挤压支柱的两个环形部 15 (即在分离成独立的管部之前)相互靠近，使得单一退火热量可施 加到更宽的区域。这使滚压成形工序和退火工序提高了效率、控制和 线性速度。 改进
在下面描述中，相同的零件、特征和方面用相同的附图标记来表 示，但是加入了字母"A"、 "B"等。这样做减少了多余的论述。
在受到纵向撞击时，设置的改进型能量控制管13A (图4)适合 于可靠并可预测地吸收相当大的撞击能量。能量控制管13A相应包括 第一管部14A、与第一管部14A对准的第二管部15A以及具有第一和 第二端部30和31的中间管部16A。端部30和31分别成整体地连接 第一和第二管部14A和15A。第一管部14A的尺寸大于第二管部15A 的尺寸，并且具有相类似的圆柱形横截面形状。但是要注意的是，第 一和第二管部14A和15A可以有不同的形状，这些形状包括矩形、正方形、椭圆形、圆形或者其它几何形状。(参见图5)此外，可以考虑 到，管部14A和15A沿其长度、尤其是与中间管部16A相隔开的位 置上可以具有不同的横截面形状，在所述位置管部14A和15A必须适 合于连接到不同的结构，比如车架零件等。(参见图19-22)中间管 部16A具有从第一管部14A过渡到第二管部15A的形状，此外，第 一和第二端部30和31也具有如下所述的(图9-12)不同形状。
所公开的本能量控制管13A (图4)是由可退火薄钢板材制成的， 其中，管部14A、 15A和16A中的每一个均被一起成整体地形成一个 单元。壁厚可按需要加以改变，以满足功能设计要求。例如，对于緩 冲挤压支柱和/或车架，根据材料强度和具体使用的要求，厚度可以约 为1.5mm到4mm。可以考虑到，该薄板开始用滚压成形机制成连续 的长管，此后切成预定长度的管形坯件60 (图6)。然后，管形坯件将 使管部15A和16A的区域退火，然后形成形状61 (图7),在这种形 状中，第二管部15A被压缩到缩径，中间部16A暂时采取临时平截头 锥形。已经确定，将能量控制管13A固定和纵向变形到预定状态(图 8)是有利的，因此中间部16A釆取如下所述的、在初始撞击期间避 免高峰负荷的特殊形状。对于汽车的保险杠系统和车架零件，优选的 是，薄板材是优良可靠的钢号，比如结构钢。大于约35KSI屈服强度 的钢效果最好。在选择的区域内能被热处理或者退火达到最佳屈服性 能和延伸性能的钢也是极好的选择物，比如结构钢或者高强度低合金 钢(HSLAS)或者超高强度钢(UHSS)。
对于材料的具体说明是合适的。由于选择的材料比较坚固和质硬、 具有较高的屈服强度、更高的抗拉强度和较低的延伸值，因此常常变 得对紧密半径(tight radius )更加敏感而且将会抗滚压。相反，这种 材料往往会在紧密半径处破裂、扭折、剪切、热裂和/或破碎。这种破 裂问题随着半径接近材料的厚度尺寸变得更坏。本发明采用了专门选 择帮助解决这个问题的、向外和向内张开的间隙和半径。各种钢号在 现有技术中人所共知且为本领域普通技术人员所理解。读者要注意标 准化工业定义的ASTM A1008/A和A1008M - Ola还要注意ASTMA1011A和A1011M-Ola。结构钢，比如具有大约25KSI及其以上的 钢具有开始产生上述质量问题的强度性能。结构钢通常稍好于冷轧商 业等级钢或者热轧商业等级钢的钢号。尽管如此，尤其是这种钢接近 25到35KSI的抗拉强度时，往往会产生一些问题。特别要考虑到，在 上述能量控制管13 (及管13A和13B中)中使用结构钢，比如抗拉 强度约为25KSI或者更高的钢时，本发明的效果将会更好。本发明还 非常适合于80KSI及其以上的强度更高的材料和超高强度钢(UHSS ) 而且效果更好。如果需要材料可加工性和增强滚压，这些钢则可进行 热处理和退火，以便在沿着能量控制管的关键区域获得最佳性能。
要注意的是，本文所论述的各种钢意味着和被认为将得到钢材料 和滚压成形领域中的技术人员很好理解。为有利于读者，要注意的是， 从美国材料试验学会(ASTM)可以获得额外的信息。本文使用的钢 的术语表示与ASTM标准和定义相一致。尽管如此，要强调的是，本 技术适应性很强并且适合于加工各种材料。因此，各种术语意味着将 被广泛地解释，但是合理地解释。
本发明原理被认为特别适用于HSLA钢和超高强度钢(UHSS)， 比如双相钢、三相(TRIP)钢或者马氏体材料。本发明原理也适用于 其它工程等级的材料，比如铝、甚至更软的材料。如果使高强度的材 料通过缩减壁厚(即厚度压缩)能降低重量，本发明原理尤其有用。 通过被热处理，材料固有地更加可加工和可变形，和/或使其在所选择 的区域内能够更加可加工和可变形。例如，这样使能预先设定在中间 管部16A中形成具有小的半径，而且产生显^:裂紋和/或显微裂缝和/ 或分裂的危险减少，剪切问题和材料分离，比如倾斜的危险也减少， 以及在小半径弯曲区域内引起材料强度降低的其它质量疯病危险也随 之减少。被退火的性能还使材料能在没有剪切、撕裂或者撕破的情况 下进行滚压，这对于在撞击和纵向挤压期间获得最大能量吸收是重要 的(参见图13)。
值得注意地，通过许多方法可以调整和协调本能量控制管的性能， 以满足具体规定，这些方法包括调整以下变量材料厚度、材料类型、材料硬度和可屈服性、退火温度和条件、管径和形状、特殊滚压半径 结构和预定大小、使用设置在管部内(或者外部)的可挤压插入物以 及在纵向挤压撞击期间影响材料滚压、柱状强度、能量吸收和应力分 布等其它因素。
如图9- 12所示，第一管部14A的尺寸大于第二管部15A的尺寸。 第一管部14A包括限定管形边缘32的外表面。管形边缘32在靠近第 一端部30的区域与第一管部14A的横截面形状相配。第一端部30包 括沿着圆周方向连续的、由紧密变形材料34制成的带，该带径向向外 张开超出边缘32之外，比如张开角度最小约25。。这种紧密变形的材 料34限定小半径，该小半径有效地形成阻止材料滚压的"压紧"区域。 此外，在该小半径上还有一些使该材料硬化的加工。小半径(在其凹 面上)优选小于大约0.5倍第一端部30的材料厚度。这样，足以阻止 剪切或者破裂的趋势。造成变形材料34阻止滚压的原因是多方面和错 综复杂的。可以认为，紧密"小"半径与张开的形状一起形成第一管 部14A的均匀环形支撑，在受到纵向撞击时，该支撑起到支撑和保持 第一管部的柱状强度的作用。当纵向受力时，紧密变形的材料34阻抗 第一端部30和第一管部14A的材料滚压。
相反地，第二端部31 (图12)具有变形材料35，该变形材料35 限定相对较大的半径(在其凹面上)，比如至少大约l.O倍第二端部31 的材料厚度。第二端部31的变形部35由于其较大的半径而对第二管 部15A的材料滚压的阻力较小并且对第二管部15A的柱状强度支撑也 较小。事实上，第二端部31被构造成当笫一管部14A保持其柱状强 度时，在撞击期间开始伸缩滚压第二管部15A。管部15A和16A退火 而第一管部14A未退火这一事实进一步促进和产生上述结果(尽管不 需要退火使材料具有滚压的趋势)。设置间隙以供材料在其需要滚压时 变形。可能地，管部14A和15A的尺寸可设定成在撞击期间材料滚压 时提供相互支撑。中间管部16A的预置条件也是重要的，因为它有助 于避免初始急剧的高峰负荷，这样当负荷到达预定初始水平时，便快 速地稳定下来，而后在撞击行程期间保持在该水平上(参见图17)。第二能量控制管13B (图14-16)包括第一管部14B、第二管部 15B和连接管部14B与15B的中间管部16B。但是，管13B不同于管 13A。在管13B中，较大直径第一管部14B的端部30B包括限定较大 半径的变形材料34B。此外，变形材料34B未向外张开，而是通常保 持在由第一管部14B的外表面限定的边缘内。同时，第二管部15B的 端部31B包括限定较小半径的变形材料35B。变形材料35B在管形边 缘32B的内部向内张开，比如张开角度最小约12°。
图13示出局部行程撞击，在这种撞击中，从管13B的第一管部 14B的材料36的一部分已滚压。(在管13A中，第二较小的管部15A 是这样的部分，即其以类似的方式滚压时，在撞击期间进行滚压)。
图17示出管13A和14A的典型负荷-挠度曲线。尽管在撞击行程 期间负荷具有一些变化，但是设计能量控制系统，比如保险杠和车架 的能量控制系统领域的技术人员将会明白，在整个撞击行程期间负荷 快速地到达预定水平，并相对一致地保持在所选择的水平上。在负荷 挠度曲线下面的区域表示在撞击行程期间的实际能量吸收("AEA，，)。 通过增加在撞击(Dl)乘全撞击行程(D2)期间得到的最大负荷会计 算出正确的能量吸收("PEA")。本能量控制系统达到特别高的效率比 (即"AEA"除以"PEA")。特别是，本能量控制管技术最终要比已 知的緩冲挤压支柱具有高得多且更加一致的能量吸收效率比，这是由 于初始加载相对迅速以及在整个撞击行程期间连续加载保持相对较好 而且水平一致的结果。特别是，本发明原理对负荷-挠度曲线提供令人 惊奇和意料不到的一致性和可靠性，并且还提供一致和可靠的能量吸 收和挤压行程。
图18是图表，其示出典型的退火管，比如该管可用来得到图17 的结果，图18A是曲线图，其示出退火对图18管中所用材料的影响。 退火温度线A-J的顺序示出屈服强度的逐渐降低、抗拉强度的降低 及根据退火温度升高可成形性和应变的总增量。该曲线图还示出抗拉 强度与屈服强度之间的全面关系以及这些性能与应变之间的关系。
图19是将图11和15中本能量控制管的原理结合到其管形侧面件中的管形车架的透视图。靠近四个区域以放大图示出这四个特殊区域， 每个区域示出可以使用本发明能量控制系统技术的地方。但是要注意 的是，该项技术可以用在附加的区域内。此外，在"实际"车架中， 使用位置最有可能是在车架上更加对称的位置。
示出的管40 (图19)位于车架39的前端附近在前车架侧面件的 纵向部分中、正好在前横车梁的前面。管40的横截面是矩形，并且包 括单个的中间管部16C(参见图11)，该管部被构造成在伸缩撞击期 间开始滚压管中之一 14C或者15C的材料。能量控制管40设在车架 同样的前部位置。管40的横截面是圆形，并且包括单个中间管部16D， 以在伸缩撞击期间开始滚压材料。管40在一端还包括过渡区42，在 该过渡区，圆形横截面过渡到正方形截面，以接合车架构件的前(后) 端。管40例如可以用来支撑车辆保险杠。
两端管43位于所示车架侧面的中部。管43的横截面是圆形，并 且包括两个中间管部44和45，这两个管部在中心设置的小直径管部 46的相对端上成相反的方向面对。管43在中间管部44和45的每个 外端还包括两个较大直径的管部47和48。此外，较大直径的管部在 其外端过渡到正方形横截面。另一个能量控制管49与管40相类似， 并且设置在车架一个侧面件的端部上。但是，不是在最近横梁的前面， 而是横梁50比如通过焊接直接连接到能量控制管49较大直径的管部 上。
图20是两个横车梁的透视图，其中一个是用在与车架相同平面上 的横车梁52。该梁或者能量控制管52与上面所述的两端管43相类似。 所述梁包括设置在中间位置的较小直径的管部53,而两个较大直径管 部54和55连接到车架的侧面件上。值得注意地，管13A(或者13B) 的端部可以退火，以便于再成形，从而更好地与车架轨道的几何形状 配合。
图20的其它能量控制系统包括一对管部55，其设置作为横车梁 但是用在车辆浅盘形地板的上方，或者至少设置在相对于浅盘形地板 使座椅可以固定在其上的位置上。每个管55与管52相类似，这里，管的相对端固定到车辆的侧部上。每个管55包括一个较小的中间管部 56和两个外部较大的管部57和58。车辆包括座椅59和60'，其中前 部和后部外支架61连接到较大的管部57和58上，而前部和后部内支 架62连接到较小的管部56上。
图21是保险杠系统的透视图，该系统装有緩冲加强梁64和能量 控制管65，该管65将緩冲梁64支撑在车架上。挤压支柱65是与管 40相类似的能量控制管，因此不必进行详述。
图22是用来支撑仪表板68的横车梁67的透视图。梁67包括一 个直径较小的长管部69和位于两端上的两个较大直径的管部70。较 大直径管部70连接到车辆结构上，比如车辆"A，，支柱，正好在前乘 客门的前面。数个套环71设置在较小直径管部69上，以便支撑支架 72和敞开的连接凸缘73。支架72用来固定各种器件，比如仪表盘68 和仪表盘68上及其周围的各种零件和附件。
图23是透视图，其示出可挤压插入物75，该插入物设置在能量 控制管76的外端，并随时可轴向装于其中。管76包括小直径管部77、 大直径管部78和连接两个管部的中间管部79，该中间管部79用来当 受到纵向撞击小直径管部77滚压运动进入到大直径管部78中时，便 形成对小直径管部77的材料的预定滚压。可挤压插入物75包括具有 圓周强度的结构环80，这些结构环适合径向地支撑大直径管部78。薄 环81将结构环80互连起来，并将这些结构环80纵向隔开。但是，薄 环81具有预定的纵向强度，使得在纵向受力时，这些薄环通过预定力 塌缩。因此，当可挤压插入物75设置在能量控制管76 (图24)内时， 便以阻止发出卡搭声的方式开始合适地装入到大直径管部78中。但是 在纵向撞击期间，由于小直径管部77运动进入和朝向大直径管部78， 小直径管部77的材料开始滚压并运动与可挤压插入物75的端部接合。 当小直径管部77滚压时，可挤压插入物75的薄环81塌缩，从而为更 多的滚压材料形成额外的空间。该顺序连续进行，直到可挤压插入物 75完全被压扁为止。在撞击行程期间，可挤压插入物75接合并帮助 控制滚压的材料。例如在一项试验中，可挤压插入物75使纵向负荷提高10，000磅力。此外，试验已潜在示出，该负荷可形成更加一致，从 而提高能量控制系统的效率比(即上述的"AGA"除以"PEA")。
因此，可挤压插入物对管部77的滚压形成额外的阻力，并可用来 调整能量控制管的性能。图22和23中示出的可挤压插入物75由弹性 材料制成，当受到纵向加载时由于中间管部79滚压半径的传递，该弹 性材料便被压扁。凸形圆环81设置在较厚边缘环80之间。当可挤压 插入物被加载时，环80将负荷传递到凸形区，该凸形区在加载时开始 压扁。管部78的内表面阻止凸形区81向外压扁。当管部78滚压而管 部77保持柱状强度时，可以获得类似的性能。可挤压插入物可由各种 材料制成，并且可采用不同的几何形状，以调整能量控制管的性能。 可挤压插入物可用来调整管的性能，而不是提高管的直径或者材料的 厚度。调整管性能的一些标准方法可通过增加材料的厚度或者加大管 的直径来实现。可挤压插入物的使用可提供一种替换方法来调整性能， 既不会增加大量费用，也不会以增加重量为代价。 进一步改进
图形标记113 (图25A)总体表示本发明的另一个实施例，该实 施例具有塑料制能量控制管。塑料制能量控制管113与前面所述的能 量控制管13A相类似。该塑料制能量控制管113包括第一管部114、 与第一管部114对准的第二管部115和连接第一管部114与第二管部 115的中间管部116。第一管部114的尺寸大于第二管部115的尺寸， 并优选具有相类似的横截面形状。但是要注意的是，第一和第二管部 114和115可以有不同的形状，这些形状包括六边形、八边形、椭圆 形、跑道形、圆柱形、矩形、正方形、卵形、圆形或者其它几何形状。 此外，可以考虑到，管部114和115沿其长度、特别在与中间管部116 相隔开的位置可以具有不同的横截面形状，在这些位置，管部114和 115必须适合连接到不同的结构上，比如车架零件等。中间管部116 具有从第一管部114过渡到第二管部115的形状。
示出的塑料制能量控制管113优选由常用于零件中以吸收能量的 热塑性塑料，比如PC、 PBT、 PC/PBT、 PC/ABS和其它混合塑料制成，其中，管部114、 115和116中的每一个均净皮一起成整体地形成或 者模制为一个单元。塑料制能量控制管113优选用注射模塑制作，不 过可以考虑到，塑料制能量控制管113可用其它方式制成。壁厚可以 根据需要有所改变，以满足功能设计要求。塑料制能量控制管113还 可包括其中模制的金属件插入物，以形成塑料制能量控制管113的加 强强度和/或有助于将该塑料制能量控制管113装配到其它零件上。
如图25A-25C所示，第一管部114的尺寸大于第二管部115的 尺寸。中间管部116包括连接第一管部114顶部的第一端部130和连 接第二管部115底部的第二端部131。示出的第一端部130具有倒"L" 形部分，而第二端部131具有"U"形或者"J"形部分并且连接到第 一端部130上。如图25B和25C所示，第一端部130优选包括附加材 料133，该材料在L形部分的两个支臂之间延伸。在压扁塑料制能量 控制管113期间，第二管部115在中间管部116的第二端部131上开 始伸缩滚压，而将塑料制能量控制管113压扁，如图25C所示。在压 扁第二管部115期间，第一管部114和第一端部130优选保持静止。 附加材料133有助于加强第一端部130。因此，第二端部131蜂皮构造 成当第一管部114保持其柱形强度时，在撞击期间开始伸缩滚压第二 管部115。设置间隙以供材料在其需要滚压时变形。可能地，管部114 和115的尺寸可设定成在撞击期间材料滚压时提供相互支撑。第二端 部131 (或者中间管部116预置条件)也是重要的，因为它有助于避 免初始急剧的高峰负荷，这样当负荷到达预定初始水平时，便快速地 稳定下来，而后在撞击行程期间保持在该水平上。塑料制能量控制管 113利用材料的滚压产生负荷-挠度响应，该响应没有尖峰和谷底，但 是可以i殳计成产生平坦的响应，如图25D所示。方形波响应表示能量 的最有效吸收。在加载时，负荷增大，直到达到该结构的柱形强度而 后滚压开始为止。平稳负荷时发生均匀滚压，直到吸收所有能量为止。
附图标记113a (图26A)总体表示本发明的另一个实施例，是具 有塑料制能量控制管的第二实施例。由于塑料制能量控制管113a与前 面所述的塑料制能量控制管113相同，除了图26A中附图标记后缀"a"之外，出现在图25A - 25C和图26A中的相同零件分别用同 一相应的 附图标记表示。塑料制能量控制管113a的第二实施例包括具有内壁 134的第二管部115a,该内壁134从中间管部116a的第二端部131a 逐渐变细。内壁134逐渐变细造成负荷升高，如图26B中负荷-挠度曲 线图所示。
附图标记113b (图27A-27D)总体表示本发明的另一个实施例， 是具有塑料制能量控制管的第三实施例。由于塑料制能量控制管113b 与前面所述的塑料制能量控制管113相同，除了图27A-27D中附图标 记后缀"b"之外，出现在图25A-25C和图27A-27D中的相同零件 分别用同 一相应的附图标记表示。塑料制能量控制管113b的第三实施 例包括内部能量控制管部分140。内部能量控制管140基本上是塑料 制能量控制管113第一实施例的倒置形式，该塑料制能量控制管140 通过跨越部141连接到中间管部116b第二端部131b远端的第二管部 115b的端部上。因此，内部能量控制管140包括第一管部114b'、第 二管部115b'和中间管部116'。
如图27B所示，塑料制能量控制管113b的第三实施例以与塑料 制能量控制管113第一实施例相同的方式压扁。因此，第二管部115b 在中间管部116b的第二端部131b上开始伸缩滚压，以将塑料制能量 控制管113b的外部分压扁，如图27B所示。在第二管部115b压扁期 间，第一管部114b和第一端部130b优选地保持静止。附加的材料133b 再次帮助加强第一端部130b。因此，第二端部131b被构造成当第一 管部114b保持其柱状强度时，在撞击期间便开始伸缩滚压第二管部 115b。设置间隙以供材料在其需要滚压时变形。可能地，管部114b 和115b的尺寸可设定成在撞击期间材料滚压时提供相互支撑。第二端 部131b (或者中间管部116b的预置条件)也是重要的，因为它有助 于避免初始急剧的高峰负荷，这样当负荷到达预定初始水平时，便快 速稳定下来，而后在撞击行程期间保持在该水平上。
在塑料制能量控制管113b第三实施例的外部分如27B所示已被 压扁之后，内部能量控制管部分140将随同塑料制能量控制管113b第三实施例的外部分的压扁延续而压扁。因此，第一管部114b'在中间 管部116b'的第一端部131b'处开始伸缩滚压，从而将内部能量控制管 部分140压扁，如图27C所示。在压扁第二管部115b期间，第二管 部115b'和第二端部130b'优选地保持静止。附加的材料133b'再次帮 助加强第二端部130b'。因此，第一端部131b'被构造成当第二管部 115b'保持其柱状强度时，在撞击期间便开始伸缩滚压第一管部115b'。 设置间隙以供材料在其需要滚压时变形。可能地，管部114b'和115b' 的尺寸可设定成在撞击期间材料滚压时提供相互支撑。第一端部131b' (或者中间管部116b'的预置条件)也是重要的，因为它有助于避免初 始急剧的高峰负荷，这样当负荷到达预定初始水平时，便快速地稳定 下来，而后在撞击行程期间保持在该水平上。
塑料制能量控制管113b利用材料的滚压产生负荷-挠度响应，该 响应没有尖峰和谷底，但是可以设计成在能量控制管113b的第三实施 例的外部分压扁期间产生如图27D中点145与150之间所示的平坦响 应，和在能量控制管U3b的第三实施例的外部分和内部能量控制管部 分140压扁期间产生如图27D中点150与160之间所示的另一个较高 的平坦响应。
在上述的塑料制能量控制管113、 113a和113b中，或第一管部 114或是第二管部115可以连接到支撑结构上，使得塑料制能量控制 管113、 113a和113b会是可反转的。此外，塑料制能量控制管113b 的第三实施例的内部能量控制管部分140可以反向设置，使得第二管 部115b'连接到跨越部141上。此外，塑料制能量控制管113、 113a或 113b可包括数个部分，这些部分逐渐变小(参见图28C)。而且，任 何管部分可包括上面在塑料制能量控制管113a的第二实施例中所述 的锥形壁。此外，任何塑料制能量控制管113、 113a和113b可包括挤 压起始凹槽177,如图27E所示，这将造成正弦波能量曲线，如图27F 所示。尽管所示凹槽177位于第二管部115上，但凹槽177可以在任 何管部分上。
塑料制能量控制管113、 113a和113b的应用包括独立的可挤压结构和/或可挤压零件，这些结构和/或零件被模制到较大的塑料模制件 中，无需为在模制件上形成未切割和封闭表面而在工具加工中有敲打
动作(tolling action)和运动机件。零件的尺寸可以模制成任何所需 的尺寸，并且将多个塑料EMT组合可模制并联、串联操作，或者构 造成拥有大的表面积。单个塑料EMT113、 113a或者113b可以用作 车辆中驾驶员膝盖202前面的护膝垫，如图28A所示；可以用作另一 结构前面的可挤压件，比如在保险杠系统210前面和仪表板212后面 的塑料EMT113、 113a和113b，如图27B所示；可以用作车辆承栽车 架220与仪表板222之间的緩冲支架，如图28C所示；可以用作车辆 中A和B立柱的内部零件(未示出)；可以用作高速公路的路堤，以 保护桥242的支座240，如图27D所示；或者以其它方式使用。此外， 可以用一组塑料EMT横跨在保险杠300的表面上作为能量吸收器， 如图29所示，或者用在梁400内(例如公开在美国专利申请系列号 10/808,127中名称为"能量控制梁"的梁，该申请的全部内容本文引 入作为参考)，如图30A-30C所示，或者用在车顶内衬内，以保护头 部，如图31A和31B所示。此外，塑料能量控制管113、 113a或者113b 可以用在电梯井500的底部，以吸收电梯502降落的能量，如图32 所示。基本上，凡是需要能量吸收的地方，不管是独立的结构，还是 需要提供能量吸收的较大区域，都可以采用塑料EMT技术。
使用塑料制造零件的优点具有模制复杂形状和在复杂的零件中进 行模制的灵活性，这些零件可以用来调整本发明的性能。塑料EMT 不需要具有向外张开的较大直径部分的较大管，这种较大直径的管由 于在模制过程中能够改变厚度，而促进较小直径部分套进较大直径部 分中。塑料模制过程适应性极强。'在简单的内/外模具中容易地模制出 简单的一个或者多个EMT结构零件。具有内部加固肋和叶片较为复 杂的结构可能需要联合作用的模具。模制塑料的适应性便于确定所需 之处材料的厚度。厚度的改变可用来达到柱状强度和所需的滚压负荷。 改变塑料厚度的能力和模制过程提供的适应性显示与使用塑料相关的 优点。EMT还可以在其它EMT中模制和套装，以产生额外的负荷调整能力(参见图28B)。
将会知道，在没有脱离本发明原理的情况下，可以对上述结构进 行变动和改进，并还将知道，这些原理表示包括在下面的权利要求书 内，除非这些权利要求另外在其文字上有明确的说明。
权利要求
1. 一种能量控制管，这种管在受到纵向撞击时适合可靠和可预测地吸收相当大的撞击能量，该管包括聚合物的第一管部；聚合物的第二管部，其与第一管部对准；以及聚合物的中间管部，其第一和第二端部分别成整体地连接第一和第二管部；第一和第二管部的尺寸大小不同，并且中间管部具有从第一管部过渡到第二管部的形状；第一管部的尺寸大于第二管部的尺寸并且包括限定管形边缘的外表面，第一端部包括由一种材料制成的连续带，该带在纵向撞击时起到支撑和保持第一管部的柱状强度的作用，而第二端部相反构造成在撞击期间当第一管部保持其柱状强度时开始伸缩滚压第二管部。
2. —种能量控制管，这种管在受到纵向撞击时适合可靠和可预测 地吸收相当大的撞击能量，该管包括聚合物的第一管部，其具有第一变形抗力；聚合物的第二管部，其具有第二变形抗力，该第二变形抗力大于 第一变形抗力；以及聚合物的中间管部，其将第一管部连接到第二管部上；由此，当受到纵向撞击中间管部接受来自纵向撞击的力时，中间 管部和第一管部可预测地滚压并且早于第二管部。
3. 如权利要求1或者2所述的能量控制管，其包括连接到第一和 第二管部中一个的自由端上的緩冲梁。
4. 如权利要求1或者2所述的能量控制管，其包括连接到第一和 第二管部中至少一个上的车架。
5. 如权利要求1或者2所述的能量控制管，其包括连接到第一和 第二管部中至少一个上的横向车架构件。
6. 如权利要求1或者2所述的能量控制管，其特征在于，第一和第二管部具有相同的几何横截面形状，但是横截面尺寸不同。
7. 如权利要求1或者2所述的能量控制管，其特征在于，笫一和 第二管部中的至少一个包括圆形横截面。
8. —种电梯系统，其包括电梯井，该电梯井具有底部和设置于其 中的、如权利要求1或者2所述的能量控制管。
9. 一种驾驶员保护系统，其包括桥柱，该桥柱具有设置在桥柱前 面的、如权利要求1或者2所述的能量控制管。
10. 如权利要求1或者2所述的能量控制管，其特征在于，第一管 部和第二管部中的至少一个包括具有不同厚度的壁。
11. 如权利要求1或者2所述的能量控制管，其还包括模制到管部 中至少一个的至少一个金属件。
12. 如权利要求1或者2所述的能量控制管，其特征在于，第一管 部和第二管部中的至少一个包括至少一个挤压起始凹槽。
13. —种能量控制垫，其包括多个如权利要求1或者2所述的能量 控制管。
14. 一种制造能量控制管的方法，这种管在受到纵向撞击时适合可 靠和可预测地吸收相当大的撞击能量，该方法包括模制聚合物的第一管部； 模制聚合物的第二管部； 使第二管部与第一管部对准；以及模制聚合物中间管部，其第一和第二端部分别成整体地连接第一 和第二管部；第一和第二管部的尺寸大小不同，并且中间管部具有从第一管部过渡到第二管部的形状；第一管部的尺寸大于第二管部的尺寸并且包括限定管形边缘的外 表面，第一端部包括由一种材料制成的连续带，该带在纵向撞击时起到支撑和保持第一管部的柱状强度的作用，而第二端部相反构造成当 第一管部保持其柱状强度时，开始在撞击期间伸缩滚压第二管部。
15. 如权利要求14所述的制造能量控制管的方法，该方法包括将緩冲梁连接到第一和第二管部中一个的自由端上。
16. 如权利要求14所述的制造能量控制管的方法，该方法包括将 车辆架构连接到第一和第二管部中的至少一个上。
17. 如权利要求14所述的制造能量控制管的方法，该方法包括将 横向车架构件连接到第一和第二管部中的至少一个上。
18. 如权利要求14所述的制造能量控制管的方法，其特征在于， 第一和第二管部具有相同的几何横截面形状，但是横截面的尺寸不同。
19. 如权利要求14所述的制造能量控制管的方法，其特征在于， 第一和第二管部中的至少一个包括圆形横截面。
20. 如权利要求14所述的制造能量控制管的方法，该方法还包括 将至少 一个金属件模制到管部中的至少一个内。
21. 如权利要求14所述的制造能量控制管的方法，其特征在于， 第一管部和第二管部中的至少一个包括至少一个挤压起始凹槽。
全文摘要
一种能量吸收系统包括由连续聚合材料制成的管。该管具有第一和第二管部，这些管部通过中间管部相连接。通过这种设置，在保险杠系统接受纵向撞击时，第一和第二管部以可预测和一致的滚压塌缩而可伸缩地塌缩。
文档编号B60R19/26GK101432168SQ200580034297
公开日2009年5月13日 申请日期2005年9月7日 优先权日2004年9月7日
发明者B·W·莱昂斯, D·W·希瑟林顿, D·埃文斯, R·B·尼斯, S·C·格拉斯哥 申请人:沙普公司