专利名称：具有两种吸能模式的汽车保险杠的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种汽车保险杠的吸能装置，属于汽车碰撞安全技术领域，能同时满 足不同碰撞工况下对汽车保险杠刚度的不同要求，如行人保护和低速碰撞保护的要求。
背景技术：
汽车前端保险杠是影响汽车安全性指标的重要部件。现行的汽车安全法规要求， 当被测试汽车和与自身质量相等的障碍物以较低速度碰撞时，汽车保险杠的吸能结构能吸 收大部分碰撞能量，从而降低汽车受损程度。同时，行人碰撞保护设计在我国汽车产品的开 发中也日益受到重视，法规要求汽车保险杠系统与行人腿部发生碰撞时，碰撞加速度不能 过高，这就要求汽车保险杠的吸能结构能对行人腿部冲击提供合适的缓冲。一般的保险杠结构(见发明EP1300293A9)如图2所示，包括保险杠横梁4，吸能结 构23，保险杠外罩1。现有的汽车保险杠中应用最广泛的吸能结构是泡沫。汽车保险杠结 构布置要求紧凑，所以吸能结构的布置空间是有限的。研究表明，在有限的泡沫布置空间内，满足低速碰撞要求的汽车保险杠泡沫刚度 较大，这种保险杠结构与行人腿部碰撞，容易造成行人腿部严重受伤；同样的，满足行人腿 部保护要求的泡沫，由于刚度较小，往往不能满足低速碰撞的要求。为了满足两种碰撞安全法规的要求，一种折中的方法是通过对泡沫的几何和材料 参数优化，设计一种泡沫结构，使得行人碰撞损伤结果和低速碰撞结果都可接受。但是用这 种方法设计的保险杠在行人保护试验中的响应和低速碰撞试验中的响应都不会太好。此外，也有新型设计通过两段刚度的方法(发明CN101306671)同时满足行人保护 要求和低速碰撞保护要求。两段弹簧在汽车前端前后串联布置，刚度较小的弹簧布置在前， 刚度较大的弹簧布置在后。当汽车与行人发生碰撞时，保险杠中刚度较小的弹簧变形；当汽 车与障碍物以较低速度碰撞时，两段弹簧共同变形，吸收较多的能量。这种设计由于占用了 汽车前端的几何空间，在实际应用中影响了汽车的布置紧凑性。因此，一种具有两种吸能模式的汽车保险杠吸能结构能够解决不同碰撞工况对保 险杠刚度的不同要求。
发明内容
由于汽车低速碰撞保护设计要求和行人保护设计要求相悖，现有车型保险杠吸能 结构不能同时满足两种碰撞法规检测的要求。此外，由于汽车前端结构设计空间有限，所以 通过设计组合刚度的吸能结构同时满足两种碰撞法规的方法有局限性。本发明的特征在于，是一种能同时满足行人保护和低速碰撞保护要求的汽车保险 杠，含有保险杠蒙皮1、上吸能块21和下吸能块22、上层硬结构31和下层硬结构32以及 保险杠防撞梁4，其中上吸能块21和下吸能块22，都是泡沫塑料块，截面形状是包含矩形、梯形在内的 多边形，
上层硬结构31和下层硬结构32，都呈半圆弧杆状，是一种包含钢或铝在内的金属 杆，截面形状是包含矩形、梯形在内的多边形，所述上层硬结构31和下层硬结构32上、下交 叉地布置在所述上吸能块21和下吸能块22之间，保险杠防撞梁4，在所述保险杠防撞梁4和所述保险杠蒙皮1之间是被夹的所述上 下依次配置的上吸能块21、上层硬结构31和下层硬结构32和下吸能块22。本发明提出了一种具有两种吸能模式的新保险杠吸能结构，在行人保护工况下保 险杠吸能结构刚度较小，而在低速碰撞工况下吸能结构刚度可以很大，从而能够同时满足 低速碰撞法规和行人保护法规的设计要求。该吸能结构将保险杠的多目标刚度设计问题进行了解耦，为企业针对不同碰撞安全法规要求进行保险杠设计提供了更优的设计对策。
图1——新型保险杠吸能结构的Z向视图；图2——某传统保险杠结构示意图(源自发明EP1300293A9)；图3——新型保险杠吸能结构的A-A截面剖视图；图4——上层硬结构31和下层硬结构32中的半圆弧杆状结构示意图；图5——保险杠低速碰撞试验工况的Z向视图；图6——保险杠低速碰撞试验工况的Y向剖面图；图7——保险杠低速碰撞试验前的Z向视图；图8——保险杠低速碰撞试验后的Z向视图；图9——保险杠与行人腿部碰撞试验前的Z向视图；图10——保险杠与行人腿部碰撞试验后的Z向视图；图11—R42低速碰撞和GTR行人腿碰撞工况中吸能结构的刚度曲线。附图中的标志说明如下，1-保险杠蒙皮，21-上吸能块，22-下吸能块，23-传统保险杠泡沫吸能结构，31-上 层硬结构，32-下层硬结构，4-保险杠防撞梁，5-低速碰撞块，6-行人腿模块位置一，7-行 人腿模块位置二，81-副保险杠纵板，82副保险杠蒙皮，83-水箱下横梁，84-副保险杠横板， R-半圆弧结构的圆弧半径，Wl-半圆弧结构开口宽度，W2-相邻半圆弧结构的重叠宽度。
具体实施例方式本发明的目的是提出一种新型汽车保险杠吸能结构，能够同时满足多种碰撞工况 对吸能结构刚度的不同要求，下面以行人保护法规和低速碰撞法规为例，介绍本发明的实 施方式。如图1所示，本发明的汽车保险杠结构包括了保险杠蒙皮1，上吸能块21 (见图 3)，上层硬结构31，下层硬结构32，下吸能块22，保险杠防撞梁4。其中保险杠蒙皮1是吸 能结构的覆盖件，保险杠防撞梁4与后端的两个前纵梁(未在图中示意)相连。1和4之间 的吸能结构是本发明的核心结构。上吸能块21和下吸能块22之间夹着上层硬结构31和 下层硬结构32，高度方向上形成三明治结构。如图3所示，上、下吸能块21和22刚度较小，可以由泡沫、蜂窝铝等材料制成，它 在行人腿部保护中能有效吸收碰撞能量，在设计中可以通过改变吸能块的材料、截面尺寸等调整它的刚度，也可以使用其它发明中的吸能结构分别构成上吸能块21和下吸能块22。上层硬结构31和下层硬结构32分别由一定数量的半圆弧杆状结构(如图4所 示)组成，它们与保险杠横梁没有连接，仅仅由上、下吸能块靠夹紧力固定在整个保险杠结 构中。上层硬结构31和下层硬结构32的重叠宽度W2等于66mm。该结构可以由钢、铝等 硬质金属或非金属材料制成，圆弧半径R等于法规中行人腿模块的半径66mm，圆弧开口宽 度Wl等于132mm。通过设计杆结构的截面形状和尺寸、半圆弧半径R、半圆弧夹角、半圆弧 之间的重叠宽度W2，可以调整其在低速碰撞中的压缩刚度。若该吸能结构与行人腿部碰撞，由于行人下肢模块的外径小于硬结构31和32中 半圆弧杆状结构的内径，所以半圆弧杆状结构不会发生塑形变形，只有上、下吸能块变形吸 能；即使行人腿部与半圆弧结构的边缘先接触，半圆弧杆状结构也会沿着防撞梁4的前表 面滚动，不会对腿部施加额外的碰撞力。
若该吸能结构保险杠进行低速碰撞法规试验(如图5和图6)，碰撞块7与保险杠 吸能结构有较大的重叠区域，至少2个半圆弧杆状结构整体会被压缩，整个吸能结构的刚 度等于半圆弧杆状结构和上、下吸能块结构刚度之和，较高的刚度能够充分吸收低速碰撞 能量，防止保险杠防撞梁后面的结构损坏。该发明是一种能够同时满足行人保护法规和低速碰撞法规的保险杠吸能结构。下 面将分别针对这两种法规试验描述该保险杠吸能结构的效果。欧洲ECE R42保险杠低速碰撞法规试验中，一个和汽车质量相同的碰撞块5，以 4km/h的速度与汽车保险杠碰撞，要求保险杠防撞梁4后面的散热器、转向系统、悬架等结 构不损坏。将本发明应用在某汽车保险杠系统上建模分析，吸能结构变形前后如图7和图 8，吸能结构的“力-位移曲线”如图11所示，由于R42低速碰撞工况下，上吸能块21、下吸 能块22、上层硬结构31和下层硬结构32共同作用，碰撞力峰值达到19. 8kN。行人腿部保护法规试验(GTR行人腿碰撞试验)要求重为13. 4kg的下肢模块、以 11. lm/s的速度与汽车保险杠碰撞时，要求腿部模块的胫骨加速度峰值不超过170g，膝关 节弯曲角度不超过19度，膝关节剪切位移不超过6mm。将本发明应用在某汽车保险杠系统 上建模分析，当行人腿部与半圆弧杆状结构的中央位置相撞时(如图9中下肢模块6)，只有 上吸能块21和下吸能块22吸能；当行人腿部与半圆弧杆状结构的边缘位置相撞时(如图 9中下肢模块7)，上层硬结构31和下层硬结构32 —端翘起，对腿部产生的阻力很小，这种 情况下实际仍只有上吸能块21和下吸能块22吸能。上层硬结构31和下层硬结构32变形 前后如图9和图10，吸能结构“力-位移曲线”如图11所示，碰撞力峰值约7. 5kN，低于R42 低速碰撞工况的碰撞力峰值。
权利要求
具有两种吸能模式的汽车保险杠，其特征在于，是一种能同时满足不同碰撞工况的汽车保险杠，含有保险杠蒙皮(1)、上吸能块(21)和下吸能块(22)、上层硬结构(31)和下层硬结构(32)以及保险杠防撞梁(4)，其中上吸能块(21)和下吸能块(22)，都是泡沫塑料块，截面形状是包含矩形、或梯形在内的多边形，上层硬结构(31)和下层硬结构(32)，都呈半圆弧杆状，是一种包含钢或铝在内的金属杆，截面形状是包含矩形、或梯形在内的多边形，所述上层硬结构(31)和下层硬结构(32)上、下交叉地布置在所述上吸能块(21)和下吸能块(22)之间，保险杠防撞梁(4)，在所述保险杠防撞梁(4)和所述保险杠蒙皮(1)之间是被夹的所述上、下依次配置的上吸能块(21)、上层硬结构(31)、下层硬结构(32)和下吸能块(22)。
2.根据权利要求1所述的具有两种吸能模式的汽车保险杠，其特征在于，所述上层硬 结构(31)或下层硬结构(32)的圆弧半径(R)至少为66mm，开口宽度(Wl)至少为132mm， 该上层硬结构(31)和下层硬结构(32)的重叠宽度(W2)最多为66mm。
3.根据权利要求1所述的具有两种吸能模式的汽车保险杠，其特征在于，所述上吸能 块(21)或下吸能块(22)的材料用塑料栅格或薄壁管代替。
4.根据权利要求1所述的具有两种吸能模式的汽车保险杠，其特征在于，所述上层硬 结构(31)或下层硬结构(32)的材料用包括碳纤维在内的非金属材料代替。
5.根据权利要求1所述的具有两种吸能模式的汽车保险杠，其特征在于，所述上吸能 块(21)和下吸能块(22)在上、下方向至少各为一个。
全文摘要
具有两种吸能模式的汽车保险杠，属于汽车碰撞安全技术领域，其特征在于，含有保险杠蒙皮、保险杠防撞梁以及夹于所述保险杠蒙皮和保险杠防撞梁之间的由上到下依次排列的上吸能块、上层硬结构、下层硬结构以及下吸能块，其中的两个硬结构都是弧状金属杆，上层硬结构和下层硬结构相互交叠放置。本发明在工况一(如行人保护工况)下刚度小，而在工况二(如低速碰撞工况)下刚度较大，能同时满足低速碰撞法规和行人保护法规的设计要求。
文档编号B60R19/18GK101844550SQ20101017343
公开日2010年9月29日 申请日期2010年5月10日 优先权日2010年5月10日
发明者周青, 夏勇, 黄 俊 申请人:清华大学