冲击能量吸收设备的制作方法

专利名称：冲击能量吸收设备的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及内装的冲击能量吸收设备，如在汽车中受到来自外界的冲击荷载时保护乘车人员。本发明特别地涉及具有可控冲击吸收特性的内装冲击吸收设备。
冲击吸收设备公开在，例如，日本实用新型申请，第二次公开，H5-410；日本实用新型申请，第一次公开，H3-13251；日本实用新型申请，第一次公开，H3-49110和日本实用新型申请，第一次公开，H3-49111中，它们是基于布置在旅行车中一定的关键部位的苯乙烯或聚氨酯泡沫。
这些传统的冲击吸收设备中所用的结构类型是基于将冲击吸收构件包裹在塑料部件中。由于这种双重结构，这些冲击吸收设备的最终成本较高，且它们的组装步骤增加。
解决这一问题的一种方法公开在如日本实用新型申请，第一次公开，H4-128912和日本实用新型申请，第一次公开，H6-72153中，它们公开了一种结构，其中用塑料肋构件本身作用作冲击吸收构件。
但不同的申请所要求的冲击吸收构件的特征应是不同的，而且这些公开没有说明任何对肋结构的具体设计，以判断冲击吸收设备是否可定制成适合他们应用中所遇到的条件。
本发明的目的是提供一种冲击能量吸收设备，通过提供一特殊形状的肋构件的设计原理，可按应用需要定制其抗冲击性能。
本发明的另一目的是提供一种可用常规塑性材料制造的适于应用的设计的冲击能量吸收设备。
该目的是这样实现的，如权利要求1所要求的，一种冲击能量吸收设备包括一组用于吸收冲击能量的长肋构件和短肋构件，在冲击荷载方向上由基础构件伸出；其中与冲击荷载方向垂直相交的平面上的长肋构件的横截面积的比例在所有肋构件的总横截面积的0.3至0.8之间的范围内。
根据上述冲击能量吸收设备，由于肋构件由长和短构件组成，在冲击荷载的初始阶段，长肋构件在短肋构件接触到冲击荷载之前首先开始纵弯曲。此设计防止在冲击荷载与能量吸收构件最初接触过程中最初的冲击荷载高峰。通过将长肋构件的初始冲击荷载横截面积调至肋构件总横截面积的0.3至0.8，使在冲击能量吸收设备变形期间的冲击荷载的初始峰可低到平均荷载。因此，可使因扩大冲击要被保护的内构件随后受到已改变程度的缓和的冲击。
另一种冲击能量吸收设备可如权利要求2所要求的由有相同宽度，以同一模式排列并由基础构件伸出的肋构件制成，但该肋构件提供有一卸荷断面以留出适于预期冲击荷载的构件的横截面积。通过选择合适的卸荷断面尺寸，在保持基础构件自身上的荷载均匀性的同时，可调节被吸收的冲击能量达到合适。有相同宽度、规则排列的肋构件便于制造适于应用。因此，冲击的吸收能力可被调至适于应用。
上述冲击能量吸收设备的一种改进是如权利要求3所要求的通过在平行于冲击荷载的方向的平面上提供按设计成形的卸荷断面得到的。
在此情况下，在平行于冲击荷载方向的平面上成形的卸荷断面附近部分的强度有意地减弱，因此，当均匀地施加冲击荷载时，所说部分的变形将大于其它部分。
该卸荷断面的一种情况是如权利要求4所要求的通过去掉肋所形成的交叉网点提供，从而可实现用一种最小创设的卸荷断面吸收大量的冲击能量。
所说肋构件的横截面积的一种情况是如权利要求5所要求的其以设计模式沿冲击荷载的方向改变。
上述设计模式是这样的，如权利要求6所要求的肋构件的横截面积从肋构件的顶部向冲击吸收设备的基础构件增加。此结构有这样的作用，即在肋构件顶部吸收低冲击荷载，而通过接近基础构件的纵弯曲设备吸收高冲击荷载。
肋构件宽度的一种情况是如权利要求7所要求的，可使该宽度布置成从顶部向基础构件增加，以便于所制造的设备从模具中移出。
冲击能量吸收设备的另一方面是，如权利要求8所要求的，在冲击荷载方向可采用相同的横截面积，从而使纵向弯曲的冲击能量吸收设备受到相对一致的阻力。
肋构件的一方面是如权利要求9所要求的，它们的形状可以是这样的，肋构件的厚度从基础构件向肋构件顶部增加，且配有宽度从肋构件顶部向基础构件增加的卸荷断面。这种类型的设备在提供相同的冲击能量吸收设备纵弯曲阻力的同时便于模具制造。
上述冲击能量吸收设备的一种改进是如权利要求10所要求的，使肋构件的宽度从肋构件顶部向基础构件增加，其将提供增加的冲击能量吸收设备纵弯曲阻力。
冲击能量吸收结构的另一改进是如权利要求11所要求的。提供一基础构件，和一组交叉的肋构件，用于通过肋构件的变形吸收冲击能量，该肋构件由与基础构件整体的树脂构成并在冲击荷载方向均匀排列地从基础构件伸出，其中在肋构件的设计位置提供一卸荷断面从调节冲击能量吸收设备的冲击吸收特性。通过适当地选择能量吸收构件中的卸荷断面，可定制纵弯曲冲击能量吸收设备的阻力特性。
冲击能量吸收设备的一方面是如权利要求12所要求的，按设计在平行于冲击荷载方向的平面上形成卸荷断面。
如权利要求13所要求的，该卸荷断面可通过去掉所说肋构件所形成的交叉网点提供。
如权利要求14所要求的，该断面可在冲击荷载的方向形成。
如权利要求15所要求的，该断面的一方面是其横截面积可在设计型式下沿冲击荷载方向改变。
该设计型式的一方面是如权利要求16所要求的，设计的交叉肋构件的横截面积从所述肋构件的顶部向基础构件增加。
上述冲击能量吸收设备的一方面是如权利要求17所要求的肋构件的宽度从顶部向基础构件增加。
上述冲击能量吸收设备的一方面是如权利要求18所要求的其设计模式是在冲击荷载方向上横截面积不变。
基本结构和其所有改进所表示的冲击能量吸收设备的最后一方面是如权利要求19所要求的可选择肋构件的横截面积以适用于预期的由冲击能量吸收设备所吸收的冲击荷载。
用于制造本发明冲击能量吸收设备的材料优选为热塑性树脂。材料可选自热塑性树脂如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、锦纶、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、PMMA ABS树脂以及它们的改性物、聚合物合金或它们的混合物。其中，优选聚烯烃树脂如乙烯和/或丙烯的均聚物、或它们与其它可共聚组分如α-烯烃的共聚物，更优选的是聚丙烯树脂。
特别优选的是包括如下定义的组分(A)和(B)的热塑性树脂组合物。组分(A)是含有10至30％(wt)的乙烯-丙烯共聚物部分的乙烯-丙烯嵌段共聚物。其中乙烯-丙烯共聚物部分含有乙烯含量为20至60％(wt.)优选30至50％(wt.)。组分(B)或者是乙烯-丙烯共聚物橡胶或者是乙烯-1-丁烯共聚物橡胶。在所述组分(A)和(B)的热塑性树脂组合物中，(A)的量可在80至100％(wt.)之间的范围内，相应的(B)的含量可在20至0％(wt.)之间的范围内。每100％(wt.)组分(A)和(B)的总和，组分(B)和组分(A)中乙烯-丙烯共聚物部分的总量为15至40％(wt.)。所述组分(A)和(B)的热塑性树脂组合物的熔融指数(MI)为5-50g/10min，优选10-35g/10min。
此热塑性树脂或热塑性树脂组合物根据需要可含有填料，如滑石、云母和玻璃纤维，和常规添加剂，如抗氧化剂、紫外光(UV)吸收剂、阻燃剂和着色剂。


图1为本发明冲击能量吸收设备的第一实施(PE1)例的示意图。
图2为冲击能量吸收设备的第一比较例(CM1)的示意图。
图3为本发明冲击能量吸收设备的第二实施例(PE2)的示意图。
图4为本发明冲击能量吸收设备的第三实施例(PE3)的示意图。
图5为本发明冲击能量吸收设备的第四实施例(PE4)的示意图。
图6为本发明冲击能量吸收设备的第五实施例(PE5)的示意图。
图7为本发明冲击能量吸收设备的第六实施例(PE6)的示意图。
图8为冲击能量吸收设备的第二比较例(CM2)的示意图。
图9为本发明冲击能量吸收设备的第七实施例(PE7)的示意图。
图10为本发明冲击能量吸收设备的第八实施例(PE8)的示意图。
图11为本发明冲击能量吸收设备的冲击吸收试验的结果的图示。
PE1至PE8和CM1至CM2示于表1和2中。
下面参考附图介绍该冲击能量吸收设备的优选的具体实施。
实施例1至5是在第一组试验的基础上研制的。在下列实施例的图中，冲击能量吸收设备的结构由示意图表示，图中未示出各种设备的厚度。在所有情况下，均垂直地施加冲击荷载，设备的顶点为与冲击荷载接触的第一点。
图1为实施例1的冲击能量吸收设备(以下简称为IAS)的结构。图1所示的IAS包括有相同宽度、以均匀的网格形式排列并从基础构件伸出的肋构件。网格形状是按2×3网格构形设计。即IAS包括网络含有基础构件11、由基础构件11垂直伸出的纵向侧板(外肋)12和横向侧板(外肋)13、平行于侧板12的中板(内肋)15、和平行于侧板13的中板(内肋)14。中板14、15比侧板12、13短。
侧板12、13的肋长度(高度)表示为L1，中板14、15的肋长度(高度)表示为L2。肋长度L1和L2分别为60mm和55mm。采用此设计以分两个阶段吸收冲击荷载。肋构件的厚度是这样的，顶部16的厚度为0.8mm，基础构件处的厚度为1.5mm，从基础构件向顶部形成微小的斜度。这是由需要以注模法制造IAS中从所用的模具中移出IAS而施加的必要限制。内单元间间隙为35mm。
用于制造IAS的材料是颗粒形的，包括含有28％(wt.)乙烯含量为40％(wt.)的乙烯-丙烯共聚物部分的乙烯-丙烯嵌段共聚物。该颗粒熔融指数为15g/10min。长肋构件的横截面积的比例是IAS的肋构件的总横截面积的0.59。
根据″Polymers Handbook″pp.256to 257，(ii)BlockCopolymers″published by Asakura Publishing，1985中所述的红外光谱法测定乙烯含量。
下面表1示出对实施例试样(PE)1至5与比较例试样(CM)1相比较进行冲击强度试验的结果。
冲击强度试验是用测量多轴冲击荷载的测试仪(Dart DropGraphic Impact Tester，Model A，Toyo Seiki Co.Ltd.)进行。荷载用测力计测量，使刺尖变形成直径120mm厚10mm的圆盘形装载器。6.4kg的荷载从1.5m的高度落下，得到5.4m/s的初始冲击速率。
表1<
<p>注PE(优选实施例)；CM(对比)Av.Load(平均荷载)Ini.PeakValue(初始峰值)；Max.Def.Load(最大变形时荷载)，所用值均以牛顿表示。
表1中，平均荷载指荷载测力计总读数的平均值，初始峰值指冲击荷载初始阶段中最高的荷载读数。最大变形时的荷载指最大变形时测力计所记录的荷载读数。
在PE1(图1)中，冲击能量吸收过程开始于侧板12、13的顶部16′，首先接受冲击荷载。在此条件下，中板14、15的顶部16还没有接触到荷载表面。因此，只有侧板12、13接受荷载。抗变形的所述肋构件12、13的横截面积小，迅速发生塑性变形以吸收冲击荷载的初始峰以迅速保护人体。
图2是CM1设备。CM1设备是这样的，对于基础构件11，有侧板12、13，中板14、15，但它们的长度(高度)尺寸均是60mm、CM1的其它尺寸与PE1相同，材料和制法也相同。表1的结果表明在相同的试验条件下，CM1表现出的冲击荷载初始峰较高。
图3示出PE2的IAS。此IAS有以网格模式均匀分布的厚度0.8mm的肋构件，通过去掉如图1中所示的中板14、15所形成的交叉网点而提供一卸荷断面(或空区)。该空区由中板14的该区的尺寸B1和中板15的该区的尺寸B2定义。该设备还包括基础构件11，侧板12、13，后二者与图1中所示的相同。设计肋构件的横截面积以吸收预期的冲击荷载能量。制造IAS的材料和方法与PE1中的相同。
PE2的优点是可调节肋构件的厚度和网格的空间以适应预期的冲击荷载。为便于制造加工，肋构件有一定的下限。冲击荷载被基础构件接收，所以肋间距或栅格间距不能太大，需要一定的间隔。通过去掉中板14和15中B1和B2定义的部分以减小横截面积，可提供耐受面积以调节IAS的耐受强度至适应预期冲击荷载的大小。通过提供空区，去掉中板14、15的交叉网点。使冲击荷载的初始峰降低。
示于表1的在与PE1相同条件下进行测试PE2的试验结果表明与降低IAS的横截面积一致，平均荷载降低，其冲击荷载的初始峰也降低。
图4表示PE3的IAS。此IAS有与PE2中相同的空区中心、B1和B2并且肋构件14、15的长度(高度)L2如PE2中的较短。侧板12、13与PE1和PE2中的相同。
示于表1中的在与PE1相同的条件下进行测试的PE3的试验结果表明与降低IAS的横截面积一致，平均荷载降低，冲击荷载的初始峰等于平均荷载值。PE3的IAS的特性好似PE1和PE2的IASs的混合物。
图5示出PE4的IAS。该IAS有如PE1中的侧板12、13的网格构型，有一空区中心，该中心均匀地排列着从基础构件11伸出在顶部厚度为0.8mm的肋构件。肋构件的形状是这样的，即在顶部的宽度C1比基础构件的宽度C2窄。材料和制造方法与PE1中的相同。
设计该肋构件的横截面积以吸收逐渐增加的冲击荷载。该形状适用于随着变形的进展增加肋构件的耐性，其代表一种理想的IAS冲击吸收特性。中板14、15的空区B1、B2和从C1至C2的变化尺寸相结合以得到理想的冲击吸收特性。表1中所报告的在与其它试样相同的条件下测试PE4的结果表明在提供高能量吸收的同时冲击荷载的初始峰降低。
图6表示PE5的IAS。该IAS有如PE1中的侧板12、13的网格构型，并有一空区中心，该中心均匀地排列着从基础构件11伸出在顶部厚度0.8mm的肋构件。肋构件的形状是这样的，即顶部的宽度C1比基础构件的宽度C2窄。中板14、15的肋长度(高度)L2如PE1中较短。材料和制法与PE1中的相同。
设计肋构件的横截面积以提供随着所施加的冲击荷载和结构的纵弯曲而增加变形抗力。通过提供空区B1、B2和使中间肋构件14、15缩短，冲击荷载的初始峰被降低。通过从C1向C2逐渐增加肋宽度，从而增加横截面积，可得到理想的抗冲击模式。
表1表示在与所有其它相同试验条件下PE5的测试结果。
下面，示于图7至8中的第二种基本构型的第二组试验IASs将特别地参考PE6、PE7和PE8进行解释。第一和第二组IASs的区别在于第二组IASs的肋长(高)为80mm，顶部的厚度为0.6mm及网格构型为2×2。实际上肋构件顶部的厚度小于基础构件的厚度，肋构件向基础构件方向为扩大的梯型，其它尺寸、材料及制法与第一组中相同。
图7表示PE6的IAS的结构。PE6的IAS有长(高)度为L1的侧板(外肋)12A，长(高)为L2的中板(内肋)14A，其中L1＞L2。
长肋构件的横截面积的比例是肋构件总横截面积的0.3，其与第一组中的PE1相对应，该肋构件提供的变形抗力的效果与PE1相同。
表2示出第二组IASs的冲击试验结果。试验设备与第一组中所用的基本相同，但冲击荷载更高。20.0kg的荷载从1.0m的高度落下，产生4.5m/s的初始冲击速率。该组适用于总冲击能量比第一组中高的场合，与第一组中的20mm相比较，相应的最大变形为40mm。
表2
注PE(优选实施例)；CM(对比)Av.Load(平均荷载)Ini.PeakValue(初始峰值)；Max.Def.Load(最大变形时荷载)，所有值均以牛顿表示。
图8表示出在与PE6相同的条件下测试CM2得到的结果，该对比等价于第一组中的CM1。在此IAS中，所有肋构件(侧板12A和中板14A)的高度L1均为80mm。表2中的试验结果表明CM2和CM1一样，表现出比平均荷载高的冲击荷载初始峰。相反，PE6中的冲击荷载的峰在PE6和CM1最大变形时的荷载值相同的情况下保持降低。
图9表示PE7的IAS。PE7的基本结构与PE6相同，即肋构件的厚度从基础构件11向顶部16逐渐减小。已加入PE7的特征是已加入卸荷断面(空区)17，卸荷断面17的宽度如图9中所见从顶部16向基础构件11逐渐增加。确定卸荷断面17的尺寸以致由肋构件12A、14A的厚度增加所引起的横截面积的增加由于有卸荷断面17而得到补偿，从而保持肋构件在冲击荷载方向的横截面积接近不变。
上述PE7的结构具有一优点，即由冲击荷载引起肋构件变形过程中荷载不增加。据信这是沿着冲击荷载的方向横截面积近似不变的结果，因此，肋构件纵弯曲所需要的荷载不显著增加。
在与PE6和CM2相同的试验条件下测试PE7的结果示于表2中。对于PE7，与横截面积降低相一致，与PE6相比，平均荷载较低，冲击荷载的初始峰进一步下降。对于PE7，与PE6和CM2相比，最大变形时的荷载进一步降低。这是因为接近基础构件11的区域的横截面积不随着变形过程的进行而增加，因此，整个冲击荷载过程中纵弯曲强度保持不变。
图10表示PE8的IAS。类似于PE7的设计，此结构在肋构件12A上也有卸荷断面18，断面18的宽度向基础构件11增加，以控制变形过程中横截面积的变化。除肋构件12A之外肋构件的内部没有卸荷断面18，肋构件12A构成PE8的IAS的壁面。这是为便于通过将与卸荷断面18的形状相应的形芯插入注模制造而作出的选择。
仅在外壁上提供卸荷断面18作用与在所有肋构件上提供的卸荷断面17相同，因此，卸荷断面18的尺寸相对地大。
在与PE6相同的试验条件下测试PE8的结果列于表2中。对于PE8，与横截面积降低一致，平均荷载较低，冲击荷载的初始峰在PE6和PE7之间。因此，表明PE8的性能在PE6和PR7之间。
图11是概括优选实施例PE1至PE8的冲击试验的结果的图。这里，肋构件的平均横截面积(S(X)是作为沿着与基础构件垂直的方向的位移(X)的函数的肋构件横截面积(S(X)的平均值。平均荷载(F(X))是作为位移(X)的函数的由测力计测出的荷载(F(X)的平均值。根据此图，可以看出冲击试验过程中S(X)和F(X)之间的对应极好。因此，利用这些结果，可计算出与一定冲击荷载相对应的平均横截面积，以提供适于应用的抗冲击结构。此外，肋构件随着时间纵弯曲，因此，位移(X)也是时间的函数。因此，荷载下的横截面积和荷载随着时间(t)改变。图11示出横截面积(S(t))和荷载(F(t))也表现出相对应关系。换言之，通过控制在荷载下纵弯曲的肋构件随着时间变化的横截面积，可得到随时间变化的抗冲击强度(F(t)图形。
例如，冲击能量吸收设备的一个例子是要求对于F(t)恒定的抗冲击图形，此情况下，可设计肋构件以使施加荷载的整个时间周期内S(t)保持恒定。
本发明的理论结构已被证明可以多阶段纵弯曲的方式冲击荷载，其中由肋构件所吸收的冲击能量在冲击能量吸收设备的纵弯曲过程中可以改变，以提供定制的适于应用的吸收。已参考优选的实施例和特殊的实例对此概念加以说明，但是显然其它的设计和组合也是可能的。例如，图3至6中所说明的概念可适用于图7、9和10中所示的具体实施例所代表的结合以产生适用的最优性能的IAS。
进一步地，上述实施例是基于均匀间隔的网格构型为正方形肋结构。但是，肋构件不必限制成正方形网格构型，其它形状如三角形或六角形也可等效地应用。
显然关于这些IASs的尺寸和形状的数值应与它们的结构最终用途和制法相结合进行选择。制造方法不必限制为注模法，压模法也可等效地应用。
在上述所有具体实施例中，肋构件从平基础构件伸出，肋构件上的接触区域也是平的，但显然基础构件和接触区均可接受曲线形状以适用于最终的应用。
权利要求
1.一种冲击能量吸收设备，包括一组用于吸收冲击能量的长肋构件和短肋构件，在冲击荷载方向从基础构件伸出；其中在与所述冲击荷载方向垂直相交的平面上所述长肋构件的横截面积的比例在所有肋构件的总横截面积的0.3至0.8之间。
2.一种冲击能量吸收设备，包括一组用于吸收冲击能量的肋构件，有恒定的宽度以均匀模式排列且在冲击荷载方向从基础构件伸出；和在所述肋构件中有一组卸荷断面以致所述肋构件的横截面积提供对冲击荷载的吸收性。
3.如权利要求2的冲击能量吸收设备，其中所述卸荷断面是在平行于冲击荷载的方向的平面上按设计形成。
4.如权利要求3的冲击能量吸收设备，其中所述卸荷断面是通过去掉所述肋构件形成的交叉网格点提供。
5.一种冲击能量吸收设备，包括一组用于吸收冲击能量的肋构件，在冲击荷载方向从基础构件伸出，其中所述肋构件的横截面积以设计的模式沿着冲击的荷载方向改变。
6.如权利要求5的冲击能量吸收设备，其中所述的设计模式是如此设计的，以致所述肋构件的横截面积从所述肋构件的顶部向所述冲击吸收设备的基础构件增加。
7.如权利要求6的冲击能量吸收设备，其中所述肋构件的宽度从所述顶部向所述基础构件增加。
8.如权利要求5的冲击能量吸收设备，其中所述设计模式是在冲击荷载方向上横截面积恒定。
9.如权利要求8的冲击能量吸收设备，其中每个所述肋构件的成形是这样的，使所述肋构件的厚度从基础构件向所述肋构件的顶部减小，配有一宽度从所述肋构件的所述顶部向所述基础构件增加的卸荷断面。
10.一种冲击能量吸收设备，包括一组用于吸收冲击能量的肋构件，在冲击荷载方向从基础构件伸出，其中所述肋构件的宽度从所述肋构件的所述冲击吸收结构的顶部向基础构件增加。
11.一种冲击能量吸收设备，包括一种基础构件；和一组用于通过所述肋构件的变形吸收冲击能量的交叉的肋构件，所述肋构件由与所述基础构件整体树脂制成，在冲击荷载方向均匀排列地从所述基础构件伸出，其中在所述肋构件的设计位置上提供一卸荷断面，以调节所述冲击能量吸收设备的冲击吸收特性。
12.如权利要求11的冲击能量吸收设备，其中根据设计在平行于冲击荷载方向的平面上形成所述卸荷断面。
13.如权利要求12的冲击能量吸收设备，其中通过去掉所述肋构件形成的交叉网点提供所述卸荷断面。
14.如权利要求11的冲击能量吸收设备，其中所述卸荷断面在冲击荷载方向形成。
15.如权利要求12的冲击能量吸收设备，其中所述卸荷断面的横截面积以设计模式沿冲击荷载方向改变。
16.如权利要求15的冲击能量吸收设备，其中这样设计所述的设计模式，使交叉肋构件的横截面积从所述肋构件的顶部向基础构件增加。
17.如权利要求16的冲击能量吸收设备，其中所述肋构件的宽度从所述顶部向所述基础构件增加。
18.如权利要求15的冲击能量吸收设备，其中所述设计模式是在冲击荷载方向横截面积不变。
19.如权利要求11至18之一的冲击能量吸收设备，其中选择所述肋构件的所述横截面积，以适用于预期的由所述冲击能量吸收设备吸收冲击荷载。
全文摘要
一种冲击能量吸收设备由通常的适于模塑法加工的塑性材料制成，设计成适用于各种应用中预期的不同程度的冲击荷载。该冲击能量吸收设备由基础构件11和包括长和短构件的伸出的肋构件组成，其中长肋构件的横截面积的比例在肋构件总横截面积的0.3至0.8之间。可容易地进行其它设计改进以定制冲击能量吸收设备的抗冲击性。
文档编号F16F7/12GK1123737SQ9511863
公开日1996年6月5日 申请日期1995年10月4日 优先权日1994年10月4日
发明者东川芳晃, 松本正人, 长田诚, 矢部彻 申请人:住友化学工业株式会社