一种基于功能定制的汽车前端吸能结构的制作方法

本实用新型涉及汽车被动安全结构设计领域，尤其涉及一种基于功能定制的汽车前端吸能结构。

背景技术：

汽车前端吸能结构主要包括防撞梁结构和前纵梁前段结构，它是整车正面碰撞工况中非常重要的吸能部件和传力结构。防撞梁结构主要在低速正面碰撞工况下承载弯曲载荷，保护车辆的其它主要部件；前纵梁结构主要在高速碰撞工况下承载轴向冲击载荷，吸收碰撞能量，传递碰撞力。因此，汽车前端吸能结构的耐撞性能在一定程度上决定了整车碰撞动态响应的好坏以及乘员舱侵入量的大小，是影响汽车被动安全性能的关键因素。

汽车前端吸能结构的耐撞性设计主要包括防撞梁结构的耐撞性设计和前纵梁前段结构的耐撞性设计两种途径。针对防撞梁结构的耐撞性设计问题，中国专利201611084648.7公开了一种汽车前防撞梁，该防撞梁结构截面形状采用“B”字形截面，虽然在一定程度上提高了防撞梁的强度和抗弯刚度，但是依然存在碰撞吸能效率低的缺点；中国专利 201620121549.0公开了一种泡沫铝汽车防撞梁，该防撞梁通过采用泡沫铝结构作为内部填充结构，在一定程度上提高了防撞梁结构的碰撞吸能，而且保证了汽车的轻量化设计需求，但是该防撞梁结构的弯曲刚度会随着弯曲变形的增大而逐渐降低，从而导致碰撞吸能能力的减弱；针对前纵梁结构的耐撞性设计问题，中国专利200820238454.2公开了一种分段式激光拼焊汽车前纵梁，包括纵梁前段、纵梁中段和纵梁后段，三者厚度依次递增，这种前纵梁结构在满足碰撞安全性能的前提下，实现了轻量化设计，但是由于激光拼焊板的焊缝位置存在厚度突变，会导致激光拼焊板的回弹预测、模具设计以及制造困难。为克服激光拼焊结构焊缝位置性能突变的不足，中国专利201310523023.6公开了一种连续变截面汽车前纵梁及其制备方法，该前纵梁包括纵前梁前段和前纵梁后段，二者的厚度依次递增，并利用激光焊接、点焊工艺和粘接工艺实现前纵梁过渡区的厚度连续变化。然而，该前纵梁结构没有根据汽车前舱的总布置边界条件进行合理分段划分，而且前纵梁结构的厚度呈依次递增趋势，可能会导致在高速碰撞工况下传递到乘员舱的碰撞力过大、加速度峰值偏高以及防火墙侵入量过大等问题，不利于乘员安全。

尽管上述汽车防撞梁和前纵梁结构在一定程度上实现了轻量化和耐撞性设计，但是在防撞梁结构的耐撞性设计方面仍然存在碰撞吸能效率低，以及防撞梁的弯曲刚度随着弯曲变形的增大而逐渐减弱的问题；在前纵梁结构的耐撞性设计方面，未能充分利用碰撞压溃区的变形空间，碰撞吸能效率低，并且会导致碰撞时传递到乘员舱的力过大、加速度峰值偏高等问题，不利于乘员的安全保护。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型利用双箭头型负泊松比结构的变刚度特性，以及连续变厚度柔性轧制技术，创新性的提出一种基于功能定制的汽车前端吸能结构，主要包括填充双箭头型负泊松比结构的防撞梁结构和变厚度前纵梁前段结构。旨在提高防撞梁的抗弯能力和弯曲变形吸能能力，并充分利用前纵梁碰撞压溃区的变形空间，最大程度的吸收碰撞能量，实现对防撞梁和前纵梁最大化的轻量化和耐撞性设计。

本实用新型的技术方案是：

一种基于功能定制的汽车前端吸能结构，包括截面呈凹字型的防撞梁结构、截面为单帽型的前纵梁前段结构及连接板结构，所述防撞梁结构包括防撞梁外板、双箭头型负泊松比结构及防撞梁内板，所述防撞梁外板和防撞梁内板通过焊点工艺形成一个封闭腔体，封闭腔体内部填充双箭头型负泊松比结构；所述变厚度前纵梁前段结构包括前纵梁内板及前纵梁外板，所述前纵梁内板和前纵梁外板在翻边处通过点焊工艺进行装配连接，并形成一个封闭的腔体，所述前纵梁内板设有两个横向诱导槽和一个前纵梁内板定位孔，两个横向诱导槽平行分布于功能区域A内，前纵梁内板定位孔分布于两个横向诱导槽之间；所述前纵梁外板设有前纵梁外板定位孔，所述前纵梁外板定位孔与前纵梁内板定位孔的位置在整车坐标系Y方向上相对应；所述连接板结构包括防撞梁外板连接板、防撞梁连接板及前纵梁连接板，所述防撞梁连接板与防撞梁外板连接板、前纵梁连接板均通过螺栓进行装配连接，所述防撞梁外板连接板与防撞梁外板通过点焊工艺连接、前纵梁连接板通过点焊工艺将前纵梁内板和前纵梁外板连接，从而实现防撞梁结构和前纵梁前段结构之间的固定连接。

上述方案中，所述前纵梁前段结构为变厚度结构，该结构包括功能区域A、B、C，每个功能区域对应一个等厚度区，相邻两个功能区域通过厚度过渡区实现连续过渡连接，所述厚度过渡区的厚度分布呈线性变化，所述功能区域A的厚度TA、功能区域B的厚度TB以及功能区域C的厚度TC之间的大小关系满足TB>TA>TC。

上述方案中，所述双箭头型负泊松比结构包括若干列线性平行排列结构，每列线性平行排列结构由首尾依次相连的负泊松比结构晶胞组成，所述负泊松比结构晶胞由两组倒V 型结构组成，且两组倒V型结构所在平面相互垂直，所述倒V型结构顶部为平面，两组倒V型结构顶部、底脚均共平面；所述倒V型结构包括共平面的第一倒V型结构单元和第二倒V型结构单元，且第一倒V型结构单元和第二倒V型结构单元顶部为相互平行的平面、底脚加工为一体，以便通过粘胶工艺与其他倒V型结构相连构成三维双箭头型负泊松比结构。

上述方案中，所述前纵梁外板与前纵梁内板可采用同种材料制备，也可采用异种材料制备，且前纵梁内板通过柔性轧制工艺轧制而成。

本实用新型的有益效果是：

1)本实用新型结构中的填充双箭头型负泊松比结构的防撞梁结构刚度随着弯曲变形的增大而增大，具有很高的抗弯能力和弯曲变形吸能能力。

2)本实用新型结构中的变厚度前纵梁前段结构采用合理的厚度分布形式，提高了材料利用率，实现了前纵梁前段结构的轻量化设计；同时由于采用柔性轧制技术，使得前纵梁表面没有焊缝引起的厚度突变，其表面质量好，连接强度高、应力分布连续。

3)本实用新型根据汽车前舱的总布置边界条件以及前纵梁的实际变形特点，合理划分前纵梁前段结构功能区域，充分发挥不同功能区域的功能作用，提高前纵梁的碰撞吸能。

附图说明

图1是本实用新型一种基于功能定制的汽车前端吸能结构示意图；

图2是本实用新型防撞梁结构图，图2(a)是本实用新型防撞梁结构示意图，图2(b) 是本实用新型防撞梁结构的截面形状示意图；

图3是本实用新型双箭头型负泊松比结构的填充方式示意图；

图4是本实用新型双箭头型负泊松比结构图，图4(a)是本实用新型双箭头型负泊松比结构示意图，图4(b)是本实用新型双箭头型负泊松比结构局部示意图；

图5是本实用新型负泊松比结构晶胞结构图，图5(a)是本实用新型负泊松比结构晶胞结构示意图，图5(b)是本实用新型负泊松比结构晶胞纵向剖面示意图；

图6是本实用新型防撞梁外板和防撞梁外板连接板的装配关系示意图；

图7是本实用新型防撞梁外板连接板和防撞梁连接板的装配关系示意图；

图8是本实用新型防撞梁连接板和前纵梁连接板的装配关系示意图；

图9是本实用新型前纵梁前端结构和前纵梁连接板的装配关系示意图；

图10是本实用新型变厚度前纵梁前段结构示意图；

图11是本实用新型变厚度前纵梁前段结构厚度分布示意图。

其中：1-防撞梁外板，2-双箭头型负泊松比结构，3-防撞梁内板，4-前纵梁内板，5-前纵梁内板定位孔，6-诱导槽，7-翻边，8-前纵梁外板，9-前纵梁外板定位孔，10-防撞梁外板连接板，11-防撞梁连接板，12-前纵梁连接板，13-第一倒V型结构单元，14-第二倒V型结构单元。

具体实施方式

为进一步阐述本实用新型为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图对本实用新型做进一步的说明。然而，附图仅是用以对本实用新型提供参考和说明之用，并非对本实用新型加以限制。

图1是本实用新型一种基于功能定制的汽车前端吸能结构示意图，包括截面呈凹字型的防撞梁结构(图2(b)所示，凹字型结构用于提高防撞梁结构的抗弯刚度和碰撞碰撞吸能)、截面为单帽型的变厚度前纵梁前段结构及连接板结构，防撞梁结构两端通过连接板结构实现和前纵梁前段结构之间的固定连接。

防撞梁结构包括防撞梁外板1、双箭头型负泊松比结构2及防撞梁内板3，防撞梁外板 1和防撞梁内板3通过焊点工艺形成一个封闭腔体，如图2(a)所示，封闭腔体内部填充双箭头型负泊松比结构2，如图3所示；如图4(a)、(b)所示，双箭头型负泊松比结构2 包括若干列线性平行排列结构，每列线性平行排列结构由首尾依次相连的负泊松比结构晶胞组成，箭头型负泊松比结构2的晶胞由两组倒V型结构组成，且两组倒V型结构所在平面相互垂直，倒V型结构顶部为平面，两组倒V型结构顶部、底脚均共平面；如图5(a)、 (b)，倒V型结构包括第一倒V型结构单元13和第二倒V型结构单元14，其中，第一倒 V型结构单元13和第二倒V型结构14单元顶部为相互平行的平面、底脚加工为一体，以便通过粘胶工艺与其他V型结构相连构成三维双箭头型负泊松比结构。双箭头型负泊松比结构2的防撞梁结构主要用于在低速碰撞工况下承载弯曲载荷，随着弯曲载荷的增大，双箭头型负泊松比结构2的等效弹性模量随之增大，其结构刚度也逐渐增大。因此，双箭头型负泊松比结构2的防撞梁结构具有很高的抗弯能力和弯曲变形吸能能力，该结构主要用于承载弯曲碰撞载荷，同时实现轻量化设计。

变厚度前纵梁前段结构包括前纵梁内板4、前纵梁内板定位孔5、诱导槽6、翻边7、前纵梁外板8以及前纵梁外板定位孔9，前纵梁内板4和前纵梁外板8在翻边7处通过点焊工艺进行装配连接，并形成一个封闭的腔体，前纵梁内板4设有两个横向诱导槽6和一个前纵梁内板定位孔5，两个横向诱导槽6平行分布于功能区域A内，前纵梁内板定位孔 5分布于两个个横向诱导槽6之间；所述前纵梁外板8设有前纵梁外板定位孔9，前纵梁外板定位孔9与前纵梁内板定位孔5的位置在整车坐标系Y方向上相对应。前纵梁内板4与前纵梁外板8可采用同种材料制备，也可采用异种材料制备，且前纵梁内板4通过柔性轧制工艺轧制而成：首先利用TRB(连续变厚度轧制工艺)轧制出与前纵梁内板厚度分布一致的变厚度钢板，再利用冲压工艺将变厚度钢板冲压成为变厚度前纵梁内板。

连接板包括防撞梁外板连接板10、防撞梁连接板11及前纵梁连接板12，图7中防撞梁外板连接板10通过螺栓与防撞梁连接板11进行装配连接，图8中防撞梁连接板11通过螺栓与前纵梁连接板12进行装配连接，图6中防撞梁外板连接板10与防撞梁外板1通过点焊工艺连接、图9中前纵梁连接板12通过点焊工艺将前纵梁内板4和前纵梁外板8连接，从而实现防撞梁结构和前纵梁前段结构之间的固定连接。

图10是本实用新型变厚度前纵梁前段结构示意图，变厚度前纵梁前段结构主要用于在高速碰撞工况下诱导产生渐进式折叠压溃变形模式，提高前纵梁前段结构的轴向压溃吸能能力和平均碰撞力，同时实现前纵梁的轻量化设计。变厚度前纵梁前段结构包括3个功能区域A、B、C，其中功能区域A和功能区域B主要用于使前纵梁产生相对稳定的轴向压溃变形，是主要的碰撞吸能区；功能区域C与发动机的布置空间有关，主要用于传递碰撞力。如图11：变厚度前纵梁前段结构的每个功能区域对应一个等厚度区，相邻两个功能区域通过厚度过渡区实现连续过渡连接，即所述变厚度前纵梁前段结构包括3个等厚度区和 2个厚度过渡区，且厚度过渡区域的厚度分布呈线性变化；功能区域A的厚度TA、功能区域B的厚度TB以及功能区域C的厚度TC之间满足的大小关系为TB>TA>TC。

综上所述，本实用新型前端吸能结构结合双箭头型负泊松比结构的变刚度特性提高汽车防撞梁的抗弯能力和弯曲变形吸能能力，利用连续变厚度柔性轧制技术以及前纵梁碰撞压溃区的变形空间，最大程度地提高前纵梁前段结构的碰撞吸能能力、改善变形模式，从而实现对汽车前端吸能结构的轻量化和耐撞性设计。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的设计人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进方案，都应视为属于本实用新型的保护范围。