专利名称：车辆翻车保护车顶几何和结构的制作方法
车辆翻车保护车顶几何和结构背景-发明领域本发明涉及车辆翻车保护。特别是，本发明具体涉及用于提高抗翻车压碎 (rollover crush resistance)的车顶几何结构(roof geometry)以及用于车辆的整合或改型的结构，以提供用于保护性几何的改进的结构性能。背景-现有技术的描述翻车已经并且继续作为乘员死亡和严重伤害的重要原因。当车辆翻滚时，物理学的规律导致围绕纵向翻滚轴滚动，该纵向翻滚轴穿过车辆的质心。当车辆滚动时，如图IA 和IB所示的正面图，车辆在它的每一个角上触地。类似如图IA所示的运动型多用途车辆 (SUV) 2的车辆和图IB所示的客车3具有不同的宽高比，并且因此至角的翻滚半径5有很大的差别。距质心(CoM)的半径也相对于每台车辆的不同表面而不同，并且相对于由半径 6表示的至车辆顶部的半径通常短于由半径7表示的至由侧面与顶线形成的角的半径。翻车的顺序包括汽车在行驶方向横向移动，向地面倾斜且在近侧(接触的第一侧)接触车顶纵梁，并随之接触第二或者远侧车顶，然后在继续接触近侧轮周围之前接触远侧轮。近侧接触通常产生转向近侧支柱的力，而限制了它们的变形程度。远侧力通常是更侧向的，因此更容易弯曲支柱。在最大半径的第一近侧接触之间，车顶的平面可以接触地面。CG在被迫提升为具有在地面上的更大半径翻滚的远侧角之前，落向地面。如果车顶足够坚固，它会提升CG，但如果不是足够坚固，则车顶塌缩。至平面和至角的半径之间的区别是结构的攻击性的一个衡量。诸如在于1971年11月23日颁布给Notestine等人的美国专利第3662177号或在1990年2月13日颁布给Hobrecht的美国专利第4900058号中所公布的对可能更有翻车条件倾向的车辆诸如四轮驱动车辆、运动型多用途车辆或小型货车的售后改型而设计的现有技术翻车保护结构利用了需要显著的垂直结构元件的几何设计，该显著的垂直结构元件侵入车辆内部的客舱或可用空间，或者该显著的垂直结构元件必须附加到车辆正常轮廓的外面以达到如在2008年3月4日颁布给Gililand的美国专利第7338112号中所公布的必要支撑。因此，期望维持距角的且跨过平面的滚动半径，该滚动半径显著地减少了远侧变形。此外，期望在具有强弦支持弓的主半径(major radius)上支撑车顶，以从一侧到另一侧转移负荷，而发挥用于每个车顶纵梁接触的两侧支柱的强度。
发明内容
通过确定提供了滚动轴的质心并建立车顶线接触面而创造了用于抗翻车压碎的车辆几何(vehicle geometry)，该车顶线接触面距质心间隔开圈半径(hoop radius)，该圈半径大致上等于车顶滚动接触部(roof rollcontact)距滚动轴的主半径。在车辆作为单壳式结构(monocoque structure)的原始设计上建立了车顶线接触面或者车顶线接触面作为原始设备制造(OEM)项目或改型结构组件利用成形为一组圈半径的弓状构件而被提供， 弓状构件被安装至名义上的平车顶线上的两个侧梁之间，且对于弓状构件具有额外的结构支撑。对于名义上的平顶车辆，本发明被用作建立和维持车顶线接触面的帽，该车顶线接触面距质心间隔开圈半径，该圈半径大致上等于滚动接触部距滚动轴的主半径。
进一步参考此处的详细描述和附图来描述本发明的元素和特征，其中图IA是常规运动型多用途车辆的正面图，演示了具有关联滚动半径和距质心 (CoM)的半径的滚动轴；图IB是常规轿车的正面图，显示了滚动轴、滚动半径和距CoM的半径；图2是常规车辆的正面图，显示了主和次半径；图3是图2A中车辆的正面图，具有名义上移动的滚动位置；图4是图2A的车辆的正面图，具有可能移动的滚动接触位置；图5是根据本发明的包括圈半径的车辆的正面图；图6是翻车保护结构(RPS)的等距视图，该翻车保护结构作为原始装备制造或售后改型而实施在现有车辆上；图7是图6中的RPS的顶视图；图8是图6中的RPS的侧面图；图9是具有额外圈半径支撑的RPS的等距视图；及图10是图6中的具有复合材料挡风板的RPS的等距视图。发明详述如图2中的常规车辆20所示，当常规车辆滚动时，滚动轴距车顶的最近部分的距离总是小于滚动轴距车顶纵梁的距离。这两个半径被称为主半径22和次半径23。当车辆以导致车顶板变成平行并且与地面相接触(如图3所示，名义上在滚动角M超过约145度时)的方式滚动时，重心观必须被提升实际接触半径23’和主半径之间的有关差异，该实际接触半径23’名义上等于次半径，如在图4中示范的约185度的滚动接触角沈所示，以便车辆继续滚动而没有车顶压坏。为了本发明的目的，主半径和次半径之间的差异被定义为几何攻击性的衡量。如果车顶足够坚固来抵抗这个提升力而没有变形，车辆将会继续滚动并且对车顶几乎没有破坏。当车顶太薄弱时，它会变形而不是支持提升车辆所需要的负荷。实现必要的强度的结构要求正比于车辆将在其上滚动的车顶外部或接触面的几何形状。本发明给为降低车辆的滚动接触面的远侧攻击性而建立的几何提供了有效的次半径的范围，因此提高了如图5中所示车辆50的抗滚动压碎性。最优性能的自质心至车顶线 53的圈半径52应优选地在+0至5%的范围内等于主半径，且端部被流线型化至侧面结构， 名义上为A支柱外形，如图5所示。系统被估计为是合理有效的且具有10%和-5%的原始或动态变形半径，且端部被流线型化至侧面结构。对最小化远侧上的力的匹配半径有一些敏感性，其预计比角小0至2%。并入以整体车顶结构作为滚动接触面的本发明的几何的车辆提供了单壳式或半单壳式结构的益处，该单壳式或半单壳式结构依赖车顶的受力蒙皮作为结构元件，因此减少了车辆框架的内部结构构件的尺寸和强度以达到期望的抗翻车压碎性。这样的单壳式结构可在示范的实施方式中使用板材金属蒙皮与金属肋或框架或者玻璃纤维或其他复合结构。具有根据本发明的几何形状的车辆的原始设备制造(OEM)可以提供在抗滚动变形方面的显著改进，而没有显著地增加结构构件的实际强度，或相反地，具有用于常规车辆的当前强度的结构构件提供足够的结构强度以避免滚动中的变形，这对当前车辆外形来说是不可能的。OEM的几何的实施方式可用标准焊接生产板材金属结构完成，增加少量额外的重量和花费，同时与在最坏的条件下可预见的平面翻车条件下的原始设计的结果相比较， 显著地降低了(50%或更多)远侧车顶压坏。常常，产品安全性改善有点从属于销售材料的特征以为了日常用途更明显并且更有用，其能作为辅助特征而提供给本发明的几何，例如用于滑雪的贮存场所的长造型，或额外的站立过道或中间座位顶部空间或用于燃油经济性的空气动力学形状的更低阻力，或用于更好天空观光的圆形侧玻璃窗。当前设计的车辆可由原始设备供应商(OES)提供或用翻车保护结构(RPS)改装， 所述RPS提供了当前发明的几何的益处和有益的抗滚动变形性，但是没有要求增加明显的垂直结构构件，如本RPS设备要求的。如图6-9所示，RPS 60包括弓状构件62，该弓状构件 62被成形为一组圈半径，其在名义上的平车顶线67上安装在两个侧梁64、66之间。弓状构件在设计的圈半径上提供了滚动接触面。弓状构件以相对于车顶的角度68由向前倾斜支撑件70和向后倾斜支撑件72支撑。圈半径52也已示。在侧梁之间延伸的前横向构件74 提供用于向前倾斜支撑件的连接，并且在侧梁之间的中央横向构件提供用于向后倾斜支撑件的连接。在所示的实施方式中，向后倾斜支撑件附接于单个凸台78。向前对角线表面构件80和82自前横向构件和侧梁的交叉处延伸至凸台，并且向后对角线表面构件84和86 自凸台延伸至侧梁的尾端点。后横向构件88在侧梁的尾端点之间延伸。在附图中所示的示范性的实施方式中，RPS利用具有0. 125in.壁厚度的1. 625in. 直径的钢管制造弓状构件。用于侧梁的支撑结构由具有0. 125的壁厚度的1. Oin.乘2. Oin. 的矩形座制造，而角支撑构件利用了具有0. 125in.壁厚度的1. Oin.乘1. Oin.的方形管。 所有元件使用26，OOOpsi强度的热轧钢。RPS提供了建立和维持车顶线接触面的帽，该车顶线接触面距质心间隔开圈半径， 该圈半径大致上等于滚动接触部距滚动轴的主半径。示范性的实施方式已对弓状构件和帽的其他元件使用了钢，但是，可选择的实施方式使用具有足够结构刚度的铸造、模制的或复合材料。改型或产品结构可以用焊接的、螺栓连接的和胶合的可选择的材料例如高强度钢、 铝、玻璃纤维和碳纤维板以及模制的、成形的或挤压的技术来实现。尽管本发明的几何相比现有技术设计、在特别危险的翻车条件下的性能降低了结构支撑要求，所述危险的翻车条件例如崎岖地带、军用的、准军事组织的以及警戒部队(如 SUV武装的特务机关)和采矿工作中，但是在改型设计中可能需要提供超于现有产品支撑柱的几何和强度的能力的保护。在这样的情况下，额外车顶结构的强度将超过支柱的能力， 并且本发明的相关实施方式包括增强“B-支柱”和车顶之间的接合处的内部或者外部“支墩”。有至少两种类型，内部的和外部的。示范性的内部结构是倒置的L形托架，该托架通过车顶纵梁螺栓连接至B-支柱和车顶结构。虽然最低限度地介入，但对于外交的、使节的和总统的目的，可能期望在外部提供支墩。某些四门车辆中存在特殊问题，其中前门关闭并且闩在B-支柱上，而后门铰链连接在B-支柱上，并且两个外门蒙皮都沿着B-支柱的垂直中心线紧密配合。示范性的外部支墩处理方法是钻两个或更多个约1.25”的洞，该洞在B-支柱中心线穿过门的外蒙皮，并且穿过这些洞将1”直径支座定位和拴牢至B-支柱。支座通过垂直延伸且螺栓连接至车顶结构的向后偏闩而互相连接。该闩是对B-支柱加固的桁架，该桁架附接至车顶结构且为了打开门(前门打开并且清除了向后偏置闩，而后门在在其前缘向内打开)提供必要的清除。在某些滚动情景中，如果由于车辆的载客量或几何设计而使车辆的重心向后移位，则滚动接触可能发生在车顶的尾部分。此外，车辆的配置，相对的CG位置和引起滚动的实际的倾斜情景可能导致惯性的俯仰力矩(pitch moment of inertia)，以及相关的回转半径，该回转半径引起车辆如足球一样晃动或者在车顶的尾部上滚动。因此，与图6中所示和描述的实施方式不同的弓状构件在车辆上的纵向的放置，或者至少一个额外弓状构件的使用可被采用，以确定维持了用于实际上所产生的接触面的圈半径。这保证了对在所有座位位置上乘客的保护。为了适应由具有在车辆的尾部部分取得的主半径和次半径这样的滚动导致的动力学，在具有作为由该半径定义的组的弓状支撑件的该部分建立了第二圈半径，以避免该位置的车顶压碎。在如图9中所示的视图中，对于扩展的运动型多用途车辆在靠近C支柱的位置使用了第二弓状构件62’以适应大于5%的向后CG转移。此位置提供了对于车辆尾排座位乘客的保护。带有用于此类扩展的车辆的如上描述的单壳式结构，期望的圈半径沿单壳式车顶的长度延伸以在前面和尾部车顶位置达到期望的圈半径。如图10所示，RPS可额外地安装上纤维玻璃挡风板90以提高空气动力学性能。挡风板可仅提供如所示的前置屏蔽或者提供RPS结构的完全封装。如图6或9中所示的RPS 结构，带有或者没有挡风板，可包括用于携带行李、自行车或其他货物的常规车顶行李架元件，并且被作为汽修工具包供应而被添加至车辆。现已描述了专利法规要求的本发明的具体细节，本领域普通技术人员将会认识到对于在此公开的具体实施方式
的修改和替换。这样的修改落入由权利要求限定的本发明的范围和意向内。
权利要求
1.一种用于抗翻车压碎的车辆几何结构，包括质心( )，其提供滚动轴；车顶线接触面(53)，其与所述质心间隔开圈半径(52)，所述圈半径(52)大致上等于滚动接触部距所述滚动轴的主半径。
2.根据权利要求1所述的车辆几何结构，其中，所述圈半径等于所述主半径+10% 和-5%0
3.根据权利要求1所述的车辆几何结构，其中，所述圈半径被流线型化至所述车辆的侧面。
4.根据权利要求3所述的车辆几何结构，用于具有A支柱的车辆，其中，所述圈半径被流线型化至所述A支柱的外形。
5.根据权利要求1所述的车辆几何结构，其中，所述车顶线接触面作为单壳式结构而被结构地支撑。
6.根据权利要求2所述的车辆几何结构，其中，所述圈半径被优化为等于所述主半径 +5%。
7.一种提高车辆抗翻车压碎的方法，包括建立质心以确定滚动轴；以及成形车辆的滚动接触面至圈半径，所述圈半径最小化了远侧攻击性。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，成形滚动接触面的步骤包括建立圈半径，所述圈半径大致上等于滚动接触部距所述滚动轴的主半径。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，建立圈半径的步骤提供了等于所述主半径+10% 和-5%的半径。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述半径被优化为等于所述主半径+5% 和-0%。
11.根据权利要求7所述的方法，还包括步骤建造具有单壳式结构的车顶以创造所述圈半径。
12.根据权利要求7所述的方法，还包括步骤使所述圈半径流线型化至车辆侧面。
13.根据权利要求12所述的方法，用于具有A支柱的车辆，其中，流线型化的步骤包括 使所述圈半径流线型化至所述A支柱外形。
14.一种用于车辆的翻车保护系统，包括从名义上的平车顶线(67)延伸的弓状构件 (62)，所述弓状构件具有圈半径(52)，所述圈半径(5 大致上等于滚动接触部距提供滚动轴的质心08)的主半径。
15.根据权利要求14所述的翻车保护系统，其中，所述弓状构件被流线型化至所述车辆的侧面。
16.根据权利要求15所述的翻车保护系统，其中，所述圈半径等于所述主半径+10% 和-5%0
17.根据权利要求16所述的翻车保护系统，其中，所述圈半径被优化为等于所述主半径+5%和-0%o
18.根据权利要求14所述的翻车保护系统，还包括侧梁(64，66)，所述侧梁(64，66) 大致安装在所述名义上的平车顶线与所述车辆的每个侧面之间的交叉处，所述弓状构件附接至所述侧梁。
19.根据权利要求18所述的翻车保护系统，还包括向前倾斜支撑件(70)，所述向前倾斜支撑件(70)从所述弓状构件延伸至所述车顶线。
20.根据权利要求18所述的翻车保护系统，还包括向后倾斜支撑件(72)，所述向后倾斜支撑件(72)从所述弓状构件延伸至所述车顶线。
21.根据权利要求19所述的翻车保护系统，还包括前横向构件(74)，所述前横向构件 (74)在所述侧梁之间延伸，并且提供用于所述向前倾斜支撑件的连接件。
22.根据权利要求20所述的翻车保护系统，还包括中央横向构件(76)，所述中央横向构件(76)在所述侧梁之间延伸，并且提供用于所述向后倾斜支撑件的连接件。
23.一种翻车保护系统，包括至少一个弓状构件(62)，其从车辆的名义上的平车顶线(67)延伸，所述弓状构件被流线型化至所述车辆的侧面并且具有圈半径(52)，所述圈半径(5 大致上等于滚动接触部距提供滚动轴的质心08)的主半径；侧梁(64，66)，其大致安装在所述名义上的平车顶线与所述车辆的每个侧面之间的交叉处，所述弓状构件附接至所述侧梁；多个向前倾斜支撑件(70)，其从所述弓状构件延伸至所述车顶线，并且附接至前横向构件(74)，所述前横向构件(74)在所述侧梁之间延伸；多个向后倾斜支撑件(72)，其从所述弓状构件延伸至所述车顶线，并且附接至中央横向构件(76)，所述中央横向构件(76)在所述侧梁之间延伸。
24.根据权利要求23所述的翻车保护系统，其中，所述圈半径等于所述主半径+10% 和-5%0
25.根据权利要求M所述的翻车保护系统，其中，所述圈半径被优化为等于所述主半径+5%和-0%o
26.根据权利要求23所述的翻车保护系统，其中，所述弓状构件、侧梁、向前支撑件和向后支撑件、前横向构件和中央横向构件作为改型套件提供。
27.根据权利要求沈所述的翻车保护系统，还包括空气动力学流线型装置(90)。
全文摘要
通过确定提供了滚动轴的质心(28)并建立车顶线接触面(53)而创造了用于抗翻车压碎的车辆几何，该车顶线接触面(53)距质心间隔开圈半径(52)，该圈半径(52)大致上等于滚动接触部距滚动轴的主半径。作为第一个实施方案，在车辆作为单壳式结构的原始设计上建立了车顶线接触面。作为第二个实施方案，作为原始设备制造(OEM)项目或改型结构组件被提供，成形为一组圈半径的弓状构件被使用且被安装至两个侧梁之间，且在名义上的平车顶线上的弓状构件具有额外的结构支撑。
文档编号B62D25/06GK102159443SQ200980137218
公开日2011年8月17日 申请日期2009年8月19日 优先权日2008年8月22日
发明者唐纳德·弗里德曼, 拉斐尔·希拉里·吉尔泽毕塔 申请人:安全工程国际有限责任公司