一种简易三段套筒式充液缓冲吸能元件及其设计方法

摘要

一种简易三段套筒式充液缓冲吸能元件及其设计方法，由一级套筒(1)、二级套筒(2)、三级套筒(3)、四级套筒(4)、软脂密封胶(5)、前连接板(6)、后连接板(7)、溢流阀(8)、液压液体(9)组成；套筒(1)、(2)、(3)、(4)为等长度薄壁管，之间相互嵌套，底部相连互通，并通过软脂密封胶(5)进行密封与连接；套筒(1)与前连接板(6)及套筒连接板(6)与防撞横梁连接，后连接板(7)与车架连接；上述溢流阀(8)安装在四级套筒(4)底部，保持碰撞过程中套筒内压力恒定，实现恒压卸荷与碰撞加速度恒定。该结构通过多级吸能结构作用，实现多级吸能、过程恒压控制，结构简易、低成本。(4)与后连接板(7)之间固定连接成密封结构；前

权利要求

1.一种简易三段套筒式充液缓冲吸能元件，其特征在于：由一级套筒(1)、二级套筒(2)、三级套筒(3)、四级套筒(4)、软脂密封胶(5)、前连接板(6)、后连接板(7)、溢流阀(8)、液压液体(9)组成；一级套筒(1)、二级套筒(2)、三级套筒(3)、四级套筒(4)为等长度薄壁管，之间相互嵌套，底部相连互通，并通过软脂密封胶(5)进行密封与连接；一级套筒(1)与前连接板(6)及四级套筒(4)与后连接板(7)之间固定连接成密封结构；前连接板(6)与防撞横梁连接，后连接板(7)与车架连接；上述溢流阀(8)安装在四级套筒(4)底部，保持碰撞过程中套筒内压力恒定，实现恒压卸荷与碰撞加速度恒定。

2.权利要求1所述一种简易三段套筒式充液缓冲吸能元件，其特征在于：所述的液压液体(9)可以是任何防锈、无腐蚀性、不易燃易爆的液体。

3.权利要求1所述一种简易三段套筒式充液缓冲吸能元件，其特征在于：所述的套筒间的重叠区域根据设计碰撞载荷的大小，控制在5-30mm之间。

4.如权利要求1所述的一种简易三段套筒式充液缓冲吸能元件的设计方法，其特征在于：可以按照如下方法进行设计：(1)单侧套筒最大压缩力设计：

参考相关法规及人体碰撞生物力学研究成果，设定车内乘员所能承受的最大加速度值为a，则整车质心平均加速度最大值不应超过a，整车平均碰撞力可表示为F＝ma，单侧套筒最大压缩力为F1＝F/2；

(2)各级套筒的实际长度设计：

根据相关法规，设定碰撞初始速度为V0，则车辆最大变形量 即为套筒的有效压缩量，可确定各级套筒的有效长度L0＝L/3；

考虑套筒压缩初期的升压余量，获得套筒的名义长度L1＝(1+μ)L0，其中μ取值在0.1～

0.2之间；

考虑重叠区域搭接量，获得套筒的实际长度L2＝L1+ΔL，其中ΔL取值在5～30mm之间；

(3)最大截面套筒的外径设计：

根据车身结构自身特点、车辆总体布置尺寸及原有的传统吸能盒尺寸，确定一个合适的最大套筒外径D；

通常情况下，套筒壁厚尺寸远小于外径，近似认为内环面积与截面积相同，均为S；

(4)溢流阀额定压力设计：

根据上述单侧套筒最大压缩力F1，以最大套筒作为强度设计计算基准，可知套筒结构实际所受内压为p＝F1/S，即为溢流阀设计的额定压力值，其中S为最大套筒截面积；

溢流阀额定流量设计：

根据碰撞初始速度V0，最大套筒截面积S，可知碰撞初始时刻的液体流量为q＝V0S，作为溢流阀的额定流量设计标准；

根据溢流阀的额定压力及额定流量参数，选择合适的溢流阀结构，对套筒内部液体进行恒压控制；

(5)套筒壁厚设计：

根据上述套筒结构所受内压p、最大套筒外径D及制造筒体钢板在常温下的许用应力[σ]，并将套筒视为薄壁圆管模型，应用第四强度理论作为强度校核条件，获取套筒的备选参数；

套筒在内压p作用下，内壁径向应力σr＝-p，轴向应力σx＝0，沿套筒圆周切线的环向应力σθ＝pD/2t，其中t为套筒壁厚；

则三个方向主应力可规定为：σ1＝σθ，σ2＝σx，σ3＝σr；

根据第四强度理论所建立的强度条件为 计算

壁厚t的取值范围为

从结构轻量化角度及实际制造的工艺可行性考虑，选取合适的套筒壁厚。

说明书

一种简易三段套筒式充液缓冲吸能元件及其设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种汽车前碰撞安全吸能元件及其设计方法，可以有效缓冲车辆前碰撞的冲击力，起到缓冲吸能与减小乘员伤害的作用。技术背景

[0002] 目前、国内汽车的销售量与保有量逐年攀升，汽车的安全问题越来越为人所关注。传统的车辆前防撞吸能系统，主要由前保险杠、防撞横梁、吸能盒及前纵梁结构组成，采用钢板冲压或滚压等结构焊接，通过结构的压溃变形缓冲吸能。在碰撞过程中，传统前防撞吸能系统较难实现碰撞加速度的恒定控制，且属于一次性破坏，无法重复使用，同时具有开发模具投入大、制造成本较高的缺点。因此，其他吸能与防撞结构的研究也在大量进行，包括液压及气压吸能元件的开发与研究。但采用液压或气压缓冲装置，需有整套的液压管路元件与控制系统，会对车辆的总体布置造成一定影响，显著增加成本的同时增加了整车重量，不利于提高车辆的燃油经济性。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于，在不影响车辆原有结构与布置的前提下，通过数个顺序连接的简易套筒元件及一个溢流阀，实现车辆碰撞过程中碰撞缓冲力的恒定控制，以获得较理想的碰撞加速度(缓冲力)波形。

[0004] 附图1、2、3为本发明的结构图与剖视图，说明如下：

[0005] 一种简易三段套筒式充液缓冲吸能元件，其特征在于：由一级套筒1、二级套筒2、三级套筒3、四级套筒4、软脂密封胶5、前连接板6、后连接板7、溢流阀8、液压液体9组成；套筒1、2、3、4为等长度薄壁管，之间相互嵌套，底部相连互通，并通过软脂密封胶5进行密封与连接；套筒1与前连接板6及套筒4与后连接板7之间固定连接成密封结构；前连接板6与防撞横梁连接，后连接板7与车架连接；上述溢流阀8安装在四级套筒4底部，保持碰撞过程中套筒内压力恒定，实现恒压卸荷与碰撞加速度恒定。

[0006] 所述的液压液体9可以是任何防锈、无腐蚀性、不易燃易爆的液体。

[0007] 所述的套筒间的重叠区域根据设计碰撞载荷的大小，控制在5-30mm之间。

[0008] 一种简易三段套筒式充液缓冲吸能元件的设计方法，其特征在于：可以按照如下方法进行设计：

[0009] (1)单侧套筒最大压缩力设计：

[0010] 参考相关法规及人体碰撞生物力学研究成果，设定车内乘员所能承受的最大加速度值为a，则整车质心平均加速度最大值不应超过a，整车平均碰撞力可表示为F＝ma，单侧套筒最大压缩力为F1＝F/2；

[0011] (2)各级套筒的实际长度设计：

[0012] 根据相关法规，设定碰撞初始速度为V0，则车辆最大变形量L＝V02/2a，即为套筒的有效压缩量，可确定各级套筒的有效长度L0＝L/3；

[0013] 考虑套筒压缩初期的升压余量，获得套筒的名义长度L1＝(1+μ)L0，其中μ取值在0.1～0.2之间；

[0014] 考虑重叠区域搭接量，获得套筒的实际长度L2＝L1+ΔL，其中ΔL取值在5～30mm之间；

[0015] (3)最大截面套筒的外径设计：

[0016] 根据车身结构自身特点、车辆总体布置尺寸及原有的传统吸能盒尺寸，确定一个合适的最大套筒外径D；

[0017] 通常情况下，套筒壁厚尺寸远小于外径，近似认为内环面积与截面积相同，均为S；

[0018] (4)溢流阀额定压力设计：

[0019] 根据上述单侧套筒最大压缩力F1，以最大套筒作为强度设计计算基准，可知套筒结构实际所受内压为p＝F1/S，即为溢流阀设计的额定压力值，其中S为最大套筒截面积；

[0020] 溢流阀额定流量设计：

[0021] 根据碰撞初始速度V0，最大套筒截面积S，可知碰撞初始时刻的液体流量为q＝V0S，作为溢流阀的额定流量设计标准；

[0022] 根据溢流阀的额定压力及额定流量参数，选择合适的溢流阀结构，对套筒内部液体进行恒压控制；

[0023] (5)套筒壁厚设计：

[0024] 根据上述套筒结构所受内压p、最大套筒外径D及制造筒体钢板在常温下的许用应力[σ]，并将套筒视为薄壁圆管模型，应用第四强度理论作为强度校核条件，获取套筒的备选参数；

[0025] 套筒在内压p作用下，内壁径向应力σr＝-p，轴向应力σx＝0，沿套筒圆周切线的环向应力σθ＝pD/2t，其中t为套筒壁厚；

[0026] 则三个方向主应力可规定为：σ1＝σθ，σ2＝σx，σ3＝σr；

[0027] 根据第四强度理论所建立的强度条件为计算壁厚t的取值范围为

[0028]

[0029] 从结构轻量化角度及实际制造的工艺可行性考虑，选取合适的套筒壁厚。

[0030] 有益效果：该结构通过多级吸能结构作用，实现多级吸能、过程恒压控制，使得该结构可以在碰撞的主要缓冲过程中处于恒压吸能状态，避免碰撞过程加速度峰值过大对人体产生冲击，减小乘员伤害。同时，可根据不同车辆的重量与需要抵抗的初始碰撞速度，调整与选配不同的套筒结构以及溢流阀结构，实现结构简易、低成本、多级、恒压的吸能缓冲效果。

附图说明

[0031] 图1是本发明的总体外廓轴测图；

[0032] 图2是本发明总体外廓正视图；

[0033] 图3是本发明总体剖视图；

[0034] 图4是一级套筒缓冲吸能示意图；

[0035] 图5是二级套筒缓冲吸能示意图；

[0036] 图6是三级套筒缓冲吸能示意图；

[0037] 图7是本发明结构与防撞梁的总体装配图；

[0038] 图8是安装本吸能套筒后的碰撞加速度曲线图。

[0039] 其中：1为一级套筒、2为二级套筒、3为三级套筒、4为四级套筒、5为软脂密封胶、6为前连接板、7为后连接板、8为溢流阀、9为液压液体。

具体实施方式

[0040] 以下结合附图对本发明作进一步详细说明：

[0041] 本发明涉及一种简易三段套筒式充液缓冲吸能元件及其设计方法，由一级套筒1、二级套筒2、三级套筒3、四级套筒4、软脂密封胶5、前连接板6、后连接板7、溢流阀8、液压液体9组成。

[0042] 上述套筒1、2、3、4为等长度薄壁管，之间相互嵌套，底部相连互通，并通过软脂密封胶5进行密封与连接。

[0043] 上述套筒1与前连接板6及套筒4与后连接板7之间采用焊接方式连接成密封结构。

[0044] 上述溢流阀8，安装在四级套筒4底部，保持碰撞过程中套筒内压强恒定，实现恒压卸荷与碰撞加速度恒定。

[0045] 上述液压吸能元件的液压液体9可以是任何防锈、无腐蚀性、不易燃易爆的液体组成，如对碰撞接触初期的加速度要求更高时，可以在套筒中充入少量空气，使得套筒开始吸能阶段的力量上升更加平顺，增加碰撞时间，减少对人员的冲击，可以获取如图8所示较为理想的碰撞加速度曲线。

[0046] 上述套筒间的重叠区域控制在5-30mm之间，确保连接紧密。

[0047] 上述套筒吸能元件通过前连接板6与防撞横梁连接，通过后连接板7与车架连接。

[0048] 上述吸能套筒的设计可以按照如下方法进行设计：

[0049] 单侧套筒最大压缩力设计：参考相关法规及人体碰撞生物力学研究成果，设定车内乘员所能承受的最大加速度值为a，则整车质心平均加速度最大值不应超过a，整车平均碰撞力可表示为F＝ma，单侧套筒最大压缩力为F1＝F/2；

[0050] 各级套筒的实际长度设计：根据相关法规，设定碰撞初始速度为V0，则车辆最大变形量L＝V02/2a，即为套筒的有效压缩量，可确定各级套筒的有效长度L0＝L/3；

[0051] 考虑套筒压缩初期的升压余量，获得套筒的名义长度L1＝(1+μ)L0，其中μ取值在0.1～0.2之间；

[0052] 考虑重叠区域搭接量，获得套筒的实际长度L2＝L1+ΔL，其中ΔL取值在5～30mm之间；

[0053] 最大截面套筒的外径设计：根据车身结构自身特点、车辆总体布置尺寸及原有的传统吸能盒尺寸，确定一个合适的最大套筒外径D；

[0054] 通常情况下，套筒壁厚尺寸远小于外径，近似认为内环面积与截面积相同，均为S；

[0055] 溢流阀额定压力设计：根据上述单侧套筒最大压缩力F1，以最大套筒作为强度设计计算基准，可知套筒结构实际所受内压为p＝F1/S，即为溢流阀设计的额定压力值，其中S为最大套筒截面积；

[0056] 溢流阀额定流量设计：根据碰撞初始速度V0，最大套筒截面积S，可知碰撞初始时刻的液体流量为q＝V0S，作为溢流阀的额定流量设计标准；

[0057] 根据溢流阀的额定压力及额定流量参数，选择合适的溢流阀结构，对套筒内部液体进行恒压控制；

[0058] 套筒壁厚设计：根据上述套筒结构所受内压p、最大套筒外径D及制造筒体钢板在常温下的许用应力[σ]，并将套筒视为薄壁圆管模型，应用第四强度理论作为强度校核条件，获取套筒的备选参数；

[0059] 套筒在内压p作用下，内壁径向应力σr＝-p，轴向应力σx＝0，沿套筒圆周切线的环向应力σθ＝pD/2t，其中t为套筒壁厚；

[0060] 则三个方向主应力可规定为：σ1＝σθ，σ2＝σx，σ3＝σr；

[0061] 根据第四强度理论所建立的强度条件为计算壁厚t的取值范围为

[0062] 从结构轻量化角度及实际制造的工艺可行性考虑，选取合适的套筒壁厚。

[0063] 实施例：

[0064] 以某整车整备质量为1.2t的乘用车的吸能元件设计为例进行说明：

[0065] 根据相关文献表明，乘用车的吸能系统完全溃缩变形过程的加速度平均值一般控制在40g左右，设定碰撞初始速度为40km/h(即11.11m/s)的100％刚性墙碰撞；

[0066] 计算单侧套筒最大压缩力：计算出碰撞的理论平均碰撞力F＝ma＝1200*40*9.8＝470.4KN，则单侧套筒结构承受碰撞力为235.2KN；

[0067] 计算各级套筒的实际设计长度：由于碰撞初始速度V0为11.11m/s，则车辆变形量L为0.16m(套筒有效压缩量)，则各级套筒的有效长度L0为0.053m；

[0068] 考虑套筒压缩初期的升压余量，获得各级套筒的名义长度L1为0.06m；

[0069] 考虑重叠区域搭接量，将各级套筒长度设计为0.07m；

[0070] 计算最大截面套筒的外径：根据车辆总体布置尺寸及原有的传统吸能盒尺寸经验值，将最大套筒的外径D设计为0.1m；

[0071] 计算溢流阀额定压力：由上述单侧套筒承受的碰撞力及最大套筒外径，将溢流阀的额定压力设计为30.0MPa；

[0072] 溢流阀额定流量设计：根据碰撞初始速度11.11m/s，最大套筒外径0.1m，将溢流阀的额定流量设计为0.09m3/s；

[0073] 计算套筒壁厚：根据工程实际需求，制造套筒的材料通常选择16Mn，屈服极限为345MPa(可根据实际设计需要取适当安全系数)，则钢板在常温下的许用应力为345MPa；

[0074] 由套筒壁厚的取值范围公式，可计算得t≥4.3mm，考虑结构轻量化及实际制造工艺可行性，将壁厚设计为4.5mm。

[0075] 按照本发明所述设计方法，计算得到的实现本装置所需的各项技术参数如下表：

[0076]

[0077] 参照图3、4、5、6，在车辆行驶过程中，当车辆发生碰撞时，保险杆与防撞梁先与障碍物发生碰撞，并推动一级套筒1的压缩液体，压力升高达到一定值时，套筒4底部的溢流阀8开启，使得套筒1以恒定加速度推进，至碰撞力将套筒1推至套筒2底部，如图4所示。若碰撞产生的剪切力超过套筒2与套筒3的密封胶剪切许用应力，活塞推动套筒2运动，继续进行缓冲吸能，至套筒3底部，如图5所示。同样，若再次超过套筒3与套筒4之间的密封胶剪切许用应力，则推动套筒3运动将套筒4中的液体排出，继续进行缓冲吸能，如图6所示。该结构通过多级吸能结构作用，实现多级吸能、过程恒压控制，使得该结构可以在碰撞的主要缓冲过程中处于恒压吸能状态，避免碰撞过程加速度峰值过大对人体产生冲击，减小乘员伤害。同时，可根据不同车辆的重量与需要抵抗的初始碰撞速度，调整与选配不同的套筒结构以及溢流阀结构，实现结构简易、低成本、多级、恒压的吸能缓冲效果。