一种分级吸能的组合式汽车吸能盒

1.本发明是一种新型的汽车碰撞吸能盒装置，属于汽车被动安全防护领域。


背景技术：

2.随着汽车的广泛应用，汽车碰撞安全已经成为汽车安全领域的重要研究方向之一。目前，汽车碰撞安全已经成为世界各国法律法规的强制要求，各大汽车制造商也在不断地提高汽车碰撞安全性能。
3.汽车碰撞时，由于汽车的动能需要被吸收，因此需要一些装置来减少碰撞对驾乘人员和车辆造成的损害。这些装置被称为汽车碰撞吸能系统，主要包括车身结构、座椅、安全气囊、、以及本发明涉及的汽车吸能盒等。
4.现有的汽车碰撞吸能盒一般采用单一的结构来吸收碰撞能量。然而，这些装置的吸能能力较弱，不能适应各种不同的碰撞程度和类型，且在斜向冲击时易发生整体屈曲。因此容易出现碰撞时无法达到预期保护效果的情况。为此，需要提供一种更加高效和安全的汽车碰撞吸能盒，能够在不同程度的碰撞中提供不同程度的吸能和保护，从而提高汽车碰撞时的安全性和可靠性。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的主要技术问题是提供一种分级吸能的组合式汽车吸能盒，能够在不同程度的碰撞中提供不同程度的吸能和保护，从而提高汽车碰撞时的安全性和可靠性。
6.为了解决上述技术问题，本发明提出了一种分级吸能的组合式汽车吸能盒，包括上端盖，低速吸能盒，高速吸能盒，下端盖；
7.所述上端盖与下端盖分别通过焊接方式固结于低速吸能盒与高速吸能盒上；所述低速吸能盒与高速吸能盒通过铆钉连接；所述上端盖上设置有用于连接防撞梁和车架的螺栓孔；
8.所述低速吸能盒的外部沿着周向设置有两道诱导槽；所述高速吸能盒的外部每个面上分别阵列排布有4*4的棱锥体；
9.所述低速吸能盒的内部填充有3*3*3的多胞铝结构；所述多胞铝结构的单胞结构由两组波纹曲面轴向交叉排列构成，其曲线控制方程为所述高速吸能盒的内部填充有3*3*3的三周期极小曲面铝结构，其单胞结构的曲线控制方程为
10.所述高速吸能盒的外壁填充有碳纤维板，其铺层角度为0
°
与90
°
。
11.在一较佳实施例中：所述诱导槽的半径为4.5mm。
12.在一较佳实施例中：所述棱锥体的长为16mm，宽为15mm，拔模角度为80
°
。
13.相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
14.1.本发明提出了一种分级吸能的组合式汽车吸能盒，其中低速吸能盒由外围薄壁铝方管和内部波纹诱导变形多胞铝组成，轴向的波纹设计降低了结构的峰值力，使吸能盒在碰撞的过程中根据其参数方程所控制的波数产生对应的折叠波，产生稳定的手风琴式变形。增加其吸能效率的同时能够在低速碰撞时发挥吸能作用。此外，波纹诱导变形多胞铝在侧向载荷碰撞时具有更加稳定的变形模式，靠近侧向载荷的一侧波纹发生弯曲，远离侧向载荷的一侧波纹受拉，波纹被拉直。通过控制其参数方程的振幅，波纹诱导变形多胞铝能够在侧向载荷碰撞时仍具有一侧手风琴式的变形模式，吸收大量能量。高速吸能盒由外围薄壁铝-碳纤维复合方管和内部三周期极小曲面晶胞组成，由于三周期极小曲面铝结构是由多个连续的曲面构成的，因此它的表面积比传统的直线结构更大，可以更有效地吸收能量，能够在高速碰撞时发挥吸能作用，同时三周期极小曲面铝结构是由多个不同方向的曲面构成的，可以在多个方向上吸收能量。这使得吸能盒可以适应不同的撞击方向，从而提高了整体的抗冲击能力。该吸能盒的分级设计，能够根据不同碰撞程度和类型，调整吸能盒的吸能方式，以实现更好的保护效果。同时，高速吸能盒外壳采用铝-碳纤维复合材料的设计，可以有效减轻吸能盒的重量，提高吸能效果。碳纤维复合材料的吸能效果与密度均优于铝，但其吸收能量的变形模式为纤维撕裂且向外翻转，呈现类似于“花瓣”的形状，且撕裂的纤维四处飞溅，可能产生二次伤害，因此本发明通过外部的铝板来对碳纤维板的变形进行约束，高速吸能盒外部的棱锥体可以在碰撞时向外撑开，在外部铝板与碳板中间产生空隙，内部的碳纤维产生纤维撕裂且向外翻转，纤维碎片被外部铝板包裹，储存在空隙中间。与此同时，外部的铝板会在壁厚较薄处发生折叠，诱导碳纤维的纤维渐进撕裂。当车辆产生低速碰撞时，前方的低速吸能盒率先变形吸收能量，从低速吸能盒上部诱导槽位置逐级溃缩，外部方管约束了内部填充结构，防止填充结构飞溅对乘员造成二次伤害。当车辆产生高速碰撞时，低速吸能盒所吸收能量不足以抵抗高速冲击带来的动能，当前方低速吸能盒溃缩至密实后，高速吸能盒将接替低速吸能盒的吸能作用，通过其内部三周期极小曲面晶胞结构，外围棱锥诱导结构与复合材料加强板有效地吸收高速碰撞带来的能量，从而防止整体屈曲或失效的风险。该分级吸能的组合式汽车吸能盒设计可以适应不同碰撞程度和类型，提高了整体抗冲击能力，同时铝-碳纤维复合材料的使用有效减轻了吸能盒的重量，提高了吸能效果和车辆燃油经济性。本发明的分级吸能组合式汽车吸能盒可以有效地解决现有吸能盒峰值力过高导致吸能盒在低速状态下难以触发、吸能能力和适应性不足、整体屈曲或失效的风险较高等技术问题，提高了汽车碰撞安全性能，有望在汽车制造业中得到广泛应用。
15.2.本发明提出了一种分级吸能的组合式汽车吸能盒，采用分层式设计，针对不同冲击速度设置不同的吸能结构。这样，当发生碰撞时，不同速度下的冲击力会被分别吸收，从而保护碰撞物体和乘员。由于不同车速下的碰撞工况不同，因此分层吸能的设计能够适应各种不同的碰撞工况。此外，对于低速冲击的工况，变形的低速吸能盒可直接从吸能盒中拆除，安装方便，节约维修成本。
16.3.本发明提出了一种分级吸能的组合式汽车吸能盒，吸能盒内外均设计诱导变形结构，逐级变形，吸能表现稳定.通过设计逐级变形的吸能结构，本发明能够在碰撞时逐渐释放能量，从而减少乘员受伤的风险。同时。由于吸能盒内外均设置了诱导变形结构，可以在碰撞时稳定地吸收和分散能量，从而提高车辆的稳定性能。
17.4.本发明提出了一种分级吸能的组合式汽车吸能盒，多材料杂化设计，提升吸能
量，减轻吸能盒重量多材料杂化设计的方法是一种常见的工程设计方法，通过将不同材料的优点结合起来，来达到更好的性能和效果。与传统金属吸能盒相比，本发明通过碳纤维板与铝板的共同作用，将碳纤维加强树脂材料的高吸能量，轻量化与铝的变形稳定性相结合。减轻吸能盒重量的同时，吸收更多的冲击能量，同时具有较好的逐级变形模式。
附图说明
18.图1为吸能盒的立体图；
19.图2为吸能盒的俯视图；
20.图3为吸能盒的侧视图；
21.图4为吸能盒剖视图；
22.图5为波纹诱导变形晶胞单胞结构示意图；
23.图6为三周期极小曲面晶胞单胞结构示意图。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是壁挂连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
27.本实施例的整体结构如图1-3所示，包括低速吸能盒101，上端盖102，高速吸能盒103，下端盖104。上端盖102与下端盖104分别通过焊接方式固结于低速吸能盒101，高速吸能盒103上。低速吸能盒101，高速吸能盒103通过铆钉连接，整体结构通过端盖上的螺栓孔与防撞梁、车架螺栓紧固在一起，形成一个稳定的防撞系统。该结构的设计和制造充分考虑了各种因素，如材料强度、变形模式和能量吸收效率等，以确保在车辆碰撞时能够最大限度地保护乘客和车辆的安全。
28.低速吸能盒101外部沿着周向设置有两道半径4.5mm的诱导槽环绕四周，高速吸能盒103外部设计有长16mm，宽15mm，拔模角度80
°
的棱锥体，高速吸能盒103的每个面阵列有4*4的相同棱锥体。诱导槽和棱锥体的设计控制了吸能盒在受力时的变形方向和方式，从而提高了其能量吸收效率。吸能盒内部结构如图4所示，低速吸能盒101内部填充有3*3*3的多胞铝结构201，其单胞结构如图5所示，由两组波纹曲面轴向交叉排列构成，其曲线控制方程
为高速吸能盒103内部填充有3*3*3的三周期极小曲面铝结构202，其单胞结构如图6所示，其曲线控制方程为胞结构如图6所示，其曲线控制方程为高速吸能盒103的外壁填充有碳纤维板，其铺层角度为0
°
与90
°
，通过两层铝板限制碳纤维撕裂变形的方向，达到较佳的吸能效果。这种复合材料的使用提高了吸能盒的强度和韧性，使其能够更好地吸收冲击。
29.上述的分级吸能的组合式汽车吸能盒，其中低速吸能盒由外围薄壁铝方管和内部波纹诱导变形多胞铝组成，轴向的波纹设计降低了结构的峰值力，使吸能盒在碰撞的过程中根据其参数方程所控制的波数产生对应的折叠波，产生稳定的手风琴式变形。增加其吸能效率的同时能够在低速碰撞时发挥吸能作用。此外，波纹诱导变形多胞铝在侧向载荷碰撞时具有更加稳定的变形模式，靠近侧向载荷的一侧波纹发生弯曲，远离侧向载荷的一侧波纹受拉，波纹被拉直。通过控制其参数方程的振幅，波纹诱导变形多胞铝能够在侧向载荷碰撞时仍具有一侧手风琴式的变形模式，吸收大量能量。高速吸能盒由外围薄壁铝-碳纤维复合方管和内部三周期极小曲面晶胞组成，由于三周期极小曲面铝结构是由多个连续的曲面构成的，因此它的表面积比传统的直线结构更大，可以更有效地吸收能量，能够在高速碰撞时发挥吸能作用，同时三周期极小曲面铝结构是由多个不同方向的曲面构成的，可以在多个方向上吸收能量。这使得吸能盒可以适应不同的撞击方向，从而提高了整体的抗冲击能力。该吸能盒的分级设计，能够根据不同碰撞程度和类型，调整吸能盒的吸能方式，以实现更好的保护效果。同时，高速吸能盒外壳采用铝-碳纤维复合材料的设计，可以有效减轻吸能盒的重量，提高吸能效果。碳纤维复合材料的吸能效果与密度均优于铝，但其吸收能量的变形模式为纤维撕裂且向外翻转，呈现类似于“花瓣”的形状，且撕裂的纤维四处飞溅，可能产生二次伤害，因此本发明通过外部的铝板来对碳纤维板的变形进行约束，高速吸能盒外部的棱锥体可以在碰撞时向外撑开，在外部铝板与碳板中间产生空隙，内部的碳纤维产生纤维撕裂且向外翻转，纤维碎片被外部铝板包裹，储存在空隙中间。与此同时，外部的铝板会在壁厚较薄处发生折叠，诱导碳纤维的纤维渐进撕裂。当车辆产生低速碰撞时，前方的低速吸能盒率先变形吸收能量，从低速吸能盒上部诱导槽位置逐级溃缩，外部方管约束了内部填充结构，防止填充结构飞溅对乘员造成二次伤害。当车辆产生高速碰撞时，低速吸能盒所吸收能量不足以抵抗高速冲击带来的动能，当前方低速吸能盒溃缩至密实后，高速吸能盒将接替低速吸能盒的吸能作用，通过其内部三周期极小曲面晶胞结构，外围棱锥诱导结构与复合材料加强板有效地吸收高速碰撞带来的能量，从而防止整体屈曲或失效的风险。
30.该分级吸能的组合式汽车吸能盒设计可以适应不同碰撞程度和类型，提高了整体抗冲击能力，同时铝-碳纤维复合材料的使用有效减轻了吸能盒的重量，提高了吸能效果和车辆燃油经济性。本发明的分级吸能组合式汽车吸能盒可以有效地解决现有吸能盒峰值力过高导致吸能盒在低速状态下难以触发、吸能能力和适应性不足、整体屈曲或失效的风险较高等技术问题，提高了汽车碰撞安全性能，有望在汽车制造业中得到广泛应用。
31.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非
实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

技术特征：
1.一种分级吸能的组合式汽车吸能盒，其特征在于包括上端盖，低速吸能盒，高速吸能盒，下端盖；所述上端盖与下端盖分别通过焊接方式固结于低速吸能盒与高速吸能盒上；所述低速吸能盒与高速吸能盒通过铆钉连接；所述上端盖上设置有用于连接防撞梁和车架的螺栓孔；所述低速吸能盒的外部沿着周向设置有两道诱导槽；所述高速吸能盒的外部每个面上分别阵列排布有4*4的棱锥体；所述低速吸能盒的内部填充有3*3*3的多胞铝结构；所述多胞铝结构的单胞结构由两组波纹曲面轴向交叉排列构成，其曲线控制方程为所述高速吸能盒的内部填充有3*3*3的三周期极小曲面铝结构，其单胞结构的曲线控制方程为内部填充有3*3*3的三周期极小曲面铝结构，其单胞结构的曲线控制方程为所述高速吸能盒的外壁填充有碳纤维板，其铺层角度为0
°
与90
°
。2.根据权利要求1所述的一种分级吸能的组合式汽车吸能盒，其特征在于：所述诱导槽的半径为4.5mm。3.根据权利要求1所述的一种分级吸能的组合式汽车吸能盒，其特征在于：所述棱锥体的长为16mm，宽为15mm，拔模角度为80
°
。

技术总结
本发明提供了一种分级吸能的组合式汽车吸能盒，上端盖与下端盖分别通过焊接方式固结于低速吸能盒与高速吸能盒上；低速吸能盒与高速吸能盒通过铆钉连接；上端盖上设置有用于连接防撞梁和车架的螺栓孔；低速吸能盒的外部沿着周向设置有两道诱导槽；高速吸能盒的外部每个面上分别阵列排布有4*4的棱锥体；低速吸能盒的内部填充有3*3*3的多胞铝结构；多胞铝结构的单胞结构由两组波纹曲面轴向交叉排列构成；高速吸能盒的内部填充有3*3*3的三周期极小曲面铝结构；高速吸能盒的外壁填充有碳纤维板，其铺层角度为0


技术研发人员：林俊宏 张勇 黄文臻 钱亮 张锋
受保护的技术使用者：华侨大学
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/6/27