本發(fā)明是在政府支持下根據(jù)能源部授予的DE-EE0005661號(hào)合同制作。政府對(duì)本發(fā)明享有某些權(quán)利。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開總體涉及車輛的保險(xiǎn)杠梁(bumper beam)和相關(guān)聯(lián)的潰縮盒(crush cans)。更具體地，本公開涉及在特定區(qū)域中具有短纖維復(fù)合材料來進(jìn)行加固和加強(qiáng)的復(fù)合保險(xiǎn)杠梁和復(fù)合潰縮盒。

背景技術(shù)：

大多數(shù)車輛在前部和后部裝備有碰撞情況下保護(hù)車輛的保險(xiǎn)杠。幾十年的研究和創(chuàng)新已經(jīng)產(chǎn)生通過吸收大量動(dòng)能來最優(yōu)地保護(hù)車輛的保險(xiǎn)杠改進(jìn)設(shè)計(jì)和相關(guān)結(jié)構(gòu)。保險(xiǎn)杠系統(tǒng)通過盡可能多地吸收碰撞的動(dòng)能來減小車輛的峰值減速度，其有助于減小對(duì)車輛及其乘客損害的可能性和嚴(yán)重性。

典型的保險(xiǎn)杠系統(tǒng)包括附接在車架前部的保險(xiǎn)杠梁?？砂ㄈ纭皾⒖s盒”的能量吸收部件以在保險(xiǎn)杠梁和框架之間進(jìn)行連接且保持保險(xiǎn)杠梁和框架之間的間隔關(guān)系。這些能量吸收部件一般設(shè)計(jì)為在碰撞、彎曲或屈曲過程中在壓力作用下發(fā)生塑性變形或進(jìn)行漸進(jìn)的潰縮以吸收接收到的動(dòng)能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，為車輛提供前保險(xiǎn)杠梁和潰縮盒(FBCC)系統(tǒng)。連續(xù)纖維復(fù)合材料保險(xiǎn)杠梁具有縱向外殼，該縱向外殼具有共同限定凸形外表面和凹形內(nèi)表面的前構(gòu)件、頂構(gòu)件和底構(gòu)件。多個(gè)短纖維(chopped fiber)復(fù)合材料肋從內(nèi)表面沿著保險(xiǎn)杠梁的長(zhǎng)度延伸。肋和保險(xiǎn)杠梁的內(nèi)部表面配合限定具有多個(gè)短纖維復(fù)合材料第一配合表面的槽腔。潰縮盒可具有連續(xù)纖維復(fù)合材料管狀體，該連續(xù)纖維復(fù)合材料管狀體限定了與多個(gè)第一配合表面接合的多個(gè)第二配合表面。潰縮盒在管的前端具有向內(nèi)延伸的凸緣，該凸緣在槽腔內(nèi)與保險(xiǎn)杠梁的內(nèi)表面結(jié)合，且潰縮盒在管狀體的后端處設(shè)置向外延伸的凸緣，該向外延伸的凸緣與車架結(jié)合。向外延伸的凸緣包括加強(qiáng)向外延伸的凸緣和車架之間的連接的短纖維復(fù)合材料層。

在另一個(gè)實(shí)施例中，車輛前保險(xiǎn)杠梁包括具有限定了槽道的內(nèi)表面的連續(xù)纖維復(fù)合材料梁。多個(gè)短纖維復(fù)合材料肋從內(nèi)表面延伸并接觸內(nèi)表面。肋和梁的內(nèi)表面配合限定沿著梁長(zhǎng)度間隔開的兩個(gè)槽腔。各個(gè)槽腔被配置為接收相應(yīng)的潰縮盒以將梁連接至車架。多個(gè)肋在槽腔周邊處限定多個(gè)短纖維復(fù)合材料接合表面。短纖維復(fù)合材料接合表面被配置成與潰縮盒的相應(yīng)側(cè)表面以面對(duì)面的關(guān)系接合。

在另一個(gè)實(shí)施例中，車輛保險(xiǎn)杠潰縮盒可以具有連續(xù)纖維復(fù)合材料主體，該連續(xù)纖維復(fù)合材料主體包括具有第一和第二端的縱向部分、從第一端向外延伸的一對(duì)向外延伸的凸緣、以及從第二端向內(nèi)延伸的一對(duì)向內(nèi)延伸的凸緣，各個(gè)向外延伸的凸緣具有背離縱向部分的表面，短纖維復(fù)合材料層覆蓋并接觸向外延伸的凸緣的各個(gè)表面的至少一部分。

附圖說明

圖1是根據(jù)各種實(shí)施例的具有以下描述保險(xiǎn)杠梁和一對(duì)車輛潰縮盒的前立體圖；

圖2是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的汽車保險(xiǎn)杠梁和附接的一對(duì)潰縮盒的后立體圖；

圖3是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的潰縮盒的兩個(gè)半部在裝配一起前且在裝配到保險(xiǎn)杠梁前的后立體圖；

圖4是一個(gè)分離的潰縮盒的后視圖；以及

圖5是一端安裝至車架且另一端固定在保險(xiǎn)杠梁的腔槽內(nèi)的一個(gè)潰縮盒的剖視圖。

具體實(shí)施方式

本文描述了本公開的實(shí)施例。然而，應(yīng)當(dāng)理解，所公開的實(shí)施例僅是示例且其他實(shí)施例可以采用各種形式和替代形式。附圖不一定按比例；一些特征可以被放大或縮小以示出特定組件的細(xì)節(jié)。因此，本文公開的具體結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)不應(yīng)被解釋為限制，而僅是作為教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員以各種方式采用實(shí)施例的代表性基礎(chǔ)。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解的，參照任何一張附圖示出和描述的各種特征可以與一張或多張其他附圖中所示的特征組合，以產(chǎn)生未明確示出或描述的實(shí)施例。所示特征的組合提供了典型應(yīng)用的代表性實(shí)施例。然而，與本公開的教導(dǎo)一致的特征的各種組合和修改可期待用于特定應(yīng)用或?qū)嵤?/p>

應(yīng)當(dāng)理解，本文使用的方向性術(shù)語僅旨在說明性目的。例如，術(shù)語“向內(nèi)”或“向外”可指相對(duì)于車輛中心的方向。作為另一個(gè)示例，術(shù)語“垂直”、“水平”、“上”和“下”旨在給出特定部件相對(duì)于可附接保險(xiǎn)杠梁和潰縮盒系統(tǒng)的正常朝向車輛所處的環(huán)境。這些方向性術(shù)語旨在給出各種部件之間的相對(duì)位置環(huán)境，且不意味著僅限于這樣定位或定向。

根據(jù)本公開的各個(gè)方面，已經(jīng)開發(fā)了復(fù)合前保險(xiǎn)杠梁和潰縮盒(FBCC)系統(tǒng)。FBCC系統(tǒng)包括保險(xiǎn)杠梁，以及從保險(xiǎn)杠梁向內(nèi)延伸的一個(gè)或多個(gè)潰縮盒。這些部件將在下面詳細(xì)描述。

本文公開的FBCC系統(tǒng)可用于車輛中的任何位置，但是在優(yōu)選實(shí)施例中，F(xiàn)BCC用于車輛的前保險(xiǎn)杠。在其他實(shí)施例中，F(xiàn)BCC系統(tǒng)用于車輛的后保險(xiǎn)杠或側(cè)面。

本文公開的保險(xiǎn)杠梁通常用于減少或消除對(duì)位于保險(xiǎn)杠梁內(nèi)部的如發(fā)動(dòng)機(jī)部件或其它動(dòng)力系部件的車輛部件的損壞。FBCC被設(shè)計(jì)成吸收和傳遞來自沖擊的力以減少或消除對(duì)這些部件以及車輛內(nèi)的乘客造成的傷害。

由于在高速碰撞中通過保險(xiǎn)杠系統(tǒng)傳遞了大量能量，保險(xiǎn)杠梁和能量吸收組件傳統(tǒng)上由鋼或鋁制成。有多種將金屬梁和潰縮盒相互連接以及連接至車架的方法。例如，它們可被焊接或螺栓連接在一起。

FBCC系統(tǒng)10通常如圖1所示為安裝在車輛14的前保險(xiǎn)杠面板12(或前飾板)后面。圖2中分離地示出了FBCC系統(tǒng)，而FBCC系統(tǒng)10的各種部件的附加視圖在圖3-5中示出。下面提供關(guān)于所有這些附圖的描述，這些附圖旨在作為本公開發(fā)明的說明性和非限制性示例。

參考這些附圖，F(xiàn)BCC通常顯示為10。保險(xiǎn)杠梁16沿著弓形長(zhǎng)度延伸且具有基本C形的橫截面。在一個(gè)實(shí)施例中，保險(xiǎn)杠梁的最外部分或外殼18在保險(xiǎn)杠梁的外殼18的內(nèi)表面24內(nèi)限定了C形的凸形槽道20。外殼18可包括大致垂直延伸的前構(gòu)件26以及各個(gè)大致橫向于前構(gòu)件延伸的頂構(gòu)件28和底構(gòu)件30。各個(gè)前構(gòu)件、頂構(gòu)件和底構(gòu)件26、28、30具有在其中提供C形槽道20的相應(yīng)內(nèi)表面。

應(yīng)當(dāng)理解，雖然槽道20通常稱為是C形的，但其旨在表明槽道20形狀的一個(gè)實(shí)施例的一般特征。槽道20可以是在其中形成的凸起性質(zhì)的肋的任何形狀。

該外殼18可由如碳纖維或玻璃等連續(xù)纖維復(fù)合材料制成。在替代實(shí)施例中，纖維復(fù)合材料是不連續(xù)纖維復(fù)合材料。多個(gè)肋34從內(nèi)表面24向內(nèi)延伸。肋34包括沿著保險(xiǎn)杠梁長(zhǎng)度縱向的且大致水平的肋36以及橫向延伸至水平肋36的大致垂直的肋38。肋34也可部分包括多個(gè)X形肋40以提供額外的支撐?？筛鶕?jù)各種規(guī)格布置考慮肋34的其他構(gòu)造，以最優(yōu)地支撐外殼18。

與上述的保險(xiǎn)杠梁16的外殼18采用的連續(xù)纖維復(fù)合材料相對(duì)，肋34可由如片狀模塑料(SMC)的短纖維復(fù)合材料制成。短纖維復(fù)合材料肋為支撐保險(xiǎn)杠梁16的結(jié)構(gòu)提供了更高的強(qiáng)度。

在一個(gè)實(shí)施例中，肋34共同模制到C形槽道20的內(nèi)表面24中。一旦固化，肋34的短纖維復(fù)合材料性質(zhì)比肋是連續(xù)纖維復(fù)合材料提供更高的剛度和結(jié)構(gòu)支撐。并且，由于肋34與C形槽道20的連續(xù)纖維復(fù)合材料共同模制，肋34和C形槽道20可以在任一個(gè)固化之前大體同時(shí)形成，從而降低關(guān)聯(lián)附加成型步驟的成本和時(shí)間，然而在保險(xiǎn)杠中仍然具有兩種分離的材料。

潰縮盒44(將在下面進(jìn)一步詳細(xì)描述)連接至外殼18的內(nèi)表面24上。為了接合并附接到潰縮盒44的端部，肋34可以模制成具有潰縮盒44的形狀。例如，如圖3-5的實(shí)施例所示，肋在也從C形槽道的前構(gòu)件26的內(nèi)表面延伸出來的潰縮盒附接表面46處終止。這些潰縮盒附接表面46被成形以形成潰縮盒44的定位槽腔48；它們的尺寸和形狀設(shè)置成以與潰縮盒的相應(yīng)外表面面對(duì)面的結(jié)合。如圖3所示，肋34可朝向潰縮盒附接表面46逐漸變細(xì)，使得大部分肋34比潰縮盒附接表面46距離前部構(gòu)件26的內(nèi)表面24延伸得更遠(yuǎn)。

在圖3中最優(yōu)地示出的一個(gè)實(shí)施例中，在定位槽腔48的頂部和底部沒有額外形成的潰縮盒附接表面。換句話說，C形槽道20的頂構(gòu)件28和底構(gòu)件30的內(nèi)表面用作與潰縮盒44直接接合的接合表面。在未示出的不同實(shí)施例中，單獨(dú)的潰縮盒附接表面與到其以面對(duì)面方式配合的頂構(gòu)件28和底構(gòu)件30的內(nèi)表面形成共面。并且，為了容納從潰縮盒本體徑向向外延伸的凸緣50(如下所述)，可以在潰縮盒附接表面46中設(shè)置間隙52。在該間隙52的上方和下方，額外的潰縮盒附接表面可以與潰縮盒44的凸緣50面對(duì)面的配合。

與肋34的情況一樣，所有的潰縮盒附接表面46可與短纖維復(fù)合材料共同模制以在潰縮盒44附接的區(qū)域中提供剛性和強(qiáng)度。并且，C形槽道20的內(nèi)表面24可與潰縮盒44附接的位置中的短纖維共同模制。

在圖3中最優(yōu)地示出一個(gè)預(yù)裝配的潰縮盒44的示例，并且在圖4中示出裝配后的潰縮盒44。潰縮盒44可是沿著縱向延伸的凸緣50的結(jié)合在一起的兩個(gè)半部，凸緣50沿著潰縮盒長(zhǎng)度延伸(如下面將描述的)。雖然附圖圖示了兩個(gè)半部連接在一起的潰縮盒44，其他實(shí)施方式設(shè)想單個(gè)潰縮盒可由單個(gè)模具而不是兩個(gè)半部制成。并且，應(yīng)當(dāng)理解，雖然使用術(shù)語“半部”或“幾個(gè)半部”，但是并不意味著幾個(gè)半部是相同或?qū)ΨQ的。

潰縮盒44具有細(xì)長(zhǎng)管狀體56，其具有沿著中心縱向軸線延伸的中空內(nèi)部。中空管狀體56的橫截面可采取具有十二邊的十二邊形的形狀。利用這種形狀，由此得出管狀體56具有十二個(gè)外部大致平坦的表面58。應(yīng)當(dāng)理解，十二邊形形狀是示例性的，且任何數(shù)量的側(cè)面都可以用于與保險(xiǎn)杠梁16接合。具有十二個(gè)平坦的表面58提供了特別的益處：相對(duì)多數(shù)量的外表面允許來自碰撞的力沿著等數(shù)量的表面路徑分布，吸收力并減小其對(duì)車輛部件的沖擊。并且，例如，與六個(gè)側(cè)面中的僅四個(gè)粘合相比，增加粘合平面的數(shù)量提供了改進(jìn)的粘合設(shè)計(jì)。在其他實(shí)施例中可以使用多于或少于十二個(gè)外表面58。

這些外表面58與保險(xiǎn)杠梁16的潰縮盒附接表面46接合，如上所述。然后，十二個(gè)外表面58可以與相應(yīng)的潰縮盒附接表面46粘合，其中與潰縮盒附接表面46共同模制的短纖維提供額外的強(qiáng)度。

一對(duì)縱向凸緣50位于潰縮盒44的管狀體56的外部的各一側(cè)。這些凸緣50沿著管狀體56的長(zhǎng)度遠(yuǎn)離外表面58。在一個(gè)實(shí)施例中，其中各個(gè)潰縮盒可由兩半部制成，如上所述，凸緣50提供粘合表面使得潰縮盒44的每一半沿著配合凸緣50黏合到另一半?？稍趦蓚€(gè)凸緣之間使用如聚氨酯、環(huán)氧或甲基丙烯酸甲酯等粘合劑以將兩個(gè)潰縮盒的半部粘合在一起。在其它實(shí)施例中，可使用振動(dòng)焊接或超聲波焊接來接合兩個(gè)凸緣50。螺栓或鉚接也可單獨(dú)地或與粘合或焊接組合地用于連接潰縮盒的兩個(gè)半部。根據(jù)所使用的部件的具體組成，可以實(shí)施本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它連接方法。可在定位槽腔48的附接表面46上設(shè)置相同的粘合劑或連接方法，以在潰縮盒44和保險(xiǎn)杠梁16之間提供粘附。

如圖3所示，潰縮盒的一個(gè)半部可以設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)如突起60的定位特征，突起60延伸到另一個(gè)潰縮盒半部中的相應(yīng)的插孔62內(nèi)。定位特征允許兩個(gè)潰縮盒半部在凸緣50上的粘合劑固化時(shí)彼此正確地對(duì)準(zhǔn)。

在潰縮盒的半部被組裝之后，潰縮盒44連接至保險(xiǎn)杠梁12。凸緣50延伸穿過保險(xiǎn)杠梁16的C形槽道20內(nèi)的潰縮盒附接表面46中的間隙52。凸緣50可與縱向延伸的肋36面對(duì)面地粘結(jié)。

在潰縮盒的前端，前粘結(jié)凸緣66從管狀體56徑向向內(nèi)延伸。當(dāng)組裝至保險(xiǎn)杠梁16時(shí)，該前粘結(jié)凸緣66提供了與前構(gòu)件26外殼18的內(nèi)表面面對(duì)面接合的前表面。前粘結(jié)凸緣66為潰縮盒44附接至保險(xiǎn)杠梁16的前構(gòu)件26上提供了額外的表面區(qū)域，為吸收碰撞力提供增加的潰縮盒44的剛性。

在潰縮盒的后端，一對(duì)相對(duì)的后附接凸緣68從管狀體56徑向向外延伸。這些后附接凸緣68提供大致平坦的表面以安裝至車架(未示出)。多個(gè)孔70設(shè)置成接收用于將潰縮盒44安裝至車架上的緊固件。

如圖4和5最優(yōu)示出，在潰縮盒44的特定區(qū)域中可以存在兩層不同的材料。例如，潰縮盒44的管狀體56，在管狀體56的任一側(cè)上的縱向凸緣50、以及前附接凸緣66可由如碳纖維或玻璃等連續(xù)的編織纖維復(fù)合材料制成。短纖維復(fù)合材料(例如SMC)的層71可共同模制(co-molded)或過模制(over-molded)至后附接凸緣68上。短纖維復(fù)合材料可共同模制至后附接凸緣68的一(前或后)側(cè)(例如，安裝至車架的后附接凸緣68的一側(cè))。在另一個(gè)實(shí)施例中，短纖維復(fù)合材料僅可在圍繞孔70的區(qū)域共同模制，所述孔70接收將潰縮盒安裝至車架的緊固件以提供圍繞該點(diǎn)的附加強(qiáng)度的緊固件。短纖維復(fù)合材料增強(qiáng)了凸緣68在孔70區(qū)域的強(qiáng)度，同時(shí)消除了對(duì)預(yù)浸材料片的需要以及原有伴隨這樣預(yù)浸材料的裝配的精度需要。

短纖維復(fù)合材料層71覆蓋后附接凸緣68的粘合表面且遍布在后附接凸緣68和兩個(gè)凸緣50之間的彎曲半徑72，兩個(gè)凸緣50沿潰縮盒44的管狀體56的縱向軸線延伸。換句話說，短纖維復(fù)合材料層71不僅層疊在后附接凸緣68上，且還在潰縮盒的上半部和下半部之間在縱向延伸凸緣50之間的彎曲半徑72上至少部分地延伸。這增加了短纖維復(fù)合材料與構(gòu)成潰縮盒44其余部分的連續(xù)編織纖維復(fù)合材料的粘合。這也增強(qiáng)了大量的碰撞力很可能實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)橫向凸緣50之間的過渡區(qū)域。在一個(gè)實(shí)施例中，短纖維復(fù)合材料不沿凸緣50的整個(gè)長(zhǎng)度延伸，如圖3-5所示。

短纖維的共模制層71還使得能夠在后附接凸緣68和縱向凸緣50之間的彎曲半徑72的向后側(cè)形成更尖銳的拐角73。如碳纖維等連續(xù)的編織纖維的材料性質(zhì)使得潰縮盒44難以在兩個(gè)橫向凸緣50、68的相交處形成相對(duì)尖銳的拐角。連續(xù)纖維的材料傾向于在整個(gè)拐角上需要大致相等的厚度。另一方面，短纖維復(fù)合材料更好地適合模制并符合期望的形狀。因此，短纖維復(fù)合材料在后附接凸緣68和縱向凸緣50之間的彎曲半徑72處能夠允許更銳利的角。在凸緣50、68的相交處以73示出的相對(duì)尖銳的角允許潰縮盒44的頂部和底部半部彼此裝配，而它們各自的后附接凸緣68在平面中對(duì)準(zhǔn)且兩個(gè)拐角彼此對(duì)接。換句話說，短纖維復(fù)合材料允許一個(gè)潰縮盒44的頂部和底部后附接凸緣68相遇并形成比僅使用連續(xù)纖維復(fù)合材料更緊接和完整的表面。在拐角處使用短纖維復(fù)合材料的結(jié)果是拐角的凸起側(cè)可比拐角暴露的凹入側(cè)具有的更尖銳的曲率，以及稍長(zhǎng)的粘結(jié)表面。在一個(gè)實(shí)施例中，其中一個(gè)縱向延伸的管連接凸緣50和其中一個(gè)向外延伸的凸緣68的相交處限定了斜面，且短纖維復(fù)合材料層71覆蓋并接觸斜面。在另一個(gè)實(shí)施例中，其中一個(gè)縱向延伸的管連接凸緣50和其中一個(gè)向外延伸的凸緣68的相交處限定了在連續(xù)纖維的面向框架側(cè)上的彎曲表面，且短纖維復(fù)合材料層71覆蓋并接觸彎曲表面。短纖維復(fù)合材料層71覆蓋斜面或彎曲表面，且包括比斜面或彎曲表面更尖銳的角度。

雖然上面描述了示例性實(shí)施例，但是這些實(shí)施例并不旨在描述了權(quán)利要求包含的所有可能的形式。在說明書中使用的詞語是描述性而不是限制性的詞語，且應(yīng)當(dāng)理解，可在不脫離本公開的精神和范圍的情況下進(jìn)行各種改變。如前所述，各種實(shí)施例的特征可以組合以形成本發(fā)明的未被明確描述或示出的其他實(shí)施例。雖然各種實(shí)施例可被描述為相比其它實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)在一個(gè)或多個(gè)期望特性有利或優(yōu)化，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到一個(gè)或多個(gè)特征或特性可以被折衷以實(shí)現(xiàn)期望的整體系統(tǒng)屬性，這取決于具體的應(yīng)用和實(shí)行。這些屬性可以包括但不限于成本、強(qiáng)度、耐久性、壽命周期成本、可銷售性、外觀、包裝、尺寸、適用性、重量、制造性、裝配容易性等。就本身而言，對(duì)于一個(gè)或多個(gè)特性，任何實(shí)施例被描述為不如其它實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施方式所期望的程度，這些實(shí)施例在本公開的范圍之內(nèi)且期望應(yīng)用到特定應(yīng)用中。