一种多级波纹吸能盒

1.本实用新型属于汽车零部件技术领域，涉及汽车零部件中的吸能结构，涉及一种多级波纹吸能盒，特别是涉及一种多级分层震荡波纹吸能盒。


背景技术：

2.随着中国汽车行业的不断发展，国民生活水平的不断提高，汽车的普及程度也越来越高，汽车逐渐成为人们不可缺少的代步工具。因此汽车的安全问题也逐渐成为人们的关注热点。其中汽车安全主要通过被动安全对人体进行保护，即汽车事故发生后，汽车结构的设计对事故造成的各种冲击损伤进行缩减，以尽可能减小对人体的危害。在汽车事故中，碰撞是最常见的事故类型。在汽车的碰撞过程中，汽车结构需要将大部分冲击能量以可控的形式转化为其他形式的能量耗散掉，从而有效减小乘员的伤害。在这一过程中，防撞梁和前纵梁之间的吸能盒起到了主要作用。为了在事故发生后更好的保护驾乘人员，需要吸能盒能够尽可能的吸收碰撞的能量。
3.在吸能盒的设计中，人们总是希望吸能盒的初始峰值力尽量小，以降低在初始碰撞时峰值力过大而造成的危害的可能性；另一方面，人们同时还希望吸能盒在碰撞过程中尽可能吸收能量，以减小在整个碰撞过程中的可能对乘客带来的危害。基于这两方面的考虑，人们提出了很多具有借鉴意义的吸能盒，如具有厚度梯度的吸能管、具有结构梯度的吸能管(如结构梯度的点阵结构、凸台形式的有吸能管、震荡简谐函数的波纹管)等，但这些吸能管在吸能效率，抑或是制造成本上并不能尽如人意。


技术实现要素：

4.本实用新型提供了一种多级波纹吸能盒，基于多级分层震荡正弦波纹吸能管，既能降低峰值载荷，保证了在小碰撞过程中碰撞载荷保持在弹性范围内，又提高了整个吸能盒的吸能效果，保证大碰撞时能最大化吸收碰撞能，减小碰撞过程中对车体和乘客的损伤。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
5.一种多级波纹吸能盒，包括波纹管，所述波纹管是三个并且在从内到外依次套设，三个所述波纹管的高度由内到外逐渐增大，所述波纹管的振幅从上往下逐渐减小，内外套设的二个波纹管之间填充碳纤维蜂窝材料，及内层波纹管内也填充碳纤维蜂窝材料，三个波纹管通过碳纤维蜂窝材料连接形成一个整体。
6.一较佳实施例之中：所述波纹管的波纹由震荡正弦函数生成，该震荡正弦函数的表达式为y＝h f*sin(aθ bπ)*exp(-kθ)。
7.一较佳实施例之中：所述波纹管的波动数量在4-8个。
8.一较佳实施例之中：外层波纹管高度的1/4≦内层波纹管的高度≦外层波纹管高度的1/2。
9.一较佳实施例之中：所述波纹管的厚度在2-5mm，所述波纹管是三层结构，内外层是碳纤维层，中间层是铝合金层。
10.一较佳实施例之中：外侧碳纤维层由90
°
铺层、0
°
铺层、-45
°
铺层和 45
°
铺层组成，其含量各占四分之一；内侧碳纤维层由0
°
铺层和90
°
铺层组成，0
°
铺层的方向与波纹管的高度方向平行，0
°
铺层的含量占75％，90
°
铺层占25％。
11.一较佳实施例之中：所述波纹管厚度在高度方向上梯度分布，波纹管高度为h，顶端的厚度为t1，底端的厚度为t2，高度h时厚度为t，t＝t2-(t2-t1)*h/h。
12.一较佳实施例之中：外层波纹管与中间层波纹管之间的碳纤维蜂窝材料，和，中间层波纹管与内层波纹管之间的碳纤维蜂窝材料，高度相同，为中间层波纹管的高度；内层波纹管内填充的碳纤维蜂窝材料的高度与内层波纹管高度相同。
13.一较佳实施例之中：外层波纹管与中间层波纹管之间的碳纤维蜂窝材料，及中间层波纹管与内层波纹管之间的碳纤维蜂窝材料，截面的边长均相等，中间围成正六边形，正六边形的六个边分别外扩出6个正方形，正方形之间围成等边三角形；内层波纹管内填充的碳纤维蜂窝材料，截面是正六边形的阵列组合，正六边形之间围成正方形。
14.一较佳实施例之中：还包括上底板和下底板，所述上底板盖住外层波纹管上端，所述下底板盖住外层波纹管下端，三个波纹管的下端均与所述下底板连接。
15.本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
16.1.采用震荡波纹管，波动振幅呈梯度分布，即波纹的波动幅值由上至下递减，波纹作为诱导装置，则震荡波纹管的诱导装置呈梯度分布，使得在碰撞过程中，碰撞力总是波动式增加，避免了碰撞力的过快增加，有效降低了峰值力。并且通过多级分层波纹管，实现分级吸能的效果，大大提高吸能效率。当外层波纹管变形至接触到中间层波纹管时，中间波纹管将起吸能的作用，同样因为中间层波纹管的震动幅值呈梯度分布，其峰值力将控制在合理的范围内，在继续碰撞变形过程中，通过波纹的诱导装置，将充分发挥合金的塑性变形和纤维的脆性断裂，有效提高了吸能效率。
17.2.波纹管之间填充碳纤维蜂窝结构，通过波纹的诱导作用加速了碳纤维蜂窝的脆性断裂，提高了吸能盒整体的吸能效果，且碳纤维密度具有密度低、吸能效果好的特点，有利于轻量化。并且基于多级分层的震荡波纹吸能管，设计新颖，结构简单，加工方便，适合批量生产的要求。
18.3.在具有震荡正弦函数的波纹管中引入多级分层的理念，同时波纹管使用纤维金属板材料，使吸能方式具有塑性变形吸能和脆性断裂吸能等多种吸能形式。在有效降低初始峰值力的同时，通过多级吸能，使得这种吸能管具有更高的能量吸收总量。
19.4.波纹管采用纤维金属层合板，设置含量最高的0
°
铺层提高了吸能盒的整体弹性模量，同时复合材料的脆性断裂吸能效率高，吸能盒既能在小碰撞过程中通过弹性变形进行吸能，又能在大碰撞过程中通过合金的塑性变形吸能和纤维层的脆性断裂吸能的交互吸能方式，大大提高了吸能效率。
附图说明
20.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
21.图1绘示了多级波纹吸能盒结合汽车保险杠使用的示意图。
22.图2绘示了多级波纹吸能盒的立体示意图。
23.图3绘示了多级波纹吸能盒省略上底板和下底板的主视示意图。
24.图4绘示了图3所示多级波纹吸能盒的分解示意图。
25.图5绘示了图3所示多级波纹吸能盒的局部剖切示意图。
26.图6绘示了图3所示多级波纹吸能盒的俯视示意图。
27.图7绘示了波纹管使用的震荡正弦函数的图像及方程式示意图。
28.图8绘示了波纹管的结构分解示意图。
29.图9绘示了波纹管内侧碳纤维层的结构示意图。
30.图10绘示了波纹管外侧碳纤维层的结构示意图。
31.图11绘示了碳纤维蜂窝材料的截面示意图。
32.图12绘示了另一种碳纤维蜂窝材料的截面示意图。
具体实施方式
33.请参照图1至图6，一种多级波纹吸能盒100，可与汽车保险杠200结合使用，在发生碰撞时吸收消化冲击能量。所述多级波纹吸能盒100包括三根波纹管10，三个所述波纹管从内到外依次套设，分别为内侧波纹管10-1、中间波纹管10-2和外侧波纹管10-3，三个所述波纹管的高度由内到外逐渐增大，最外层尺寸最大，中间层次之，内层最小，三个所述波纹管的下端基本上在同一个水平面。所述波纹管10的振幅从上往下逐渐减小，顶部的振幅最大，随着高度的下降，振幅逐渐减小，直至在底部时达到接近垂直线。波纹管10-3和波纹管10-2之间填充碳纤维蜂窝材料20，波纹管10-2和波纹管10-1之间填充碳纤维蜂窝材料20，内层波纹管10-1内填充碳纤维蜂窝材料20，三个波纹管10通过碳纤维蜂窝材料20连接形成一个整体。
34.请参照图7，优选地，所述波纹管10的波纹由震荡正弦函数生成，该震荡正弦函数的表达式为y＝h f*sin(aθ bπ)*exp(-kθ)，其中f*sin(aθ bπ)*exp(-kθ)为幅值，其值随着θ震荡波动且逐渐变小，直至逐渐无限接近零，在这一过程中，曲线y也逐渐向直线y＝h靠近。该震荡正弦函数在[h-f,h f]的范围内进行波动，表示震荡正弦函数的振幅，随着角度的增大，曲线在y＝h直线上上下浮动，且振幅逐渐减小，直至无限接近直线y＝h。波纹可以视作碰撞过程中的塑性变形诱导装置，使用震荡正弦波纹可以使的这些“诱导装置”在高度的空间上呈现梯度分布，有利于降低峰值力，并提高碰撞过程中的整体吸收能量的效率。
[0035]
优选地，所述波纹管10的波动数量在4-8个，本实施例的数量是6个，在最底部波动几乎为零。波纹起到引导变形的作用，波动的幅度越大，引导变形的作用就越明显，塑性变形就越容易发生。波纹的波动幅度在高度上起到空间的梯度分布，使得波纹管在受到碰撞时，塑性变形的发生的难易程度也呈空间梯度分布，在有效降低峰值力的同时又保证了整体的吸能潜力。
[0036]
优选地，外层波纹管10-3高度的1/4≦内层波纹管10-1的高度≦外层波纹管10-3高度的1/2。
[0037]
优选地，所述波纹管10的厚度在2-5mm。请参照图8，优选地，所述波纹管10是三层结构，内层是碳纤维层101，中间层是铝合金层102，外层是碳纤维层103。
[0038]
优选地，请参照图10，外侧碳纤维层103由90
°
铺层103-1、0
°
铺层103-2、-45
°
铺层103-3和 45
°
铺层103-4组成，其含量各占四分之一，碳纤维层103在各个方向的力学性能都较为均衡。请参照图9，内侧碳纤维层101由0
°
铺层101-1和90
°
铺层101-2组成，0
°
铺层101-1
的方向与波纹管的高度方向平行，0
°
铺层的含量占75％，90
°
铺层占25％，碳纤维层101中含量最多的0
°
铺层一定程度提高了吸能盒整体的弹性模量，当汽车发生小碰撞时，通过弹性变形吸收碰撞能，碰撞结束后，吸能盒恢复变形。同时，当发生大碰撞时，碳纤维层101、103在波纹的引导变形下发生脆性破裂，铝合金层102发生塑性变形，通过脆性破裂吸能和塑性变形吸能复合的方式减小冲击能量对车体和乘客的危害。
[0039]
优选地，为了进一步降低初始峰值力，所述波纹管10厚度在高度方向上梯度分布，波纹管高度为h，顶端的厚度为t1，底端的厚度为t2，高度h时厚度为t，t＝t2-(t2-t1)*h/h。
[0040]
优选地，外层波纹管10-3与中间层波纹管10-2之间的碳纤维蜂窝材料20，和，中间层波纹管10-2与内层波纹管10-1之间的碳纤维蜂窝材料20，高度相同，为中间层波纹管10-2的高度，而内层波纹管10-1内填充的碳纤维蜂窝材料20的高度与内层波纹管10-1高度相同。填充碳纤维蜂窝材料进一步提高了吸能盒的整体吸能效果。
[0041]
进一步优选地，请参照图11，外层波纹管10-3与中间层波纹管10-2之间的碳纤维蜂窝材料，及中间层波纹管10-2与内层波纹管10-1之间的碳纤维蜂窝材料，截面的边长均相等，中间围成正六边形，正六边形的六个边分别外扩出6个正方形，正方形之间围成等边三角形。这种蜂窝引入了较多的角单元，碰撞时，波纹作为诱导变形的装置使管变形，变形后，内外2个以上的管发生轴向和径向变形，两管挤压着蜂窝，使其脆性断裂，提高了吸能的整体效果。请参照图12，内层波纹管10-1内填充的碳纤维蜂窝材料20，截面是正六边形的阵列组合，正六边形之间围成正方形，易于制造，当碰撞挤压到波纹管10-1时，吸能盒趋于压实，设置孔隙率更大的碳纤维蜂窝材料20既增加了吸能效果，又保留了足够的压缩空间。
[0042]
优选地，还包括上底板和30下底板40，所述上底板30盖住外层波纹管上端，所述下底板40盖住外层波纹管下端，三个波纹管的下端均与所述下底板40连接。
[0043]
以上所述，仅为本实用新型较佳实施例而已，故不能依此限定本实用新型实施的范围，即依本实用新型专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖的范围内。