缓冲梁和包括缓冲梁的缓冲装置 【技术领域】
本发明主要涉及缓冲装置(bumper)，更具体地说，本发明主要涉及吸收能量的车辆缓冲系统。
背景技术
缓冲装置通常横向延伸于车辆前后部，而且被固定到纵向延伸的护栏(rail)上。如果车辆发生碰撞，就会使车辆受损，而这种吸收能量的缓冲系统便可以通过控制冲击能量和侵入(intrusion)程度的方法来减少车辆所受的损坏，同时不会超出车辆护栏负载极限。
通常将钢梁用作缓冲装置。钢梁非常硬，具有结构强度和硬度。然而钢梁很重。此外，钢梁会变形或弯曲，从而不能在整个冲击过程中保持一个截面模数。
一些缓冲装置具有减震器。这些减震器定位在，比方说是钢制缓冲梁和车辆护栏之间。减震器要能吸收至少一部分冲击所产生的能量。和钢梁相比，如果将减震器加到缓冲装置中，便会增加成本并增加结构的复杂性。减震器也增加了缓冲装置的重量，这同样不令人满意，因为这种增重会减小车辆总的燃料效率。
其它已知的吸收能量的缓冲系统包括一横梁和一能量吸收件。横梁一般是钢梁。通常和钢梁一起使用的能量吸收件是泡沫材料的。在发生冲击时，以泡沫材料为基础的能量吸收件加载很慢，由此导致能量吸收件的位移很大。此外，泡沫材料有60％或70％的有效压缩量，超过该点时，泡沫材料就变为不可压缩，因此冲击能量就不能被完全吸收。而剩下的冲击能量就通过横梁和/或车辆结构的变形被吸收。
缓冲系统或装置的效率定义为单位距离上所吸收的能量数量，或单位负载所吸收的能量数量。比起低效率的能量吸收件来讲，高效率的缓冲系统可在较短距离内吸收更多能量。通过迅速产生恰好低于护栏负载极限的负载并将该负载维持至冲击能量被分散，便可以达到很高的效率。已知地微震(shockless)缓冲系统包括带有泡沫能量吸收件的钢梁，其效率通常小于50％。
【发明内容】
一方面，本发明提供了一种适用于机动车的微震(shockless)缓冲系统。该缓冲系统包括一热塑性横梁和一能量吸收件。该缓冲装置的效率大于百分之五十(50％)。
另一方面，本发明提供了一种适用于缓冲装置的横梁。横梁由玻璃垫热塑材料构成，而且构造成可以将热塑性能量吸收件连接到其上的结构。
另一方面，本发明提供了一个缓冲装置，该缓冲装置包括一横梁，该横梁构造成可以在整个冲击过程中保持一个截面模数的结构。该装置还包括一个能量吸收件和一个盖板，该能量吸收件连接到横梁，而该盖板连接到能量吸收件上并且基本上包围了横梁和能量吸收件。
【附图说明】
图1是已知的能量吸收件在冲击前的状态下的横截面图；
图2是已知的能量吸收件在冲击后的状态下的横截面图；
图3是缓冲装置的一个实施例的分解透视图，该缓冲装置包括压模I型横梁和注模能量吸收件；
图4是图3所示的缓冲装置的横截面图；
图5是图3和图4所示的能量吸收件的部分后透视图；
图6是图3和图4所示的能量吸收件的部分前透视图；
图7是图3和图4所示的能量吸收件的部分前透视图；
图8是图3和图4所示的能量吸收件在冲击后的状态下的横截面图；
图9是能量吸收件的透视图，该图中具有放大的局部透视图，以说明可选择的窗孔结构；和
图10是能量吸收件的部分透视图，该图可以说明扣配合和紧密配合特性。
【具体实施方式】
下面详细介绍具有一压模(compression molded)玻璃垫热塑材料(GMT)横梁的缓冲系统。在一个实施例中，在横梁上连接一非泡沫型的能量吸收件。将高硬度的热塑横梁连接到非泡沫型能量吸收件可以获得这样一个缓冲系统，即在发生冲撞时，该缓冲系统可以快速加载，并且有效吸收能量。特别的是，在低速度冲击过程中，在冲击活动的动能被全部吸收之前，通过使能量吸收件和横梁变形，可以将冲击力恰好维持在一个预定值以下。当低速冲击结束时，能量吸收件大致恢复到原状，保持充分完整以承受接下来的冲击。
GMT压模横梁的高硬度特性与热塑能量吸收件的有效能量吸收特性相结合，可以提供比传统的具有泡沫能量吸收件的金属横梁更好的冲击吸收性能。此外，热塑能量吸收件和GMT压模横梁结合，可以提供比具有热塑能量吸收件的钢梁或具有泡沫能量吸收件的GMT横梁更有效的冲击吸收性能。
虽然下面要描述缓冲系统的具体材料(例如，适用于制造能量吸收件的Azdel材料(如美国专利US5,643,989所述，该材料可由北卡罗莱纳州，Shelby，Azdel公司购买，并适用于制造横梁)和Xenoy材料(可由马萨诸塞州匹兹区的通用电器公司购买))，但该系统不限于使用这些材料，也可以使用其它材料。此外，横梁也不必一定是GMT压模横梁，也可以使用其它材料和加工技术。通常，能量吸收件从能有效吸收能量的材料中选择，而所选择的横梁材料和加工技术要可以形成刚硬横梁。
现在具体参考附图，图1和图2是已知能量吸收件10的横截面图，该能量吸收件在使用时与加强横梁12结合使用。能量吸收件10包括上下凸缘14和16，在安装时，它们分别与横梁12的一部分交迭。如图2所示，吸收件10可以对着横梁弯曲，以吸收和分散撞击所带来的冲击能。
图3是缓冲系统20的一个实施例的分解透视图。该缓冲系统20包括一能量吸收件22和一横梁24。能量吸收件22位于横梁24和一盖板(未示出)之间，而且在组装后这些部件可以构成车辆缓冲装置。本领域技术人员应当理解的是，横梁24连接到纵向延伸的框形护栏(未示出)上。
盖板一般由一种热塑性材料制成，优选的是，该材料适合用传统的车辆油漆和/或涂覆技术进行涂层。通常，盖板包围能量吸收件22和加强横梁24，因此，各个部件一旦连接到车辆上后就不会被人看到。
在该实施例中，横梁24为压模玻璃垫热塑材料(GMT)，而且构造成I型梁。它也可以采用I型梁以外的几何形状。例如，根据横梁的特殊用途，可以采用C或W型的横截面形状，以提供合适的截面模数。
横梁24包括连续的上凸缘26和下凸缘28。横梁24还包括具有孔32的护栏连接部分30，由此，螺栓(未示出)可以穿过孔而将缓冲系统20固定到框形护栏上。横梁24还包括起加强作用的十字交叉肋34。在图3中可以看到横梁上表面36上的肋34。在横梁24下表面38上也有同样的肋(未示出)。如下所述，上凸缘26的定位切口40便于将能量吸收件22固定到横梁24上。
能量吸收件22包括具有第一和第二纵向延伸的凸缘52和54的框架50，该凸缘52和54分别和横梁24相搭接。凸缘52是U型的，凸缘54具有一个爪56，该爪可以与横梁24的凸缘28一起形成扣配合，即，爪56扣住凸缘28的一端。
吸收件26还包括从框架50向外延伸的主体60，主体60包括第一横向壁62和第二横向壁64，在它们中间延伸有多个可调式挤压箱(crush box)66。横向壁62、64是波浪形的，包括交替的凸起区域68和凹下区域70，这些区域可以使横向壁有更强的硬度来抵抗冲击时的挠曲。在需要时，可以调节波浪部分的宽度和深度尺寸，以获得不同的硬度特性。挤压箱包括侧壁72，外壁74和延伸到内框架50的开口区域76。
参考图5，挤压箱66可以根据车辆所需要吸收的冲击能，而具有多种不同几何结构中的任一种几何结构。例如，挤压箱66具有总体上呈三维I型的形状，其在第一横向壁62附近有翼或顶部80，而在第二横向壁64附近有翼状底部82，该翼状底部与顶部80平行，而且纵向横向件部分84连接顶部和底部80和82。在撞击过程中，能量吸收件22的挤压箱66可以稳定能量吸收件22。在这点上，根据联邦车辆安全标准(FMVSS)和加拿大车辆安全标准(CMVSS)，在遇到障碍和摆动式冲击时，挤压箱66可以以一种轴向挤压模式工作。挤压箱66的强度可以进行调节，以符合想要的冲击负载变形标准。也就是说，为了满足指标标准，需要在特定用途中对挤压箱66进行一定修改。例如，挤压箱66包括位于侧壁和外壁72和74的多个窗孔86和88。如下所述，窗孔86和88可以根据具体用途，构造成多种不同形状中的一种形状。
挤压箱66的可调性还可通过改变侧壁和后壁厚度来适用于具体用途。例如，侧壁72和外壁74的标称厚度可以广泛地落在约1.75mm到约3.0mm的范围内。更加具体的说，在一些低冲击用途中，标称壁厚一般在约1.75mm到约2.0mm的范围内，而在其它用途中，尤其是5mph FMVSS或CMVSS系统的用途中，侧壁和后壁的标准壁厚最好在约2.5mm到3.0mm的范围内。
适当调整能量吸收件22的另一方面是选择所使用的热塑性树脂。所使用的树脂根据需要可以是低模量、中模量或高模量的材料。通过仔细考虑这些变量，就能制造出如此的能量吸收件，即可以实现理想的吸收冲击能的目标。
如图6所示，整体模制的连接件90分别垂直地延伸于第一和第二横向壁62和64之间。连接件90可以呈垂直延伸柱92的形式，或可以具有交叉形结构，该交叉形结构包括垂直延伸柱92和水平延伸柱94。不管连接件90的结构如何，连接件90沿垂直延伸柱92的内壁96的最小平均宽高比为1∶5，高度为在各个第一和第二横向壁62和64之间的距离。如果连接件90有窗孔98，那么其宽高比为1∶3。当能量吸收件22连接到横梁时，内壁96邻近横梁24的外表面。
参考图7和图8，其中所示的能量吸收件22处于撞击后的理论状态。我们可以看出，能量吸收件22变弯，但仍保持和横梁24接触，具体说，是分别沿着第一和第二纵向凸缘52和54相接触。
参考图9，该图显示了挤压箱66的可调性，其中，为使挤压箱达到需要的强度，窗孔86、88可以是如附图标记100、102、104、106所示的不同尺寸的正方形和长方形，以及附图标记108所示的泪珠形状，但不限于这些形状。为了形成这些窗孔，通常模具要有一个张开近5°的斜角，以获得合适的生产条件。
图10是说明扣配合和紧密配合特性的能量吸收件22的部分透视图。如图10所示，能量吸收件的凸缘52是U型的。凸缘52的延长部分150利于与横梁24形成紧密结合。也就是说，延长部分150是有弹性的，可以适应横梁24的凸缘26的厚度偏差(参见附图4)，由此，吸收件22和横梁24形成一个紧密结合。此外，如上所述，凸缘54有爪56，该爪可以和横梁24的凸缘28形成扣配合，即爪56咬紧凸缘28的一端。
用于形成能量吸收件22的材料的特性包括高韧性/延展性、热稳定性、高的能量吸收能力、良好的模量与伸长量的比、以及可回收性。虽然能量吸收件可以分段成型，但是它也可以是由一种硬塑料材料制成的整体式结构。吸收件材料的一个例子是上面提到的Xenoy。当然，也可以使用其它工程热塑树脂。代表性的工程热塑树脂包括丙稀腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)，聚碳酸酯，聚碳酸酯/ABS混合物，聚碳酸酯-聚酯，丙烯酸-苯乙烯-丙稀腈(ASA)，丙稀腈-(改良的乙烯聚丙烯二胺)-苯乙烯(AES)，亚苯基醚树脂，亚苯基醚/聚酰胺混合物(通用电器公司的NORYL GTX)，聚碳酸酯/PET/PBT的混合物，聚丁烯对苯二酸酯和冲击改良材料(通用电器公司的XENOY树脂)，聚酰胺，亚苯基硫化物树脂，氯乙烯聚合物PVC，耐冲击性聚苯乙烯(HIPS)，低/高密度聚乙烯(l/hdpe)，聚丙烯(pp)和热塑石蜡(tpo)，但不限于以上材料。
正如上面所述，将一注模热塑能量吸收件连接到一刚性横梁上，可以提高能量吸收效率。如上所述，将Azdel I型横梁与一Xenoy能量吸收件结合，可以获得大于百分之五十(50％)的效率。提高耐冲击性能，可以减少低速冲击时“防护板弯曲”的修理费用，并且减少高速冲击时对车辆造成的损坏。此外，能量吸收件和横梁都可以用整体模制的热塑性工程树脂制成，所以能量吸收件和横梁都很容易独立地进行重复利用。此外，因为没有使用泡沫材料，所以，我们相信，在不同温度下，本发明都可以获得更一致的耐冲击性能。
I型横梁结合能量吸收件的可调节挤压箱所形成的强度，可以提供有效的快速加载过程，并且有控制地抵抗冲击事故。这种高效率有利于减少车辆缓冲装置的偏移量，而同时又不增加转移到车辆结构的负载。I型横梁/能量吸收件组合可以形成轻型、有效耐冲击而且有成本效益的缓冲系统，这种系统符合FMVSS和IIHS的要求。
尽管本发明以不同具体实施例的方式进行了描述，但是本领域技术人员应当认识到，可以在权利要求书的精神和范围内，对本发明进行修改。