一种弹性缓冲与塑性翻转并联式吸能组件.pdf

本发明涉及一种弹性缓冲与塑性翻转并联式吸能组件，包括筒形薄壁部件以及压缩弹簧，其特征在于，所述压缩弹簧的中心与所述筒形薄壁部件的中心在同一直线上，还包括翻转座，所述翻转座包括座体及与所述座体连为一体的凸台，所述凸台与座体之间圆弧连接，所述筒形薄壁部件的一端套装在所述凸台上，另一端为自由端；所述压缩弹簧的一端与所述凸台固定连接，所述压缩弹簧的另一端为受力端，所述受力端伸出所述筒形薄壁部件的自由端之外。本发明的有益效果是，结构简单，具有缓冲和吸能作用，提高了安全防护性能。这种结构相比塑性压溃屈曲吸能结构而言，具有更长的缓冲距离和较稳定的吸能能力。

权利要求书
1.  一种弹性缓冲与塑性翻转并联式吸能组件，包括筒形薄壁部件以及 压缩弹簧，其特征在于，所述压缩弹簧的中心与所述筒形薄壁部件的中心在 同一直线上，还包括翻转座，所述翻转座包括座体及与所述座体连为一体的 凸台，所述凸台与座体之间圆弧连接，所述筒形薄壁部件的一端套装在所述 凸台上，另一端为自由端；所述压缩弹簧的一端与所述凸台固定连接，所述 压缩弹簧的另一端为受力端，所述受力端伸出所述筒形薄壁部件的自由端之 外。

2.  根据权利要求1所述的弹性缓冲与塑性翻转并联式吸能组件，其特 征在于，所述压缩弹簧套装在所述筒形薄壁部件的内部。

3.  根据权利要求1所述的弹性缓冲与塑性翻转并联式吸能组件，其特 征在于，所述压缩弹簧套装在所述筒形薄壁部件的外部。

4.  根据权利要求1～3任一项所述的弹性缓冲与塑性翻转并联式吸能组 件，其特征在于，所述压缩弹簧的受力端设有支承板。

5.  根据权利要求1～3任一项所述的弹性缓冲与塑性翻转并联式吸能组 件，其特征在于，所述筒形薄壁部件的横断面为圆形、椭圆形、矩形或多边 形。

6.  根据权利要求1所述的弹性缓冲与塑性翻转并联式吸能组件，其特 征在于：所述吸能组件所能承载的弹性缓冲能为
E e = 1 2 k ( L - L 1 ) 2 ]]>
其中，k为弹簧弹性系数，L为压缩弹簧自由状态的总长度，L1为筒形薄 壁部件的长度；
所述吸能组件的塑性吸能能力为
E p = 2 πYt Dt / 2 ( L 1 - L 2 ) ]]>
其中,Y为筒形薄壁部件材料屈服强度，L2为压缩弹簧被压缩到极限位 的长度，t为筒形薄壁部件筒壁厚度，D为薄壁圆筒直径。

说明书一种弹性缓冲与塑性翻转并联式吸能组件
技术领域
本发明涉及缓冲吸能技术领域，尤其涉及一种弹性缓冲与塑性翻转并联 式吸能组件。
背景技术
随着汽车、高速列车等交通工具的不断发展以及运行速度的不断提高， 其碰撞安全性越来越受到人们的关注，由于碰撞事故会造成重大人身伤亡和 财产损失，碰撞问题已成为汽车、高速列车等结构设计时必须考虑的问题。 汽车、高速列车中的另一个重要问题就是缓冲问题，但物体承受轻微碰撞或 颠簸时，缓冲组件能够有效的减轻振动，减小碰撞加速度。吸能和缓冲的重 要区别就在于，吸能形成的变形往往是利用结构不可恢复的变形特性来吸收 能量，而缓冲则是利用材料及结构可恢复的变形来缓解能量的释放。目前应 用在车辆上的缓冲装置结构比较单一，比如弹簧或液压缸等，当发生意外事 故，需要迅速减缓撞击能量，甚至通过损毁保险部件来换取人身安全时，这 些缓冲装置还难于胜任，而单纯的吸能部件在正常运行中也不能体现缓冲作 用，没有把吸能部件和缓冲部件的功能较好的融为一体。
如果能将碰撞吸能装置与缓冲装置结合，并使其吸能部件具有较长、较 稳定吸能行程，必将能使突发的冲击能量在吸能过程中分解，进而使瞬时巨 大的冲击能量被分解，将大幅提高车辆的耐冲击性能。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供一种结构简单且具有缓冲和吸能 作用的弹性缓冲与塑性翻转并联式吸能组件。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种弹性缓冲与塑性翻转并 联式吸能组件，包括筒形薄壁部件以及压缩弹簧，其特征在于，所述压缩弹 簧的中心与所述筒形薄壁部件的中心在同一直线上，还包括翻转座，所述翻 转座包括座体及与所述座体连为一体的凸台，所述凸台与座体之间圆弧连 接，所述筒形薄壁部件的一端套装在所述凸台上，另一端为自由端；所述压 缩弹簧的一端与所述凸台固定连接，所述压缩弹簧的另一端为受力端，所述 受力端伸出所述筒形薄壁部件的自由端之外。
本发明的有益效果是：本发明将弹性部件的缓冲能力与塑性部件的吸能 能力有机的结合为一体，使本发明的组合防护装置既具有缓冲功能，又具备 在突发事故使的缓冲吸能功能，尤其适合作为高速车辆上的安全组件使用。 在正常服役情况下，压缩弹簧提供缓冲功能。而在发生剧烈碰撞时，筒形薄 壁部件利用塑性吸能并逐步翻转，消耗碰撞能量；这种结构相比塑性压溃屈 曲吸能结构而言，具有更长的缓冲距离和较稳定的吸能能力。通过理论评估， 可以组合出该组合防护装置在弹性缓冲和塑性吸能阶段的翻转力预测公式， 可针对不同的情况做出合理设计。这种组合设计有利于满足车辆轻量化设计 要求，在车身中含有大量的薄壁结构，将本发明应用在这些薄壁结构上能大 大提高整车的安全防护性能。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述压缩弹簧套装在所述筒形薄壁部件的内部。
进一步，所述压缩弹簧套装在所述筒形薄壁部件的外部。
采用上述进一步方案的有益效果是，可以根据需要选择所述压缩弹簧套 装与所述筒形薄壁部件位置配置，便于节省空间。
进一步，所述压缩弹簧的受力端设有支承板。
采用上述进一步方案的有益效果是，支承板的设置，使本发明的组合防 护装置不仅便于安装使用，而且能保证能量沿所述压缩弹簧的轴线传输，更 好的发挥组合防护装置吸能缓冲作用。
进一步，所述筒形薄壁部件的横断面为圆形、椭圆形、矩形或多边形。
采用上述进一步方案的有益效果是，不同形状的选择有利于制作不同的 组合防护装置，适应不同安装位置和功能的要求。
进一步，所述筒形薄壁部件为金属材质。
采用上述进一步方案的有益效果是，金属筒形薄壁部件在轴压下一般具 有稳定的渐进破坏模式，因此更适合连续吸能，化解剧烈冲击。
所述吸能组件所能承载的弹性缓冲能为
E e = 1 2 k ( L - L 1 ) 2 ]]>
其中，k为弹簧弹性系数，L为压缩弹簧自由状态的总长度，L1为筒 形薄壁部件的长度；
所述吸能组件的塑性吸能能力为
E p = 2 πYt Dt / 2 ( L 1 - L 2 ) ]]>
其中，Y为筒形薄壁部件材料屈服强度，t为筒形薄壁部件筒壁厚度， L2为压缩弹簧被压缩到极限位的长度，D为薄壁圆筒直径。
本发明的有益效果是：本发明将弹性部件的缓冲能力与塑性部件的吸能 能力有机的结合为一体，使本发明的组合防护装置既具有缓冲功能，又具备 在突发事故使的缓冲吸能功能，尤其适合作为高速车辆上的安全组件使用。 在正常服役情况下，压缩弹簧提供缓冲功能。而在发生剧烈碰撞时，筒形薄 壁部件利用塑性吸能，消耗碰撞能量。通过理论评估，可以组合出该组合防 护装置在弹性缓冲和塑性吸能阶段的压溃翻转力预测公式，可针对不同的情 况做出合理设计。这种组合设计有利于满足车辆轻量化设计要求，在车身中 含有大量的薄壁结构，将本发明应用在这些薄壁结构上能大大提高整车的安 全防护性能。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述压缩弹簧套装在所述筒形薄壁部件的内部。
进一步，所述压缩弹簧套装在所述筒形薄壁部件的外部。
采用上述进一步方案的有益效果是，可以根据需要选择所述压缩弹簧套 装与所述筒形薄壁部件位置配置，便于节省空间。
进一步，所述筒形薄壁部件的左端设有安装板，所述压缩弹簧与筒形薄 壁部件均固定在所述安装板上，所述压缩弹簧的受力端设有支承板。
采用上述进一步方案的有益效果是，安装板及支承板的设置，使本发明 的组合防护装置不仅便于安装使用，而且能保证能量沿所述压缩弹簧的轴线 传输，更好的发挥组合防护装置吸能缓冲作用。
进一步，所述筒形薄壁部件的横断面为圆形、椭圆形、矩形或多边形。
采用上述进一步方案的有益效果是，不同形状的选择有利于制作不同的 组合防护装置，适应不同安装位置和功能的要求。
进一步，所述筒形薄壁部件为金属材质。
采用上述进一步方案的有益效果是，金属筒形薄壁部件在轴压下一般具 有稳定的渐进破坏模式，因此更适合连续吸能，化解剧烈冲击。
附图说明
图1为本发明的组合防护装置结构示意图(初始状态)；
图2为本发明的工作原理示意图(弹性缓冲阶段)；
图3为本发明的工作原理示意图(塑性吸能与弹性共同作用阶段)；
图4为本发明的工作原理示意图(压缩弹簧压实阶段)；
图5为本发明的有一种结构示意图(弹簧在筒形薄壁部件外部)；
图6本发明的组合防护装置防护力位移曲线示意图。
在图1～图5中，1、筒形薄壁部件；2、压缩弹簧；3、翻转座；3-1、 凸台；4、支承板；r、为筒形薄壁部件翻转半径。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本 发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1到图5所示，一种弹性缓冲与塑性翻转并联式吸能组件，包括筒 形薄壁部件1以及压缩弹簧2，所述压缩弹簧2的中心与所述筒形薄壁部件 1的中心在同一直线上，还包括翻转座3，所述翻转座3包括座体及与所述 座体连为一体的凸台3-1，所述凸台3-1与座体之间圆弧连接，所述筒形薄 壁部件1的一端套装在所述凸台3-1上，另一端为自由端；所述压缩弹簧2 的一端与所述凸台3-1固定连接，所述压缩弹簧2的另一端为受力端，所述 受力端伸出所述筒形薄壁部件1的自由端之外。
所述压缩弹簧2套装在所述筒形薄壁部件1的内部。
所述压缩弹簧2的受力端设有支承板4。
所述筒形薄壁部件1的横断面为圆形、椭圆形、矩形或多边形。
所述筒形薄壁部件1为金属材质。也可以采用非金属材质。
本发明的工作原理如下：
筒形薄壁部件1在受到足够的压力时，通过塑性屈曲能吸收可观的能量， 经过合理的设计，能使筒形薄壁部件具有可控制的破坏模式，较平稳的压溃 翻转载荷，是一种有益的缓冲结构。压缩弹簧2是典型的缓冲部件，具有完 全可恢复的变形能力。
压缩弹簧可提供的弹性缓冲可表示为：
Fe＝kx
其中Fe为缓冲力，k为弹簧弹性系数，x为位移量。
筒形薄壁部件所能提供的塑性翻转力为：
F P = 2 πYt Dt / 2 ]]>
其中Fp是筒形薄壁部件平均翻转力，Y为筒形薄壁部件材料屈服强度，t 为筒形薄壁部件厚度，D为筒形薄壁部件直径。
如图1所示，为本发明的初始状态原理示意图。图中L为压缩弹簧的自 由长度，L1为筒形薄壁部件的长度，r为筒形薄壁部件翻转半径。X代表水 平方向的位移轴。
本吸能组合防护装置的弹塑性临界转化由位移控制，弹塑性临界位移为 L-L1,当位移小于L-L1时，装置表现为弹性缓冲性能，这时装置变形可以 完全恢复。
如图2和图3所示，当弹性压缩位移达到L-L1时，支承板与筒形薄壁 部件接触，使得筒形薄壁部件塑性翻转，从而吸收能量；当位移大于L-L1 时，装置表现为塑性和弹性的双重作用，因此翻转力由筒形薄壁部件的塑性 力和压缩弹簧的弹性力合成：即
F = Fe + Fp = kx + 2 πYt Dt / 2 ]]>
如图4所述，位移继续增加时，装置在上述状况下继续翻转，直至压缩 弹簧被压实为止。机构此时丧失了吸能能力。L2理论上为压缩弹簧被压缩到 极限位的长度，实际应用中，还包括所述凸台的高度。
如图6所示，本发明的组合防护装置防护力位移曲线示意图，其中，X 代表水平方向的压缩距离，F代表组合防护装置上所承受的力大小。可以看 出，吸能组合防护装置具备总的吸能位移为L-L2，其中单纯弹性缓冲距离为 L-L1，如图中Fe段所示；具有塑性的吸能距离为L1-L2。组合防护装置所能 承载的弹性缓冲能为：
E e = 1 2 k ( L - L 1 ) 2 ]]>
如图中Fp段所示；组合防护装置的塑性吸能能力为：
E p = 2 πYt Dt / 2 ( L 1 - L 2 ) ]]>
在图中Fp段的吸能能力为弹性和塑性吸能能力共同作用。
从上述分析还能看出：通过调节筒形薄壁部件直径D及厚度t，以及翻 转半径r，可以调节筒形薄壁部件屈曲平均翻转力，通过调节筒形薄壁部件 长度L1可调节塑性屈曲段长度及塑性吸能能力。在弹性阶段可通过调节弹 性系数k来调节弹性缓冲特性，通过调节L可调节弹性缓冲段距离。
如图5所示，为本发明的另一种实施方式，所述压缩弹簧套装在所述筒 形薄壁部件的外部，具体实施时，可以将压缩弹簧固定在所述筒形薄壁部件 的外部，当其翻转时，一并翻转。其依次表示了本发明的组合防护装置结构 示意图、初始状态原理图、弹性缓冲阶段原理图、塑性吸能与弹性共同作用 阶段原理示意图、压实阶段原理示意图。其作用原理同上，不再赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明 的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。