管状锥形可压溃结构以及制造方法.pdf

本发明涉及一种方法，其包括以下步骤：提供圆形管材(20)；提供压缩盒(35)和楔入模具(25)；以及使圆形管材(20)重新整形成单或双锥形矩形管(21)，包括使用压缩盒(35)控制外形而同时使用楔入模具(25)使管材(20)的材料向外地压向压缩盒(35)。这种布置使材料减薄最小化。生产一种为纵向撞击能量吸收能力而设计的管状可压溃结构(21)。可压溃结构(21)包括由具有至少40KSI的抗拉强度的材料制成的单或双锥形矩形管(21)。虽然抗拉强度可以是100KSI或更高，但在较窄形式中抗拉强度是至少80KSI。

1.  一种形成轴向可压溃结构的方法，所述轴向可压溃结构用于轴向撞击期间的能量吸收，所述方法包括以下步骤：
提供一段管材；
提供压缩盒和楔入模具；
将所述管材定位在所述压缩盒中，并且将所述楔入模具至少部分地定位在所述管材中；以及
将所述管材的至少一部分重新整形成具有非圆形横截面的锥形多边形管状形状，包括在使用所述楔入模具迫使所述管材的材料向外地与所述压缩盒接合时使用所述压缩盒控制外形。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中所述楔入模具包括协同操作的心棒和中心段，当所述中心段轴向运动时，引起所述协同操作的心棒朝所述压缩盒的内表面运动分开。

3.  根据权利要求2所述的方法，其中所述压缩盒的内表面和所述协同操作的心棒包括将压溃启动器形成到所述管材的壁中的结构。

4.  根据权利要求3所述的方法，其中所述管材由具有至少大约40KSI的抗拉强度的材料制成。

5.  根据权利要求4所述的方法，其中所述管材由具有至少大约80KSI的抗拉强度的材料制成。

6.  根据权利要求5所述的方法，其中所述管材由具有至少大约100KSI的抗拉强度的材料制成。

7.  根据权利要求2所述的方法，其中所述压缩盒的内表面中的至少一个是可调节的，以便限定不同的形状。

8.  根据权利要求1所述的方法，其中所述管材具有圆形横截面，并且所述方法包括在所述重新整形步骤之前将所述圆形管材形成为第一多边形形状的步骤。

9.  根据权利要求1所述的方法，包括将压溃启动器形成到所述锥形多边形管状形状中，以形成完成的管状多边形可压溃结构。

10.  根据权利要求1所述的方法，其中所述重新整形步骤包括将一长度的所述管材的第一部分形成为锥形多边形形状，并且将所述长度的所述管材的第二部分形成为非锥形多边形形状。

11.  根据权利要求1所述的方法，其中所述重新整形步骤包括在所述管材中形成矩形横截面。

12.  根据权利要求1所述的方法，其中所述提供管材的步骤包括由具有至少大约40KSI的抗拉强度的材料制成圆形管材。

13.  根据权利要求1所述的方法，其中所述重新整形步骤包括维持沿着所述管材的材料厚度小于10％的材料厚度变化。

14.  根据权利要求13所述的方法，其中所述重新整形步骤包括维持沿着所述管材的材料厚度小于7％的材料厚度变化。

15.  根据权利要求1所述的方法，其中所述重新整形步骤包括使材料主要沿着所述管材的长度方向而不沿着所述圆形管的圆周方向运动。

16.  一种为纵向撞击能量吸收能力而设计的管状可压溃结构，其包括：
具有锥形部分和与所述锥形部分对准的第二非锥形部分的多边形管，所述管由具有至少40KSI的抗拉强度且具有沿着其整个长度基本恒定的壁厚的单个片材材料制成。

17.  根据权利要求16所述的方法，其中所述壁厚具有沿着其长度小于10％的厚度变化。

18.  根据权利要求16所述的方法，其中所述材料具有至少40KSI的抗拉强度。

19.  根据权利要求18所述的方法，其中所述材料具有至少80KSI的抗拉强度。

20.  根据权利要求16所述的方法，其中所述第二部分具有至少与所述锥形部分一样大的圆周。

管状锥形可压溃结构以及制造方法
相关申请的交叉参考
[0001]本申请根据35U.S.C.§1.19(e)要求享有2006年10月30日递交的题为“管状锥形可压溃结构以及制造方法”的临时申请No.60/863,488的权利。
技术领域
[0002]本发明涉及一种构造成用于例如在车辆碰撞期间的能量吸收和能量管理的可压溃(crushable)结构。
背景技术
[0003]车辆部件设计成通过能量管理减少财产损失并向受撞击的车辆的乘员提供安全。这典型地通过设计用于可预测且可重复的变形的车辆部件而实现。在低速撞击中，诸如保险杠和保险杠支架的部件设计成在受撞击时经由这些部件的变形而吸收大量能量。对于较高速撞击，车辆底盘设计成通过变形吸收能量。侧面撞击也使用诸如底梁、车门槛板、柱、以及车门撞击梁的可变形部件。在侧面撞击部件和那些位于车辆的前部或后部上的部件之间一个主要不同是它们如何设计成经由变形吸收能量。侧面撞击部件经由与这些部件的侧弯曲式形状改变相关联的变形吸收能量。诸如保险杠支架和底盘部件的前部和后部部件设计成沿着与撞击力平行的方向以可折叠方式压溃。在前部和后部撞击中，碰撞发生在运动的车辆和固定的物体(墙壁、障碍物、柱子、树等)之间或在两个运动的车辆之间。撞击能量由于速度和碰撞动力学而通常是高的。底盘部件必须能够以可预测且可重复的方式变形以向乘员提供安全并减少财产损失。
[0004]不同类型的部件破坏根据能量如何吸收而将产生不同的响应曲线和效率变化程度。撞击能量吸收通过使抗撞击力和部件的撞击行程相乘而计算。具有高效率能量吸收的部件总体上说明为在期望的最大行程距离上连续地吸收期望的最大量的能量的部件。在沿着接近轴向方向受撞击时屈曲的管状结构已经吸收了能量，但不是以非常有效的方式吸收了能量。如果管以可折叠方式自身折叠起来，则将是更有效的响应。可折叠式变形在设置的包装空间内提供最大量的能量吸收。最终变形后的部件表现为最小包装空间的堆叠材料。在该文章中所说明的发明是一种可压溃管状结构，所述可压溃管状结构在沿着接近轴向方向受撞击时将以可折叠方式自身塌陷。该发明设计可以按比例用于诸如保险杠支架的较小应用或用于诸如底盘部件的较大应用。
[0005]用于底盘部件和/或保险杠支架二者的管状结构的使用不是新颖的。这些类型的管状结构已经用在遍布车辆的多种部件上。这种类型的管状结构大部分的应用与保护不受轴向或接近轴向的撞击一致。有多种能够生产在沿着接近轴向方向受撞击时将以可折叠方式自身塌陷的管状结构的制造过程。与制造过程相关联的复杂性和固有成本趋向于随着设计的能量管理效率增加而增加。能够生产管状结构部件并通过成本从高到底排列的制造过程包括液压成形、由两个冲压件被点焊在一起而制造的抓斗设计、深拉冲压、使用内心棒(mandrels)进行简单膨胀、以及具有压溃启动器的简单滚压成形的管状设计。管状部件可以通过液压成形处理而形成为具有沿着其长度变化的不均匀横截面的复杂形状，所述不均匀横截面适应于诸如能量吸收的特定需要和特性。例如，车架经常包括液压成形的部件。然而，液压成形处理昂贵、麻烦(由于它们包括在管内布置流体并且继而加压流体)，并且趋向于要求较长的循环时间。另外，当使用诸如高强度低合金(HSLA)材料和/或高级超高强度钢(AUHSS)材料的较高强度的材料时，由于这些材料难于形成，具有低拉伸性和差的可成形性并趋向于使工具快速磨损，因此它们通常变得不令人满意。
[0006]期望的是提供一种可压溃结构，该可压溃结构可以由高强度钢制成，仍然具有合理的成本，并且将在撞击期间压溃，具有极好的可重复且可预测结果。因而，期望一种同样地具有上述优点并解决上述问题的部件及其制造设备和方法。
发明内容
[0007]在本发明的一个方面中，一种形成用于在轴向撞击期间吸收能量的轴向可压溃结构的方法包括：提供一段管材；提供压缩盒和楔入模具；以及使管材定位在压缩盒中，并且使楔入模具至少部分地定位在管材中。管材的至少一部分重新整形成具有非圆形横截面的锥形多边形管状形状，包括在使用楔入模具使管材的材料向外地压成与压缩盒接合时，使用压缩盒控制外形。
[0008]在本发明的另一方面中，一种管状可压溃结构为纵向撞击能量吸收能力而设计。可压溃结构包括具有锥形部分和与该锥形部分对准的第二非锥形部分的多边形管。该管由具有至少40KSI的抗拉强度且具有沿着其整个长度基本恒定的壁厚的材料制成。
[0009]在本发明的另一方面中，一种管状可压溃结构为纵向撞击能量吸收能力而设计。可压溃结构包括多边形管，该多边形管具有锥形多边形部分和非锥形部分，且具有沿着其整个长度基本恒定的壁厚。
[0010]本领域的技术人员在学习以下说明书、权利要求、以及附图后将了解和理解本发明的这些和其它方面、目的、以及特征。
附图说明
[0011]图1是具有恒定截面的原料管材部件和用作缓冲器压溃塔的完成的管状双锥形矩形管部件的透视图；
[0012]图2是用于形成原料管材部件的锥形模具的透视图；
[0013]图3是用于与锥形模具一起使用的直段导引管的透视图；
[0014]图4是用于将圆形管材部件推到锥形模具中的推动颈圈的透视图；
[0015]图5a是从原料管材部件形成的双锥形圆形管的透视图，图5b是由图5a的管制成的双锥形矩形管部件，并且图5c和5d是图5a和5b的端视图；
[0016]图6是心棒组的透视图，并且图6a和6b分别是外心棒和内心棒的透视图；
[0017]图7是压缩盒的透视图，该压缩盒可与图6a和6b的心棒一起用于图5b的双锥形矩形管部件；
[0018]图8是具有压溃启动器的完成的双锥形矩形部件的透视图。
具体实施方式
[0019]本概念结合了生产高强度材料的管的标准低成本制造过程，在受到接近轴向的撞击时所述高强度材料的管就会产生具有强迫挠度响应的轻重量部件，这与通过较昂贵的液压成形处理所产生的部件类似。提出的本发明的概念基于使圆形管材重新形成双锥形矩形部件的能力。压溃启动器在制造过程期间策略上被给予双锥形矩形部件。这里包含的文章将集中在双锥形矩形设计，但应注意，该概念和制造过程可以用在任一有边的多边形形状的管状部件。对于该行业中的任一技术人员应该明显的是限定在本文章内的制造过程克服了与将直的恒定几何形状重新形成不同形状的双锥形几何形状相关联的普通材料的限制。
[0020]提出的本发明的概念利用与如结构钢、高强度低合金(HSLA)钢以及高级超高强度钢(AUHSS)的这些材料的较高物理性质相关联的益处且克服这些材料的可成形性限制。在本文中，当我们参照多种钢时，我们限定结构钢作为具有至少大约40KSI或更高的抗拉强度的材料，高强度低合金(HSLA)钢作为具有至少大约80KSI或更高的抗拉强度的材料，以及高级超高强度钢(AUHSS)作为具有至少大约100KSI或更高的抗拉强度的材料。与这些材料相关联的更高的物理性质在变形期间提供更好的能量吸收，并允许厚度规格减小以得到与较厚规格的低级材料类似的性能。使厚度规格降低且维持性能的能力表现为部分地减少成本和潜在地减少单价。使用具有较高物理性质的材料的重要的缺点是具有较高物理性质的材料在物理性质变得更高时也已经降低可成形性。在屈服和抗拉强度增加时，延伸率降低并继而材料的可成形性降低。本发明的概念克服了与使用较高物理性质的材料相关联的可成形性限制，并且提供减少材料规格的机会以得到与可更容易形成的材料类似的性能。
[0021]以下过程将说明克服与使用较高级材料相关联的可成形性问题和从重新整形的圆形管生产双锥形矩形形状的管所必需的步骤。通过术语“双锥形”，我们意思是一种具有第一锥形部分和不同的第二部分(可以是锥形的或非锥形的)的管。为了说明目的，市场上可买到的圆形拉拔心棒(Drawn-Over Mandrel)(DOM)将被重新形成以产生双锥形矩形管。DOM管由于与DOM过程相关联的额外淬火操作而具有高于那些与电阻焊接(ERW)的管相关联的物理性质的物理性质。用于该示例的DOM材料具有以下物理性质：屈服强度＝67.021psi，抗拉强度＝83.775psi，以及0.2％延伸率＝12.65％。使用具有4.75英寸外径的DOM管材并且管的长度大约24英寸。这些物理性质符合结构钢和HSLA钢。
[0022]在初始的圆形管状部件20(在此也称为“圆形管材”)(图1)中，DOM管材的外径尺寸设计成使得在与部分完成的双锥形矩形管20B的大端的周长比较时该管的圆周尺寸稍小。部分完成的双锥形矩形管20B具有双锥形矩形形状，包括具有第一锥形(或者没有锥形)的第一矩形部分和具有不同的第二锥形的第二矩形部分(参见图1)。圆形管外径尺寸以这种方式设计成允许某一较小的膨胀以得到双锥形矩形的大端的要求周长。重新形成和膨胀过程将在后面段落中详细定义。从圆形到矩形的膨胀量将保持最小以减少材料上的应力。对期望用于这些类型的可变形能量管理部件的更高级材料的降低的可成形性而论，保持最小膨胀是重要的。
[0023]圆形DOM管材20被压到锥形模具25中(图2)。该模具由淬火钢制成并可以在车床上生产。模具25在段26和27中制成以提供容易处理并且也在改变锥形角度和锥形深度方面提供灵活性。如果在圆形管材20被压到锥形主要模具25中(图3)时存在与圆形管材20的柱冲撞(column bucking)相关联的关心，则模具25的直段28可以用于将圆形管材20导引且支承到主要模具25的锥形端部中。对于该特定示例，导引且支承圆形管材20的直段28不必要，并因此不用于DOM管材。
[0024]开发了特殊推动颈圈29(图4)，其配合在圆形管材20的内部，以在管材20被压到锥形模具25中时向管材20的外边缘转移推动载荷。圆形管材20被压到锥形模具25中(图2)通过与其期望的长度一致的距离。在插入到模具25中的端点处，部分完成的圆形管20A的较小锥形端部的圆周在与完成部件21中的锥形矩形形状的小端的最后周长(图5)比较时尺寸稍小。现在的锥形圆形管20A通过向锥形端部施加向上的力而从模具25去除，迫使管20A沿着相反方向返回通过模具25的顶部。应注意，用于使圆形管20A成为锥形的所述模具25是一件原型工具，并且不同的模具结构可以更适合用于大量生产。
[0025]锥形成形过程可以依据锥形的量而使一段初始管20增长较小的量。尤其，周长变化导致这些难于形成的材料中的材料主要沿着管20的长度方向运动。在该示例的情况下，管20A增长大约0.25英寸。管20A的长度增长的量取决于材料的类型、材料厚度以及给予原料管20上的锥形的量。在圆形管20A的厚度方面可以稍微增加，然而，该厚度变化不认为是显著的。如果存在某一厚度增加了，厚度的增加在经历最大量的锥形的圆形管的端部处是最明显的(参见图5，直径“a”)。在锥形成形期间圆形管20A的延伸率实际上使在管上发生最大锥形的点处厚度变化的量减到最小。对于这里的示例，在锥形的端部处的材料厚度仅增加了大约0.009英寸。这与大约0.132英寸的本示例中的平均材料厚度比较，厚度变化小于7％。也应注意，对于用于该概念所建议的材料，在本示例中用于如公认的带卷存储的材料厚度变化典型地是+/-0.005英寸，或大约4％。因此，仅7％的材料厚度变化在本示例中认为是不显著的。对于本讨论，沿着一段管的大约7％或更少的材料厚度变化被认为是沿着锥形管的整个长度的基本恒定的壁厚。
[0026]锥形的圆形管20A现在准备用于重新整形。锥形的圆形管20A现在准备重新整形成双锥形矩形20B。重新整形过程通过结合纯粹重新整形和某一较小膨胀而实现。膨胀将保持成最小，以维持管的壁厚的完整性。三件心棒30用于将圆形管20A重新整形(图6)。心棒30的外部两个件31和32形状形成为表现出矩形的较短的侧(图6a)。这些心棒31和32包括完成的矩形形状的拐角半径。心棒30的第三部分33是中心段(图6b)。两个心棒31和32被键锁(keyed)并通过心棒30的中心段33配合在一起。心棒30的中心段33是锥形的，从而中心段33在两个心棒31和32之间向下运动，心棒31和32伸展开以产生锥形矩形心棒30。图6示出中心段33的恒定角锥度，但是实际上中心段33和/或心棒31和32可以由锥形的段和/或非锥形的段制成。
[0027]三件心棒30因为期望的材料的形成限制而经常不能单独用于使锥形圆形管20A重新整形成双锥形矩形。将形状从圆形改变成矩形所需要的心棒动作潜在地导致显著的材料减薄正好离开矩形最终部分的半径。当重新整形方法没有允许材料从一个形状流到另一形状时会发生减薄。为了使用内心棒进行重新整形并同时使材料的减薄减到最小，期望额外的夹具。开发了压缩盒35(图7)以帮助材料在使用内部三件心棒31至33进行重新整形期间流动。压缩盒35是一种锥形盒，该盒的三个侧面表现双锥形矩形的完成的形状。三个完成的侧面是矩形的两个短侧面和长侧面中的一个。压缩盒35没有模仿完成的形状的半径，而是仅模仿锥形矩形的壁的总体位置。压缩盒35的非固定面36也是矩形的长侧面之一。压缩盒35的该非固定面36调节成向内并靠着锥形圆形管20A，而同时心棒31至33沿着锥形圆形管20A的长度受力。调节压缩盒35的非固定面36的能力用以下方式辅助材料的运动：在没有减薄且没有不期望的变弱的情况下促进将管20A的圆形形状重新整形成完成的部件21的矩形形状。
[0028]压缩盒35减少了需要重新整形部件的膨胀的量并继而减少了材料减薄的量。期望执行减少的膨胀的量对于帮助锥形矩形的端部定尺寸并且对于同时压迫端部几何形状的可重复性是必要的。应注意，所说明的压缩盒35的详细设计仅说明了一个可调节且可运动的表面。然而，预料和展望的是，压缩盒35的多个侧面可以制成为可运动或调节。预料的是一旦本领域的技术人员理解本概念，则他们将理解如何去做。压缩盒35的多个运动表面的使用将辅助材料的运动，并且这会是对更复杂的多边形形状进行重新整形所需要的。增加的可运动表面可能对于增加完成的形状的表面和端部的几何尺寸上的公差也是必要的。
[0029]在生产模式中，展望的是，压缩盒35可以通过液压、气动技术和/或伺服机构调节。展望的是，压缩盒35的非固定面36的调节在心棒31至32沿着圆形管的长度运动时可以调节成与它们的位置同步。这种类型的控制将基于闭环控制系统，其中过程的一方面的定位用于控制过程的另一方面。
[0030]完成的部件21中的锥形形状在管沿着接近轴向方向受撞击时帮助促进可折叠形式的塌陷。这种类型的压溃的可重复性由于沿着加载方向的稍微变化和沿着管的长度的变形位置而是可疑的。为了提高压溃作用的可重复性，压溃启动器40(图8)典型地增加至可压溃部件。压溃启动器40要求的类型、布置、以及数目经常要求研发工作以确定最优化设计。压溃启动器40可以优选地在最终形状已经形成之后增加至部件。对于本示例，压溃启动器40将增加至双锥形矩形形状。
[0031]在生产模式中，压溃启动器40可以使用冲压方法、液压、气动技术等中的任一类型进行增加。当压溃启动器40被冲压到部件中时将更可能需要内部支承件。展望的是，当内部重新整形心棒定位在部件中时压溃启动器40可以增加至部件。内部的外心棒31、32在每个待布置启动器40的位置处将需要释放。中心心棒33能够离开部件而收回，这允许两个外心棒31、32自由地来自正好冲压入的压溃启动器40。在步进梁式生产过程中，压溃启动器40可以增加至独立位置中的部件。也应注意，孔、狭槽等已经在过去通常用作压溃启动器。与增加孔或狭槽相关联的制造过程与标枪(dart)类型的压溃启动器类似。两种类型的压溃启动器在管内部将需要某一类型的支承件，即，心棒、模具钢等。
[0032]本发明概念的优点包括至少以下。部件可以是双锥形的，所述双锥形是一种当沿着接近轴向方向加载时已经证明其自身对于以可折叠方式的塌陷是非常坚固的设计类型。制造“建造”概念没有要求考虑使用高级钢的材料的高度可成形性。本发明的概念扩展为将为本申请所用的可接受的原钢，其包括结构钢(具有至少40KSI的抗拉强度)、高强度低合金(HSLA)钢(具有至少80KSI的抗拉强度)以及高级超高强度钢(AUHSS)(具有至少100KSI或更高的抗拉强度)。这些可接受的材料等级大大高于那些用于诸如液压成形和膨胀的其它制造过程的可接受的材料等级。需要的制造步骤不是唯一的，而代替的是该概念的唯一性在于这些制造过程如何结合以生产这些端部产品。适当的材料选择可以导致通过使材料厚度降低规格且利用较高等级材料而得到较轻重量的部件。这样可以导致减少单价。
[0033]应理解的是，在没有脱离本发明的概念的前提下可以在上述结构上进行变化和修改，并且还应理解的是，除了以下权利要求通过它们的语言另外特别地阐述以外，这些概念意在通过这些权利要求覆盖。
本发明要求排他性的权利或特权的实施例在以下权利要求书中限定。