CN105799625A - 用于机动车辆的可变刚度能量吸收器 - Google Patents
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Abstract
一种车辆保险杠能量吸收器系统包括泡沫能量吸收器(EA),该泡沫能量吸收器用于横向安装在保险杠的前方并具有形成于其中的多个腔。可变刚度元件位于腔内并嵌入EA内。可变刚度元件由通过磁流变流体处理的开孔泡沫形成。电磁设备与相应的元件共同定位并通电以产生作用于磁流变元件的磁场,并由此增加元件的刚度。当通电时,该元件增加了EA/元件系统的整体刚度;当电磁设备未通电时,EA自身的刚度相对低以满足行人保护目标。在不要求行人保护但低速损伤能力目标是重要的速度下,电磁设备通电以使EA/元件系统变硬。
Description
技术领域
本公开涉及用于机动车辆的撞击能量吸收系统,并且涉及这样的系统:该系统包括具有嵌入其中的可变刚度元件的恒定刚度能量吸收器。可变刚度元件包括通过磁流变材料处理的开孔泡沫块,并且电磁设备与该泡沫块共同定位以产生磁场,从而在需要时增强泡沫块的刚度。
背景技术
用于机动车辆(客车、轻型卡车、运动型多功能车、混合型多功能车等)的典型保险杠系统通常包括保险杠(也被普遍称为保险杆梁)和一个或多个能量吸收部件,保险杠相对于车辆横向延伸,一个或多个能量吸收部件安装在保险杠的前方。保险杠一般由金属和/或其它高强度材料制成,能量吸收器(EA)一般由泡沫材料制成并设计为使其变形以吸收相对低速撞击的动能。塑料饰板(和/或其它装饰部件)可以覆盖保险杠系统以实现期望的外观和空气动力学。
对于大多数乘用车辆,EA应被设计为具有足够的刚度以符合规章要求和/或涉及使由低速撞击对车辆造成的损伤最小化的其它目标。设计约束条件(车辆造型、空气动力学等)可能要求EA较薄(如沿着车辆的纵向轴线所测),因此EA必须由相对刚性的材料制成以达到抗撞击损伤的足够水平。
用于一些车辆的保险杠系统也被设计成符合行人保护要求或涉及避免由移动车辆对行人撞击时造成的伤害或使该伤害最小化的目标。行人保护的通用准则是小腿伤害,并且使此类伤害最小化的一种方法是降低EA的刚度,使得保险杠系统的撞击小腿的部分“较软”。使低速损伤能力与行人保护目标平衡对于车辆设计者可能存在挑战。
已知的是,利用磁流变(MR)设备改变或调整车辆结构部件的刚度以响应于预测到的碰撞或实际碰撞。例如参见美国专利申请No.2004/0117086A1。MR设备使用MR流体,该MR流体具有低至可以忽略的剪切强度,直到它受到磁场的作用时,其剪切强度增加,且剪切强度增加的量取决于磁场强度。因此,可控电磁设备可用于在需要时施加磁场以达到MR设备中期望水平的刚度。
发明内容
根据公开的实施例,用于车辆的装置包括:能量吸收器,该能量吸收器用于横向安装在车辆前保险杠的前方;多个元件,该多个元件嵌入能量吸收器内并且包括通过磁流变材料处理的开孔泡沫;以及电磁设备,该电磁设备可通电以产生作用于元件的磁场,从而使元件的刚度增加至大于能量吸收器的刚度的水平。
该装置还可包括控制模块,控制模块基于车速可操作地指挥电磁设备的通电。例如,控制器可在车速低于阈值时指挥相对较高的通电而在车速高于阈值时指挥相对较低的通电。速度阈值可与诸如低速损伤能力和/或行人保护的目标有关。
在进一步的实施例中,用于车辆的可变刚度能量吸收器系统包括具有第一刚度的能量吸收器以及嵌入该能量吸收器内并且彼此间隔开的多个元件,该元件包括通过磁流变材料处理的开孔泡沫。该系统还包括多个电磁设备,该多个电磁设备与相应的元件共同定位并且可被充电以产生作用于磁流变材料的磁场,从而给予元件大于第一刚度的第二刚度。电子控制模块可操作地指挥多个电磁设备的充电。
能量吸收器及上述元件可在电磁设备未通电时提供适于行人损伤减小的第一整体刚度。能量吸收器及上述元件可在电磁设备通电时提供适于在低速碰撞期间减少对车辆的损坏的第二整体刚度。控制器可基于车速控制多个电磁设备的通电/充电。
控制器可基于来自车辆通讯总线的数据确定车速。
上述元件中的至少一个元件可具有在从10%到20%的近似范围内的MR材料相对于泡沫的体积分数。
在另外的实施例中,车辆保险杠能量吸收器系统包括:泡沫块,该泡沫块用于横向安装在保险杠的前方,并且具有第一刚度和形成于其中的多个腔;位于泡沫块的相应腔内的多个元件,该多个元件包括通过磁流变材料处理的开孔泡沫;以及多个电磁设备,该多个电磁设备与相应的元件共同定位以在通电时产生作用于元件的磁流变材料的磁场。
附图说明
图1为具有本文公开的常规类型的保险杠系统的机动车辆的立体示意图;
图2为具有嵌入其中的可变刚度元件的能量吸收器系统的示意图;
图3为图2的能量吸收器的分解图;
图4为串联的电磁设备的示意图;
图5为通过不同量的MR流体处理以及在不同磁场强度下的泡沫元件的实验测试结果的图表;
图6为具有嵌入的可变刚度元件的能量吸收器的第二实施例的示意图。
具体实施方式
根据需要,本文公开了本发明的详细实施例;但是应当理解,所公开的实施例仅为能够以各种替代形式实施的本发明的示例。附图不一定按比例绘制;一些特征可能被放大或缩小以展示特定部件的细节。因此,本文公开的具体结构和功能细节不应解释为限制,而仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式应用本发明的代表性基础。
如图1中所见,机动车辆10包括保险杠组件12,保险杠组件12包括通常横交于车辆(沿图1中指示的y轴)布置的保险杠14以及定位在保险杠14前方的能量吸收器(EA)16。
本领域众所周知,饰板18可布置在保险杠组件12的前部以实现车辆前部的期望的外观和/或空气动力学。如在本领域中众所周知地,保险杠14通常由诸如钢或铝的高强度材料制成。
EA16优选地由具有相对低的刚度的开孔泡沫材料形成。如本文所用的术语“相对低的刚度”是指刚度水平足够低,使得当EA16被可操作地安装在车辆中时,由此产生的结构足以满足期望的行人保护目标。EA16被绘示为单一零件,但其可被可替代地制造成当被将安装在车辆中时跨越保险杠14的宽度的多个零件。
现参照图2和图3,EA16具有形成于其中的多个孔或腔20以接收相应的可变刚度元件22。元件22插入孔20中使得它们嵌入EA16中并且横跨EA16的宽度(车辆y轴)彼此间隔开。
可变刚度元件22由已经通过磁流变(MR)流体处理的开孔泡沫材料形成(例如,可由聚氨酯或其它聚合物制成)。经发现,通过相对少量的MR流体处理的开孔泡沫当受到磁场作用时将表现出显著增加的刚度。MR流体只需要涂覆该泡沫的单元结构(孔)的内表面,这要求大大少于使泡沫的孔饱和或充满此孔所必需的流体的量。
用于处理元件22的MR流体的量可表示为MR流体相对于泡沫的体积分数(百分数)。经发现,具有在从10%到20%的近似范围内的MR流体体积分数的泡沫元件在暴露于磁场时表现出刚度上的显著增加。图5的图表示出了当具有不同的MR流体相对于泡沫的体积分数的泡沫元件暴露于四种不同强度(以单位特斯拉T表示)的磁场时的实验测试结果。降低MR流体的体积分数与减少的元件22的成本相关。
电磁(EM)设备24与相应的元件22共同定位。导电线26与EM设备24连接以向其供应电力。图2和图3示出了以电串联方式连接的EM设备24,然而这仅仅是为了描述的简便,因为其它的电布置也可以是有利的。
EM设备24可包括在被供应电力时产生电磁场的任何装置。例如,EM设备可采取如本领域熟知的电线圈和由含铁材料制成的相关部件(例如板或芯)的形式以当线圈通电时产生磁场。在图4所示的另一个实施例中,每个EM设备均包括一对由含铁材料制成的位于相应的泡沫元件22的相对侧上的板24a。
EM装置24被设计并定位(相对于元件22)成以产生磁场,该磁场将通过最低的电力使用环绕元件22。尽管当前附图绘示出一个EM装置24与每个元件22共同定位,但可能有利的是使用单一EM设备并将其定位成以影响不止一个元件。
电线26与电子控制模块(CM)28和电源30连接,其中电源30可例如为车辆的电池和/或发电机/交流发电机。如图2所示,CM28与车辆的高速数据总线(例如,在汽车技术中公知的常规类型的CAN总线32)电连接。CM28经由CAN总线32获得来自速度传感器34的车辆速度信号并且执行预编程逻辑以确定供应至EM设备24的电力水平或电力的量。
在低速损伤能力要求/目标应用的车速范围(通常低于10kph)内,CM28向EM设备24供应电力,该电力足以产生影响元件22的MR流体的磁场,并且由此增加元件的刚度。当受到磁场作用时,元件22的刚度大于EA16的刚度。元件22具有足够的尺寸并且彼此间隔开,因此当通电时它们补充EA16的相对低的刚度,并且组合的EA/元件系统的整体刚度增加至足以满足低速损伤能力要求/目标的水平。“整体刚度”在这里指的是:当EA/元件组合撞击另一物体时与可变刚度元件22(以及任何其它部件,例如饰板18)结合的EA16的有效刚度。
在行人小腿损伤减小要求或目标应用的车速范围(欧洲新车评估测试(EuroNCAP)目前以40kph测试)内,供应至元件22的电力降低或完全切断,从而导致元件22的刚度减小以及EA/元件系统的整体刚度减小。通过调整供应至元件22的电力水平,可以实现期望水平的整体EA/元件刚度,以便达到在损伤能力要求与行人保护要求之间的期望的平衡。应用于特定车辆以及特定地理位置中的具体要求/目标可用来确定由CM28实施的逻辑从而确定在给定速度下的电力水平。
可变刚度元件的尺寸、数量和布置的各种置换可用于在所需的最低部件成本和最小量的电力的情况下实现期望的能量吸收器的整体刚度。例如,在图6示出的实施例中(如与图2和图3相比),更多数量的更小的元件122嵌入在EA116中。不同的可变刚度元件布置的性能(数量、尺寸、图案和相邻元件之间的间距)可以通过计算机辅助分析、物理测试和/或其它已知类型的分析来确定。
嵌入且遍布在具有适于行人保护的刚度水平的能量吸收器内的多个可变刚度元件的提供允许EA的整体刚度在需要时增加至适于低速损伤能力目标的水平。与整个能量吸收器通过MR流体处理的设计相比,本发明在实现期望的刚度水平所需的MR流体的量和所需电力的量方面的成本均降低的情况下实现了这些目的。而且,与充满MR流体的泡沫元件相比,所公开的具有低MR流体体积分数的可变刚度元件导致降低的成本。
尽管上文描述了示例性实施例,但并不意味着这些实施例描述了本发明的所有可能形式。相反,说明书中所使用的文字为描述性文字而非限制性文字,并且应当理解,在不背离本发明的精神和范围的情况下可进行多种改变。此外,可将各种可执行实施例的特征进行组合以形成本发明的进一步的实施例。
Claims (20)
1.一种用于车辆的装置,包括:
用于横向安装在保险杠的前方的能量吸收器;
多个元件,所述元件嵌入所述能量吸收器内并且包括通过磁流变材料处理的开孔泡沫;以及
电磁设备,所述电磁设备可通电以产生作用于所述元件的磁场,从而使所述元件的刚度增加至大于所述能量吸收器的刚度的水平。
2.根据权利要求1所述的装置,还包括控制模块,所述控制模块基于车速可操作地指挥所述电磁设备的通电。
3.根据权利要求2所述的装置,其中,控制器在所述车速低于阈值时指挥相对较高的通电,并且在所述车速高于所述阈值时指挥相对较低的通电。
4.根据权利要求2所述的装置,其中,所述控制器基于来自车辆通讯总线的数据确定所述车速。
5.根据权利要求1所述的装置,其中,所述电磁设备包括一对含铁金属板,所述含铁金属板位于所述元件中的至少一个元件的相对侧上。
6.根据权利要求1所述的装置,其中,所述元件中的至少一个元件具有在从10%到20%的近似范围内的磁流变材料相对于泡沫的体积分数。
7.根据权利要求1所述的装置,其中,所述电磁设备包括与相应的所述元件共同定位的多个设备。
8.一种用于车辆的可变刚度能量吸收器系统,包括:
具有第一刚度的能量吸收器;
嵌入所述能量吸收器内并且彼此间隔开的多个元件,所述元件包括通过磁流变材料处理的开孔泡沫;
多个电磁设备,所述电磁设备与相应的所述元件共同定位,并且可被充电以产生作用于所述磁流变材料的磁场从而给予所述元件第二刚度,所述第二刚度大于所述第一刚度;以及
控制器,所述控制器可操作地指挥多个所述电磁设备的充电。
9.根据权利要求8所述的能量吸收器系统,其中,所述能量吸收器和所述元件组合以在所述电磁设备未被充电时提供适于行人损伤减小的第一整体刚度,并且所述能量吸收器和所述元件组合以在所述电磁设备被充电时提供适于在低速碰撞期间减少对车辆的损坏的第二整体刚度,并且所述控制器基于车速控制多个所述电磁设备的充电。
10.根据权利要求8所述的能量吸收器系统,其中,所述控制器在所述车速低于阈值时指挥相对较高的通电,并且在所述车速高于所述阈值时指挥相对较低的通电。
11.根据权利要求10所述的能量吸收器系统,其中,所述控制器基于来自车辆通讯总线的数据确定所述车速。
12.根据权利要求8所述的能量吸收器系统,其中,所述电磁设备中的至少一个电磁设备包括一对含铁金属板,所述含铁金属板位于所述元件中的至少一个元件的相对侧上。
13.根据权利要求8所述的能量吸收器系统,其中,所述元件中的至少一个元件具有在从10%到20%的近似范围内的磁流变材料相对于泡沫的体积分数。
14.一种车辆保险杠能量吸收器系统,包括:
用于横向安装在保险杠的前方的泡沫块,所述泡沫块具有第一刚度并且具有形成于所述泡沫块中的多个腔;
位于所述块的相应的所述腔内的多个元件,所述元件包括通过磁流变材料处理的开孔泡沫;以及
多个电磁设备,所述电磁设备与相应的所述元件共同定位以在通电时产生作用于所述元件的所述磁流变材料的磁场。
15.根据权利要求14所述的能量吸收器系统,还包括控制模块,所述控制模块基于车速可操作地指挥所述电磁设备的通电。
16.根据权利要求15所述的能量吸收器系统,其中,控制器在所述车速低于阈值时指挥相对较高的通电,并且在所述车速高于所述阈值时指挥相对较低的通电。
17.根据权利要求15所述的能量吸收器系统,其中,所述泡沫块和所述元件组合以在所述电磁设备未通电时提供适于行人损伤减小的第一整体刚度,并且所述泡沫块和所述元件组合以在所述电磁设备通电时提供适于在低速碰撞期间减少对车辆的损坏的第二整体刚度,所述控制器基于所述车速控制多个所述电磁设备的通电。
18.根据权利要求15所述的能量吸收器系统,其中,所述控制器基于来自车辆通讯总线的数据确定所述车速。
19.根据权利要求14所述的能量吸收器系统,其中,所述电磁设备中的至少一个电磁设备包括一对含铁金属板,所述含铁金属板位于所述元件中的至少一个元件的相对侧上。
20.根据权利要求14所述的能量吸收器系统,其中,所述元件中的至少一个元件具有在从10%到20%的近似范围内的磁流变材料相对于泡沫的体积分数。
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