阅读说明：本技术 组合式复合金属能量吸收器 (Combined composite metal energy absorber ) 是由 R·杰尔杰伊 B·A·纽柯布 B·沙 于 2019-05-22 设计创作，主要内容包括：一种组合式复合金属能量吸收器,包括复合结构以及具有第一部分和第二部分的第一金属管,第一部分连结到复合结构。复合结构和第一金属管具有定制挤压曲线,以避免复合结构和第一金属管中任一个的过早压坏。(A modular composite metal energy absorber includes a composite structure and a first metal tube having a first portion and a second portion, the first portion being joined to the composite structure. The composite structure and the first metal tube have tailored crush curves to avoid premature crush of either of the composite structure and the first metal tube.)

组合式复合金属能量吸收器

引言

本发明涉及能量吸收器。更具体地，本发明涉及一种组合式复合和金属能量吸收器。

改进车辆部件的挤压性能是有利的。因此，在正常使用期间以及在诸如碰撞之类的特殊状况下表现出足够强度的车辆部件是有利的。然而，目前的采用复合和金属部件的能量吸收器通常不会利用能量吸收器的整个长度。

因此，虽然目前的能量吸收器实现了它们的预期目的，但是需要一种利用整个能量吸收器的新的和改进的能量吸收器。

发明内容

根据若干方面，组合式复合和金属能量吸收器包括复合结构以及具有第一部分和第二部分的第一金属管，第一部分连结到复合结构。复合结构和第一金属管具有定制挤压曲线，以避免复合结构和第一金属管中任一个的过早压坏。

在本发明的另一方面，第一金属结构的第一部分定位在复合结构的一部分内。

在本发明的另一方面，能量吸收器还包括第二金属管，其中第二金属管定位在第一金属管的第二部分上。

在本发明的另一方面，第一金属管的起始力曲线和扩展力曲线使得在第一金属管中的期望位置处开始压坏并且挤压沿着第一金属管扩展，而不会在组合式复合和金属能量吸收器中的其它位置过早地开始挤压。

在本发明的另一方面，复合结构的起始力曲线和扩展力曲线使得在复合结构中的期望位置处开始压坏并且挤压沿着复合结构扩展，而不会在组合式复合和金属能量吸收器中的其它位置过早地开始挤压。

在本发明的另一方面，组合式复合和金属能量吸收器的挤压力响应曲线小于过早地挤压复合结构的力。

在本发明的另一方面，扩展力随着复合结构中的位置而增大。

在本发明的另一方面，扩展力随着第一金属结构中的位置而增大。

在本发明的另一方面，组合式复合和金属能量吸收器的挤压力响应曲线小于过早地挤压第二金属管的力。

在本发明的另一方面，第一金属管具有与复合结构接合的互锁特征。

在本发明的另一方面，互锁特征为螺旋形螺纹特征。

在本发明的另一方面，互锁特征为扇形特征，其能够在第一金属管的端部处实现受控变形。

在本发明的另一方面，第一金属管具有受控变形区域。

在本发明的另一方面，互锁特征位于第一金属管的外表面上，并且第一金属管定位在复合结构内。

在本发明的另一方面，互锁特征位于第一金属管的内部表面上，并且第一金属管围绕复合结构定位。

根据若干方面，能量吸收器包括复合结构和连结到复合结构的金属管。金属管具有与复合结构接合的互锁特征。

在本发明的另一个方面，复合结构和金属管具有定制挤压曲线，以避免复合结构和金属管中任一个的过早压坏。

产生组合式复合和金属能量吸收器的挤压响应曲线的方法包括：产生复合结构的起始力曲线和扩展力曲线；产生第一金属管的起始力曲线和扩展力曲线；以及将复合结构和第一金属管的起始力曲线和扩展力曲线组合，以产生组合式复合和金属能量吸收器的挤压响应曲线。

在本发明的另一方面，复合结构和第一金属管具有定制挤压曲线，以避免复合结构和第一金属管中任一个的过早压坏。

在本发明的另一方面，该方法还包括：产生第二金属管的起始力曲线和扩展力曲线；以及将第二金属管与复合结构和第一金属管的起始力曲线和扩展力曲线组合，以产生组合式复合和金属能量吸收器的挤压响应曲线。

根据本文提供的描述，其它应用领域将变得显而易见。应该理解的是，描述和具体示例仅用于说明的目的，并不旨在限制本发明的范围。

附图说明

本文描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本发明的范围。

图1A示出了根据本发明原理的组合式复合和金属能量吸收器的示例；

图1B示出了图1A中所示的组合式能量吸收器的复合结构的定制挤压曲线；

图2A-图2D示出了部件几何形状对部件上的起始力和扩展力的影响；

图3A-图3G示出了根据本发明原理的用于构造用于组合式复合和金属能量吸收器的建议挤压力响应曲线的方法；

图3H示出了根据本发明原理的用于组合式复合和金属能量吸收器的建议挤压力响应曲线；

图4A、图4B和图4C示出了根据本发明原理的组合式复合和金属能量吸收器的三个部件的侧剖视图及其相应的起始曲线和扩展曲线；

图5A和图5B示出了当组合式能量吸收器被挤压时该组合式能量吸收器的建议力位移响应；

图6A和图6B示出了根据本发明原理的用于复合-金属组件的管状连接的侧剖视图；

图7A和图7B示出了根据本发明原理的用于复合-金属组件的替代连接的侧剖视图；

图8A和图8B示出了根据本发明原理的用于复合-金属组件的另一替代连接的侧剖视图；

图8C示出了图8A和图8B中所示的复合-金属组件的侧视图；

图9A、图9B和图9C示出了根据本发明原理的用于复合-金属组件的又一替代连接的端视图；

图10A和图10B示出了根据本发明原理的用于复合-金属组件的又一替代连接的侧剖视图；

图11A和图11B示出了根据本发明原理的用于复合-金属组件的又一替代连接的侧剖视图；

图12A和图12B示出了根据本发明原理的用于复合-金属组件的又一替代连接的侧剖视图；以及

图13示出了根据本发明原理的用于复合-金属组件的又一替代连接的侧剖视图。

具体实施方式

以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本发明、应用或用途。

参照图1A、图4A、图4B和图4C，示出了沿组合式复合和金属能量吸收器10的长度的横截面图，该能量吸收器具有复合结构11、第一金属管12和第二金属管13。第一金属管12用作将复合结构11和第二金属管13连结在一起的金属接头。能量吸收器10的压坏开始于图的左侧并沿箭头N1所示的方向扩展。

复合结构11具有第一部分14和第二部分15，而第一金属管12具有锥形第一部分16和圆柱形部分17。锥形部分16与复合结构11的第一部分14的内部配合。第二金属管13具有大致圆柱形的内部18，其定位在第一金属管12的大致圆柱形部分17上。

组合式复合和金属能量吸收器10的各个部件11、12和13具有定制的挤压曲线(力与位移)。图1B中示出了用于复合结构11的示例性定制挤压曲线。定制挤压曲线的特性特征是起始力N2和扩展力N3。在沿着特定部件的挤压长度的每个位置处，可以描述起始力和扩展力。起始力是在沿着部件长度的该特定位置处开始压坏所需的力。扩展力是当挤压从挤压起始区域沿着部件长度继续通过特定位置时继续压坏部件所需的力。在图1A、图2A-图2D以及图4A-图4C中，扩展方向从左到右，如箭头N1所示。

起始力和扩展力都可受到挤压结构的几何形状或材料性质的影响。作为示例，具有恒定横截面的挤压结构可以沿着结构的长度具有恒定的起始力和扩展力，如图2A所示。可以结合挤压结构的端部上的特征以减小起始力，并控制挤压起始的位置，如图2B所示。厚度的锥度可以沿着挤压结构的长度增大或减小起始力和扩展力，如图2C和图2D所示。注意到，在图2A-图2D及所有的后续图中，起始力由点线表示，并且扩展力由虚线表示。

对于组合式复合和金属能量吸收器10中的每个部件，在图4A、图4B和图4C中的每个部件下方绘制了起始力和扩展力曲线(沿着能量吸收器或部件的长度的力与位置)。具体地，复合结构11的起始力24和扩展力22示出了沿着能量吸收器的长度在第二部分15中的力的增大和在第一部分14中的力的减小。类似地，示出了第一金属管12的起始力28和扩展力26，并且示出了第二金属管13的起始力32和扩展力30。线20表示在沿着组合式能量吸收器10的长度的其它位置所需的最小起始力，以避免在除所需位置(此处在能量吸收器的左端)之外的位置处开始挤压。此外，组合式能量吸收器10的挤压力响应在挤压扩展方向上在进一步沿着能量吸收器的长度的任何位置处不得超过起始力。注意到，组合式能量吸收器的单个部件的起始力和扩展力可以小于组合式能量吸收器的挤压力响应，如图4A-图4C中的线20(组合式能量吸收器的起始力)所示。然而，组合式能量吸收器10在具有这种部件的区域中的挤压必须是多个部件的组合响应，以避免能量吸收器10的过早压坏。

假设部件11、12和13的定制挤压曲线是累积的，图3A-图3G示出了用于组合每个部件的起始力和扩展力曲线以产生组合式能量吸收器10(图3H)的建议挤压力响应曲线的步骤。同样，起始力由点线表示，并且扩展力由虚线表示；挤压力响应曲线由实线表示。也可以用适当的表征将组合或连结效果结合到该方法中，但是为了简单起见，这里不包括这些效果。组合式能量吸收器的起始力是起始力曲线的最低值。挤压将在沿着组合式能量吸收器长度的该位置处开始。在这个示例中，挤压旨在从最左侧开始。组合式能量吸收器的起始力N4取自复合结构11的起始曲线24的最左端(图3A)。在挤压开始之后，组合式能量吸收器10中的建议挤压力响应曲线N6继续通过区域R1，如复合结构11的扩展曲线22所示(图3B)。当挤压到达复合结构11和第一金属结构12的重叠区域R2时，挤压在第一金属结构12的锥形部分16中开始。这里，组合式能量吸收器10的建议挤压力响应曲线N7是复合结构11的扩展曲线22和第一金属结构12的起始曲线28的组合(图3C)。在第一金属结构12中开始挤压之后，建议挤压力响应曲线N8在组合式能量吸收器10的该重叠区域R2中继续，作为复合结构11的扩展曲线22和第一金属结构12的扩展曲线26的组合(图3D)。

当挤压到达复合结构11和第一金属结构12的重叠区域的端部时，存在到第一金属结构12和第二金属结构13的重叠区域的过渡。利用相同的方法，组合式能量吸收器10的建议挤压力响应曲线N9是第一金属结构12的扩展曲线26和第二金属结构13的起始曲线32的组合(图3E)。在组合式能量吸收器10的重叠区域R3中，建议挤压力响应曲线N10是第一金属结构12的扩展曲线26和第二金属结构13的扩展曲线30的组合(图3F)。在最终区域R4中，建议挤压力响应曲线N11是第二金属结构13的扩展曲线30(图3G)。

转向图5A，示出了当能量吸收器被挤压时得到的建议挤压力响应曲线40。在区域R2和R3之间的过渡处，建议曲线的大小超过区域R4中的起始曲线32的大小。因此，如果组合式能量吸收器10的挤压继续到该过渡，则将在区域R4中的第二金属结构13中开始挤压。利用上述方法的结果，可以做出设计决定以减轻不必要的压坏。设计变化的两个选择是：(1)可以限制挤压长度并因此限制设计挤压能量，或者(2)可以重新设计第二金属结构13以承受更高的压坏力。

通过限制挤压长度N12，可以避免区域R4中的过早挤压，并且可以估计出建议实际挤压力响应曲线。图5B示出了在能量吸收器10压坏期间挤压长度限制于区域R1和R2(其也限制了可允许的挤压能量)的实际挤压力响应曲线60。

现在转向图6A和图6B，示出了具有复合管102和金属管104的组件100。复合管102具有内部区域111和外表面108。金属管104具有限定内部区域112的内部表面110。一组互锁特征(例如一组齿106)定位在内部表面110上。为了将复合管102和金属管104连结在一起，加热一个或两个部件。然后将复合管102***内部区域112中，使得该组齿106与复合管102形成机械互锁接头。注意到，在其它布置中，复合管是外管，而金属管是内管，其中互锁特征位于金属管的外表面上。

现在转向图7A和图7B，示出了具有复合管102和金属管104的组件200。一组互锁特征(例如螺纹区域206)定位在内部表面110上。为了将复合管102和金属管104连结在一起，在复合管102上按压并拧入内部金属管104中，如箭头208所示。在组装结构200之前，可以加热复合管和金属管中的任一个或两者。注意到，在其它布置中，复合管是外管，而金属管是内管，其中螺纹位于金属管的外表面上。

转向图8A、图8B和图8C，示出了具有复合管102和金属管304的组件300。金属管304具有限定内部区域312的内部表面310。一组顺从的扇形特征314形成在金属管304的一个端部。为了将复合管102和金属管304连结在一起，将复合管102***金属管304中，并将压力320施加于扇形特征314，以使特征塑性变形到复合管102中。在一些布置中，利用工具324施加压力320。在某些布置中，工具324保留在组件300上。

参照图9A、图9B和图9C，示出了组件400的一部分，金属管404。取代先前关于金属管304描述的开口扇形314，金属管404在管的端部具有受控的变形区域450，定位于金属管404的壁部分440之间。在将复合管102***金属管404的端部之后，将压力560施加于金属管404，从而使变形区域450变形，使得金属管404与复合管102连结。注意到，在某些布置中，金属管404以及金属管304结合有机械互锁特征660，以接合复合管102。

转向图10A和图10B，示出了具有复合管702和金属管704的组件700。复合管702具有内部区域711和外表面708。复合管在一些布置中具有位于管中的扩口或者位于管702的端部处的台阶712、714。金属管104具有内部区域712和位于其外部表面上的一组互锁特征716，诸如例如一组齿。为了将复合管702和金属管704连结在一起，加热一个或两个部件。然后将复合管702的台阶区域712、714推入到互锁特征716上。将压力720施加于台阶区域712、714，使得互锁特征716与台阶区域712、714形成接头。

现在转向图11A和图11B，示出了具有复合管802和金属管806的组件800，复合管和金属管通过由金属材料或复合材料制成的锥形接口接头804连结在一起。复合管802具有外部表面812和带有锥形内部表面810的内部区域808。金属管806具有外部表面820和限定内部区域824的内部表面822。接口接头804具有外部表面814和限定内部区域816的内部表面818。为了将复合管802和金属管806连结在一起，将接口接头804放置在复合管802中以形成过盈配合，如图11B所示，而接口接头804和金属管806在某些布置中形成金属对金属接头，它们可以例如用自攻螺纹连结在一起。

参照图12A和图12B，示出了具有复合管802、接口接头804和金属管806的另一组件900。在这种布置中，将接口接头804再次放置在复合管802中以在接口接头804与复合管802之间形成过盈配合。然后将接口接头804的端部形成或扩口以形成台阶区域830、832，如图12A的右手侧所示。然后将金属管806***扩口区域830、832中，以将金属管806连结到复合管802。

现在转向图13，示出了具有复合管902和金属管904的组件900。复合管902具有由内部表面906限定的内部区域908。金属管904具有内部区域912和带有一组互锁特征(例如一组齿914)的外部表面910。为了将复合管902和金属管904连结在一起，加热一个或两个部件。然后将该组互锁特征914***复合管902中，使得该组互锁特征914与复合管902形成机械互锁接头。组件900还包括承载和位置限制特征916。

在先前描述的任何组件中，在各种布置中，复合管利用聚合物基质中的短切或连续纤维。合适的基质材料包括热塑性塑料和热固性塑料。纤维材料包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、对位芳族聚酰胺纤维、间位芳族聚酰胺纤维、聚乙烯纤维及其任何组合。增强材料可以制成机织织物、连续无规织物、不连续无规纤维、短切无规织物、连续线束单向层、定向短切线束层、编织织物及其任何组合。

本发明的描述本质上仅是示例性的，并且不脱离本发明主旨的变型旨在落入本发明的范围内。不应将这些变型视为脱离本发明的精神和范围。