CN108502031B - 一种具有微元胞填充层的汽车门槛 - Google Patents

Abstract

本发明属于汽车用零部件领域,具体涉及一种具有特殊微元胞填充层的汽车门槛，该汽车门槛包括：设置在内、外两侧的汽车门槛板，设置在内、外两侧汽车门槛板之间的微元胞填充层，微元胞填充层是由多个单元胞在X向、Y向、Z向上依次排列组合而成的立体结构；单元胞由四个吸能件组合构成，相邻的两个吸能件相互垂直设置，四个吸能件的顶端、底部均通过一个正方体的连接块连接，使其形成一个整体；吸能件包括第一横向吸能部、与第一横向吸能部对称设置的第二横向吸能部、第一竖向吸能部、与第一竖向吸能部对称设置的第二竖向吸能部；本发明的优点是：汽车门槛结构简单，吸能效果好，适应很多车型，使侧面碰撞峰值降低，能更好的保护驾驶员生命安全。

Description

一种具有微元胞填充层的汽车门槛

技术领域

本发明属于汽车用零部件领域,具体涉及一种具有微元胞填充层的汽车门槛。

背景技术

随着汽车保有量的不断上升,汽车交通事故的发生频率也逐渐增长,汽车主被动安全性变得越来越重要。在美国碰撞事故调查统计中,侧面碰撞的概率占7％,在日本碰撞事故调查统计中,侧面碰撞的概率占12.7％。因为侧碰，是距离驾驶员相对较近的位置，对驾驶员的生命安全具有很大的威胁，所以加强侧面碰撞的安全性显得尤为重要。

汽车门槛是侧面碰撞的主要吸能构件，也是众多学者研究侧面碰撞的热点。目前，提高侧面碰撞安全性的一般措施是提高板件厚度和增加加强筋，而这样会导致汽车变重，不满足汽车轻量化的趋势要求；此外，加强筋结构虽然能增加门槛强度，但是并不利于门槛变形去吸收碰撞能量，当外界冲击能量过大时，将推动门槛板冲击驾驶室，对驾驶员造成伤害。

近几年，多胞材料在不断发展和应用，多胞材料优越的吸能性能以及本身自带的轻量化的性能已经成为了各行业的研究热点，同样，如果将其合理的应用于汽车门槛上，也会产生积极的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有微元胞填充层的汽车门槛，以解决现有汽车门槛侧面碰撞时吸能效果不好、重量大、生产成本高的技术难题。

为实现上述目的，本发明是采用如下技术方案实现的：

一种具有微元胞填充层的汽车门槛，包括设置在内、外两侧的汽车门槛板，设置在内、外两侧汽车门槛板之间的微元胞填充层，所做的改进是：

所述微元胞填充层是由多个单元胞在X向、Y向、Z向上依次排列组合而成的立体结构；所述单元胞由四个吸能件组合构成，相邻的两个吸能件相互垂直设置，四个吸能件的顶端、底部均通过一个正方体的连接块连接，使其形成一个整体；所述吸能件包括第一横向吸能部、与第一横向吸能部对称设置的第二横向吸能部、第一竖向吸能部、与第一竖向吸能部对称设置的第二竖向吸能部；其中，所述第一横向吸能部倾斜设置在顶端的连接块的一个侧面上，第一横向吸能部与连接块水平面的夹角α1为140°-170°；所述第一横向吸能部的另一端与第一竖向吸能部连接，第一横向吸能部与第一竖向吸能部之间的夹角β1为45°-60°；在所述第一横向吸能部与第一竖向吸能部连接端的外表面加工有一个水平连接面和一个竖直连接面；所述水平连接面用于与另外一个单元胞在Y向进行连接；所述竖直连接面用于与另外一个单元胞在X向或Z向进行连接；所述第一竖向吸能部与第二竖向吸能部通过竖直缓冲部连接，通过竖直缓冲部将作用在吸能件上的应力分解，分别作用到各吸能部上；所述第二竖向吸能部的另一端与第二横向吸能部连接，第二竖向吸能部与第二横向吸能部之间的夹角β2为45°-60°，在第二竖向吸能部与第二横向吸能部连接端的外表面同样加工有一个水平连接面和一个竖直连接面；所述第二横向吸能部的另一端倾斜设置在底部的连接块的一个侧面上，第二横向吸能部与连接块水平面的夹角α2为140°-170°。

作为本发明的优选，所述的微元胞填充层为3D打印的一体式结构，构成微元胞填充层的单元胞上的各个吸能件的第一横向吸能部、第二横向吸能部、第一竖向吸能部、第二竖向吸能部的壁厚相同，壁厚＝λ×L，λ为大于等于0.4小于等于0.6，L为单个吸能件的竖向长度，即第一横向吸能部中水平连接面与第二横向吸能部中水平连接面之间的距离；所述的竖直缓冲部的尺寸与连接块的长、宽、高相等，对称设置的两个吸能件的横向总长度C等于单个吸能件的竖向长度L。

本发明的优点和有益效果是：

(1)本发明提供的汽车门槛结构简单，吸能效果好，适应性强，可适应很多车型，该汽车门槛通过在现有汽车门槛内填充微元胞填充层，利用微元胞填充层中各个单元胞上的吸能件，使侧面碰撞峰值降低；同时利用单元胞零泊松比效应，使碰撞过程中，材料不向四周膨胀，而是沿着冲击方向聚集压缩，充分吸能，得能量得到了更大的吸收，相比六边形蜂窝填充材料，能更好的保护驾驶员生命安全。

(2)本发明提供的汽车门槛利用多胞结构的孔隙增加变形空间，同时利用结构的零泊松比效应，吸收更多的能量。采用该汽车门槛，在满足强度的要求下，其耐撞性增强，重量更轻；同时，该汽车门槛内部的微元胞填充层可以直接采用3D打印的方式打印，大大降低生产成本、提高生产效率。

(3)本发明以四边内凹的单元胞作为最小单元进行填充，使碰撞初始峰值较低，与平台应力区相近，有利于保护驾驶员生命安全，同时应力平台区长而稳，使吸能过程较稳定。

(4)本发明提供的汽车门槛，在传统门槛基础上，内部填充4层微元胞填充层，其基体材料为铝，填充层厚度为48mm时，与传统汽车门槛对比，重量降低10％；弯曲刚度提高15％；碰撞初始峰值降低30％，吸能量增加20％。

(5)本发明在汽车门槛内部填充微元胞填充层，因其内部存在大量孔隙，将会对汽车外部传来的噪音产生一定频率内的“声音禁带”，根据“带隙”原理起到降噪的作用，增加行驶舒适性。

附图说明

图1为汽车门槛结构的局部放大图。

图2为单元胞的结构示意图。

图3为二个单元胞的排列示意图。

图4为四个单元胞的排列示意图。

图5为多个单元胞的排列示意图。

图6为对称连接的两个吸能件的结构示意图。

图7为填充层在碰撞冲击过程中的二维面内变形过程图。

具体实施方式

为使本领域技术人员能够更好的理解本发明的技术方案及其优点，下面结合附图对本申请进行详细描述，但并不用于限定本发明的保护范围。

参照图1，本发明提供的一种具有微元胞填充层的汽车门槛1包括：包括设置在内、外两侧的汽车门槛板3，设置在内、外两侧汽车门槛板之间的微元胞填充层2，所述微元胞填充层2、汽车门槛板3通过粘接连接，形成三明治结构。

参照图2至图5，所述的微元胞填充层2是由多个单元胞在X向、Y向、Z向上依次排列组合而成的立体结构；所述单元胞由四个吸能件4组合构成，相邻的两个吸能件4相互垂直设置，四个吸能件4的顶端、底部均通过一个正方体的连接块11连接，使其形成一个整体；所述吸能件4包括第一横向吸能部41、与第一横向吸能部对称设置的第二横向吸能部42、第一竖向吸能部43、与第一竖向吸能部对称设置的第二竖向吸能部44；其中，所述第一横向吸能部41倾斜设置在顶端的连接块11的一个侧面上，第一横向吸能部41与连接块11水平面的夹角α1为140°-170°，所述第一横向吸能部41的另一端与第一竖向吸能部43连接，第一横向吸能部41与第一竖向吸能部43之间的夹角β1为45°-60°，在所述第一横向吸能部41与第一竖向吸能部43连接端的外表面加工有一个水平连接面411和一个竖直连接面431；所述水平连接面411用于与另外一个单元胞在Y向进行连接；所述竖直连接面431用于与另外一个单元胞在X向或Z向进行连接；所述第一竖向吸能部43与第二竖向吸能部44通过竖直缓冲部45连接，通过竖直缓冲部45将作用在吸能件上的应力分解，分别作用到各吸能部上；所述第二竖向吸能部44的另一端与第二横向吸能部42连接，第二竖向吸能部44与第二横向吸能部42之间的夹角β2为45°-60°，在第二竖向吸能部44与第二横向吸能部42连接端的外表面同样加工有一个水平连接面和一个竖直连接面；所述第二横向吸能部42的另一端倾斜设置在底部的连接块11的一个侧面上，第二横向吸能部42与连接块11水平面的夹角α2为140°-170°。

所述的微元胞填充层2为3D打印的一体式结构，构成微元胞填充层2的单元胞上的各个吸能件4的第一横向吸能部41、第二横向吸能部42、第一竖向吸能部43、第二竖向吸能部44的壁厚相同，壁厚＝λ×L，λ为大于等于0.4小于等于0.6，L为单个吸能件的竖向长度(即第一横向吸能部41中水平连接面与第二横向吸能部42中水平连接面之间的距离)；所述竖直缓冲部的长度与连接块的长、宽、高相等；对称设置的两个吸能件的横向总长度C(即一个吸能件上竖直连接面与另一个吸能件上竖直连接面之间的距离)等于单个吸能件的竖向长度L。

本发明的单元胞设计成上述结构能够使单元胞受力变形稳定，传力效果好；当上述参数超出设定范围时，会导致单元胞受力变形不稳定，传力效果不好。

本发明所述的汽车门槛，中间微元胞填充层2厚度越厚，容纳的层数越多，吸能效果越好，但是层数越多，不仅受空间限制，而且门槛结构越重，这是轻量化与安全性的博弈，因为采用多胞材料的填充，在原来其他条件保持不变的情况下，一定会变轻，因此我们可以在保证原汽车门槛重量的前提下，在内部空间允许的情况下，尽可能地多加层数，提高吸能量。根据现有汽车门槛的内部空间情况来看，一般控制微元胞填充层2中单元胞在Y向的层数为4-15层，最好为6-10层。

本发明所述的汽车门槛，微元胞填充层2为铝或其他金属材料，大变形时延展性优异。

参照图7,根据微元胞填充层2在碰撞冲击过程中的二维面内变形过程，可以看到单元胞的胞壁(第一横向吸能部41、第二横向吸能部42、第一竖向吸能部43、第二竖向吸能部44)逐渐填充了孔隙部分，孔隙部分就是所谓的吸能空间，为单元胞结构的变形提供空间条件，从而吸收更多的能量；此外，可以观察到该结构具备零泊松比现象，在碰撞冲击过程中，材料不向四周延伸，只在压缩方向变形，每个单元胞的材料都往各自中心处聚集，后期呈现越压越硬，这也就保证了汽车门槛的刚度条件，不至于被撞坏，综合这两个优点，通过合理的设计，将在保证汽车门槛刚度与强度的条件下，尽可能吸收更多的碰撞能量，一方面保护了驾驶员的安全，另一方面也降低了汽车门槛的破坏程度。采用本发明的单元胞结构在冲击碰撞过程中，由于各个吸能部内凹，所以相对更容易发生变形，使初始峰值大大降低，同时由于内凹带来的零泊松比效应，使得在冲击过程中，伴随着一段长而稳的应力平台区，吸能过程更加平稳，吸能量也大大增多。

工作原理：

当汽车受到侧碰时，门槛内部的微元胞填充层2将受到压缩，单元胞上各个吸能部逐渐填充周围的孔隙部分，利用变形对碰撞能量进行吸收损耗；同时，由于单元胞结构的零泊松比效应，材料不向四周延伸，只在压缩方向变形，每个单元胞的材料都往各自中心处聚集，后期呈现越压越硬，该过程会形成一段稳而长的平台区域，处于该区域应力值基本保持不变，形成一个平台，平台区越长，所包围的面积越大，吸收能量越多，有效保护驾驶员生命安全；平台区波动越小，能量吸收过程越稳定。此外，通过合理设计单元胞的几何尺寸(胞壁厚度、宽度、内凹角度等)，使应力应变曲线中的平台区接近限定值，即在保证驾驶员生命安全的前提下，吸收尽可能多的能量，过了平台区之后将进入密实区，材料越压越实，越压越硬，保证门槛刚度,降低对门槛的破坏程度，此时碰撞能量也基本被吸收消耗。

性能检测：

在传统汽车门槛的结构基础上，加入4层微元胞填充层2，其基体材料为铝，填充层厚度为48mm，根据企业标准进行侧碰仿真模拟试验，检测重量、弯曲刚度、碰撞初始峰值、吸能量。

检测结果：与传统汽车门槛对比，重量降低10％；弯曲刚度提高15％；碰撞初始峰值降低30％，吸能量增加20％。

Claims (2)

1.一种具有微元胞填充层的汽车门槛，包括设置在内、外两侧的汽车门槛板，设置在内、外两侧汽车门槛板之间的微元胞填充层，其特征在于：

所述微元胞填充层是由多个单元胞在X向、Y向、Z向上依次排列组合而成的立体结构；所述单元胞由四个吸能件组合构成，相邻的两个吸能件相互垂直设置，四个吸能件的顶端、底部均通过一个正方体的连接块连接，使其形成一个整体；所述吸能件包括第一横向吸能部、与第一横向吸能部对称设置的第二横向吸能部、第一竖向吸能部、与第一竖向吸能部对称设置的第二竖向吸能部；其中，所述第一横向吸能部倾斜设置在顶端的连接块的一个侧面上，第一横向吸能部与连接块水平面的夹角α1为140°-170°；所述第一横向吸能部的一端与第一竖向吸能部连接，第一横向吸能部与第一竖向吸能部之间的夹角β1为45°-60°；在所述第一横向吸能部与第一竖向吸能部连接端的外表面加工有一个水平连接面和一个竖直连接面；所述水平连接面用于与另外一个单元胞在Y向进行连接；所述竖直连接面用于与另外一个单元胞在X向或Z向进行连接；所述第一竖向吸能部与第二竖向吸能部通过竖直缓冲部连接，通过竖直缓冲部将作用在吸能件上的应力分解，分别作用到各吸能部上；所述第二竖向吸能部的一端与第二横向吸能部连接，第二竖向吸能部与第二横向吸能部之间的夹角β2为45°-60°，在第二竖向吸能部与第二横向吸能部连接端的外表面同样加工有一个水平连接面和一个竖直连接面；所述第二横向吸能部的一端倾斜设置在底部的连接块的一个侧面上，第二横向吸能部与连接块水平面的夹角α2为140°-170°。

2.根据权利要求1所述的一种具有微元胞填充层的汽车门槛，其特征在于：所述的微元胞填充层为3D打印的一体式结构，构成微元胞填充层的单元胞上的各个吸能件的第一横向吸能部、第二横向吸能部、第一竖向吸能部、第二竖向吸能部的壁厚相同，壁厚＝λ×L，λ为大于等于0.4小于等于0.6，L为单个吸能件的竖向长度，即第一横向吸能部中水平连接面与第二横向吸能部中水平连接面之间的距离；所述的竖直缓冲部的尺寸与连接块的长、宽、高相等，对称设置的两个吸能件的横向总长度C等于单个吸能件的竖向长度L。

Images