專利名稱：沖擊吸收結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及吸收沖擊時能量的結(jié)構(gòu)，其中包括使用和制造方法。
背景技術(shù)：
為了吸收沖擊過程的能量，使用了許多材料和結(jié)構(gòu)。這些材料和結(jié)構(gòu)從織物和泡沫至塑料。盡管有這些材料和結(jié)構(gòu)，還需要制造成本低廉的改善能量吸收特性的結(jié)構(gòu)。
最近的材料包括帶有從片材的一側(cè)做出多個圓錐形突起部分的片材。例如，美國專利6247745號公開了一種基座，它帶有多個在該基座上形成的突出部分，該突出部分的壁至少部分地在能量吸收過程中壓縮。雖然在許多應(yīng)用場合適用，但如果可減少制造這些材料步驟數(shù)目，則可以節(jié)約這些結(jié)構(gòu)的制造成本。具體地說，這些現(xiàn)有技術(shù)的產(chǎn)品要求包括形成基座，然后在基座內(nèi)形成突起部分的生產(chǎn)過程。另外，用于制造已知材料的制造方法使能量吸收器不一致。例如，根據(jù)測量的壁位置的不同，突起的壁厚可能會變化。還有，一個突起部分的壁厚與相鄰的突起部分的壁厚相比會有變化。這種不均勻性導(dǎo)致能量吸收器吸收沖擊能量的能力不一致。這造成能量吸收器有效性的不確定性。
在車輛制造中，由于材料的重量時常是關(guān)心的問題，因此，相對于現(xiàn)存結(jié)構(gòu)具有可以比較的或改善能力以吸收能量同時成本低廉可以協(xié)調(diào)地制造重量輕的結(jié)構(gòu)是持續(xù)的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括一個制造物體，它帶有與多個皺折結(jié)合的一個層，以形成能量吸收器。該物體為擠出成形，并且每一個皺折具有一個底面和將該底面與該層連接的至少兩個壁，并且每一個皺折的長度比該皺折的最寬的寬度長。本發(fā)明還包括帶有一個多層能量吸收器的能量吸收器，該多層能量吸收器具有一個帶有多個表面部分的層和至少一個帶有多個表面部分的附加層，其中至少一個層的表面部分套裝在另一個層的表面部分內(nèi)，使得至少兩個層互相鄰近。本發(fā)明還包括制造該能量吸收器結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括用一個步驟擠出能量吸收器，并用至少一個步驟來形成兩層的結(jié)構(gòu)。另外，本發(fā)明包括吸收沖擊能量的方法，該方法包括在至少一對層上的表面部分之間形成摩擦。


在圖中 圖1A-B示出了帶有皺折的能量吸收器的透視圖和放大(close up)的橫截面圖。
圖2A～F表示多個適合的皺折形狀的橫截面圖。
圖3A～B表示帶有多個突出部分的能量吸收器的透視圖和橫截面圖。
圖4A～E表示多個多層能量吸收器的橫截面圖。
圖5A～B表示一個原始(raw)的鉸接的能量吸收器和一個完成的鉸接的多層能量吸收器的橫截面圖。
具體實施例方式本發(fā)明涉及增強結(jié)構(gòu)，特別是車輛結(jié)構(gòu)的一種改進(jìn)的和可選擇的方法。本發(fā)明是在發(fā)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上開發(fā)的，該新結(jié)構(gòu)可選擇地可用一個步驟形成，該結(jié)構(gòu)具有諸如皺折或突出部分形式的表面部分，至少兩層材料，該兩層材料中一個層的表面部分套裝在至少另一個層的表面部分內(nèi)，在一個實施例中兩層材料使用摩擦幫助吸收能量。制造和使用這些材料的方法也是本發(fā)明的一部分。
該能量吸收器可用一個步驟形成，它包括一個層，該層帶有多個各種表面部分和特別是從皺折與突出部分中選擇的部分中的任何一個，可選擇地，這些表面部分可與該層整體地形成，并適用于形成能量吸收特性增加的層。
在第一個實施例中，如圖1所示，所示的能量吸收器10可以包括形成多個皺折14的基座部分12，使該能量吸收器10具有重復(fù)的結(jié)構(gòu)，該皺折14在結(jié)構(gòu)的長度上可以為連續(xù)的或不連續(xù)的，可以具有同樣或不同波長的重復(fù)單元、具有同樣或不同波型的重復(fù)單元或其組合。
例如，如圖1所示，每一個皺折14具有一個底面16和使底面16與基座部分12連接的兩個壁18。該底面和壁可為直線、曲線、它們的組合或其他形狀。該皺折具有至少一個長度尺寸L和至少一個深度尺寸D，該至少一個長度尺寸L是從該皺折的一端至另一端測量的距離，該至少一個深度尺寸D是從基座部分12至底面16測量的距離。至少一個基座寬度尺寸W1是在壁與基座部分相交處的兩個壁之間測量的距離。這里所用的底面寬度W2為底面尺寸的量度。當(dāng)在橫截面中看時，波長包括例如從一個表面部分上的位置至相鄰的表面部分上的相同位置的距離。
通常，該皺折的長度比任何一個寬度長，以形成溝或槽。通常，該皺折沒有封閉的末端，但也可以有這種末端。基座部分、壁和/或底面的厚度可以沿著該結(jié)構(gòu)的橫截面改變，并可以選擇使該皺折的能量吸收最大，每一個皺折可以在該層上單獨地或組合地改變。例如，較厚的壁吸收的能量可以比較薄的壁多。另外，底面的厚度在該結(jié)構(gòu)的橫截面上可以增加，以使吸收能量增加。作為一個例子，壁厚可以為大約5mm至大約40mm。優(yōu)選，該結(jié)構(gòu)的基座部分、壁和/或底面的厚度沿著該結(jié)構(gòu)的長度基本上固定不變。
通常，該皺折互相平行，但也可適用于有其他的結(jié)構(gòu)，例如，從中心位置或從多個位置輻射的皺折。另外，如下所述，因為制造容易和成本合理性，與能量吸收器的最長尺寸平行的平行皺折是較好的，但不是必需的。另一種方法是，該皺折的方向設(shè)計成對于裝置或車輛(例如白車身)的支承結(jié)構(gòu)為橫向或縱向的。
雖然不是必需的，每一個皺折的形狀可以在能量吸收器上固定不變，其形狀通常由D、W1和W2互相的關(guān)系確定。對于底面和壁為直線形和底面粗略地與基座部分平行的皺折，每一個皺折具有由基座和底面寬度互相的比例確定的角度或斜度。所示的一種情況是基座寬度W1和底面寬度W2相同。這使該能量吸收器的橫截面外形為方波形狀。在基座寬度W1比底面寬度W2寬的情況下，斜度為正的，并且在相反情況下斜度為負(fù)的。優(yōu)選，該斜度在大約-45°～+45°之間。
還可以利用使用曲線形底面、壁和基座部分的其他皺折形狀，例如使該能量吸收器為正弦波形或其他波紋或起伏波形的皺折。其他適當(dāng)?shù)那€形狀包括一個皺折的壁與相鄰的皺折的壁接觸或連接的或環(huán)圈的兩個壁互相接觸或者連接的封閉環(huán)圈。開放環(huán)圈的相鄰皺折的壁和皺折的壁分開。每一個相鄰的壁面接觸/連接或者兩個皺折的壁接觸/連接的部分開放環(huán)圈也可以適用。開放的、部分開放的和封閉的環(huán)圈皺折的組合也適用。
能量吸收器的示例性橫截面分別表示在圖1A-B和2A-E中，皺折的圖形可以為方波形(W1＝W2)(圖1A～1B)、正斜度(W1＞W(wǎng)2)(圖2A)、負(fù)斜度(W1＜W2)(圖2B)、正弦波形(圖2C)、開放環(huán)圈形狀(圖2D)或封閉環(huán)圈形狀(圖2E)。雖然示出了波形固定不變的形狀，但皺折可具有皺折尺寸和形狀改變的波形。例如，圖形可以包括不同高度、寬度、斜度的皺折交替或其組合；一系列高度、寬度、斜度增加和/或減小的皺折或其組合；一系列開放環(huán)圈和封閉環(huán)圈交替，諸如負(fù)斜度皺折與正斜度皺折交替的形狀混合，它們的組合等。不同于方波形的皺折圖形是較好的，因為這些圖形可使對與能量吸收器的平面非垂直沖擊的吸收增加。例如，與帶有正斜度的皺折相比，沖擊的角度可能會比方波形更接近與壁平行。如圖2A所示，箭頭A表示在正斜度皺折中基本上與壁20平行的沖擊角度。
可以將皺折的尺寸和形狀做成提供至少一個基本上光滑、平坦或平面形的表面。這樣作是為了審美的理由或改善能量吸收器的功能，例如，提高該結(jié)構(gòu)的能量吸收特性或提供車輛的其他零件(例如裝飾蓋)可以連接在上面的表面。從圖2B可看出，由于具有基本上光滑、平坦或為平面的兩個表面，因此使能量吸收器的安裝容易，因為對于連接在車輛或裝飾蓋上兩個表面功能相同，因此可以不管方向進(jìn)行安裝。
能量吸收器還可包括一個或多個固定裝置，例如法蘭、支架、緊固件、突出部分或其他可幫助將能量吸收器固定在車輛的白車身上或車輛的另一個零件(例如車頂、車廂頂篷內(nèi)襯、活動車頂、車身面板、底板或儀表板)上。固定裝置可以包括與分開的零件組合的能量吸收器整體形成的結(jié)構(gòu)。另外，一個或多個固定裝置可以放置在皺折之間或作為皺折的一部分，例如，皺折的第一區(qū)域可以與皺折的第二區(qū)域用一個固定該能量吸收器用的光滑的、平坦的或平面的部分隔開。另外，螺釘、在另一個緊固件上的緊壓配合的緊固件可以放在壁和皺折的底面上的基座上的一個或多個。
另外，可以使用粘接劑幫助固定能量吸收器。粘接劑可以為任何適當(dāng)?shù)念A(yù)期用途的粘接劑。可以為水基粘接劑、溶劑基粘擠劑或其他?？梢詾閱我唤M分的粘接劑或多種組分的粘接劑(例如雙組分的粘接劑)。多種組分的粘接劑可以同時或依次地使用這些組分。粘接劑可以為空氣固化、水分固化、熱固化、輻射固化(例如遠(yuǎn)紅外線(IR)或紫外線(UV))、高頻固化、溶劑喪失固化或其他方式固化。粘接劑可為熔融可流動的、液體、薄膜、粉末、凝膠或其他形式。粘接劑可以為壓力敏感的、RTV(室溫硫化的)粘接劑、熱熔融粘接劑。在一些應(yīng)用中，粘接劑可以為結(jié)構(gòu)粘接劑。應(yīng)當(dāng)理解，這里使用術(shù)語“粘接劑”不是從本發(fā)明范圍中排除底漆或其他粘合劑。
在另一個實施例中，粘接劑可分為按需要固化的粘接劑，它需要一個單獨的操作使該粘接劑開始固化。在一個實施例中，這可通過使用在裝配過程中破裂的封裝固化劑而達(dá)到。在另一個實施例中，這可以通過除去保護(hù)涂層，使粘接劑暴露在周圍環(huán)境中而達(dá)到。固化可通過將粘接劑暴露在熱、紅外或紫外光源、剪切力等中而開始。另外，粘接劑可以由有機硼烷胺合成物開始，例如在美國專利20020058764號中所述的合成物，這里引入該專利以供參考。當(dāng)然，還是能夠使用沒有按需要固化能力的粘接劑。
可以使用從任何適當(dāng)?shù)恼辰觿┳逯羞x擇的一種粘接劑，例如聚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚烯烴、環(huán)氧樹脂、乙烯乙烯基乙酸酯、尿烷、丙烯酸、硅烷、硫醚、氟硅酮、氟化碳和它們的組合等。粘接劑可以為高溫環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺、混合的聚酰亞胺/環(huán)氧樹脂粘接劑、環(huán)氧樹脂線性酚醛清漆/腈橡膠粘接劑、聚硫醚環(huán)氧樹脂及其組合等。
本發(fā)明的能量吸收器可以不是相對于沖擊的預(yù)期方向安裝。通常，材料安裝成使表面部分的底面鄰近車輛零件，該車輛零件用與車輛零件隔開的基座部分墊襯(pad)。但也可以使用相反安裝，即基座部分鄰近車輛零件放置。另外，能量吸收器還可以不考慮沖擊的預(yù)期角度安裝。優(yōu)選，能量吸收器安裝成使沖擊的預(yù)期角度與能量吸收器的平面垂直，但這不是必需的。事實上，能量吸收器可以安裝成使沖擊的預(yù)期角度與能量吸收器成一角度，該角度在與能量吸收器垂直和平行之間。實際上，沖擊的預(yù)期角度經(jīng)常不能預(yù)測。除了在制造車輛時安裝以外，能量吸收器可以在銷售后安裝，例如作為重新制造或修理車輛工作的一部分時安裝。在車輛的使用壽命結(jié)束，本發(fā)明也考慮去除和回收該結(jié)構(gòu)的步驟。
除了上述的皺折以外，在下述多層能量吸收器中也可以使用突出部分形式的表面部分。如同多個凹部一樣，從圖3A-3B可看出，每一個凹部100有一個底面102和至少兩個(在橫截面看時)連接底面102和基座部分106的壁104。當(dāng)在橫截面看時，該底面和壁可為直線、曲線或它們的組合。如同皺折一樣，突出部分具有長度L和深度D，該長度L橫跨突出部分測量的距離，該深度D是從基座部分106至底面102測量的距離?；鶎挾萕1為壁與基座部分相交處的兩個壁之間的距離的量度。底面寬度W2為底面尺寸的量度。除了突出部分通常在它們形成的單獨空間是獨立的以外，該突出部分與皺折相同。形成的能量吸收器像一個杯形蛋糕的盤一樣的結(jié)構(gòu)或蛋托盤一樣的結(jié)構(gòu)。
除了皺折可能有的尺寸變化以外，作為可以形成形狀的另一個方面，顯然突出部分也可以為底面形狀。例如，當(dāng)從上面看時，如圖3A所示，顯然突出部分的底面形狀可為圓形、橢圓形、矩形、其他規(guī)則的多角形、不規(guī)則的多角形或其他規(guī)則或不規(guī)則。希望的底面形狀是能夠提供增大表面積的突出部分的壁，例如星或X形。另外，突出部分的底面形狀不需要與和基座部分相交的突出部分的形狀相同，或者底面可以與和基座部分相交的突出部分的形狀相比是相反的(rotated)。優(yōu)選，突出部分的長度與其寬度相同?？梢赃x擇基座部分、壁和/或底面的厚度，使突出部分吸收能量最大。
突出部分可在基座部分上排列成任何圖形。例如，突出部分在能量吸收器上的深度、底面形狀、底面厚度、壁厚度、基座部分厚度可以變化。另外，在三角形、矩形、五角形、六角形或更高階的規(guī)則或不規(guī)則的多角形的角落處，突出部分可以排列成排、同心圓或橢圓。
雖然，層適用于為能量吸收器提供多個平面，但該層通常優(yōu)選提供一個平面的能量吸收器。另外，例如，該層可以為例如對于皺折或突出部分所述的規(guī)則或不規(guī)則形狀，這樣形成在皺折上的皺折或在突出部分上的突出部分。另外，一個尺寸的皺折可以散布在另一尺寸的皺折之間。同樣，例如，深度變化的突出部分可以互相散布。另外，皺折可以與在任何層上的突出部分組合。
能量吸收器還可包括一個基板層，該基板層利用粘接劑、機械緊固件或焊接與一個層連接。該基板層通常沒有表面部分并用于增加該層的尺寸強度或有其他目的，例如改善能量吸收器的美學(xué)特點。通過放置基板與該層接觸，還可以使用基板來增加能量的摩擦消耗，如下所述那樣。
本發(fā)明的能量吸收器可由任何適當(dāng)?shù)牟牧现瞥?，例如金屬、陶瓷等，但?yōu)選由諸如熱塑性塑料、熱固性塑料和其組合等塑料制成。所得到的材料可以為似橡膠的、撓性的或剛性的?？砂ㄔ谀芰课掌髦械乃x材料性質(zhì)可以制造帶有所希望性質(zhì)的結(jié)構(gòu)。例如，同聚物，例如聚丙烯(pp)或聚苯乙烯(ps)可以用于剛性(例如“玻璃狀的”)的能量吸收器，而沖擊可以改變熱塑性聚烯烴(TPO)或者高沖擊的聚苯乙烯(HI-PS)可以用于延展(例如“似橡膠的”)性能。適當(dāng)材料的另一些例子包括尼龍、聚碳酸酯、聚丙烯、聚酯、聚氨酯和它們組合等。上述的或其他聚合物的共聚物也可以適用。能量吸收器可由一層材料(例如整體的)或多層(例如共擠壓或?qū)訅?材料構(gòu)成。可以包括纖維增強件(例如玻璃或碳纖維)或者該材料可用礦物或玻璃填充料充填。
利用包括擠壓、推壓(pultrusion)、注塑模制、吹模法、壓力模制、熱成型或它們的組合的任何通常的技術(shù)制造能量吸收器。直線輪廓(例如皺折)的能量吸收器是較好的，因為帶有這些表面部分時，通過擠壓或相似的方法制造能量吸收器時其長度基本上不受限制。這使得先前需要兩個步驟的方法現(xiàn)只用一個步驟的制造過程即可完成，這樣可節(jié)約制造成本。
利用擠壓和相似的技術(shù)制造能量吸收器較好，因為其使得在能量吸收器的長度上，基座、壁和/或底面的厚度基本上固定不變。不論測試能量吸收器上的哪個位置，這種能量吸收器可以一致地吸收能量。另外，這種厚度的一致性可通過使用擠壓和相似的方法很容易再現(xiàn)，這表示能量吸收器的給定長度可以與能量吸收器的任何其他長度沒有區(qū)別。這種水平的一致性可降低制造成本，因為廢料的消耗少，質(zhì)量控制的消耗就少和生產(chǎn)監(jiān)督的消耗也少。
除了上述的好處外，擠壓和相似的技術(shù)還可以形成通過熱成型或模制方法不能形成的能量吸收器。特別是，帶有具有負(fù)斜度、開放環(huán)圈和/或封閉環(huán)圈結(jié)構(gòu)的皺折的能量吸收器不適于用熱形成或模制，因為不產(chǎn)生足夠大的變形并由此損壞能量吸收器就不能從模型中取出這種形狀。
在制造優(yōu)選的能量吸收器的一個例子中，無限制長度的材料可以通過模具推或拉(兩種技術(shù)在這里都稱為擠壓)形成該結(jié)構(gòu)。在固化和切成一定長度后，能量吸收器準(zhǔn)備好可以安裝。利用注塑模制、吹模法、片材模制或其他方法可以在一個步驟過程中生產(chǎn)帶有皺折的能量吸收器。
帶有突出部分的能量吸收器也可從一個步驟的生產(chǎn)過程中獲益。例如，能量吸收器可以在一個步驟中被注塑、吹塑或壓縮模制。
本發(fā)明的第兩個實施包括多層的能量吸收器。如圖4所示，每一個多層能量吸收器200包括至少兩個層202和204，每一個層帶有表面部分206和208，其中一個層的表面部分套裝在另一個層的表面部分內(nèi)。在一個方面中，該多層能量吸收器具有不同結(jié)構(gòu)，第一個表面部分在至少是一個結(jié)構(gòu)方面，例如形狀、深度、基座寬度、底面寬度、平均寬度、壁厚、底面厚度、基座厚度或其組合等與第二表面部分不同。在第二方面，該多層能量吸收器有不同的組成，其中第一個表面部分的材料與第二表面部分的材料不同。在第三方面中，該多層能量吸收器利用摩擦消耗沖擊能量。
在圖4A可看到帶有不同結(jié)構(gòu)的該多層吸收器的第一方面的橫截面。第一層202具有帶有壁208的第一皺折206，并且第二層204具有帶有壁210的第二皺折208?？梢钥闯觯诙櫿?08套裝在第一皺折206內(nèi)，套裝的皺折的深度尺寸互相不同，這樣，形成不同的結(jié)構(gòu)和在兩個層的底面214和216之間的空間212。換句話說，盡管層202和204基本上保持互相鄰近，但底面214和216互相偏移。理論上，通常，材料的壓碎阻力與其深度的平方成反比(假設(shè)壁厚固定不變)，這表示較高的表面部分首先被壓皺，然后是較短的表面部分被壓皺，這樣形成這個實施例的兩步驟能量吸收部分?？臻g212優(yōu)選用周圍空氣填充；然而也可以用其他材料，例如泡沫、粘接劑或其他能量吸收器填充。優(yōu)選，雖然不是必需的，壁210和208互相接觸。例如，如下所述，壁可用粘接劑或提高一個或兩個壁的摩擦系數(shù)的材料隔開。
在另一方面中，壁厚可以從一個層至另一個層變化。理論上，通常壓碎阻力與壁厚成比例，這表示較厚壁的表面部分在較薄的壁的表面部分后(或以較高的負(fù)荷)被壓皺。這是形成兩步驟能量吸收部分的另一種方法。
在圖4B的橫截面中表示了帶有不同材料的多層吸收器的第二方面。在這里，第一層220包括第二層246的皺折224套裝在其中的皺折242(或突出部分)，第一皺折的材料和第二皺折的材料不同。在這個實施例中，將皺折的尺寸和形狀制成在兩個皺折的底面228和230之間沒有明顯的空間。皺折在材料的成分和其沖擊強度方面是不同的。在一個優(yōu)選方面中，第一層的沖擊強度比第二層低。在一個優(yōu)選實施例中，皺折的不同材料可與具有不同結(jié)構(gòu)(例如不同壁厚)的表面部分組合。
圖4C中表示多層吸收器的多個方面的組合。帶有皺折242的第一層240具有套裝在其中的第二層246皺折244。由于在皺折的底面之間的空間248的關(guān)系，皺折的深度不同?；鶎印⒈诤偷酌娴暮穸纫不ハ嗖煌?。例如，基座層的厚度比例范圍從小于大約1∶4至大于4∶1。另外，每一個層使用不同的材料。這個具體的實施例表示在多層吸收器中使用兩個不同的結(jié)構(gòu)和不同的材料。
多層能量吸收器的第三方面利用形成的熱能，以便例如用摩擦來消耗沖擊能量。摩擦可由層的表面部分互相接觸引起。通常，在沖擊過程中，表面部分的壁會在一起摩擦。這種摩擦形成由多層吸收器吸收能量的量的有差別以及可看出的改善。例如，在套裝的表面部分之間放置摩擦破壞的物質(zhì)，例如潤滑劑，可降低多層吸收器的能量吸收特性。
希望摩擦系數(shù)大的任何材料作為表面部分或?qū)拥牟牧?。這種摩擦系數(shù)大的材料的摩擦系數(shù)可以為自身具有的，或由制造過程和/或后制造處理產(chǎn)生的。另外，大的摩擦系數(shù)可由有意地在表面部分上形成突出部分、凹坑、微米或納米級的紋理或其他特點形成。與表面部分比較，該有意形成的部分通常較小。另外，通過使用涂層或其他表面處理，例如磨料，可以增大表面部分的摩擦系數(shù)。
在利用摩擦的一個實施例中，如上所述，表面部分的深度可以不同，使得底面互相偏移，同時層保持互相鄰近(見圖4A)。在另一個實施例中，盡管表面部分的深度大約相同，但是底面互相偏移。在這個實施例中，層也互相隔開。例如，在圖4D中，帶有皺折252的第一層250具有套裝在其內(nèi)的第二層256的皺折254。由于皺折的底面之間的空間258，使皺折深度不同。另外，在第一和第二層之間有一個空間260。在一個優(yōu)選實施例，這些層之間的距離比這些底面之間的距離大。在這個實施例中，皺折的壁之間的摩擦量增加，這樣可增加被能量吸收器消耗的沖擊能量的量。當(dāng)表面部分為突出部分且材料由熱成型方法制成時，這個實施例可能是值得注意的。利用這制造工藝，突出部分具有稍微的蘑菇形狀到中等的蘑菇形狀，可防止一個層的突出部分會完全套裝在另一個層的突出部分內(nèi)。
在另一個實施例中，正斜度的表面部分與方波形表面部分組合。從圖4E可看出，帶有方波形皺折264的第一層262具有套裝在其內(nèi)的第二層268正斜度皺折266。在壁與基座和底面相交之間的某個地方，方波形皺折264的角落270與正斜度皺折266的壁272接觸。在這個實施例中，沖擊迫使正斜度的皺折266進(jìn)入較小的方波形皺折264中，這樣可通過摩擦幫助消耗能量。在一個優(yōu)選實施例中，據(jù)信如果角落270在較靠近底面處與壁272接觸，則通過摩擦或另一機構(gòu)會消耗更多的能量。可以調(diào)節(jié)皺折的深度以保證在沖擊過程中，在兩個層的基座互相接觸之前、之后或接觸時，該兩個層的底面互相接觸。
在另一個實施例中，正斜度表面部分與負(fù)斜度表面部分組合。如圖5B所示，帶有負(fù)斜度皺折276的第一層274具有套裝在其中的第二層280正斜度波紋278。
兩個層的能量吸收器和一個層的能量吸收器之間的一個區(qū)別為，不論該表面部分為凹部或皺折，吸收與能量吸收器的平面垂直的沖擊的能力增加了。例如，通過將圖2A的一個層的能量吸收器與圖5B的兩個層能量吸收器的比較顯示，對于箭頭A所示的給定的沖擊角度，兩個層的能量吸收器比一個層的能量吸收器具有二倍那么多的基本上與沖擊方向平行的壁282，這可吸收更多非垂直沖擊。這是有利的，是因為在現(xiàn)實世界的應(yīng)用中，沖擊角度很少與能量吸收器的平面垂直。另外，一些頭部(head)沖擊的情況是由移動和轉(zhuǎn)動能量消耗的組合產(chǎn)生的，希望在每一個潛在模式中吸收沖擊。這樣，與一個層的能量吸收器比較，兩個層的能量吸收器可在寬得多的潛在沖擊方向范圍內(nèi)形成熱塑性壁的柱形壓皺。
在兩個不同的兩個層的能量吸收器之間，據(jù)信將基本上互相平行的壁分開是有利的。據(jù)信壁隔開的能量吸收器比壁互相鄰近的能量吸收器在能量吸收器給定的區(qū)域上可以更一致地吸收沖擊能量。在圖5B中可看出，例如能量吸收器的壁282互相平行，但互相隔開。另一方面，如圖4D所示，能量吸收器的壁284互相平行但鄰近。
因此，在圖5B所示的實施例中，與壁284裝配在一起的圖4D的實施例比較，壁282在能量吸收器的區(qū)域可以更均勻地散開。
在兩個層的能量吸收器中，通常每一個層表面部分具有一條公共的中心線，但這不是必需的。表面部分的中心線可以偏移。
優(yōu)選實施例包括與起皺折或彈性變形結(jié)合的摩擦作為能量吸收機構(gòu)。如何利用摩擦吸收能量一個例子為可將最上層設(shè)計成以比下層較低的應(yīng)力起皺折。當(dāng)起皺折時，最上層可以在下層的壁上摩擦或者用其他方法在下層的壁上產(chǎn)生應(yīng)力。下層也可設(shè)計成從預(yù)先確定的應(yīng)力下起皺折。
多層吸收器可根據(jù)上述的制造技術(shù)或其他已知技術(shù)制造。優(yōu)選的技術(shù)包括在一個步驟中(或一臺機械)，例如共同擠壓或共同摸制形成兩個層。圖5中表示多層吸收器的另一個單步驟的制造技術(shù)。例如，吸收器的第一部分290利用鉸鏈294與吸收器的第二部分292隔開。如圖5A中的箭頭B所示，鉸鏈294可允許第一部分290折疊在第二部分292上，形成圖5B所示的多層能量吸收器。如同其他多層吸收器一樣，一組表面部分套裝在第二組表面上。該鉸鏈可以為允許能量吸收器的一部分相對于另一部分運動的任何的裝置、零件或材料。該鉸鏈優(yōu)選是與表面部分在同一過程中形成，使得該鉸鏈與能量吸收器成一個整體。例如，該鉸鏈可以為一個低谷、槽、其他的凹坑、減薄或使能量吸收器的材料在該位置具有撓性的其他結(jié)構(gòu)。其他的鉸鏈也可適用，例如以后形成的低谷或能量吸收器材料的減薄。同樣，能量吸收器的兩個部分可以被制造，然后通過鉸鏈連接。
其他適合的制造技術(shù)包括在一個步驟(或其本身的機械上)制造每一個層，然后將這些層組合，形成多層吸收器。每一個層也可以用多步驟的過程制造。
多層吸收器的材料可以從上述對單層能量吸收器所述的材料中選擇。另外，可以包括其他零件，以增加多層吸收器的能量吸收，例如棉胎、泡沫、粘接劑和它們的組合。
多層能量吸收器的層可通過機械緊固件、粘接劑、焊接或摩擦互相連接。適當(dāng)?shù)恼辰觿┌ㄉ鲜稣辰觿?。焊接可通過使用熱(例如點焊)或通過使用其他電磁能(例如超聲波焊接)完成。
本發(fā)明還包括在沖擊過程中吸收能量的方法。例如，能量可通過形成帶有皺折的能量吸收結(jié)構(gòu)和在車輛事故過程中由物體沖擊材料來吸收。另外，能量可通過形成兩個層的能量吸收結(jié)構(gòu)和通過摩擦消耗沖擊能量來吸收。消耗沖擊能量可通過依次地或同時地使用至少兩個不同的結(jié)構(gòu)或材料來完成。
本發(fā)明的材料可以在任何形式的裝置、設(shè)備或需要沖擊能量吸收特性的結(jié)構(gòu)中使用。優(yōu)選的使用包括在運輸車輛中的使用，例如，固定和旋轉(zhuǎn)翼的飛機、宇宙飛船、公共汽車、火車、地鐵、雙排座卡車、小型輕便長車、SUV和其他旅客車輛。這些車輛內(nèi)，能量吸收結(jié)構(gòu)優(yōu)選用在車廂頂篷內(nèi)襯、門、保險杠、膝墊、座位、座位背、底板、儀表板和其組合等上。
例子 使用計算機輔助工程(CAE)來預(yù)測與已知材料比較的本發(fā)明材料的特性。首先，將帶有不同深度的表面部分(例如圖4D所示)的兩個層的能量吸收器與已知泡沫能量吸收器STRANDFOAMEA1000比較。結(jié)果表示在表1中，表中HIC為“頭部損傷判據(jù)”，HIC(d)為加速時間歷程和峰值加速度值的函數(shù)，HIC(d)norm為厚度的規(guī)格化值。
表1
這樣，將24mm PS片加力壓入19mm PE片中構(gòu)成的雙層錐形結(jié)構(gòu)分別比Strandfoam EA 1000的HIC(d)值高大約8％。另外，數(shù)據(jù)還表明將較弱(例如較高的)片加力壓入較剛性(例如較短)的片中，在相同重量下，可改善規(guī)格化的沖擊性能大約25％。
在另一系列實施測試中，利用CAE研究摩擦的作用。對有5mm偏移距離的雙層錐形結(jié)構(gòu)的實施測試的結(jié)果如下(利用如圖3所示的結(jié)構(gòu))
表2
這樣，數(shù)據(jù)表明由5mm偏移提供的摩擦消耗，相對于用潤滑劑的同樣的樣件，可改善頭部沖擊保護(hù)大約10％。
本發(fā)明的單層的皺折部分使用簡單但能量吸收仍有效的幾何特點，該特點用低成本的材料和工藝制造，可以與當(dāng)前技術(shù)的能量吸收性能匹配或改善該性能。本發(fā)明的雙層部分有效地利用雙重的起皺折和摩擦消耗能量吸收機構(gòu)，可比單層的當(dāng)前方案可產(chǎn)生改善的功效。
在其他的計算機輔助工程仿真中，將20mm厚的皺折和圓錐形熱塑性結(jié)構(gòu)沖擊115mm長和平均BIWHIC(d)值大約為1500的實驗的兩件白車體(BIW)組件。每一個結(jié)構(gòu)使用聚丙烯沖擊共聚物熱塑性樹脂(INSPIRE C702-20)來模制。每一個仿真的假想的皺折結(jié)構(gòu)粘結(jié)在模擬車廂頂篷內(nèi)襯基板0.75mm厚的板上。數(shù)據(jù)表明，對于負(fù)和正斜度的皺折部分設(shè)計分別有大約14％和17％的沖擊指標(biāo)改善。這些比較中的每一個都基于單層的真空熱成型的錐形結(jié)構(gòu)上。
在真空熱成型制造過程中通常都有基座層或表面部分壁減薄的作用。為了定量分析這種作用，在單層的真空熱成型的錐形結(jié)構(gòu)的各種位置進(jìn)行測量。該錐形結(jié)構(gòu)深度大約為24mm。在真空熱成型過程中，壁厚可從基座片厚度變化40～50％。這樣，為了達(dá)到用1.0mm均勻的壁模制的計算機輔助作業(yè)，單層的錐形真空熱成型產(chǎn)品需要1.6mm厚的基座片材。起皺折的和真空熱成型的錐形能量吸收零件的零件重量的比較表明，對于可比較沖擊性能，單層的有皺折的能量吸收結(jié)構(gòu)需比單層真空熱成型錐形零件僅增加0.0065Kg的質(zhì)量。
對斜度角度變化的正斜度皺折的能量吸收結(jié)構(gòu)進(jìn)行另外的CAE仿真。每一個結(jié)構(gòu)用0.75mm的基座厚度和1.75mm壁厚做出模型，總厚度保持20mm固定不變。得出的數(shù)據(jù)表明，在正斜度角度為大約0°～10°時可得到最優(yōu)的性能。
最后，對皺折數(shù)變化(3＜N＜6)的正斜度皺折結(jié)構(gòu)進(jìn)行一系列的CAE仿真。每一個結(jié)構(gòu)用0.75mm的基座厚度，1.75mm的壁厚和9.2°的斜度做出模型。每一個仿真用115mm長和100mm的零件寬度進(jìn)行。當(dāng)皺折數(shù)增加時，皺折的基座寬度(11.5mm＜W＜4.7mm)減小。正斜角皺折部分設(shè)計的沖擊性能作為皺折數(shù)的函數(shù)測量。數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)皺折數(shù)增加時，片材厚度減小。因此，在給定的零件設(shè)計中，增加皺折數(shù)，可減小零件重量。
可進(jìn)一步理解，多個零件或步驟的功能或結(jié)構(gòu)可以組合為一個零件或步驟，或者一個步驟或零件功能或結(jié)構(gòu)可以分成多個步驟或零件，本發(fā)明考慮了所有這些組合。除非另有說明，這里所述的各種結(jié)構(gòu)尺寸和幾何形狀不是限制本發(fā)明，其他的尺寸或幾何形狀也是可以的。利用一個整體的結(jié)構(gòu)或步驟可以提供多個結(jié)構(gòu)零件或步驟?？蛇x擇地，一個整體結(jié)構(gòu)或步驟可以分成分開的多個零件或步驟。另外，雖然只用所述實施例中的一個說明了本發(fā)明的特點，但對于任何的給定應(yīng)用，這種特點可與其他實施例的一個或多個其他特點結(jié)合。還應(yīng)當(dāng)理解，這些制造獨特的結(jié)構(gòu)的制造及其操作也可構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的方法。
這里所述的說明和圖示的內(nèi)容是要使本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員熟悉其原理實際應(yīng)用。本領(lǐng)域技術(shù)人員可用許多形式適用于和應(yīng)用本發(fā)明，以便優(yōu)選地適應(yīng)具體使用的要求。因此，上述的本發(fā)明的具體實施不是要限制本發(fā)明。所以，本發(fā)明的范圍不是由上述說明確定，而是由所附的權(quán)利要求書以及權(quán)利要求所覆蓋等同全部范圍所確定。包括專利申請和出版物的所有文章和參考文獻(xiàn)的公開在此結(jié)合以供參考。
權(quán)利要求
1.一種制造物品，包括能量吸收器，該能量吸收器包括擠出的塑料第一層，該塑料第一層具有由鉸鏈與多個第二皺折隔開的多個第一皺折，其中所述皺折的長度比其最寬橫截面的寬度長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其中在鉸鏈起作用后，所述多個第一皺折中的單個皺折套裝在多個第二皺折中的單個皺折內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的物品，其中至少在結(jié)構(gòu)或組分的一個方面，所述多個第一和第二皺折互相不相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的物品，其中所述至少一個結(jié)構(gòu)方面是從高度、基座寬度、底面寬度、平均寬度、橫截面形狀、基座層厚度、壁厚、底面厚度或其組合中選擇的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的物品，其中橫截面形狀是從方波形、正斜度、負(fù)斜度、正弦波形、開放環(huán)圈形、封閉環(huán)圈形或其組合中選擇的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的物品，其中不同的結(jié)構(gòu)特性造成在沖擊過程中摩擦能量消耗。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的物品，其中所述不同的結(jié)構(gòu)特性為深度。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的物品，其中所述第一和第二皺折的組分不同。
9.一種制造物品，包括能量吸收器，該能量吸收器包括具有多個第一皺折的擠出的塑料第一層和具有多個第二皺折的第二層，其中多個第一皺折中的單個皺折套裝在多個第二皺折中的單個皺折內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的物品，其中所述第二層為擠出的塑料第二層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的物品，其中所述第一和第二層至少在結(jié)構(gòu)或組分的一個方面相互不同。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的物品，其中所述至少一個結(jié)構(gòu)方面是從高度、基座寬度、底面寬度、平均寬度、橫截面形狀、基座層厚度、壁厚、底面厚度或其組合中選擇的。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的物品，其中橫截面形狀是從方波形、正斜度、負(fù)斜度、正弦波形、開放環(huán)圈形、封閉環(huán)圈形或其組合中選擇的。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的物品，其中不同的結(jié)構(gòu)特性造成在沖擊過程中摩擦能量消耗。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的物品，其中不同的結(jié)構(gòu)特性為深度。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的物品，其中所述第一和第二層組分不同。
17.一種能量吸收結(jié)構(gòu)，包括能量吸收器，該能量吸收器包括具有多個第一表面部分的第一塑料層和具有多個第二表面部分的第二塑料層，其中一個層的表面部分套裝在另一個層的表面部分內(nèi)，并且所述第一和第二層至少在結(jié)構(gòu)或組分的一個方面互不相同。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的物品，其中所述至少一個結(jié)構(gòu)方面是從高度、基座寬度、底面寬度、平均寬度、橫截面形狀、基座層厚度、壁厚、底面厚度或其組合中選擇的。
19.根據(jù)權(quán)利要求書18所述的物品，其中橫截面形狀是從方波形、正斜度、負(fù)斜度、正弦波形、開放環(huán)圈形、封閉環(huán)圈形或其組合中選擇的。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的物品，其中不同的結(jié)構(gòu)特性造成在沖擊過程中摩擦能量消耗。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的物品，其中所述不同結(jié)構(gòu)特性為深度。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的物品，其中所述第一和第二層組分不同。
23.一種能量吸收器制造方法，包括將多個第一表面部分的單個表面部分套裝在多個第二表面部分的單個表面部分中，其中所述第一和第二層在結(jié)構(gòu)或組分至少一個方面互不相同。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中它還包括擠出包括多個第一表面部分的第一層。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中它還包括擠出包括多個第二表面部分的第二層。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中它還包括擠出包括所述多個第一和第二表面部分的第一層。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中所述套裝步驟包括使將所述多個第一和第二表面部分隔開的鉸鏈致動的步驟。
28.一種制造能量吸收器的方法，包括擠出包括多個第一和第二表面部分的第一層，其中所述多個第一和第二表面部分被鉸鏈隔開。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中它還包括將多個第一表面部分中的單個表面部分套裝在多個第二表面部分中的單個表面部分中。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中形成至少在結(jié)構(gòu)或組分的一個方面不同的多個第一和第二表面部分。
全文摘要
本發(fā)明包括一個制造物品，它具有一個帶有多個皺折的層，以形成能量吸收器結(jié)構(gòu)，每一個皺折具有一個底面和兩個將所述底面與基座層連接的壁，每一個皺折的長度比所述皺折的最寬的寬度長。本發(fā)明還包括帶有多層能量吸收器的能量吸收結(jié)構(gòu)，所述吸收器具有一個帶有多個表面部分的層和帶有多個第二表面部分的第二層，其中一個層的表面部分套裝在另一個層的表面部分內(nèi)，使得基座層互相鄰近。本發(fā)明還包括一個步驟的制造能量的吸收器的方法，所述方法包括在一個步驟中形成兩個層的材料。另外，本發(fā)明包括吸收沖擊能量方法，所述方法包括通過在一對基座層上的表面部分之間的摩擦產(chǎn)生熱。
文檔編號F16F7/00GK1942345SQ200580007821
公開日2007年4月4日 申請日期2005年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月12日
發(fā)明者M·J·毛雷爾, E·托克利諾, G·D·沃格爾, L·P·卡塔卡, P·S·謝姆比卡, S·韋盧薩邁 申請人:陶氏環(huán)球技術(shù)公司