Металлический полый призматический элемент
Группа изобретений относится к области транспортного машиностроения. По первому варианту поглощающий удар металлический полый призматический элемент с многоугольным поперечным сечением имеет пять вершин и сторон, проходящих между вершинами. Многоугольное поперечное сечение разделено двумя вершинами (А, В) с небольшими внутренними углами на два сегмента периметра. Периметр содержит одну или более сторон. Один из двух сегментов периметра содержит четыре стороны, соответствующие внутренние углы трех вершин (V(i) (i=1, 2, 3,…)), включенных в сегмент периметра. Четыре стороны сегмента периметра равны или меньше чем 180 градусов. Расстояние между каждой из трех вершин (V(i) (i=1, 2, 3,…)) и прямой линией (L), соединяющей две вершины (A, B), меньше, чем 1/2 расстояния между двумя вершинами (A, B). Внутренний угол вершины (C) с наименьшим внутренним углом среди трех вершин больше, чем внутренние углы двух вершин (A, B), и вершины (VI) имеются в сегменте периметра. Сегмент периметра включает четыре стороны, соответственно между вершиной (С) с наименьшим внутренним углом среди трех вершин (V(i)) и одной (A) из двух вершин (A, B) и между вершиной (C) с наименьшим внутренним углом и другой (B) из двух вершин (A, B). Указанные вершины (VI) имеют внутренние углы большие, чем внутренний угол вершины (C) с наименьшим внутренним углом. По второму варианту поглощающий удар металлический полый призматический элемент содержит две объединенные секции (J), многоугольное поперечное сечение разделено двумя вершинами (A, B) вблизи двух объединенных секций (J) на два сегмента периметра. Достигается повышение эффективности поглощения энергии удара при использовании металлического полого призматического элемента в раме транспортного средства. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 18 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к тонкостенному полому призматическому элементу, который составляет раму и выполнен из металла, такого как сталь, алюминий, нержавеющая сталь или титан и т.д.
Уровень техники
В последние годы, в области автомобильной промышленности, для уменьшения веса кузова транспортного средства/автомобиля, при этом поддерживая или улучшая безопасность при столкновении автомобиля, и для уменьшения выбросов углекислого газа с целью улучшения экологических характеристик автомобиля, применяют множество подходов для повышения жесткости элемента рамы, такого как крашбокс и т.д. автомобиля, посредством модификации поперечного сечения элемента рамы. Для повышения жесткости элемента рамы является важным распределение свойств сечения (или баланс прочности) элемента рамы в его продольном направлении. Если конструкция элемента рамы является неподходящей, в случае переднего столкновения автомобиля, рама, расположенная на задней стороне крашбокса, может деформироваться до деформации крашбокса, расположенного в передней части рамы автомобиля. Более того, в эксперименте по столкновению автомобиля, граничное условие, такое как направление нагрузки, не является постоянным, в соответствии с чем имеет место определенная степень погрешности. Следовательно, является необходимым, чтобы энергопоглощающий элемент, основная форма деформации которого представляет собой форму смятия в осевом направлении крашбокса и т.д., был крайне жестким, причем эффективность поглощения энергии удара элемента значительно не изменяется вследствие изменения граничного условия.
В этом отношении, "баланс прочности" означает момент инерции сечения, вычисленный из множества форм поперечного сечения, перпендикулярных относительно продольного направления рамы, и характеристик материала, примененного для рамы, и/или распределение максимальной допустимой критической нагрузки в продольном направлении. Более того, "эффективность поглощения энергии удара" означает величину поглощения энергии на единицу величины смятия в осевом направлении, и "жесткость" означает постоянство эффективности поглощения энергии удара относительно изменения динамического граничного условия.
В качестве предшествующего уровня техники, патентная литература 1 раскрывает поглощающий энергию удара элемент, имеющий канавку, вогнутую внутрь элемента, в котором форма поперечного сечения, по меньшей мере, в части в осевом направлении представляет собой замкнутое поперечное сечение, имеющее множество вершин.
Патентная литература 2 описывает энергопоглощающий элемент, образованный экструдированным элементом из алюминиевого сплава, имеющим полое прямоугольное поперечное сечение, в котором выступающая часть с прямоугольным поперечным сечением предусмотрена снаружи части поверхности стенки элемента.
Патентная литература 3 раскрывает раму передней стороны автомобиля, имеющую буртики на ее боковой стороне, при этом буртики проходят в осевом направлении и выступают внутрь или наружу боковой стороны.
Патентная литература 4 описывает поглощающий энергию удара элемент, имеющий, в общем, C-образное поперечное сечение, которое открывается наружу в направлении ширины транспортного средства.
Более того, патентная литература 5 описывает поглощающий энергию удара элемент, имеющий многоугольное поперечное сечение, в котором длина одной стороны многоугольного поперечного сечения, длины двух сторон, между которыми размещается одна сторона, и диапазон угла, образованного двумя сторонами, ограничены.
Перечень ссылок
Патентная литература
ПЛ 1: публикация нерассмотренной заявки на патент Японии (kokai, не прошедшая экспертизу патентная заявка Японии) № 2006-207724.
ПЛ 2: публикация нерассмотренной заявки на патент Японии (kokai, не прошедшая экспертизу патентная заявка Японии) № 2002-12165.
ПЛ 3: публикация нерассмотренной заявки на патент Японии (kokai, не прошедшая экспертизу патентная заявка Японии) № H08-108863.
ПЛ 4: публикация нерассмотренной заявки на патент Японии (kokai, не прошедшая экспертизу патентная заявка Японии) № 2009-292340.
ПЛ 5: международная публикация № WO 2005/010396.
Краткое изложение сущности изобретения
Проблема, подлежащая решению посредством изобретения
Технологии ПЛ 1-3 предназначены для увеличения общего количества вершин в поперечном сечении таким образом, что сила поперечного сечения на единицу длины элемента вследствие деформации сжатия существенно повышена посредством образования радикальной вогнутой-выпуклой формы. Следовательно, в ПЛ 1-3, необходимо перерабатывать всю раму ввиду баланса прочности рамы. Если технология частично применяется к раме, общий баланс прочности рамы ухудшается, и рама деформируется в ее непредсказуемом участке, посредством чего величина поглощения энергии элемента может уменьшаться. Более того, так как форма деформации может быть нестабильной вследствие радикальной вогнутой-выпуклой формы, элемент может нестабильно сминаться и деформироваться в осевом направлении.
С другой стороны, в ПЛ 4 и 5, не является необходимым образовывать вогнутую-выпуклую форму, и сила поперечного сечения на единицу длины элемента вследствие деформации сжатия умеренно повышена, посредством чего форма деформации смятия может быть стабильной в осевом направлении. Однако в любой из ПЛ 4 и 5, выполнение внутренних углов вершин многоугольной формы является неподходящим. Другими словами, в зависимости от направления нагрузки, вершина может пропасть вследствие коробления многоугольной формы, устранившись, посредством чего сила поперечного сечения может существенно уменьшиться.
Настоящее изобретение было осуществлено для обеспечения технологии для повышения эффективности поглощения энергии удара без ухудшения баланса прочности и элемента, к которому применяется данная технология.
Средства решения проблемы
Авторы настоящей заявки на патент изучили взаимосвязь между формой деформации и эффективностью поглощения энергии удара (или величиной поглощения энергии) при смятии элемента и обнаружили, что поведение вершин в поперечном сечении элемента существенно способствует величине поглощения энергии при деформации смятия. Когда вершина пропадает или исчезает вследствие деформации, такой как изгибание во время смятия, реактивная сила существенно уменьшается. Следовательно, хотя является эффективным исключать изгибание в вершине, трудно регулировать изгибание, в частности при деформации смятия в осевом направлении. В результате анализа и экспериментов касательно смятия элемента в осевом направлении, изобретатели обнаружили, что исчезновение вершины при деформации смятия может быть исключено посредством регулирования места изгибания. Так как эта технология предназначена для понижения коэффициента уменьшения реактивной силы, общий баланс прочности не ухудшается.
В соответствии с настоящим изобретением, обеспечен металлический полый призматический элемент с многоугольным поперечным сечением, имеющим, по меньшей мере, пять вершин и сторон, проходящих между вершинами, в котором: многоугольное поперечное сечение разделено двумя вершинами (A, B) с небольшими внутренними углами на два сегмента периметра, причем периметр содержит одну или более сторон, при этом, по меньшей мере, один из двух сегментов периметра содержит, по меньшей мере, четыре стороны, соответствующие внутренние углы, по меньшей мере, трех вершин (V(i) (i=1, 2, 3,...)), включенных в сегмент периметра, который включает, по меньшей мере, четыре стороны, равны или меньше чем 180 градусов, расстояние (SS(i) (i=1, 2, 3,...)) между каждой из, по меньшей мере, трех вершин (V(i) (i=1, 2, 3,...)) и прямой линией (L), соединяющей две вершины (A, B), меньше чем 1/2 расстояния между двумя вершинами (A, B), внутренний угол вершины (C) с наименьшим внутренним углом среди, по меньшей мере, трех вершин (V(i)) больше, чем внутренние углы двух вершин (A, B), и вершины (VI) имеются в сегменте периметра, включающем, по меньшей мере, четыре стороны, соответственно между вершиной (C) с наименьшим внутренним углом среди, по меньшей мере, трех вершин (V(i)) и одной (A) из двух вершин (A, B), и между вершиной (C) с наименьшим внутренним углом и другой (B) из двух вершин (A, B), при этом указанные вершины (VI) имеют внутренние углы большие, чем внутренний угол вершины (C) с наименьшим внутренним углом.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, обеспечен металлический полый призматический элемент с многоугольным поперечным сечением, имеющим, по меньшей мере, пять вершин и сторон, проходящих между вершинами, в котором: металлический полый призматический элемент содержит две объединенные секции (J), многоугольное поперечное сечение разделено двумя вершинами (A, B) вблизи двух объединенных секций (J) на два сегмента периметра, причем периметр содержит одну или более сторон, при этом, по меньшей мере, один из двух сегментов периметра содержит, по меньшей мере, четыре стороны, соответствующие внутренние углы, по меньшей мере, трех вершин (V(i) (i=1, 2, 3,...)), включенных в сегмент периметра, который включает, по меньшей мере, четыре стороны, равны или меньше чем 180 градусов, расстояние (SS(i) (i=1, 2, 3,...)) между каждой из, по меньшей мере, трех вершин (V(i) (i=1, 2, 3,...)) и прямой линией (L), соединяющей две вершины (A, B), меньше чем 1/2 расстояния между двумя вершинами (A, B), и вершины (VI) имеются в сегменте периметра, включающем, по меньшей мере, четыре стороны, соответственно между вершиной (C) с наименьшим внутренним углом среди, по меньшей мере, трех вершин (V(i)) и одной (A) из двух вершин (A, B), и между вершиной (C) с наименьшим внутренним углом и другой (B) из двух вершин (A, B), при этом указанные вершины (VI) имеют внутренние углы большие, чем внутренний угол вершины (C) с наименьшим внутренним углом.
Металлический полый призматический элемент по изобретению является подходящим для элемента рамы, в частности, который составляет раму автомобиля.
В настоящем изобретении, "многоугольник" означает рисунок, образованный точками пересечения прямых линий, соответствующих каждой вытянутой стороне. Металлический полый призматический элемент с многоугольным поперечным сечением включает элемент с вершинами, имеющими скругления.
В соответствии с настоящим изобретением, обеспечен элемент, в котором эффективность поглощения энергии удара и жесткость повышены без ухудшения баланса прочности.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой схему для схематичного изображения реактивной силы и величины смятия, когда элемент сминается, при этом объясняющую способ повышения эффективности поглощения энергии удара.
Фиг.2 представляет собой схематичный вид для объяснения взаимосвязи между максимальной допустимой изгибающей нагрузкой и внутренним углом.
Фиг.3 представляет собой график для объяснения взаимосвязи между максимальной допустимой изгибающей нагрузкой и внутренним углом.
Фиг.4 представляет собой схематичный вид для объяснения динамического состояния, когда полый призматический элемент сминается в осевом направлении.
Фиг.5 представляет собой схематичный вид для объяснения геометрической деформации и изменения внутреннего угла при изгибании.
Фиг.6 представляет собой схематичный вид сегмента периметра для объяснения изменения внутренних углов вершин, когда многоугольное поперечное сечение изгибается в одной вершине.
Фиг.7 представляет собой схематичный вид сегмента периметра многоугольного поперечного сечения полого призматического элемента в качестве примера изобретения.
Фиг.8 представляет собой вид примера сегмента периметра многоугольного поперечного сечения по изобретению, схематично показывающий поперечное сечение полого призматического элемента до и после изгибания, причем, среди одной или более вершин (VI), имеющихся на приблизительных прямых линиях приблизительного многоугольника между двумя вершинами A, C и между двумя вершинами B, C, внутренний угол, по меньшей мере, одной вершины больше, чем внутренний угол вершины C. В этом отношении, знак (+) обозначает вершину, среди вершин между вершинами A и B, имеющую внутренний угол, больший, чем внутренние углы соседних вершин, и знак (-) обозначает вершину, среди вершин между вершинами A и B, имеющую внутренний угол, меньший, чем внутренний угол, по меньшей мере, одной из соседних вершин.
Фиг.9 представляет собой вид, схематично показывающий поперечное сечение полого призматического элемента до и после изгибания, причем три или более точек не удовлетворяют условию изобретения, при этом точки расположены на приблизительных прямых линиях приблизительного многоугольника между двумя вершинами A′ и B′ среди вершин сегмента периметра поперечного многоугольного сечения, имеющего пять или более вершин. В этом отношении, знак (+) обозначает вершину, среди вершин между вершинами A′ и B′, имеющую внутренний угол, больший, чем внутренний угол, по меньшей мере, одной из соседних вершин, и знак (-) обозначает вершину, среди вершин между вершинами A′ и B′, имеющую внутренний угол, меньший, чем внутренние углы соседних вершин.
Фиг.10 представляет собой пояснительный вид, схематично показывающий сегмент периметра многоугольного поперечного сечения полого призматического элемента в качестве примера изобретения.
Фиг.11 представляет собой пояснительный вид, схематично показывающий сегмент периметра многоугольного поперечного сечения полого призматического элемента в качестве примера изобретения.
Фиг.12 представляет собой пояснительный вид поперечного сечения и размеров элемента в качестве сравнительного примера.
Фиг.13 представляет собой пояснительный вид поперечного сечения и размеров элемента в качестве варианта осуществления изобретения.
Фиг.14 представляет собой сравнительный график взаимосвязи между реактивной силой и величиной смятия, создаваемого, когда тонкостенный полый призматический элемент сминается.
Фиг.15 представляет собой пояснительный вид поперечного сечения и размеров элемента в качестве сравнительного примера.
Фиг.16 представляет собой пояснительный вид поперечного сечения и размеров элемента в качестве варианта осуществления изобретения.
Фиг.17 представляет собой сравнительный график взаимосвязи между реактивной силой и величиной смятия, создаваемой, когда тонкостенный полый призматический элемент сминается.
Фиг.18 представляет собой сравнительный график взаимосвязи между реактивной силой и величиной смятия, создаваемой, когда тонкостенный полый призматический элемент сминается.
Варианты осуществления изобретения
Сначала, основа настоящего изобретения будет объяснена со ссылкой на фиг.1-6.
Для повышения эффективности поглощения энергии удара полого призматического элемента с многоугольным поперечным сечением необходимо увеличить величину поглощения энергии на единицу величины смятия в осевом направлении полого призматического элемента. Для увеличения величины поглощения энергии важно поддерживать среднее значение реактивной силы, возникающей при смятии элемента, на высоком уровне.
С этой целью необходимо (1) увеличить реактивную силу, которая варьируется вследствие деформации в смятии, как обозначено штриховой линией на фиг.1, и (2) препятствовать уменьшению реактивной силы, которая варьируется вследствие деформации в смятии, как обозначено точечной линией на фиг.1.
В результате анализа и экспериментов касательно смятия элемента в осевом направлении, изобретатели обнаружили, что (a) на увеличение реактивной силы при смятии главным образом влияет количество вершин поперечного сечения элемента до деформации; (b) на уменьшение реактивной силы при смятии влияет количество вершин поперечного сечения элемента во время деформации; и (c) увеличение реактивной силы влияет на другой соседний элемент, так как максимальная реактивная сила увеличивается, тогда как уменьшение реактивной силы не влияет на другой соседний элемент, так как максимальная реактивная сила не меняется.
В общем смысле, в полом призматическом элементе с многоугольным поперечным сечением вершина многоугольного поперечного сечения может пропасть или исчезнуть вследствие изгибания во время смятия. В этом случае, элемент деформируется, при этом имея поперечное сечение с меньшим количеством вершин, чем первоначальное количество вершин. Когда вершина поперечного сечения исчезает, длина стороны многоугольного поперечного сечения увеличивается, посредством чего цикл коробления удлиняется. Так как цикл коробления соответствует циклу флуктуаций реактивной силы, количество пиков реактивной силы во время смятия уменьшается, когда цикл коробления удлиняется. Следовательно, максимальная реактивная сила элемента до коробления может быть увеличена посредством увеличения количества вершин многоугольного поперечного сечения. Однако, так как внутренний угол вершины увеличивается, когда количество вершин многоугольного поперечного сечения увеличивается, элемент легко изгибать, посредством чего реактивная сила после изгибания элемента может быть существенно уменьшена.
Так как является неизбежным, что полый призматический элемент с многоугольным поперечным сечением изгибается при смятии, важно, каким образом элемент изгибается, для повышения эффективности поглощения энергии удара элемента. Более того, так как реактивная сила уменьшается вследствие изгибания, величина уменьшения реактивной силы может регулироваться посредством регулирования изгибания таким образом, чтобы уменьшить количество вершин, которые исчезают, когда имеет место деформация.
В результате анализа и экспериментов касательно смятия полого призматического элемента с многоугольным поперечным сечением, изобретатели обнаружили, что исчезновение вершин может быть исключено посредством регулирования места изгибания, а не посредством уменьшения частоты изгибания и что внутренний угол вершины представляет собой важный фактор для регулирования места изгибания.
В общем смысле, в полом призматическом элементе с многоугольным поперечным сечением, когда внутренний угол вершины в поперечном сечении увеличивается, полый призматический элемент может легко изгибаться. Например, как показано на фиг.2, в системе, включающей в себя два упругих деформируемых стержня, причем каждый стержень имеет только продольное направление и соединен друг с другом на его одном конце под углом θ, а противоположный конец каждого стержня закреплен, максимальная допустимая изгибающая нагрузка непосредственно до начала изгибания, когда нагрузка прикладывается к соединительной части или вершине сверху, как обозначено стрелкой F, может быть проанализирована с точки зрения механики материала. Как показано на фиг.3, когда максимальная допустимая изгибающая нагрузка под углом θ в 90 градусов равна 1,00, максимальная допустимая изгибающая нагрузка под углом θ в 120 градусов и 150 градусов приблизительно составляет 0,30 и 0,04, соответственно.
Как описано выше, из фиг.3 можно понять, что максимальная допустимая изгибающая нагрузка очень восприимчива к внутреннему углу вершины. Следовательно, посредством надлежащего определения величины внутреннего угла каждой вершины в многоугольном поперечном сечении, форма деформации полого призматического элемента с многоугольным поперечным сечением может регулироваться, и его жесткость может быть повышена.
С другой стороны, в деформации смятия полого призматического элемента с многоугольным поперечным сечением, сила прикладывается к полому призматическому элементу в его осевом направлении. До деформации, как показано на фиг.4, растягивающая нагрузка прикладывается к каждой вершине многоугольного поперечного сечения, причем растягивающая нагрузка направлена к соседним вершинам. Когда полый призматический элемент изгибается, внутренний угол вершины в изогнутом участке увеличивается (+), тогда как внутренний угол вершин, соседних относительно вершины в изогнутом участке, уменьшается (-) под действием геометрических условий. Следовательно, периферия изогнутого участка слабо изгибается (фиг.5). Аналогичным образом, внутренний угол дальнейшей соседней вершины увеличивается (+). Другими словами, когда изгибание происходит в одной вершине, внутренние углы поочередно увеличиваются или уменьшаются ((+) или (-)), посредством чего вершина, имеющая увеличенный внутренний угол, вероятно исчезнет или пропадет (фиг.6).
Ввиду такого изгибания полого призматического элемента, настоящее изобретение может применяться к полому призматическому элементу с многоугольным поперечным сечением, имеющим, по меньшей мере, пять вершин. Хотя завися от направления нагрузки при смятии, место в многоугольном поперечном сечении, где происходит изгибание и исчезает вершина, главным образом, определяется местами и величинами внутренних углов вершин и наличием соединительного участка фланца и т.д. Кроме того, является предпочтительным, чтобы полый призматический элемент был выполнен из металла, так как важно, чтобы материал полого призматического элемента имел высокую прочность и пластичность для повышения эффективности поглощения энергии и имел небольшую анизотропность (т.е. сохранял пластичность даже в сложном напряженном состоянии).
С другой стороны, так как изгибание легко происходит при деформации смятия "компактного типа" в осевом направлении, является предпочтительным, что полый призматический элемент с многоугольным поперечным сечением имеет такие размеры, что деформация смятия "компактного типа" происходит в осевом направлении. Конкретно, отношение расстояния "D" между вершинами многоугольного поперечного сечения и толщины "t" листа (t/D) предпочтительно составляет 0,005 или более, более предпочтительно, 0,010 или более. Более того, отношение продольной длины "H" полого призматического элемента и минимальной длины "h" многоугольного поперечного сечения (h/H) предпочтительно составляет 0,10 или более, более предпочтительно, 0,15 или более. В этом отношении, "минимальная длина" многоугольного поперечного сечения означает минимальное расстояние между двумя параллельными прямыми линиями, которые тангенциально контактируют с поперечным сечением полого призматического элемента. Кроме того, "компактный тип" объясняется во множестве документов и означает форму деформации, при которой смятие осуществляется посредством повторения постоянной модели при деформации смятия в осевом направлении.
Далее, объясняется первый вариант осуществления настоящего изобретения.
Сначала, в многоугольном поперечном сечении, имеющем, по меньшей мере, пять вершин и сторон, проходящих между вершинами, выбираются две вершины "A" и "B" с небольшими внутренними углами, и периметр многоугольного поперечного сечения разделяется двумя вершинами A и B на два сегмента периметра с одной или более сторон. В этом отношении, две вершины A и B выбираются таким образом, что, по меньшей мере, один из двух сегментов периметра содержит, по меньшей мере, четыре стороны. Далее, прямая линия, соединяющая две вершины A и B, определяется как "L", и длина прямой линии L (т.е. расстояние между двумя вершинами A и B) определяется как "S". Более того, расстояние между прямой линией L и каждой из, по меньшей мере, трех вершин (V(i) (i=1, 2, 3,...)), включенных в сегмент периметра, который включает, по меньшей мере, четыре стороны, определяется как "SS(i)" (i=1, 2, 3,...). В этом отношении, если SS(i)<0,5S справедливо (т.е. внутренний угол больше чем 90 градусов) и все внутренние углы вершин V(i) в многоугольном поперечном сечении равны или меньше чем 180 градусов (фиг.7), то, по меньшей мере, одна из вершин V(i) в сегментах периметра между вершинами A и B вероятно исчезнет вследствие изгибания.
Когда, по меньшей мере, три вершины V(i) включают вершину с внутренним углом 180 градусов или более, сторона проходит наружу от вершины. В результате, когда полый призматический элемент сминается, вершина с внутренним углом 180 градусов или более деформируется образом, существенно отличным от других вершин. Следовательно, деформация полого призматического элемента во время смятия усложнена, в соответствии с чем трудно регулировать деформацию.
С другой стороны, когда SS(i)<αS(α>0) справедливо, когда α уменьшается (т.е. когда внутренние углы вершин V(i) увеличиваются), по меньшей мере, одна из вершин V(i) вероятно исчезнет вследствие изгибания.
Более того, в настоящем варианте осуществления, внутренний угол вершины C с наименьшим внутренним углом среди вершин V(i) больше, чем внутренние углы двух вершин A, B. Также, среди вершин, имеющихся на выбранном сегменте периметра и между вершинами A и B или между вершинами B и C, вершины, имеющие внутренние углы, большие, чем внутренний угол вершины C, называются вершинами V(I). Вершина V(I) предпочтительно становится начальной точкой изгибания, когда полый призматический элемент сминается и деформируется, и вершины A, B и C, отличные от вершин V(I), почти не изгибаются, посредством чего исчезновение вершин A, B и C может быть исключено. Другими словами, в этом варианте осуществления, A<ϕC<ϕVI справедливо, и ϕB<ϕC<ϕVI справедливо. В этом отношении, ϕA, ϕB, ϕC и ϕVI представляют собой внутренние углы вершин A, B, C и VI, соответственно.
С другой стороны, когда условие настоящего изобретения не удовлетворено (т.е., как показано на фиг.9, среди, по меньшей мере, трех вершин, имеющихся на сегменте периметра и между двумя вершинами A′ и B′, внутренний угол вершины C′ больше, чем внутренние углы других вершин V1 и V2), больше вершин исчезают вследствие изгибания, когда полый призматический элемент сминается. В примере фиг.9, вершины A′, B′, V1 и V2 исчезнут, в результате реактивная сила полого призматического элемента будет существенно уменьшена.
Для того чтобы вершины V(I) предпочтительно изгибались, является предпочтительным, чтобы разница между внутренними углами вершин VI и C была как можно большей. Предпочтительно, разница составляет 10 градусов, и, более предпочтительно, разница составляет 20 градусов. Кроме того, когда имеет место множество вершин C, имеющих одинаковый внутренний угол, вершины C расположены рядом друг с другом. Если они не расположены рядом друг с другом (т.е. две точки, имеющие небольшие внутренние углы на фиг.9, соответствуют вершинам C), количество исчезающих вершин не может быть уменьшено, как показано на фиг.9.
Кроме того, важно, чтобы вышеприведенная взаимосвязь между вершинами A, B, C и VI удовлетворялась, по меньшей мере, в части поперечного сечения полого призматического элемента, и не является необходимым, чтобы вышеприведенная взаимосвязь удовлетворялась во всех вершинах поперечного сечения. Например, в случае, когда элемент частично имеет продольный буртик и поперечное сечение включает в себя вершину с внутренним углом 180 градусов или более, если взаимосвязь, относящаяся к внутреннему углу изобретения, удовлетворена в другой области, уменьшение варьирующейся реактивной силы вследствие деформации при смятии может быть исключено.
Посредством увеличения областей, где распределение и взаимное расположение внутренних углов вершин в поперечном сечении, как описано выше, удовлетворены, место изгибания в многоугольном поперечном сечении может регулироваться, посредством чего количество исчезающих вершин может быть уменьшено.
Далее, объясняется другой вариант осуществления настоящего изобретения.
Когда полый призматический элемент имеет две объединенные секции "J", такие как фланцы, толщина объединенной секции J является относительно большой вследствие наложения листов. Следовательно, вершины A и B поперечного сечения, наиболее близкие к двум объединенным секциям J, едва ли исчезают или пропадают вследствие изгибания. Когда прямая линия, соединяющая две вершины A и B, определяется как "L", длина прямой линии L (т.е. расстояние между вершинами A и B) определяется как "S", и расстояние между прямой линией L и каждой из, по меньшей мере, трех вершин (V(i) (i=1, 2, 3,...)), включенных в сегмент периметра, который включает, по меньшей мере, четыре стороны, определяется как "SS(i)" (i=1, 2, 3,...), если SS(i)<0,5S справедливо (т.е. внутренний угол больше чем 90 градусов) и все внутренние углы вершин V(i) в многоугольном поперечном сечении равны или меньше чем 180 градусов (фиг. 10 и 11), то, по меньшей мере, одна из вершин V(i) в сегментах периметра между вершинами A и B вероятно исчезнет вследствие изгибания.
Когда, по меньшей мере, три вершины V(i) включают вершину с внутренним углом 180 градусов или более, сторона проходит наружу от вершины. В результате, когда полый призматический элемент сминается, вершина с внутренним углом 180 градусов или более деформируется существенно иначе от других вершин. Следовательно, деформация полого призматического элемента во время смятия усложнена, в соответствии с чем трудно регулировать деформацию.
С другой стороны, когда SS(i)<αS(α>0) справедливо, когда α уменьшается (т.е. когда внутренние углы вершин V(i) увеличиваются), по меньшей мере, одна из вершин V(i) вероятно исчезнет вследствие изгибания.
Более того, в настоящем варианте осуществления, внутренний угол вершины C с наименьшим внутренним углом среди вершин V(i) больше, чем внутренние углы двух вершин A, B. Также, среди вершин, имеющихся на выбранном сегменте периметра и между вершинами A и B или между вершинами B и C, вершины, имеющие внутренние углы, большие, чем внутренний угол вершины C, называются вершинами V(I). Вершина V(I) предпочтительно становится начальной точкой изгибания, когда полый призматический элемент сминается и деформируется, и вершины A, B и C, отличные от вершин V(I), почти не изгибаются, посредством чего исчезновение вершин A, B и C может быть исключено. Другими словами, в этом варианте осуществления, ϕA<ϕC<ϕVI справедливо, и ϕB<ϕC<ϕVI справедливо. В этом отношении, ϕA, ϕB, ϕC и ϕVI представляют собой внутренние углы вершин A, B, C и VI, соответственно.
С другой стороны, когда условие настоящего изобретения не удовлетворено (т.е., как показано на фиг.9, среди, по меньшей мере, трех вершин, имеющихся на сегменте периметра и между двумя вершинами A′ и B′, внутренний угол вершины C′ больше, чем внутренние углы других вершин V1 и V2), больше вершин исчезают вследствие изгибания, когда полый призматический элемент сминается. В примере фиг.9, вершины A′, B′, V1 и V2 исчезнут, в результате, реактивная сила полого призматического элемента будет существенно уменьшена.
Для предпочтительного изгибания вершин V(I), является предпочтительным, чтобы разница между внутренними углами вершин VI и C была как можно большей. Предпочтительно, разница составляет 10 градусов, и более предпочтительно, 20 градусов. Кроме того, когда имеет место множество вершин C, имеющих одинаковый внутренний угол, вершины C расположены рядом друг с другом. Если они не расположены рядом друг с другом (т.е. две точки, имеющие небольшие внутренние углы на фиг.9, соответствуют вершинам C), количество исчезающих вершин не может быть уменьшено, как показано на фиг.9.
Кроме того, важно, чтобы вышеприведенная взаимосвязь между вершинами A, B, C и VI удовлетворялась, по меньшей мере, в части поперечного сечения полого призматического элемента, и не является необходимым, чтобы вышеприведенная взаимосвязь удовлетворялась во всех вершинах поперечного сечения. Например, в случае, когда элемент частично имеет продольный буртик и поперечное сечение включает в себя вершину с внутренним углом 180 градусов или более, если взаимосвязь, относящаяся к внутреннему углу изобретения, удовлетворена в другой области, уменьшение варьирующейся реактивной силы вследствие деформации при смятии может быть исключено.
Посредством создания области, включающей в себя две объединенных секции J, таких как фланцы, где распределение и взаимное расположение внутренних углов вершин в поперечном сечении, как описано выше, удовлетворены, место изгибания в многоугольном поперечном сечении может регулироваться, посредством чего количество исчезающих вершин может быть уменьшено.
Металлический полый призматический элемент настоящего изобретения является особенно подходящим для элемента рамы, который составляет раму автомобиля. В области автомобильной промышленности, многие конструкторы и разработчики решают многие проблемы: улучшение характеристик безопасности при столкновении, уменьшение веса кузова транспортного средства для повышения эффективности использования топлива и сокращение срока разработки для многих типов транспортных средств ввиду глобализации и т.д.
Касательно характеристик безопасности при столкновении, в Японии, стандартный эквивалент унифицированным критериям ООН (правилу ЕЭК), R94 (защита пассажира в случае смещенного столкновения) был введен и применен к новым моделям в или после 2007 года. Этот стандарт также был применен к коммерческим транспортным средствам с массой 2,5 тонны или менее. В Соединенных Штатах, боковой удар в столб со скоростью 32 км/ч, добавленный в FMVSS214, предусматривался с 2009 года. Более того, FMVSS301 был пересмотрен, таким образом смещенный задний удар со скоростью 80 км/ч применялся с 2006 года.
Касательно эффективности использования топлива автомобиля, в Японии, "Акт о рациональном использовании энергии" был пересмотрен и введен в действие с апреля 2006 года, причем к 2015 году должен быть достигнут "Стандарт по эффективности использования топлива для транспортных средств большой грузоподъемности". В Соединенных Штатах, федеральное правительство опубликовало черновую редакцию касательно системы CAFE для небольших грузовых автомобилей моделей 2008-2011 годов. Как в федеральном правительстве, так и Калифорнии, ужесточение ограничений в следующем периоде находится на рассмотрении.
Касательно глобализации, величина экспорта автомобилей существенно выросла в последние годы. Например, величина экспорта в 2005 году стремительно выросла на 22% по сравнению с 2001 годом. Ожидается, что внешнее производство превысит внутреннее производство всех производителей в Японии, вследствие продвижения японских производителей в Россию и т.д.
Ввиду такой ситуации, для сокращения времени проектирования, уменьшения веса кузова транспортного средства и улучшения характеристик безопасности при столкновении с высокой скоростью, настоящее изобретение может способствовать уменьшению бремени на конструктора автомобилей и снижению веса кузова транспортного средства, так как характеристики безопасности при столкновении могут быть улучшены только посредством выполнения распределения внутренних углов без изменения баланса прочности всей рамы в настоящем изобретении. В автомобиле имеется множество составных элементов, к которым при столкновении прикладывается динамическая нагрузка. В частности, настоящее изобретение может существенно способствовать при проектировании энергопоглощающего элемента, такого как крашбокс и элемент передней стороны, который существенно способствует величине поглощения энергии при лобовом столкновении, или элемент задней стороны, который существенно способствует величине поглощения энергии при заднем столкновении.
Пример
В дальнейшем, полезные преимущества настоящего изобретения будут объяснены со ссылкой на примеры.
Сначала, как показано на фиг. 12 и 13, относительно тонкостенных полых призматических элементов 100 и 200, имеющих два вида, в общем смысле, десятиугольных поперечных сечений, изобретатели сравнили взаимосвязь между реактивной силой при смятии и величиной смятия. Размеры поперечных сечений обозначены на фиг.12 (элемент 100) и фиг.13 (элемент 200). Элемент 200 соответствовал форме одного примера настоящего изобретения. Оба элемента 100 и 200 были выполнены из стали JSC590Y, имели длину 300 мм, толщину листа 1,6 мм. Более того, все углы элементов имели кривизну 1,35 мм-1. Когда ударное тело, имеющее массу 700 кг, сталкивалось с каждым элементом в осевом направлении (или направлении, перпендикулярном относительно плоскости листа фиг. 12 и 13) и в направлении сжатия с начальной скоростью 5,0 м/с, взаимосвязь между реактивной силой при смятии и величиной смятия оценивалась посредством анализа и сравнивалась между элементами 100 и 200 (фиг.14).
Далее, относительно тонкостенных полых призматических элементов 300 и 400, имеющих два вида, в общем смысле, десятиугольных поперечных сечений, изобретатели сравнили взаимосвязь между реактивной силой при смятии и величиной смятия. Размеры поперечных сечений обозначены на фиг.15 (элемент 300) и фиг.16 (элемент 400). Элемент 400 соответствовал форме одного примера настоящего изобретения. Оба элемента 300 и 400 были выполнены из стали JSC590Y, имели длину 150 мм, толщину листа 1,6 мм. Более того, все углы элементов имели кривизну 1,35 мм-1. Когда ударное тело, имеющее массу 700 кг, сталкивалось с каждым элементом в осевом направлении (или направлении, перпендикулярном относительно плоскости листа фиг. 15 и 16) и в направлении сжатия с начальной скоростью 5,0 м/с, взаимосвязь между реактивной силой при смятии и величиной смятия оценивалась посредством анализа и сравнивалась между элементами 300 и 400 (фиг.17).
Более того, относительно элементов 300 и 400, изобретатели выполнили аналогичный анализ смятия, причем угол столкновения был наклонен на один градус относительно осевого направления (т.е. наклонен на один градус к правой стороне относительно направления, перпендикулярного к плоскости листа фиг. 15 и 16), и наблюдали эффект вследствие изменения граничного условия взаимосвязи между реактивной силой и величиной смятия (фиг.18).
В любом из примеров, в элементе настоящего изобретения, хотя начальный пик реактивной силы был таким же, что и у элемента, который не был включен в изобретение, существенное уменьшение реактивной силы от начального пика при изгибании было ограничено больше, чем у элемента за пределами объема изобретения. Более того, даже когда граничное условие было изменено, наблюдалось, что взаимосвязь между реактивной силой и величиной смятия (т.е. эффективность поглощения энергии удара) существенно не изменилась в элементе по изобретению. В соответствии с настоящим изобретением, эффективность поглощения энергии удара и жесткость могут быть повышены, при этом поддерживая максимальную реактивную силу элемента.
1. Поглощающий удар металлический полый призматический элемент с многоугольным поперечным сечением, имеющим, по меньшей мере, пять вершин и сторон, проходящих между вершинами, в котором многоугольное поперечное сечение разделено двумя вершинами (А, В) с небольшими внутренними углами на два сегмента периметра, причем периметр содержит одну или более сторон, при этом, по меньшей мере, один из двух сегментов периметра содержит, по меньшей мере, четыре стороны, соответствующие внутренние углы, по меньшей мере, трех вершин (V(i) (i=l, 2, 3,…)), включенных в сегмент периметра, который включает, по меньшей мере, четыре стороны, равны или меньше чем 180°, расстояние (SS(i) (i=l, 2, 3,…)) между каждой из, по меньшей мере, трех вершин (V(i) (i=l, 2, 3,…)) и прямой линией (L), соединяющей две вершины (А, В), меньше, чем 1/2 расстояния между двумя вершинами (А, В), внутренний угол вершины (С) с наименьшим внутренним углом среди, по меньшей мере, трех вершин (V(i)) больше, чем внутренние углы двух вершин (А, В), и вершины (VI) имеются в сегменте периметра, включающем, по меньшей мере, четыре стороны, соответственно между вершиной (С) с наименьшим внутренним углом среди, по меньшей мере, трех вершин (V(i)) и одной (А) из двух вершин (А, В), и между вершиной (С) с наименьшим внутренним углом и другой (В) из двух вершин (А, В), при этом указанные вершины (VI) имеют внутренние углы большие, чем внутренний угол вершины (С) с наименьшим внутренним углом.
2. Поглощающий удар металлический полый призматический элемент с многоугольным поперечным сечением, имеющим, по меньшей мере, пять вершин и сторон, проходящих между вершинами, в котором металлический полый призматический элемент содержит две объединенные секции (J), многоугольное поперечное сечение разделено двумя вершинами (А, В) вблизи двух объединенных секций (J) на два сегмента периметра, причем периметр содержит одну или более сторон, при этом, по меньшей мере, один из двух сегментов периметра содержит, по меньшей мере, четыре стороны, соответствующие внутренние углы, по меньшей мере, трех вершин (V(i) (i=l, 2, 3,…)), включенных в сегмент периметра, который включает, по меньшей мере, четыре стороны, равны или меньше чем 180°, расстояние (SS(i) (i=l, 2, 3,…)) между каждой из, по меньшей мере, трех вершин (V(i) (i=l, 2, 3,…)) и прямой линией (L), соединяющей две вершины (А, В), меньше, чем 1/2 расстояния между двумя вершинами (А, В), и вершины (VI) имеются в сегменте периметра, включающем, по меньшей мере, четыре стороны, соответственно между вершиной (С) с наименьшим внутренним углом среди, по меньшей мере, трех вершин (V(i)) и одной (А) из двух вершин (А, В), и между вершиной (С) с наименьшим внутренним углом и другой (В) из двух вершин (А, В), при этом указанные вершины (VI) имеют внутренние углы большие, чем внутренний угол вершины (С) с наименьшим внутренним углом.
3. Поглощающий удар металлический полый призматический элемент по п.1 или 2, в котором металлический полый призматический элемент является рамой автомобиля.
