本發(fā)明涉及被動安全技術領域，特別是涉及一種嵌入式多級高效碰撞吸能裝置。

背景技術：

隨著科技的迅速發(fā)展，人們對效率的追求越來越苛刻，各種交通工具的最高時速不斷刷新紀錄。不斷提高的速度盡管帶來了高的效率，但同時也成為了一個很大的不安全因素。近年來交通事故頻發(fā)，每年因此死亡的人數大幅度上升，因此，被動安全領域技術的革新迫在眉睫。而被動安全技術中，吸能裝置的吸能性能是最重要的一環(huán)，好的吸能裝置可以在發(fā)生碰撞事故時更好的保護人員的安全。

但是，目前大多數吸能裝置主要運用的吸能方式是較為單一的傳統(tǒng)薄壁管件，在碰撞時靠其壓縮變形吸收沖擊能量。這種吸能裝置整體吸能量小，效率低下，在碰撞壓縮過程中變形不穩(wěn)定，從而產生沖擊波，不能有效地保護人員的安全。此外，只能在一定的速度工況范圍內的碰撞才能發(fā)揮其效能，運用范圍窄。因此，傳統(tǒng)吸能裝置遠遠不能滿足日益苛刻的要求，必須發(fā)明一種新型高效的吸能裝置，以改進當前被動安全領域吸能裝置的不足。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于克服現有技術之不足，提供了一種嵌入式多級高效碰撞吸能裝置，結構簡單，利用巧妙的結構布局，滿足了強度高、柔韌性好、吸能效率高等對高性能吸能裝置的要求。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種嵌入式多級高效吸能裝置，包括活塞、上圓錐薄壁套管、下圓錐薄壁套管和緩沖耗材；

該上圓錐薄壁套管由外向內設有復數個互相平行的上環(huán)形薄壁，且所述上圓錐薄壁套管的中心設有上導向讓位槽；該下圓錐薄壁套管由外向內設有復數個互相平行的下環(huán)形薄壁，且所述下圓錐薄壁套管的中心設有下導向讓位槽；所述緩沖耗材填充于所述下導向讓位槽，并配合于所述上導向讓位槽；

所述上環(huán)形薄壁和下環(huán)形薄壁錯位套接在一起，并使上環(huán)形薄壁和下環(huán)形薄壁滑動配合，形成摩擦耗能結構；所述活塞通過一柱形空心承力管裝接于所述上圓錐薄壁套管；所述上圓錐薄壁套管采用CFPR材料，所述下圓錐薄壁套管為鋁材質。

CFPR材料為碳纖維增強復合材料的簡稱。

作為一種優(yōu)選，所述柱形空心承力管的側壁具有多層承力結構，該側壁自外向內依次為鋁材料層、CFPR材料層和鋁材料層。

作為一種優(yōu)選，所述下圓錐薄壁套管的環(huán)形薄壁表面貼設有橡膠耗能層。

作為一種優(yōu)選，所述橡膠耗能層為丁苯橡膠。

作為一種優(yōu)選，所述上圓錐薄壁套管的環(huán)形薄壁表面為鋸齒形結構。

作為一種優(yōu)選，所述緩沖耗材為聚氨酯泡沫。

作為一種優(yōu)選，所述活塞的底面設有定位臺；該定位臺的邊緣設有第一導向角，相應的，所述下圓錐薄壁套管的下導向讓位槽設有第二導向角；該第一導向角和第二導向角的傾斜角度相同。

本發(fā)明的有益效果為：

1、本吸能裝置采用了使用了新材料CFRP，有效地利用了其高強度、高吸能性和質量輕等優(yōu)點，在增加裝置強度和吸能性能的同時，滿足了輕量化設計的要求。且材料利用率高，每一個結構都能在碰撞中通過變形或撕裂，吸收相應的能量。

2、本吸能裝置采用多級梯度形式，從吸能始點到吸能終點的吸能量逐級遞增，滿足不同沖擊工況的要求。如在沖擊速度較小時，只需要吸能較少的SBR5參與吸能即可，隨著碰撞速度的加大，吸能較多的部件逐漸參與進行吸能。當受到較小的沖擊時，在更換部件的過程中，僅需對相應的配件進行更換即可，未參與吸能的部件還可以繼續(xù)使用。

3、橡膠耗能層采用擁有高摩擦系數的丁苯橡膠(SBR)進行摩擦吸能，吸能效果好，且易于更換。

4、本吸能裝置結合了塑性良好的鋁材和脆性較大的CFRP，既利用了鋁材柔韌性好的優(yōu)點又利用了CFRP撕裂吸能多和強度大的優(yōu)點。CFRP材料與鋁材料的交互作用，使其綜合吸能量遠遠大于單獨CFRP和鋁的吸能量之和。本裝置中，上圓錐薄壁套管(CFRP)嵌于下圓錐套管(AL)中，因外部鋁的約束，CFRP撕裂產生“楔形”的碎屑進一步促使CFRP產生撕裂吸能；而內部撕裂的CFRP客觀上形成外部鋁的填充物，增加了其變形吸能效率。一般CFRP材料在受壓時會撕裂，但通過適當地誘導后，可以使薄壁CFRP材料產生折疊變形，比撕裂吸收更多的能量。如該裝置中的柱形空心承力管結構，通過兩側夾層鋁材的折疊變形，誘導芯部薄壁CFRP的折疊變形，大大提升吸能效能。

以下結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明；但本發(fā)明的一種嵌入式多級高效吸能裝置不局限于實施例。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結構示意圖一(剖視圖)；

圖2是本發(fā)明的整體結構示意圖二(立體圖)；

圖3是本發(fā)明的柱形空心承力管的剖視圖；

圖4是本發(fā)明的“楔形”碎屑夾具限位撕裂示意圖。

具體實施方式

實施例：

以下結合附圖1至附圖4對本發(fā)明作詳細說明。

本發(fā)明的一種嵌入式多級高效吸能裝置，包括活塞1、上圓錐薄壁套管3、下圓錐薄壁套管4和緩沖耗材6；該上圓錐薄壁套管3由外向內設有復數個互相平行的上環(huán)形薄壁，且所述上圓錐薄壁套管3的中心設有上導向讓位槽；該下圓錐薄壁套管4由外向內設有復數個互相平行的下環(huán)形薄壁，且所述下圓錐薄壁套管4的中心設有下導向讓位槽；所述緩沖耗材6填充于所述下導向讓位槽，并配合于所述上導向讓位槽；所述上環(huán)形薄壁和下環(huán)形薄壁錯位套接在一起，并使上環(huán)形薄壁和下環(huán)形薄壁滑動配合，形成摩擦耗能結構；所述活塞1通過一柱形空心承力管2裝接于所述上圓錐薄壁套管3；所述上圓錐薄壁套管3采用CFPR材料，所述下圓錐薄壁套管4為鋁材質。

所述柱形空心承力管2的側壁具有多層承力結構，該側壁自外向內依次為鋁材料層21、CFPR材料層22和鋁材料層23。

所述下圓錐薄壁套管4的環(huán)形薄壁表面貼設有橡膠耗能層5。所述橡膠耗能層5為丁苯橡膠。

所述上圓錐薄壁套管3的環(huán)形薄壁表面為鋸齒形結構31。

所述緩沖耗材6為聚氨酯泡沫。

所述活塞1的底面設有定位臺；該定位臺的邊緣設有第一導向角11，相應的，所述下圓錐薄壁套管4的下導向讓位槽設有第二導向角41；該第一導向角和第二導向角的傾斜角度相同。

本發(fā)明裝置由活塞1，柱形空心承力管2，上圓錐薄壁套管3、下圓錐薄壁套管4、橡膠耗能層5和緩沖耗材(聚氨酯泡沫)6等三部分組成。(整個吸能裝置的剖視圖見圖1、三維結構圖見圖3)

所述裝置的第一部分是活塞1，當其受到沖擊碰撞時，會依次向柱形空心承力管2、上圓錐薄壁套管3、緩沖耗材(聚氨酯泡沫)6、下圓錐薄壁套管4和橡膠耗能層5施壓，使這些吸能部件相繼失效，達到吸收沖擊能量的目的?；钊?下凸起傾角角度與下圓錐薄壁套管4內側倒角角度相同(見圖1)，以便于活塞1的下凸起能順利的壓縮填充的緩沖耗材(聚氨酯泡沫)6，從而4的薄壁能順利向外擴展。

所述裝置的第二部分是鋪層角為0°的碳纖維增強復合材料(CFRP)與鋁材(AL)夾芯管2。采用這種夾芯結構，在受壓時可以通過夾層鋁的塑性折疊變形來誘導夾芯CFRP薄壁材料產生同樣的折疊變形，這樣可以大大提高CFRP的吸能性能；此外CFRP的鋪層角為0°時，纖維方向與2管壁的折疊方向垂直，這樣柱形空心承力管2在折疊變形時，必然會促使纖維絲產生最大角度(90°)的折疊，纖維絲的折疊變形會消耗大量的能量，所以0°的鋪層角可以使夾芯管2的吸能效率達到最大。此外在夾芯管2的頂端活塞1，可以使其更易產生折疊變形，并且大大降低峰值碰撞力，對人員提供更好的保護。

所述裝置的第三部分由上、下圓錐薄壁套管3、4和橡膠耗能層5及緩沖耗材(聚氨酯泡沫)6組成。

上圓錐薄壁套管3采用[0°/45°/-45°/90°]n鋪層形式的碳纖維增強復合材料(CFRP)，因為混合鋪層形式的碳纖維材料剛度較大，在上圓錐薄壁套管3受壓向下嵌入下圓錐薄壁套管4中時，不會發(fā)生形變；此外，因受4橫向擴張的擠壓，3的直徑逐漸擴大，碳纖維材料產生的是撕裂失效模式，同時在受到活塞1的壓力時會進一步撕裂，相對于傳統(tǒng)鋁材來說，新材料的CFRP撕裂吸能效率也很高，可以吸收大量的能量；另外，很重要的一點就是其質量輕，在滿足現在對輕量化要求的同時，還可能保證強度和吸能效能。另外，為使在初級吸能階段有更有效的吸能，把3的內壁做成鋸齒形(見圖1)，這樣在下行過程中，可大大增加與丁苯橡膠5的摩擦力，從而吸收更多的初級沖擊能量。

下圓錐薄壁套管4采用鋁材制作，因吸能裝置需要一定的緩沖能力，而鋁材的柔韌性很好，受壓時會產生塑性變形，在變形吸能的同時還能起到緩沖的作用。此外，可以將上圓錐薄壁套管3包圍起來，使3的撕裂在4內發(fā)生，一方面，3撕裂會產生大量的“楔形”碎屑，這些“楔形”碎屑在受到4的約束后，會刺向尚未撕裂的纖維材料，促進其產生撕裂吸能，這樣可以大大提高吸能效率(“楔形”碎屑加劇纖維撕裂見圖4)。另一方面，被撕裂的纖維材料也在客觀上成為了圓錐套管4的填充材料，這樣可以大大提高裝置的吸能能力。

高摩擦系數橡膠耗能層5的作用是，當碰撞的速度較小時，可以利用其高摩擦系數的性質與下行的上圓錐薄壁套管3產生摩擦，吸收初級部分的能量，當碰撞的速度較小時，待吸收初級能量相對較少，可以使其在吸能后不會對裝置的其他部件產生損壞，裝置在略微調整后即可再次使用，節(jié)約資源，減少成本；另外，橡膠的彈塑性好，也可以起到緩沖的作用，減小峰值碰撞力，有力的保護人員的安全。

緩沖耗材(聚氨酯泡沫)6填充在4的空腔中并延伸至上圓錐薄壁套管3的上導向讓位槽中(見圖1)。當上圓錐薄壁套管3在下行過程中摩擦吸收的能量不能滿足要求時，上圓錐薄壁套管3與緩沖耗材(聚氨酯泡沫)接觸后對其進行擠壓，從而和摩擦一起作用來吸收較多的沖擊能。緩沖耗材(聚氨酯泡沫)材料孔隙率較高且比表面積大，其可以吸收各個方向的能量，具有很好的吸收動能特性，正是由于緩沖耗材(聚氨酯泡沫)的這些性質，使其在形變過程中，壓縮模式穩(wěn)定而且吸能效率很高。另外，一方面緩沖耗材(聚氨酯泡沫)有吸聲減震的性能，能有效的緩和沖擊、減弱振蕩、降低應力幅值以及減少碰撞時的震動和噪聲；另一方面緩沖耗材(聚氨酯泡沫)有比重小、價格低和成型容易等優(yōu)勢，既可以降低成本，又滿足了輕量化設計的要求。

具體動作過程如下：

當吸能裝置受到沖擊碰撞時，因上圓錐薄壁套管3與橡膠耗能層5之間是摩擦接觸，力相對較小，故3在受到活塞1通過CFRP圓管2傳來的沖擊力時，率先逐漸嵌入下圓錐薄壁套管4中，在此過程中與5發(fā)生摩擦吸能，當3與緩沖耗材(聚氨酯泡沫)6接觸后，受到壓縮的6產生壓縮吸能，與摩擦一道增強吸能能力。當3完全嵌入4中時，CFRP—AL夾芯管2在活塞1的沖擊壓力作用下產生折疊變形，進行吸能。在2完全失效后，3的頂部在沖擊力的作用下被撕裂并吸能；同時受擠壓的緩沖耗材(聚氨酯泡沫)6橫向擴展，4在發(fā)生橫向塑性變形時吸能；3因受橫向擠壓直徑擴大而撕裂；隨后，上、下圓錐薄壁套管3、4一起在活塞1的縱向作用下壓縮，同時，下圓錐套管3進一步撕裂。最后，壓縮到接近4的底部時，吸能裝置壓實，吸能結束。此時，壓實的吸能裝置的強度也大大增強，阻止活塞1的進一步前進，可以對人員提供很好地保護。

上述實施例僅用來進一步說明本發(fā)明的一種嵌入式多級高效吸能裝置，但本發(fā)明并不局限于實施例，凡是依據本發(fā)明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均落入本發(fā)明技術方案的保護范圍內。