具有非对称内部夹层结构的吸收能量的车罩组件

摘要

本发明涉及具有非对称内部夹层结构的吸收能量的车罩组件，包括上面板、下面板和中间面板。上面板和下面板分别包括第一和第二交界面。上面板优选固定到外面板的内表面。中间面板具有相对的第一和第二表面，所述相对的第一和第二表面限定非对称的波形轮廓，优选具有多边形几何形状。中间面板构件在沿着上表面和下表面的预选位置处固定到第一和第二交界面，从而限定多个侧向定向的非对称通道。非对称波形轮廓构造成沿着罩组件的不同区域具有不同的振幅和波长，每个构造成对在物体与罩组件之间碰撞时由物体给予罩组件的动能提供不同预定水平的吸收和衰减。理想地，下面板和中间面板分别构造成在第一和第二预定挤压载荷时可控地失效。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及车辆前部结构，且更具体地涉及吸收能量的发动机舱罩，用于增加在其与物体之间碰撞时物体的减速，使所需的物体停止距离最小化，并且降低由发动机舱罩传递给物体的合力。

背景技术

机动车辆车身通常使用冲压金属面板来构造，所述冲压金属面板将相当大的总体强度和刚度与平滑的可涂漆外表面相结合。具体对于车罩面板(在本领域中也称为发动机舱罩或机罩结构)而言，通常通过结合较高强度的冲压金属外表面或上表面(称为“A-表面”)来满足面板刚度，所述冲压金属外表面或上表面联接预成型内表面或下表面(称为“B-表面”，由一系列发动机侧面或帽型截面加固件支撑)。帽型截面加固件通常位于罩的A-表面和B-表面之间，并且包括朝向A-表面定向的一对上凸缘以及朝向B-表面定向的单个下凸缘，上凸缘和下凸缘由腹板部分互连。该常规罩构造通过将相对刚硬的材料(通常是冲压钢)设置成尽可能远离罩弯曲的中性轴线来增加罩的弯曲刚度。

在某些车辆碰撞情况中，物体可对车罩施加向下力。通常，车罩在被施加向下力时是可变形的。然而，所述罩的变形性且因此所述罩吸收能量的能力会因所述罩接近于装设在车辆发动机(或者前部)舱中的刚性安装部件而被妨碍。作为示例，罩通过变形吸收能量的能力可能在罩和发动机本体紧密靠近的情况下被显著地妨碍。然而，车罩和发动机舱部件之间的微小间隙可提供显著的益处，例如改进的驾驶员能见度、增加的空气动力学和附加的美观吸引力。

与此不同，车罩和发动机舱之间的附加间隙会增加所述罩在被向下力作用时吸收能量的能力。因此，尽管会有其它设计问题，但是增加车罩和装设在发动机舱中的部件之间的间隙仍然是有利的。

发明内容

本发明的具有非对称内部夹层结构的吸收能量的罩组件提供了改进的挤压性能和更均匀的动能吸收及衰减。本发明罩组件的改进的且更均匀的挤压特性确保了在与外物碰撞而受到挤压载荷时的柔顺表面。这样，本设计使罩组件吸收和衰减给予该罩组件的动能的能力最大化，从而使所需的物体停止距离最小化。另外，非对称内部夹层结构的取向、区域变化和设计针对不同的碰撞情况提供了“可调的”挤压特性。本设计的罩组件还提供相对高的弯曲刚度，使得车辆处于正常运行时能够有足够的刚性和稳定性，使得本发明罩组件能够抵抗可能在高车速时出现的颤动或震动动力学，并且具有足够的弹性以符合标准的性能要求。

根据本发明的一个实施例，提供了供车辆使用的吸收能量的罩组件。车罩组件包括上面板构件、下面板构件和中间面板构件，每一个构件优选由金属材料或脆性塑料制成。上面板构件具有第一交界面，而下面板构件具有第二交界面。中间面板具有相对的第一和第二表面，所述相对的第一和第二表面限定非对称的优选多边形的波形轮廓，所述波形轮廓相对于车辆纵向地传播。还可以包括罩外部面板，其中上面板构件可操作地附连到罩外部面板的内表面。

如本文使用的，术语“非对称”和“不对称”应当被定义或解释为识别在分割中心线或者分割中心平面的两侧具有不相同的几何轮廓的部件或者元件。类似地，如本文使用的，术语“波形”应当被定义或解释为表示具有多个波峰和波谷以及对应的振幅和波长的重复传播的几何形状。

中间面板构件被安装、固定或者附连到上面板构件和下面板构件。具体而言，中间面板构件在沿着上表面和下表面的预选位置处附连(例如经由粘合剂)到第一和第二交界面，从而限定相对于车辆侧向定向的多个非对称通道。理想地，上表面限定多个第一粘接表面，每个第一粘接表面沿着非对称波形轮廓的相应波峰定向，而下表面限定多个第二粘接表面，每个第二粘接表面沿着非对称波形轮廓的相应波谷定向。因此，中间面板构件分别沿着多个第一和第二粘接表面附连到第一和第二交界面。

在本发明的一个方面，非对称波形轮廓沿着罩组件的第一区域具有第一振幅和波长。第一振幅和波长设置成对在物体与罩组件之间碰撞时由物体给予罩组件的动能提供第一预定水平的吸收和衰减。在类似的方面，非对称波形轮廓的每一个传播优选具有选择性地设置成提供中间面板层的预定挤压特性的至少一个锐角。

在本发明的另一方面，非对称波形轮廓还沿着罩组件的第二区域具有第二振幅和波长，其中第二区域与第一区域不同。第二振幅和波长各自设置成对在物体与罩组件之间碰撞时由物体给予罩组件的动能提供第二预定水平的吸收和衰减。

在本发明的又一方面，非对称波形轮廓还包括沿着罩组件的第三区域的可变高度和波长，优选形成第一和第二区域之间的过渡区域，例如提供从第一区域相对较小的振幅和波长到第二区域的相对较大的振幅和波长的渐变。理想地，可变振幅和波长设置成在整个第三区域中改变对在物体与罩组件之间碰撞时由物体给予罩组件的动能的吸收和衰减水平。

根据本发明的再一方面，下面板构件构造成在物体与罩组件之间碰撞时由物体给予罩组件的预定阈值挤压载荷时可控地变形或失效。类似地，中间面板构件也构造成在物体与罩组件之间碰撞时由物体给予罩组件的预定阈值挤压载荷时可控地变形或失效。两个面板构件，即中间面板构件和下面板构件，可设置成通过对其添加预切割部或内含物而可控地变形或失效。

根据本发明的另一个实施例，车辆设置成具有在其前向端部限定前部舱室的车辆结构。车辆包括罩组件，罩组件优选以可旋转方式附连到车辆结构，并且构造成在车辆前部舱室上方延伸越过所述舱室。罩组件包括具有第一交界面的上面板构件和具有第二交界面的下面板构件。还包括中间面板构件。中间面板构件具有实质上相对的限定非对称梯形波形轮廓的上表面和下表面。上表面限定多个第一粘接表面，每个第一粘接表面沿着波形轮廓的相应波峰定向，而下表面限定多个第二粘接表面，每个第二粘接表面沿着波形轮廓的相应波谷定向。所述多个第一粘接表面被固定、粘接或附连到第一交界面，从而限定相对于车辆侧向定向的多个第一非对称梯形通道。类似地，所述多个第二粘接表面被固定、粘接或附连到第二交界面，从而限定相对于车辆侧向定向的多个第二非对称梯形通道。

根据本发明的又一个实施例，提供了供机动车辆使用的吸收能量的罩组件，机动车辆包含具有相对的前向端部和后向端部的车辆结构。罩组件在接近于车辆结构的前向端部处以任何已知方式附连到车辆结构。罩组件包括具有第一交界面的上面板构件、具有第二交界面的下面板构件、以及具有实质上相对的限定非对称梯形波形轮廓的上表面和下表面的中间面板构件。上表面限定多个第一粘接表面，每个第一粘接表面沿着波形轮廓的相应波峰定向。下表面限定多个第二粘接表面，每个第二粘接表面沿着波形轮廓的相应波谷定向。所述多个第一粘接表面被附连到第一交界面，从而限定侧向定向的多个第一非对称梯形通道。类似地，所述多个第二粘接表面被可操作地附连到第二交界面，从而限定侧向定向的多个第二非对称梯形通道。上面板构件可操作地附连到罩外部面板的内表面。

非对称梯形波形轮廓沿着罩组件的第一区域具有第一振幅和波长、沿着罩组件的第二区域具有第二振幅和波长、并且沿着罩组件的第三区域具有第三振幅和波长。第一、第二、第三振幅和波长中的每一个分别设置成在它们的各自区域中对在物体与罩组件之间碰撞时由物体给予罩组件的动能提供第一、第二和第三预定水平的吸收和衰减。

在结合附图时，从以下对本发明优选实施例和实施本发明的最佳模式的详细描述中可以显而易见到本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点。

附图说明

图1是平面透视图，示出了根据本发明的代表性机动车辆，该机动车辆上安装有具有非对称内部夹层结构的吸收能量的车罩组件；

图1A是所提供的图表，其示出了根据本发明优选实施例的图1的非对称内部夹层结构的振幅和波长的区域变化；

图2是沿图1的线1-1截取的示意侧视图，示出了根据本发明优选实施例的具有非对称内部夹层结构的吸收能量的车罩组件；

图2A是描述图2的吸收能量的罩组件在与物体初始碰撞时的代表性示意侧视图，被提供用于示出下面板构件的受控变形和失效；和

图2B是描述图2的罩组件在与物体初始碰撞不久之后的代表性示意侧视图，被提供用于示出非对称中间面板构件的受控变形和失效。

具体实施方式

参考附图，其中在多个视图中同样的附图标记指代同样的部件，图1是总体上以10标出的本发明使用的示例性机动车辆的平面图。图1仅仅提供用于解释目的，以简化的图示呈现本发明的应用，图中的尺寸被放大以便于清楚和更好地理解本发明。这样，本发明决不限于具体的结构或该结构中呈现的布局。因此，虽然车辆10在图1中被绘制成标准的双座型客车，但是本发明的吸收能量的罩组件可被结合到任何车辆平台(例如轿车型客车、轻型卡车、重型车辆、公共汽车、货车等)中。

机动车辆10具有车身11(在本文也称为“车辆结构”)，车身11包括跨越或覆盖客舱15前部的发动机舱12的可移动的或可致动的吸收能量的车辆罩组件(下文称为“罩组件14”)。罩组件14例如通过邻近于挡风玻璃13定位的一个或多个外围铰链(未示出)被附连、固定或者安装到车身11。理想的是罩组件14的大小和形状足够提供适合于实质上覆盖和保护包含在发动机舱12内的各个车辆部件的封闭面板。所述车辆部件可包括但不限于推进系统部件、转向系统部件、制动系统部件、以及加热、通风和空气调节(HVAC)系统部件，所有部件在这里都被共同表示为发动机35，如图2-2B所示。术语“发动机”或“发动机舱”在关于车辆10采用的推进系统的性质或类型方面不认为是限制性的。因此，在所要求保护的本发明的范围内，车辆10可采用任何推进系统，例如常规的内燃机、电动马达、燃料电池、混合动力电动系统等。如图1所示，车辆10可沿箭头A的方向朝位于车辆10外部的物体16运动或行进，使得在物体16与罩组件14之间碰撞期间物体16沿实质上向下方向撞击罩组件14，从而使罩组件14遭受各种应力、作用力和/或载荷，如下文关于图2-2B所述。

转到图2，提供了沿图1的线1-1截取的罩组件14的代表性侧视图，示出了根据本发明优选实施例的非对称内部夹层结构18(下文称为“夹层结构”)。夹层结构18由三个主要元件构成：上面板构件或外层20、下面板构件或内层22、以及上面板构件和下面板构件之间的中间面板构件或中间层28。下面板构件22，用作最内部构件，包括发动机侧表面或“B-表面”29。上面板构件20例如通过粘合剂、紧固或焊接被附连、固定或粘接到罩外部面板24的内表面17。罩外部面板24还包括最外部的顾客可见的“A-表面”27。替代地，在不偏离本发明范围的情况下，罩外部面板24可被彻底去除，或者与上面板构件20预先形成单个整体构件。夹层结构18优选延伸使得实质上覆盖罩外部面板24的整个内表面17。另一方面，夹层结构18可被制造或者固定成使得仅仅覆盖罩外部面板24的内表面17的某些部分。

夹层结构18可完全由金属、完全由塑料或者由金属和塑料的组合来制造。例如，上面板构件20和下面板构件22可由脆性塑料制造，厚度T1、T2分别约为0.3至2.8毫米，脆性塑料例如但不限于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或者团状模塑料(BMC)。替代地，上面板构件20和下面板构件22可由金属材料制造，厚度T1、T2约为0.3至1.5毫米，金属材料例如但不限于冷轧钢、热浸镀锌钢、不锈钢、铝等。然而，在本发明的范围内，上面板构件20的厚度T1和下面板构件22的厚度T2的其它值也是适用的。

理想地，上面板构件20和下面板构件22是整体板，优选使用例如冲压、液压成形、快速塑性成形、或者超塑性成形之类的方法来预成形。还优选的是，上面板构件20和下面板构件22的轮廓各自构造成符合预定的封装、设计和组装限制。作为示例，上面板构件20理想地被预成形具有美学外观的轮廓和/或改善与罩外部面板24的内表面17的粘接的轮廓，而下面板构件22被预成形具有适于不同场所的封装限制的不同的几何参数(例如轮廓和尺寸)。在替代方案中，而且在所要求保护的本发明范围内，上面板构件20和下面板构件22各自由多个板构件构成，所述板构件包含倒圆的或斜切的边缘和角，具有相同的几何构造，和/或具有互补的轮廓。

仍然参考图2，中间面板构件28分别具有实质上相对的上表面34和下表面36，如下文将更详细描述的，所述上表面和下表面限定了非对称波形轮廓，总体上由30标示并且在下文称为“波形轮廓”。多个第一粘接表面38和多个第二粘接表面40分别沿着各个顶峰(在图2中共同由波峰42表示)和谷底(在图2中共同由波谷44表示)被限定。

中间面板构件28经由多个第一粘接表面38优选由粘合剂46固定到上面板构件20的第一交界面25，从而形成相对于车身11侧向定向(例如，大体上垂直于罩组件14的右侧边缘14C)的多个第一非对称通道31。中间面板构件28也经由多个第二粘接表面40优选由粘合剂46固定到下面板构件22的第二交界面26，从而形成相对于车身11侧向定向(例如，大体上垂直于罩组件14的右侧边缘14C)的多个第二非对称通道32。替代地，整个夹层结构18(即上面板构件20、下面板构件22和中间面板构件28)可通过批量生产中的挤压或其它模制方法来制造，从而消除对多个第一粘接表面38、多个第二粘接表面40和粘合剂46的需要。

理想地，中间面板构件28是与上面板构件20和下面板构件22具有相同的总体长度和宽度的整体板，优选使用例如冲压、液压成形、快速塑性成形、或者超塑性成形之类的方法来预成形。还优选的是，中间面板构件28由已知具有预期用于罩组件14的合适强度的材料制成。例如，中间面板构件28可由塑性聚合物(例如，PMMA或BMC)制成，厚度T3约为1.1至1.9毫米，或者由金属(例如冷轧钢、热浸镀锌钢、不锈钢、铝等)制成，厚度T3约为0.5至1.9毫米。中间面板构件28可用防腐蚀的非常耐用的涂层(例如镀锌)来精整。也在本发明的范围内的是，中间面板构件28由多个面板构成，每个面板采用相似的或不同的几何轮廓(如下文关于图1所述)，并且包括倒圆的或斜切的边缘和角。可压缩的、吸收能量的泡沫材料(未示出)，例如聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫和其它类似材料或其组合可用于填充多个第一非对称通道31和多个第二非对称通道32。

根据图2的实施例，中间面板构件28的上表面34和下表面36限定波形轮廓30，优选具有非对称的多边形或梯形几何形状。如本文使用的，术语“非对称”和“不对称”应当被定义或解释为识别在分割中心线或者分割中心平面的两侧具有不相同的几何轮廓的部件或者元件。类似地，如本文使用的，术语“波形”应当被定义或解释为表示具有多个波峰和波谷以及对应的振幅和波长的重复传播的几何形状。如图2所示，振幅X是从波峰42到先前的或随后的波谷44的竖直距离的度量，表示波形轮廓30的传播的总和幅度。类似地，图2所示的波长Y是波形轮廓30的重复单元之间的距离。

夹层结构18具有各种结构特性，包括但不限于几何特性(例如厚度T1-T3、振幅X、波长Y和锐角48)和材料特性(例如弹性模量、屈服强度和密度)，所述特性可被选择性地操纵以针对给定的阈值挤压载荷来提供预定的或“可调的”且实质上恒定的或一致的“挤压性能”。更具体地，参考图2，当物体16碰撞罩外部面板24的A-表面27(或者上面板构件20，这取决于具体构造)时，物体17和车辆10的实际的和相对的质量、速度及加速度(参见图1)结合产生大体上沿向下方向(例如处于角度D)(参见图2)的挤压载荷(总体上由箭头B表示)。挤压载荷B因此从上面板构件20通过中间面板构件28被导向下面板构件22，并且具有特定幅度。相应面板构件20、22和28中的每一个可借助于其各自的结构特性(即，几何特性和材料特性)被独立地工程设计，从而具有相对高的拉伸和压缩强度或刚度，提供了优选的性能，同时仍然保持相对低的失效或阈值挤压强度，在罩组件14遭受挤压载荷B时(即，在挤压载荷B超过上面板构件20的阈值挤压强度时)允许特定的失效响应或“挤压性能”。理想地，阈值挤压强度被设定在如下的水平，即所述水平足以允许与日常道路运行期间通常遇到的各种小石子、冰雹、微小的碎屑或者其它这种代表性物体的接触，使得能够在宽的驾驶条件范围中利用罩组件14而不会破裂或者失效。波形轮廓30在每一传播处具有至少一个锐角48，所述锐角选择性地设置成提供所述中间面板层的预定挤压特性。

根据图1和2的实施例，罩组件14被分解为少至两个，但是优选五个分别独立的区域R1-R5。第一区域R1、第二区域R2和第三区域R3分别将罩组件14剖分为前向区域、中间区域和后向区域。换句话说，第一区域R1从罩组件14的前向边缘14A沿着车身11向后延伸距离L。另外，如图1所示，第二区域R2从距离L沿着车身11向后延伸另一距离M。第三区域R3从第二区域R2(即，距罩组件14的前向边缘14A的距离L+M)向后延伸距离N到达罩组件14的后向边缘14B。第四区域R4和第五区域R5，如果被包括在内的话，还将罩组件14剖分为一个或多个侧向节段。例如，也如图1所示，第四区域R4从罩组件14的右侧边缘14C向内延伸距离O，而第五区域R5从左侧边缘14D向内延伸距离P。显然，图1针对区域R1至R5所示的尺寸仅仅是示例性的并且提供用于说明目的。因此，五个罩面板区域R1-R5的长度和宽度可无限地变化。此外，在不偏离所要求保护的本发明范围的情况下，可以利用单个区域或者可以采用多于五个的区域，每个区域具有相同或不同的几何构造。

根据本发明的优选实施例，夹层结构18针对与具有不同尺寸、质量、速度等的物体的碰撞而彼此独立地为各个区域R1-R5进行优化。具体而言，如图1A所示，波形轮廓30在罩组件14的第一区域R1中具有第一振幅X1和波长Y1。类似地，波形轮廓30还在罩组件14的第二区域R2中具有第二振幅X2和波长Y2，在罩组件14的第三区域R3中具有第三振幅X3和波长Y3，在罩组件14的第四区域R4中具有第四振幅X4和波长Y4，在罩组件14的第五区域R5中具有第五振幅X5和波长Y5。第一、第二、第三、第四和第五振幅X1-X5及波长Y1-Y5中的每一个分别设置成在它们的各个区域R1-R5中对在物体(例如物体16)与罩组件之间碰撞时由物体给予罩组件的动能提供不同预定水平的吸收和衰减。

最佳地，第一区域R1具有振幅X1和波长Y1，所述振幅X1和波长Y1分别小于第三区域R3的振幅X3和波长Y3。在该具体情况中，第二区域R2的振幅X2和波长Y2优选是可变的，形成第一区域R1和第二区域R2之间的过渡区域，提供了从第一区域R1的较小振幅X1和波长Y1到第三区域R3的较大振幅X3和波长Y3的渐变。此外，第四区域R4和第五区域R5优选不具有夹层结构18(例如，X4、X5、Y4、Y5＝0)，而是提供从区域R1-R3的平滑过渡，例如，其中上面板构件20与罩外部面板24朝向右侧边缘14C和左侧边缘14D弯曲。然而，该具体构造可以改变或者更改而不偏离本发明的预期范围。

仍然参考图1和2，如上所述，内部夹层结构18被构造成提供足够的初始刚度，在与物体16碰撞时与罩外部面板24一起尽可能快且高的产生大的初始减速。内部夹层结构18与粘合剂46一起用作罩组件14的附加的均匀分布的质量，这种附加质量的惯性效应在车辆与物体碰撞的早期阶段中促进了物体16的减速。

图2A是示意侧视图，示出了与物体16初始碰撞时的图2的吸收能量的罩组件，该图被提供用于示出下面板构件22的受控变形和最终的失效。具体而言，夹层结构18，除了增加罩组件14的初始刚度之外，设计成在物体16与罩组件14的初始碰撞期间以受控且预先计算的方式来引起下面板构件22的局部变形和断裂。例如，在与物体16碰撞期间，罩外部面板24的变形可引起将中间面板构件28保持到外部面板构件20或者将夹层结构18保持到罩外部面板24的粘合剂46(总体上在50处示出)的预计破损。夹层结构18设计成此后在由物体16与罩组件14的碰撞所导致的第一预定阈值挤压载荷时引起下面板构件22(在图2A中由破裂的下面板构件22象征性地示出)的局部变形(例如弯曲、屈曲或压缩)和/或断裂(例如受控破裂)。

夹层结构18从罩外部面板24的分离以及下面板构件22的局部断裂可以选择性地且可控地减小罩组件14的局部刚度和总体刚度，导致增大对从物体16传递到罩组件14的动能的吸收，从而使任何占用的罩下方空间最大化，例如减小图2中使物体16停止所需的发动机35和B-表面29之间的间隙C。下面板构件22的失效可通过例如对其添加预切割部或内含物(共同由附图标记52示出)来操纵。另外，每个传播相对于上面板构件20和下面板构件22的角度(即，图2的角度48)可被修改以实现不同的变形模式，例如屈曲、弯曲、拉伸及它们的组合。

参考图2B，当物体16例如以角度D向下挤压时，罩组件14(即下面板构件22的B-表面29)可接触罩下方部件中的一个或多个，例如发动机35。中间面板构件28用作填料，其采用波形轮廓30中的一个或多个传播的局部变形的形式，从而吸收物体16与罩下方部件碰撞时来自物体16的剩余动能。作为示例，中间面板构件28设计成(例如，通过如上文所述操纵结构特性)在与各种罩下方部件中的任何部件(例如发动机35)接触时的第二阈值挤压载荷下可控地压缩，如图2B所示。夹层结构18也可构造成引起中间面板构件28的局部断裂(在图2B中由破裂部54象征性地示出)。中间面板构件28的变形和断裂可通过例如对其添加预切割部或内含物(在图2B中共同以56标出)来操纵。实际上，在罩组件14与物体16碰撞时由罩组件14给予物体16的反作用力是变化相对较小的，并且提供了较大的动能初始衰减，导致减小的剩余速度。这继而减小了罩组件14完全吸收来自这种碰撞的能量且使物体16完全停止所需要的总距离，从而最小化或者消除物体16与任何罩下方部件(例如发动机35)之间的接触。

虽然已经详细描述了实施本发明的最佳模式，但是本发明所属领域的技术人员将会认识到在所附权利要求的范围内实现本发明的各种替代设计和实施例。