專利名稱：表面中帶有整體形成肋的b型梁的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及B型梁，在其管段上于前壁中整體形成有一個或多個肋，用于改進實際抗彎強度，改進前壁的穩(wěn)定性以及整個梁的穩(wěn)定型，以及改進堅固性和沖擊能量吸收效率。
背景技術(shù)：
在車輛保險杠中使用B型保險杠加強梁(后面稱為"B型梁，，)已經(jīng)好多年了。例如，見發(fā)明人為Sturrus的美國專利No.5，395，036，其中B型梁的橫截面包括形成兩個管的相對平的壁，當(dāng)處于車輛安裝位置時一個管間隔地位于另一個管的上方。這種B型梁之所以成功的部分原因是由于在安裝至車架滑軌頂端時，它包括四個水平定向的壁，所述壁沿沖擊的縱向/水平方向提供優(yōu)異的抗彎強度和沖擊阻力。然而，現(xiàn)代車輛為保險杠設(shè)計有更小的"包裝空間"，當(dāng)車輛的前(或后)保險杠加強梁的尺寸和/或深度由于如此小的"包裝空間"而受限制時就變得越來越難以提供充分的梁強度和沖擊阻力。另外，我們的測試顯示如Sturrus的，036專利所顯示的B型梁的實際抗彎強度令人吃驚地遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其預(yù)期理論沖擊強度。理論沖擊強度和實際沖擊強度之間的差距對于具有較薄壁厚(尤其為2.2mm-1.4mm或更薄)的B型梁而言以及在使用更高強度鋼(諸如80KSI，120 KSI或者甚至190 KSI拉伸強度)時變得更糟糕。令人注意的是，經(jīng)常使用更薄的壁和更高強度的材料，以便努力減少B型梁和緩沖系統(tǒng)的重量。
我們對于該問題的調(diào)查顯示了美國正在生產(chǎn)的B型保險杠加強梁以及在客車中的B型保險杠加強梁的大部分具有豎直線性前壁，多數(shù)與Sturrus的'036專利中所顯示的非常類似。關(guān)于"豎直線性"，我們指的是通過B型梁的垂直橫截面顯示了前壁是豎直和線性的。令人注意的是，這里所使用的術(shù)語"豎直線性，，旨在描述B型梁的前壁，包括細(xì)長直梁和縱向彎曲梁(即該梁是彎曲的以便與車輛的空氣動力彎曲型前部匹配)的前壁。
在試圖理解為什么"傳統(tǒng)B型梁"的前壁具有豎直線性的橫截面的原因時，我們感覺本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員認(rèn)為有幾個原因使得丕在B型梁的表面壁中形成槽或肋。我們將其稱為"傳統(tǒng)思想"。例如，傳統(tǒng)思想是B型梁的前壁不需要穩(wěn)定性，原因是它是主要提供沖擊強度和能量吸收的水平壁。就前壁確實需要一些穩(wěn)定性而言，傳統(tǒng)思想似乎是它已經(jīng)由與豎直線性前壁的中央?yún)^(qū)域接合的中間兩個水平壁所穩(wěn)定。另外，(基于傳統(tǒng)思想)前壁的未支撐跨度(即，形成上、下部管段的前部的那些部分)是非常短的并且不需要穩(wěn)定。再者，根據(jù)傳統(tǒng)思想，由于前壁主要用作穩(wěn)定水平壁的前邊緣，所以在水平壁的上、下邊緣之間線性地延伸的前壁似乎比前壁變形為非線性的情況為水平壁提供更多的穩(wěn)定性。(換言之，如果前壁變形為非線性，則在沖擊過程中前壁可能朝著線性狀態(tài)"拉伸"，從而允許水平壁的邊緣移動少的量并且因此潛在地使得它們變得更不穩(wěn)定)。再者，B性梁中的任何附加形成都增加了加工變數(shù)和成本。(根據(jù)傳統(tǒng)思想)本質(zhì)上，在前壁中形成肋將增加成本和加工復(fù)雜性，而對于最終產(chǎn)品不會有任何顯著增加的益處。
不使B型梁的前壁向內(nèi)變形有另 一個更加微妙的原因。用于計算理論彎矩"M，，的工程/數(shù)學(xué)公式建議相比較部分前壁沒有盡可能遠(yuǎn)得朝前定位的情況，豎直線性前壁(其中前壁的所有材料盡可能朝前定位得遠(yuǎn)些，假設(shè)對車輛的"包裝空間"有限制)提供了更大的彎矩(因此更堅硬的梁段)。換言之，如果前壁被變形成包括向內(nèi)槽狀肋，則B型梁的彎矩減小并且進而B型梁的理論硬度減小，原因是部分前壁材 料移動得更靠近其質(zhì)心。因此，由于幾個原因，使B型梁的前壁的一 部分向內(nèi)變形是違反直覺的。 現(xiàn)有技術(shù)
圖l部分取自發(fā)明人為Sturrus的美國專利No.5，395，036,它是具 有帶豎直線性前壁的橫截面的B型保險杠加強梁的示例。圖1中顯示 的B型梁200包括"豎直線性"前壁201，所述前壁由焊接到中央腹板 215上的共面邊緣部("翼")202、 203形成。注意到許多B型梁包 括形成它們整個前壁的單個連續(xù)片材部。在這種B型梁中，焊接位于 B型梁上的另一位置。Sturrus的，036專利中的B型梁包括帶有兩個 管205和206的橫截面，當(dāng)處于車輛安裝位置時一個管通過腹板215 位于另一個管的上方，使得四個壁213， 214, 216， 217從前壁水平地 延伸，并且共面壁212A和212B靠近管的后部。Sturrus中的B型梁 是彎曲型(即縱向彎曲型)，然而應(yīng)當(dāng)注意許多B型梁是直的(即 縱向線性的)。

發(fā)明內(nèi)容
通過在梁的前壁的未支撐部中添加槽狀"動力"肋，我們已經(jīng)將B 型梁的實際沖擊強度極大地提高至顯著接近理論沖擊強度值。我們相 信這種提高是極大的、令人吃驚的并且是完全出乎意料的，根據(jù)政 府和保險工業(yè)保險杠測試標(biāo)準(zhǔn)，這對于其中抗彎強度和沖擊強度非常 重要的保險杠工業(yè)是非常有價值的。特別地，我們的測試顯示了帶 有本發(fā)明動力肋的B型梁(對比不帶動力肋的B型梁)具有通常大于 10% -20%的改進的實際抗彎強度，這是未曾聽說的改進。在某些情 況下，帶有動力肋的本發(fā)明的B型梁的實際抗彎強度接近實際理論值， 這也是讓我們吃驚的，因為具有豎直線性前壁的B型梁(見Sturrus 的'036專利)已經(jīng)被測試具有僅僅為它們理論抗彎值的大約50% -60 %的實際完全值。令人吃驚的是，這種改進經(jīng)常在沒有增加重量的情 況下完成，并且它進一步開發(fā)了在B型梁緩沖系統(tǒng)中使用替代強度材料的能力。相信這種改進是尤其重要且令人吃驚的，原因是B型梁已 經(jīng)被用作保險杠加強梁很多年了，但是就本發(fā)明人的知識而言，在它 們的前壁中沒有槽狀肋。
這種巨大的改進給式樣以及功能提供了增加的設(shè)計自由度。特別 地，它允許以更小的橫截面尺寸獲得同樣堅固(或者更堅固的)B型 梁。例如，這允許車輛設(shè)計師能夠減小"下偏置"(即從緩沖系統(tǒng)前面 到車輛頭燈的距離)，從而允許更加歐式化的車輛(其中保險杠"懸垂，， 短很多)。它還允許設(shè)計師選擇不同的材料(即成本更低/強度更低的 材料)，同時保持適宜的梁強度。或者，可以在預(yù)定的"相同"保險杠包 裝空間內(nèi)制造更強的B型梁。因此，可以在不改變車輛式樣以及不潛 在地增加車輛重量的同時將現(xiàn)有保險杠制造得更堅固。
這是基于以下發(fā)現(xiàn)當(dāng)B型保險杠加強梁被設(shè)計成具有豎直線性 前壁時，梁的前壁在彎曲沖擊過程中變得局部不穩(wěn)定，即使對于本領(lǐng) 域的普通技術(shù)人員而言它們的前壁似乎被充分地支撐著。因此，具有 本發(fā)明的表面肋的B型梁的實際沖擊強度比具有平直前壁的傳統(tǒng)B型 梁更接近理論沖擊強度，即使當(dāng)在本發(fā)明B型梁的每個管上的豎直前 壁的未支撐部的豎直跨度僅有65mm至40mm或更少時。
如下所討論的，本發(fā)明在B型保險杠加強梁的管的前壁中結(jié)合槽 狀肋這一思想極大地、令人吃驚地并且出乎意料地改進了 B型梁的實 際測量沖擊強度，使得實際沖擊強度更接近理論值。我們的調(diào)查顯示 這尤其適于由厚度小于約2.2mm的片材所制造的B型梁，更適于厚度 從1.4mm降至1.2mm或更薄的片材。它還適于高強度材料，諸如具 有80KSI拉伸強度(尤其大于120KSI并且尤其大于190KSI)的鋼。 令人注意的是，經(jīng)常減小片材厚度并且增加它們的拉伸強度，作為節(jié) 省重量同時保持高強度的手段。因此，同時有助于更薄片材和更高強 度材料的本發(fā)明被認(rèn)為是"雙重地"重要且有意義。實際抗彎強度的減
小也發(fā)生在具有相對短的前后尺寸并具有更高橫截面的B型梁中，在 這種B型梁的每個管上的豎直未受支撐跨度從大約45mm到60mm或 者更大，并且前后深度僅有40mm。設(shè)想本發(fā)明的范圍包括用于車輛緩沖系統(tǒng)的所有B型保險杠加強梁，不管兩個管的尺寸和/或形狀是否 相等，并且不管一個或兩個管中是否包括肋33?？梢栽O(shè)想本發(fā)明的范 圍在其它環(huán)境中也可以是有用的，諸如門梁、車架部件，以及以下其 它情況，其中抗彎強度/沖擊強度是重要的并且彎曲/功能要求的類型 類似于車輛的前后緩沖系統(tǒng)。
在本發(fā)明的一個方面，適于連接至車輛的前或后端并且由片材制 造的保險杠加強梁包括在定向于車輛安裝位置時豎直延伸的前壁、 兩個豎直延伸的后壁、 一對豎直間隔的中間水平壁、頂部和底部水平
壁、以及固定到后壁上并且適于安裝至車輛的安裝托架。頂部水平壁 和底部水平壁與中間水平壁以及前壁和后壁結(jié)合起來，以限定一上部
管段以及與上部管段間隔的下部管段。前壁的大部分在垂直橫截面中 是豎直線性的，但是包括縱向延伸的槽狀肋，該肋在上、下部管段的 至少一個上整體形成在前壁的未支撐部中，所述肋用于加強并穩(wěn)定前 壁，由此用于在彎曲沖擊過程期間大體硬化并強化B型加強梁。
在更狹窄的形式中，上、下部管段均具有形成在其中的縱向槽。 在另一種更狹窄的形式中，肋中央設(shè)置在每個管的未支撐前壁上。在 又一種更狹窄的形式中，肋是至少大約8mm深的單個肋，或者更優(yōu) 選的是至少大約10- 15mm深，并且至少大約10- 15mm高。
在另一種類型的B型梁中，管段的深度尺寸大約為它們的豎直尺 寸的1.5-2.0倍，并且所述梁的總的豎直高度大約是單個管段的高度的 2.2-2.8倍。同樣，所述肋的肋高大約與肋深相等或者稍微大一點，肋 高為管段高度的大約33% -50%。
在具有大的高度-深度比率的另一種類型梁中，管段的豎直尺寸 為管段深度的至少1.5倍，梁的豎直總高度為管段深度的至少大約3 倍，槽狀肋的豎直尺寸為管段高度的至少大約1/2-1/3。
在更狹窄的形式中，片材的厚度為大約2.2mm或者更小，拉伸強 度為大約40KSI或者更大(或者更優(yōu)選地厚度大約為1.4mm或更小， 拉伸強度為80KSI或更大；或者最優(yōu)選地，厚度大約為1.2mm或者 更小，拉伸強度為190KSI或者更大)。在本發(fā)明的另一方面中，適于連接至車輛前或后端的保險杠加強
梁包括B型加強梁，其由片材形成并且在每一端包括車輛連接安裝件 并且還包括當(dāng)定向于車輛的車輛安裝位置時相互間隔開并且由中央腹 板連接起來的上、下部管段。加強梁包括前壁，其具有形成上下部管 段的前部的部分，每個前壁部分的大部分在垂直橫截面中豎直地延伸， 但是包括縱向延伸的槽狀肋，所述肋在所述上、下部管段上居中地整 體形成在所述部分中。
在本發(fā)明的另一方面中，用于制造適于連接至車輛前或后端的B 型保險杠加強梁的方法包括以下步驟提供片材，將所述片材滾壓成 型為B型加強梁，所述梁包括在定向于車輛安裝位置時由中央腹板連 接起來的上和下部管段。所述梁被形成為包括帶有未支撐部的前壁， 所述未支撐部形成上和下部管段的一部分，其中每個所述前壁部分的 大部分在垂直橫截面中豎直地延伸，但是包括槽狀肋，所述肋在上、 下部管段上居中地整體形成在所述豎直部分中。
在本發(fā)明的另一方面中，保險杠加強梁包括細(xì)長的加強梁，其在 每端具有車輛連接安裝件并且還彎曲成非線性形狀。所述梁在定向于 車輛安裝位置時包括上下部管段以及具有形成上下部管段前面的未支 撐部的前壁，所述梁還包括位于每個未支撐部中的槽狀肋。
圖3和圖5-6中的本發(fā)明的B型梁的特定外觀還被認(rèn)為是新穎 的、裝飾性的，并且對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言不是顯而易見的。
之后，將會了解并理解本發(fā)明的這些以及其它方面、目標(biāo)以及特點。


圖1是摘自發(fā)明人為Sturrus的美國專利No.5，395，036的現(xiàn)有技 術(shù)的視圖，其顯示了 B型梁。
圖2是本發(fā)明的B型梁的第一實施例的透視圖。
圖3是沿圖2中B型梁的in-iii線截取的橫截面視圖。
圖4是三點彎曲測試裝置。圖5-6是具有動力肋的第二實施例B型梁的頂視圖和橫截面圖。 圖7是類似于圖5-6的本發(fā)明B型梁的現(xiàn)有技術(shù)B型梁的橫截
面，但是具有帶豎直線性前壁的橫截面。
圖8是一圖表，其顯示了在圖5-6的B型梁(帶動力肋的B型
梁)和圖7的B型梁(不帶動力肋的B型梁)上進行的三點彎曲測試
的結(jié)果。
圖9是在圖8所顯示的測試之后直的B型梁的頂部的照片，損壞 顯示了不同的應(yīng)力分布和沖擊變形，相比不帶動力肋的B型梁(顯示 在照片底部)，帶有動力肋的B型梁(顯示在照片頂部)具有更寬的 應(yīng)力分布和更寬的(局部化更少的)沖擊變形區(qū)域。
圖9A是圖9的線條圖。
圖10-ll是計算機產(chǎn)生的圖9中的B型梁的前視圖，圖IO顯示 了在帶有動力肋的B型梁(圖9，照片的頂部)的彎曲期間應(yīng)力分布 的FEA分析，圖11顯示了在不帶動力肋的B型梁(圖9，照片的底 部)的彎曲期間應(yīng)力分布的FEA分析。
圖10A- IIA是圖10-11的線條圖。
圖12是位移對彎曲負(fù)載比較測試結(jié)果的圖表，該測試結(jié)果是關(guān)于 帶動力肋的B型梁(見圖5-6)相比不帶動力肋的B型梁(見圖7) 的三點彎曲測試(見圖4)，所述比較是應(yīng)用FEA關(guān)聯(lián)技術(shù)進行的以 便顯示重量相等的B型梁。
圖13是在5mph扁平障礙物物理沖擊測試之后兩種B型梁(見 圖5-6中帶動力肋的B型梁和圖7中不帶動力肋的B型梁)的頂視 照片，照片中的頂部梁為帶有動力肋的B型梁，而底部梁為不帶動力 肋的B型梁。
圖14是突入距離(梁的中心朝著車輛散熱器運動)對負(fù)載的圖表， 比較帶有動力肋的B型梁與不帶動力肋的B型梁的5mph扁平障礙物 物理沖擊測試的測試結(jié)果。
圖15是突入距離對負(fù)載的圖表，比較帶有動力肋的B型梁與不 帶動力肋的標(biāo)準(zhǔn)B型梁(具有豎直線性前壁的橫截面)的5mph扁平障礙物物理沖擊測試的測試結(jié)果，但是(應(yīng)用FEA關(guān)聯(lián)技術(shù))調(diào)節(jié)帶 有動力肋的B型梁的數(shù)據(jù)以考慮帶有動力肋的B型梁的減小壁厚，使 得帶有動力肋的B型梁與圖示的不帶動力肋的B型梁具有相同的質(zhì) 量。
圖16是突入距離(在沖擊期間梁的向后運動)對負(fù)載的圖表，比 較帶有動力肋的B型梁與不帶動力肋的B型梁(即，平直表面壁)的 10km/h IIHS緩沖障礙物物理沖擊測試的測試結(jié)果。
具體實施例方式
正如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將要理解的，在純粹彎曲條件下，通 過以下等式來預(yù)測梁的最大理論彎曲應(yīng)力(t-M/Z，其中M為彎矩， Z為塑性截面模量。當(dāng)o最大^T屈服時，理論上梁不會在彎矩M下彎曲。 因此剛好在梁彎曲之前，Ma = o xZ。 Mn通常被稱作截面彎曲剛 度。該理論值M必須與實際測試結(jié)果(實際Mu)相關(guān)，原因是實 際值是改變的。例如，正如下面圖示和討論的，在其橫截面具有豎直 線性前壁的B型梁中(諸如Sturrus的專利文獻5，395，036所顯示的現(xiàn) 有B型梁，見圖l及上述討論)，實際M最大值與理論M最大值的比率 可以低至50% -60%。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在B型梁20中，將一整體槽狀加強肋33 (這里 稱作"動力肋")結(jié)合到它的前壁的未支撐部中(若沒有所述肋，則前 壁為大體豎直線性的)，實際M壯值與理論M最大值的比率可以提高至 大約70% - 80%或者更高。我們的測試顯示了，所述肋優(yōu)選至少大約 8mm深，并且為在單個管段上延伸的前壁的未支撐部高度的至少大約 1/3。這被認(rèn)為是非常令人吃驚且出乎預(yù)料的結(jié)果，假設(shè)B型梁的(豎 直線性)前壁已經(jīng)在其中央附近由普通B型梁的中間水平壁支撐。在 保險杠加強梁中的豎直線性前壁中的未支撐跨度(即延伸穿過管段的 前壁的那部分)通常僅僅為大約40mm-65mm時，仍然能獲得對實 際彎曲強度的巨大改進，這種情況就尤其令人吃驚了。由于本發(fā)明的 思想，所以存在新的設(shè)計選擇。例如，可以減小現(xiàn)有B型保險杠加強梁的壁厚(即，在仍然提供相同沖擊強度的同時減小重量)。或者，可
以增加現(xiàn)有B型保險杠加強梁設(shè)計的沖擊強度，而無需增加重量或成 本(即，只是通過在平直的前壁上增加動力肋，而不改變片材厚度或 部件設(shè)計)?；蛘撸碌腂型保險杠加強梁可以被設(shè)計成具有更薄的 前后尺寸，同時具有與其它"更厚"設(shè)計相同的強度(因此節(jié)省了車輛 前面的包裝空間并且還減小了沖擊期間的突入距離)。
由片材滾壓成型圖示B型保險杠加強梁20 (圖2-3)以便限定 一對豎直間隔管21和22 (當(dāng)在車輛安裝位置時)。B型梁20包括前 壁23，前壁23從梁的頂部延伸至底部并且限定每個管的前部。在每 個管上的未支撐前壁部是大體豎直線性的并且是對齊的，然而前壁23 包括在每個管21和22上居中地布置在前壁上的槽狀肋33。如以下所 討論的，肋33以提供改進的沖擊強度的方式穩(wěn)定在每個管上的未支撐 前壁部。圖示肋33向內(nèi)形成，因此它不在梁20的前壁的前面突出。 通過這種布置，肋33不是首先受到物體(諸如桿或樹)沖擊的。因此， 肋33在首次沖擊期間不會彎曲，從而允許它們在首次沖擊期間穩(wěn)定梁 的前壁一段較長的時間。然而，在最寬泛的意義上，本發(fā)明的范圍不 被認(rèn)為是必須限制于向內(nèi)形成的肋33。同樣，圖示肋33在每個管21 和22上形成在中央，并且圖示管21和22在尺寸和形狀上類似，肋 33也是如此。然而，在最寬泛的意義上，本發(fā)明的范圍還被認(rèn)為是包 括B型梁，該梁的兩個管尺寸和/或形狀不相同，并且可以存在附加的 管，并且肋不是必須位于每個管的中央，肋也不是具有相同的尺寸和 形狀。
圖2-3的圖示B型梁20優(yōu)選由片材形成，諸如1.0mm-2.2mm 的鋼(或者更優(yōu)選1.1mm-1.6mm厚，或者最優(yōu)選1.2mm-1.4mm厚， 這取決于緩沖系統(tǒng)的功能要求)。所述片材具有40KSI或者優(yōu)選80KSI 或者更優(yōu)選120KSI (或者在某些情形下190KSI)的拉伸強度。上部 管段21和下部管段22間隔開并且通過一對并列的中間豎直壁23和 24連接起來。上部管段21包括由前豎直壁27和后豎直壁28互聯(lián)的 水平壁25和26。下部管段22包括由前豎直壁31和后豎直壁32互聯(lián)的水平壁29和30。圖示豎直壁23由滾壓成型片材的共面邊緣部制成， 所述邊緣部在一中央位置焊接到腹板24上以形成"豎直線性，，前壁。然 而，可以設(shè)想豎直壁23可以由片材的連續(xù)單一部形成(在這種情況下 滾壓成型片材的邊緣將沿著B型梁的周緣被連接在不同的區(qū)域)。一 對安裝托架22，在兩端附近被附接在后壁28和32上。圖示的安裝托 架每個均包括焊接至彎曲型梁20的凸緣，并且每個托架還包括共面對 準(zhǔn)部，其帶有適于螺栓連接至車輛的車架滑軌上的孔。
在圖3所顯示的布置中，管段21和22的豎直尺寸Dl是管段的 深度尺寸D2的大約1.5倍。圖示梁20本身的總豎直高度D3大約是 管段深度尺寸D2的3 - 4倍，并且動力肋的豎直尺寸D4是相應(yīng)管段 的高度的大約33% -50%，深度尺寸D5是深度尺寸D2的至少大約 10%-35% (更優(yōu)選是大約25%)。圖3所顯示的B型梁具有以下實 際尺寸每個管的單個管高度尺寸Dl大約是65mm，總的梁深度尺 寸大約是40mm，總的梁高度尺寸D3大約是150mm，肋高度尺寸D4 大約是20mm-30mm，并且肋的深度尺寸D5至少大約是8mm (或者 更優(yōu)選是10 - 15mm)。
注意到在B型梁由更薄的材料制成和/或由高強度材料制成時， 和/或當(dāng)B型梁橫截面具有高的高度-深度比率時，B型梁前壁的未支 撐部中的本發(fā)明肋33特別重要。原因是B型保險杠加強梁經(jīng)常通過 使用超高強度鋼而制的"更堅固"，因為該材料的高屈服點允許更高的 截面彎曲剛度。這就允許使用更薄的材料，從而節(jié)省了重量。具有高 的高度-深度比的B型梁在仍然提供好的抗彎強度的同時提供了更寬 的沖擊面。然而，已經(jīng)觀察到在具有豎直線性前壁的B型梁中具有 越來越差的實際抗彎強度，尤其在更小的材料厚度(諸如2.2mm或更 小，尤其在1.4mm-1.2mm或更小的厚度)情況下和/或在更高的材料 拉伸強度(諸如80KSI-190KSI或者更高)情況下和/或橫截面具有高 的高度-深度比(諸如梁是150mm高，40mm深，每個管高度大約是 65mm高，并且管間隔開大約20mm )情況下。在這種B型梁中，我 們的測試顯示了 B型梁的實際抗彎強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論抗彎強度，經(jīng)常只有理論抗彎強度的50% - 60。/。。這顯然主要是由于在B型梁的每 個管上的前壁的未支撐區(qū)域中前壁的局部不穩(wěn)定性。這種局部不穩(wěn)定 性將實際M u減小得顯著低于預(yù)期理論值，使得這種B型梁的實際 強度下降至僅有預(yù)期理論值的大約50% -60%。
在下面描述的測試中，在具有動力肋的B型梁中，B型梁的實際 M最大值從它們理論抗彎強度的大約50% - 60%顯著提高至70% -80 %。在至少一個測試中，實際的抗彎強度倍提高至幾乎理論抗彎強度。 我們相信這可以由B型梁20與Sturrus的專利文獻，036中現(xiàn)有梁之 間所展示的不同類型的失效模式部分地解釋。在橫截面具有豎直線性 前壁(并且沒有"動力肋")的B型梁中，由于在前壁的未支撐部中積 累的縱向壓力，前壁在沖擊過程中似乎過早地扭結(jié)并且折疊，導(dǎo)致毗 鄰壁的局部不穩(wěn)定，然后導(dǎo)致梁的過早完全失效。相比較而言，在橫 截面帶有含動力肋(即，在延伸穿過管的未支撐前壁部中所形成的槽 狀肋)的前壁的B型梁中，前壁似乎能更好地抵抗過早扭結(jié)及折疊。 這就產(chǎn)生了更堅固的梁(即，實際抗彎強度更接近其理論抗彎強度的 B型梁)。顯著地，我們認(rèn)為，由于縱向壓力產(chǎn)生的扭結(jié)所導(dǎo)致的過早 折疊的原因是與理論彎曲失效有些不同的失效模式。特別地，理論抗 彎強度在梁的彎矩M值增加時增加。然而，當(dāng)前壁的材料被用來在梁 的表面內(nèi)形成槽狀肋時，由于材料從梁的最前部(在這里它對梁抗彎 強度和彎矩"M"貢獻最大的量)朝著質(zhì)心(在這里它對梁的抗彎強度 貢獻較小的量)移動，所以它實際上減小了梁的理論彎矩。
為了檢驗當(dāng)前的理論，如圖4所示，使用三點彎曲測試裝置300。 所述測試裝置300包括間隔880mm并且具有用于接合梁的彎曲上表 面302的下支撐件301。測試裝置300還包括具有下表面304的上頭 部303，所述下表面限定一半徑，用于壓靠在處于測試下的梁的中央。 梁(由梁305圖示)定位在支撐件301上用于在其中點由上頭部303 接合。
早期的實驗是使用兩個類似的梁進行的， 一個具有動力肋(見圖 2-3所顯示的帶有動力肋33的B型梁20)， 一個沒有動力肋。除了動力肋33之外，所述梁在各方面都是一樣的。特別地，它們由完全相 同的巻材制造(即相同的材料性質(zhì)和厚度)，具有相同的縱向曲率，并 且具有相同的總豎直高度和深度。在接近失效的彎曲位移時，帶有動 力肋33的梁20的抗彎強度顯著提高了大約20% 。這讓我們非常吃驚。
為了進一步檢驗當(dāng)前的概念，構(gòu)造了第二梁20A以及第二梁320, 其中在梁20A的管上于前壁201A中具有動力肋33A (圖5-6)，梁 320的豎直線性前壁321不具有動力肋(圖7)。梁20A和320的總高 度均為115mm,總深度為70mm，并且安裝件22A被焊接至它們的后 表面。所述梁均由拉伸強度為190KSI并且厚度為1.16mm的片材制 造。梁20A和320每個均有上管和下管，管的高度為45.5mm并且深 度為70mm，并且間隔大約24mm。上管205A和下管206A(在處于車 輛安裝位置時)限定了四個水平壁213A，214A，216A，217A，每個水平壁 在中點稍微彎曲，水平壁的前半部相對平行且水平，水平壁的后半部 朝著每個管的后部向內(nèi)漸細(xì)。在梁20A中，前壁具有在每個管上居中 地形成在前壁的未支撐區(qū)域中的動力肋33A,動力肋每個均為大約 15.49mm深并且(在它們的中間深度水平)具有大約15.49mm的相同 寬度。前壁包括出現(xiàn)在數(shù)個位置的大約為7mm的半徑R7，這些位置 包括在上管上的從頂壁到前壁的上角處、在從前壁過渡到上動力肋 33的上角處、在動力肋33的底部、從動力肋33到中央腹板附近的前 壁的角部處。在下管上的前壁部在與上管類似的位置處也具有半徑 R7。如上所強調(diào)的，梁320 (圖7)具有帶豎直線性前壁(即，沒有 動力肋)的橫截面。梁320在其它方面與梁20A類似。
在帶有肋33A的彎曲B型截面梁20A (圖5-6)上以及在帶有 平直面(沒有肋)的彎曲標(biāo)準(zhǔn)B型梁320 (圖7)上進行三點彎曲試 驗。在三點彎曲試驗中(圖8)，帶有動力肋33A的B型梁20A給出 了提高的實際最大負(fù)載60.2kN。相比較而言，標(biāo)準(zhǔn)的B型截面梁320 (不帶動力肋)僅僅給出了 43.99kN的實際最大負(fù)載。同樣，帶有動 力肋33A的B型梁20A提供了更大的變形區(qū)域(如圖9的照片的上B 型梁所示)，而標(biāo)準(zhǔn)的B型梁320顯示了扭結(jié)的證據(jù)并且提供了更加局部化的彎曲區(qū)域(見圖9中的下B型梁所示)。通過FEA分析(見 圖10-11)更好地顯示了這一點，該分析給出了代表三點彎曲失效模 式的應(yīng)力可視圖像。特別地，應(yīng)力在帶動力肋33的B型梁20A的更 大區(qū)域Al上分布(圖10)，從而導(dǎo)致更高的承載能力。比較而言，應(yīng) 力在更加局部化區(qū)域A2中更加集中，從而在帶有豎直線性前壁的B 型梁320中(圖11)導(dǎo)致過早的彎曲、更尖銳的彎曲點以及更低的承 載能力。
確定梁20A和320上的最大彎矩以便更好地理解目前的試驗結(jié) 果。如上所述，理論最大彎矩等于塑性截面模量乘以屈服強度(即， Mmax=ZxYS)。對于B型梁20A，理論Mmax=13938mm3xl224MPa -17060Nm。對于梁20A，實際M,x-PL/4，其中P-負(fù)載，L =試驗裝 置的跨度。因此實際Mmax為(60.2kNx880mm/4) = 13244Nm。因此， 實際M則x和理論Mmax的比率為(13244/17060) xl00%=77.6%。對 于B型梁320，理論Mmax=13494mm3xl224MPa = 16517Nm。對于梁 320,實際Mma^PL/4,其中P-負(fù)栽，L-試驗裝置的跨度。因此實 際Mmax為(43.9kNx880mm/4) =9658Nm。因此，實際M則x和理論 M咖x的比率為(9658/16517 ) xl00%=58.5%。通過減小前壁中的薄 壁過早彎曲量，我們得出結(jié)論帶有動力肋33A的B型梁20A能夠 比帶有豎直線性前壁(即不帶動力肋)的B型梁320更接近理論最大 值。我們相信在更薄的梁上(即帶有更深水平截面深度的梁)，該比 率將甚至更高，諸如到85% -95%或者更大，原因是在彎曲這種梁時 失效和應(yīng)力的類型。
為了進一步圖示本發(fā)明的概念，我們希望比較具有相同重量的兩 種梁， 一種B型梁類似表面帶動力肋33A的B型梁20A, —種B型 梁類似具有帶豎直線性前壁(沒有動力肋)的橫截面的B型梁320。 顯然，B型梁20A必須由稍微寬一點的片材制成，因為它必須包括附 加的材料以便形成槽狀動力肋33A。因此，"相同重量"的B型梁20A 需要更薄的壁厚以便與不帶動力肋的B型梁320重量相等。我們使用 有限元分析以便為假想B型梁產(chǎn)生數(shù)據(jù)，該假想B型梁帶動力肋但是具有減小的壁厚(確認(rèn)為帶動力肋的B型梁，稱為"WESWPR B型 梁")，因此與不帶動力肋的B型梁(確認(rèn)為不帶動力肋的B型梁(稱 為"WENOPRB型梁"))具有相同重量。結(jié)果是壁厚為1.15mm的 (帶動力肋)WESWPRB型梁與壁厚為1.23mm的(不帶動力肋的) WENOPR B型梁具有相同的重量。我們將WESWPR B型梁和 WENOPR B型梁稱為"重量相等B截面"。
圖12中的數(shù)據(jù)將帶動力肋的假想WESWPR B型梁(即壁厚 1.15mm，具有l(wèi)卯KSI拉伸強度的片材)與帶有線性豎直前壁的 WENOPRB型梁(沒有動力肋，壁厚為1.23mm， 190KSU拉伸強度 材料)比較。特別地，WESWPR B型梁的重量/長度為0.0045kg，實 際最大負(fù)載為56.1kN,實際Mmax為12342Nm。 WENOPR B型梁的 重量/長度為0.0045kg，實際最大負(fù)載為43.9kN，實際Mm^為9658Nm。 這顯示了在超過25mm的大位移時WESWPR B型梁(帶動力肋)比 相同重量的WENOPR B型梁(沒有動力肋)在實際Mmax上有令人吃 驚的25 0/?；蚋蟮脑黾?。
我們還動態(tài)地測試了本發(fā)明的B型梁。 一種常用的動態(tài)測試已知 為"5mph扁平障礙物物理沖擊試驗"。這種試驗通常是已知的并且對 于汽車保險杠設(shè)計領(lǐng)域的普通技術(shù)人員不需要進行詳細(xì)解釋?；旧?， 車輛模擬帶輪雪橇支撐著在一緩沖系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括附接在其表面上 的B型梁以及附接至B型梁前面的聚合物能力吸收器345。該雪橇在 以5mph運動時撞在一個扁平障礙物上。(或者，雪橇是靜止的，擺錘 以5mph速度沖擊雪橇/保險杠裝置)。在本試驗中，雪橇重量("車輛 質(zhì)量"是1800kg (前面有60%，后面有40% ))另一種常用的動態(tài)試 驗叫做"10km/h IIHS保險杠障礙物物理沖擊(100%梁-障礙物交 疊)"。在該試驗中，緩沖B型梁沖擊在帶有模擬另一保險杠的沖擊 結(jié)構(gòu)的障礙物上，再一次，該試驗?zāi)軌虮槐ｋU杠設(shè)計領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員所理解，因此不需要進行詳細(xì)的解釋以便理解該試驗。在我們的 試驗中，使用重量同樣為1800kg的雪橇。
如上所述，圖13是在5mph扁平障礙物物理沖擊試驗之后帶有動力肋33A的B型梁20A和不帶動力肋的B型梁320的照片。梁20A 和320均包括附接至前壁并抵接前壁的相同的聚合物能量吸收器345. 正如能夠看到的，帶有動力肋的B型梁20A呈現(xiàn)出沒有任何確定彎曲 的分配式?jīng)_擊區(qū)域(見中央?yún)^(qū)域)。對比而言，帶有豎直線性前壁(即 沒有動力肋)的B型梁320包括位于其中央的在位置Z2處的確定的 彎曲。盡管在B型梁的表面上存在聚合物能量吸收器，仍然發(fā)生該結(jié) 果。令人注意的是，聚合物能力吸收器趨向于幫助緩和沖擊并擴散應(yīng) 力。然而，過早彎曲問題仍然發(fā)生在不帶肋的B型梁中，但是不發(fā)生 在帶有肋33的B型梁中。
圖14顯示了數(shù)據(jù)，它來自在圖O所示的梁20A和320上進行的 5mph扁平障礙物物理沖擊試驗。所述數(shù)據(jù)顯示了 B型梁20A比B型 梁320 (提供110.5kN總負(fù)載)提供顯著更高的沖擊強度(即，大約 129kN的總負(fù)載)。同樣，具有動力肋的B型梁20A具有53.8mm的 前表面突入量和31.5mm的后表面突入量，而不帶動力肋的B型梁320 具有62.2mm的前表面突入量和54.2mm的后表面突入量。注意到 梁20A和梁320以相同的能量被沖擊。因此，如數(shù)據(jù)所顯示的，B型 梁20A從其53.8mm的最大后表面突入量回復(fù)到大約23mm的永久設(shè) 置的已回復(fù)最后位置......而B型梁320從其62.2mm的最大后表面突
入量回復(fù)到僅僅大約37mm的永久設(shè)置。
圖15使用了來自圖14的數(shù)據(jù)，但是應(yīng)用FEA分析進行了修改以 便產(chǎn)生數(shù)據(jù)，用于在5mph扁平障礙物測試下比較重量相同的B型梁。 在圖15中，(應(yīng)用來自相關(guān)FEA模型的數(shù)據(jù))帶有動力肋的B型梁 20A具有1.15mm的厚材料，并且產(chǎn)生131.6kN的最大負(fù)載，前表面 突入量為51.4mm，后表面突入量為26.5mm。相比較而言，不帶有肋 的重量相等的B型梁320具有1.23mm厚的材料，但是僅產(chǎn)生110.5kN 的最大負(fù)載，前表面突入量為62.2mm,后表面突入量為54.2mm。令 人注意的是，使用與B型梁320相同的質(zhì)量，B型梁20A的后表面突 入量減少49% 。
同樣，圖16顯示了在10km/hlIHS (高速公路安全保險學(xué)會)保險杠障礙物物理沖擊測試下，對具有相同壁厚的梁20A和320進行測 試的結(jié)果，其中梁與障礙物100。/。交疊。帶有動力肋33A的B型梁20A 提供了 111.7mm的最大前表面突入量，40.4mm的最大后表面突入量， 以及131.8kN的最大負(fù)載。相比較而言，具有帶相同厚度材料的平直 表面的標(biāo)準(zhǔn)B型梁320僅提供121.6mm的最大前表面突入量，83.2mm 的最大后表面突入量，以及97.6kN的最大負(fù)載。因此，帶有動力肋的 B型梁20A再次顯著地在性能上超出了不帶動力肋(即具有豎直線性 前壁)的B型梁。
總之，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)與具有橫截面(該橫截面具有豎直線性前 壁)的類似B型保險杠加強梁相比，帶有動力肋的B型保險杠加強梁 的實際沖擊強度被極大且顯著地改進了 ，所述動力肋在兩個管的每一 個上居中地設(shè)置在前壁中。具有動力肋的B型梁的改進通過顯著地改 進了以下幾點而得以顯示出來實際抗彎強度增加，實際動態(tài)沖擊強 度增加，照片顯示了在具有動力肋的梁中在失效時分布更廣的變形并 且顯示了更加分散的應(yīng)力，實際后表面突入量減小，以及實際前表面 突入量減小。我們總結(jié)在B型梁的管上于前壁的未支撐部中添加動 力肋是重要的。因此，B型梁的實際沖擊強度在添加動力肋時更接近 理論值。令人吃驚的是，這適于具有管的B型梁，該管的前壁的未支 撐部跨度僅僅為40mm，并且這尤其適于材料厚度為2.2mm或更小(尤 其為1.4mm或者更小)，材料強度大于40 KSI拉伸強度(尤其是80 KSI-190 KSI拉伸強度或更大)，并且肋至少為大約8mm或更優(yōu)選是 大約10- 15mm。
應(yīng)當(dāng)理解在不偏離本發(fā)明思想的前提下可以對上述結(jié)構(gòu)進行各 種改變和變型，并且應(yīng)該進一步理解這些思想旨在被以下權(quán)利要求 書所覆蓋，除非這些權(quán)利要求書由它們的語言明確地陳述相反的意思。
權(quán)利要求
1.一種適于連接至車輛前端或后端的保險杠加強梁，其包括加強梁，其由片材形成，并且包括在定位于車輛安裝位置時豎直延伸的前壁；兩個豎直延伸的后壁；一對豎直間隔開的中間水平壁；頂部和底部水平壁；以及固定到所述后壁上并且適于安裝到車輛上的安裝托架；所述頂部和底部水平壁與所述中間水平壁以及前壁和后壁相結(jié)合，以限定一上部管段以及與所述上部管段間隔開的一下部管段，所述前壁的大部分在橫向豎直橫截面中是豎直線性的，但包括一縱向延伸的槽狀肋，所述槽狀肋在所述上部管段和下部管段的至少一個上整體形成在所述前壁的一未受支撐部分中，所述槽狀肋用作加強并穩(wěn)定所述前壁并由此用作總體加強并加固B型的所述加強梁。
2. 如權(quán)利要求1所述的保險杠加強梁，其特征在于，所述上部管段和所述下部管段具有一個形成在其中的槽狀肋。
3. 如權(quán)利要求2所述的保險杠加強梁，其特征在于，在所述上部管段和下部管段的每個中形成一個所述槽狀肋。
4. 如權(quán)利要求3所述的保險杠加強梁，其特征在于，所述上部管段和下部管段以及相關(guān)的所述槽狀肋大體具有相同的尺寸和形狀。
5. 如權(quán)利要求3所述的保險杠加強梁，其特征在于，在頂部的一個所述槽狀肋居中地定位在上部管段上。
6. 如權(quán)利要求2所述的保險杠加強梁，其特征在于，在所述上部管段和下部管段處于車輛安裝位置時，所述上部管段和下部管段每個具有為所述上部管段和下部管段的豎直深度的至少大約1.5倍的水平尺寸。
7. 如權(quán)利要求2所述的保險杠加強梁，其特征在于，所述槽狀肋每個均具有為相關(guān)的上部管段和下部管段的高度的大約33% -50%的豎直尺寸。
8. 如權(quán)利要求2所述的保險杠加強梁，其特征在于，所述槽狀肋具有大約等于所述槽狀肋的高度的深度尺寸。
9. 如權(quán)利要求1所述的保險杠加強梁，其特征在于，所述加強梁為彎曲型。
10. —種適于連接至車輛前端或后端的保險杠加強梁，其包括B型加強梁，其由片材形成，并且包括位于兩端的車輛連接安裝件，還包括在被定位于車輛安裝位置時相互間隔開且由一中央腹板連接的上、下部管段，所述加強梁包括前壁，所述前壁具有形成所述上、下部管段的前部的部分，每個所述前壁部分的大部分在一橫向豎直橫截面中豎直地延伸，但包括縱向延伸的一槽狀肋，所述槽狀肋在所述上、下部管段上居中地整體形成在所述前壁部分中。
11. 如權(quán)利要求10所述的保險杠加強梁，其特征在于，所述中央腹板與所述前壁部分對準(zhǔn)。
12. 如權(quán)利要求10所述的保險杠加強梁，其特征在于，所述槽狀肋的豎直尺寸為所述上、下部管段高度的至少大約33%。
13. 如權(quán)利要求1或10所述的保險杠加強梁，其特征在于，所述片材的材料拉伸強度大于80 KSI。
14. 如權(quán)利要求13所述的保險杠加強梁，其特征在于，所述片材的拉伸強度大于120KSI。
15. 如權(quán)利要求13所述的保險杠加強梁，其特征在于，所述片材的拉伸強度大于120KSI，并且厚度小于大約2.2mm。
16. 如權(quán)利要求1或10的保險杠加強梁，其特征在于，所述片材的厚度小于大約1.4mm。
17. 如權(quán)利要求1或10所述的保險杠加強梁，其特征在于，所述前壁部分具有大于大約40mm的豎直跨度，并且所述槽狀肋限定了大于大約15mm的豎直距離以及大于大約8mm的深度。
18. —種保險杠梁，其包括細(xì)長加強梁，其在兩端具有車輛連接安裝件，并且還彎曲成非線性形狀；所述細(xì)長加強梁在定位于車輛安裝位置時包括上、下部管段以及具有未受支撐部分的前壁，所述未受支撐部分形成所述上、下部管段的前部，并且所述細(xì)長加強梁還包括位于每個未受支撐部分中的槽狀肋。
19. 一種用于制造B型保險杠加強梁的方法，所述保險杠加強梁適于連接到車輛的前端或后端，所述方法包括以下步驟提供一鋼質(zhì)的片材；將所述片材滾壓成型為B型加強梁，所述加強梁包括在定位于車輛安裝位置時由中央腹板連接起來的上、下部管段；所述加強梁包括前壁，所述前壁具有形成所述上、下部管段的一部分的部分，其中每個所述前壁部分的大部分在橫向豎直橫截面中是豎直線性的，但是包括槽狀肋，所述槽狀肋在所述上下部管段上居中地整體形成在所述豎直的前壁部分中。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，滾壓成型片材的步驟包括使所述前壁部分形成為具有至少大約40mm的豎直跨度，并且使所述槽狀肋形成為限定大于大約8mm的深度。
21. 如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，形成前壁部分的步驟包括使所述槽狀肋形成為每個均限定大于大約15mm的豎直距離。
全文摘要
由片材形成B型梁以包括豎直間隔的上、下部管段，并且在每個管段上于前壁的未支撐部中中央地形成有槽狀肋。所述肋用作使前壁堅硬并穩(wěn)定，從而使得B型梁的實際抗彎強度更接近預(yù)期理論值。在一個形式中，所述肋的豎直尺寸大約為管段高度的33％-50％，深度大約為肋高度的50％-100％。在材料小于2.2mm、大于80KSI和/或具有諸如3∶1的大的高度-深度比率時，所述肋特別有效。
文檔編號B60R19/02GK101528509SQ200780039524
公開日2009年9月9日 申請日期2007年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月24日
發(fā)明者S·C·格拉斯哥, T·J·約翰遜 申請人:沙普公司