[發明專利]一種梯度多胞結構的汽車潰縮式吸能轉向柱

在審

• 申請號: 202010195932.1
• 申請日: 2020-03-19
• 公開（公告）號: CN111361630A
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發明（設計）人: 張偉;孫皓;侯博文;譚龍飛
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B62D1/19
• 分類號: B62D1/19
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

一種梯度多胞結構的汽車潰縮式吸能轉向柱，屬于汽車技術領域，包括下轉向軸、下轉向柱管、吸能裝置、上轉向柱管、上轉向軸。吸能裝置中包括梯三維梯度負泊松比多胞結構，該多胞結構由若干層三維負泊松比多胞結構在豎直方向梯度排列且首尾相連而成，每層之間密度不同。該多胞結構具有軸向壓縮?收縮的特性，當其受到軸向力作用時材料剛度提高，在發生碰撞時，汽車轉向柱將能夠吸收更多的能量。并且該結構從開始潰縮到最后吸能停止，整個過程結構收縮的位移很大，可以給駕駛員提供更大的生存空間。且能夠更高效地傳遞扭矩。另外，由于引進梯度概念，可以進一步降低制造成本，可以更加有效地改變能量吸收特性和變形特征。

技術領域

本發明屬于汽車技術領域，涉及一種轉向柱，更具體地說，涉及一種分層遞變梯度多胞結構的汽車潰縮式吸能轉向柱。

背景技術

當汽車發生正面碰撞或緊急剎車時，駕駛員由于慣性的存在，會不由控制的繼續向前運動，如果慣性和速度過大，駕駛員的的頭部和胸部可能會和方向盤發生碰撞，因而對駕駛員造成傷害甚至生命安全。所以為了減少作用到駕駛員身上的沖擊，提高駕駛人員安全性，關鍵在于提高轉向管柱的能量吸收能力和抵抗位移能力。

轉向柱是轉向系統連接方向盤和轉向器的元件。通過轉向柱，駕駛員可以把扭矩傳遞給轉向器，帶動轉向器實現轉向。轉向柱主要是由以下三部分構成：上軸總成、轉向支架、下軸總成這三大部件。目前市場上存在的轉向柱大致可以分為兩類：潰縮式轉向柱和波紋管式轉向柱。潰縮式轉向柱是在兩個部件之間設計一個轉向節之類的東西，潰縮式轉向柱包括兩種：可潰縮式和可伸縮式。當汽車發生正面撞擊時，潰縮式的轉向柱可以自動收縮進去，或者瞬間“折斷”，而可伸縮式轉向柱會自動斷開或脫開，以上兩種潰縮式轉向柱都可以在汽車發生碰撞時，拉開轉向柱與駕駛員的距離，增加生存空間。波紋管式轉向柱，則需要在各個主部件之間設計一個波紋管結構，這種轉向柱主要是當碰撞發生時通過壓縮波紋管而吸收碰撞帶來的能量，同時可以減少一定轉向柱的移動量。這兩種形式的轉向柱都能在一定程度上減少駕駛員的損傷，但受結構空間的限制，這兩種結構能量吸收和抵抗位移的能力都是十分有限。

發明內容

為了克服當汽車發生碰撞時，汽車轉向柱吸收能量不足和抵擋位移有限等的問題，本發明提供了一種梯度多胞結構的汽車潰縮式吸能轉向柱。此新型轉向柱需要在上轉向管和下轉向管之間加一個梯度負泊松比多胞結構的吸能裝置。此轉向柱的三維負泊松比多胞結構的泊松比小于0，能夠產生壓縮-收縮的現象，可以使轉向柱在發生碰撞時剛度提高，吸收更多的能量和抵抗更多的位移，同時，對多胞結構引入一個密度梯度，可以更加有效地改善能量吸收特性和變形特征，而且可以一定程度上降低制造成本，減小裝置的體積。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種梯度多胞結構的汽車潰縮式吸能轉向柱，包括下轉向軸1、下轉向柱管2、梯度負泊松比多胞結構的吸能裝置3、上轉向柱管4、上轉向軸5。其中上轉向軸5位于上轉向柱管4內，下轉向軸1包含在下轉向柱管2內，下轉向柱管2和上轉向柱管4之間通過吸能裝置3連接。

所述的梯度負泊松比多胞結構的吸能裝置3包括頂板31、底板32、薄壁圓筒33、三維梯度負泊松比多胞結構34，其中，薄壁圓筒33設于頂板31和底板32之間，薄壁圓筒33兩端分別與頂板31和底板32固連，三維梯度負泊松比多胞結構34設于薄壁圓筒33內，與薄壁圓筒33過盈配合。

所述的三維梯度負泊松比多胞結構34由若干層三維負泊松比多胞結構在豎直方向陣列且首尾相連而成，此三維梯度負泊松比多胞結構34由傳統的均勻排列改進為梯度排列，且通過每層之間三維負泊松比元胞341長胞壁厚度T_L的遞增，達到每層之間相對密度的遞增，保證整個結構成梯度排列。所述的每層三維負泊松比多胞結構由多個的三維負泊松比元胞341在同一水平面內進行陣列后，通過手部相連組成，各層三維負泊松比元胞341的數目相同。

所述的每個三維負泊松比元胞341由兩個二維負泊松比元胞垂直拼合而成。