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CN112319621A - 用于解耦的行人安全与耐用性的汽车发动机罩 - Google Patents

用于解耦的行人安全与耐用性的汽车发动机罩 Download PDF

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CN112319621A CN202010699372.3A CN202010699372A CN112319621A CN 112319621 A CN112319621 A CN 112319621A CN 202010699372 A CN202010699372 A CN 202010699372A CN 112319621 A CN112319621 A CN 112319621A
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R·古特金
J·斯巴伦德
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Volvo Car Corp
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Abstract

本发明涉及一种汽车发动机罩组件，其包含内发动机罩、外发动机罩、以及夹在内发动机罩和外发动机罩之间的芯部。所述内发动机罩构造成向发动机罩组件提供强度和刚度；并且所述外发动机罩和芯部构造成提供能量吸收，以在行人碰撞的情况下提供行人安全。汽车发动机罩组件将汽车发动机罩的刚度和能量吸收需求解耦，使得这两项设计标准可以彼此独立地达成。

Description

用于解耦的行人安全与耐用性的汽车发动机罩
技术领域
本发明涉及一种汽车发动机罩组件。特别地，所述发动机罩组件包含内发动机罩、外发动机罩以及夹在内发动机罩和外发动机罩之间的芯部。所述内发动机罩构造为向所述发动机罩组件提供强度和刚度；并且所述外发动机罩和芯部构造为提供能量吸收，以在行人碰撞的情况下提供行人安全。
背景技术
当汽车与行人(或骑自行车的人、骑摩托车的人或汽车外部的其它人)碰撞时，通常是行人的头部与发动机罩发生撞击，行人很可能由于撞击能量而遭受严重的伤害或死亡。在碰撞的情况下，期望发动机罩具有吸收能量的能力，从而耗散碰撞中涉及的行人可能遭受的能量。
如图1所示，当前发动机罩结构100通常包含由相对薄的金属薄板(例如薄规格(thingauge)的钢或铝)形成的外发动机罩102，其可成型成对应于整个车体设计的适当轮廓。外发动机罩附接到内发动机罩104，内发动机罩104包含支撑结构(例如支撑肋)，以向整个发动机罩结构提供刚度和稳定性。外发动机罩102和内发动机罩104之间的空间106通常是空的。然而，这样的发动机罩的设计需要发动机罩结构的能量吸收与刚度之间的平衡和折衷。因此，如果必须增加刚度，则能量吸收受到损害，反之亦然。
Ryan等人的美国专利申请公开No.2003/0213635提供了一种发动机罩组件，所述发动机罩组件包含位于内部支撑框架与外部发动机罩之间的外部可充气气囊垫。气囊被充气在与行人碰撞的情况下提供能量吸收。所述能量吸收主要由气囊充气来提供，而气囊充气需要在汽车中安装昂贵的设备。
Ishikawa等人的美国专利申请公开No.2006/0006698提供一种包含外发动机罩蒙皮和内发动机罩框架的发动机罩，其中外蒙皮和内框架之间的空间填充有泡沫金属。在撞击时，泡沫金属连续分解以吸收冲击能。能量吸收由发动机罩蒙皮、发动机罩框架、和泡沫金属的分解提供。这里，发动机罩结构的设计仍然需要刚度和能量吸收之间的平衡。
因此，仍然需要一种经济的发动机罩设计，以将汽车发动机罩的刚度和能量吸收要求解耦，使得这两项设计标准可以彼此独立地达成，而不需要这些标准的复杂的折衷和平衡。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种汽车发动机罩组件，所述汽车发动机罩组件包含内发动机罩、外发动机罩、以及设置在所述内发动机罩与外发动机罩之间的芯部。所述内发动机罩由纤维增强塑料(FRP)构成，并且构造成向所述发动机罩组件提供刚度和稳定性。所述外发动机罩由薄金属构造并且具有比所述内发动机罩低的强度和刚度。所述芯部由能量吸收材料构成，所述能量吸收材料具有比所述外发动机罩或所述内发动机罩低的强度和刚度。所述外发动机罩和芯部构造成在与行人(或骑自行车的人、骑摩托车的人或汽车外部的其它人)碰撞的情况下提供能量吸收。所述内发动机罩构造成向所述发动机罩组件提供强度和刚度。现有技术的发动机罩的设计中的问题是能量吸收与发动机罩结构的刚度之间的折衷要求。例如，必须牺牲能量吸收以提高刚度，反之亦然。本发明的发动机罩通过使能量吸收与刚度解耦来消除这种折衷，使得可以独立地考虑和设计这两个变量。因此，本发明的发动机罩的刚度提升不会导致能量吸收的劣化，反之亦然。
本发明的另一方面提供了一种包含上述发动机罩组件的汽车。
还提供了用于制造和使用本发明的不同方面的方法。
在阅读以下对示例性实施例的详细描述后，本发明的其它方面(包括构成本发明一部分的装置、器件、套件、过程等)将变得更加明显。
附图说明
在结合附图阅读时，将更好理解前述背景技术和发明内容以及下面的详细描述。出于说明本发明的目的，在附图中示出了当前优选的实施方式。然而，应当理解，本发明不限于所示出的精确布置和机构。
在附图中
图1是示出现有技术的汽车发动机罩的横截面图的附图；
图2是示出根据本发明的汽车发动机罩的横截面图的附图；
图3是示出根据本发明的汽车发动机罩的分解图的附图；和
图4是示出具有以深灰色显示的增强部分的内发动机罩之透视图的附图。
具体实施方式
现在将参照附图描述本发明的示例性实施例。以下对优选实施例的描述在本质上仅仅是示例性的，并且决不意图限制本发明、其应用或用途。
出于以下描述的目的，在以下描述中使用某些术语仅为了方便起见，而不是限制性的。本文描述的各部件和方向的特征为“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“直立”、“右”、“左”、“侧(side)”、“顶”、“底”等，在所参照的图中指定了方向，并且是仅仅基于所示的给定部件的特定位置或方向的相对特征。这些术语不应被认为是对本发明的限制。词语“向下”和“向上”是指相对于本发明的装置的几何中心及其指定的部分在竖直方向上的位置。所述术语包括上面具体提及的词语、其派生词和类似含义的词语。
参考图2和3，汽车发动机罩组件200包含内发动机罩204、外发动机罩202以及设置在内发动机罩204和外发动机罩202之间的芯部206。内发动机罩204、外发动机罩202和芯部206由不同的材料制成，其中内发动机罩204的材料被选择用于其强度和刚度，而用于外发动机罩202和芯部206的材料被选择用于它们的能量吸收能力。当组装到小汽车中时，外发动机罩202面向小汽车的外部，而内发动机罩204面向小汽车的内部，优选面向发动机舱。发动机罩组件200设计为使汽车发动机罩的两个不兼容的功能解耦：1)强度和刚度，以防止不希望的振动并为发动机罩提供结构完整性；和2)能量吸收，以减轻在碰撞的情况下对行人(或骑自行车的人、骑摩托车的人或汽车外部的其它人)的伤害。
外发动机罩202位于发动机罩组件200的面向外的侧面上，并且由诸如钢、铝或它们的组合的金属薄板或聚合物(诸如聚丙烯)制成。如本文所用，“薄”是指厚度小于约2mm，优选约0.8至约1.2mm的金属。外发动机罩202通常可以通过金属冲压或本领域中已知的用于所选择的材料的其它方法形成。
内发动机罩204优选地由纤维增强塑料(fiber reinforced plastic，简称FRP)材料制成。纤维增强塑料包含用例如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维(aramid fiber)、天然纤维(例如大麻纤维或亚麻纤维)或它们的组合增强的聚合物基体。聚合物基体可以是热固性或热塑性的。合适的聚合物基体的实例是，但不限于，环氧树脂、乙烯基酯(vinylester)、聚酯(polyester)或它们的组合。尽管内发动机罩204的厚度可以变化并且可以包含厚的和薄的部分，但是内发动机罩204优选地具有从大约1mm到大约4mm，更优选地大约2mm到大约3mm的范围的厚度。内发动机罩204被计算和构造成为整个发动机罩组件200提供足够的强度和刚度。因此，内发动机罩204的强度/刚度大于外发动机罩202的强度/刚度。
在某些实施例中，内发动机罩204可包含进一步增强的部分以提供最佳强度/刚度与重量比。增强可以是增加的厚度、增加的纤维密度、高模量纤维的使用或本领域已知的其它方法。内发动机罩204可以包含在被计算以提供最佳刚度和强度的区域中支撑增强的互连补片的薄膜。所述膜可以由复合材料构成，例如压缩成型复合材料，诸如薄板成型复合物或非织物材料的复合物。增强物可以与膜粘结或共同固化。
优选地，如图4所示，内发动机罩204具有增强部分400、402、404和406。如图4所示，前端是指当安装在汽车中时内发动机罩204的最朝向汽车前部的端部；类似地，后端是当正确安装时内发动机罩204的最靠近汽车挡风玻璃的端部。增强部分包括前增强部分400、侧增强部分402和404、以及后增强部分406。前增强部分400包括定位在内发动机罩204的前部与一侧到另一侧(side-to-side)中心线b-b之间并且延伸内发动机罩204的宽度(从第一侧到第二侧的距离)的大约80％到大约90％的区域。后增强部分406包括定位在内发动机罩204的后部与一侧到另一侧中心线b-b之间并且延伸内发动机罩204的宽度的约80％至约100％的区域。第一侧增强部分402包括位于第一侧与前后中心线a-a之间并且延伸内发动机罩204的从前到后总距离的约70％到约80％的区域。第二侧增强部分404包括位于第二侧与中心线a-a之间并且延伸内发动机罩204的从前到后总距离的约70％至约80％的区域。优选地，增强部分400、402、404和406被连接以大致形成内发动机罩204的矩形增强区域。除了增强部分400、402、404和406之外，还可以根据需要增强内发动机罩204的其它区域。例如，闩锁和铰链附件的区域可能需要额外的增强。总体上，增强区域优选地小于内发动机罩204的总面积的60％，更优选地小于50％，最优选地小于40％。
内发动机罩204可以制造为单件或两个或更多个结合件。内发动机罩204可以通过本领域已知的方法形成，例如压缩成型(compression molding)、湿压缩成型、热压处理(autoclaving)、树脂传递成型(resin transfer molding)、真空注射或它们的组合。本发明还设想了用于FRP形成的其它方法。当使用膜时，树脂润湿的纤维以期望的方式布置在膜上，例如以上面公开的增强方式。膜和纤维然后被成型和固化以产生内发动机罩204。内发动机罩204和外发动机罩202可以通过机械方式(例如铆接、粘结、折叠、压接、螺栓连接或它们的组合)在它们的相应外围区域处附接。
芯部206位于在外发动机罩202与内发动机罩204之间形成的腔中，并且优选地例如通过粘合剂附接到外发动机罩202和/或内发动机罩204。因为粘合剂应当承受很小的负载或不承受负载，所以在设计中不应该考虑粘合强度。优选地，芯部206填充内发动机罩202与外发动机罩204之间的腔的至少80％，更优选地至少约90％。芯部206和外发动机罩202构造成在碰撞的情况下使能量吸收最大化以减轻对行人的伤害。为此，芯部206由具有比外发动机罩202的拉伸强度小的拉伸强度的轻质材料(比内发动机罩202和外发动机罩204更低的密度)形成。芯部206可包含聚合物泡沫，例如但不限于聚氨酯、聚苯乙烯(polystyrene，简称PS)、膨胀的聚苯乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯(ethylene-vinyl acetate，简称EVA)、聚乙烯(PE)、丁腈橡胶(nitrile rubber)、聚酰亚胺(polyimide)、聚丙烯(polypropylene，简称PP)、膨胀的聚丙烯、聚氯乙烯(polyvinyl chloride，简称PVC)、聚氨酯(polyurethane)或它们的组合。在一个实施例中，芯部206具有本领域已知的蜂窝结构。蜂窝结构可由铝、纸、纸板或聚合物形成。
发动机罩组件200可以通过将预切的芯部206铺设到内发动机罩204上来制造。然后，外发动机罩202堆叠在芯部206上并且优选地在其周边部分附接到内发动机罩204，以将芯部206夹在内发动机罩204与外发动机罩202之间。芯部206优选地与内发动机罩204和/或外发动机罩202粘着接触。粘合剂可在组装之前或期间放置在芯部和/或内发动机罩204和外发动机罩202上。可替代地，芯部206首先被注射并固化在内发动机罩204上；然后，外发动机罩202接合到芯部206并且附接到内发动机罩204。该替代方法最适用于由聚合物泡沫制成的芯部206，所述聚合物泡沫可作为液体注射并最终作为泡沫固化。当组装时，内发动机罩204提供发动机罩组件200所需的强度和刚度，而外发动机罩202和芯部206在例如与行人、骑自行车的人、骑摩托车的人或汽车外部的其他人碰撞的情况下提供能量吸收。通过该构造，发动机罩组件200的强度和刚度与能量吸收解耦，使得强度和刚度可以在不显著影响能量吸收的情况下进行调整，反之亦然。
在没有进一步描述的情况下，相信本领域的普通技术人员可以使用前面的描述和以下例示性示例来实现和利用本发明。给出以下示例来例示本发明。应当理解，本发明不限于示例中描述的具体条件或细节。
示例
根据本发明构造的汽车发动机罩(设计A)与如图1的图示并且在背景技术第二段中描述的一个构造(设计B)进行比较。设计A包含具有蜂窝结构的芯部，该蜂窝结构由具有110mm的密度和大约8mm的厚度的六边形单元制成。芯部材料是具有2300MPa的杨氏模量和1.02g/cm3的密度的聚丙烯。内发动机罩结构由含有碳纤维和乙烯基酯基体(2mm厚)的SMC膜制成。该材料具有62100MPa的杨氏模量和1.48g/cm3的密度。增强纤维补片(1mm厚)以类似于图4的方式粘结到SMC膜。所述补片由杨氏模量为E11＝94500MPa，E22＝8000MPa，G12＝4000MPa，和密度为1.45g/cm3的碳纤维/环氧树脂材料制成。设计A的外发动机罩与由铝制成的设计B的外发动机罩相同。
表1示出了设计A和设计B的标准化结果：
Figure BDA0002592448020000071
前三个本征频率(Eigenfrequency)指示发动机罩的刚度，并且使用发动机罩设计的线性特征值分析来获得。表1示出了设计B提供了节省重量25％，但刚度相应增加25％至30％。设计B比设计A更轻但更硬。
虽然在此已经具体描述了本发明的某些目前优选的实施例，但是对于本领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本文所示和所述的各种实施例进行改变和修改。

Claims (20)

1.一种汽车发动机罩组件，包括外发动机罩、内发动机罩、以及位于所述内发动机罩与所述外发动机罩之间的芯部，其中，所述内发动机罩由纤维增强塑料(FRP)制成，所述外发动机罩由刚度比所述纤维增强塑料的刚度低的材料制成，并且所述芯部由能量吸收材料制成。
2.根据权利要求1所述的发动机罩组件，其中，所述芯部与所述内发动机罩和/或所述外发动机罩粘结接触。
3.根据权利要求1所述的发动机罩组件，其中，所述外发动机罩由薄规格的钢或铝制成。
4.根据权利要求1所述的发动机罩组件，其中，所述内发动机罩包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、大麻纤维、亚麻纤维或它们的组合。
5.根据权利要求1所述的发动机罩组件，其中，所述内发动机罩包括增强区域。
6.根据权利要求5所述的发动机罩组件，其中，所述增强区域包括增加的厚度、增加的纤维密度、高强度纤维或它们的组合。
7.根据权利要求5所述的发动机罩组件，其中，增强区域小于所述内发动机罩的总面积的60％。
8.根据权利要求1所述的发动机罩组件，其中，所述芯部包括泡沫聚合物。
9.根据权利要求8所述的发动机罩组件，其中，所述泡沫聚合物是聚氨酯、聚苯乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)、聚乙烯(PE)、丁腈橡胶、聚酰亚胺、聚丙烯、聚氯乙烯(PVC)或它们的组合。
10.根据权利要求1所述的发动机罩组件，其中，所述芯部包括蜂窝结构。
11.根据权利要求10所述的发动机罩组件，其中，所述蜂窝结构由铝或聚合物制成。
12.根据权利要求1所述的发动机罩组件，其中，所述外发动机罩和所述内发动机罩在它们相应的周边部分处被附接。
13.根据权利要求12所述的发动机罩组件，其中，所述外发动机罩和所述内发动机罩通过铆接、粘结、折叠、压接、螺栓连接中的一种或组合被附接。
14.根据权利要求1所述的发动机罩组件，其中，所述内发动机罩构造成向所述发动机罩组件提供刚度和稳定性，并且所述外发动机罩构造成向所述发动机罩组件提供能量吸收。
15.根据权利要求1所述的发动机罩组件，其中，所述内发动机罩包括膜，所述膜支撑互连的增强补片。
16.一种包括根据权利要求1所述的发动机罩组件的汽车。
17.根据权利要求16所述的汽车，其中，所述内发动机罩面向所述汽车的内部，并且所述外发动机罩面向所述汽车的外部。
18.根据权利要求16所述的汽车，其中，所述内发动机罩构造成向所述发动机罩组件提供刚度和稳定性，并且所述外发动机罩构造成向所述发动机罩组件提供能量吸收。
19.根据权利要求16所述的汽车，其中，所述外发动机罩由薄规格的钢或铝制成。
20.根据权利要求16所述的汽车，其中，所述内发动机罩包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、大麻纤维、亚麻纤维或它们的组合。
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