表面中带有整体形成肋的b型梁的制作方法

专利名称：表面中带有整体形成肋的b型梁的制作方法
技术领域：
本发明涉及B型梁，在其管段上于前壁中整体形成有一个或多个肋，用于改进实际抗弯强度，改进前壁的稳定性以及整个梁的稳定型，以及改进坚固性和沖击能量吸收效率。
背景技术：
在车辆保险杠中使用B型保险杠加强梁(后面称为"B型梁，，)已经好多年了。例如，见发明人为Sturrus的美国专利No.5，395，036，其中B型梁的横截面包括形成两个管的相对平的壁，当处于车辆安装位置时一个管间隔地位于另一个管的上方。这种B型梁之所以成功的部分原因是由于在安装至车架滑轨顶端时，它包括四个水平定向的壁，所述壁沿沖击的纵向/水平方向提供优异的抗弯强度和沖击阻力。然而，现代车辆为保险杠设计有更小的"包装空间"，当车辆的前(或后)保险杠加强梁的尺寸和/或深度由于如此小的"包装空间"而受限制时就变得越来越难以提供充分的梁强度和冲击阻力。另外，我们的测试显示如Sturrus的，036专利所显示的B型梁的实际抗弯强度令人吃惊地远远低于其预期理论沖击强度。理论冲击强度和实际沖击强度之间的差距对于具有较薄壁厚(尤其为2.2mm-1.4mm或更薄)的B型梁而言以及在使用更高强度钢(诸如80KSI，120 KSI或者甚至190 KSI拉伸强度)时变得更糟糕。令人注意的是，经常使用更薄的壁和更高强度的材料，以便努力减少B型梁和緩冲系统的重量。
我们对于该问题的调查显示了美国正在生产的B型保险杠加强梁以及在客车中的B型保险杠加强梁的大部分具有竖直线性前壁，多数与Sturrus的'036专利中所显示的非常类似。关于"竖直线性"，我们指的是通过B型梁的垂直横截面显示了前壁是竖直和线性的。令人注意的是，这里所使用的术语"竖直线性，，旨在描述B型梁的前壁，包括细长直梁和纵向弯曲梁(即该梁是弯曲的以便与车辆的空气动力弯曲型前部匹配)的前壁。
在试图理解为什么"传统B型梁"的前壁具有竖直线性的横截面的原因时，我们感觉本领域的普通技术人员认为有几个原因使得丕在B型梁的表面壁中形成槽或肋。我们将其称为"传统思想"。例如，传统思想是B型梁的前壁不需要稳定性，原因是它是主要提供冲击强度和能量吸收的水平壁。就前壁确实需要一些稳定性而言，传统思想似乎是它已经由与竖直线性前壁的中央区域接合的中间两个水平壁所稳定。另外，(基于传统思想)前壁的未支撑跨度(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稳定。再者，根据传统思想，由于前壁主要用作稳定水平壁的前边缘，所以在水平壁的上、下边缘之间线性地延伸的前壁似乎比前壁变形为非线性的情况为水平壁提供更多的稳定性。(换言之，如果前壁变形为非线性，则在沖击过程中前壁可能朝着线性状态"拉伸"，从而允许水平壁的边缘移动少的量并且因此潜在地使得它们变得更不稳定)。再者，B性梁中的任何附加形成都增加了加工变数和成本。(根据传统思想)本质上，在前壁中形成肋将增加成本和加工复杂性，而对于最终产品不会有任何显著增加的益处。
不使B型梁的前壁向内变形有另 一个更加微妙的原因。用于计算理论弯矩"M，，的工程/数学公式建议相比较部分前壁没有尽可能远得朝前定位的情况，竖直线性前壁(其中前壁的所有材料尽可能朝前定位得远些，假设对车辆的"包装空间"有限制)提供了更大的弯矩(因此更坚硬的梁段)。换言之，如果前壁被变形成包括向内槽状肋，则B型梁的弯矩减小并且进而B型梁的理论硬度减小，原因是部分前壁材 料移动得更靠近其质心。因此，由于几个原因，使B型梁的前壁的一 部分向内变形是违反直觉的。 现有技术
图l部分取自发明人为Sturrus的美国专利No.5，395，036,它是具 有带竖直线性前壁的横截面的B型保险杠加强梁的示例。图1中显示 的B型梁200包括"竖直线性"前壁201，所述前壁由焊接到中央腹板 215上的共面边缘部("翼")202、 203形成。注意到许多B型梁包 括形成它们整个前壁的单个连续片材部。在这种B型梁中，焊接位于 B型梁上的另一位置。Sturrus的，036专利中的B型梁包括带有两个 管205和206的横截面，当处于车辆安装位置时一个管通过腹板215 位于另一个管的上方，使得四个壁213， 214, 216， 217从前壁水平地 延伸，并且共面壁212A和212B靠近管的后部。Sturrus中的B型梁 是弯曲型(即纵向弯曲型)，然而应当注意许多B型梁是直的(即 纵向线性的)。

发明内容
通过在梁的前壁的未支撑部中添加槽状"动力"肋，我们已经将B 型梁的实际沖击强度极大地提高至显著接近理论沖击强度值。我们相 信这种提高是极大的、令人吃惊的并且是完全出乎意料的，根据政 府和保险工业保险杠测试标准，这对于其中抗弯强度和沖击强度非常 重要的保险杠工业是非常有价值的。特别地，我们的测试显示了带 有本发明动力肋的B型梁(对比不带动力肋的B型梁)具有通常大于 10% -20%的改进的实际抗弯强度，这是未曾听说的改进。在某些情 况下，带有动力肋的本发明的B型梁的实际抗弯强度接近实际理论值， 这也是让我们吃惊的，因为具有竖直线性前壁的B型梁(见Sturrus 的'036专利)已经被测试具有仅仅为它们理论抗弯值的大约50% -60 %的实际完全值。令人吃惊的是，这种改进经常在没有增加重量的情 况下完成，并且它进一步开发了在B型梁緩沖系统中使用替代强度材料的能力。相信这种改进是尤其重要且令人吃惊的，原因是B型梁已 经被用作保险杠加强梁很多年了，但是就本发明人的知识而言，在它 们的前壁中没有槽状肋。
这种巨大的改进给式样以及功能提供了增加的设计自由度。特别 地，它允许以更小的横截面尺寸获得同样坚固(或者更坚固的)B型 梁。例如，这允许车辆设计师能够减小"下偏置"(即从緩冲系统前面 到车辆头灯的距离)，从而允许更加欧式化的车辆(其中保险杠"悬垂，， 短很多)。它还允许设计师选择不同的材料(即成本更低/强度更低的 材料)，同时保持适宜的梁强度。或者，可以在预定的"相同"保险杠包 装空间内制造更强的B型梁。因此，可以在不改变车辆式样以及不潜 在地增加车辆重量的同时将现有保险杠制造得更坚固。
这是基于以下发现当B型保险杠加强梁被设计成具有竖直线性 前壁时，梁的前壁在弯曲沖击过程中变得局部不稳定，即使对于本领 域的普通技术人员而言它们的前壁似乎被充分地支撑着。因此，具有 本发明的表面肋的B型梁的实际沖击强度比具有平直前壁的传统B型 梁更接近理论沖击强度，即使当在本发明B型梁的每个管上的竖直前 壁的未支撑部的竖直跨度仅有65mm至40mm或更少时。
如下所讨论的，本发明在B型保险杠加强梁的管的前壁中结合槽 状肋这一思想极大地、令人吃惊地并且出乎意料地改进了 B型梁的实 际测量沖击强度，使得实际沖击强度更接近理论值。我们的调查显示 这尤其适于由厚度小于约2.2mm的片材所制造的B型梁，更适于厚度 从1.4mm降至1.2mm或更薄的片材。它还适于高强度材料，诸如具 有80KSI拉伸强度(尤其大于120KSI并且尤其大于190KSI)的钢。 令人注意的是，经常减小片材厚度并且增加它们的拉伸强度，作为节 省重量同时保持高强度的手段。因此，同时有助于更薄片材和更高强 度材料的本发明被认为是"双重地"重要且有意义。实际抗弯强度的减
小也发生在具有相对短的前后尺寸并具有更高横截面的B型梁中，在 这种B型梁的每个管上的竖直未受支撑跨度从大约45mm到60mm或 者更大，并且前后深度仅有40mm。设想本发明的范围包括用于车辆緩冲系统的所有B型保险杠加强梁，不管两个管的尺寸和/或形状是否 相等，并且不管一个或两个管中是否包括肋33。可以设想本发明的范 围在其它环境中也可以是有用的，诸如门梁、车架部件，以及以下其 它情况，其中抗弯强度/冲击强度是重要的并且弯曲/功能要求的类型 类似于车辆的前后緩冲系统。
在本发明的一个方面，适于连接至车辆的前或后端并且由片材制 造的保险杠加强梁包括在定向于车辆安装位置时竖直延伸的前壁、 两个竖直延伸的后壁、 一对竖直间隔的中间水平壁、顶部和底部水平
壁、以及固定到后壁上并且适于安装至车辆的安装托架。顶部水平壁 和底部水平壁与中间水平壁以及前壁和后壁结合起来，以限定一上部
管段以及与上部管段间隔的下部管段。前壁的大部分在垂直横截面中 是竖直线性的，但是包括纵向延伸的槽状肋，该肋在上、下部管段的 至少一个上整体形成在前壁的未支撑部中，所述肋用于加强并稳定前 壁，由此用于在弯曲冲击过程期间大体硬化并强化B型加强梁。
在更狭窄的形式中，上、下部管段均具有形成在其中的纵向槽。 在另一种更狭窄的形式中，肋中央设置在每个管的未支撑前壁上。在 又一种更狭窄的形式中，肋是至少大约8mm深的单个肋，或者更优 选的是至少大约10- 15mm深，并且至少大约10- 15mm高。
在另一种类型的B型梁中，管段的深度尺寸大约为它们的竖直尺 寸的1.5-2.0倍，并且所述梁的总的竖直高度大约是单个管段的高度的 2.2-2.8倍。同样，所述肋的肋高大约与肋深相等或者稍微大一点，肋 高为管段高度的大约33% -50%。
在具有大的高度-深度比率的另一种类型梁中，管段的竖直尺寸 为管段深度的至少1.5倍，梁的竖直总高度为管段深度的至少大约3 倍，槽状肋的竖直尺寸为管段高度的至少大约1/2-1/3。
在更狭窄的形式中，片材的厚度为大约2.2mm或者更小，拉伸强 度为大约40KSI或者更大(或者更优选地厚度大约为1.4mm或更小， 拉伸强度为80KSI或更大；或者最优选地，厚度大约为1.2mm或者 更小，拉伸强度为190KSI或者更大)。在本发明的另一方面中，适于连接至车辆前或后端的保险杠加强
梁包括B型加强梁，其由片材形成并且在每一端包括车辆连接安装件 并且还包括当定向于车辆的车辆安装位置时相互间隔开并且由中央腹 板连接起来的上、下部管段。加强梁包括前壁，其具有形成上下部管 段的前部的部分，每个前壁部分的大部分在垂直横截面中竖直地延伸， 但是包括纵向延伸的槽状肋，所述肋在所述上、下部管段上居中地整 体形成在所述部分中。
在本发明的另一方面中，用于制造适于连接至车辆前或后端的B 型保险杠加强梁的方法包括以下步骤提供片材，将所述片材滚压成 型为B型加强梁，所述梁包括在定向于车辆安装位置时由中央腹板连 接起来的上和下部管段。所述梁被形成为包括带有未支撑部的前壁， 所述未支撑部形成上和下部管段的一部分，其中每个所述前壁部分的 大部分在垂直横截面中竖直地延伸，但是包括槽状肋，所述肋在上、 下部管段上居中地整体形成在所述竖直部分中。
在本发明的另一方面中，保险杠加强梁包括细长的加强梁，其在 每端具有车辆连接安装件并且还弯曲成非线性形状。所述梁在定向于 车辆安装位置时包括上下部管段以及具有形成上下部管段前面的未支 撑部的前壁，所述梁还包括位于每个未支撑部中的槽状肋。
图3和图5-6中的本发明的B型梁的特定外观还被认为是新颖 的、装饰性的，并且对于本领域的普通技术人员而言不是显而易见的。
之后，将会了解并理解本发明的这些以及其它方面、目标以及特点。


图1是摘自发明人为Sturrus的美国专利No.5，395，036的现有技 术的视图，其显示了 B型梁。
图2是本发明的B型梁的第一实施例的透视图。
图3是沿图2中B型梁的in-iii线截取的横截面视图。
图4是三点弯曲测试装置。图5-6是具有动力肋的第二实施例B型梁的顶视图和横截面图。 图7是类似于图5-6的本发明B型梁的现有技术B型梁的横截
面，但是具有带竖直线性前壁的横截面。
图8是一图表，其显示了在图5-6的B型梁(带动力肋的B型
梁)和图7的B型梁(不带动力肋的B型梁)上进行的三点弯曲测试
的结果。
图9是在图8所显示的测试之后直的B型梁的顶部的照片，损坏 显示了不同的应力分布和沖击变形，相比不带动力肋的B型梁(显示 在照片底部)，带有动力肋的B型梁(显示在照片顶部)具有更宽的 应力分布和更宽的(局部化更少的)沖击变形区域。
图9A是图9的线条图。
图10-ll是计算机产生的图9中的B型梁的前视图，图IO显示 了在带有动力肋的B型梁(图9，照片的顶部)的弯曲期间应力分布 的FEA分析，图11显示了在不带动力肋的B型梁(图9，照片的底 部)的弯曲期间应力分布的FEA分析。
图10A- IIA是图10-11的线条图。
图12是位移对弯曲负载比较测试结果的图表，该测试结果是关于 带动力肋的B型梁(见图5-6)相比不带动力肋的B型梁(见图7) 的三点弯曲测试(见图4)，所述比较是应用FEA关联技术进行的以 便显示重量相等的B型梁。
图13是在5mph扁平障碍物物理沖击测试之后两种B型梁(见 图5-6中带动力肋的B型梁和图7中不带动力肋的B型梁)的顶视 照片，照片中的顶部梁为带有动力肋的B型梁，而底部梁为不带动力 肋的B型梁。
图14是突入距离(梁的中心朝着车辆散热器运动)对负载的图表， 比较带有动力肋的B型梁与不带动力肋的B型梁的5mph扁平障碍物 物理冲击测试的测试结果。
图15是突入距离对负载的图表，比较带有动力肋的B型梁与不 带动力肋的标准B型梁(具有竖直线性前壁的横截面)的5mph扁平障碍物物理冲击测试的测试结果，但是(应用FEA关联技术)调节带 有动力肋的B型梁的数据以考虑带有动力肋的B型梁的减小壁厚，使 得带有动力肋的B型梁与图示的不带动力肋的B型梁具有相同的质 量。
图16是突入距离(在冲击期间梁的向后运动)对负载的图表，比 较带有动力肋的B型梁与不带动力肋的B型梁(即，平直表面壁)的 10km/h IIHS緩冲障碍物物理冲击测试的测试结果。
具体实施例方式
正如本领域的普通技术人员将要理解的，在纯粹弯曲条件下，通 过以下等式来预测梁的最大理论弯曲应力(t-M/Z，其中M为弯矩， Z为塑性截面模量。当o最大^T屈服时，理论上梁不会在弯矩M下弯曲。 因此刚好在梁弯曲之前，Ma = o xZ。 Mn通常被称作截面弯曲刚 度。该理论值M必须与实际测试结果(实际Mu)相关，原因是实 际值是改变的。例如，正如下面图示和讨论的，在其横截面具有竖直 线性前壁的B型梁中(诸如Sturrus的专利文献5，395，036所显示的现 有B型梁，见图l及上述讨论)，实际M最大值与理论M最大值的比率 可以低至50% -60%。
我们已经发现，在B型梁20中，将一整体槽状加强肋33 (这里 称作"动力肋")结合到它的前壁的未支撑部中(若没有所述肋，则前 壁为大体竖直线性的)，实际M壯值与理论M最大值的比率可以提高至 大约70% - 80%或者更高。我们的测试显示了，所述肋优选至少大约 8mm深，并且为在单个管段上延伸的前壁的未支撑部高度的至少大约 1/3。这被认为是非常令人吃惊且出乎预料的结果，假设B型梁的(竖 直线性)前壁已经在其中央附近由普通B型梁的中间水平壁支撑。在 保险杠加强梁中的竖直线性前壁中的未支撑跨度(即延伸穿过管段的 前壁的那部分)通常仅仅为大约40mm-65mm时，仍然能获得对实 际弯曲强度的巨大改进，这种情况就尤其令人吃惊了。由于本发明的 思想，所以存在新的设计选择。例如，可以减小现有B型保险杠加强梁的壁厚(即，在仍然提供相同冲击强度的同时减小重量)。或者，可
以增加现有B型保险杠加强梁设计的冲击强度，而无需增加重量或成 本(即，只是通过在平直的前壁上增加动力肋，而不改变片材厚度或 部件设计)。或者，新的B型保险杠加强梁可以被设计成具有更薄的 前后尺寸，同时具有与其它"更厚"设计相同的强度(因此节省了车辆 前面的包装空间并且还减小了冲击期间的突入距离)。
由片材滚压成型图示B型保险杠加强梁20 (图2-3)以便限定 一对竖直间隔管21和22 (当在车辆安装位置时)。B型梁20包括前 壁23，前壁23从梁的顶部延伸至底部并且限定每个管的前部。在每 个管上的未支撑前壁部是大体竖直线性的并且是对齐的，然而前壁23 包括在每个管21和22上居中地布置在前壁上的槽状肋33。如以下所 讨论的，肋33以提供改进的沖击强度的方式稳定在每个管上的未支撑 前壁部。图示肋33向内形成，因此它不在梁20的前壁的前面突出。 通过这种布置，肋33不是首先受到物体(诸如杆或树)沖击的。因此， 肋33在首次沖击期间不会弯曲，从而允许它们在首次沖击期间稳定梁 的前壁一段较长的时间。然而，在最宽泛的意义上，本发明的范围不 被认为是必须限制于向内形成的肋33。同样，图示肋33在每个管21 和22上形成在中央，并且图示管21和22在尺寸和形状上类似，肋 33也是如此。然而，在最宽泛的意义上，本发明的范围还被认为是包 括B型梁，该梁的两个管尺寸和/或形状不相同，并且可以存在附加的 管，并且肋不是必须位于每个管的中央，肋也不是具有相同的尺寸和 形状。
图2-3的图示B型梁20优选由片材形成，诸如1.0mm-2.2mm 的钢(或者更优选1.1mm-1.6mm厚，或者最优选1.2mm-1.4mm厚， 这取决于緩沖系统的功能要求)。所述片材具有40KSI或者优选80KSI 或者更优选120KSI (或者在某些情形下190KSI)的拉伸强度。上部 管段21和下部管段22间隔开并且通过一对并列的中间竖直壁23和 24连接起来。上部管段21包括由前竖直壁27和后竖直壁28互联的 水平壁25和26。下部管段22包括由前竖直壁31和后竖直壁32互联的水平壁29和30。图示竖直壁23由滚压成型片材的共面边缘部制成， 所述边缘部在一中央位置焊接到腹板24上以形成"竖直线性，，前壁。然 而，可以设想竖直壁23可以由片材的连续单一部形成(在这种情况下 滚压成型片材的边缘将沿着B型梁的周缘被连接在不同的区域)。一 对安装托架22，在两端附近被附接在后壁28和32上。图示的安装托 架每个均包括焊接至弯曲型梁20的凸缘，并且每个托架还包括共面对 准部，其带有适于螺栓连接至车辆的车架滑轨上的孔。
在图3所显示的布置中，管段21和22的竖直尺寸Dl是管段的 深度尺寸D2的大约1.5倍。图示梁20本身的总竖直高度D3大约是 管段深度尺寸D2的3 - 4倍，并且动力肋的竖直尺寸D4是相应管段 的高度的大约33% -50%，深度尺寸D5是深度尺寸D2的至少大约 10%-35% (更优选是大约25%)。图3所显示的B型梁具有以下实 际尺寸每个管的单个管高度尺寸Dl大约是65mm，总的梁深度尺 寸大约是40mm，总的梁高度尺寸D3大约是150mm，肋高度尺寸D4 大约是20mm-30mm，并且肋的深度尺寸D5至少大约是8mm (或者 更优选是10 - 15mm)。
注意到在B型梁由更薄的材料制成和/或由高强度材料制成时， 和/或当B型梁横截面具有高的高度-深度比率时，B型梁前壁的未支 撑部中的本发明肋33特别重要。原因是B型保险杠加强梁经常通过 使用超高强度钢而制的"更坚固"，因为该材料的高屈服点允许更高的 截面弯曲刚度。这就允许使用更薄的材料，从而节省了重量。具有高 的高度-深度比的B型梁在仍然提供好的抗弯强度的同时提供了更宽 的沖击面。然而，已经观察到在具有竖直线性前壁的B型梁中具有 越来越差的实际抗弯强度，尤其在更小的材料厚度(诸如2.2mm或更 小，尤其在1.4mm-1.2mm或更小的厚度)情况下和/或在更高的材料 拉伸强度(诸如80KSI-190KSI或者更高)情况下和/或横截面具有高 的高度-深度比(诸如梁是150mm高，40mm深，每个管高度大约是 65mm高，并且管间隔开大约20mm )情况下。在这种B型梁中，我 们的测试显示了 B型梁的实际抗弯强度远远低于理论抗弯强度，经常只有理论抗弯强度的50% - 60。/。。这显然主要是由于在B型梁的每 个管上的前壁的未支撑区域中前壁的局部不稳定性。这种局部不稳定 性将实际M u减小得显著低于预期理论值，使得这种B型梁的实际 强度下降至仅有预期理论值的大约50% -60%。
在下面描述的测试中，在具有动力肋的B型梁中，B型梁的实际 M最大值从它们理论抗弯强度的大约50% - 60%显著提高至70% -80 %。在至少一个测试中，实际的抗弯强度倍提高至几乎理论抗弯强度。 我们相信这可以由B型梁20与Sturrus的专利文献，036中现有梁之 间所展示的不同类型的失效模式部分地解释。在横截面具有竖直线性 前壁(并且没有"动力肋")的B型梁中，由于在前壁的未支撑部中积 累的纵向压力，前壁在沖击过程中似乎过早地扭结并且折叠，导致毗 邻壁的局部不稳定，然后导致梁的过早完全失效。相比较而言，在横 截面带有含动力肋(即，在延伸穿过管的未支撑前壁部中所形成的槽 状肋)的前壁的B型梁中，前壁似乎能更好地抵抗过早扭结及折叠。 这就产生了更坚固的梁(即，实际抗弯强度更接近其理论抗弯强度的 B型梁)。显著地，我们认为，由于纵向压力产生的扭结所导致的过早 折叠的原因是与理论弯曲失效有些不同的失效模式。特别地，理论抗 弯强度在梁的弯矩M值增加时增加。然而，当前壁的材料被用来在梁 的表面内形成槽状肋时，由于材料从梁的最前部(在这里它对梁抗弯 强度和弯矩"M"贡献最大的量)朝着质心(在这里它对梁的抗弯强度 贡献较小的量)移动，所以它实际上减小了梁的理论弯矩。
为了检验当前的理论，如图4所示，使用三点弯曲测试装置300。 所述测试装置300包括间隔880mm并且具有用于接合梁的弯曲上表 面302的下支撑件301。测试装置300还包括具有下表面304的上头 部303，所述下表面限定一半径，用于压靠在处于测试下的梁的中央。 梁(由梁305图示)定位在支撑件301上用于在其中点由上头部303 接合。
早期的实验是使用两个类似的梁进行的， 一个具有动力肋(见图 2-3所显示的带有动力肋33的B型梁20)， 一个没有动力肋。除了动力肋33之外，所述梁在各方面都是一样的。特别地，它们由完全相 同的巻材制造(即相同的材料性质和厚度)，具有相同的纵向曲率，并 且具有相同的总竖直高度和深度。在接近失效的弯曲位移时，带有动 力肋33的梁20的抗弯强度显著提高了大约20% 。这让我们非常吃惊。
为了进一步检验当前的概念，构造了第二梁20A以及第二梁320, 其中在梁20A的管上于前壁201A中具有动力肋33A (图5-6)，梁 320的竖直线性前壁321不具有动力肋(图7)。梁20A和320的总高 度均为115mm,总深度为70mm，并且安装件22A被焊接至它们的后 表面。所述梁均由拉伸强度为190KSI并且厚度为1.16mm的片材制 造。梁20A和320每个均有上管和下管，管的高度为45.5mm并且深 度为70mm，并且间隔大约24mm。上管205A和下管206A(在处于车 辆安装位置时)限定了四个水平壁213A，214A，216A，217A，每个水平壁 在中点稍微弯曲，水平壁的前半部相对平行且水平，水平壁的后半部 朝着每个管的后部向内渐细。在梁20A中，前壁具有在每个管上居中 地形成在前壁的未支撑区域中的动力肋33A,动力肋每个均为大约 15.49mm深并且(在它们的中间深度水平)具有大约15.49mm的相同 宽度。前壁包括出现在数个位置的大约为7mm的半径R7，这些位置 包括在上管上的从顶壁到前壁的上角处、在从前壁过渡到上动力肋 33的上角处、在动力肋33的底部、从动力肋33到中央腹板附近的前 壁的角部处。在下管上的前壁部在与上管类似的位置处也具有半径 R7。如上所强调的，梁320 (图7)具有带竖直线性前壁(即，没有 动力肋)的横截面。梁320在其它方面与梁20A类似。
在带有肋33A的弯曲B型截面梁20A (图5-6)上以及在带有 平直面(没有肋)的弯曲标准B型梁320 (图7)上进行三点弯曲试 验。在三点弯曲试验中(图8)，带有动力肋33A的B型梁20A给出 了提高的实际最大负载60.2kN。相比较而言，标准的B型截面梁320 (不带动力肋)仅仅给出了 43.99kN的实际最大负载。同样，带有动 力肋33A的B型梁20A提供了更大的变形区域(如图9的照片的上B 型梁所示)，而标准的B型梁320显示了扭结的证据并且提供了更加局部化的弯曲区域(见图9中的下B型梁所示)。通过FEA分析(见 图10-11)更好地显示了这一点，该分析给出了代表三点弯曲失效模 式的应力可视图像。特别地，应力在带动力肋33的B型梁20A的更 大区域Al上分布(图10)，从而导致更高的承载能力。比较而言，应 力在更加局部化区域A2中更加集中，从而在带有竖直线性前壁的B 型梁320中(图11)导致过早的弯曲、更尖锐的弯曲点以及更低的承 载能力。
确定梁20A和320上的最大弯矩以便更好地理解目前的试验结 果。如上所述，理论最大弯矩等于塑性截面模量乘以屈服强度(即， Mmax=ZxYS)。对于B型梁20A，理论Mmax=13938mm3xl224MPa -17060Nm。对于梁20A，实际M,x-PL/4，其中P-负载，L =试验装 置的跨度。因此实际Mmax为(60.2kNx880mm/4) = 13244Nm。因此， 实际M则x和理论Mmax的比率为(13244/17060) xl00%=77.6%。对 于B型梁320，理论Mmax=13494mm3xl224MPa = 16517Nm。对于梁 320,实际Mma^PL/4,其中P-负栽，L-试验装置的跨度。因此实 际Mmax为(43.9kNx880mm/4) =9658Nm。因此，实际M则x和理论 M咖x的比率为(9658/16517 ) xl00%=58.5%。通过减小前壁中的薄 壁过早弯曲量，我们得出结论带有动力肋33A的B型梁20A能够 比带有竖直线性前壁(即不带动力肋)的B型梁320更接近理论最大 值。我们相信在更薄的梁上(即带有更深水平截面深度的梁)，该比 率将甚至更高，诸如到85% -95%或者更大，原因是在弯曲这种梁时 失效和应力的类型。
为了进一步图示本发明的概念，我们希望比较具有相同重量的两 种梁， 一种B型梁类似表面带动力肋33A的B型梁20A, —种B型 梁类似具有带竖直线性前壁(没有动力肋)的横截面的B型梁320。 显然，B型梁20A必须由稍微宽一点的片材制成，因为它必须包括附 加的材料以便形成槽状动力肋33A。因此，"相同重量"的B型梁20A 需要更薄的壁厚以便与不带动力肋的B型梁320重量相等。我们使用 有限元分析以便为假想B型梁产生数据，该假想B型梁带动力肋但是具有减小的壁厚(确认为带动力肋的B型梁，称为"WESWPR B型 梁")，因此与不带动力肋的B型梁(确认为不带动力肋的B型梁(称 为"WENOPRB型梁"))具有相同重量。结果是壁厚为1.15mm的 (带动力肋)WESWPRB型梁与壁厚为1.23mm的(不带动力肋的) WENOPR B型梁具有相同的重量。我们将WESWPR B型梁和 WENOPR B型梁称为"重量相等B截面"。
图12中的数据将带动力肋的假想WESWPR B型梁(即壁厚 1.15mm，具有l卯KSI拉伸强度的片材)与带有线性竖直前壁的 WENOPRB型梁(没有动力肋，壁厚为1.23mm， 190KSU拉伸强度 材料)比较。特别地，WESWPR B型梁的重量/长度为0.0045kg，实 际最大负载为56.1kN,实际Mmax为12342Nm。 WENOPR B型梁的 重量/长度为0.0045kg，实际最大负载为43.9kN，实际Mm^为9658Nm。 这显示了在超过25mm的大位移时WESWPR B型梁(带动力肋)比 相同重量的WENOPR B型梁(没有动力肋)在实际Mmax上有令人吃 惊的25 0/。或更大的增加。
我们还动态地测试了本发明的B型梁。 一种常用的动态测试已知 为"5mph扁平障碍物物理沖击试验"。这种试验通常是已知的并且对 于汽车保险杠设计领域的普通技术人员不需要进行详细解释。基本上， 车辆模拟带轮雪橇支撑着在一緩沖系统，该系统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。该雪橇在 以5mph运动时撞在一个扁平障碍物上。(或者，雪橇是静止的，摆锤 以5mph速度冲击雪橇/保险杠装置)。在本试验中，雪橇重量("车辆 质量"是1800kg (前面有60%，后面有40% ))另一种常用的动态试 验叫做"10km/h IIHS保险杠障碍物物理沖击(100%梁-障碍物交 叠)"。在该试验中，緩冲B型梁冲击在带有模拟另一保险杠的冲击 结构的障碍物上，再一次，该试验能够被保险杠设计领域的普通技术 人员所理解，因此不需要进行详细的解释以便理解该试验。在我们的 试验中，使用重量同样为1800kg的雪橇。
如上所述，图13是在5mph扁平障碍物物理沖击试验之后带有动力肋33A的B型梁20A和不带动力肋的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. 正如能够看到的，带有动力肋的B型梁20A呈现出没有任何确定弯曲 的分配式冲击区域(见中央区域)。对比而言，带有竖直线性前壁(即 没有动力肋)的B型梁320包括位于其中央的在位置Z2处的确定的 弯曲。尽管在B型梁的表面上存在聚合物能量吸收器，仍然发生该结 果。令人注意的是，聚合物能力吸收器趋向于帮助緩和冲击并扩散应 力。然而，过早弯曲问题仍然发生在不带肋的B型梁中，但是不发生 在带有肋33的B型梁中。
图14显示了数据，它来自在图O所示的梁20A和320上进行的 5mph扁平障碍物物理沖击试验。所述数据显示了 B型梁20A比B型 梁320 (提供110.5kN总负载)提供显著更高的冲击强度(即，大约 129kN的总负载)。同样，具有动力肋的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，而不带动力肋的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以相同的能量被沖击。因此，如数据所显示的，B型 梁20A从其53.8mm的最大后表面突入量回复到大约23mm的永久设 置的已回复最后位置......而B型梁320从其62.2mm的最大后表面突
入量回复到仅仅大约37mm的永久设置。
图15使用了来自图14的数据，但是应用FEA分析进行了修改以 便产生数据，用于在5mph扁平障碍物测试下比较重量相同的B型梁。 在图15中，(应用来自相关FEA模型的数据)带有动力肋的B型梁 20A具有1.15mm的厚材料，并且产生131.6kN的最大负载，前表面 突入量为51.4mm，后表面突入量为26.5mm。相比较而言，不带有肋 的重量相等的B型梁320具有1.23mm厚的材料，但是仅产生110.5kN 的最大负载，前表面突入量为62.2mm,后表面突入量为54.2mm。令 人注意的是，使用与B型梁320相同的质量，B型梁20A的后表面突 入量减少49% 。
同样，图16显示了在10km/hlIHS (高速公路安全保险学会)保险杠障碍物物理冲击测试下，对具有相同壁厚的梁20A和320进行测 试的结果，其中梁与障碍物100。/。交叠。带有动力肋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的最大负载。相比较而言，具有带相同厚度材料的平直 表面的标准B型梁320仅提供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的最大负载。因此，带有动力肋的 B型梁20A再次显著地在性能上超出了不带动力肋(即具有竖直线性 前壁)的B型梁。
总之，我们已经发现与具有横截面(该横截面具有竖直线性前 壁)的类似B型保险杠加强梁相比，带有动力肋的B型保险杠加强梁 的实际沖击强度被极大且显著地改进了 ，所述动力肋在两个管的每一 个上居中地设置在前壁中。具有动力肋的B型梁的改进通过显著地改 进了以下几点而得以显示出来实际抗弯强度增加，实际动态冲击强 度增加，照片显示了在具有动力肋的梁中在失效时分布更广的变形并 且显示了更加分散的应力，实际后表面突入量减小，以及实际前表面 突入量减小。我们总结在B型梁的管上于前壁的未支撑部中添加动 力肋是重要的。因此，B型梁的实际沖击强度在添加动力肋时更接近 理论值。令人吃惊的是，这适于具有管的B型梁，该管的前壁的未支 撑部跨度仅仅为40mm，并且这尤其适于材料厚度为2.2mm或更小(尤 其为1.4mm或者更小)，材料强度大于40 KSI拉伸强度(尤其是80 KSI-190 KSI拉伸强度或更大)，并且肋至少为大约8mm或更优选是 大约10- 15mm。
应当理解在不偏离本发明思想的前提下可以对上述结构进行各 种改变和变型，并且应该进一步理解这些思想旨在被以下权利要求 书所覆盖，除非这些权利要求书由它们的语言明确地陈述相反的意思。
权利要求
1.一种适于连接至车辆前端或后端的保险杠加强梁，其包括加强梁，其由片材形成，并且包括在定位于车辆安装位置时竖直延伸的前壁；两个竖直延伸的后壁；一对竖直间隔开的中间水平壁；顶部和底部水平壁；以及固定到所述后壁上并且适于安装到车辆上的安装托架；所述顶部和底部水平壁与所述中间水平壁以及前壁和后壁相结合，以限定一上部管段以及与所述上部管段间隔开的一下部管段，所述前壁的大部分在横向竖直横截面中是竖直线性的，但包括一纵向延伸的槽状肋，所述槽状肋在所述上部管段和下部管段的至少一个上整体形成在所述前壁的一未受支撑部分中，所述槽状肋用作加强并稳定所述前壁并由此用作总体加强并加固B型的所述加强梁。
2. 如权利要求1所述的保险杠加强梁，其特征在于，所述上部管段和所述下部管段具有一个形成在其中的槽状肋。
3. 如权利要求2所述的保险杠加强梁，其特征在于，在所述上部管段和下部管段的每个中形成一个所述槽状肋。
4. 如权利要求3所述的保险杠加强梁，其特征在于，所述上部管段和下部管段以及相关的所述槽状肋大体具有相同的尺寸和形状。
5. 如权利要求3所述的保险杠加强梁，其特征在于，在顶部的一个所述槽状肋居中地定位在上部管段上。
6. 如权利要求2所述的保险杠加强梁，其特征在于，在所述上部管段和下部管段处于车辆安装位置时，所述上部管段和下部管段每个具有为所述上部管段和下部管段的竖直深度的至少大约1.5倍的水平尺寸。
7. 如权利要求2所述的保险杠加强梁，其特征在于，所述槽状肋每个均具有为相关的上部管段和下部管段的高度的大约33% -50%的竖直尺寸。
8. 如权利要求2所述的保险杠加强梁，其特征在于，所述槽状肋具有大约等于所述槽状肋的高度的深度尺寸。
9. 如权利要求1所述的保险杠加强梁，其特征在于，所述加强梁为弯曲型。
10. —种适于连接至车辆前端或后端的保险杠加强梁，其包括B型加强梁，其由片材形成，并且包括位于两端的车辆连接安装件，还包括在被定位于车辆安装位置时相互间隔开且由一中央腹板连接的上、下部管段，所述加强梁包括前壁，所述前壁具有形成所述上、下部管段的前部的部分，每个所述前壁部分的大部分在一横向竖直横截面中竖直地延伸，但包括纵向延伸的一槽状肋，所述槽状肋在所述上、下部管段上居中地整体形成在所述前壁部分中。
11. 如权利要求10所述的保险杠加强梁，其特征在于，所述中央腹板与所述前壁部分对准。
12. 如权利要求10所述的保险杠加强梁，其特征在于，所述槽状肋的竖直尺寸为所述上、下部管段高度的至少大约33%。
13. 如权利要求1或10所述的保险杠加强梁，其特征在于，所述片材的材料拉伸强度大于80 KSI。
14. 如权利要求13所述的保险杠加强梁，其特征在于，所述片材的拉伸强度大于120KSI。
15. 如权利要求13所述的保险杠加强梁，其特征在于，所述片材的拉伸强度大于120KSI，并且厚度小于大约2.2mm。
16. 如权利要求1或10的保险杠加强梁，其特征在于，所述片材的厚度小于大约1.4mm。
17. 如权利要求1或10所述的保险杠加强梁，其特征在于，所述前壁部分具有大于大约40mm的竖直跨度，并且所述槽状肋限定了大于大约15mm的竖直距离以及大于大约8mm的深度。
18. —种保险杠梁，其包括细长加强梁，其在两端具有车辆连接安装件，并且还弯曲成非线性形状；所述细长加强梁在定位于车辆安装位置时包括上、下部管段以及具有未受支撑部分的前壁，所述未受支撑部分形成所述上、下部管段的前部，并且所述细长加强梁还包括位于每个未受支撑部分中的槽状肋。
19. 一种用于制造B型保险杠加强梁的方法，所述保险杠加强梁适于连接到车辆的前端或后端，所述方法包括以下步骤提供一钢质的片材；将所述片材滚压成型为B型加强梁，所述加强梁包括在定位于车辆安装位置时由中央腹板连接起来的上、下部管段；所述加强梁包括前壁，所述前壁具有形成所述上、下部管段的一部分的部分，其中每个所述前壁部分的大部分在横向竖直横截面中是竖直线性的，但是包括槽状肋，所述槽状肋在所述上下部管段上居中地整体形成在所述竖直的前壁部分中。
20. 如权利要求19所述的方法，其特征在于，滚压成型片材的步骤包括使所述前壁部分形成为具有至少大约40mm的竖直跨度，并且使所述槽状肋形成为限定大于大约8mm的深度。
21. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，形成前壁部分的步骤包括使所述槽状肋形成为每个均限定大于大约15mm的竖直距离。
全文摘要
由片材形成B型梁以包括竖直间隔的上、下部管段，并且在每个管段上于前壁的未支撑部中中央地形成有槽状肋。所述肋用作使前壁坚硬并稳定，从而使得B型梁的实际抗弯强度更接近预期理论值。在一个形式中，所述肋的竖直尺寸大约为管段高度的33％-50％，深度大约为肋高度的50％-100％。在材料小于2.2mm、大于80KSI和/或具有诸如3∶1的大的高度-深度比率时，所述肋特别有效。
文档编号B60R19/02GK101528509SQ200780039524
公开日2009年9月9日 申请日期2007年10月23日 优先权日2006年10月24日
发明者S·C·格拉斯哥, T·J·约翰逊 申请人:沙普公司