БАМПЕРНЫЙ БРУС ДЛЯ АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
BUMPER BAR FOR A VEHICLE AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к бамперному брусу для автотранспортного средства, выполненному из по меньшей мере одного формованного прокаткой стального листа, содержащему верхнюю балку и нижнюю балку, проходящие в поперечном направлении, причем указанная верхняя балка и указанная нижняя балка, каждая, имеют замкнутое поперечное сечение, определяемое передней стенкой, задней стенкой, верхней стенкой и нижней стенкой, причем верхняя стенка и нижняя стенка соединяют переднюю стенку с задней стенкой, каждая из передних стенок верхней балки и нижней балки имеет переднее ребро, проходящее в поперечном направлении и внутрь бамперного бруса.
Изобретение относится также к способу изготовления такого бамперного бруса.
Бамперные брусья, содержащие верхнюю балку и нижнюю балку, известны как бамперные брусья в форме восьмерки, если центральная стенка образует как нижнюю стенку верхней балки, так и верхнюю стенку нижней балки, и как "B-образные" бамперные брусья, если имеется пространство между нижней стенкой верхней балки и верхней стенкой нижней балки. Такие бамперные брусья отличаются высокой прочностью и ударопрочностью благодаря нижней стенке верхней балки и верхней стенке нижней балки, повышая прочность бамперного бруса при сравнительно малой массе и обеспечивая возможность установки бамперного бруса в доступном пространстве на транспортном средстве. В патентных документах US 8716624 и US 2014/0361558, например, раскрываются бамперные брусья в форме восьмерки, а в документе WO 2016/046582, например, раскрывается B-образный бамперный брус.
Бамперный брус должен обладать особыми характеристиками, например, определенной прочностью при проведении испытания с ударом о столб, при котором центральная часть бамперного бруса ударяется в зафиксированное препятствие со скоростью приблизительно 15 км/ч. Более конкретно, бамперный брус должен деформироваться с поглощением энергии, таким образом, чтобы энергия ударного воздействия не передавалась или почти не передавалась на компоненты, расположенные за бамперным брусом на транспортном средстве.
В связи с этим, бамперный брус должен обладать удовлетворительными характеристиками по сопротивляемости пиковой нагрузке, которая должна быть выше заданного порогового значения усилия, испытываемого бамперным брусом во время удара, по минимальной поглощенной энергии после деформации бамперного бруса при заданной величине деформации в результате ударного воздействия, и по сопротивлению разрушению при деформации бамперного бруса, когда к бамперному брусу прикладывается пиковая нагрузка, а также после определенной значительной части деформации, что означает, что бамперный брус должен пластически деформироваться и не разрушаться при определенной величине деформации для обеспечения поглощения энергии при пластической деформации.
При разработке конструкции нового бамперного бруса специалисты стараются получить наилучшие результаты по вышеуказанным трем параметрам, то есть по сопротивляемости пиковой нагрузке, минимальной поглощенной энергии и сопротивлению разрушению. Однако при улучшении одной из этих характеристики другая и/или другие характеристики, как правило, ухудшаются. Например, повышение сопротивляемости бамперного бруса пиковой нагрузке путем изменения его геометрии или повышения его прочности на разрыв, таким образом, чтобы он мог выдерживать более высокую пиковую нагрузку, делает бамперный брус менее деформируемым и повышает вероятность его разрушения до того, как деформация бамперного бруса достигнет заданной величины.
Известен также способ, заключающийся в придании бамперному брусу изогнутой формы в поперечном направлении, с целью получения изогнутого бамперного бруса с улучшенными характеристиками, более совместимого с геометрией транспортного средства. Однако изгиб бамперного бруса может приводить к короблению задних стенок бамперного бруса, образованных плоскими поверхностями больших размеров. Такое коробление приводит к «волнообразованию» на плоских поверхностях, которые, таким образом, после изгиба не остаются плоскими. Это явление выражено тем ярче, чем меньше радиус кривизны бамперного бруса. Такое коробление является проблематичным, так как глубина и высота волн могут быть приблизительно равными или превышать приемлемые производственные допуски. Таким образом, интеграция бамперного бруса с окружающими компонентами, например, с крешбоксами, расположенными на конце бамперного бруса, может быть проблематичной.
Одной из задач изобретения является создание бамперного бруса, обладающего улучшенными рабочими характеристиками и/или качеством.
Для этого, согласно изобретению, предлагается бамперный брус вышеупомянутого типа, в котором по меньшей мере одна из верхней стенки верхней балки, нижней стенки нижней балки, задней стенки верхней балки и задней стенки нижней балки, дополнительно содержит ребро, проходящее в поперечном направлении и внутрь бамперного бруса.
Создание ребра на одной из задних стенок позволяет уменьшить размеры плоских поверхностей, образующих заднюю стенку, на любой стороне ребра, уменьшая высоту плоских поверхностей. Действительно, при увеличенной длине поверхности в направлении по высоте коробление поверхности происходит при меньшем усилии. По сравнению с ситуацией, при которой задняя стенка проходит в одной плоскости, поскольку создание ребра в задней стенке дает возможность уменьшить длину плоских поверхностей в направлении по высоте, коробления плоских поверхностей можно избежать, так как усилие для возникновения коробления больше и остается ниже усилия, прилагаемого к бамперному брусу при его изгибании. Таким образом, благодаря заднему ребру можно избежать коробления задней стенки при изгибании бамперного бруса.
Создание ребра на верхней стенке верхней балки или на нижней стенке нижней балки, помимо устранения вероятности коробления, улучшает рабочие характеристики бамперного бруса по сопротивлению разрушению и сопротивляемости пиковой нагрузке за счет создания дополнительного вида деформации во время ударного воздействия.
Конкретные особенности предлагаемого бамперного бруса раскрыты в п.п. 2-18 формулы изобретения.
Объектом изобретения является также способ изготовления вышеописанного бамперного бруса, включающий в себя этапы, на которых:
обеспечивают наличие стального листа;
формуют валками стальной лист на последовательно расположенных прокатных станциях для получения бамперного бруса, содержащего верхнюю балку и нижнюю балку, проходящие в поперечном направлении, причем указанная верхняя балка и указанная нижняя балка, каждая, имеет замкнутое поперечное сечение, определяемое передней стенкой, задней стенкой, верхней стенкой и нижней стенкой, соединяющей переднюю стенку с задней стенкой, причем каждая из передних стенок верхней балки и нижней балки содержит переднее ребро, проходящее поперечно и по направлению к внутренней части бамперного бруса; при этом по меньшей мере одну из верхней стенки верхней балки, нижней стенки нижней балки, задней стенки верхней балки и задней стенки нижней балки, формуют на по меньшей мере одной из прокатных станций для формирования ребра, проходящего поперечно и по направлению к внутренней части бамперного бруса. Частные особенности предлагаемого способа указаны в п. 20 формулы.
Друге особенности и преимущества изобретения станут ясными после ознакомления с приведенным далее в качестве примера подробным описанием конкретного варианта его осуществления со ссылками на чертежи.
На фиг. 1 показан узел бамперного бруса, содержащий бамперный брус согласно изобретению, вид в перспективе;
на фиг. 2 - вид в разрезе по плоскости II-II на фиг. 1;
на фиг. 3 - вид в разрезе по плоскости III-III на фиг. 1;
на фиг. 4 - бамперный брус согласно другому варианту осуществления изобретения, вид в разрезе;
на фиг. 5 - бамперный брус согласно другому варианту осуществления изобретения, вид в разрезе;
на фиг. 6 - ряд поперечных сечений, поясняющих форму стального листа в ходе каждого этапа формования бамперного бруса, показанного на фиг. 1;
на фиг. 7 - поперечные сечения в увеличенном виде, поясняющие форму стального листа во время этапов 4-7, показанных на фиг. 6; и
на фиг. 8 - график зависимости деформации бамперного бруса, показанного на фиг. 1, от силы, приложенной к бамперному брусу.
Понятие «продольное» соответствует направлению от передней/задней части транспортного средства, а понятие «поперечное» соответствует направлению от левой/правой стороны транспортного средства. Понятия «вверх», «верхний», «нижний» соответствуют направлению по высоте транспортного средства.
На фиг. 1 показан узел бамперного бруса для автотранспортного средства. Такой узел бамперного бруса предназначен для установки перед транспортным средством и/или сзади него для защиты двигательного отсека и кабины транспортного средства в случае ударного воздействия спереди и/или сзади.
Узел бамперного бруса включает в себя бамперный брус 1, проходящий, по существу, в поперечном направлении, и два крешбокса 2, проходящих в продольном направлении, прикрепленных к бамперному брусу 1 рядом с каждым из его поперечных концов 4. На конце каждого крешбокса 2 напротив бамперного бруса 1 расположена крепежная пластина 6, предназначенная для прикрепления узла бамперного бруса к кузову транспортного средства, например, к продольным направляющим транспортного средства. Размеры бамперного бруса 1 выбирают таким образом, чтобы он проходил по большей части ширины транспортного средства в поперечном направлении. В рассматриваемом варианте осуществления длина бамперного бруса 1 немного больше расстояния между двумя продольными направляющими транспортного средства и составляет, например, 70% ширины транспортного средства.
Бамперный брус 1 имеет дугообразную форму в поперечном направлении, что означает, что бамперный брус 1 изогнут так, что его центральная часть 8 выступает наружу от транспортного средства больше, чем поперечные концы 6 бамперного бруса 1. Это означает, что выпуклая часть бамперного бруса обращена наружу от транспортного средства, а вогнутая часть бамперного бруса обращена в сторону внутренней части транспортного средства. Радиус кривизны бамперного бруса 1 может быть, например, меньше или равным 4000 мм и может составлять, например, от 2000 мм до 4000 мм. Радиус кривизны бамперного бруса может быть как постоянным, так и изменяться в поперечном направлении.
Бамперный брус 1 получают путем формования валками стального листа 10 (фиг. 6); иными словами, стальной лист складывается и изгибается с приданием ему заданной формы, как будет более подробно показано далее. Более конкретно, стальной лист 10 профилируется с приданием ему требуемой формы. Стальной лист 10 изготовлен из стали с прочностью на разрыв, которая больше или равна 980 МПа, например, больше 1500 МПа или больше 1700 МПа. Такая сталь может содержать, например, по меньшей мере 35% мартенсита или бейнита. Согласно варианту осуществления, эта стать может представлять собой, например, полностью мартенситную сталь с прочностью на разрыв 1500 МПа. На эту сталь может быть нанесено покрытие, например, на основе цинка или алюминия. Сталь может быть оставлена и без покрытия. Толщина стального листа 10 составляет от 0,8 мм до 1,5 мм, например, около 1 мм. С целью формирования частей бамперного бруса 1 различной толщины, толщина стального листа не обязательно является постоянной.
Стальной лист 10 складывается таким образом, что бамперный брус 1 содержит верхнюю балку 12 и нижнюю балку 14, каждая из которых проходит в поперечном направлении, верхняя балка 12 расположена над нижней балкой 14 в направлении по высоте транспортного средства.
Верхняя балка 12 содержит переднюю стенку 16, обращенную наружу от транспортного средства, заднюю стенку 18, по существу, параллельную передней стенке 16 и обращенную внутрь транспортного средства, и верхнюю стенку 20, соединяющую верхний край передней стенки 16 с верхним краем задней стенки 18.
Нижняя балка 14 содержит переднюю стенку 22, обращенную наружу от транспортного средства, заднюю стенку 24, по существу, параллельную передней стенке 22 и обращенную внутрь транспортного средства, и нижнюю стенку 26, соединяющую нижний край передней стенки 22 с нижним краем задней стенки 24.
Согласно первому варианту выполнения, показанному на фиг. 1-3, бамперный брус 1 содержит также центральную стенку 28, соединяющую передние стенки 16, 22 с задними стенками 18, 24 верхней и нижнего балок 12, 14 и проходящую между верхней стенкой 20 верхней балки 12 и нижней стенкой 26 нижней балки 14. Таким образом, центральная стенка 28 является одновременно нижней стенкой верхней балки 12 и верхней стенкой нижней балки 14, и является общей для верхней и нижней балок 12, 14, как показано на фиг. 2 и 3.
Согласно второму варианту выполнения, показанному на фиг. 4 и 5, верхняя балка 12 содержит нижнюю стенку 27, а нижняя балка 14 содержит верхнюю стенку 29, отделенную от нижней стенки 27 верхней балки 12. Нижняя стенка 27 верхней балки 12 отделена от верхней стенки 29 нижней балки 14 пространством 31.
Передняя стенка 16 верхней балки 12 и передняя стенка 22 нижней балки 14 расположены, по существу, в одной плоскости, и задняя стенка 18 верхней балки 12 и задняя стенка 24 нижней балки расположены, по существу, в одной плоскости, параллельной плоскости, в которой лежат передние стенки 16, 22. В установленном состоянии плоскости передних стенок 16, 22 и задних стенок 18, 24 являются плоскостями, содержащими вертикальное и поперечное направления, по существу, соответствующими вертикальным плоскостям. Расстояние между передними стенками 16, 22 и задними стенками 18, 24 может составлять, например, около 30 мм.
Верхняя стенка 20 верхней балки 12 и нижняя стенка 26 нижней балки 14 могут быть, например, по существу, параллельными друг другу, и, например, по существу, перпендикулярными плоскостям передних стенок 16, 22 и задних стенок 18, 24. В установленном состоянии плоскости верхней стенки 20 и нижней стенки 26 являются плоскостями, содержащими продольное и поперечное направление, по существу, соответствующими горизонтальным плоскостям. Расстояние между верхней стенкой 20 верхней балки 12 и нижней стенкой 26 нижней балки 14 может составлять, например, около 120 мм.
Согласно первому варианту осуществления, центральная стенка 28 проходит, по существу, на одном и том же расстоянии от верхней стенки 20 верхней балки 12 и от нижней стенки 26 нижней балки 14, так что верхняя балка 12 и нижняя балка 14 имеют, по существу, одинаковые размеры и одинаковую форму поперечного сечения. Как вариант, центральная стенка 28 может быть расположена на разных расстояниях от верхней стенки 20 и нижней стенки 26, таким образом, что одно из поперечных сечений верхней балки 12 и нижней балки 14 может быть больше другого.
Таким образом, как показано на фиг. 2 и 3, согласно первому варианту осуществления, бамперный брус 1 имеет форму поперечного сечения по плоскости, перпендикулярной поперечному направлению, в виде восьмерки. Однако бампер может иметь и другие формы поперечного сечения, например, если передняя и задняя стенки и/или верхняя и нижняя стенки будут не параллельны друг другу.
В предпочтительном способе выполнения бампера по первому варианту осуществления центральная стенка 28 содержит по меньшей мере одно изменение плоскости между передними стенками 16, 22 и задними стенками 18, 24, что означает, что центральная стенка 28 проходит по меньшей мере в двух разных плоскостях. Центральная стенка 28 содержит переднюю часть 30, соединенную с передними стенками 16, 22, заднюю часть 32, соединенную с задними стенками 18, 24, и центральную часть 34, соединяющую переднюю часть 30 с задней частью 32. Центральная часть 34 расположена в плоскости, отличной от плоскости, в которой расположена передняя часть 30 и/или задняя часть 32. В варианте выполнения, показанном на фиг. 2 и 3, передняя часть 30 расположена в первой плоскости, задняя часть 32 расположена во второй плоскости, и центральная часть 34 расположена в третьей плоскости. Первая и вторая плоскости, по существу, параллельны друг другу и перпендикулярны плоскостям передних стенок 16, 22 и задних стенок 18, 24. Третья плоскость расположена между первой плоскостью и второй плоскостью с наклоном относительно первой плоскости и второй плоскости. Например, третья плоскость может быть расположена с наклоном под углом α, составляющим от 10° до 170°, к первой и второй плоскостям. В данном примере угол α составляет от 30° до 60°. Таким образом, центральная часть 34 образует ступень в центральной стенке 28. При деформации бамперного бруса во время удара эта ступень центральной стенки разделяет центральную стенку на две части, проходящие в двух разных плоскостях, что, таким образом, задерживает коробление этих двух частей. Действительно, усилие, вызывающее коробление поверхности, становится меньше при увеличении длины поверхности в продольном направлении, в котором направлено усилие, воздействующее на бамперный брус во время удара. По сравнению с центральной стенкой, проходящей в одной плоскости, поскольку наличие ступени в центральной стенке дает возможность уменьшить длину поверхности первой и второй частей центральной стенки в продольном направлении, коробление первой и второй частей задерживается, поскольку для образования коробления требуется большее усилие. Задержка коробления позволяет сохранять полое пространство верхней балки 12 и нижней балки 14 при большей величине деформации, что повышает характеристики бамперного бруса по поглощаемой энергии при ударном воздействии.
Центральная часть 34 соединена с передней частью 30 и задней частью 32 скругленными участками 36, т.е. криволинейными участками, образующими переходы между первой плоскостью и третьей плоскостью и между третьей плоскостью и второй плоскостью. Радиус кривизны скругленных участков 36 больше или равен 0,5 толщины стального листа 10. В рассматриваемом примере радиус кривизны скругленных участков 36 больше или равен двукратной толщине стального листа 10. В вышеупомянутом примере радиус кривизны скругленных участков 36, таким образом, больше или равен величине от 1,6 мм до 3 мм, в зависимости от толщины стального листа 10.
Первая часть 30, например, может проходить на высоте, отличной от высоты второй части 32, то есть расстояние между первой частью 30 и верхней стенкой 20 верхней балки 12, и, соответственно, нижней стенкой 26 нижней балки 14, отличается от расстояния между второй частью 32 и верхней стенкой 20 верхней балки 12, и, соответственно, нижней стенкой 26 нижней балки 14. Согласно варианту выполнения, показанному на фиг. 2 и 3, первое расстояние между первой частью 30 и верхней стенкой 20 верхней балки 12 меньше второго расстояния между второй частью 32 и верхней стенкой 20 верхней балки 12, что означает, что когда бамперный брус находится в установленном состоянии, первая часть 30 проходит выше второй части 32. Согласно варианту осуществления, разница между первым расстоянием и вторым расстоянием составляет меньше 1/3 расстояния, отделяющего верхнюю стенку 20 верхней балки 12 от нижней стенки 26 нижней балки 14, т.е. меньше 40 мм, согласно описанному выше примеру. Согласно варианту осуществления, разница между первым расстоянием и вторым расстоянием, соответствующая расстоянию между первой плоскостью и второй плоскостью, составляет приблизительно 10 мм.
Первая часть 30 соединена с передней стенкой 16 верхней балки 12 скругленным передним концом 38, а вторая часть 32 соединена с задней стенкой 24 нижней балки 14 скругленным задним концом 40. Как и скругленные участки 36 между центральной частью 36 и передней и задней частями 30, 32, радиус кривизны скругленных переднего и заднего концов 38, 40 больше или равен 0,5 толщины стального листа 10. В рассматриваемом примере радиус кривизны скругленных концов 38, 40 больше или равен двукратной толщине стального листа 10.
Согласно варианту выполнения, показанному на фиг. 1 и 2, центральная стенка 28 имеет центр симметрии, расположенный в центре центральной стенки в продольном направлении.
Центральная стенка 28, расположенная, по существу, в центре бамперного бруса 1, повышает сопротивляемость бамперного бруса 1. Следовательно, бамперный брус 1 может сопротивляться большей пиковой нагрузке во время удара. Кроме того, ступень, образуемая центральной частью 34, во время удара задерживает коробление поверхностей, проходящих в одной плоскости, что обеспечивает бамперному брусу 1 возможность поглощать большее количество энергии при его деформации и уменьшает вероятность разрушения в процессе деформации, как было указано выше. Таким образом, центральная стенка 28 повышает рабочие характеристики бамперного бруса.
На схеме, приведенной на фиг. 8, показана зависимость величины деформации бамперного бруса от прикладываемого усилия; пиковая нагрузка обозначена величиной «Ep» по оси ординат. Величина деформации, при которой все еще продолжается поглощение минимального количества энергии без разрушения бамперного бруса, обозначена величиной «Em» по оси абсцисс. Это может быть достигнуто посредством центральной стенки 28, выполненной согласно рассмотренному выше варианту осуществления изобретения, поскольку при наличии такой центральной стенки можно, например, задержать коробление центральной стенки 28 на время от 10 мс до 20 мс при фронтальном ударе в бамперный брус на скорости 15 км/ч.
Следует иметь в виду, что формы центральной стенки 28 могут быть разными. Согласно примеру, первая и вторая части 30, 32 центральной стенки могут проходить в одной плоскости, а центральная часть 34 может проходить более чем в одной плоскости. Передний конец 38 может быть соединен с передней стенкой 22 нижней балки 14, а задний конец 40 может быть соединен с задней стенкой 18 верхней балки 12. Первая часть 30 может проходить на высоте, меньшей, чем высота, на которой располагается вторая часть 32.
Стальной лист 10 проходит от первого края 42 до второго края 44, как показано на фиг. 4. В процессе формирования бамперного бруса 1 первый край 42 прикрепляется к передней стенке 16 верхней балки 12 и закрывает скругленный передний конец 38 центральной стенки 28, а второй край 44 прикрепляется к задней стенке 24 нижней балки 14 и закрывает скругленный задний конец 40 центральной стенки 28. Таким образом, первый и второй края 42 и 44 замыкают поперечные сечения верхней и нижней балок 12, 14. Первый и второй края 42, 44 расположены в плоскостях, параллельных плоскостям передних стенок 16, 22 и задних стенок 18, 24 так, что когда края прикрепляются к передней и задней стенкам, плоские поверхности соединяются друг с другом. Это упрощает операцию замыкания поперечных сечений. Например, если первый и второй края 42, 44 посредством сварки прикрепляются к передней и задней стенкам 16, 24, то сварку плоских поверхностей осуществить легче, чем сварку криволинейных поверхностей. Предпочтительно, применяется лазерная сварка.
Согласно второму варианту осуществления, расстояние от верхней стенки 20 до нижней стенки 27 верхней балки 12, по существу, равно расстоянию от верхней стенки 29 до нижней стенки 26 нижней балки 14, так что верхняя балка 12 и нижняя балка 14 имеют, по существу, одинаковые размеры и одинаковую форму поперечного сечения. Согласно варианту, расстояние от верхней стенки 20 до нижней стенки 27 верхней балки 12 и расстояние от верхней стенки 29 до нижней стенки 26 нижней балки 14 могут быть разными, так что поперечное сечение одной из верхней и нижней балок 12, 14 может быть больше или меньше поперечного сечения другой из этих балок.
Пространство 31 проходит, по существу, в продольном направлении от плоскости задних стенок 18, 24 к плоскости передних стенок 16, 22, т.е. пространство 31 проходит, по существу, по всей ширине бамперного бруса в продольном направлении. В направлении по высоте пространство 31, например, может иметь высоту, по существу, от 1/3 до 1/2 высоты одной из задних стенок 18, 24. Пространство 31 ограничено соединительной стенкой 46, проходящей между нижней стенкой 27 верхней балки 12 и верхней стенкой 20 нижней балки 14, причем соединительная стенка 46 проходит, по существу, в той же плоскости, в которой расположены передние стенки 16, 22. В плоскости задних стенок 18, 24 пространство 31 открывается наружу бамперного бруса 1.
Таким образом, как показано на фиг. 4 и 5, согласно второму варианту осуществления, бамперный брус 1 имеет B-образную форму поперечного сечения по плоскости, перпендикулярной поперечному направлению. Однако бампер может иметь и другие формы поперечного сечения, например, если передняя и задняя стенки и/или верхняя и нижняя стенки будут не параллельны друг другу. Форма поперечного сечения может быть другой также, например, в случае если будет выполнен изгиб в соединительной стенке 46.
Согласно варианту, показанному на фиг. 4, нижняя стенка 27 верхней балки 12 и верхняя стенка 29 нижней балки 14, по существу, плоские и, по существу, параллельны одна другой или слегка расходятся друг от друга в направлении к задним стенкам 18, 24.
Согласно предпочтительному способу осуществления второго варианта, показанному на фиг. 5, каждая из нижней стенки 27 верхней балки 12 и верхней стенки 29 нижней балки 14 содержит по меньшей мере одно изменение плоскости между соответствующей передней стенкой 16, 22 и соответствующей задней стенкой 18, 24, т.е. каждая из нижней стенки 27 верхней балки 12 и верхней стенки 29 нижней балки 14 проходит в по меньшей мере двух разных плоскостях. Каждая из нижней стенки 27 верхней балки 12 и верхней стенки 29 нижней балки 14 содержит переднюю часть 48, соединенную с соответствующей передней стенкой 16, 22, заднюю часть 50, соединенную с соответствующей задней стенкой 18, 24, и центральную часть 52, соединяющую переднюю часть 48 с задней частью 50. Центральная часть 52 проходит в плоскости, отличной от плоскости, в которой проходит передняя часть 48 и/или задняя часть 50. В варианте выполнения, показанном на фиг. 5, каждая передняя часть 48 проходит в первой плоскости, каждая задняя часть 50 проходит во второй плоскости, и каждая центральная часть 52 проходит в третьей плоскости. Первая и вторая плоскости, по существу, параллельны друг другу и перпендикулярны плоскостям передних стенок 16,22 и задних стенок 18, 24. Третья плоскость расположена между первой плоскостью и второй плоскостью с наклоном относительно первой плоскости и второй плоскости. Например, третья плоскость может быть расположена с наклоном под углом α, составляющим от 10° до 170°, к первой и второй плоскостям. В данном примере угол α составляет от 30° до 60°. Таким образом, центральная часть 52 образует ступень как в нижней стенке 27 верхней балки 12, так и в верхней стенке 29 нижней балки 14. При деформации бамперного бруса во время удара ступень в нижней стенке 27 верхней балки 12 и в верхней стенке 29 нижней балки 14 делит эти стенки на две части, проходящие в разных плоскостях, что, таким образом, задерживает коробление этих двух частей. Действительно, усилие, вызывающее коробление поверхности, становится меньше при увеличении длины поверхности в продольном направлении, в котором направлено усилие, воздействующее на бамперный брус во время удара. По сравнению со стенками, проходящими в одной плоскости, поскольку наличие ступени в центральной стенке дает возможность уменьшить длину поверхности первой и второй частей нижней стенки 27 верхней балки 12 и верхней стенки 29 нижней балки 14 в продольном направлении, коробление первой и второй частей задерживается, поскольку для образования коробления требуется большее усилие. Задержка коробления позволяет сохранять полое пространство верхней балки 12 и нижней балки 14 при большей величине деформации, что повышает характеристики бамперного бруса по поглощаемой энергии при ударном воздействии. Каждая центральная часть 52 соединена с соответствующей передней частью 48 и соответствующей задней частью 50 скругленными участками 54, т.е. криволинейными участками, образующими переходы между первой плоскостью и третьей плоскостью и между третьей плоскостью и второй плоскостью. Радиус кривизны скругленных участков 54 больше или равен 0,5 толщины стального листа 10. В рассматриваемом примере, радиус кривизны скругленных участков 54 больше или равен двукратной толщине стального листа 10. В вышеупомянутом примере, радиус кривизны скругленных участков 54, таким образом, больше или равен величине от 1,6 мм до 3 мм, в зависимости от толщины стального листа 10.
Первая часть 48, например, проходит на высоте, отличной от высоты, на которой проходит вторая часть 50. Для нижней стенки 27 верхней балки 12 это означает, что расстояние между первой частью 48 и верхней стенкой 20 верхней балки 12 отличается от расстояния между второй частью 50 и верхней стенкой 20 верхней балки 12. Согласно варианту выполнения, показанному на фиг. 5, первое расстояние между первой частью 48 нижней стенки 27 и верхней стенкой 20 верхней балки 12 больше расстояния между второй частью 50 нижней стенки 27 и верхней стенкой 20 верхней балки 12. Для верхней стенки 29 нижней балки 14 это означает, что расстояние между первой частью 48 и нижней стенкой 26 нижней балки 14 отличается от расстояния между второй частью 50 и нижней стенкой 26 нижней балки 14. Согласно варианту выполнения, показанному на фиг. 5, первое расстояние между первой частью 48 верхней стенки 29 и нижней стенкой 26 нижней балки 14 больше расстояния между второй частью 50 верхней стенки 29 и нижней стенкой 26 нижней балки 14. Таким образом, согласно варианту выполнения, показанному на фиг. 5, расстояние между первыми частями 48 нижней стенки 27 верхней балки 12 и верхней стенкой 29 нижней балки 14 меньше расстояния между вторыми частями 50 нижней стенки 27 верхней балки 12 и верхней стенкой 29 нижней балки 14. Это означает, что третьи плоскости центральных частей 52 нижней стенки 27 верхней балки 12 и верхней стенки 29 нижней балки 14 являются расходящимися плоскостями. Согласно возможному варианту осуществления, разница между первым расстоянием и вторым расстоянием составляет меньше 1/3 расстояния, отделяющего верхнюю стенку 20 верхней балки 12 от нижней стенки 26 нижней балки 14. Согласно варианту осуществления, разность между первым расстоянием и вторым расстоянием может составлять, например, от толщины стального листа до 15 мм, например, около 6 мм.
Первая часть 48 нижней стенки 27 верхней балки 12 соединена с передней стенкой 16 верхней балки 12 скругленным передним концом 56, а вторая часть 50 соединена с задней стенкой 18 верхней балки 12 скругленным задним концом 58. Первая часть 48 верхней стенки 29 нижней балки 14 соединена с передней стенкой 22 нижней балки 14 скругленным передним концом 60, а вторая часть 50 соединена с задней стенкой 24 нижней балки 14 скругленным задним концом 62. Как и скругленные участки 54 между центральной частью 52 и передней и задней частями 48, 50, радиус кривизны скругленных переднего и заднего концов 56, 58, 60, 62 больше или равен 0,5 толщины стального листа 10. В рассматриваемом примере, радиус кривизны скругленных концов 56, 58, 60, 62 больше или равен двукратной толщине стального листа 10.
Согласно варианту выполнения, показанному на фиг. 5, центры симметрии нижней стенки 27 верхней балки 12 и верхней стенки 29 нижней балки 14 расположены в соответствующих центрах указанных стенок в продольном направлении.
Нижняя стенка 27 верхней балки 12 и верхняя стенка 29 нижней балки 14, проходящие, по существу, в центре бамперного бруса 1, повышают сопротивление бамперного бруса 1 усилию, воздействующему на бамперный брус 1 во время удара. Следовательно, бамперный брус 1 может поглощать большее максимальное усилие, воздействующее во время удара. Кроме того, ступени, образуемые центральными частями 52, во время удара задерживают коробление поверхностей, проходящих в одной плоскости, что обеспечивает бамперному брусу 1 возможность поглощать большее количество энергии при его деформации и уменьшает вероятность разрушения в процессе деформации, как было указано выше. Таким образом, нижняя стенка 27 верхней балки 12 и верхняя стенка 29 нижней балки 14 улучшают рабочие характеристики бамперного бруса.
Следует иметь в виду, что формы нижней стенки 27 верхней балки 12 и верхней стенки 29 нижней балки 14 могут быть разными. В рассматриваемом примере, первая и вторая части 48, 50 нижней стенки 27 верхней балки 12 и верхняя стенка 29 нижней балки 14 могут располагаться в одной плоскости, а центральная часть 52 может находиться в более чем одной плоскости. Расстояние между первыми частями 48 нижней стенки 27 верхней балки 12 и верхней стенки 29 нижней балки 14 может быть больше расстояния между вторыми частями 50 нижней стенки 27 верхней балки 12 и верхней стенки 29 нижней балки 14. Поперечные сечения верхней балки 12 и нижней балки 14 могут отличаться друг от друга.
Согласно вариантам выполнения, показанным на фиг. 4 и 5, первый край 42 и второй край 44 стального листа 10 присоединены к соединительной стенке 46 с целью замыкания поперечных сечений верхней балки 12 и нижней балки 14. Первый край 42 закрывает скругленный передний конец 56 между нижней стенкой 27 верхней балки 12, а второй край 44 закрывает скругленный передний конец 60 между верхней стенкой 29 нижней балки 14. Первый и второй края 42, 44 проходят в одной и той же плоскости, параллельной плоскости соединительной стенки 46, таким образом, что когда указанные края прикрепляются к соединительной стенке, плоские поверхности соединяются друг с другом. Это упрощает операцию замыкания поперечных сечений. Например, если первый и второй края 42, 44 посредством сварки прикрепляют к соединительной стенке 46, то сварку плоских поверхностей осуществить легче, чем сварку криволинейных поверхностей. Предпочтительно, применяется лазерная сварка.
Согласно вышеописанным первому и второму вариантам осуществления, передние стенки 16, 22 верхней и нижней балок 12, 14, каждая, содержат переднее ребро 64, проходящее в поперечном направлении по всей длине бамперного бруса 1. Каждое переднее ребро 64 имеет форму канавки или канала, проходящего от передней стенки по направлению к внутренней части бамперного бруса, т.е. внутрь поперечного сечения бамперного бруса по направлению к задней стенке, расположенной напротив передней стенки, в которой выполнено указанное переднее ребро 64. Как известно, такие передние ребра 64 увеличивают сопротивление ударной нагрузке верхней и нижней балок 12, 14, обеспечивая бамперному брусу 1 возможность выдерживать максимальное усилие во время удара. Каждое переднее ребро 64 имеет дугообразную форму. Согласно варианту осуществления, радиус кривизны каждого переднего ребра 64 больше или равен 0,5 толщины стального листа 10. В рассматриваемом примере, радиус кривизны каждого переднего ребра 64 больше или равен двукратной толщине стального листа 10. Каждое переднее ребро 64 проходит, по существу, по центру передней стенки 16, 22 в направлении по высоте. Согласно варианту осуществления, высота переднего ребра 64, т.е. размер переднего ребра в направлении по высоте, составляет от 10% до 50% высоты передней стенки, на которой расположено переднее ребро. Высота переднего ребра может составлять, например, от 10 мм до 30 мм. Глубина переднего ребра 64, т.е. размер ребра в продольном направлении, составляет от 0,1 до 1/3 расстояния между передней стенкой, по которой проходит данное ребро, до задней стенки, расположенной напротив передней стенки. Глубина переднего ребра может составлять, например, от 3 мм до 10 мм. В конкретном примере, высота ребра равна глубине ребра. Переднее ребро 64, проходящее по передней стенке 16 верхней балки 12, например, может быть, по существу, идентичным переднему ребру 64, проходящему по передней стенке 22 нижней балки 14. Согласно различным вариантам осуществления, по меньшей мере одна из указанных верхней стенки 20 верхней балки 12, нижней стенки 26 нижней балки 14, задней стенки 18 верхней балки 12 и задней стенки 24 нижней балки 14, дополнительно содержит ребро, проходящее в поперечно и по направлению к внутренней части бамперного бруса 1. Определение «поперечно и по направлению к внутренней части» следует понимать в том смысле, что ребро углубляется внутрь поперечного сечения бамперного бруса.
Согласно варианту осуществления, являющемуся предпочтительным в случае, если задние стенки 18, 24 имеют значительную высоту, задние стенки 18, 24 верхней и нижней балок 12, 14, каждая, содержат заднее ребро 66, проходящее в поперечном направлении по всей длине бамперного бруса 1, как показано на фиг. 2 и 3 Каждое заднее ребро 66 выполнено в форме канавки или канала, углубленного относительно задней стенки по направлению к внутренней части бамперного бруса, т.е. внутрь поперечного сечения бамперного бруса по направлению к передней стенке, расположенной напротив задней стенки, в которой выполнено указанное заднее ребро 66. Следует отметить, что задние ребра 66 имеются в бамперном брусе 1 по первому варианту осуществления, но задние ребра 66 также могут быть выполнены и в бамперном брусе 1 по второму варианту осуществления.
Задние ребра 66 выполнены для улучшения производства бамперного бруса 1 с целью получения бамперного бруса улучшенного качества. Как было указано выше, бамперный брус 1 является изогнутым, и внутренняя поверхность проходит по стороне задних стенок 18, 24 бамперного бруса 1. Большие плоские поверхности на стороне внутренней поверхности, такие как поверхности, образуемые задними стенками 18, 24 без ребер, в большей степени подвержены короблению при изгибании бамперного бруса 1, выполняемом с целью изгиба бамперного бруса 1 в поперечном направлении. Такое коробление приводит к «волнообразованию» на плоских поверхностях, которые, таким образом, после изгиба не остаются плоскими. Это явление выражено тем ярче, чем меньше радиус кривизны бамперного бруса. Как было указано ранее, такое коробление является проблематичным в плане интеграции бамперного бруса с окружающими компонентами и прикрепления крешбоксов.
Выполнение ребер 66 на задних стенках 18, 24 позволяет уменьшить размеры плоских поверхностей, образующих задние стенки 18, 24, путем уменьшения высоты плоских поверхностей в направлении по высоте. Таким образом, благодаря задним ребрам 66 можно избежать коробления задних стенок 18, 24 при изгибании бамперного бруса. Действительно, при увеличенной длине поверхности в направлении по высоте коробление поверхности происходит при меньшем усилии. Поскольку создание ребра в задней стенке дает возможность уменьшить длину плоских поверхностей в направлении по высоте, коробления плоских поверхностей можно избежать, так как усилие для возникновения коробления больше и остается ниже усилия, прилагаемого к бамперному брусу при его изгибании.
В связи с этим, высоту и положение каждого заднего ребра 66 на задней стенке выбирают таким образом, чтобы плоские поверхности 68, проходящие с любой стороны от заднего ребра 66, имели высоту, недостаточную для возникновения коробления при изгибании бамперного бруса. Например, высота каждой плоской поверхности 68 может быть не более 1/2 высоты задней поверхности, на которой выполнено данное заднее ребро 66. Каждое заднее ребро 66, например, проходит, по существу, по центру задней стенки 18, 24 в направлении по высоте. Высота каждого заднего ребра 66 составляет, например, от 1/3 до 1/2 высоты передней стенки, по которой проходит данное переднее ребро. Для задних поверхностей, имеющих бóльшую высоту, может быть целесообразным выполнять более одного заднего ребра на указанных задних поверхностях с целью ограничения высоты каждой плоской поверхности указанных задних поверхностей, чтобы можно было избежать коробления задних поверхностей при изгибании бамперного бруса 1. Согласно варианту осуществления, задние ребра 66 выполнены таким образом, что высота каждой плоской поверхности меньше или равна 30 мм.
Каждое заднее ребро 66 имеет дугообразную форму. Согласно варианту осуществления, радиус кривизны каждого заднего ребра больше или равен 0,5 толщины стального листа 10. В рассматриваемом примере, радиус кривизны каждого заднего ребра больше или равен двукратной толщине стального листа 10. Глубина каждого заднего ребра может быть больше или равна 0,5 толщины стального листа 10, в зависимости от желаемой геометрии задней стенки. Согласно варианту осуществления, глубина может быть такой, что заднее ребро 66 будет доходить до передней стенки, расположенной напротив задней стенки, на которой выполнено данное заднее ребро, или до переднего ребра 64, в случае, если заднее ребро 66 расположено напротив переднего ребра 64. Согласно варианту выполнения, представленному на чертежах, глубина задних ребер 66 меньше глубины передних ребер 64. Задние ребра 66 могут быть расположены напротив передних ребер 64, или могут быть смещены относительно передних ребер 64 в направлении по высоте.
Кроме того, заднее ребро 66, проходящее поперечно и по направлению к внутренней части бамперного бруса, снижает риск перфорации радиатора, которая может происходить в случае, если ребро проходит поперечно и наружу от бамперного бруса, например, при ударном воздействии бамперного бруса на радиатор.
Согласно варианту осуществления, который может быть альтернативным, или может быть использован в комбинации с вышеописанными вариантами осуществления, верхняя стенка 20 верхней балки 12 и/или нижняя стенка 26 нижней балки 14 содержит усиливающее ребро 70, проходящее в поперечном направлении по всей длине бамперного бруса 1. Следует отметить, что усиливающие ребра 70 имеются в бамперном брусе 1 по второму варианту осуществления, но задние ребра 70 также могут быть выполнены и в бамперном брусе 1 по первому варианту осуществления.
Усиливающее ребро 70 проходит поперечно и по направлению к внутренней части бамперного бруса.
Усиливающее ребро 70 оказывает, по существу, такое же влияние, что и передние ребра 64, и улучшает рабочие характеристики бамперного бруса 1. Кроме того, Усиливающее ребро 70 может быть предпочтительным для предотвращения коробления верхней стенки 20 верхней балки 12 и/или нижней стенки 26 нижней балки 14. Усиливающее ребро 70 имеет дугообразную форму. Согласно варианту осуществления, радиус кривизны усиливающего ребра 70 больше или равен 0,5 толщины стального листа 10. В рассматриваемом примере, радиус кривизны усиливающего ребра 70 больше или равен двукратной толщине стального листа 10. Глубина каждого усиливающего ребра 70, т.е. размер усиливающего ребра 70 в направлении по высоте, может быть больше или равна 0,5 толщины стального листа 10, в зависимости от желаемой геометрии стенки, по которой проходит указанное ребро. Однако усиливающее ребро 70, предпочтительно, не должно взаимодействовать с передними и/или задними ребрами, центральной стенкой 28, нижней стенкой 27 верхней балки 12 или верхней стенкой 29 нижней балки 14. Согласно варианту осуществления, глубина усиливающего ребра 70 составляет менее 1/3 общей высоты бамперного бруса 1. Усиливающее ребро, например, может проходить в продольном направлении по центру стенки, на которой проходит указанное ребро. Усиливающее ребро 70 позволяет улучшить характеристики бамперного бруса 1 по сопротивлению разрушению и по поглощению максимального усилия за счет создания дополнительного вида деформации.
В варианте выполнения, показанном на фиг. 1 и 3, бамперный брус 1 дополнительно содержит усиливающий элемент 72, который также может быть применен в бамперном брусе 1 согласно второму варианту осуществления; усиливающий элемент 72 выполнен из другого формованного валками или штампованного стального листа, прикрепленного к верхней стенке 20 верхней балки 12 и нижней стенке 26 нижней балки, и расположен перед передними стенками 16, 22. Усиливающий элемент 72 проходит в поперечном направлении по меньшей мере по части бамперного бруса 1 для образования ударной поверхности спереди, по меньшей мере, части передних стенок 16, 22. Усиливающий элемент 72 образует с передними стенками 16, 22 по меньшей мере одну полость 74, которая проходит между передними стенками 16, 22 и усиливающим элементом 72. В варианте выполнения, показанном на чертежах, усиливающий элемент 72 содержит верхнюю стенку 76, которая совместно с передней стенкой 16 верхней балки 12 образует верхнюю полость 74a, и нижнюю стенку 78, которая совместно с передней стенкой 22 нижней балки 14 образует нижнюю полость 74b. Усиливающий элемент 72 содержит также центральную стенку 80, расположенную между верхней стенкой 76 и нижней стенкой 78; центральная стенка 80 расположена вплотную к передним стенкам 16, 22 напротив центральной стенки 28 бамперного бруса 1 или напротив нижней стенки 27 верхней балки 12 и верхней стенки 29 нижней балки 14. Усиливающий элемент 72 может содержать ребра 82, проходящие в поперечном направлении по верхней стенке 76 и/или по нижней стенке 78.
Усиливающий элемент 72 позволяет улучшить поглощение энергии бамперным брусом 1 за счет создания дополнительной деформируемой конструкции, расположенной перед бамперным брусом 1. С этой целью, усиливающий элемент 72, предпочтительно, проходит в местах, где требуется поглощение дополнительной энергии, и где имеется дополнительное пространство в продольном направлении перед бамперным брусом 1, так как усиливающий элемент 72 увеличивает поперечное сечение бамперного бруса в продольном направлении. Например, усиливающий элемент 72 может проходить в поперечном направлении в центральной части бамперного бруса 1, на которую приходится большая часть энергии удара при полностью фронтальном столкновении с транспортным средством. Произведение величины поперечного сечения полости 74 на прочность на разрыв стали, из которой выполнен усиливающий элемент 72, и на толщину стального листа, из которого выполнен усиливающий элемент, должно быть меньше произведения поперечного сечения бамперного бруса 1 без усиливающего элемента 1 на прочность на разрыв стали, из которой выполнен бамперный брус, и на толщину стального листа, чтобы бамперный брус с усиливающим элементом 72 локально поглощал большее количество энергии, чем остальные части бамперного бруса. Например, усиливающий элемент может быть выполнен из более вязкой стали, чем сталь бамперного бруса.
В рассматриваемом примере, усиливающий элемент занимает пространство от 10% до 2/3 длины бамперного бруса 1 в поперечном направлении, а полость 74 имеет поперечное сечение, по существу, равное 1/3 поперечного сечения бамперного бруса без усиливающего элемента в продольном направлении. Усиливающий элемент 72, например, может быть выполнен из двухфазной стали с прочностью на разрыв, составляющей от 780 до 1500 МПа, и толщиной, равной толщине стального листа 10. Усиливающий элемент 72, например, может быть прикреплен к бамперному брусу 1 посредством лазерной сварки.
Усиливающий элемент 72 может также использоваться для приспосабливания геометрии бамперного бруса 1 к конкретным геометрическим требованиям различных транспортных средств. Например, высота усиливающего элемента 72 может быть больше высоты бамперного бруса 1, чтобы бамперный брус 1 можно было использовать на транспортных средствах, высота которых больше высоты стандартных транспортных средств. В таком случае, усиливающий элемент 72 может проходить по всей длине бамперного бруса 1. Таким образом, усиливающий элемент 72 можно использовать для приспосабливания бамперного бруса 1 к более широкому кругу транспортных средств; при этом для всех транспортных средств применяется один и тот же бамперный брус 1, и модификации подвергается только усиливающий элемент с целью выполнения требований транспортного средства.
Способ формирования вышеописанного бамперного бруса 1 поясняется на фиг. 6, на которой показаны последовательные этапы формования валками стального листа 10 для получения бамперного бруса по первому варианту осуществления; эти этапы обозначены цифрами 0-23. Эти 23 этапа формования валками соответствуют количеству этапов, необходимому для формирования бамперного бруса 1 с центральной стенкой 28 с формируемой во время этапов 4-7 ступенью, более четко показанной на фиг. 5, и с передними ребрами 64, проходящими в передних стенках 16, 22, и задними ребрами, расположенными в задних стенках 18, 24 верхней балки 12 и нижней балки 14, формирование которых осуществляется по меньшей мере во время этапов 1-3. Различные этапы формования валками осуществляются на разных станциях формования валками.
По окончании этапов формования валками края 42 и 44 стального листа 10 приваривают к соответствующим передним и задним стенкам или к соединительной стенке 46, и бамперный брус 1 изгибают в поперечном направлении для получения дугообразной формы. Благодаря задним ребрам 68, эта операция не вызывает коробления задних стенок 18, 24 даже при уменьшении радиуса кривизны бамперного бруса 1, и высота задних стенок при этом является важной.
Если бамперный брус 1 содержит усиливающий элемент 72, этот усиливающий элемент 72 формируется отдельно, например, путем формования валками или с помощью штамповки, и прикрепляется к бамперному брусу 1.
Описанный выше бамперный брус, имеющий поперечное сечение в форме восьмерки, с третьей плоскостью, образующей угол α, по существу, равный 45°, с первой и второй плоскостями, может, например, демонстрировать величину деформации в продольном направлении более 200 мм без разрушения. Пиковая нагрузка, которую выдерживает данный бамперный брус, составляет более 30 кН, например, 33 кН (Ep на фиг. 6), а минимальная поглощенная энергия после деформации на 250 мм (Em на фиг. 6) составляет более 5,5 кДж, например, около 5,75 кДж. Таким образом, данный бамперный брус 1 обладает хорошими рабочими характеристиками по всем трем соответствующим параметрам, т.е. по сопротивляемости пиковой нагрузке, которая выше порогового значения нагрузки, по минимальной поглощаемой энергии и по сопротивлению разрушению.
Вариант осуществления способа формирования бамперного бруса, который может применяться для вышеописанных вариантов осуществления исполнения бамперного бруса, включает в себя этапы формования валками (не показаны) верхней стенки 20 верхней балки 12 и/или нижней стенки 26 нижней балки 14, усиливающего ребра 70, проходящего поперечно и по направлению к внутренней части бамперного бруса. Этапы формования валками усиливающего ребра 70 в верхней стенке 20 верхней балки 12 и/или в нижней стенке 26 нижней балки 14 выполняют последовательно на разных станциях формования валками.
Ребра, проходящие поперечно и по направлению к внутренней части бамперного бруса, дают возможность ограничить объем, занимаемый бамперным брусом. Действительно, глубина устройства (т.е. размер устройства в продольном направлении) не должна превышать 50-60 мм, в противном случае, устройство может оказаться слишком длинным.
Кроме того, ребра, проходящие поперечно и по направлению к внутренней части бамперного бруса, более эффективны, чем ребра, проходящие в поперечном направлении и наружу от бамперного бруса. Действительно, ребро, выступающее наружу бамперного бруса, образует выступ, на котором происходит концентрация усилий в случае ударного воздействия. Если ребро направлено внутрь бамперного бруса, усилие распределяется на две большие поверхности, расположенные с обеих сторон от данного ребра. Риск разрушения бамперного бруса при этом уменьшается.