CN103010313B - 车辆的无中柱的车顶结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆的无中柱的车顶结构。本发明的特定方面在于将车顶的竖直载荷转移到车辆的加强的后部结构上。本发明的其他方面在于采用后部上盖加强件以直接假设在测试过程中施加在车辆前部的车顶挤压载荷。公开了特定的载荷转移机构。靠近车辆的前部施加的竖直的车顶挤压力被转移成车辆的后侧盖上的扭转载荷和车辆的C柱上的弯矩。

Description

车辆的无中柱的车顶结构

技术领域

本发明涉及车体的车顶结构。

背景技术

车辆安全标准已经演变为致力于提供更加安全的乘用车辆。对于车顶抗压性的车辆安全标准是FMVSS中的第216条。FMVSS中的第216条的载荷要求已经增加，以实现在车辆翻转事件中为乘客提供更大的保护的目的。该标准将要求车辆满足3倍于车辆重量的车顶强度要求。该要求的增加对车辆制造商造成重大挑战。必须满足增加的车顶强度要求，同时还要实现增加的燃料经济性，而增加的燃料经济性可能需要更轻的重量和更少的结构。

大的乘用车辆通常具有三组或者更多组竖直柱以支撑车顶结构。这些柱通常指的是从前到后的A柱、B柱和C柱。一些车辆还采用第四柱，D柱。相反，一些仅具有一排门的小型车辆仅有两个柱。具有前侧门和后侧门的车辆通常具有中间B柱。B柱限定单独的前门开口和后门开口之间的距离。现有的车顶结构基本上依靠车辆中间的竖直B柱来承受竖直的车顶挤压载荷。满足车顶挤压要求所需要的柱的尺寸会阻碍乘客进入车辆。通常，这限制了门开口可用的空间，因此限制了乘客进出车辆的舒适度。B柱还限制了能够通过门开口装载的物体的尺寸。B柱还会遮挡驾驶员的视野。由于B柱的位置通常由功能上的要求决定，因此B柱还对车辆造型造成限制。设计无B柱的车体是有优势的，该无B柱的车体提供若干乘客空间优势，也仍然满足增加的车顶强度需求。

发明内容

车辆设计可能从B柱的去除以及侧部开口的尺寸的增加中受益。增加的开口尺寸使乘客进出车辆更容易。更大物体可以装载到车辆中来运输。此外，源于不必围绕实质上的B柱结构进行设计，对于车辆的侧部外观的造型更加灵活。最终，通过去除所述部件可以获得提高燃料经济性的机会并减轻重量。虽然车体结构的其他部件需要加强以满足结构上的要求，但是获得减轻净重的机会。

要解决的问题是在实现消除中柱结构的益处的同时实现车体强度要求。通过利用将施加在车辆前部的竖直载荷转移到加强的后部车体结构上的策略，可以获得无B柱的大的四门车辆。后部结构通过将关键部分重新构造为直接接触车顶载荷设备，通过将若干管状加强构件结合在一起以用作均质结构，和/或通过将转移的车顶载荷定位成为具体部件上的扭矩和弯矩而被加强。

附图说明

图1是车辆的外部的侧部正视图。

图2是上车体的子结构的后部等距视图。

图3是沿图2中的3-3线的截面图。

图4是沿图2中的4-4线的截面图。

图5是沿图2中的5-5线的截面图。

图6是标准车顶强度测试设备的图解的前部正视图。

图7是标准车顶强度测试设备的图解的侧部正视图。

图8是示出载荷转移策略的自由体图。

图9是车顶仿真测试结果的曲线图的一个示例，示出了公开的实施例的强度性能优点。

具体实施方式

公开了构成本发明的示例的详细实施例，本发明还可以以各种和可替代的形式实施。附图未必按照比例绘制，一些特征可以被夸大或最小化，以示出具体组件的细节。公开的具体结构和功能性细节不应该被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员实施本发明的代表性基础。

图1是具有车顶12的车辆10的外部的图解视图。车辆具有A柱14、B柱16和C柱18，A柱14、B柱16和C柱18全部竖直地支撑车顶12。本公开的实施例的关注区域为靠近C柱的区域20。

图2是上车体的加强件子结构（一般由标号40表示）的等距视图。未示出车辆的外表面，以展示仅用于A柱14和C柱18之间的车顶的竖直支撑结构。每个侧部管状加强件42具有呈三段的连续的类似于拱形的形状。第一段44在车辆的前部竖直地延伸,支撑A柱14。第二段46沿车顶12的侧部横向地延伸，并且包括一部分车顶纵梁48。第三段50在车辆的后部竖直地延伸,支撑C柱18。后部管状加强件52具有呈三段的连续的类似于拱形的形状。第一后部段54在一侧竖直地延伸，支撑C柱18。第二后部段56沿车顶12的后边缘横向地延伸，并且包括一部分后侧盖58。第三后部段60竖直地延伸，支撑相对的C柱18。每个侧部管状加强件42的第三段50结合到后部管状加强件52的竖直的第一后部段54和第三后部段60中的每一个。管状加强件40,52通过配对的外表面被结合并且被焊接在一起。

如图1所示，区域20在车辆12的左侧和右侧中的每一侧上设置有上盖62。上盖62具有三个容纳支撑部件的延伸式容纳器。参照图2，第一容纳器64容纳一部分竖直的C柱18。第二容纳器66容纳侧部管状加强件42的第二纵向段46。第三容纳器68容纳后部管状加强件52的横向的第二后部段56。上盖62可以通过焊接、粘合剂结合或者机械紧固件附着到位于容纳器处的支撑部件。

图3是从图2的3-3得到的图解截面图。该部分代表C柱18的子结构。该视图示出了上盖、侧部管状加强件和后部管状加强件的结构上的配对条件。如上所讨论的，侧部管状加强件42的第三段50结合到后部管状加强件52的竖直段。在车辆一侧，后部管状加强件52的第一后部段54结合到侧部管状加强件42的第三段50。在相对侧，第三后部段60结合到另一侧部管状加强件42的第三段50。上盖的第一容纳器64结合到两个管状加强件的竖直段的外表面。

图4是从图2的4-4得到的图解截面图。子结构40的这部分表示后侧盖58。这里，示出了上盖的第三容纳器68和后部管状加强件52的第二段56之间的结构上的配对条件。上盖结合到管状加强件的外表面。

图5是从图2的5-5得到的图解截面图。子结构40的这部分表示车顶纵梁48。示出了上盖的第二容纳器66和侧部管状加强件的第二纵向段46之间的结构上的配对条件。

该公开的上述方面可应用于多种无B柱类型的车辆。盖加强件与管状子结构加强件配合时尤其有效。出于某些原因，在制造机动车辆时有时使用液压成形。液压成形管可以制造成比利用冲压部件实现的形状更加柔韧的形状。与相同尺寸的冲压并组装的管的横截面相比，液压成形管还由于管的横截面的连续性，而倾向于具有增加的截面强度性能。该强度优点实现下述能力：在实现同等性能的情况下具有更小的横截面，这能够进一步减轻重量。制造不同形状的液压成形管的成本通常比多块冲压组件的制造成本低。因此，由至少两个管状结构组成的竖直的后C柱18的强度性能比相同尺寸的冲压并组装的结构的强度性能高。

上盖62很好地起到用于多个液压成形管结构的结合机构的作用。当管状结构被构造为连续的类似于拱形的形状时，负载传递路径与冲压并组装的结构的负载传递路径不同。管状部件可以通过焊接、粘合剂结合或者机械紧固件被结合。管状结构之间的结合机构可以在受到载荷时变形，并且部件可以分开并独立地作用。上盖62可以用作将侧部管状结构和后部管状结构整体化的有效方式，以获得更加类似于单个连续结构的特性。当尝试管理负载并且向目标区域直接加载时，这种连续性的益处尤其明显。在此公开的上盖62可以操作为使多个管状结构在结合处结合为高强度整体的有效方法。

车顶12遇到的最强载荷倾向于发生在车辆翻转事件期间。联邦机动车辆安全标准（FMVSS）中的第216条意在模拟当在翻转事件过程中车顶12撞击地面时产生的载荷。该标准规定了与车辆重量成比率的最小车顶强度。此外，高速公路安全保险协会（IIHS）公布了它自己的更加苛刻的车顶强度要求。虽然不是强制性的，但是后者的要求极大地影响着消费者的决定，并且获得高评级对制造商有利。这两个测试本质上执行相同的程序，但是要求不同的性能水平。

图6是标准车顶强度测试设备的图解正视图。具有规定的尺寸和方向的测试设备的大的钢板(也称为载荷板)70设置成与车辆10的车顶12的一侧接触。在车顶强度测试过程中，钢板70沿着规定的角度向下挤压。随着钢板70的行进，测试设备施加稳步增加的力（由箭头72指示）。这样模拟了在车辆翻转事件过程中车顶12与地面的接触。测试标准可能要求：在钢板70从开始接触的点运动5英寸（127毫米）之前，必须达到高达4倍于车辆的空车重量的力。根据车辆重量，可能要求将近30,000磅（133,446牛顿）的持续载荷。

图7是标准车顶强度测试设备的图解侧视图。钢板70的最后部边缘74相对于整个车辆10的位置可以基于测试设置协议估计。对于更大的车辆，钢板70的最后部边缘74的结果位置是B柱16和C柱18之间的中间位置。

车顶结构使用具有载荷板的车顶测试设备进行测试，载荷板70接触车顶结构的前部，载荷板70在车顶12上延伸到中间位置，其中，车顶结构进一步包括左上盖62和右上盖62，左上盖62和右上盖62中的每个在车辆中向前至少延伸到中间位置，以直接接收来自载荷板70的载荷。

车体结构的后部可以用于提供车顶抗压载荷所需的刚度。施加在车顶的靠近挡风玻璃的前部的载荷通常不会接收来自车辆的后部的阻力。在具有B柱的车辆上，中央结构通常通过柱负荷来假定大部分的强度要求。由于前面概述的优点，可期望从车辆去除B柱。然而，负载管理策略需要满足结构上的需求。

当给车顶结构的前部加载时，后部结构可以以各种方式接合。上盖62沿车辆向前延伸，以与测试设备的钢板直接接触。该直接接触通过在车顶强度测试中更早地提供负载阻力来改进测试性能。子结构部件可以被构造为在测试协议中概述的测试设备的预测界面处与钢板直接接触并叠置。

参照图2和图7，上盖62的延伸的第二容纳器66沿车顶纵梁48向前充分延伸，以在车顶强度测试过程中接触钢板70并抵抗钢板70的行进。在车顶强度测试过程中，竖直车顶载荷转移到后部结构上。包括延伸的前部容纳器66的三个容纳器的构造便于进行该载荷转移策略。后部结构受到载荷阻力越快，能量吸收可用的时间越多。这致使更好地允许阻力建立到要求的水平。

图8是一个上后部的C柱角的自由体图。如上所述的，后侧盖58沿车顶的后边缘横向延伸，连接右边的C柱18和左边的C柱18。由于测试应用于车辆的一侧或另一侧，因此远侧通常是空载的且完好无损。后侧盖58可以用作简单悬臂梁，在与力72被施加的侧相反的远侧76被固定。上盖62意在通过其向前延伸的容纳器66直接被加载，并且允许力转移到后侧盖58上。车辆的加载侧可以传递扭矩，使后侧盖58扭转。公开实施例的具体方面在于将车顶挤压力72转移成为后侧盖58结构上的扭转载荷。相反的扭转阻力矩80通过后侧盖58提供，从而改进了整体车顶的抗压性。

公开的实施例的进一步方面在于将车顶挤压载荷另外地转移成为后柱结构上的弯曲载荷。C柱18的结构通常是竖直的，并且连接车辆下部结构和车顶结构。参照自由体图（图8），当力72朝着车辆的前部施加时，C柱18倾向于用作简单悬臂梁。模拟的悬臂梁在车辆的下部结构78处被固定。然而，与后侧盖58不同的是，C柱18接收车顶力72。从车辆的前部通过上盖62转移的载荷致使C柱18产生抗弯阻矩82。因此，在该载荷路径方案下，C柱18的结构上的整体性对车顶挤压性能作出贡献。在不存在B柱的情况下，将上述的两个结构结合成协作的悬臂梁的策略可以显著地改进车顶挤压性能。

图9示出了来自车顶强度仿真测试的载荷与挠度的曲线。示出了三种情况。曲线200表示具有B柱并且满足车顶强度要求的现有技术基本模型。点220强调由基本模型实现大约23,000磅的力（102,309牛顿）的峰值载荷。曲线204表示去除了B柱而没有其他改进的中间模型。产生结构上的显著退化，仅实现了大约17,000磅的力（75，620牛顿）的峰值载荷。点224表示中间模型中实现的峰值载荷。以峰值载荷减小超过28%为例说明了B柱在车顶抗压性方面通常起到什么作用。曲线202表示公开的实施例的一个示例，其中，B柱已经去除，并且C柱结构如上述地加强。实现的峰值载荷等于具有B柱的基本模型实现的峰值载荷。强调由该示例性实施例实现的峰值载荷的点222与基本模型的峰值载荷点220基本重叠。在该示例中，通过消除B柱结构而实现了预计减轻11磅（5千克）的重量。

载荷移动量的曲线的形状还示出了机构如何接触后柱结构而可以改进车顶挤压性能。提出的发明在初始加载范围小于10,000磅的力（44,482牛顿）的过程中实施为近似于没有B柱的中间模型。相反，由于B柱在初期抵抗柱负荷，导致具有中柱的基本模型具有更高的初始刚度。随着模拟钢板插入到所述结构中，载荷进一步增加，在没有B柱的中间模型和示例性实施例之间的性能差异变得更加明显。当后部结构开始接触时，提供更高的阻力，限制测试设备的钢板的插入。载荷-挠度曲线202的斜率改变，在大约15,000磅的力（66,723牛顿）时变得更陡。这个变化反映了增加的刚度特性。与代表现有技术的具有B柱的结构的曲线220相比，表示示例性实施例的曲线202集中在更高的载荷范围。示例性实施例利用更小的整体结构实现了相等的峰值载荷强度。在示例性模型中的加强的后部结构示出了假设在车顶挤压事件中，大约9,000磅的力（40,033牛顿）或者峰值载荷的39%由车体结构承受。

用于实现强度进一步增加的选择性加强件在于利用位于管状截面的相对内侧上的其他内部盖。内部盖加强件甚至还可以允许在车顶挤压过程中后部结构更快地接触。虽然由于部件增加而抵消了一些成本和重量优势，但是可以获得增加的强度，同时在没有中间B柱的情况下，保持满足车顶强度的目的。

虽然在上面描述了示例性实施例，但是不意在使这些实施例描述本发明的所有可能形式。相反，在说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应当理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。另外，可将各个实施例的特征相结合，以形成本发明的进一步的实施例。

Claims (16)

1.一种车辆的车顶结构，所述车顶结构包括：

左前柱、右前柱、左后柱和右后柱，左后柱与左前柱分开，右后柱与右前柱分开，其中，左前柱、右前柱、左后柱和右后柱是用于车顶结构的独立竖直支撑；

左车顶纵梁和右车顶纵梁，各自沿车顶板的相对侧边缘纵向地延伸，其中，左车顶纵梁连接左前柱和左后柱，右车顶纵梁连接右前柱和右后柱；

类似于拱形的后侧盖，沿车顶板的后边缘横向地延伸，连接左后柱和右后柱；

左上盖和右上盖，各自限定三个容纳器，所述三个容纳器中的每个容纳器分别容纳车顶纵梁、后柱和后侧盖中的一个，

其中，左上盖缠绕左车顶纵梁、后侧盖结构和左后柱中的每个的外表面，右上盖缠绕右车顶纵梁、后侧盖结构和右后柱中的每个的外表面。

2.根据权利要求1所述的车顶结构，其中，右车顶纵梁、左车顶纵梁、后侧盖、左后柱和右后柱是中空的管状构件。

3.根据权利要求1所述的车顶结构，其中，左上盖和右上盖焊接到后柱。

4.根据权利要求1所述的车顶结构，其中，施加到车顶板的前部的向下的力转移成为后侧盖上的扭矩负载。

5.根据权利要求1所述的车顶结构，其中，施加到车顶板的前部的向下的力转移成为左后柱和右后柱中的至少一个上的弯矩负载。

6.根据权利要求1所述的车顶结构，其中，车顶结构使用具有载荷板的车顶测试设备进行测试，载荷板接触车顶结构的前部，载荷板在车顶上延伸到中间位置，其中，车顶结构进一步包括左上盖和右上盖，左上盖和右上盖中的每个在车辆中向前至少延伸到中间位置，以直接接收来自载荷板的载荷。

7.一种车辆的车体结构，所述车体结构包括：

车顶板；

左连续管状支撑件和右连续管状支撑件，各自有竖直地延伸的前段、沿车顶板纵向地延伸的中段及竖直地延伸的后段，竖直地延伸的后段分别限定左后柱和右后柱；

连续后管状支撑件，有沿左后柱竖直地延伸的左段、沿车顶板的限定后侧盖的后边缘横向地延伸的上段及沿右后柱竖直地延伸的右段；

左上盖，左上盖具有三个容纳器，其中的一个容纳器将左连续管状支撑件的后段结合到连续后管状支撑件的左段；

右上盖，右上盖具有三个容纳器，其中的一个容纳器将右连续管状支撑件的后段结合到连续后管状支撑件的右段，

其中，施加到车顶板的前部的向下的力转移成为左后柱和右后柱中的至少一个上的弯矩负载。

8.根据权利要求7所述的车体结构，其中，左上盖和右上盖结合到连续后管状支撑件的上段。

9.根据权利要求7所述的车体结构，其中，左上盖缠绕左连续管状支撑件和连续后管状支撑件的外表面，右上盖缠绕右连续管状支撑件和连续后管状支撑件的外表面。

10.根据权利要求9所述的车体结构，其中，左上盖粘合地结合到左连续管状支撑件和连续后管状支撑件，右上盖粘合地结合到右连续管状支撑件和连续后管状支撑件。

11.根据权利要求9所述的车体结构，其中，左上盖焊接到左连续管状支撑件和连续后管状支撑件，右上盖焊接到右连续管状支撑件和连续后管状支撑件。

12.根据权利要求7所述的车体结构，其中，车顶结构使用具有载荷板的车顶测试设备进行测试，载荷板接触车顶结构的前部，载荷板在车顶上延伸到中间位置，其中，车顶结构进一步包括左上盖和右上盖，左上盖和右上盖中的每个在车辆中向前至少延伸到中间位置，以直接接收来自载荷板的载荷。

13.根据权利要求7所述的车体结构，其中，施加到车顶板的前部的向下的力转移成为后侧盖上的扭矩负载。

14.一种用于车辆的车顶结构，所述车顶结构包括：

左连续管状支撑件和右连续管状支撑件，各自有竖直地延伸的前段、沿车顶板纵向地延伸的中段及竖直地延伸的后段，竖直地延伸的后段分别限定左后柱和右后柱；

类似于拱形的后管状支撑件，结合到左后柱和右后柱两者；

上盖，将类似于拱形的后管状支撑件结合到左连续管状支撑件和右连续管状支撑件两者，

其中，施加到车辆的车顶结构的前部的向下的力转移成为类似于拱形的后管状支撑件上的扭矩负载。

15.根据权利要求14所述的车顶结构，其中，类似于拱形的后管状支撑件还包括左后柱段、后侧盖段和右后柱段，左后柱段、后侧盖段和右后柱段成为单个连续管状结构的整个部分。

16.根据权利要求14所述的车顶结构，其中，施加到车辆的车顶结构的前部的向下的力转移成为左后柱和右后柱中的至少一个上的弯矩负载。