CN103339021B - 车辆底板结构 - Google Patents

Abstract

一种车辆底板结构，其特征在于：其主体结构为双层结构，包括由热塑性纤维强化复合材料形成的两个面板；在所述双层结构延伸的该区域中，每个面板具有至少两个具有凸形开放截面的连续强化结构；所述强化结构在至少两个位置设置有凹槽；在一个面板上的强化结构与其他面板上的相交；并且面板与设置在彼此装配的强化结构中的凹槽一起结合。

Description

车辆底板结构

技术领域

本发明涉及一种由纤维强化热塑性复合材料形成的车辆底板结构。

背景技术

一种通过钣金加工和钢焊接相结合的结构作为车辆底板结构是常见的。底板结构具有非常复杂的形状以安装用于提高车体刚度的强化结构和用于在车辆底部容纳燃油管和排气管的空间。

另一方面，已经存在一种碳纤维强化复合材料被应用到车辆底部结构的方法，由于近年来强烈期望降低车重以减少车辆的环境负担。上述的碳纤维强化复合材料的底板结构显著地比现有的钢制的车辆底板结构更轻，但是碳纤维强化复合材料的底板结构是使用昂贵的碳纤维织物以及使用手工敷层或高压蒸汽法这些低生产率方法形成的，以遵循现有钢底板结构的复杂形状。因此，从经济效率的角度来看其推广是极其受限的。最近，已经存在一种采用树脂传递模塑方法（RTM方法）等提高生产率的方法（参见专利文献1），但是由于用作基体的热固性树脂的固化反应时间是速率有限的，所以很难说这项技术能够应用到通常的车辆上。

已经开发了一种其中热塑性树脂用作基体的纤维强化热塑性复合材料作为改进所述复合材料的生产率的手段。在纤维强化热塑性复合材料通过加热被塑化后，能够在短时间内通过冲压成型给纤维强化热塑性复合材料一个形状。冲压所需的压力低于钢的冲压成型，因此如果该尺寸是例如车辆底板结构的，一体成型是可以的。也能够给纤维强化热塑性复合材料一个中空结构的形状或突出，但对于该突出，需要具有复杂机构的模具。因此，为了提高生产率，能够在常规的凸凹形状内被模塑的简单形状是优选的。

此外，至于另一种用于减少车辆的环境负担的方法，从内燃机转换到电发动机作为电源的趋势在加速。此时，需要安装电池作为能源。由于电池的能量密度与汽油或柴油相比较低，存在增加电池的尺寸和重量的缺点。另一方面，针对于该内燃机的燃料管或排气管是不必要的，因此大大简化了车辆底板结构的形状。

引文列表

专利文献

专利文献1：JP-A-2009-190696

发明内容

本发明要解决的问题

本发明的目的是提供一种由具有轻质高刚度和高生产率的纤维强化热塑性复合材料形成的车辆底板结构。

解决问题的手段

作为仔细研究的结果，本发明的发明人已经实现了本发明以解决上述问题。根据本发明，提供了一种车辆底板结构，其中，该车辆底板结构的主结构是包括由纤维强化热塑性复合材料形成的两张面板的双层结构，并且，其中，在包括双层结构的区域内，每个所述面板都包括至少两个具有凸形开放截面形状的连续强化结构，凹槽设置在是强化结构的至少两个位置中，并且所述面板以如下的方式被接合，即，所述各面板的所述强化结构彼此相交，并且设置在所述各面板的所述强化结构内的所述凹槽彼此装配。

本发明的有益效果

根据本发明，通过装配和接合两张面板能够实现具有轻质高刚度的车辆底板结构。此外，通过利用纤维强化热塑性复合材料的简单冲压成型来制造每个面板，能够实现非常高的生产率。

附图说明

图1为示出根据本发明实施例的车辆底板结构的透视图。

图2为示出侧部件被装接到本发明的车辆底板结构的状态的透视图。

图3为示出本发明的车辆底板结构的组件构造的透视图。

图4为示出根据本发明的车辆底板结构的实施例的三视图。

图5为示出包括帽形截面形状的强化结构的面板的示意图。

图6为示出包括U形截面形状的强化结构的面板的示意图。

图7为示出了强化结构内凹槽的放大图。

图8为示出包括凸部分和孔部分的强化结构内的凹槽放大图。

图9为示出了能通过连续的纤维强化复合材料而强化的区域的实施例的示意图。

图10为示出能通过连续的纤维强化复合材料而强化的区域的另一个实施例的示意图。

图11为示出能通过连续的纤维强化复合材料而强化的区域的又一实施例的示意图。

图12为示出能通过连续的纤维强化复合材料而强化的区域的再一实施例的示意图。

图13为示出了包括利用平面截面形状的局部强化部件形成的中空闭合截面的强化结构的放大图。

图14为示出了包括由帽形截面形状的局部强化部件形成的中空闭合截面的强化结构的放大图。

图15为示出了包括由帽形截面形状的局部强化部件与强化结构内侧接触而形成的中空闭合截面的强化结构的放大图。

参考符号列表

1：底板结构

2：侧梁

3：面板（A）

4：面板（B）

5：强化结构

6：凹槽

7：局部强化部件（平面截面形状）

8：局部强化部件（帽形截面形状）

9：局部强化部件（与强化结构内侧接触的截面形状）

10：电池

11：维护开口

12：维护开口盖

具体实施方式

以下，将参照附图描述根据本发明的车辆底板结构，但本发明并不限于此。

[纤维强化复合材料]

根据本发明的车辆底板结构内的纤维强化复合材料包括强化纤维和基体树脂。在纤维强化复合材料内的强化纤维的类型可以是短纤维、长纤维或连续纤维。至少两种类型的纤维可以结合使用。短纤维是指具有大于或等于0.1毫米且小于10毫米的纤维长度的纤维，长纤维是指具有大于或等于10毫米且小于或等于100毫米的纤维长度的纤维，而连续纤维是具有大于或等于100毫米的纤维长度的纤维。对于短纤维和长纤维，它们可形成利用短切原丝等制成的纸。对于连续纤维，优选的是，在具有诸如机织织物、原丝在一个方向上定向的片材以及多轴织物这样的片状或无纺布形状的基体树脂中包含连续纤维。此外，多轴织物通常是指一种堆叠体（多轴织物基材）通过以下制成的织物：在一个方向上拉伸并收集纤维强化材料束以提供片材并以不同角度堆叠该片材；利用如尼龙线、涤纶线或玻璃纤维线等这样的缝合线在厚度方向上穿透堆叠体，并且通过沿着前侧方向在堆叠体的前侧和后侧之间往复行进来缝合该堆叠体。构成纤维强化复合材料体的纤维强化材料优选为其中强化纤维无序分散和定向、强化纤维被定向到特定纤维方向、强化纤维被平面定向、强化纤维在一个轴线方向上被定向的材料。它们可以作为其组合或其堆叠体来使用。首先，在根据本发明的车辆底板结构内的纤维强化复合材料优选为无序的纤维强化复合材料，其中短切纤维在如下所述的热塑性树脂内被无序定向。此外，二维无序的纤维强化复合材料是更优选的，其中短切纤维在热塑性树脂内被二维地无序定向，由于其可塑性非常优异并且当面板接合时待装配的凹槽部分变得特别细致。具有其他类型的纤维强化复合材料的这些无序的纤维强化复合材料的组合或层叠体能够适当地用于根据本发明的车辆底板结构。

在根据本发明的车辆底板结构内的纤维强化复合材料可以是具有纤维强化复合材料部分和仅包括树脂的部分的层叠体的夹层结构。对于夹层结构，核心部件为复合材料且表层部件可以为树脂，但另一方面，核心部件仅仅是树脂而表层部件可以为复合材料。

[基体树脂]

一个用于根据本发明的车辆底板结构的基体树脂为热塑性树脂或其组成。具体地，基体树脂的例子可能为聚碳酸酯树脂，聚烯烃树脂、聚酯树脂、丙烯酸树脂、聚乳酸树脂、聚酰胺树脂，ASA树脂，ABS树脂，聚醚酮树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚苯醚树脂、聚苯氧基树脂、聚砜类树脂、聚醚砜树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚醚醚酮树脂，聚苯硫醚树脂、聚酰胺酰亚胺树脂以及两种类型的或从这些树脂中选定的更多的混合物（树脂组合物），但对此没有特别限制。树脂组合物优选为从包括以下组合的组中选定的至少一种类型：聚碳酸酯树脂和聚酯树脂的组合，聚碳酸酯树脂和ABS树脂的组合，聚苯醚树脂和聚酰胺树脂的组合，聚酰胺树脂和ABS树脂的组合，以及聚酯树脂和聚酰胺树脂等的组合。

[强化纤维]

至于用于本发明的车辆底板结构的强化纤维，可根据紧固结构的使用而使用各种纤维，但其实施例可以是从由玻璃纤维，聚酯纤维，聚烯烃纤维，碳纤维，对位芳族聚酰胺纤维，间位芳族聚酰胺纤维，硼纤维，唑纤维和氧化铝纤维等组成的组中选择的至少一种类型，并且进一步的，在特定强度和特定弹性方面优异的碳纤维是特别优选的。

[车辆底板结构]

提供一种根据本发明的车辆底板结构，其中，车辆底板结构的主结构是由两张由纤维强化热塑性复合材料形成的面板构成的双层结构。根据本发明的双层结构可以包括在其一部分具有局部强化部件的三层以上的结构。底板结构整体不需要是双层结构，并且两张面板可结合用于在一部分上强化，并且各个面板可彼此在一部分具有不同的形式和功能。优选的是双层结构变为大于或等于50%的底板的投影面积，并且更优选的是双层结构成为大于或等于70%。面板的厚度并不特别地被限定，但是从强度、刚度和轻质特性的良好平衡来看，优选为大于或等于0.5毫米且小于或等于10mm，并且进一步优选的是大于或等于1毫米且小于或等于5毫米。双层结构的厚度并不特别地限定，但是从刚度和在车辆内确保的空间的良好平衡来看，优选为大于或等于10毫米且小于或等于300毫米，并且进一步优选的是大于或等于50毫米且小于或等于200毫米。面板的厚度和双层结构的厚度整体上不需要是恒定的，并且可局部地变动。

[面板]

面板由纤维强化热塑性复合材料形成，并且重要的是，面板包括连续的且具有凸形开放截面形状的至少两个强化结构。该强化结构可为底板结构包括双层结构的区域中的至少两个。其可以是在除了该区域以外的一部分内通过两个强化结构彼此结合成的一个。包括在各个面板内的强化结构的数量可以相同，或可以不同。凸形开放截面形状的截面形状可从帽形或U形中选定，但帽形是最优选的。凸形开放截面形状的高度并不特别被限定，但是优选为大于或等于10毫米且小于或等于300毫米，并进一步优选为大于或等于50毫米且小于或等于200毫米。开放截面形状的宽度优选为大于或等于10毫米且小于或等于300毫米，并且进一步优选为大于或等于50毫米且小于或等于200毫米。此外，在开放截面形状内，例如从使用模具实现压模的观点来看，在不破坏本发明的目的的范围内可随意地添加拔模角。

重要的是在强化结构的至少两个位置中提供凹槽。根据被设置在对方面板内的强化结构的位置和数量来决定凹槽的数量和位置。至于凹槽的形状，优选的是强化结构包括的凸形开放截面形状的上端在平面内凹陷（例如，图5中的6）。凹槽的深度优选为大于或等于20%且小于或等于80%的强化结构的高度，并进一步优选的是大于或等于40%且小于或等于60%的强化结构的高度。优选的是，利用倒角等，使包括凹槽的一部分被连续地连接到不包括凹槽的一部分。被设置在各自面板内的凹槽高度可以相同，或可以彼此不同，但重要的是，当该双层结构是由两张面板形成时，能够装配各自面板的凹槽。此外，凹槽不必完全地平坦且该凹槽可具有突出部分、凹陷部分或当两张面板相互结合时起支撑作用的孔部分。为了通过振动焊接或超声波焊接来接合两张面板，可以使用肋。

面板的强化结构的方向是可选择的。不过，优选的是被设置在一个面板内的该强化结构平行于车辆轴线，并且被设置在另一个面板内的强化结构垂直于车辆轴线。当由于撞击的大载荷从车辆的前、后、左、右侧输入时，能够通过将强化结构放置在上述方向内有效地保护乘客。在这种情况下，由强化结构和车辆轴线形成的角度可以不完全地平行或不垂直。然而，优选的是在正负20度以内，并且更优选的是在正负10度以内。

构成两张面板的纤维强化热塑性复合材料的类型并不被特别限定，但从可模制性和性质的发展的观点来看，优选的是，使用无序纤维强化复合材料，其中短切纤维在热塑性树脂中被无序地定向。能够由诸如机织织物的片材、原丝在一个方向上定向的片材，或由连续纤维形成的多轴织物来形成该面板。然而，在这种情况下关心的是，由于纤维定向在上述的凹槽附近混乱并从而发生断裂或褶皱，特性局部地下降。也能够的是，由无序的纤维强化复合材料形成的该面板的一部分被连续的纤维强化复合材料所强化，其中连续纤维在热塑性树脂中被均匀地布置在一个方向上。在这种情况下，优选的是，从如图9到图12所示的平面或具有主曲率的平面中选定最合适的部分，并且该选定部分被强化，由于该部分能够被强化而不干扰连续纤维的定向。上述的平面是指具有高平面度的面且可包括一个不显著地干扰纤维定向的角度的肋或加强筋。连续纤维强化复合材料的纤维方向是可选的，但从底板结构的观点看，优选的是将其布置在面板的强化结构的纵向方向上。构成两张面板的纤维强化热塑性复合材料可以相同，或可以不同，并且基体树脂的类型、强化纤维的类型、形状以及丰度比能够根据目的适当地选择。

此外，优选的是，上述的无序纤维强化复合材料中的无序定向为二维无序定向。这里，该二维无序定向是指以下的状态，其中短切纤维被二维地交叉和沉积以形成伪平面并且每个短切纤维在伪平面内被定向。在短切纤维被无序地二维定向的无序纤维强化复合材料的板形样品中，并且当样品的拉伸模量在该平面内彼此正交的两个方向上被测量时，在所获得的张力拉伸模量值中大值除以小值的比率成为小于或等于2。

当两张面板由无序短切纤维在热塑性树脂中被二维地无序定向的无序纤维强化复合材料形成时，换句话说，如上的所述无序纤维强化复合材料，在根据本发明的车辆底板结构中，它适于特别地装配和接合，并且该特性变得优异且效用变得高效。

该强化结构的截面形状可以是通过在面板的强化结构中将局部强化部件接合到至少一个强化结构的中空封闭的截面形状。在这种情况下，局部强化部件的截面形状是可选的，但优选的是平面形状、帽形或与该面板的强化结构的内部接触的形状。优选的是局部强化部件与面板类似地由所述无序纤维强化复合材料形成，并且更优选的是，局部强化部件由二维无序纤维强化复合材料形成，并且更进一步地其一部分能够被连续纤维强化复合材料强化，其中连续纤维在热塑性树脂内被均匀地布置在一个方向。在这种情况下，连续纤维强化复合材料的纤维方向是可选的，但从底板结构强度的观点来看，优选的是将其布置在该面板的强化结构的纵向方向上。

[接合面板的方法]

两张面板以下面的状态被接合，其中各自面板的凹槽彼此装配在一起。用于接合面板的该方法可从粘合、焊接、机械连接等中选择。振动焊接、热板焊接或溶剂焊接被优选用作焊接方法。螺栓连接或铆钉连接优选地用作机械紧固方法。

[接合局部强化部件的方法]

用于接合上述的局部强化部件的该方法可能也从粘附、焊接、机械连接等中选择。振动焊接、热板焊接或溶剂焊接被优选地用作焊接方法。螺栓连接或铆钉连接优选地用作机械紧固方法。

[本发明所应用的领域]

根据本发明的车辆底板结构能够适当地应用到任何形式的车辆。此外，车辆底板结构能够适当地用于不需要用于容纳燃油管或排气管的空间的电动车辆。此外，也能够将电池容纳在由两张面板形成的空间中，并且能够扩大车辆的内部空间并实现车辆的较低重心。在这种情况下，也能够在两张面板的一部分上提供维护开口。

Claims (11)

1.一种车辆底板结构，其中，该车辆底板结构的主结构是包括由纤维强化热塑性复合材料形成的两张面板的双层结构，

其中，在包括所述双层结构的区域内，每个所述面板都包括至少两个具有凸形开放截面形状的连续强化结构，

凹槽设置在是强化结构的至少两个位置中，并且

所述面板以如下的方式被接合，即，所述各面板的所述强化结构彼此相交，并且设置在所述各面板的所述强化结构内的所述凹槽彼此装配。

2.根据权利要求1所述的车辆底板结构，

其中，设置在一个所述面板内的所述强化结构平行于车辆轴线并且设置在另一个所述面板内的所述强化结构垂直于所述车辆轴线。

3.根据权利要求1或2所述的车辆底板结构，

其中，所述强化结构的所述凸形开放截面形状为帽形。

4.根据权利要求1或2所述的车辆底板结构，

其中，局部强化部件被接合到所述强化结构的至少一个强化结构中，使得该至少一个强化结构的截面形状为中空封闭的截面形状。

5.根据权利要求1或2所述的车辆底板结构，

其中，构成所述面板的纤维强化热塑性复合材料是无序纤维强化复合材料，在该无序纤维强化复合材料中，短切纤维在热塑性树脂内被无序地定向。

6.根据权利要求5所述的车辆底板结构，

其中，通过连续纤维强化复合材料强化所述面板的一部分，在该连续纤维强化复合材料中，连续纤维在热塑性树脂内被均匀地布置在一个方向上。

7.根据权利要求4所述的车辆底板结构，

其中，所述局部强化部件由无序纤维强化复合材料构成，在该无序纤维强化复合材料中，短切纤维在热塑性树脂内被无序地定向。

8.根据权利要求7所述的车辆底板结构，

其中，通过连续纤维强化复合材料强化所述局部强化部件的一部分，在该连续纤维强化复合材料中，连续纤维在热塑性树脂内被均匀地布置在一个方向上。

9.根据权利要求1或2所述的车辆底板结构，

其中，所述强化纤维是碳纤维。

10.根据权利要求1或2所述的车辆底板结构，

其中，电池容纳在由两张所述面板形成的空间内。

11.根据权利要求10所述的车辆底板结构，

其中，所述车辆底板结构所应用到的车辆是电动车辆。