CN105209325B - 用于机动车的车身支架 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于机动车的车身支架，该车身支架由纤维增强塑料制成并且构造为在机动车碰撞情况下吸收能量的车身支架。车身支架具有至少一个壁，该壁设有凹部和/或突出部，使得在沿着车身支架的纵向施加预定的碰撞阈负荷时，壁的失效在凹部和/或突出部的区域中通过破碎实现，所述凹部(3)和/或突出部(5)是平行于车身支架(1)纵向构造的凹槽和/或脊部。

Description

用于机动车的车身支架
技术领域
本发明涉及一种用于机动车的车身支架，该车身支架由纤维增强塑料制成并且构造为在机动车碰撞情况下吸收能量的支架。
背景技术
已知用于机动车的车身结构、尤其是车身支架设计成，使得该车身支架在机动车碰撞情况下吸收碰撞能量地失效。由金属材料制成的车身支架在此设计成，使得这些车身支架在确定的力水平时在为此所设的路程上适当变形。对于在机动车、尤其是轿车中的由碳纤维增强塑料(CFK)或其它纤维增强塑料制成的车身结构而言，现今大多数使用具有多边形的(例如矩形的)或圆形的轮廓的管状支架，通常有变形元件(其又称为碰撞吸能盒)与该管状支架连接。碰撞吸能盒在其另一端部上与保险杠连接。在正面碰撞时首先是保险杠、然后是碰撞吸能盒用作能量吸收器。如果所述保险杠和碰撞吸能盒的能量吸收能力用尽而动能尚未完全耗散，则已变形/毁坏的保险杠或碰撞吸能盒撞击到车身支架上，该车身支架在车前部区域中在具有前置发动机的机动车的情况下又称为发动机支架。由此开始进行在车身支架上的失效。如果支架由CFK制成，则失效伴随着所谓的破碎(Crushing)进行。在“破碎”失效机制中，支架的或多或少地完全的瓦解(也称为粉碎或者说破碎或者碎裂)主要以脆性断裂形式实现。破碎的另一种形式是CFK材料直接在碰撞表面上确定地转向180°，该转向也称为剥开或剥离。在此为了耗散碰撞动能而使纤维断裂机制与摩擦共同作用。这两种失效机制在正面碰撞时有效地起作用，在该时力与支架横截面垂直地作用于支架上。
发明内容
现在，本发明的任务在于，提供一种用于机动车的车身支架，该车身支架在不显著影响车身支架所需的结构空间的情况下能够实现在机动车碰撞时失效在不同的力水平的情况下进行。
该任务通过具有如下所述特征的用于机动车的车身支架解决。按照本发明的用于机动车的车身支架由纤维增强塑料制成并且构造为在机动车碰撞情况下吸收能量的车身支架，该车身支架具有壁，该壁设有凹部和/或突出部，使得在沿着车身支架的纵向施加预定的碰撞阈负荷时，壁的失效在凹部和/或突出部的区域中通过破碎实现，所述凹部和/或突出部是平行于车身支架纵向构造的凹槽和/或脊部。
根据本发明的用于机动车、尤其是轿车的车身支架由纤维增强塑料、即纤维复合材料制成并且构造为在机动车碰撞情况下吸收能量的车身支架。这种类型的车身支架是车身的所谓“碰撞”结构的组成部分并且也称为车身结构支架，因为该车身支架是车身的结构部分。车身支架具有至少一个壁，该壁设有凹部和/或突出部，使得在沿着车身支架的纵向施加预定的碰撞阈负荷(Kollisionsschwelllast)时，壁的失效在凹部和/或突出部的区域中通过破碎实现。
如结合对现有技术的说明已经提到地，通过破碎的失效是小体积脆性的失效，在该失效时纤维断裂成或多或少的小部分并且因而壁在失效的部位上“碎裂”、即分解为多个小碎块/小部分。该失效类型在相对大的力水平的情况下进行，从而可以在确定的失效路程上耗散相对多的碰撞能量。
根据车身支架的一种优选的扩展方案，所述凹部和/或突出部在壁中构造成，使得壁的失效能够在车身支架的失效路程上根据预定的力变化曲线进行控制或者说在壁/车身支架的在车身支架的失效路程上失效时的力变化曲线可以适合地、即尤其是根据规定力变化曲线进行控制。换言之，有利于实现破碎的凹部和/或突出部构造成，使得根据期望的预定的力变化曲线发生更小块的破碎或更大块的破碎或根本不发生破碎。与此对应地，车身支架可以在确定的路程上在大的力的情况下失效，由此吸收大的碰撞能量，并且在失效前进至另一部位或另一区域上时车身支架可以在较小的力的情况下失效，从而在所述另一部位上并且在车身支架于该另一部位上失效时吸收较小的碰撞能量。
车身结构支架尤其是可沿着其纵向具有至少两个相继设置的不同的失效部段，这些失效部段在机动车碰撞情况下根据凹部和/或突出部的不同布置方式和/或构造在不同的力水平的情况下失效。车身结构支架也可沿着纵向具有多于两个失效部段，这些失效部段分别在不同的或相互过渡的力变化的情况下失效。
大的力水平意味着，在机动车的相同的有效碰撞质量的情况下作用于车辆乘员的减速度/加速度相对大。小的力水平意味着，在相同的有效碰撞质量的情况下作用于乘员舱并且因而作用于车辆乘员的减速度/加速度相对小。假设在机动车碰撞过程中机动车的有效质量发生变化，则这对减速度/加速度也有影响，其中，当有效质量减小时，在相同的减速度/加速度的情况下甚至更大的力水平是可能的。就此而言，根据本发明可特别简单地控制力变化曲线并且因而控制作用于乘员舱和车辆乘员的减速度/加速度并且尤其是可防止减速度/加速度超过确定的阈值，而不显著改变车身支架的结构空间并且不显著提高车身支架的重量。
优选车身支架或壁的失效可以在车身支架的失效路程上在通过破碎的失效和通过剥离的失效之间进行控制。与通过破碎的失效的情况相比，在通过剥离的失效时纤维断裂成明显更大体积的。尤其是在完全平坦的壁表面的情况下有利于通过剥离的失效，在此纤维例如在壁的端部区域和与另一个壁的过渡部中断裂并且随后大面积地剥离。
在适当的部位上有针对性地设置凹部和/或突出部在此阻碍通过剥离的失效并且有利于破碎，因为每个凹部和/或突出部意味着材料转向、尤其是纤维转向。在使得纤维转向、即弯曲的部位上，有利于纤维在脆性失效时断裂。换言之，壁具有越多的弯曲部/不平整部，就实现越小块的失效，其中，凹部和/或突出部构成这种类型的弯曲部/不平整部。
根据本发明的车身支架的一种扩展方案，所述壁除了凹部和/或突出部之外基本上构造成平坦的。术语“平坦”在这一点上意味着平面的、即所述壁在总体上不弯曲。因此，沿着负荷方向在不具有突出部或凹部并且使得纤维相应地布置为直的、即不弯曲的部位上特别有利于通过剥离的失效。通过在平坦的壁中构成有突出部和凹部，在这些部位上可以有利于通过破碎的失效。
优选地，车身支架或车身支架的塑料借助连续纤维被增强。连续纤维显著有利于车身支架的刚度和强度。优选地，纤维以与凹部和突出部一致的方式跟随具有凹部和/或突出部的壁的走向。换言之，连续纤维在与凹部或突出部的对应的过渡部上弯曲。如上已述，在这些部位上特别有利于破碎。
纤维可根据凹部和/或突出部经由连续的制造工艺来布置。作为生产方法在此可考虑缠绕工艺、编织工艺和拉挤成型工艺。
借助这种类型的连续的生产方法可特别简单地制造具有适合强度的车身支架。
借助这种类型的方法可特别简单地构成凹部和突出部，其方式为：在缠绕工艺或编织工艺或拉挤成型工艺中增大直径。
作为替代方案也可使用不连续的生产工艺来布置纤维。
根据本发明的一种优选的扩展方案，所述凹部和/或突出部沿着车身支架的纵向、即基本上平行于车身支架的纵向延伸。
优选地，在根据本发明的车身支架中，凹部是平行于支架纵向构造的凹槽。特别地，凹部优选构成在支架的壁的外侧上。
同样优选的是，在根据本发明的车身支架中，突出部是平行于支架纵向构造的脊部。特别地，脊部优选构成在支架的壁的内侧上。
由此可特别简单地通过未显著改变结构空间的解决方案来提高在碰撞情况下的力水平。换言之，无须设置具有更厚的壁厚或更大的直径的车身支架。相反地，仅需在车身支架的壁中构成有附加的凹部和/或突出部，这些凹部和/或突出部不改变结构空间并且不显著改变支架的重量，其中，车身支架的壁厚优选基本保持相同。以凹槽/脊部形式的凹部/突出部可特别简单地构成。
优选地，对应于在壁的一侧上的凹部，在壁的另一侧上设有突出部，使得车身支架的壁厚在其周向上基本保持相同。
由此，支架未被凹部减弱并且支架的重量仅相对微小地增加。
凹槽优选可构造为沿着纵向逐渐变细和/或变宽的。优选地，凹槽的几何形状变化根据期望的失效力变化曲线进行构造。
由此可简单且未显著改变结构空间地形成在剥开和很细小的破碎之间的失效力变化曲线。
优选地，车身支架是具有开放轮廓和/或封闭轮廓的异形支架。这种类型的轮廓具有多个壁，其中，在一个或多个壁中可构成有凹部和/或突出部。
凹部和/或突出部在具有多个壁的车身支架中尤其是构成在较宽的壁部段上。凹部和/或突出部在具有多个壁的车身支架中尤其是构成在车身支架的较宽的壁上。横截面为矩形且非正方形的车身支架例如具有两个宽壁和两个窄壁。
在宽壁中可根据凹部和/或突出部的存在性和构造方式来实现在小块失效和大体积失效之间的特别大的差别并且因而实现在失效力变化曲线中的特别大的差别。因此在本发明意义中将凹部和/或突出部设置在较宽的壁中比设置在较窄的壁中更为有效。
优选地，车身支架是空心支架、即具有封闭轮廓且横截面为多边形、优选大致为矩形的支架。
根据本发明的车身支架可在其所有方案中由碳纤维增强塑料(其也称为碳纤维增强塑料或碳纤维复合材料)制成。作为替代方案，也可使用玻璃纤维增强塑料或芳香尼龙纤维增强塑料或借助其它任何适合的纤维增强的塑料/复合材料。
根据一种优选扩展方案，车身支架的壁的壁厚可以是基本恒定的。这意味着，壁厚即使在具有凹部和/或突出部的部位上也是基本恒定的。特别地，壁的壁厚至少可在横向于支架纵向的方向上是恒定的。
优选地，车身支架设置在针对机动车正面碰撞的前部负荷路径中和/或设置在针对机动车尾部碰撞的后部负荷路径中。车身支架可直接或间接地例如经由变形元件、即碰撞吸能盒与保险杠横梁连接。变形元件例如设计成可更换的并且用于在机动车的低速范围内吸收碰撞能量，同时避免设置在该变形元件后方的车身支架的不可逆的损坏。
根据本发明的车身支架可以是前部的纵向支架(其在具有前置发动机的机动车中又称为发动机支架)或后部的纵向支架。前部的纵向支架可在车前部的绝大部分上延伸、例如从保险杠横梁或变形元件延伸到车厢前壁，该车厢前壁将机动车的车前部与乘员舱隔开。
但车身支架例如也可以是A柱或车顶框架或车身门槛或类似物。
优选地，车身支架可以沿着其纵向具有至少一个高碰撞能量吸收部段，在该高碰撞能量吸收部段中在壁中构造有凹部和/或突出部。车身支架同样也可具有低碰撞能量吸收部段，在该低碰撞能量吸收部段中在壁中未构成有凹部和/或突出部。由此车身支架具有至少两个不同的失效部段。
本发明的上述的进一步改进的特征彼此间可尽可能任意地组合。
附图说明
下面对附图进行简要说明：
图1为根据本发明的一种实施例的车身支架的示意性侧视图和剖视图；
图2为一个示意性曲线图，其定性地示出在根据本发明的第一实施例的车身支架失效时关于时间的力变化曲线；
图3为根据本发明第二实施例的车身支架的示意性侧视图和剖视图；
图4为一个示意性曲线图，其定性地示出在根据本发明的第二实施例的车身支架失效时关于时间的力变化曲线。
具体实施方式
下面参考附图对本发明的实施例进行说明。
图1示出根据本发明的第一实施例的车身支架1的侧视图。如在沿着线A-A的示意性剖视图中所示，车身支架1具有大致矩形的横截面。矩形的车身支架1在其长侧面上具有两个相对置的壁11和12。所述相对置的壁11和12连接在通过同样相对置的壁13和14构成的短侧面上，其中，这四个壁11、12、13、14共同构成车身支架1的矩形轮廓。在相对置的壁11和12中分别构成有两个凹槽3，这些凹槽形成根据本发明的凹部。凹槽3尤其是构成在壁11和12的外侧面(外侧)上。凹槽3平行于车身支架1的纵向延伸。对应于凹槽3，在壁11和12的内侧面(内侧)上构成有与凹槽3相对应的突出部或者说脊部5。凹槽3和突出部5尤其是彼此相对应地构造成，使得壁11和12的壁厚不变或者说基本上恒定。凹槽3及突出部5具有逐渐变细的走向并且从车身支架1的始端(在图1中在左侧)出发在确定的长度上沿着车身支架1的纵向延伸。凹槽3在车身支架1的始端处最宽并且连续地逐渐变细直至该凹槽的末端。车身支架的具有凹槽3和突出部5的部段是根据本发明的高碰撞能量吸收部段。在车身支架1的接下来的部段、即在图1中的右侧部段中未构成有凹槽或突出部。该部段是根据本发明的低碰撞能量吸收部段。
下面对在机动车碰撞时车身支架1的失效进行说明。车身支架1例如可以是前部的纵向支架，该前部的纵向支架通常也称为发动机支架，其中，车身支架1的左端部指向机动车主行驶方向，而车身支架1的右端部指向机动车主行驶方向的反方向。但车身支架1也可以是在机动车车身中的在结构上起作用的另外的支架，在机动车碰撞情况下该另外的支架沿着其纵向受力。这种类型的车身支架1在其失效时用于耗散碰撞能量并且应防止不超过作用于车辆乘员的减速度/加速度的阈值。
如果现在由于碰撞使得碰撞负荷沿着车身支架1的纵向(尤其是从在图1中的左侧方向)起作用，则车身支架1的失效可以在其左端部或者说在其关于碰撞方向的前端部上引起或者说触发，从而开始发生在前端部上的失效。
车身支架1在前端部上在长侧壁11和12中具有特别宽的凹槽3和与这些凹槽相对应的突出部5。由于所述凹槽3和突出部5，在支架的壁11或12中构成有相对不平坦的部段。由此产生壁11和12的相对小块的破碎，因为纤维沿着许多弯曲部延伸。小块的破碎又在相对大的力的情况下进行。
在图2中定性地示出在碰撞时力关于时间的变化曲线。如果在图1中所示的车身支架1在其前端部上开始失效，则所述失效在较早时刻或者说在时刻0处由于凹槽3/突出部5的最宽部位而在相对大的力的情况下进行。但由于凹槽3/突出部5连续变窄，所以平坦的部段与不平坦的部段、即凹槽或突出部的比值减小，从而壁11和12的破碎越来越粗大。这在图2中通过下降的力变化曲线示意性示出。如果现在车身支架1的失效到达一个部段，在该部段中不再有凹槽或突出部并且壁11和12基本上平坦地延伸，则由此有利于通过剥离的失效。与通过破碎的失效相比，通过剥离的失效在较小的力的情况下发生。在通过剥离的失效时明显更少的纤维发生断裂并且壁11和12通常主要向外弯曲，也就是说这些壁转向了最多180°，其中，这些壁在与上部的面和下部的面或者说上壁和下壁的棱边上裂开。因此，从车身支架1的不再有凹槽和突出部并且车身支架1的几何形状在一段长度上不再变化的部段起，失效在相对低的力的情况下进行，该力基本上恒定。
当然，在图1中所示的车身支架1以及在图2中所示的力变化曲线是以一定的方式理想化地示出的，但应定性地良好地示出本发明的基本原理。
可设想车身支架的许多其它的几何形状，其中，由于在车身支架中的有针对性的不平整(其导致在壁中的弯曲部并且因而导致纤维的弯曲)可有针对性地控制失效并且尤其是可引起通过破碎的失效或通过剥离的失效或者说较小块的失效或较大块的失效，所述失效分别在不同的力水平的情况下进行。
这在碰撞过程中尤其是具有下述优点：例如在碰撞过程中即使在较小的有效质量的情况下也可以降低失效进行时的力水平，从而作用于车辆乘员的减速度/加速度不超过确定的阈值。
在图3中示出本发明第二实施例的车身支架1。对于相同或相似的特征使用与第一实施例中相同的附图标记。下面尤其是对与第一实施例的不同之处进行说明并且基本上省去了对与第一实施例的共同点的说明。
如在第一实施例中那样，车身支架1在矩形轮廓的相对置的侧壁11和12中同样具有凹部3或突出部5。与第一实施例不同的是，在第二实施例中凹部3或突出部5构造成，使得它们在车身支架1的前端部上开始缓慢地逐渐变宽、在确定的距离上具有恒定的宽度并且在接下来的部段中连续地逐渐变细。
第二实施例的车身支架1的失效同样从左侧、即从车身支架1的前端部开始，在此可以相应地触发在前端部上的失效。凹部3/突出部5的上述几何形状在机动车碰撞情况下(在此时负荷从左侧沿车身支架1的纵向作用于车身支架1上)导致：车身支架1失效时的力在失效开始时是相对小的、随后连续地增大、恒定地在最高水平上保持并且随后又根据凹槽的逐渐变细而连续下降直至所述力再次恒定地保持在一个低水平上。
力变化曲线由如下方式决定：当失效在车身支架1的前端部上开始时，由于不存在凹槽3或突出部5所述失效首先以剥开方式进行，并且随后过渡成连续地变成更小块的破碎，该破碎又在凹槽3或突出部5的直的部段上达到恒定水平，在逐渐变细的凹槽3或突出部5的区域中所述破碎连续变成更大块直至其过渡成通过剥离的失效。
如在第一和第二实施例中所示，根据本发明可通过调整支架的几何形状按期望地影响在支架失效时的力变化曲线。几何形状改变尤其是通过改变平面与曲面的比例来实现，由此控制失效的类型。在曲面相对多时车身支架的对应的壁倾向于通过破碎的失效，而在平面相对大时极有可能发生通过剥离的失效。因此，通过在这些失效类型之间的中间阶段可实现所期望的关于时间的力变化曲线，而不显著改变支架的结构空间或增加支架的重量。

Claims (19)

1.用于机动车的车身支架(1)，该车身支架由纤维增强塑料制成并且构造为在机动车碰撞情况下吸收能量的车身支架，其中，车身支架(1)具有壁(11、12)，该壁设有凹部(3)和/或突出部(5)，使得在沿着车身支架(1)的纵向施加预定的碰撞阈负荷时，壁(11、12)的失效在凹部(3)和/或突出部(5)的区域中通过破碎实现，所述凹部(3)和/或突出部(5)是平行于车身支架(1)纵向构造的凹槽和/或脊部。
2.根据权利要求1的车身支架，其特征在于，所述凹部(3)和/或突出部(5)在壁(11、12)中构造成，使得壁(11、12)的失效能够根据预定的力变化曲线进行控制。
3.根据权利要求2的车身支架，其特征在于，所述凹部(3)和/或突出部(5)在壁(11、12)中构造成，使得壁(11、12)的失效能够在车身支架(11、12)的失效路程上在通过破碎的失效和通过剥离的失效之间进行控制。
4.根据权利要求1至3之一的车身支架，其特征在于，所述壁(11、12)除了凹部(3)和/或突出部(5)之外基本上构造成平坦的。
5.根据权利要求1至3之一的车身支架，其特征在于，所述塑料借助连续纤维被增强。
6.根据权利要求5的车身支架，其特征在于，所述纤维以与凹部(3)和突出部(5)一致的方式跟随具有凹部(3)和/或突出部(5)的壁(11、12)的走向。
7.根据权利要求1至3之一的车身支架，其特征在于，所述纤维根据凹部(3)和/或突出部(5)经由缠绕工艺、编织工艺或拉挤成型工艺来布置。
8.根据权利要求1至3之一的车身支架，其特征在于，所述凹槽构成在车身支架(1)的壁(11、12)的外侧上，并且所述脊部构成在车身支架(1)的壁(11、12)的内侧上。
9.根据权利要求1至3之一的车身支架，其特征在于，所述凹槽和/或脊部构造为沿着纵向逐渐变细和/或变宽的。
10.根据权利要求9的车身支架，其特征在于，所述凹槽和/或脊部的几何形状变化根据期望的失效力变化曲线进行设计。
11.根据权利要求1至3之一的车身支架，其特征在于，所述车身支架(1)是具有开放轮廓和/或封闭轮廓的、设有多个壁(11、12、13、14)的异形支架。
12.根据权利要求11的车身支架，其特征在于，所述车身支架(1)是具有大致矩形横截面的空心支架。
13.根据权利要求11的车身支架，其特征在于，所述凹部(3)和/或突出部(5)设置在较宽的壁部段中。
14.根据权利要求1至3之一的车身支架，其特征在于，所述车身支架由碳纤维增强塑料制成。
15.根据权利要求1至3之一的车身支架，其特征在于，所述壁(11、12)的壁厚基本上恒定。
16.根据权利要求15的车身支架，其特征在于，所述壁(11、12)的壁厚在横向于车身支架(1)纵向的方向上基本上恒定。
17.根据权利要求1至3之一的车身支架，其特征在于，所述车身支架(1)设置在针对机动车正面碰撞的前部负荷路径中和/或设置在针对机动车尾部碰撞的后部负荷路径中。
18.根据权利要求17的车身支架，其特征在于，所述车身支架(1)直接或间接地与保险杠横梁连接。
19.根据权利要求1至3之一的车身支架，其特征在于，所述车身支架(1)沿着其纵向具有至少一个高碰撞能量吸收部段以及至少一个低碰撞能量吸收部段，在该高碰撞能量吸收部段中在壁(11、12)中构成有凹部(3)和/或突出部(5)，在该低碰撞能量吸收部段中在壁(11、12)中未构成有凹部和/或突出部。
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