CN108016503A

CN108016503A - 用于中柱的减震加强结构

Info

Publication number: CN108016503A
Application number: CN201710328706.4A
Authority: CN
Inventors: 李文燮; 赵正敏; 张勋
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2016-10-31
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2018-05-11
Anticipated expiration: 2037-05-11
Also published as: KR101866080B1; US20180118279A1; DE102017207883A1; CN108016503B; DE102017207883B4; US10272951B2; KR20180049335A

Abstract

本发明涉及一种用于中柱的减震加强结构，该减震加强结构包括彼此划分开并作为一体而整体形成的高强度段、中强度段和低强度段，其中：高强度段由通过用树脂灌注碳纤维而形成的碳纤维增强塑料构成，并设置在车辆中柱的上部区域；低强度段由通过用树脂灌注碳纤维和烯烃基纤维而形成的复合材料构成，具有比高强度段更低的强度并设置在车辆中柱的下部区域；以及中强度段由通过用树脂灌注碳纤维和烯烃基纤维而形成的复合材料构成，具有介于高强度段的强度和低强度段的强度之间的强度，并设置在车辆中柱的中心区域。

Description

用于中柱的减震加强结构

技术领域

本发明涉及一种用于中柱的减震加强结构，更具体涉及以下这种中柱的减震加强结构，其可在发生侧面碰撞时减震。

背景技术

通常地，车辆的中柱将前座和后座彼此分开，并且将车辆框架的上端和下端相互连接，从而用于在车辆的侧表面发生冲击时保护乘客。

在发生侧面碰撞事故时，冲击力通常集中在中柱的下端上，因此中柱会被推向车辆的内部或者破裂，从而对驾驶者造成伤害。

如果中柱的强度较低，则难以防止中柱朝向车辆的内部变形，并且在车辆翻倒时，难以固定车辆的内部空间。另一方面，如果中柱的强度较高，则中柱不吸收冲击力，而是容易破裂，因此容易对驾驶者造成伤害。

因此，人们已开发出用于改变中柱的上部和下部的强度的方法。常规的示例方法包括轧制变厚度板法(Tailor Rolled Blank)(“TRB”)和激光拼焊板法(Tailor WeldedBlank)(“TWB”)。在TRB法中，中柱被制造成使得中柱的上面板和下面板具有不同的厚度。在TWB法中，具有不同强度的中柱的上部和下部通过激光焊接在一起。

在这些配置中，中柱的下部具有比中柱的上部更小的强度，因此在发生侧面碰撞时中柱可有效地吸收冲击力。

用于解决上述问题的单独的常规方法是用碳纤维增强塑料(“CFRP”)替代钢作为车辆框架的材料。

然而，CFRP的强度相对恒定，因此难以改变中柱的上部和下部的强度。

因此，需要一种由CFRP制成、用于中柱的加强结构，以便提供具有重量小和刚性高且在发生侧面碰撞时有效地吸收冲击力的车辆框架。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

为了解决上述问题而提出本发明，本发明的目的在于提供一种在CFRP基的车辆框架中有用的用于中柱的减震加强结构。

根据本发明的一方面，通过提供一种用于中柱的减震加强结构来实现上述和其它目的，该减震加强结构包括彼此被划分开并作为一体而整体形成的高强度段、中强度段和低强度段，其中：高强度段由通过用树脂灌注碳纤维而形成的碳纤维增强塑料构成，并设置在车辆中柱的上部区域；低强度段由通过用树脂灌注碳纤维和烯烃基纤维而形成的复合材料构成，具有比高强度段更低的强度并设置在车辆中柱的下部区域；以及中强度段由通过用树脂灌注碳纤维和烯烃基纤维而形成的复合材料构成，具有介于高强度段的强度和低强度段的强度之间的强度，并设置在车辆中柱的中心区域。

高强度段可以通过堆叠用树脂灌注碳纤维而形成的多个CFRP层进行制造。低强度段和中强度段每一个可以通过堆叠用树脂灌注碳纤维而形成的一个或多个CFRP层，以及通过用树脂灌注烯烃基纤维而形成的一个或多个烯烃基纤维层进行制造。

低强度段中的一个或多个烯烃基纤维层的总厚度与低强度段的总厚度的比率，可高于中强度段中的一个或多个烯烃基纤维层的总厚度与中强度段的总厚度的比率。

低强度段可包括总厚度为低强度段的总厚度的约55％～75％的一个或多个CFRP层，以及总厚度为低强度段的总厚度的约25％～45％的一个或多个烯烃基纤维层。中强度段可包括总厚度为中强度段的总厚度的约70％～90％的一个或多个CFRP层，以及总厚度为中强度段的总厚度的约10％～30％的一个或多个烯烃基纤维层。

低强度段的烯烃基纤维层的数量可大于中强度段的烯烃基纤维层的数量。

在一个示例性实施方式中，低强度段可包括7层，该7层包括并行堆叠的4～5个CFRP层和堆叠在经堆叠的第一层的外表面上的2～3个烯烃基纤维层。低强度段的烯烃基纤维层可以包括两个第二层，其中一个烯烃基纤维层布置在经堆叠的CFRP层的面向车辆内部和外部的表面上。可选地，两个烯烃基纤维层可以布置在经堆叠的CFRP层面向车辆外部的表面上，一个烯烃基纤维层可以布置在经堆叠的CFRP层面向车辆内部的表面上。

在又一个示例性实施方式中，中强度段可包括7层，该7层包括并行堆叠的5～6个CFRP层和堆叠在所堆叠的CFRP层的外表面上的1～2个烯烃基纤维层。中强度段的烯烃基纤维层包括布置在经堆叠的CFRP层的面向车辆内部的表面上的一个烯烃基纤维层、或两个第二层，其中每个分别布置在经堆叠的CFRP层的面向车辆内部和外部的表面上。

低强度段和中强度段通过用树脂灌注由碳纤维和烯烃基纤维编织的织物来制造。

碳纤维与形成低强度段的织物中的总纤维的比率，可低于碳纤维与形成中强度段的织物中的总纤维的比率。

碳纤维与形成低强度段的织物中的总纤维的比率约为50％～60％，烯烃基纤维与形成低强度段的织物中的总纤维的比率约为40％～50％；并且碳纤维与形成中强度段的织物中的总纤维的比率约为70％～80％，烯烃基纤维与形成中强度段的织物中的总纤维的比率约为20％～30％。

碳纤维可以具有约5000MPa以上的拉伸强度、约2％以下的断裂伸长率以及约1.5g/cm³～2g/cm³的密度；并且烯烃基纤维具有约600MPa以上的拉伸强度、约9％以上的断裂伸长率以及约1g/cm³以下的密度。

附图说明

从结合附图进行的下列详细描述，将更清楚地理解本发明的上述及其他目的、特征和其他优点，其中：

图1是示出根据本发明示例性实施例的中柱的外加强部的视图；

图2是根据本发明的示例性实施例的中柱的剖视图；

图3-5是根据本发明各种示例性实施例的中柱的剖视图，示出高强度段、中强度段和低强度段的结构的分解图；

图6(A)和6(B)是示出根据本发明各种示例性实施例的中柱的高强度段、中强度段和低强度段的布置的剖视图。

具体实施方式

现在将详细参照本发明的具体实施方式，这些具体实施方式的实施例在附图中说明。在可能的情况下，相同的附图标记将贯穿附图使用，以指代相同的或类似的部分。

下列描述中使用的技术术语仅用于描述具体实施例并且不意在限制本发明。另外，将理解的是，下列描述中使用的单数表达形式包括复数表达形式，除非上下文另外陈述。下列描述中使用的术语“包括”将理解为指示具体特征、区域、数字、步骤、操作、元件和/或部件的存在，并且不排除其他特征、区域、数字、步骤、操作、元件、部件和/或组合的存在。

包括下列描述中使用的技术术语和科学术语的所有术语可以具有通常由本领域的技术人员理解的意义，除非另外陈述。另外，在通用字典中定义的术语理解为具有与本发明的相关技术文件和公开一致的意义，并且不理解为具有理想的或过度正式的意义，除非另外定义。

在下文中，参照附图描述根据本发明一个示例性实施例的用于中柱的减震加强结构。

如图1和图2所示，用于车辆的中柱包括外加强部100、内加强部10、外板20和中间加强部30。根据车辆的种类以及在车辆上的位置，各个元件的横截面形状可以改变，并且可以省略中间加强部30。

根据本发明的示例性实施例的减震加强结构应用于外加强部100。也就是说，外加强部100被分成多个区域，使得各个区域具有不同的强度，因此在发生侧面碰撞事故时能够吸收冲击。

根据本发明的示例性实施例的外加强部100典型地由CFRP形成，并且还包括烯烃基纤维(olefin-based fiber)，以便补充韧性和伸长率，从而防止中柱断裂。

出于此目的，如图3中所示，根据示例性实施例，外加强部100可被分成三段：沿向上方向按顺序设置的低强度段110、中强度段120和高强度段130，并且各个部件110、120和130可以具有不同的横截面结构，以便具有不同的强度。

在图3中，外加强部100的左侧面向车辆的前部，外加强部100的右侧面向车辆的后部。在低强度段110、中强度段120和高强度段130的分解剖视图中，底侧面向车辆的外部，顶侧面向车辆的内部。

如图3所示，高强度段130通过堆叠多个CFRP层200而形成，具有最大强度。对于多个CFRP层200中的一部分，中强度段120和低强度段110通过用树脂灌注烯烃基纤维来代替烯烃基纤维层300而形成，以减少强度并增加韧性。

烯烃基纤维与碳纤维相比，具有低密度和杨氏模量以及高拉伸强度和断裂伸长率，因此，烯烃基纤维层300可以补充CFRP层200的低韧性。

在示例性实施例中，碳纤维具有特定物理特性，例如约5000MPa以上的拉伸强度、约2％以下的断裂伸长率和约1.5g/cm³～2g/cm³的密度，并且烯烃基纤维具有特定物理特性，例如约600MPa以上的拉伸强度、约9％以上的断裂伸长率以及约1g/cm³以下的密度。在这个实施例中，烯烃基纤维具有比碳纤维更低的强度和比碳纤维更高的断裂伸长率。

随着CFRP层200与外加强部100中的总层的百分比的增加，外加强部100的强度增大，韧性减小。随着烯烃基纤维层300与外加强结构100中的总层的百分比的增大，外加强部100的强度减小，并且韧性增大。

在示例性实施例中，可通过将低强度段110中的烯烃基层300的厚度调节成高于中强度段120中的烯烃基层300的厚度比，按顺序减小高强度段130、中强度段120和低强度段110的强度。

更具体地，低强度段110中的CFRP层200的厚度可以是低强度段110的总厚度的大约55％～75％，并且低强度段110中的烯烃基纤维层300的厚度可以是低强度段110的总厚度的大约25％～45％。CFRP层200的厚度可以是中强度段120的总厚度的大约70％～90％，并且烯烃基纤维层300的厚度可以是中强度段120的总厚度的大约10％～30％。

在本发明的该实施例中，高强度段130、中强度段120和低强度110中的每一个都包括7层。高强度段130的所有7层都是CFRP层200。每个中强度段120和低强度段110的CFRP层200和烯烃基纤维层300的总数量为7，每个中强度段120和低强度段110的强度和韧性，都通过调节烯烃基纤维层300的数量进行调节。尽管CFRP层200和烯烃基纤维层300的各个厚度以及CFRP纤维层200和烯烃基纤维层300的总厚度没有具体限制，各个层200和300的厚度可以基于制造方法而被限制到大约0.36mm～0.57mm，并且层200和300的总厚度可被限制到大约2.5mm～4.0mm，以实现预期的重量减小效果，并且在发生侧面碰撞时固定车辆内部。

此外，CFRP层200和烯烃基纤维层300的总量，可以根据车辆的种类和应用部件的种类而改变。

在示例性实施例中，低强度段110可包括烯烃基纤维层300，作为面向车辆的内部和外部的最外层；中强度段120可包括烯烃基纤维层300，作为面向车辆外部的最外层。也就是说，CFRP层200用作铁芯以改善强度，并且烯烃基纤维层300用于环绕CFRP层200的外表面并防止CFRP层200断裂。由于烯烃基纤维层300朝向车辆外部即施加侧面碰撞冲击力的方向布置，对减震更有效，因此每个低强度段110和中强度段120都包括朝向车辆外部设置的烯烃基纤维层300，并且低强度段110还包括烯烃基纤维层300，其朝向车辆内部设置以便与中强度段120相比，强度减小，韧性增大。

图4示出根据本发明另一示例性实施例的加强结构。在根据此实施例的加强结构中，与图3所示的加强结构相比，低强度段110包括朝向车辆外部布置的两个烯烃基纤维层300，中强度段120除了朝向车辆外部布置的烯烃基纤维层300，还包括朝向车辆内部布置的烯烃基纤维层300，从而能够进一步改善韧性。

如图3和图4所示，在任一实施例中，低强度段110的烯烃基纤维层300的数量和/或厚度应该大于中强度段120的烯烃基纤维层300的数量和/或厚度，使得低强度段110可以具有比中强度段120更低的强度。

如图5所示，在根据另一实施例的加强结构中，通过调节用树脂灌注的编织织物400中的碳纤维410与烯烃基纤维420的比率，来改变高强度段130、中强度段120和低强度段110中的每一个的强度和韧性。

虽然图5所示的局部放大剖视图仅示出如由碳纤维410和烯烃基纤维420编织的高强度段130、中强度段120和低强度段110中的每一个的中心部分，然而整个外加强部100基本上由碳纤维410和烯烃基纤维420编织。

高强度段130由通过用树脂灌注仅由碳纤维410编织的织物400形成的纤维板即CFRP构成，而中强度段120和低强度段110由通过用树脂灌注由碳纤维410和烯烃基纤维420编织的织物400形成的纤维板构成。

将低强度段110中的碳纤维410的比率调节成低于中强度段120中的碳纤维410的比率，使低强度段110的强度低于中强度段120的强度。

更详细地，构成低强度段110的织物400包括约50％～60％的碳纤维410以及约40％～50％的烯烃基纤维420，构成中强度段120的织物400包括大约70％～80％的碳纤维410和大约20％～30％的烯烃基纤维420。

通过利用由碳纤维410和烯烃基纤维420编织的织物400，将低强度段110和中强度段120彼此划分开，可以容易地形成具有复杂形状的低强度段110和中强度段120。

例如，低强度段110可以形成特定形状，以便部分地增大或减小强度或者引导发生侧面碰撞时的变形方向。

图6(A)和6(B)示出这种实施方式的实施例。如图6(A)所示，中强度段120的一些区域可以伸入到低强度段110中，从而连接到车辆的下部，或者如图6(B)所示，低强度段110的一些区域可以伸入到中强度段120，从而连接到高强度段130。

通过上面的描述很明显，根据本发明的用于中柱的减震加强结构具有以下描述的效果：

第一，用于中柱的减震加强结构可以防止乘客因中柱断裂而受到伤害；

第二，用于中柱的减震加强结构可以减轻中柱的重量，从而改善燃料效率；

第三，用于中柱的减震加强结构通过使用廉价的烯烃基纤维而使成本降低；

第四，用于中柱的减震加强结构使具有不同强度的部件，能够通过利用简单的制作方法，使要制造的区域作为整体进行制造，从而使成本降低，并改善可操作性。

尽管已出于说明的目的对本发明的优选实施例进行描述，然而本领域的技术人员应该理解，在不背离如权利要求中所公开的本发明的范围和精神内，还可以具有各种修改、添加和替代。

Claims

1.一种用于车辆中柱的减震加强结构，所述减震加强结构包括彼此划分开并作为一体而整体形成的高强度段、中强度段和低强度段，其中：

所述高强度段由通过用树脂灌注碳纤维而形成的碳纤维增强塑料构成，并设置在车辆中柱的上部区域；

所述低强度段由通过用树脂灌注碳纤维和烯烃基纤维而形成的复合材料构成，具有比所述高强度段更低的强度并设置在所述车辆中柱的下部区域；以及

所述中强度段由通过用树脂灌注碳纤维和烯烃基纤维而形成的复合材料构成，具有介于所述高强度段的强度和所述低强度段的强度之间的强度，并设置在所述车辆中柱的中心区域。

2.根据权利要求1所述的用于车辆中柱的减震加强结构，其中：

所述高强度段包括通过用树脂灌注碳纤维而形成的多个碳纤维增强塑料层；并且

所述低强度段和所述中强度段中的每一个都包括通过用树脂灌注碳纤维而形成的一个或多个第一碳纤维增强塑料层，以及通过用树脂灌注烯烃基纤维而形成的一个或多个烯烃基纤维层。

3.根据权利要求2所述的用于中柱的减震加强结构，其中所述低强度段中的一个或多个烯烃基纤维层的总厚度与所述低强度段的总厚度的比率，高于所述中强度段中的一个或多个烯烃基纤维层的总厚度与所述中强度段的总厚度的比率。

4.根据权利要求3所述的用于车辆中柱的减震加强结构，其中：

所述低强度段包括总厚度为所述低强度段的总厚度的约55％～75％的一个或多个碳纤维增强塑料层，以及总厚度为所述低强度段的总厚度的约25％～45％的一个或多个烯烃基纤维层；并且

所述中强度段包括总厚度为所述中强度段的总厚度的约70％～90％的一个或多个碳纤维增强塑料层，以及总厚度为所述中强度段的总厚度的约10％～30％的一个或多个烯烃基纤维层。

5.根据权利要求2所述的用于车辆中柱的减震加强结构，其中所述低强度段的烯烃基纤维层的数量大于所述中强度段的烯烃基纤维层的数量。

6.根据权利要求5所述的用于中柱的减震加强结构，其中：

所述低强度段包括7层，该7层包括并行堆叠的4～5个碳纤维增强塑料层和堆叠在经堆叠的碳纤维增强塑料层的外表面上的2～3个烯烃基纤维层。

7.根据权利要求6所述的用于中柱的减震加强结构，其中：

所述低强度段包括7层，该7层包括并行堆叠的5个碳纤维增强塑料层和堆叠在经堆叠的碳纤维增强塑料层的外表面上的2个烯烃基纤维层；

其中所述低强度段的烯烃基纤维层布置在经堆叠的碳纤维增强塑料层的向内面向车辆内部的表面上，以及经堆叠的碳纤维增强塑料层的面向车辆外部的表面上。

8.根据权利要求6所述的用于中柱的减震加强结构，其中：

所述低强度段包括7层，该7层包括并行堆叠的4个碳纤维增强塑料层和堆叠在经堆叠的碳纤维增强塑料层的外表面上的3个烯烃基纤维层；

其中所述低强度段的两个烯烃基纤维层布置在经堆叠的碳纤维增强塑料层的面向车辆外部的表面上，一个烯烃基纤维层布置在经堆叠的碳纤维增强塑料层的面向车辆内部的表面上。

9.根据权利要求5所述的用于中柱的减震加强结构，其中：

所述中强度段包括7层，该7层包括并行堆叠的5～6个第一层和堆叠在所堆叠的第一层的外表面上的1～2个第二层。

10.根据权利要求9所述的用于中柱的减震加强结构，其中：

所述中强度段包括7层，该7层包括并行堆叠的6个碳纤维增强塑料层和布置在经堆叠的碳纤维增强塑料层的面向车辆内部的表面上的1个烯烃基纤维层。

11.根据权利要求9所述的用于中柱的减震加强结构，其中：

所述中强度段包括7层，该7层包括并行堆叠的5个碳纤维增强塑料层和2个烯烃基纤维层，其中1个烯烃基纤维层布置在经堆叠的碳纤维增强塑料层的面向车辆内部的表面上，1个烯烃基纤维层布置在经堆叠的碳纤维增强塑料层的面向车辆外部的表面上。

12.根据权利要求1所述的用于中柱的减震加强结构，其中所述低强度段和所述中强度段通过用树脂灌注由碳纤维和烯烃基纤维编织的织物来制造。

13.根据权利要求12所述的用于中柱的减震加强结构，其中碳纤维与形成所述低强度段的织物中的总纤维的比率，低于碳纤维与形成所述中强度段的织物中的总纤维的比率。

14.根据权利要求13所述的用于中柱的减震加强结构，其中：

碳纤维与形成所述低强度段的织物中的总纤维的比率约为50％～60％，烯烃基纤维与形成所述低强度段的织物中的总纤维的比率约为40％～50％；并且

碳纤维与形成所述中强度段的织物中的总纤维的比率约为70％～80％，烯烃基纤维与形成所述中强度段的织物中的总纤维的比率约为20％～30％。

15.根据权利要求1所述的用于中柱的减震加强结构，其中：

碳纤维具有约5000MPa以上的拉伸强度、约2％以下的断裂伸长率以及约1.5g/cm³～2g/cm³的密度；并且

烯烃基纤维具有约600MPa以上的拉伸强度、约9％以上的断裂伸长率以及约1g/cm³以下的密度。