CN114852180B - 用于车身结构的纤维增强聚合物复合部件及其制造方法 - Google Patents

用于车身结构的纤维增强聚合物复合部件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于车身结构的纤维增强聚合物复合部件及其制造方法。提出了用于车身结构的纤维增强聚合物（FRP）复合部件、用于制造/使用此类部件的方法以及配备有此类部件的机动车辆。车身结构包括一个或多个细长的支撑纵梁（例如，一对横向车顶纵梁），其各自具有内成型纵梁板，该内成型纵梁板接合到外成型纵梁板以限定内纵梁腔。一个或多个细长的支撑柱（例如，前、侧和/或后车辆柱）邻接支撑纵梁并且各自包括内成型柱板，该内成型柱板接合到外成型柱板，以限定耦接到内纵梁腔的内柱腔。一个或两个成型柱板和一个或两个成型纵梁板全部或部分地由FRP材料形成。结构增强插入件可位于邻接的柱和纵梁内，从而填充内腔内的离散区域。

Description

用于车身结构的纤维增强聚合物复合部件及其制造方法
技术领域
本公开总体上涉及机动车辆的承载车身结构。更具体而言，本公开的各方面涉及用于改进装载和车顶挤压性能的聚合物复合车辆柱和车顶纵梁。
背景技术
大多数当前生产的机动车辆，例如现代汽车，都在刚性车身上作为框架车身或一体式构造装设有内部乘客舱，该内部乘客舱安置并保护车辆乘员。安装在车身的前A柱之间的是挡风玻璃，其提供了空气动力学形成的车窗，驾驶员通过该车窗观察道路，同时防止风、雨和碎屑的不期望的进入。驾驶员侧和乘客侧门组件被可移动地安装在A柱和B柱(轿跑)以及B柱和C柱(轿车)之间，以提供对乘客舱的受控进入，并且使得能够通过附随的门窗实现横向可见性。后窗或后玻璃被安装在C柱(三箱式车身设计)或D柱(两箱式车身设计)之间，以封闭乘客舱的后端，但提供通过该后端的可见性。为了为乘客舱提供额外的阳光和可选的通风，顶窗或天窗组件可被安装在车辆的车顶结构内，例如，由前部和后部的车顶横梁(roof header)和横向车顶纵梁支撑。
发明内容
本文提供了用于车身结构的纤维增强聚合物(FRP)复合部件，用于制造此类部件的方法和用于使用此类部件的方法，以及具有整体碳纤维聚合物(CFP)复合柱和车顶纵梁的机动车辆。作为示例，车辆上部车身结构通常以安装在柱阵列上的承载车顶结构为代表，该柱阵列在车顶和车辆的下车身部分之间提供下方支撑。该柱阵列包括：处于乘客舱的前端处的一对前(A)柱；处于乘客舱的后端处的一对后(C)柱；以及根据车身类型，介于A柱和C柱之间的一对侧(B)柱。车顶结构大致由邻接柱的顶端的横向隔开的车顶侧纵梁以及限定前部和后部挡风玻璃框架的上部范围的纵向隔开的前部和后部横梁构成。车顶横梁的相对端可被安装到车顶侧纵梁的凸缘或内侧表面，以协作地限定具有中央开口的车顶框架。例如，对于全景“玻璃车顶”汽车，透明层压复合车顶板可被安装到车顶框架上，以覆盖该中央开口。
继续前面对代表性车辆上部车身结构的讨论，每个A柱都可由成型的FRP内板件和外板件制造为由两部分构成的构造，上述板件例如通过焊接、夹紧、紧固等接合在一起，以限定纵向细长的内腔。每个车顶纵梁可被制造为由三部分构成的构造，其中相同的两个FRP板件接合到位于内板件和外板件的内侧的第三成型FRP板件。在一个更具体的示例中，每个A柱由至少两个互连的热固性碳纤维聚合物复合板与相应的车顶纵梁一体地形成。用于形成车顶纵梁部段的第三CFP复合板的横向宽度沿车身的前后长度变化(例如，增大随后减小)。第三CFP板所接合到的第二CFP板的安装凸缘具有类似地沿车身的前后长度变化的横向宽度。A柱的内腔被连接到车顶纵梁的内腔，并且全部或部分地填充有膨胀的聚合物泡沫填料或蜂窝芯插入件。
所公开的概念中的至少一些的附带益处包括表现出改进的噪声、振动和不平顺性(NVH)性能的车身结构的纤维增强复合部件。对于汽车应用，通过安装到车辆的上部车身结构上的透明车顶板，一体式FRP A柱和车顶纵梁构造借助最大化日光开口(DLO)的总面积而有助于增加乘员可见性。具有选择性定位的内部增强特征的中空的车辆柱和车顶纵梁以有限的附加车辆质量提供了局部加强，以使得能够装载在期望的平面中，以实现最佳的车顶挤压性能。除了改善车身完整性和NVH特性之外，所公开的特征还可有助于减小总体车辆质量，这是通过减少支撑上部车身质量，并且可选地消除横跨车辆的增强弓形件(cross-carreinforcement bow)，这又导致改进的燃料经济性以及对于HEV和FEV应用而言的增加的车辆里程。
本公开的各方面涉及用于车身结构的FRP部件。在一个示例中，用于机动车辆的车身结构包括一个或多个细长的支撑纵梁(例如，一对横向车顶纵梁)和邻接支撑纵梁的一个或多个细长的支撑柱(例如，竖直或斜向的前、侧和/或后车辆柱)。每个支撑纵梁包括内(第一)成型纵梁板，其接合到外(第二)成型纵梁板，以在它们之间限定内纵梁腔。同样，每个支撑柱包括内(第一)成型柱板，其接合到外(第二)成型柱板，以在其间限定内柱腔。内柱腔被耦接到内纵梁腔，例如用于共同限定延伸穿过支撑柱和支撑纵梁的连续通道。成型纵梁板中的一个或两个全部或部分地由第一FRP材料形成。同样，成型柱板中的一个或两个全部或部分地由第二FRP材料形成，该第二FRP材料可与第一FRP材料相同或不同。
本公开的另外的方面涉及组装有承载上部车身结构的机动车辆，该上部车身结构具有局部增强的CFP复合柱和车顶纵梁。如本文所用的，术语“车辆”和“机动车辆”可互换和同义地使用，以包括任何相关的车辆平台，例如乘用车(ICE、HEV、FEV、燃料电池、完全和部分自动驾驶等)、商用车、工业车辆、履带式车辆、越野和全地形车(ATV)、摩托车、农用设备、水运工具、飞机、电动自行车(“ebikes”)等。在一个示例中，机动车辆包括具有限定乘客舱的上部和下部车身结构的车身、安装到车身的多个车轮以及其他标准原始设备。可具有发动机组件(例如，用于内燃机(ICE)动力总成)、电动牵引马达(例如，用于全电动车辆(FEV)动力总成)或发动机组件和牵引马达两者(例如，用于混合动力电动车辆(HEV)动力总成)的性质的原动机选择性地驱动一个或多个车轮，以由此推进车辆。
继续上述示例的讨论，车辆还包括刚性上部车身结构，其具有一对细长的车顶纵梁，该车顶纵梁沿车辆的前后长度纵向延伸，并在其上支撑车顶板。每个车顶纵梁包括一对成型纵梁板，其接合在一起以形成内纵梁腔。一对细长的支撑柱从车顶纵梁向下突出并邻接车顶纵梁，以限定用于前、后或侧车窗的窗框。每个支撑柱包括一对成型柱板，其接合在一起以形成内柱腔。例如，每个柱腔被耦接到相应的纵梁腔，以共同形成从支撑柱延伸到支撑纵梁中的连续通道。成型纵梁板中的一个或两个全部或部分地由FRP材料形成，并且成型柱板中的一个或两个全部或部分地由FRP材料形成，该FRP材料可与纵梁板FRP材料相同或不同。
本公开的各方面还涉及用于制造任何公开的FRP车身部件、承载车身结构和/或机动车辆的制造系统和方法。在一个示例中，提出了一种用于制造机动车辆的车身结构的方法。以任何顺序以及与任何上文和下文公开的选择和特征的任何组合，该代表性方法包括：通过将第一成型纵梁板接合到第二成型纵梁板以在其间限定内纵梁腔，来形成细长的支撑纵梁，所述第一成型纵梁板和/或所述第二成型纵梁板包括第一纤维增强聚合物(FRP)材料；通过将第一成型柱板接合到第二成型柱板以在其间限定内柱腔，来形成细长的支撑柱，所述第一成型柱板和/或所述第二成型柱板包括第二FRP材料；以及将所述细长的支撑柱附接到所述细长的支撑纵梁，使得所述内纵梁腔被耦接到所述内柱腔。
对于任何公开的车身结构、方法和车辆，内(第一)成型纵梁板可包括一对向外突出的(第一)凸缘，并且外(第二)成型纵梁板可包括一对向外突出的(第二)凸缘，其中每一个直接附接到内(第一)板的凸缘中的相应一个。外(第二)成型纵梁板的凸缘中的一个具有沿车身结构的前后长度延伸的纵向长度和沿车身的前后长度变化的横向宽度。对于该可变宽度，内纵梁腔可具有同样沿车身结构的前后长度变化的非均匀横剖面。
对于任何所公开的车身结构、方法和车辆，内(第一)成型纵梁板和内(第一)成型柱板各自包括三个或更多个基本上平坦的第一板段(例如，四个平坦板段)。这些板段中的每一个都连接到一个或多个其他板段并以倾斜角度从该一个或多个其他板段突出。同样，外(第二)成型纵梁板和外(第二)成型柱板各自包括三个或更多个基本上平坦的第二板段(例如，五个平坦板段)。可选地，这些板段中的每一个都连接到一个或多个其他板段并以倾斜角度从该一个或多个其他板段突出。
对于任何公开的车身结构、方法和车辆，每个支撑纵梁还可包括内部(第三)成型纵梁板，其沿其一侧接合到内纵梁板并且沿其相对侧接合到外纵梁板。该内部成型纵梁板全部或部分地由FRP材料形成，该FRP材料与用于形成其他内板件和外板件的FRP材料相同或不同。例如，所有的成型纵梁板和柱板都可由热固性碳纤维聚合物复合材料形成。可替代地，一个或多个成型板件可利用金属材料形成，例如冲压铝片金属。作为又一选择，内部(第三)成型纵梁板具有垂直于纵向纵梁长度的横向纵梁宽度；该纵向长度沿车身结构的前后长度延伸，而该横向宽度沿车身的前后长度变化。
对于任何公开的车身结构、方法和车辆，内成型纵梁板可与内成型柱板一体地形成为单件式结构，并且外成型纵梁板可与外成型柱片一体地形成为另一单件式结构。FRP复合材料可由碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等组成，它们单向、双向或多向地布置在固化的聚合物基质内。如上所述，机动车辆可以是具有前挡风玻璃、相对的前横梁和后横梁以及透明或不透明的车顶板的汽车。在这种情况下，支撑纵梁是横向车顶纵梁，其与前横梁和后横梁协作，以为车顶板提供下方支撑。另外，支撑柱可以是A柱，其与前横梁和下部围罩(lower cowl)协作，以至少部分地限定为前挡风玻璃提供下方支撑的窗框。
本发明还包括以下技术方案。
方案1.一种机动车辆的车身结构，所述车身结构包括：
细长的支撑纵梁，其包括第一成型纵梁板，所述第一成型纵梁板接合到第二成型纵梁板，以在其间限定内纵梁腔，所述第一成型纵梁板和/或所述第二成型纵梁板包括第一纤维增强聚合物(FRP)材料；以及
细长的支撑柱，其邻接所述支撑纵梁并且包括第一成型柱板，所述第一成型柱板接合到第二成型柱板，以在其间限定耦接到所述内纵梁腔的内柱腔，所述第一成型柱板和/或所述第二成型柱板包括第二FRP材料。
方案2.根据方案1所述的车身结构，其中，所述第一成型纵梁板包括一对向外突出的第一凸缘，并且所述第二成型纵梁板包括一对向外突出的第二凸缘，所述第二凸缘各自安装到所述第一凸缘中的相应一个。
方案3.根据方案2所述的车身结构，其中，所述第二成型纵梁板的所述第二凸缘中的一个具有横向凸缘宽度和纵向凸缘长度，所述纵向凸缘长度沿所述车身结构的前后长度延伸，并且所述横向凸缘宽度沿所述车身结构的所述前后长度变化。
方案4.根据方案3所述的车身结构，其中，所述内纵梁腔具有沿所述车身结构的所述前后长度变化的非均匀横剖面。
方案5.根据方案1所述的车身结构，其中，所述第一成型纵梁板和所述第一成型柱板各自包括至少三个基本上平坦的第一板段，并且其中，所述第一板段中的每一个被连接到所述第一板段中的另一个第一板段并以倾斜角度从所述另一个第一板段突出。
方案6.根据方案1所述的车身结构，其中，所述第二成型纵梁板和所述第二成型柱板各自包括至少三个基本上平坦的第二板段，并且其中，所述第二板段中的每一个被连接到所述第二板段中的另一个第二板段并以倾斜角度从所述另一个第二板段突出。
方案7.根据方案1所述的车身结构，其中，所述支撑纵梁还包括第三成型纵梁板，所述第三成型纵梁板沿其第一侧接合到所述第一成型纵梁板并且沿其第二侧接合到所述第二成型纵梁板，所述第三成型纵梁板包括第三FRP材料。
方案8.根据方案7所述的车身结构，其中，所述第三成型纵梁板具有横向纵梁宽度和纵向纵梁长度，所述纵向纵梁长度沿所述车身结构的前后长度延伸，并且所述横向纵梁宽度沿所述前后长度变化。
方案9.根据方案7所述的车身结构，其中，所述第一FRP材料、所述第二FRP材料和所述第三FRP材料为热固性碳纤维聚合物(CFP)复合材料。
方案10.根据方案1所述的车身结构，其中，所述机动车辆包括前挡风玻璃和车顶板，其中，所述车身结构还包括前横梁和后横梁，并且其中，所述支撑纵梁是与所述前横梁和所述后横梁协作构造以支撑所述车顶板的车顶纵梁，并且所述支撑柱是与所述前横梁协作以至少部分地限定构造成支撑所述前挡风玻璃的窗框的A柱。
方案11.根据方案1所述的车身结构，其中，所述第一成型纵梁板与所述第一成型柱板一体地形成为第一单件结构，并且所述第二成型纵梁板与所述第二成型柱板一体地形成为第二单件结构。
方案12.根据方案1所述的车身结构，还包括结构增强插入件，所述结构增强插入件位于所述支撑柱和所述支撑纵梁内，并且填充互连的内纵梁腔和内柱腔内的离散区域。
方案13.根据方案12所述的车身结构，其中，所述结构增强插入件包括细长的聚合物泡沫插入件和/或细长的蜂窝状插入件。
方案14.一种机动车辆，包括：
车身，其具有邻接下部车身结构的上部车身结构；以及
原动机，其安装在所述车身上并且能够操作以推进所述机动车辆，
其中，所述上部车身结构包括：
细长的第一和第二车顶纵梁，其沿所述机动车辆的前后长度纵向延伸并且在其上支撑车顶板，所述第一和第二车顶纵梁各自包括相应的第一成型纵梁板，所述第一成型纵梁板接合到相应的第二成型纵梁板，以在其间限定相应的内纵梁腔，所述第一成型纵梁板和/或所述第二成型纵梁板包括第一纤维增强聚合物(FRP)材料；以及
细长的第一和第二支撑柱，其相应地从所述第一和第二车顶纵梁向下突出并邻接所述第一和第二车顶纵梁，以限定窗框，所述第一和第二支撑柱各自包括相应的第一成型柱板，所述第一成型柱板接合到相应的第二成型柱板，以在其间限定相应的内柱腔，其中，所述内柱腔中的每一个被耦接到所述内纵梁腔中的相应一个，并且所述第一成型柱板和/或所述第二成型柱板包括第二FRP材料。
方案15.一种制造机动车辆的车身结构的方法，所述方法包括：
通过将第一成型纵梁板接合到第二成型纵梁板以在其间限定内纵梁腔，来形成细长的支撑纵梁，所述第一成型纵梁板和/或所述第二成型纵梁板包括第一纤维增强聚合物(FRP)材料；通过将第一成型柱板接合到第二成型柱板以在其间限定内柱腔，来形成细长的支撑柱，所述第一成型柱板和/或所述第二成型柱板包括第二FRP材料；以及
将所述细长的支撑柱附接到所述细长的支撑纵梁，使得所述内纵梁腔被耦接到所述内柱腔。
方案16.根据方案15所述的方法，其中，所述第一成型纵梁板包括一对向外突出的第一凸缘，并且所述第二成型纵梁板包括一对向外突出的第二凸缘，所述第二凸缘各自安装到所述第一凸缘中的相应一个，所述第二凸缘中的一个具有沿所述车身结构的前后长度变化的横向凸缘宽度。
方案17.根据方案16所述的方法，所述内纵梁腔具有沿所述车身结构的所述前后长度变化的非均匀横剖面。
方案18.根据方案15所述的方法，其中，所述支撑纵梁还包括接合到所述第一成型纵梁板和所述第二成型纵梁板的第三成型纵梁板，所述第三成型纵梁板包括第三FRP材料，所述第三成型纵梁板具有沿所述车身结构的前后长度变化的横向纵梁宽度。
方案19.根据方案15所述的方法，还包括将结构增强插入件定位在所述支撑柱和所述支撑纵梁内，使得所述结构增强插入件填充所述内纵梁腔和所述内柱腔内的离散区域。
方案20.根据方案1所述的方法，其中，将所述支撑柱附接到所述支撑纵梁包括将所述第一成型纵梁板与所述第一成型柱板一体地形成为第一单件式FRP结构，并且将所述第二成型纵梁板与所述第二成型柱板一体地形成为第二单件式FRP结构。
以上概述并不代表本公开的每个实施例或每个方面。相反，当结合附图时，通过下面对用于实施本公开的说明性示例和模式的详细描述，本公开的上述特征和优点以及其他特征和伴随的优点将是显而易见的。此外，本公开明确地包括上文和下文呈现的元件和特征的任何和所有组合和子组合。
附图说明
图1是根据本公开的各方面的代表性机动车辆的高架透视图，该机动车辆具有安装在上部车身结构上的透明车顶板，该上部车身结构具有一体式的FRP车辆柱和车顶纵梁。
图2是沿图1的插图中的线2-2以剖面图截取的代表性局部增强FRP A柱的后向端视图。
图3是沿图1的插图中的线3-3以剖面图截取的代表性局部增强FRP车顶纵梁的后向端视图。
图4是沿图1的插图中的线4-4以剖面图截取的FRP车顶纵梁的后向端视图。
图5是图1的车辆上部车身结构的平面图，其中最上部车顶板被移除，以更清楚地示出限定了增强FRP车顶结构的车顶纵梁部段的成型FRP板的可变横向宽度。
本公开的代表性实施例在附图中通过非限制性示例的方式示出并且在下面更详细地描述。然而，应当理解的是，本公开的新颖方面不限于上面列举的附图中所示的特定形式。而是，本公开将覆盖落入如例如所附权利要求涵盖的本公开的范围内的所有修改、等同形式、组合、子组合、置换、分组和替代。
具体实施方式
本公开容许有呈许多不同形式的实施例。本公开的代表性示例在附图中示出，并且在具有以下理解的情况下在本文中详细描述，即：这些实施例被提供作为对所公开原理的例示，而不是对本公开的广泛方面的限制。为此，例如在“摘要”、“技术领域”、“背景技术”、“发明内容”、“附图说明”以及“具体实施方式”部分中描述但未在权利要求中明确阐述的元件和限制不应通过暗示、推论或以其他方式单独或共同地结合到权利要求中。此外，本文所论述的附图可能不是按比例绘制的，并且纯粹是出于指导目的而提供的。因此，附图中所示的特定和相对尺寸不应被解释为限制性的。
为了此详细描述的目的，除非特别声明：单数形式包括复数并且反之亦然；用语“和”和“或”应是连接词和转折连词两者；用语“任何”和“所有”两者均应意指“任何和所有”；并且用语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”及其排列应各自意指“包括但不限于”。此外，近似的用语，例如“大约”、“几乎”、“基本上”、“大致”、“近似”等可各自在本文中在例如“处于、接近或几乎处于”或者“在其0-5％之内”或者“在可接受的制造公差内”或者前述的任何逻辑组合的意义上使用。最后，方向性形容词和副词，例如头、尾、内侧、外侧、右舷、左舷、竖直、水平、向上、向下、前、后、左、右等，当车辆在水平行驶表面上操作性地定向时，可相对于机动车辆，例如相对于机动车辆的向前行驶方向。
现在参考附图，其中贯穿若干视图，相同的附图标记表示相同的特征，在图1中示出了代表性汽车的透视图，该汽车总体以10表示并且在本文中为了讨论的目的而被描绘为具有全景“玻璃车顶”组件的轿车式乘用车辆。在本文中也称为“机动车辆”或简称为“车辆”的所示汽车10仅是一示例性应用，利用其可实践本公开的新颖特征。同样，将本概念结合到车辆的上部车身结构的A柱和车顶纵梁中也应被理解为本文公开的一些新颖概念的示例性实施方式。如此，将会理解的是，本公开的各方面和特征可应用于其他车身部件，可被结合到任何逻辑相关类型的机动车辆中，并且可被实施同样用于汽车和非汽车应用等。此外，本文仅更详细地示出和描述了机动车辆和车身结构的选定部件。尽管如此，下面论述的车辆和车身可包括许多附加和替代的特征，以及用于执行本公开的各种功能的其他可用的外围部件。
图1的汽车10包括车身12，其装设在刚性车辆框架20上，例如作为三箱构型中的框架车身或一体式构造。前部和后部车轮11例如通过分立的角部组件操作性地附接到车辆框架20。为了推进车辆，车轮11由原动机18驱动，该原动机18可具有内燃机组件和/或一个或多个电动牵引马达的性质。位于前舱(例如，发动机舱)的后部和后舱(例如，车辆后备箱)的前部的是车身12的内部乘客舱16，该内部乘客舱16安置和保护车辆乘员。虽然示出为具有三箱构型的轿车型乘用车辆，但应当理解，车辆10可采用数不清的车辆类型和车身构型。
刚性车顶结构14大致界定了乘客舱16的上部范围，保护驾驶员和乘客免受雨、雪、紫外(UV)光和其他天气(element)的影响。根据所示示例，车顶结构14大致由横向隔开的车顶纵梁22构成，该车顶纵梁22与纵向隔开的车顶横梁38和40互连(参见插图)。车顶纵梁22和车顶横梁38、40协作地为车顶板24提供下方支撑，该车顶板24可以是光学透明的、半透明的、不透明的或它们的组合。包括纵梁22、横梁38、40和车顶板24的车顶结构14在乘客舱16的上边界上方并且跨越其延伸。如所示，透明的车顶板24具有“全景”设计，因为其跨越车辆车顶的整个前后长度，并且因此，为车辆乘员提供了通过车辆10的顶部的绝大部分无阻碍的视野。
图1内的插图是车辆乘客舱16的驾驶员侧部分的放大侧视图，其在车门被移除的情况下示出，以提供对车辆的承载上部车身结构30的部段的更详细的观察。上部车身结构30在图1中由处于乘客舱16的前端处的向后突出的前(A)柱32、处于乘客舱16的后端处的前倾后(C)柱36以及置于A柱32和C柱36之间的大致竖直的侧(B)柱34表示。尽管在所提供的视图中不可见，但是每个柱32、34、36包括位于车辆乘客舱16的右舷侧上的镜像对应物，使得车身结构30包括六个支撑柱。这些车辆柱32、34、36将车顶结构14支撑在车辆10的下部车身部分(例如，摇臂、铰链柱、隔板、后围侧板等)上。替代的车身架构可取消B柱34(例如，用于轿跑型乘用车)，或者可包括多个侧柱(例如，B1、B2等，用于豪华轿车)或D柱(例如，用于运动型多功能车和旅行车)。
除了支撑柱32、34、36的矩形阵列之外，图1的上部车身结构30还以横向隔开的车顶纵梁22和纵向隔开的横梁38和40为代表。车顶纵梁22位于乘客舱16的左舷侧和右舷侧上，并且沿车辆10的前后长度为纵向细长的。相应地位于车顶结构14的前端和后端处的是前横梁38和后横梁40，它们横向延伸越过车顶14的横向宽度。可包括可选的横跨车辆的增强弓形件(未示出)，以用于支撑标准车顶板，或者相反地，该横跨车辆的增强弓形件可从车顶结构14去除，以便支撑全景“玻璃车顶”板。前横梁38与两个A柱32和前围板(未示出)协作，以限定前窗框，该前窗框在其上操作性地支撑前挡风玻璃42。在乘客舱16的相对端处，后横梁40与两个C柱36和后围盖板(rear deck panel)(未示出)协作，以限定后窗框，该后窗框在其上操作性地支撑后挡风玻璃44。
为了在优化汽车10的车顶挤压性能的同时改善车辆噪声和振动性能，上部车身结构30可用中空FRP复合部件制造，该部件利用局部聚合物泡沫或蜂窝芯插入件在结构上增强。例如，图2提供了沿图1的插图中的线2-2以剖面图截取的A柱32中的一个的端视图。A柱32(在本文中也称为“支撑柱”)由两个分立的非平坦件组装而成：内成型板50(在本文中也称为“第一成型柱板”)；以及位于内成型板50外侧的外成型板52(在本文中也称为“第二成型柱板”)。细长成型板50、52的相对侧被接合在一起，以在它们之间限定五边形内腔54(在本文中也称为“内柱腔”)。两个成型板50、52都可由纤维增强聚合物(FRP)复合材料模制而成，由钢或铝片金属切割和冲压而成，或者由其他合适的刚性材料和工艺制成。尽管描绘为两件式构造，但A柱32可被制造为具有类似形状的多边形剖面的单件式管状结构。
图3呈现了沿图1的插图中的线3-3以剖面图截取的车顶纵梁22中的一个的端视图。车顶纵梁22(在本文中也称为“支撑纵梁”)由三个分立的非平坦件组装而成：内成型板56(在本文中也称为“第一成型纵梁板”)；位于内成型板56外侧的外成型板58(在本文中也称为“第二成型纵梁板”)；以及位于内成型板56内侧的内部成型板60(在本文中也称为“第三成型纵梁板”)。细长的内成型板56和外成型板58的相对横向侧被接合在一起，以在它们之间限定五边形的主内腔62(在本文中也称为“内纵梁腔”)。同样，内部板60的相对横向侧被接合到内纵梁板56和外纵梁板58，以限定与主内腔62相邻的四边形的副内腔64。类似于图2的板50、52，图3的这三个成型板56、58、60可由FRP复合材料、金属材料或其他合适的承载材料制成。也与A柱32类似，车顶纵梁22可被制造为单件、两件或三件式构造，或者可包括多于图3中描绘的三个分立件。此外，柱32和纵梁22可采用其他剖面几何形状和替代尺寸。
车顶纵梁22的前向端邻接A柱32的后向端，使得内板腔54耦接到内纵梁腔62。对于车顶纵梁22和A柱32为FRP复合构造的应用，A柱32的内成型板50可与车顶纵梁22的内成型板56一体地形成为整体式单件结构。类似地，A柱32的外成型板52可与车顶纵梁22的外成型板58一体地形成为整体式单件结构。在这样做时，内腔54、62可共同形成连续的通道，该通道延伸车顶纵梁22和A柱32的整个长度。尽管本文关于车辆上部车身结构30的车辆柱32、34、36和车顶纵梁22来描述，但应领会的是，本公开的许多相关特征和选择也可应用于其他车辆位置处的其他车辆部件。
位于A柱32和车顶纵梁22内的是可选的结构增强插入件66，该插入件66被限制于内腔54、62内的离散区域并且填充该离散区域。该局部增强插入件66可起始于A柱在内腔54内的后端，向后延伸穿过车身结构30的A柱32、车顶纵梁22和前横梁38相交的相交角部，并且大约在A柱32和B柱34之间的中途终止于车顶纵梁22的主腔62内。因此，由结构增强插入件66填充的离散区域的前后区域长度小于A柱长度和车顶纵梁长度的组合前后长度。然而，应当领会的是，在不脱离本公开的预期范围的情况下，可修改由插入件66填充的离散区域的位置和长度。
虽然限于邻接的A柱32和车顶纵梁22的孤立长度，但每个局部增强插入件66具有足够的围长，来填充被插入件66占据的内腔54和主腔62的离散的一个或多个部段。返回参考图3，结构增强插入件66具有横向插入件宽度Wins和竖直插入件高度Hins，它们相应地基本上等于内腔54、62内的离散区域Vreg的横向腔宽度Wcav和竖直腔高度Hcav。利用这些互补尺寸，增强插入件66阻闭A柱32和车顶纵梁22的内腔54、62。在这方面，离散区域Vreg的最外周边由A柱32和车顶纵梁22的多个面向内的表面界定。例如，图2标记了A柱32的五个面向内的表面S1-S5，并且图3标记了车顶纵梁22的五个面向内的表面S6-S10。为了填充内腔54和主腔62内的离散区域Vreg，结构增强插入件66的五个面向外的表面(未标记)中的每一个安置成基本上抵靠柱32和纵梁22的一个或多个面向内的表面S1-S10齐平。基于所使用的插入件的类型，结构增强插入件66可在限定离散区域Vreg的外周边的面向内的表面S1-S10上施加基本上连续的向外压力(即，膨胀力)。利用这些特征，插入件66的横剖面几何形状与被插入件66占据的内腔54、62的部段的一个或多个横剖面几何形状基本上相同。
取决于局部增强的车身部件的预期应用和对应的设计约束，结构增强插入件66可采用形状、尺寸、位置和取向的任何合适的组合。例如，结构增强插入件66被描绘为细长的多面体形状的聚合物插入件或蜂窝状插入件。聚合物插入件可由热膨胀泡沫、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)材料或聚氨酯材料或者它们的任何组合形成。对于至少一些期望的实施方式，增强插入件66由热膨胀泡沫原位形成，该热膨胀泡沫由热固性基质材料组成，该热固性基质材料在与热膨胀微球混合并经受预定膨胀温度时膨胀。膨胀泡沫中的环氧树脂或热固性基质将交联并形成结构泡沫插入件。其他合适的泡沫材料可从包括以下各项的列表中选择：ABS热塑性泡沫、聚碳酸酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚丙烯泡沫和聚(氯乙烯)泡沫。蜂窝状插入件可由金属材料、纸材料、热塑性材料或它们的任何组合形成。蜂窝状插入件可以是固体结构，其具有在薄的互连壁的格子之间形成的中空的柱状单元的阵列。
图5图示了图1的汽车10的上部车身结构30的选择的纤维增强聚合物复合部件。在该示例中，驾驶员和乘客侧车顶纵梁22和22'、驾驶员和乘客侧A柱32和32'以及横跨车辆的前车顶横梁38全都整体或部分地由FRP聚合物复合材料制成，其中纤维填料嵌入聚合物基质内。夹带的纤维材料可由碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维和/或任何其他合适的增强纤维组成，它们可单向、双向或多向地布置。纤维组合物可被编织或压实，并且随后被切割成垫或粗纱。FRP复合材料可任选地包含一种或多种添加剂和保护性硬外涂层。作为另一选择，FRP材料可包括纤维编织预制件，其被夹带在热固性或热塑性基质内，以共同提供局部不透明性或层级透明度。例如，图2-4的所有成型纵梁板和柱板50、52、56、58和60可由热固性碳纤维聚合物复合材料形成。可替代地，外成型板52、58可由金属材料形成，例如冲压铝或钢板金属，以有助于将上部车身结构30组装到车辆的下部车身结构。中空的FRP车辆柱、车顶纵梁和横梁可有助于以有限增加的车辆质量提供改进的NVH性能和增加的局部加强，以使得能够(准各向同性、单向或双向)装载在期望的平面中，以实现最佳的车顶挤压性能。
继续参考图5，一体形成的FRP车顶纵梁22和22'以及A柱32和32'刚好在前围(未示出)上方从下铰链柱46连接，并且沿向后的方向延伸到后横梁40，从而耦接到C柱36。单个横跨车辆的横梁38在前A柱32和32'与车顶纵梁22之间的交点之间延伸并连接所述交点；在该示例中，所有横跨车辆的增强弓形件都被去除。为了帮助改善车顶结构的结构完整性，内成型纵梁板和柱板50、56形成有至少三个基本上平坦的(第一)板段，例如图4中的四个板段P1-P4。在这种情况下，每个板段P1-P4被连接到其他板段P1-P4中的一个或多个并以倾斜角度从其他板段P1-P4中的一个或多个突出。在类似的方面，外成型纵梁板和柱板52、58形成有至少三个基本上平坦的(第二)板段，本文中由图4的五个板段P5-P9表示。类似于板段P1-P4，每个板段P5-P9被连接到其他板段P5-P9中的一个或多个并以倾斜角度从其他板段P5-P9中的一个或多个突出。内成型板60也形成有至少三个基本上平坦的(第三)板段，在图4中由三个板段P10-P12表示。这些板段P10-P12中的每一个连接到另一个板段P10-P12并以倾斜角度从另一个板段P10-P12突出。
如上所述，成型板50、52的相对侧被接合在一起，以形成上部车身结构30的A柱32的部段，并且成型板56、58的相对侧被接合在一起，以形成上部车身结构30的车顶纵梁22的部段。根据所示示例，内成型板50包括一对向外突出的(第一)凸缘F1和F2(图2)，并且成型外板52包括一对向外突出的(第二)凸缘F3和F4(图2)。内板50的上凸缘F1直接耦接到外板56的上凸缘F3，而内板50的下凸缘F2直接耦接到外板56的下凸缘F4。返回参考图3，内成型板56包括一对向外突出的(第三)凸缘F5和F6，并且成型外板58包括一对向外突出的(第四)凸缘F7和F8。内板56的上凸缘F5直接耦接到外板58的上凸缘F7，而内板56的下凸缘F6直接耦接到外板58的下凸缘F8。
为了帮助改善车顶结构14上的横向和竖直装载，上部车身结构30的选定段的尺寸特性可沿汽车10的前后、横跨车辆和/或竖直方向改变。例如，对图4和图5的共同参考示出了上成型纵梁板58，即上凸缘F7，具有垂直于其纵向(凸缘)长度L1的横向(凸缘)宽度W1，该长度L1大致平行于车辆10的前后长度。上凸缘F7的横向宽度W1沿车身12的前后长度变化(例如，增大和减小)。在这样做时，主纵梁腔62具有同样沿车身12的前后长度变化(例如，膨胀和收缩)的非均匀横剖面。类似于上成型纵梁板58，内成型纵梁板60具有垂直于其纵向(纵梁)长度L2的横向(纵梁)宽度W2，该长度L2大致平行于车辆10的前后长度。纵梁板60的横向宽度W2沿车身12的前后长度变化(例如，增大和减小)。因此，副纵梁腔64具有同样沿车身12的前后长度变化的非均匀横剖面。
已参考所示实施例详细地描述了本公开的各方面；然而，本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可对其进行许多修改。本公开不限于本文所公开的精确构造和组成；根据前述描述显而易见的任何和所有修改、改变和变型都在由所附权利要求限定的本公开的范围内。而且，本构思明确地包括前述元件和特征的任何和所有组合和子组合。

Claims (19)

1.一种机动车辆的车身结构，所述车身结构包括：
细长的支撑纵梁，其包括第一成型纵梁板，所述第一成型纵梁板接合到第二成型纵梁板，以在其间限定内纵梁腔，所述第一成型纵梁板和/或所述第二成型纵梁板包括第一纤维增强聚合物材料；以及
细长的支撑柱，其邻接所述支撑纵梁并且包括第一成型柱板，所述第一成型柱板接合到第二成型柱板，以在其间限定耦接到所述内纵梁腔的内柱腔，所述第一成型柱板和/或所述第二成型柱板包括第二纤维增强聚合物材料，
其中，所述第一成型纵梁板和所述第一成型柱板各自包括至少三个平坦的第一板段，并且其中，所述第一板段中的每一个被连接到所述第一板段中的另一个第一板段并以倾斜角度从所述另一个第一板段突出。
2.根据权利要求1所述的车身结构，其中，所述第一成型纵梁板包括一对向外突出的第一凸缘，并且所述第二成型纵梁板包括一对向外突出的第二凸缘，所述第二凸缘各自安装到所述第一凸缘中的相应一个。
3.根据权利要求2所述的车身结构，其中，所述第二成型纵梁板的所述第二凸缘中的一个具有横向凸缘宽度和纵向凸缘长度，所述纵向凸缘长度沿所述车身结构的前后长度延伸，并且所述横向凸缘宽度沿所述车身结构的所述前后长度变化。
4.根据权利要求3所述的车身结构，其中，所述内纵梁腔具有沿所述车身结构的所述前后长度变化的非均匀横剖面。
5.根据权利要求1所述的车身结构，其中，所述第二成型纵梁板和所述第二成型柱板各自包括至少三个平坦的第二板段，并且其中，所述第二板段中的每一个被连接到所述第二板段中的另一个第二板段并以倾斜角度从所述另一个第二板段突出。
6.根据权利要求1所述的车身结构，其中，所述支撑纵梁还包括第三成型纵梁板，所述第三成型纵梁板沿其第一侧接合到所述第一成型纵梁板并且沿其第二侧接合到所述第二成型纵梁板，所述第三成型纵梁板包括第三纤维增强聚合物材料。
7.根据权利要求6所述的车身结构，其中，所述第三成型纵梁板具有横向纵梁宽度和纵向纵梁长度，所述纵向纵梁长度沿所述车身结构的前后长度延伸，并且所述横向纵梁宽度沿所述前后长度变化。
8.根据权利要求6所述的车身结构，其中，所述第一纤维增强聚合物材料、所述第二纤维增强聚合物材料和所述第三纤维增强聚合物材料为热固性碳纤维聚合物复合材料。
9.根据权利要求1所述的车身结构，其中，所述机动车辆包括前挡风玻璃和车顶板，其中，所述车身结构还包括前横梁和后横梁，并且其中，所述支撑纵梁是与所述前横梁和所述后横梁协作构造以支撑所述车顶板的车顶纵梁，并且所述支撑柱是与所述前横梁协作以至少部分地限定构造成支撑所述前挡风玻璃的窗框的A柱。
10.根据权利要求1所述的车身结构，其中，所述第一成型纵梁板与所述第一成型柱板一体地形成为第一单件结构，并且所述第二成型纵梁板与所述第二成型柱板一体地形成为第二单件结构。
11.根据权利要求1所述的车身结构，还包括结构增强插入件，所述结构增强插入件位于所述支撑柱和所述支撑纵梁内，并且填充互连的内纵梁腔和内柱腔内的离散区域。
12.根据权利要求11所述的车身结构，其中，所述结构增强插入件包括细长的聚合物泡沫插入件和/或细长的蜂窝状插入件。
13.一种机动车辆，包括：
车身，其具有邻接下部车身结构的上部车身结构；以及
原动机，其安装在所述车身上并且能够操作以推进所述机动车辆，
其中，所述上部车身结构包括：
细长的第一和第二车顶纵梁，其沿所述机动车辆的前后长度纵向延伸并且在其上支撑车顶板，所述第一和第二车顶纵梁各自包括相应的第一成型纵梁板，所述第一成型纵梁板接合到相应的第二成型纵梁板，以在其间限定相应的内纵梁腔，所述第一成型纵梁板和/或所述第二成型纵梁板包括第一纤维增强聚合物材料；以及
细长的第一和第二支撑柱，其相应地从所述第一和第二车顶纵梁向下突出并邻接所述第一和第二车顶纵梁，以限定窗框，所述第一和第二支撑柱各自包括相应的第一成型柱板，所述第一成型柱板接合到相应的第二成型柱板，以在其间限定相应的内柱腔，其中，所述内柱腔中的每一个被耦接到所述内纵梁腔中的相应一个，并且所述第一成型柱板和/或所述第二成型柱板包括第二纤维增强聚合物材料，
其中，所述第一成型纵梁板和所述第一成型柱板各自包括至少三个平坦的第一板段，并且其中，所述第一板段中的每一个被连接到所述第一板段中的另一个第一板段并以倾斜角度从所述另一个第一板段突出。
14.一种制造机动车辆的车身结构的方法，所述方法包括：
通过将第一成型纵梁板接合到第二成型纵梁板以在其间限定内纵梁腔，来形成细长的支撑纵梁，所述第一成型纵梁板和/或所述第二成型纵梁板包括第一纤维增强聚合物材料；
通过将第一成型柱板接合到第二成型柱板以在其间限定内柱腔，来形成细长的支撑柱，所述第一成型柱板和/或所述第二成型柱板包括第二纤维增强聚合物材料；以及
将所述细长的支撑柱附接到所述细长的支撑纵梁，使得所述内纵梁腔被耦接到所述内柱腔，
其中，所述第一成型纵梁板和所述第一成型柱板各自包括至少三个平坦的第一板段，并且其中，所述第一板段中的每一个被连接到所述第一板段中的另一个第一板段并以倾斜角度从所述另一个第一板段突出。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一成型纵梁板包括一对向外突出的第一凸缘，并且所述第二成型纵梁板包括一对向外突出的第二凸缘，所述第二凸缘各自安装到所述第一凸缘中的相应一个，所述第二凸缘中的一个具有沿所述车身结构的前后长度变化的横向凸缘宽度。
16.根据权利要求15所述的方法，所述内纵梁腔具有沿所述车身结构的所述前后长度变化的非均匀横剖面。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述支撑纵梁还包括接合到所述第一成型纵梁板和所述第二成型纵梁板的第三成型纵梁板，所述第三成型纵梁板包括第三纤维增强聚合物材料，所述第三成型纵梁板具有沿所述车身结构的前后长度变化的横向纵梁宽度。
18.根据权利要求14所述的方法，还包括将结构增强插入件定位在所述支撑柱和所述支撑纵梁内，使得所述结构增强插入件填充所述内纵梁腔和所述内柱腔内的离散区域。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，将所述支撑柱附接到所述支撑纵梁包括将所述第一成型纵梁板与所述第一成型柱板一体地形成为第一单件式纤维增强聚合物结构，并且将所述第二成型纵梁板与所述第二成型柱板一体地形成为第二单件式纤维增强聚合物结构。
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