CN115195868B - 纤维增强聚合物的车辆纵梁与面板结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
提出了用于机动车辆的纤维增强聚合物（FRP）复合材料部件、用于制造和使用这种部件的方法、以及具有整体FRP复合材料车辆车顶纵梁与面板结构的机动车辆。一种用于机动车辆的车辆车身结构包括一个或多个长形支撑纵梁，所述长形支撑纵梁中的每一个包括至少两个波状纵梁面板，这些波状纵梁面板连接在一起以在其间限定内部纵梁空腔。这些波状纵梁面板中的至少一个用FRP材料形成。车辆车身结构还包括用相同的FRP材料形成的主体面板。主体面板包括具有一个或多个阶梯式接口的主面板区段，每个阶梯式接口从主面板区段的相应侧横向地突出并在其上安装波状纵梁面板中的一个。主体面板和每个支撑纵梁的波状纵梁面板一体地形成为单件式、整体结构。
Description
技术领域
本公开总体上涉及机动车辆的车身结构。更具体地，本公开的各方面涉及聚合物复合材料车辆柱、纵梁（rail）、面板和窗户以用于简化组装和改进抗压性能。
背景技术
大多数当前生产的机动车辆（诸如，现代汽车）建立在刚性车辆车身上——作为车身-车架式（body-on-frame）结构或一体式车身（unibody）结构——其中内部乘客舱使车辆乘员就座和保护车辆乘员。安装在车辆车身的前A柱之间的是挡风玻璃，它提供了空气动力学形成的窗户，驾驶员通过该窗户观察道路，同时防止不想要的风、雨和碎片进入。驾驶员侧门组件和乘客侧门组件可移动地安装在A柱和B柱（双门轿车）之间以及B柱和C柱（四门轿车）之间，以提供对乘客舱的可控进入并且实现通过随附的门窗的侧向可见性。后窗或后玻璃安装在C柱（三厢式车身设计）或D柱（两厢式车身设计）之间，以密封乘客舱的后端，但仍通过乘客舱的后端提供可见性。为了为乘客舱提供额外的阳光和可选的通风，透明的顶窗或天窗面板可固定地或可移动地安装在车辆的车顶结构内。
天窗、顶窗和硬顶车顶构型（统称为“车顶组件”）习惯上限定了机动车辆的乘客舱的上范围。这种车顶组件通常包括侧向间隔的车顶纵梁，这些车顶纵梁邻接纵向间隔的车顶横梁（header）以共同限定车顶的骨架支撑结构。由玻璃（顶窗和天窗）或金属板（硬顶）制造的车顶面板安置在横梁和纵梁上或在横梁和纵梁之间，并例如用粘合剂、垫圈和紧固件附接到横梁和纵梁。充当头顶上的顶棚的是，车辆车顶面板被密封以达到天气防护目的，并且牢固地安装以承受在所有车辆操作范围内产生的高速风力。此外，车顶组件可展现低轮廓用于最小风阻、美观的外观、以及期望的承载特性以达到期望的车顶抗压性能。
发明内容
本文中呈现了用于机动车辆的纤维增强聚合物（FRP）复合材料部件、用于制造这种部件的方法和用于使用这种部件的方法、以及具有整体的FRP复合材料车辆车顶纵梁与面板结构的机动车辆。在示例中，呈现了与局部透明FRP面板部件连续地集成的承载式FRP车辆车身部件。车辆上车身结构例如通常以安装在柱阵列上的承载式车顶结构为代表，该柱阵列在车顶和车辆下车身部分之间提供下方支撑。柱阵列包括在乘客舱前端处的一对前（A）柱，在乘客舱后端处的一对后（C）柱，以及，取决于车辆车身类型，介于A柱和C柱之间的一对侧（B）柱。车顶结构通常由以下各者组成：侧向间隔的侧梁，其邻接各柱的顶端；以及纵向间隔的前后横梁，其限定前后挡风玻璃框架的上范围。车顶横梁的相对端可安装到侧梁的凸缘或内侧表面，以协作地限定具有中心开口的车顶框架。透明FRP复合材料车顶面板可安装到车顶框架上以覆盖中心开口，例如用于全景“玻璃车顶”汽车。
承载式车辆车顶纵梁可各自由波状的内纵梁区段和外纵梁区段制造为三部分构造，这些纵梁区段连接在一起，例如，经由焊接、夹紧、结合、紧固等，以限定纵向地长形的内部空腔。这两个纵梁区段安装到波状的基部纵梁区段，该基部纵梁区段位于内纵梁区段和外纵梁区段的内侧并与FRP车顶面板一体地形成。有效地，FRP车顶面板可与两个基部纵梁区段一体地形成为单件式、整体结构，这两个基部纵梁区段从主面板区段的相对侧向侧横向地突出。两个基部纵梁区段可以是不透明的，而主面板区段可以是基本上透明的。阶梯式接口区域，其介于主面板区段和基部纵梁区段之间并将主面板区段连接到基部纵梁区段，可具有沿跨车（cross-car）方向改变的可变透明度。基部纵梁区段的侧向宽度可沿着车辆车身的前后长度而变化（例如，增加然后减小）。外纵梁区段的安装凸缘（基部纵梁区段连接到该安装凸缘）具有可类似地沿着车辆车身的前后长度而变化的侧向宽度。
所公开的概念中的至少一些的附带益处包括FRP结构构件和局部纤维增强主体结构的连续集成，具有特制的局部和全局透明度，用于减少的零件计数和增加的舱空间。对于汽车应用，整体的车顶纵梁与面板构造有助于降低系统复杂性、增加乘员顶部空间、以及通过最大化穿过车顶面板的总采光口（DLO）面积来提高乘员可见性。中空车顶纵梁可包含选择性地定位的内部增强特征，这些内部增强特征提供局部加劲且具有有限的附加车辆质量，以便为了最佳的车顶抗压性能实现在期望的平面中的荷载。除了改进车辆车身完整性和乘员可见性之外，所公开的特征还可有助于通过减小上车身质量和可选地消除跨车增强弓形部来减少整体车辆质量，这进而导致对于混合动力电动和全电动车辆应用的改进的燃料经济性和增加的车辆里程。
本公开的各方面涉及用于车辆车身结构的FRP部件。举例来说，用于机动车辆的车辆车身结构包括一个或多个长形支撑纵梁（例如，车顶纵梁、车辆柱、门槛面板、横向梁等）和主体面板（例如，车顶面板、挡泥板面板、前后挡风玻璃等）。每个支撑纵梁包括两个或更多个波状纵梁面板，这些波状纵梁面板连接在一起以在其间限定内部纵梁空腔。这些纵梁面板中的至少一个全部或部分地由FRP材料形成。主体面板（其也全部或部分地由相同的FRP材料形成）包括具有一个或多个阶梯式接口的主面板区段。每个阶梯式接口从主面板区段的相应侧边缘横向地突出并在其上安装波状纵梁面板中的一个。主体面板和每个支撑纵梁的纵梁面板一体地形成为单件式、整体结构。
本公开的附加方面涉及配备有承载式上车身结构的机动车辆，这些上车身结构具有整体的FRP复合材料车辆车顶纵梁与面板结构。如本文中所使用的，术语“车辆”和“机动车辆”可互换地和同义地使用以包括任何相关的车辆平台，诸如乘用车辆（ICE、HEV、FEV、燃料电池、完全自主和部分自主等）、商用车辆、工业车辆、履带车辆、越野和全地形车辆（ATV）、摩托车、农场设备、船只、飞机、电动自行车、电动踏板车等。在示例中，机动车辆包括带有乘客舱的车辆车身、安装到车辆车身的多个道路车轮、以及其他标准原始设备。原动机可具有发动机组件（例如，用于内燃发动机（ICE）动力总成）、电力牵引马达（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，它选择性地驱动道路车轮中的一个或多个以由此推进车辆。所公开的特征也可用于非汽车应用中。
继续对以上示例的讨论，车辆的上车身结构包括多个支撑柱，这些支撑柱附接到下车身结构并从下车身结构向上伸出。驾驶员侧（第一）车顶纵梁安装到左舷（第一）组支撑柱上，而乘客侧（第二）车顶纵梁安装到右舷（第二）组支撑柱上、与驾驶员侧车顶纵梁侧向间隔。驾驶员侧车顶纵梁包括外（第一）波状纵梁面板和基部（第二）波状纵梁面板，这些波状纵梁面板连接在一起以在其间限定内部纵梁空腔。同样地，乘客侧车顶纵梁包括外（第三）波状纵梁面板和基部（第四）波状纵梁面板，这些波状纵梁面板连接在一起以在其间限定另一个内部纵梁空腔。两个基部纵梁面板都用FRP材料形成。主体面板也用该相同的FRP材料形成，其包括主面板区段，该主面板区段具有从主面板区段的相对的侧边缘横向地突出的阶梯式接口。两个阶梯式接口各自在其上安装外纵梁面板中的相应一个。主体面板和两个基部纵梁面板一体地形成为单件式、整体结构。
本公开的其他方面涉及用于制造或使用任何所公开的部件、车身结构或车辆的制造过程、控制逻辑和计算机可读介质（CRM）。在示例中，呈现了一种用于制造机动车辆的车辆车身结构的方法。该代表性方法包括，通过上文和下文所公开的选项和特征中的任何一个，以任何顺序并以任何组合：形成第一长形支撑纵梁的第一波状纵梁面板；用FRP材料形成第一长形支撑纵梁的第二波状纵梁面板；将第一波状纵梁面板和第二波状纵梁面板连接在一起以在其间限定内部纵梁空腔；用FRP材料形成主体面板，该主体面板包括主面板区段，该主面板区段具有从主面板区段的第一侧边缘横向地突出的第一阶梯式接口，其中，主体面板和第二波状纵梁面板一起一体地形成为单件式、整体结构；以及将第一波状纵梁面板安装到第一阶梯式接口上。
对于任何所公开的结构、车辆和方法，每个支撑纵梁可进一步包括内（第三）波状纵梁面板，该波状纵梁面板夹在外纵梁面板和基部纵梁面板之间并附接到外纵梁面板和基部纵梁面板。在这种情况下，内纵梁面板和外纵梁面板各自包括一对向外突出的凸缘；一个纵梁面板的每个凸缘刚性地安装到另一纵梁面板的相应凸缘。作为又进一步选项，基部纵梁面板可形成有从外侧面板段倾斜地伸出的内侧面板段。在这种情况下，内侧面板段与阶梯式接口一体地形成，并且外侧面板段在其上安装内纵梁面板。在至少一些应用中，所有的波状纵梁面板都由FRP材料形成。替代地，内纵梁面板和/或外纵梁面板可全部或部分地由金属材料形成，诸如冲压或液压成形的铝或钢金属板。
对于任何所公开的车身结构、车辆和方法，车顶面板的主面板区段的厚度基本上等于外纵梁面板的安装凸缘的厚度，该安装凸缘附接到阶梯式接口。替代地，主面板区段的厚度可等于或大于彼此堆叠并安装的一对配对的纵梁面板凸缘的总“堆叠”厚度。作为又进一步选项，外纵梁面板的安装凸缘的上表面可与主体面板的主面板区段的上表面基本上齐平。此外，每个阶梯式接口可沿着它从中伸出的相应侧边缘的整个前后长度连续地延伸。可选地，主体面板可形成有从主面板区段横向地伸出的外伸区段。在这种情况下，外纵梁面板的安装凸缘刚性地固定到主体面板并夹在阶梯式接口和外伸区段之间。
对于任何所公开的车身结构、车辆和方法，基部纵梁面板形成有倾斜地成角度的内侧面板段和外侧面板段，其中内侧面板段与阶梯式接口一体地形成。外侧面板段的侧向宽度沿着车辆车身结构的前后长度而变化。在这种情况下，外纵梁面板的安装凸缘（其安装到主体面板的邻近外侧面板段的阶梯式接口上）具有侧向宽度，该侧向宽度同样地沿着车辆车身结构的前后长度而变化。每个阶梯式接口可具有可变的不透明度，该不透明度沿着主体面板的侧向宽度沿横向方向而改变。在这种情况下，基部纵梁面板可以是基本上不透明的，而主面板区段可以是基本上透明的。
本发明提供以下技术方案：
1. 一种用于机动车辆的车辆车身结构，所述车辆车身结构包括：
第一长形支撑纵梁，所述第一长形支撑纵梁包括第一波状纵梁面板，所述第一波状纵梁面板连接到第二波状纵梁面板以在其间限定内部纵梁空腔，所述第二波状纵梁面板用纤维增强聚合物（FRP）材料形成；以及
主体面板，所述主体面板用所述FRP材料形成并且包括主面板区段，所述主面板区段具有第一阶梯式接口，所述第一阶梯式接口从所述主面板区段的第一侧边缘横向地突出并在其上安装所述第一波状纵梁面板，其中，所述主体面板和所述第二波状纵梁面板一体地形成为单件式整体结构。
2. 根据方案1所述的车辆车身结构，其中，所述长形支撑纵梁进一步包括第三波状纵梁面板，所述第三波状纵梁面板夹在所述第一波状纵梁面板和所述第二波状纵梁面板之间并附接到所述第一波状纵梁面板和所述第二波状纵梁面板。
3. 根据方案2所述的车辆车身结构，其中，所述第一波状纵梁面板包括一对向外突出的第一凸缘，并且所述第三波状纵梁面板包括一对向外突出的第二凸缘，每个第二凸缘安装到所述第一凸缘中的相应一个。
4. 根据方案3所述的车辆车身结构，其中，所述第二波状纵梁面板包括从外侧面板段倾斜地伸出的内侧面板段，所述内侧面板段与所述阶梯式接口一体地形成，并且所述外侧面板段在其上安装所述第三波状纵梁面板。
5. 根据方案3所述的车辆车身结构，其中，所述第一波状纵梁面板和所述第三波状纵梁面板用金属材料形成。
6. 根据方案3所述的车辆车身结构，其中，所述主面板区段的厚度等于或大于彼此堆叠并安装的一对配对的第一凸缘和第二凸缘的总厚度。
7. 根据方案1所述的车辆车身结构，其中，所述主面板区段的所述侧边缘具有前后长度，所述阶梯式接口沿着所述侧边缘的整个前后长度连续地延伸。
8. 根据方案1所述的车辆车身结构，其中，所述第一波状纵梁面板的上表面与所述主体面板的所述主面板区段的上表面基本上齐平。
9. 根据方案1所述的车辆车身结构，其中，所述主面板区段的厚度基本上等于所述第一波状纵梁面板的厚度。
10. 根据方案1所述的车辆车身结构，其中，所述主体面板进一步包括从所述主面板区段横向地伸出的外伸区段，并且其中，所述第一波状纵梁面板的安装到所述主体面板上的第一凸缘夹在所述阶梯式接口和所述外伸区段之间。
11. 根据方案1所述的车辆车身结构，其中，所述第二波状纵梁面板包括从外侧面板段倾斜地伸出的内侧面板段，所述内侧面板段与所述阶梯式接口一体地形成，并且所述外侧面板段的侧向宽度沿着所述车辆车身结构的前后长度而变化。
12. 根据方案11所述的车辆车身结构，其中，所述第一波状纵梁面板的第一凸缘安装到所述主体面板的所述阶梯式接口上，所述第一凸缘的侧向宽度沿着所述车辆车身结构的前后长度而变化。
13. 根据方案1所述的车辆车身结构，其进一步包括具有第三波状纵梁面板和第四波状纵梁面板的第二长形支撑纵梁，所述第四波状纵梁面板用所述FRP材料形成，其中，所述主体面板进一步包括从所述主面板区段的与所述第一侧边缘相对的第二侧边缘横向地突出的第二阶梯式接口，所述第二阶梯式接口在其上安装所述第三波状纵梁面板，并且所述主体面板和所述第四波状纵梁面板一体地形成为单件式整体结构。
14. 根据方案1所述的车辆车身结构，其中，所述第一阶梯式接口具有可变的不透明度，所述不透明度沿着所述主体面板的侧向宽度沿横向方向而改变。
15. 一种机动车辆，其包括：
车辆车身，其具有邻接下车身结构的上车身结构；以及
原动机，其安装在所述车辆车身上并且能操作以推进所述机动车辆，
其中，所述上车身结构包括：
多个支撑柱，其附接到所述下车身结构并从所述下车身结构向上伸出；
第一车顶纵梁，其安装到第一组支撑柱上并且包括第一波状纵梁面板和第二波状纵梁面板，所述第一波状纵梁面板和所述第二波状纵梁面板连接在一起以在其间限定第一内部纵梁空腔，所述第二波状纵梁面板用纤维增强聚合物（FRP）材料形成；
第二车顶纵梁，其与所述第一车顶纵梁侧向间隔并安装到第二组支撑柱上，所述第二车顶纵梁包括第三波状纵梁面板和第四波状纵梁面板，所述第三波状纵梁面板和所述第四波状纵梁面板连接在一起以在其间限定第二内部纵梁空腔，所述第四波状纵梁面板用FRP材料形成；以及
主体面板，其用FRP材料形成并且包括主面板区段，所述主面板区段具有第一阶梯式接口和第二阶梯式接口，所述第一阶梯式接口和所述第二阶梯式接口分别从所述主面板区段的相对的第一侧边缘和第二侧边缘横向地突出，所述第一阶梯式接口和所述第二阶梯式接口分别在其上安装所述第一波状纵梁面板和所述第三波状纵梁面板，其中，所述主体面板以及所述第二波状纵梁面板和所述第四波状纵梁面板一体地形成为单件式整体结构。
16. 一种制造用于机动车辆的车辆车身结构的方法，所述方法包括：
形成第一长形支撑纵梁的第一波状纵梁面板；
用纤维增强聚合物（FRP）材料形成所述第一长形支撑纵梁的第二波状纵梁面板；
将所述第一波状纵梁面板和所述第二波状纵梁面板连接在一起以在其间限定内部纵梁空腔；
用所述FRP材料形成主体面板，所述主体面板包括主面板区段，所述主面板区段具有从所述主面板区段的第一侧边缘横向地突出的第一阶梯式接口，其中，所述主体面板和所述第二波状纵梁面板一起一体地形成为单件式整体结构；以及
将所述第一波状纵梁面板安装到所述第一阶梯式接口上。
17. 根据方案16所述的方法，其进一步包括：
将所述长形支撑纵梁的第三波状纵梁面板定位在所述第一波状纵梁面板和所述第二波状纵梁面板之间；以及
将所述第三波状纵梁面板附接到所述第一波状纵梁面板和所述第二波状纵梁面板。
18. 根据方案17所述的方法，其中，所述第一波状纵梁面板包括一对向外突出的第一凸缘，并且所述第三波状纵梁面板包括一对向外突出的第二凸缘，每个第二凸缘安装到所述第一凸缘中的相应一个。
19. 根据方案16所述的方法，其中，所述第一波状纵梁面板的上表面与所述主体面板的所述主面板区段的上表面基本上齐平。
20. 根据方案16所述的方法，其中，所述主面板区段的厚度等于或大于所述第一波状纵梁面板的厚度。
以上概述并不表示本公开的每个实施例或每个方面。而是，当结合附图时，从对用于实施本公开的说明性示例和模式的以下详细描述中，本公开的以上特征和优点、以及其他特征和附随优点将容易明白易懂。此外，本公开明确包括上文和下文所描述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俯瞰透视图图示，该机动车辆具有上车身结构，该上车身结构具有与不透明的车顶纵梁一体地形成的局部透明的车顶面板。
图2是代表性FRP复合材料车辆车顶纵梁与面板结构的端视图图示，该结构具有沿着图1的插图视图中的线2A-2A、2B-2B和2C-2C截取的三个重叠的截面。
图3是根据所公开的概念的各方面的另一个代表性FRP复合材料车辆车顶纵梁与面板结构的端视图图示。
图4是根据所公开的概念的各方面的又一代表性FRP复合材料车辆车顶纵梁与面板结构的端视图图示。
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文以附加细节描述。然而，应理解，本公开的新颖方面不限定于上文枚举的附图中所图示的特定形式。相反，本公开将覆盖落入如例如由所附权利要求书涵盖的本公开的范围内的所有修改、等同物、组合、子组合、排列、分组和替代方案。
具体实施方式
本公开容许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本文中进行详细描述，应理解这些实施例被提供作为所公开原理的举例说明，对本公开的广泛方面无限制。为了那个目的，例如在摘要、引言、发明内容、附图说明和具体实施方式部分中描述但权利要求书中并未明确阐述的元件和限定不应单独地或共同地通过隐含、推断或其他方式结合到权利要求书中。此外，本文中所讨论的附图可能未按比例绘制，并且仅出于指导目的而提供。因此，附图中所示的特定和相对尺寸将不被解释为限制性的。
为了本详细描述的目的，除非明确地否认，否则：单数包括复数且反之亦然；词语“和”和“或”应两者都为连词和反意连接词；词语“任何”和“所有”应两者都意指“任何和所有”；并且词语“包括”、“包含”、“包括”、“具有”及其排列组合应各自意指“包括但不限于”。此外，例如，诸如“约”、“几乎”、“基本上”、“大致”、“大约”等近似词语在本文中可各自在“处于、接近或几乎处于”或“在……的0-5%以内”或“在可接受的制造公差内”或其任何逻辑组合的意义上使用。最后，方向性形容词和副词（诸如，前侧、后侧、内侧、外侧、右舷、左舷、竖直、水平、向上、向下、前、后、左、右等）可相对于机动车辆，诸如当机动车辆操作性地定向在水平驾驶表面上时该机动车辆的向前驾驶方向。
现在参考附图，其中，相似的附图标记贯穿若干视图指代相似的特征，图1中示出了代表性汽车的透视图图示，该汽车通常被标示在10处并且为了讨论的目的而在本文中被描绘为具有全景“玻璃车顶”组件的四门轿车式乘用车辆。所图示的汽车10（本文中也简称为“机动车辆”或“车辆”）仅仅是示例性应用，利用该应用可实践本公开的新颖特征。以同样的方式，本概念结合到车辆的上车身结构的车顶纵梁和车顶面板中也应被了解为本文中所公开的新颖概念的示例性实施方式。因而，将理解，本公开的各方面和特征可应用于其他车辆车身部件，可结合到任何逻辑相关类型的机动车辆，并且可同样地实施用于汽车应用和非汽车应用。此外，本文中仅示出并以附加细节描述了机动车辆和车辆车身结构的选定部件。尽管如此，下文所讨论的车辆和车辆系统可包括许多附加和替代性特征、以及其他可用的外围部件，以用于实施本公开的各种功能。
图1的汽车10包括建立在刚性车辆框架20上的车辆车身12，例如，作为三厢式构型中的车身-车架式结构或一体式车身结构。前和后道路车轮11操作性地附接到车辆框架20，例如经由独立的悬架和拐角子组件。为了推进车辆，道路车轮11由原动机18驱动，该原动机可具有内燃发动机组件和/或一个或多个电力牵引马达的性质。位于前舱（例如，发动机室）的后方和后舱（例如，车辆后备箱）的前方的是车辆车身12的乘客舱16，该乘客舱使车辆乘员就座和保护车辆乘员。虽然被示为具有三厢式构型的四门轿车型乘用车辆，但应了解，车辆10可采取无数种车辆类型和车辆车身构型。
刚性车顶结构14大体上界定乘客舱16的上范围，遮挡驾驶员和乘客免受雨、雪、紫外（UV）光和其他元素的影响。根据所图示的示例，车顶结构14大体上由侧向间隔的车顶纵梁22与纵向间隔的车顶横梁38和40（见插图视图）互连而组成。车顶纵梁22和车顶横梁38、40协作地为车顶面板24提供下方支撑，该车顶面板可以是光学透明的、半透明的、不透明的或其组合。车顶结构14（包括纵梁22、横梁38、40和车顶面板24）延伸遍及和跨越乘客舱16的上边界。如所图示的，透明的车顶面板24具有“全景”设计，因为它横跨车辆车顶的整个前后长度，且因此通过车辆10的顶部向车辆乘员提供主要无阻碍的视野。
图1内的插图是车辆乘客舱16的驾驶员侧部分的放大、侧视图图示，该车辆乘客舱是在车辆门被移除的情况下示出的，以提供在车辆的承载式上车身结构30的区段处的更详细观察。上车身结构30在图1中由以下各者表示：在乘客舱16前端处的向后突出的前（A）柱32、在乘客舱16后端处的前倾的后（C）柱36、以及介于A柱32和C柱36之间的大致竖直侧（B）柱34。虽然在所提供的视图中不可见，但每个柱32、34、36包括位于车辆乘客舱16的右舷上的镜像对应物，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的下车身部分（例如，门槛、铰链柱、隔板、后侧板（quarter panel）等）。例如，A柱32从下铰链柱46（恰好在前罩（未示出）上方）连接，并且沿向后方向延伸并联接到车顶纵梁22。替代性车辆车身架构可消除B柱34（例如，用于双门轿车式乘用车辆），或者可包括多个侧柱（例如，用于豪华轿车的B1、B2等）或D柱（例如，用于运动型多用途车辆和旅行车）。
除了支撑柱32、34、36的矩形阵列之外，图1的上车身结构30还进一步以侧向间隔的车顶纵梁22和纵向间隔的横梁38和40为代表。车顶纵梁22位于乘客舱16的左舷和右舷侧上，并且沿着车辆10的前后长度为纵向地延伸。位于车顶结构14的前端和后端处的分别是前横梁38和后横梁40，这些横梁横向地延伸跨越车顶14的侧向宽度。可选的跨车增强弓形部（未示出）可被包括在内以用于支撑标准车顶面板，或相反地，可从车顶结构14消除以用于支撑全景“玻璃车顶”面板。前横梁38与两个A柱32和前罩面板（未示出）协作以限定前窗框，该前窗框操作性地在其上支撑前挡风玻璃42。在乘客舱16的相对端处，后横梁40与两个C柱36和后甲板面板（未示出）协作以限定后窗框，该后窗框操作性地在其上支撑后挡风玻璃44。尽管在图2至图4中不可见，但所公开的车辆车顶结构包括左舷车顶纵梁和右舷车顶纵梁两者，它们是镜像结构对应物，如上文关于图1的车顶纵梁22所指示的。
下文讨论的是车辆车身结构的代表性示例，车辆车身结构具有与FRP面板构件连续地集成的承载式纤维增强聚合物（FRP）部件。所设想的是，承载式FRP部件可采用各种适当的构造，包括车顶纵梁、底盘纵梁、车辆柱、门槛面板、横向梁等。对于FRP复合材料车辆车顶纵梁与面板结构，每个车顶纵梁可以是制造有一个或多个热固性碳纤维增强聚合物（CFRP）车顶纵梁面板的二部分或三部分构造。所组装的车顶纵梁可在结构上用局部聚合物泡沫或蜂窝芯插件进行增强，以改进车辆噪声、振动和声振粗糙度（NVH）性能，同时优化车顶抗压性能。关于局部增强、选择性透明的FRP车顶纵梁的附加信息可以例如在Bradley A.Newcomb等人于2021年1月20日提交的共同拥有的美国专利申请号17/152,965中找到，该申请出于所有目的通过引用以其全文并入本文中。
以同样的方式，FRP面板构件可采取许多种可选形式，包括车顶面板、挡泥板和后侧板、前后挡风玻璃、三角窗和通风窗等。对于全景顶窗应用，FRP面板构件可以是具有层压、夹层型构造的透明复合车顶面板，其具有正交各向异性性质和通过局部FRP增强特征实现的载荷路径优化。复合材料面板的结构完整性和整体光学透明度水平可通过结合到面板的多层构造内的一个或多个FRP层中的增强纤维的含量和排列来控制。关于层压、夹层型透明FRP车顶面板的附加信息可以例如在Bradley A. Newcomb等人于2021年1月5日提交的共同拥有的美国专利申请号17/141,524中找到，该申请出于所有目的通过引用以其全文并入本文中。以这种方式集成和连接纤维增强结构和玻璃窗结构使得能够减少总零件并最大限度地减少粘合剂和紧固件，同时消除集成的部件之间的可见接缝和高度差异。
所公开的FRP复合材料部件的光学透明度特性可通过在整体结构的选定区域内局部纤维应用来管控。例如，FRP复合材料部件的第一FRP区域（例如，波状车顶纵梁面板区段）可包含第一总纤维体积百分比，而第二FRP区域（例如，车顶面板区段）具有第二总纤维体积分数，该第二总纤维体积分数明显小于第一区域的总纤维体积百分比。在具体示例中，第一区域具有至少40 vol%的纤维体积百分比；纤维可布置在与第一区域相连的连续纤维片材中，以便允许很少的光或不允许光从中穿过（例如，总透射比小于约2%到10%）。相反，第二区域可具有小于20%的纤维体积百分比；纤维可以是局部的，以选择离散区域，使得第二区域的大部分可提供高透明度（例如，总透射比为至少约85%）。在第一区域和第二区域之间延伸并连接这两个区域的第三接口区域可具有在第一总纤维体积分数和第二总纤维体积分数之间的第三总纤维体积分数。第三区域内的纤维可例如以正方形格子图案布置，使得总透射比在从第一区域到第二区域的过渡中增加。
例如，对于层压、夹层型面板构造而言，可期望的是，面板的混合层堆叠内的仅一个或多个FRP材料选定层可与承载式FRP部件完全集成。同样地，例如对于二部分或三部分承载式FRP纵梁而言，可期望的是，纵梁的多件式组件的仅一个或多个选定件可与FRP面板构件完全集成。作为又进一步的选项，所有三个FRP区域都可包含相同类型的增强纤维，增强纤维可包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、凯芙拉纤维、其组合等；替代地，一个区域可包含一个不同的纤维成分。此外，可混合纤维增强物的类型，使得初级纤维增强物（例如，碳纤维）在第一区域中贡献总纤维体积百分比的至少约60 vol%且在第二区域中贡献总纤维体积百分比的至少约10 vol%。
类似于纤维含量，所有三个FRP区域都可包含相同的聚合物基质，聚合物基质可包括环氧树脂、聚酯、丙烯酸树脂、浇铸丙烯酸树脂、聚碳酸酯、聚氨酯、脂肪族聚氨酯、浇铸聚碳酸酯、尼龙、其组合等。在更具体的示例中，车顶面板和邻接的侧梁面板可由一种或多种共聚物由混合注射-压缩模制过程形成，其中热塑性聚合物（例如，丙烯酸或聚碳酸酯）的质量分数大于聚合物分子量的约50重量百分比（wt%）。纤维取向、颜色、厚度、长度等可全部都取决于特定于应用的结构要求以及美学设计。颜色可通过纤维选择来控制，诸如带金属涂层的碳纤维，或者可通过折射率匹配的纤维来控制以产生透明/半透明图案。
接下来转向图2-4，其中，相似的附图标记用于标示相同或类似的部件，示出了FRP复合材料车辆车顶纵梁与面板结构的三个代表性示例，它们分别标示在114、214和314处。虽然在外观上不同，但所设想的是，下文参考图2的车辆车顶结构114所描述的任何特征和选项都可以单个地或以任何组合结合到图3和图4的车顶结构214、314中，且反之亦然。作为非限制性示例，所有三个所图示的车辆车顶结构114、214、314都包括一体式主体面板，由刚性车顶面板124、224和324表示，该主体面板在一对长形支撑纵梁（本文中由刚性车顶纵梁122、222和322表示）之间延伸并与它们互连。如上文所提到的，在每个视图中仅示出了单个驾驶员侧车顶纵梁；尽管如此，每个车顶结构114、214、314均制造有互补的乘客侧车顶纵梁，该乘客侧车顶纵梁是图中所示的驾驶员侧车顶纵梁的镜像对应物。出于简洁和效率的目的，下文可关于所图示的车顶纵梁122、222、322来描述驾驶员侧车顶纵梁和乘客侧车顶纵梁两者。
车顶结构114、214、314具有沿着结构的前后长度而改变的可变的横向截面几何形状。为了图示这种可变的几何形状，图2-4中的主要视图呈现了FRP复合材料车顶纵梁与面板结构114的三个重叠的截面—在图2中标记为2A、2B和2C—如同沿着图1的插图视图中的线2A-2A、2B-2B和2C-2C截取的一样。然而，为了描述代表性车顶结构的组成部分的简单性，图2-4内的放大视图是FRP复合材料车顶纵梁与面板结构114、214、314在单个位置处（即，沿着图1的线2C-2C）的截面、端视图。例如，驾驶员侧车顶纵梁122、222和322是由三个离散的非扁平件组装而成的三部分构造：外波状面板150、250和350（本文中也称为“第一波状纵梁面板”）；基部波状面板152、252和352（本文中也称为“第二波状纵梁面板”）；以及内波状面板154、254和354（本文中也称为“第三波状纵梁面板”）。当组装到车辆（诸如，图1的汽车10）上时：外波状面板150、250、350位于距车辆的纵向中心线最远处，即，在基部波状面板152、252和352以及内波状面板154、254和354两者的“外侧”；基部面板152、252、352位于外面板150、250和350以及内面板154、254和354两者的内侧；并且内面板154、254、354夹在外面板150、250和350和基部面板152、252和352之间。
长形的外波状面板150和内波状面板154的相对侧向侧连接在一起，以在其间限定沿着车辆车顶结构114的前后长度延伸的五边式（第一）内部空腔156。如图所示，外波状面板150包括一对向外突出的（第一）凸缘151和153，并且内波状面板154包括一对向外突出的（第二）凸缘155和157。外波状面板150的远侧凸缘151安装到内波状面板154的远侧凸缘155，而外波状面板150的近侧凸缘153安装到内波状面板154的近侧凸缘157。同样地，基部波状面板152的相对侧向侧连接到外波状面板150和内波状面板154，以在其间限定与主内部空腔156相邻的四边式（第二）内部空腔158。例如，基部波状面板152包括：内侧面板段159，该内侧面板段在其上安装外面板的近侧凸缘153；以及外侧面板段161，该外侧面板段从内侧面板段159倾斜地伸出并在其上安装内波状面板154的中心主体区段。
外波状面板150和内波状面板154两者都可由FRP复合材料模制、由热固性或热塑性聚合物形成、从钢或铝金属板切割和冲压、或由其他合适的刚性材料和过程制造。相反，基部波状面板152由FRP材料形成，诸如热固性CFRP。对于至少一些实施方式而言，可期望的是，所有三个波状纵梁面板都由相同的材料形成。虽然被描绘为三件式构造，但车辆车顶结构114、214、314可制造有更多或更少的零件，具有与图中所示的几何形状类似或不同的几何形状。可通过粘合剂或紧固件实现纵梁面板件的连接。
在驾驶员侧车顶纵梁和乘客侧车顶纵梁122、222、322之间沿跨车方向横向地延伸的是车顶面板124、224、324，该车顶面板全部或部分地由用于至少制造基部波状面板152、252、352的相同的FRP材料形成。根据所图示的示例，图2的车顶面板124形成有弯曲的主面板区段160、以及从主面板区段160的相对侧向侧横向地突出的一对阶梯式接口162。一旦安装在车辆上，主面板区段160就可横跨大约整个前后长度以及车辆车顶的大约整个跨车宽度。同时，图2的阶梯式接口162（仅一个可见；为驾驶员侧纵梁所提供的镜像对应物）部分地隐藏在外纵梁面板150下面。虽然连续和不连续两种构型都是适当的，但是图2的阶梯式接口162可沿着车顶纵梁的侧边缘的整个前后长度（例如，图1的车顶纵梁长度L RR ）连续地延伸。顾名思义，每个阶梯式接口162由多级阶梯序列组成；外面板150的近侧凸缘153安装到阶梯式接口162的一个阶梯上。这样做时，外纵梁面板的凸缘153的最上表面与纵梁面板的主区段160的最上表面基本上齐平。
为了降低系统复杂性和简化车辆组装，每个主体面板与一个或多个纵梁面板一体地形成为单件式、整体结构。在非限制性示例中，每个车顶面板124、224、324与两个基部纵梁面板152（每个车顶纵梁122一个）一体地形成。再次参考图2，基部波状面板152被示为经由阶梯式接口162连接到主面板区段160，该阶梯式接口以阶梯状方式从车顶面板124以倾斜角度突出。另外，基部波状面板152的外侧面板段161可大致平行于外波状面板150的近侧凸缘153和主面板区段160的紧邻阶梯式接口162的那部分。
如图2中所见，车顶面板的主面板区段160的车顶面板厚度T MP 基本上等于外波状面板150的纵梁面板厚度T OP （例如，T MP ≈T OP ≈2 mm到6 mm）。作为另一个选项，图3的车顶面板224的主面板区段260的车顶面板厚度T MP’ 大于外纵梁面板250的厚度T OP （图2）并且大约等于彼此堆叠并连接的一对配对的凸缘253、257的总厚度T FS （例如，T OP ≈2 mm到4 mm；T MP’ ≈T FS ≈6 mm到10 mm）。另一方面，图4图示了车顶面板324的主面板区段360，该主面板区段的车顶面板厚度T MP” 大于该对配对的凸缘的总厚度T FS （图3）。作为进一步的选项，车顶面板324形成有一对长形的外伸区段364，该对外伸区段从主面板区段360的相对侧向侧横向地伸出。每个外伸区段364可沿着其相应的侧边缘的整个前后长度（例如，图1的车顶纵梁长度L RR ）连续地延伸。在这种情况下，外波状纵梁面板350的近侧凸缘353刚性地安装到车顶面板324，夹在阶梯式接口362和外伸区段364之间。
车辆车顶结构114、214、314的光学透明度可随区段不同而选择性地变化。例如，图2的外纵梁面板150和内纵梁面板154两者都例如可以是基本上不透明的，从而允许很少的光或不允许光从中穿过。以同样的方式，基部波状面板152的外侧面板段161也可以是基本上不透明的。另一方面，所设想的是，所有车顶纵梁面板150、152、154中的任何一个或多个都可以是透明的或半透明的。相反，车顶面板124的主面板区段160可以是基本上透明的，从而提供至少大约90-100％的总透射比。如在图2中用点阴影所示的，阶梯式接口162和基部波状面板152的内侧面板段159具有可变的不透明度，这些不透明度沿着主体面板的侧向宽度沿横向方向而改变。在所图示的示例中，外侧面板段161是基本上不透明的，内侧面板段159从基本上不透明过渡（例如，在图2中沿从左到右的方向）到半透明，阶梯式接口162从半透明过渡（例如，在图2中沿从左到右的方向）到主要透明，并且主面板区段160是透明的。应了解，可选择每个纵梁和面板区段的透明度水平，例如以适应车顶结构的预期应用的设计约束。例如，主面板区段160和波状面板152两者都可具有基本上相同的透明度水平（例如，约2％到20％的总透射比）。
为了有助于改进车辆车顶结构（诸如，图1的车辆车顶14）上的横向和竖向荷载，FRP复合材料车顶纵梁与面板结构114、214、314的选定段的尺寸特性可沿汽车10的前后、跨车和/或竖直方向改变。例如，基部纵梁面板152的外侧面板段161的侧向宽度W BP 沿着车辆车身的前后长度而变化（例如，增加和减小），例如如由图2中的三个重叠的截面图2A-2C所指示。同样地，外波状面板150的近侧凸缘153具有侧向宽度W OP ，该侧向宽度沿着车辆车身结构114的前后长度而变化（例如，与宽度W BP 的改变相称而增加和减少），例如如由重叠的截面图2A-2C所指示。
已参考所图示的实施例详细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。本公开不限于本文中所公开的精确构造和组成；从前述描述中显而易见的任何和所有修改、改变和变化都在如由所附权利要求书限定的本公开的范围内。此外，本概念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)
1.一种用于机动车辆的车辆车身结构，所述车辆车身结构包括：
第一长形支撑纵梁，所述第一长形支撑纵梁包括第一波状纵梁面板，所述第一波状纵梁面板连接到第二波状纵梁面板以在其间限定内部纵梁空腔，所述第二波状纵梁面板用纤维增强聚合物材料形成；以及
主体面板，所述主体面板用所述纤维增强聚合物材料形成并且包括主面板区段，所述主面板区段具有第一阶梯式接口，所述第一阶梯式接口从所述主面板区段的第一侧边缘横向地突出并在其上安装所述第一波状纵梁面板，其中，所述主体面板和所述第二波状纵梁面板一体地形成为单件式整体结构，
其中，所述第二波状纵梁面板包括从外侧面板段倾斜地伸出的内侧面板段，所述内侧面板段与所述第一阶梯式接口一体地形成，并且所述外侧面板段的侧向宽度沿着所述车辆车身结构的前后长度而变化。
2.根据权利要求1所述的车辆车身结构，其中，所述长形支撑纵梁进一步包括第三波状纵梁面板，所述第三波状纵梁面板夹在所述第一波状纵梁面板和所述第二波状纵梁面板之间并附接到所述第一波状纵梁面板和所述第二波状纵梁面板。
3.根据权利要求2所述的车辆车身结构，其中，所述第一波状纵梁面板包括一对向外突出的第一凸缘，并且所述第三波状纵梁面板包括一对向外突出的第二凸缘，每个第二凸缘分别安装到所述第一凸缘中的相应一个第一凸缘。
4.根据权利要求3所述的车辆车身结构，其中，所述外侧面板段在其上安装所述第三波状纵梁面板。
5.根据权利要求3所述的车辆车身结构，其中，所述第一波状纵梁面板和所述第三波状纵梁面板用金属材料形成。
6.根据权利要求3所述的车辆车身结构，其中，所述主面板区段的厚度等于或大于彼此堆叠并安装的一对配对的第一凸缘和第二凸缘的总厚度。
7.根据权利要求1所述的车辆车身结构，其中，所述主面板区段的所述第一侧边缘具有前后长度，所述第一阶梯式接口沿着所述第一侧边缘的整个前后长度连续地延伸。
8.根据权利要求1所述的车辆车身结构，其中，所述第一波状纵梁面板的上表面与所述主体面板的所述主面板区段的上表面齐平。
9.根据权利要求1所述的车辆车身结构，其中，所述主面板区段的厚度等于所述第一波状纵梁面板的厚度。
10.根据权利要求1所述的车辆车身结构，其中，所述主体面板进一步包括从所述主面板区段横向地伸出的外伸区段，并且其中，所述第一波状纵梁面板的安装到所述主体面板上的第一凸缘夹在所述第一阶梯式接口和所述外伸区段之间。
11.根据权利要求1所述的车辆车身结构，其中，所述第一波状纵梁面板的第一凸缘安装到所述主体面板的所述第一阶梯式接口上，所述第一凸缘的侧向宽度沿着所述车辆车身结构的前后长度而变化。
12.根据权利要求1所述的车辆车身结构，其进一步包括具有第三波状纵梁面板和第四波状纵梁面板的第二长形支撑纵梁，所述第四波状纵梁面板用所述纤维增强聚合物材料形成，其中，所述主体面板进一步包括从所述主面板区段的与所述第一侧边缘相对的第二侧边缘横向地突出的第二阶梯式接口，所述第二阶梯式接口在其上安装所述第三波状纵梁面板，并且所述主体面板和所述第四波状纵梁面板一体地形成为单件式整体结构。
13.根据权利要求1所述的车辆车身结构，其中，所述第一阶梯式接口具有可变的不透明度，所述不透明度沿着所述主体面板的侧向宽度沿横向方向而改变。
14.一种机动车辆，其包括：
车辆车身，其具有邻接下车身结构的上车身结构；以及
原动机，其安装在所述车辆车身上并且能操作以推进所述机动车辆，
其中，所述上车身结构包括：
多个支撑柱，其附接到所述下车身结构并从所述下车身结构向上伸出；
第一车顶纵梁，其安装到第一组支撑柱上并且包括第一波状纵梁面板和第二波状纵梁面板，所述第一波状纵梁面板和所述第二波状纵梁面板连接在一起以在其间限定第一内部纵梁空腔，所述第二波状纵梁面板用纤维增强聚合物材料形成；
第二车顶纵梁，其与所述第一车顶纵梁侧向间隔并安装到第二组支撑柱上，所述第二车顶纵梁包括第三波状纵梁面板和第四波状纵梁面板，所述第三波状纵梁面板和所述第四波状纵梁面板连接在一起以在其间限定第二内部纵梁空腔，所述第四波状纵梁面板用纤维增强聚合物材料形成；以及
主体面板，其用纤维增强聚合物材料形成并且包括主面板区段，所述主面板区段具有第一阶梯式接口和第二阶梯式接口，所述第一阶梯式接口和所述第二阶梯式接口分别从所述主面板区段的相对的第一侧边缘和第二侧边缘横向地突出，所述第一阶梯式接口和所述第二阶梯式接口分别在其上安装所述第一波状纵梁面板和所述第三波状纵梁面板，其中，所述主体面板以及所述第二波状纵梁面板和所述第四波状纵梁面板一体地形成为单件式整体结构，
其中，所述第二波状纵梁面板包括从外侧面板段倾斜地伸出的内侧面板段，所述内侧面板段与所述第一阶梯式接口一体地形成，并且所述外侧面板段的侧向宽度沿着所述上车身结构的前后长度而变化。
15.一种制造用于机动车辆的车辆车身结构的方法，所述方法包括：
形成第一长形支撑纵梁的第一波状纵梁面板；
用纤维增强聚合物材料形成所述第一长形支撑纵梁的第二波状纵梁面板；
将所述第一波状纵梁面板和所述第二波状纵梁面板连接在一起以在其间限定内部纵梁空腔；
用所述纤维增强聚合物材料形成主体面板，所述主体面板包括主面板区段，所述主面板区段具有从所述主面板区段的第一侧边缘横向地突出的第一阶梯式接口，其中，所述主体面板和所述第二波状纵梁面板一起一体地形成为单件式整体结构；以及
将所述第一波状纵梁面板安装到所述第一阶梯式接口上，
其中，所述第二波状纵梁面板包括从外侧面板段倾斜地伸出的内侧面板段，所述内侧面板段与所述第一阶梯式接口一体地形成，并且所述外侧面板段的侧向宽度沿着所述车辆车身结构的前后长度而变化。
16.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括：
将所述第一长形支撑纵梁的第三波状纵梁面板定位在所述第一波状纵梁面板和所述第二波状纵梁面板之间；以及
将所述第三波状纵梁面板附接到所述第一波状纵梁面板和所述第二波状纵梁面板。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一波状纵梁面板包括一对向外突出的第一凸缘，并且所述第三波状纵梁面板包括一对向外突出的第二凸缘，每个第二凸缘安装到所述第一凸缘中的相应一个。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一波状纵梁面板的上表面与所述主体面板的所述主面板区段的上表面齐平。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述主面板区段的厚度等于或大于所述第一波状纵梁面板的厚度。
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