CN1402678A - 由纤维增强热塑性塑料制成的汽车外壳 - Google Patents

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Abstract

由纤维增强热塑性塑料制成的汽车外壳包括一个成形的、长纤维增强的、整体加入了连续的纤维束或者纤维带(3)的、配置在一个底座结构里(10)的热塑性基底(2)，该底座结构包括一块底板(6)、在一个底座上表面或者水平(NO)里纵向贯通的连续纤维束(3no)和在一个底座下表面或者水平(NU)里纵向布置的连续纤维束(3nu)。底座上表面和下表面通过垂直的壁板(11)相连接。本发明提供了一种制造经济、重量轻、刚性好并且安全可靠的汽车外壳。

Description

由纤维增强热塑性塑料制成的汽车外壳
本发明涉及按照权利要求1的前序部分所述的由纤维增强的热塑性塑料制成的一种汽车外壳以及制造这种汽车外壳的方法。由于采用纤维增强塑料，与以往的金属汽车外壳相比可以实现显著的优点，例如抗腐蚀性、减少噪音和降低重量，因而人们一直尝试提出一种可以由纤维增强塑料以经济的批量生产方法制造的承重的汽车外壳。但这至今为止还没有实现，这是由于汽车外壳的结构和制造太复杂费事，并因而太昂贵也太花费时间，或者也由于简单的制造方法，例如短纤维增强的注射成型，远不能得到所要求的高的机械性能。因而对于赛车和样品车来说，例如用热固性的碳纤维合成材料通过压热技术制造车身承载式外壳结构的汽车外壳，基本上是一种最昂贵的单件生产方法。另一方面，例如由WO 97/14602已知一种塑料车身，这种车身由四部分壳体件组装而成，它们通过短纤维增强的注射成型制成。但是用这种构造形式也不能形成承重的汽车外壳，这是因为其远远达不到必需的机械强度和抗猛烈冲撞的要求，因此这里必须使用一种承重的、稳定的钢框架作为底座组件和支承结构。
因此本发明的任务就是提出一种由纤维增强塑料制成的，尤其用于能够实现经济的、自动化批量生产的机动车辆的承重的汽车外壳，不仅用于较大的批量也用于较小的批量，例如1000件，该汽车外壳轻但能满足通常的机械强度和刚度的要求，尤其还具有冲撞可靠性，除此之外，在变形方面它还具有良好的长期稳定性。尤其是这种已知的用短纤维加强或者长纤维加强的热塑方法如注射成型和挤压在载荷作用下都有蠕变，因此相应制造的汽车外壳会随着时间的增加而发生很大的变形。
该项任务按照本发明通过按权利要求1所述的汽车外壳并借助于按权利要求22所述的制造这种汽车外壳的方法来解决。
通过形成一个支承结构的、整体加入的与长纤维物质一起挤压的连续纤维束并通过该连续纤维束在一个底部结构里的几何布置，即在具有较大间距并有垂直连接壁板的两个水平上的布置，形成一种可以快速、简单且经济制造的轻的汽车外壳，该外壳尤其具有良好的机械性能。
从属权利要求涉及本发明的有利的改进方案，这些方案对于各种不同的应用和结构型式的变化都有特别的优点，包括快速和简单的可制造性、机械性能、经济的制造及组装成本，而且对于其它的附加功能也都有益。
以下根据实施例和附图对本发明做进一步说明。图示为：
图1：按本发明的汽车外壳的结构简图，其在一个底部上表面和一个底部下表面里整体加入了连续纤维束或连续纤维带；
图2：通过底部结构的一个横断面；
图3：一种具有箱形纵向件和对角的连续纤维束的底部结构；
图4：具有二个侧置的箱形纵向件的底部结构；
图5：具有箱形的纵向和横向件的底部结构；
图6：由两个半壳体构成的双底座结构；
图7：具有底座结构和框架构造的一种汽车外壳的例子：
图8a，b：半敞开的和封闭的支承梁型材；
图9a，b：具有传递力的连接件的一个汽车外壳的二个组装零件；
图10a，b，c：具有整体加入连续纤维的支承结构的汽车外壳的另一个例子；
图11：由多个零件构成的汽车外壳的组装；
图12：由长纤维基底和整体加入的连续纤维束所构成的结构零件的加工过程；
图13a，b：具有筋板和卷边的一种双底座结构的另一种例子；
图14：具有倒圆的纵向支承梁的例子；
图15：具有非平面的底座表面的一种底座结构；
图16：具有阶形过渡状底座表面的一种底座结构；
图17：底座结构与一个辅助框架的连接；
图18：借助筋板和卷边对底座结构的加强；
图19：由少数零件组成的汽车外壳的另一个例子。
图1简要表示了按本发明的一种汽车外壳1的构造，它由一种成型的、长纤维加强的热塑性基底2构成，在该基底中整体加入了连续的纤维束或者纤维带3。所整体加入的连续的纤维束构成了一个立体的支承结构4，它包括一个底座结构10。在汽车外壳的中间部位，在一个前轮悬架8和一个后轮悬架9之间，在一个底座上表面里或者水平NO里整体加入了通长的、高强度的、纵向布置的连续的纤维束3no，同时在轴线平面5之下的底座下表面里或者水平NU里整体加入了纵向布置的连续的纤维束3nu。底座下表面和上表面通过基本上垂直的传递剪切力的壁板11相互连接起来，而且底座结构10与前轮悬架8和后轮悬架9相连接。为了得到一种特别稳定的和刚性的汽车外壳，在底座上表面和底座下表面NO，NU之间的比较大的高度间距h1在中间部位处至少达到15cm。根据车辆的种类和结构的不同，包括一个框架构造30，高度间距h1也可达到20-30cm。由于高强度连续纤维束在这二个不同的具有相对较大的间距h1的底座表面或者水平NO，NU之间的这种布置，因而实现了较大的稳定性、刚性，同时也使汽车自重的力矩吸收较好。因而也阻止了长时蠕变。这从原理上用重力K1与间距L1和在水平NO，NU的连续纤维束里的反力K2与间距h1来说明。(力矩平衡：K1·L1＝K2·h1)
对于道路运输工具来说，底座上表面或者水平NO位于轴线平面5之上，而底座下表面或者水平NU位于轴线平面5之下。这就能够通过底座结构有利地吸收所有由车辆运行、车轮悬架、静载荷以及冲击载荷所产生的力。但是对于专门车辆例如对于具有特别高的离地间隙的车辆或者对于具有大车轮的低货箱汽车来说也可以使这二个水平NO和NU布置在轴线平面5之上或者之下。但是此处起决定性的还是在这二个水平之间要有足够大的间距h1。图2示出了这二个水平NO，NU位于轴线平面5’之上的例子。
图2表示了按本发明的底座结构的横断面的另外一个例子，此处作为帽状横断面在长纤维基底2里具有上部的和下部的连续纤维带或者纤维束3no，3nu。这样一种结构的优点是通过一种整体加入了横向布置的连续纤维束18的箱形横向件16而加强，也如图4和图5所示。
图3表示了一种底座结构10，它具有整体加入了纵向布设在底座上表面和下表面NO，NU里的连续纤维束3的箱形纵向件15。在该例子中在底座结构10里包括二个贯穿的内部纵向箱形支承梁15，它们能够承受例如一个辅助框架48(如图7所示)的力或者一种冲撞结构47的力，其中此处通过借助粘结和形状配合的适配而形成的大面积的连接就可以实现力的顺利传入。此外该例子也表示了一种双底座结构17，它由一块上底座板和一块下底座板6a，6b组成，另外也表示了横向和对角布置的所整体加入的连续纤维束或纤维带18，19，它们构成了一种桁架式支承结构4。
图4表示了底座结构10的另外一种横断面形式，这种底部结构在两侧具有外置的箱形纵向件15，此处这些件在底座上表面和下表面NO，NU之间具有相对较大的高度间距h1，例如20～25cm。另外它们通过一种后置箱形的，整体加入了横向布设的连续纤维束18的横向件16相连接(见图5)，因而用此底座结构就能够构成一种特别抗扭的、坚固的而且重量轻的汽车外壳。这也适合于例如敞蓬轿车。因而就可以按摸块结构形式用相同的底座结构实现各种不同的车辆构造。
图5表示了一种底部结构10，它具有箱形的纵向件15，也具有箱形的横向件16。此处支承结构除了整体加入的纵向纤维束3之外还有横向布设和对角布设的连续纤维束18，19，而且也还有一种附加整体加入的平面的纤维织物45作为加强物以提高抗剪刚度。连续纤维带3在整个汽车外壳里的分配和布设一般要对应于所出现的力。
图6表示了一种由二个半壳体a和b所构成的，具有上底座板和下底座板6a，6b的双底座结构17的一种横断面简图。此处该双底座包括二个箱形纵向件15.1，15.2。二个半壳体a和b的连接可以通过热塑性焊接、粘结或者也可以用螺钉和铆接来实现，其中零件a和b的形状配合的适配也是有利的。同样，图10和13所示的例子也分别由二个半壳体a和b组成。对于挤压过程来说所有的垂直壁板都必须具有例如1.5～2°的脱模斜度。这也适合于筋板和卷边。
图7表示了一种汽车外壳1的例子，它具有一个底座结构10和一个与之连接的，由各个不同零件组成的框架结构30，这些零件包括前置的和后置的侧支承梁31v，31h，车顶主梁32和顶部横梁或横向连接33，一个前围板36和一个后横隔板37(见图11)。用于前轮悬架8的一种金属辅助框架48大面积地插入在双底座结构或者箱形纵向件15里(如图3所示)，并且形状配合地插入底座结构10里并与汽车外壳连接。在该辅助框架48上也布置有一个防撞件47。该件与前轮悬架8的设计应保证在发生冲撞(K3)时使车身前端被顶过一个变形行程并瘪入汽车外壳之下，尽可能不损伤汽车外壳。此外这里还在框架的B柱31B上表示出了一种整体制成的金属插入物40，其形状为用于安全带紧固的传力件41。图8b也对其进行了表示。后轮悬架9类似地借助于适合的传力件与底座结构10相连接。
图8a和8b表示了框架30的支承梁型材，其在长纤维材料2里整体加入了U形的连续纤维束3。图8a表示了一个半开的支承梁型材21，它具有作为附加的加强和加固件的长纤维筋板22。
图8b表示了一种帽状断面23a，它与一个盖23b连接成一个封闭的型材23。零件a和b的这种连接也可以通过例如热塑性焊接来实现。封闭的型材零件23优选用于受载特别强烈的区域，例如用于吸收力，如这里用整体制成的传力件41所示的那样，这种传力件例如用于安全带的紧固。图8b还表示了在汽车外壳和框架上可以固定非承重的平面的塑料零件54作为车身外表面。这样的塑料车身件可以用例如注射成型法方便和简单地制成。这就形成了一种特别轻的汽车车身。塑料零件54例如可以粘贴在汽车外壳上或者也可以借助于固定件43如弹性卡扣，可方便地拆下并可更换地安装上。图8b还表示了用于内腔的表层蒙皮46，它可以在一个共同的制造工序里进行，其方法是将长纤维基底2、连续的纤维束3和表层蒙皮46挤压在一起。
图12表示了制造按本发明所述的汽车外壳或者汽车外壳零件的方法。左面表示了在挤压之前含有空气的、絮状的、塑化的、长纤维加强的基底材料2，它放在一个压模中定好位的、预固的、塑化的连续纤维束3上。挤压时空气从长纤维基底里被挤压出来同时支承结构4的所整体加入的连续长纤维束3形成一种紧密的连接，从而通过该挤压过程一步就形成了按图12右边所示的致密的结构，而不会夹入有害的空气。长纤维基底与连续纤维束的这种紧密的热塑性连接(熔接)的结果是在立体的支承结构4中有最佳的力的传递和力的分布。另外在这种综合的方法里也包括了在一个面上的表层蒙皮46，或者例如也可以在连续纤维束或纤维带3和长纤维基底2之间整体加入一种加强织物45(见图5)并一步将之挤压在一起。
汽车外壳和底座结构由多个部件或零件50组成，其中在各种不同的零件之间形成了顺利实现力的传递的连接。这从原理上可以通过热塑性的焊接、通过粘结，或者也可以通过螺钉固定在整体制成的金属插入件上来实现，优选通过各个不同零部件的形状配合的适配进行支撑。
在图9a、9b的例子中传递力的连接件42设在这二个零件50.1和50.2的连续纤维束3.1，3.2之间。此处其例如是金属连接件42.1，42.2，它们作为插入件形状配合地整体制成在零件50.1，50.2里。这些零件形成了一种形状配合的，用螺钉连接可以方便地装配，也可以方便地拆卸的连接。
图10a，10b，10c按三个不同的透视图表示汽车外壳1的另一个例子，这种外壳具有由连续纤维束3组成的整体制成的空间格栅状的支承结构4，这种结构同样具有一个由二个壳体a和b组成的双底座17以及一个加高的后部箱形结构38。
图11所示例子表示了由各种不同零部件50组成的一种汽车外壳1的组合情况。这里还表示出了一种具有上底座板和下板6a，6b的包括二个部分的双底座17a，b，还表示出了作为汽车外壳的零件的前、后侧壁板34v，34h、车顶主梁32、横向连接33A，33B，33C、一个前围壁板36和一个后部箱形结构38。零部件50也可以设计为预制的模件52(例如带有连接和表层蒙皮)，因此汽车外壳就可以通过模件的简单地连接，例如借助于螺钉连接(图9)而装配在一起。
图13a，b表示了有二个壳体的双底座结构17的另外一个例子，该结构在底座板6里还有附加加固的筋板22和卷边25。
图14至16表示了具有非平面底座表面NO，NU的底座结构的例子，这些表面既是关于图14里的横向方向y的，也是关于图15和16里的纵向方向X的。但是在这二个水平之间的高度间距h1总能足够大，因而使所有产生的力和力矩大部分都能够由底座结构吸收。这些力和力矩即运行时作用在车轮悬架上的行驶力以及发生冲撞时从不同方向作用的冲击力基本上为惯性力。这些力都必须通过汽车外壳，即由带有车身结构的底座结构来承受，其中主要部份由底座结构来承受。
图14表示了一种倒圆角的管状纵向支承梁14的横断面(类似于图4的箱形梁15)，它形成了例如一个侧面台阶，而且同样由二个半壳体6a和6b构成。
图15表示了一个具有弧形的稍向前下倾的底座上表面NO和底座下表面NU。为了进行说明这里也另外表示出了在侧壁板11里倾斜布置的连续纤维带3。此外，侧壁板11也承受剪切力。
图16表示了一种有台阶的底座结构10，它有一个低的前部主底座6a，6b和一个较小的较高的后部底座部分38a，38b，其中这二者又都是由二个半壳体a和b组成。主底座表面NO，NU由在各个不同的水平之间具有一种传递力的过渡的后部底座面NO2，NU2来补充。
图17表示了一个辅助框架48或者一个车轮悬架和防撞件47在一个底座结构10上的用于传递力和力矩的连接。为此一方面有大面积的力传递，例如借助于粘结以及如此处所示的与整体制成的传力件41的螺钉连接，这些传力件将力传递到底座结构里的连续纤维束3上。另外将力传入底座结构还通过筋板22和卷边25等形式的在高应力区的加强而得到支持。
图18表示了这样一种由于长纤维基体2中的筋板22和卷边25与整体加入的连续带3相结合而得到的加强和加固。这在此处表示在一个上底座半壳体6a上。
图19表示了一种五座高级轿车的汽车外壳的另外一种例子，它类似于图11所示的例子，它由相对较少的零件50很简单地组装而成。这种汽车外壳包括一个伸达整个宽度的前壁板或者前围板36以及分别反映在中心平面(x，y)上的右部件和左部件，其中在图19中只是表示了右侧的部件。
在以下部件里各有一个右部件和左部件：
底座结构10具有-前上底座板6a-前下底座板6b-后上底座结构38a-后下底座结构38b
框架结构30具有-具有B-柱和C柱的后侧壁板34h-具有A-柱34b的前侧壁板34v-具有A-柱34a的车顶主梁32a-具有梁32b的车顶盖结构，和车顶盖横梁33A，33B，33C(在A-，B-，C-柱上)
在这些部件中以下的部件分别共同构成了双底座结构或者封闭的刚性的箱形断面，它具有相对较大的横断面积：-底座板6a和6b构成了一个双底座17，-同样底座结构38a和38b构成了一个双底座箱形结构38；-具有A-柱34a的车顶主梁32a和车顶盖结构32b以及A-柱34b一起构成了一个封闭的顶盖框架32。
因而该汽车外壳总共由17个部件组成。在图19里尚未表示的有一个左边的车门和右边的车门以及一个后盖板，它们作为另外的独立部件同样以相同的结构形式用长纤维的基体和整体加入的连续纤维带制成。图中也表示了用于车轮悬架和可能的防撞件的金属梁或者辅助框架48，这些部件在所标示的位置48处与底部整体制成或被拧入底部结构中，其中底部结构的受力部位被加强，即除了受力的连续纤维带之外还采用了吸收力的筋板22和卷边25。为了说明，在车顶盖部位表示出了一些连续纤维带3，以便说明这些连续纤维带是如何整体制入到整个结构里去的。
用这些部件50连接成整个汽车外壳1是可以借助于热塑性基底的焊接、通过粘结以及通过在这些连续纤维束之间的传力连接件而实现的。
适合作为基底材料的有例如热塑性材料，如聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)和作为纤维加强的、首选的玻璃纤维，但根据需要也可以是碳纤维或者芳族聚酰胺纤维，其在连续纤维束内的纤维含量为例如35-60％(体积)，在长纤维基体里为例如15-25％(体积)。纤维束可以具有各不相同的横断面和纤维构造。最简单的是具有平行纤维的UD纤维束，但根据应用的不同情况也可以使用宽的、平的带，例如也可以与纵向的和对角布置的连续纤维组合起来使用。
长纤维材料在平整的部位的厚度可达例如2-4mm，连续纤维带3的厚度可达例如2-5mm，宽度为几个厘米。
本发明的汽车外壳与传统的钢构件相比可以大大减轻重量。这种具有相对较小尺寸的部件50所构成的结构对于挤压过程来说相应地就要求较小的压力机和挤压力。因而与过去的自承载式钢制车身的制造相比在生产设备的投资方面就要求少得多了。在本说明书中使用了以下符号：NO                    底座上表面，水平NU                    底座下表面，水平h1                    水平之间的间距3no                   3在NO里3nu                   3在NU里a，b                  半壳体K1，K2，K3            力L1                    力矩间距X，Y，Z               空间方向1                     汽车外壳2                     长纤维基体，长纤维材料3                     连续纤维束，连续纤维带4                     支承结构5                     轴线平面6                     底座板8                     前轮悬架9                     后轮悬架10                    底座结构11                    垂直壁板14                    倒圆角的纵向支撑梁15                    箱形纵向件16                    箱形横向件17                    双底座18                    横向布置的连续纤维束19                    对角布置的连续纤维束21                    半开的支承梁型材22                    筋板，筋板23a，b                封闭的支承梁型材25                    卷边30                    框架结构31                    侧支承梁31A，B，C             A，B，C-柱32                    车顶主梁33                    横向连接，车顶盖横梁34                    侧壁板36                    前围板37                    后部横壁板38                    后部箱式结构，底座40                    插入物、夹入物41                    传力件42                    连接件43                    固定件45                    强织物46                    表层蒙皮47                    防撞件48                    辅助框架50                    部件1，1052                    预制模件54                    车身的塑料部件

Claims (24)

1.由纤维增强的热塑性塑料制成的汽车外壳，其特征在于，它包括一种成形的、长纤维加强的、整体加入了连续的纤维束或者纤维带(3)的热塑性基底(2)，该连续的纤维束或者纤维带(3)构成一种包括底座结构(10)的支承结构(4)，该底座结构具有一个底座板(6)和在底座上表面(NO)里、在中间区域纵向通长布置的连续纤维束(3no)以及在轴线平面之下的底座下表面(NU)里纵向布置的连续纤维束(3nu)，其中上平面和下平面通过垂直壁板(11)相连接，而且底座结构与一个前轮悬架(8)和一个后轮悬架(9)相连接。
2.按权利要求1所述的汽车外壳，其特征在于，底座上表面(NO)位于轴线平面(5)之上，而底座下表面(NU)位于轴线平面之下。
3.按权利要求1或者2所述的汽车外壳，其特征在于，在底座上、下表面(NO，NU)之间的高度间距(h1)至少达15cm。
4.按上述权利要求之一所述的汽车外壳，其特征在于，底座结构(10)包括箱形的纵向件(15)，其中整体加入了纵面布置的连续纤维束(3)。
5.按上述权利要求之一所述的汽车外壳，其特征在于，底座结构也包括横向布置的(18)和对角布置的(19)整体加入的连续纤维束(3)。
6.按上述权利要求之一所述的汽车外壳，其特征在于，底座结构(10)至少在局部包括一个箱形的双底座(17)，其中整体加入了连续纤维束(3)。
7.按上述权利要求之一所述的汽车外壳，其特征在于，底座结构包括至少一个箱形的横向件(16)，其中整体加入了横向布置的连续纤维束(18)。
8.按上述权利要求之一所述的汽车外壳，其特征在于，汽车外壳包括由二个半壳体(a，b)构成的箱形件。
9.按上述权利要求之一所述的汽车外壳，其特征在于，底座结构(10)为了加固目的包括由长纤维材料制成的筋板(22)和卷边(25)。
10.按上述权利要求之一所述的汽车外壳，其特征在于，一种与底座结构相连接的，具有侧支承梁(31)、车顶主梁(32)和横向连接(33)的框架结构(30)。
11.按上述权利要求之一所述的汽车外壳，其特征在于，尤其是在框架结构里设有半开的、U形的支承梁型材(21)，其中整体加入了连续纤维束(3)并设有长纤维的筋板(22)。
12.按上述权利要求之一所述的汽车外壳，其特征在于，在框架结构(30)里设有封闭的支承梁型材(23)，其中整体加入了连续纤维束(3)。
13.按上述权利要求之一所述的汽车外壳，其特征在于，底座结构包括一个前围板(36)和一个后壁板(37)或者一个后部箱形结构(38)。
14.按上述权利要求之一所述的汽车外壳，其特征在于，其在前部和/或后部都包括具有一个预定的变形行程的防撞件(47)，优选这些件在底座结构(10)和车轮悬架(8，9)之间也起作用。
15.按上述权利要求之一所述的汽车外壳，其特征在于，前轮悬架和/或后轮悬架包括金属的辅助框架(48)，其整体制成在底座结构(10)中。
16.按上述权利要求之一所述的汽车外壳，其特征在于，支承结构(4)包括整体制成的金属插入物(40)作为传力件(41)或者作为连接件(42)。
17.按上述权利要求之一所述的汽车外壳，其特征在于，汽车外壳和底座结构包括多个件或零件(50)，其中传递力的连接件(42)在各种不同零部件(50.1，50.2)的连续纤维束(3)之间。
18.按上述权利要求之一所述的汽车外壳，其特征在于，整体加入的连续纤维束(3)构成了一种空间栅格支承结构(4)(空间框架)。
19.按上述权利要求之一所述的汽车外壳，其特征在于，其由易于组装的预制模件(52)构成。
20.按权利要求19所述的汽车外壳，其特征在于，附加地将用于内腔室的一种平面的加强织物(45)和/或一种表层蒙皮(46)整体制成在模件里。
21.按上述权利要求之一所述的汽车外壳，其特征在于，在汽车外壳或者框架结构上固定了非承载的、平面的、例如由注射成型的塑料零件(54)作为车身的外侧面。
22.用于制造一种由纤维增强的热塑性塑料制成的汽车外壳(1)的方法，其特征在于，将塑化的、长纤维加强的基底材料(2)与预固的连续纤维束(3)一起挤压；由此形成一个底座结构(10)，其在底座上表面(NO)里具有纵向通长布置的连续纤维束(3no)，并在底座下表面(NU)里具有纵向通长布置的连续纤维束(3nu)；上水平和下水平通过垂直的壁板(11)相连接，而且可以在底座结构(10)上安装一个前轮悬架(8)和一个后轮悬架(9)。
23.按权利要求22所述的方法，其特征在于，底座上表面(NO)位于轴线平面(5)之上，而底座下表面(NU)位于轴线平面(5)之下。
24.按权利要求22所述的方法，其特征在于，汽车外壳由零件(50)组装而成，在各个不同的零件(50.1，50.2)之间具有连续纤维束(3.1，3.2)的传递力的连接件。
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