DE102023103249A1

DE102023103249A1 - Fahrzeugkarosserie-strukturelement

Info

Publication number: DE102023103249A1
Application number: DE102023103249.6A
Authority: DE
Inventors: Masaharu Noguchi
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2022-02-24
Filing date: 2023-02-10
Publication date: 2023-08-24
Also published as: JP2023122707A; US20230264760A1

Abstract

Ein Fahrzeugkarosserie-Strukturelement ist aus einem faserverstärkten Kunststoffkomposit gebildet. Das Fahrzeugkarosserie-Strukturelement enthält ein Sollbruchteil. Das Sollbruchteil ist an einer Lasteingabefläche vorgesehen, in die eine Kollisionslast erwartungsgemäß eingegeben wird. Das Sollbruchteil ist konfiguriert, um, wenn die Kollisionslast eingegeben wird, einem Sprödbruch zu unterliegen und die Lasteingabefläche jeweils an beiden Seiten in einer vorbestimmten ersten Richtung in eine erste Region und eine zweite Region zu unterteilen. Wenn die Kollisionslast eingegeben wird, wird in jeder der ersten Region und der zweiten Region über das Sollbruchteil hinweg, eine Torsion erzeugt.

Description

HINTERGRUND
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugkarosserie-Strukturelement eines Kraftfahrzeugs unter Verwendung eines faserverstärkten Kunststoffkomposits.
VERWANDTE TECHNIK
Zur Gewichtsminderung einer Fahrzeugkarosserie eines Fahrzeugs, wie etwa eines Personenwagens, hat man in letzter Zeit daran gedacht, ein Fahrzeugkarosserie-Strukturelement, wie etwa eine Mittelsäule, mittels eines faserverstärkten Kunststoffs herzustellen, typisiert durch karbonfaserverstärkten Kunststoff (nachfolgend CFRP). Dieses aus faserverstärktem Kunststoff hergestellte Strukturelement hat eine hohe Steifigkeit und zeigt eine hohe Festigkeit insbesondere gegen Kompressionsbelastung oder Zugbelastung, die in einer Faserorientierungsrichtung wirkt. Auch wenn das Strukturelement für die Fahrzeugkarosserie mittels des faserverstärkten Kunststoffs konfiguriert ist, ist es erwünscht, die Steifigkeit, um einer Kollision zu widerstehen, eine Verbindungsfestigkeit zum Verbinden mit anderen Komponenten des Fahrzeugs und dergleichen sicherzustellen (siehe zum Beispiel die japanische ungeprüfte Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. JP 2013-193637 A ).
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Aspekt der Erfindung gibt ein Fahrzeugkarosserie-Strukturelement an, das aus einem faserverstärkten Kunststoffkomposit gebildet ist. Das Fahrzeugkarosserie-Strukturelement enthält ein Sollbruchteil. Das Sollbruchteil ist an einer Lasteingabefläche vorgesehen, an der die Eingabe einer Kollisionslast zu erwarten ist. Das Sollbruchteil ist konfiguriert, um, wenn die Kollisionslast eingegeben wird, einem Sprödbruch zu unterliegen, und die Lasteingabefläche jeweils an beiden Seiten in einer vorbestimmten ersten Richtung in eine erste Region und eine zweite Region zu unterteilen. Wenn die Kollisionslast eingegeben wird, wird an jeder der ersten Region und der zweiten Region über das Sollbruchteil eine Torsion erzeugt.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen sind enthalten, um für ein weiteres Verständnis der Erfindung zu sorgen und sind in diese Beschreibung eingebaut und stellen Teil von dieser dar. Die Zeichnungen illustrieren Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
Im Folgenden wird eine Ausführung der Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. Übrigens ist die folgende Beschreibung auf ein illustratives Beispiel der Erfindung gerichtet und soll die Erfindung nicht einschränken. Faktoren einschließlich ohne Einschränkung nummerischer Werte, Formen, Materialien, Komponenten, Positionen der Komponenten und wie die Komponenten miteinander verbunden sind nur illustrativ und sollen die Erfindung nicht einschränken. Ferner sind in dem folgenden Ausführungsbeispiel Elemente, die nicht im allgemeinsten unabhängigen Anspruch der Erfindung genannt sind, optional und können nach Bedarf vorgesehen werden. Die Zeichnungen sind schematisch und brauchen nicht maßstabsgetreu zu sein. In der gesamten vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen sind Elemente mit im Wesentlichen der gleichen Funktion und Konfiguration mit den gleichen Zahlen bezeichnet, um eine redundante Beschreibung zu vermeiden.

1 ist ein schematisches Diagramm, das Gesamtkonfigurationen einer Fahrzeugkarosserie-Seitenstruktur gemäß einer Ausführung der Erfindung darstellt.
2 ist ein Sichtdiagramm des Fahrzeugkarosserie-Strukturelements (Mittelsäule) gemäß der vorliegenden Erfindung von einer auswärtigen Richtung der Fahrzeugkarosserie her.
3 ist eine Pfeilansicht eines Querschnitts I-I der in 2 dargestellten Mittelsäule.
4 ist ein schematisches Diagramm der Umgebungen eines Sollbruchteils der in 2 dargestellten Mittelsäule.
5 ist illustriert eine Aktion des Fahrzeugkarosserie-Strukturelements gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 illustriert eine Aktion einer Torsionsverformungsstruktur des Fahrzeugkarosserie-Strukturelements gemäß der vorliegenden Erfindung.
7 illustriert ein erstes modifiziertes Beispiel der Torsionsverformungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung.
8 illustriert ein zweites modifiziertes Beispiel der Torsionsverformungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine Pfeilansicht eines Querschnitts II-II der in 8 dargestellten Mittelsäule.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ein faserverstärkter Kunststoff hat während der Eingabe einer Kollisionslast eine viel geringere Duktilität und einen viel kleineren Absorptionsbetrag von Kollisionsenergie als ein Metallelement, wie etwa ein Stahlelement.
Daher ist es wünschenswert, ein Fahrzeugkarosserie-Strukturelement unter Verwendung eines faserverstärkten Kunststoffkomposits anzugeben, das in der Lage ist, die Charakteristiken zum Absorbieren von Kollisionsenergie zu verbessern.
Im Folgenden werden einige Ausführungen der Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. Die folgende Beschreibung ist auf illustrative Beispiele der Erfindung gerichtet und soll die Erfindung nicht einschränken. Faktoren einschließlich ohne Einschränkung nummerischer Werte, Formen, Materialien, Komponenten, Positionen der Komponenten und wie die Komponenten miteinander verbunden sind nur illustrativ und sollen die Erfindung nicht einschränken. Ferner sind in den folgenden Ausführungsbeispielen Elemente, die nicht im allgemeinsten unabhängigen Anspruch der Erfindung genannt sind, optional und können nach Bedarf vorgesehen werden. Die Zeichnungen sind schematisch und brauchen nicht maßstabsgetreu zu sein. In der gesamten vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen sind Elemente mit im Wesentlichen der gleichen Funktion und Konfiguration mit den gleichen Zahlen bezeichnet, um eine redundante Beschreibung zu vermeiden.
<1. Umriss der Fahrzeugkarosserie-Struktur>
Zuerst wird ein Umriss einer Fahrzeugkarosserie-Struktur mit einem Fahrzeugkarosserie-Strukturelement gemäß einer Ausführung der Erfindung beschrieben.
1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Fahrzeugkarosserie-Seitenstruktur 1 darstellt. Die in 1 dargestellte Fahrzeugkarosserie-Seitenstruktur 1 ist eine schematische Ansicht eines Teils einer linken Seitenstruktur eines Fahrzeugs. Wie in 1 dargestellt, kann in der vorliegenden Beschreibung eine Fahrzeugbreitenrichtung als X-Richtung bezeichnet sein, eine Fahrzeugkarosserielängsrichtung (Fahrzeuglängsrichtung) als Y-Richtung bezeichnet sein und eine Fahrzeughöhenrichtung als Z-Richtung bezeichnet sein.
Die Fahrzeugkarosserie-Seitenstruktur 1 ist mit einer Dachsäule 5, einer Hecksäule 4, einer Frontsäule 2, einer Mittelsäule 3, einem Seitenschweller 6 und dergleichen konfiguriert. Die Dachsäule 5 erstreckt sich entlang der Fahrzeuglängsrichtung über einem Fahrzeuginnenraum eines Fahrzeugs und bildet eine Seite eines Fahrzeugdachs. Der Seitenschweller 6 erstreckt sich entlang der Fahrzeuglängsrichtung unter der Seite des Fahrzeugs. Die Frontsäule 2 hat ein unteres Ende, das mit einem vorderen Ende des Seitenschwellers 6 verbunden ist, und ein oberes Ende, das mit einem vorderen Ende der Dachsäule 5 verbunden ist. Die Frontsäule 2 bildet ein Vorderteil, das den Fahrzeuginnenraum des Fahrzeugs konfiguriert und ist angeordnet, um eine Seite einer Windschutzscheibe zu tragen. Die Hecksäule 4 hat ein unteres Ende, das mit einem hinteren Ende des Seitenschwellers 6 verbunden ist, und ein oberes Ende, das mit einem hinteren Ende der Dachsäule 5 verbunden ist. Die Mittelsäule 3 hat ein unteres Ende, das mit einer Mitte, in der Fahrzeuglängsrichtung, des Seitenschwellers 6 verbunden ist, und ein oberes Ende, das mit einer Mitte, in der Fahrzeuglängsrichtung, der Dachsäule 5 verbunden ist.
Eine Öffnung für eine vordere Tür ist zwischen dem Seitenschweller 6, der Dachsäule 5, der Frontsäule 2 und der Mittelsäule 3 gebildet. Zusätzlich ist eine Öffnung für eine hintere Tür zwischen dem Seitenschweller 6, der Dachsäule 5, der Hecksäule 4 und der Mittelsäule 3 gebildet. Jedes Element, das die Fahrzeugkarosserie-Seitenstruktur 1 konfiguriert, kann mit mehreren Elementen konfiguriert sein. Zum Beispiel kann jedes Element derart konfiguriert sein, dass eine Außenplatte in der Fahrzeugbreitenrichtung mit einer Innenplatte in der Fahrzeugbreitenrichtung verbunden oder verklebt ist.
In der Fahrzeugkarosserie-Seitenstruktur 1 entspricht die Mittelsäule 3 einem Fahrzeugkarosserie-Strukturelement der vorliegenden Erfindung. Eine Längsrichtung der Mittelsäule 3 entspricht der Fahrzeughöhenrichtung, und die Mittelsäule 3 ist allgemein zylinderförmig ausgebildet. Die Mittelsäule 3 hat ein Dachsäulenverbindungsteil 16, das am oberen Ende vorgesehen ist, ein Seitenschwellerverbindungsteil 14, das am unteren Ende vorgesehen ist, und einen Säulenhauptkörper 12, der sich zwischen dem Dachsäulenverbindungsteil 16 und dem Seitenschwellerverbindungsteil 14 befindet. In der vorliegenden Ausführung ist die Mittelsäule 3 aus einem karbonfaserverstärkten Kunststoff (CFRP) gebildet.
<2. Mittelsäule (Fahrzeugkarosserie-Strukturelement)>
Nun werden Konfigurationen der Mittelsäule 3 gemäß der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.
(2-1. Grundkonfigurationen)
Die 2 und 3 illustrieren ein Grundkonfigurationsbeispiel der Mittelsäule 3 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die in den 2 und 3 dargestellte Mittelsäule 3 ist eine vereinfachte Ansicht der Mittelsäule 3 der in 1 dargestellten Fahrzeugkarosserie-Seitenstruktur 1. 2 illustriert ein Sichtdiagramm der Mittelsäule 3 von der Auswärtsrichtung der Fahrzeugkarosserie her. 3 ist eine Pfeilansicht von Querschnitt I-I der in 2 dargestellten Mittelsäule 3.
In dem Beispiel der vorliegenden Ausführung enthält die Mittelsäule 3 ein inneres Element 21 an der Innenseite der Fahrzeugkarosserie, ein äußeres Element 31 an der Außenseite der Fahrzeugkarosserie und ein zylindrisches Element 41, das sich zwischen dem inneren Element 21 und dem äußeren Element 31 befindet. Das innere Element 21, das äußere Element 31 und das zylindrische Element 41 sind jeweils aus dem CFRP gebildet.
Das innere Element 21 und das äußere Element 31 haben jeweils ein Teil, das am oberen Ende das Dachsäulenverbindungsteil 16 konfiguriert, sowie ein Teil, das am unteren Ende das Seitenschwellerverbindungsteil 14 konfiguriert. Darüber hinaus hat das innere Element 21 Flansche 21a, 21b an beiden Seiten, in der Fahrzeuglängsrichtung, eines Zwischenelements, das den Säulenhauptkörper 12 konfiguriert. Das äußere Element 31 hat Flansche 31 a, 31b an beiden Seiten, in der Fahrzeuglängsrichtung, des Zwischenelements, das den Säulenhauptkörper 12 konfiguriert. Das zylindrische Element 41 ist zu einer hohlzylindrischen Form ausgebildet, sodass es eine räumliche, z.B. stereoskopische Form hat, die einer Form des Säulenhauptkörpers 12 entspricht.
Der Säulenhauptkörper 12 hat eine allgemein zylindrische Form mit einer Achsrichtung, die sich entlang der Fahrzeughöhenrichtung erstreckt. Der Säulenhauptkörper 12 ist kompakt mit einem zylindrischen geschlossenen Querschnitt konfiguriert. Das heißt, das zylindrische Element 41 sitzt zwischen dem inneren Element 21 und dem äußeren Element 31, wobei Innenflächen des inneren Elements 21 und des äußeren Elements 31 mit einer Außenfläche des zylindrischen Elements 41 verbunden sind, und die Flansche 21a, 21b des inneren Elements 21 mit den Flanschen 31 a, 31b des äußeren Elements 31 verbunden sind (siehe 3). Das innere Element 21 und das äußere Element 31 sind mit dem zylindrischen Element 41 verbunden, und die Flansche 21 a, 21 b sind mit den Flanschen 31a, 31b des äußeren Elements 31 verbunden, zum Beispiel mit einem Klebstoff. Die Flansche 21a, 21b und die Flansche 31a, 31b, die miteinander verklebt sind, können zum Beispiel als Türanschläge der vorderen Tür und der hinteren Tür benutzt werden.
Das zylindrische Element 41 ist mit einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet, wobei Karbonfasern mit thermoplastischem Kunststoff oder wärmehärtendem Kunststoff imprägniert sind. Beispiele des thermoplastischen Kunststoffs beinhalten ein Polyethylenharz, ein Polypropylenharz, ein Polyvinylchloridharz, ein ABS-Harz (Acrylonitril-Butadien-Styrol-Copolymer-Kunstharz), ein Polystyrolharz, ein AS-Harz (Acrylonitril-Styrol-Copolymer-Kunstharz), ein Polyamidharz, ein Polyacetalharz, ein Polykarbonatharz, ein Polyesterharz, ein PPS (Polyphenylen-Sulfid)-Harz, ein Fluorkarbonharz, ein Polyetherimidharz, ein Polyetherketonharz und ein Polyimidharz.
Eines oder ein Gemisch von zwei oder mehr Typen der thermoplastischen Kunststoffe können als Matrixharz benutzt werden. Alternativ kann das Matrixharz ein Copolymer dieser thermoplastischen Kunststoffe sein. Wenn das Gemisch der thermoplastischen Kunststoffe benutzt wird, kann dem Gemisch ein Kompatibilitätsverbesserer hinzugefügt werden. Ferner kann ein Feuerhemmstoff, wie etwa ein Brom-basierter Feuerhemmstoff, ein Silizium-basierter Feuerhemmstoff oder roter Phosphor zu dem thermoplastischen Kunststoffen) hinzugefügt werden.
Beispiele des wärmehärtenden Kunststoffs enthalten ein Epoxidharz, ein ungesättigtes Polyesterharz, ein Vinylesterharz, ein Phenolharz, ein Polyurethanharz und ein Silikonharz. Eines oder ein Gemisch von zwei oder mehr Typen der wärmehärtenden Kunststoffe können als Matrixharz benutzt werden. Wenn einer oder mehr dieser wärmehärtenden Kunststoffe benutzt wird, kann ein Härtungsmittel und ein Reaktionsbeschleuniger nach Bedarf zu dem wärmehärtenden Kunststoffen) hinzugefügt werden.
Die Karbonfasern können, mit einem geeigneten Verhältnis, Fasern enthalten, die in der axialen Richtung orientiert sind, und solche in einer die axiale Richtung kreuzenden Richtung. Eine Zugbelastung, die während der Eingabe einer Kollisionslast einer Seitenkollision erzeugt wird, wird in Abhängigkeit von einer Menge der in der axialen Richtung orientierten Fasern justiert. Eine Steifigkeit gegen die Kollisionslast der Seitenkollision wird in Abhängigkeit von einer Menge der Fasern justiert, die in der die axiale Richtung kreuzenden Richtung orientiert sind. Da das zylindrische Element 41 das Kompaktteil mit dem zylindrischen geschlossenen Querschnitt ist, ist es möglich, nicht nur die Kontinuität der Fasern in der axialen Richtung (der Fahrzeuglängsrichtung) beizubehalten, sondern auch die Kontinuität der Fasern in der Umfangsrichtung um eine Achse herum. Daher ist es möglich, die Steifigkeit gegen die Kollisionslast der Seitenkollision zu verbessern.
Das zylindrische Element 41 kann ein gestapelter Körper sein, wobei CFRP-Schichten (Prepregs) durch ein Auflagerungsverfahren gestapelt werden, oder eine Struktur, bei der Karbonfasern durch ein Wickelverfahren gewickelt und zusammen mit einem Matrixkunststoff gehärtet werden. Das zylindrische Element 41 kann ein hohles rohrförmiges Element oder ein massives Element sein, das mit einem Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material gefüllt ist. Ferner kann das zylindrische Element 41, anders als kontinuierliche Fasern, kurze Fasern enthalten und kann als Verstärkungsfasern andere Fasern als Karbonfasern enthalten.
Das innere Element 21 und das äußere Element 31 sind, wie das zylindrische Element 41, mit dem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet, wobei Karbonfasern mit thermoplastischem Kunststoff oder wärmehärtendem Kunststoff imprägniert sind. Die Karbonfasern können, mit einem geeigneten Verhältnis, Fasern enthalten, die in der axialen Richtung orientiert sind, und solche in einer die axiale Richtung kreuzenden Richtung. Die Richtungen der Orientierung der Karbonfasern können jedoch eine Richtung oder verschiedene Richtungen sein. Zudem können das innere Element 21 und das äußere Element 31 auch, anders als kontinuierliche Fasern, kurze Fasern enthalten und können als Verstärkungsfasern andere Fasern als Karbonfasern enthalten.
Wie in 3 dargestellt, haben das innere Element 21 und das äußere Element 31 der Mittelsäule 3 in der vorliegenden Ausführung jeweils einen hutförmigen Querschnitt, und das zylindrische Element 41 ist in einem vertieften Bereich zwischen den Flanschen 21a, 21b, 31a, 31b an in der Fahrzeuglängsrichtung beiden Seiten angeordnet. Eine Bodenfläche des vertieften Bereichs von einem oder mehr des inneren Elements 21 und des äußeren Elements 31 ist mit der Außenfläche des zylindrischen Elements 41 verbunden.
Die Konfigurationen der Mittelsäule 3 sind nicht auf das Beispiel beschränkt, in dem die Mittelsäule 3 mit dem inneren Element 21, dem äußeren Element 31 und dem zylindrischen Element 41 konfiguriert ist. Die Mittelsäule 3 kann auch mit nur einem zylindrischen Element konfiguriert sein oder andere Elemente enthalten. Zusätzlich braucht die Mittelsäule 3 die Flansche 21a, 21b, 31a, 31b nicht enthalten.
(2-2. Torsionsverformungsstruktur)
Nun wird im Detail eine Struktur beschrieben, in der die Mittelsäule 3 während der Eingabe einer Seitenkollisionslast Torsionen aufweist (nachfolgend „Torsionsverformungsstruktur“).
Wie in 2 dargestellt, enthält die Mittelsäule 3 ein Sollbruchteil 35, das an einer dem äußeren Element 31 näheren Fläche vorgesehen ist, die als Lasteingabefläche dient, in die die Kollisionslast vermutlich eingegeben wird, während der Eingabe der Kollisionslast einem Sprödbruch unterliegt und die Lasteingabefläche in eine erste Region und eine zweite Region an beiden Seiten mit einer vorbestimmten ersten Richtung unterteilt. In einem Beispiel enthält die Mittelsäule 3 das Sollbruchteil 35, das, während der Eingabe der Seitenkollisionslast, die dem äußeren Element 31 nähere Fläche (Lasteingabefläche) in eine erste Region 37 an einer in der Fahrzeughöhenrichtung (Z-Richtung) oberen Seite und eine zweite Region 39 an einer in der Fahrzeughöhenrichtung unteren Seite, unterteilt. Die Lasteingabefläche bedeutet keine Außenfläche des äußeren Elements 31, sondern Elemente des äußeren Elements 31 und des zylindrischen Elements 41, die an der Außenseite der Fahrzeugkarosserie in der Mittelsäule 3 angeordnet sind.
Das Sollbruchteil 35 ist nahe einer Höhe bereitgestellt, in die die Seitenkollisionslast eingegeben wird, in Bezug zum Beispiel auf die Höhe eines Stoßfängers eines Personenwagens. Das Sollbruchteil 35 wird gebildet, indem Verstärkungsfasern entweder teilweise oder insgesamt zwischen der ersten Region 37 und der zweiten Region 39 diskontinuierlich gemacht werden. In einem spezifischeren Beispiel sind das äußere Element 31 und das zylindrische Element 41 mit kontinuierlichen Fasern konfiguriert. Jedoch ist ein Teil oder sind alle der kontinuierlichen Fasern in dem Sollbruchteil 35 zwischen der ersten Region 37 und der zweiten Region 39 diskontinuierlich. Im Ergebnis wird das Sollbruchteil 35 spröde und kann während der Eingabe der Seitenkollisionslast einem Sprödbruch unterliegen. Dies erschwert die Übertragung einer auf die erste Region 37 wirkenden Belastung und einer auf die zweite Region 39 wirkenden Belastung zueinander; somit sind die erste Region 37 und die zweite Region 39 in unterschiedlichen Richtungen verformbar.
Jedoch zeigt das aus dem faserverstärkten Kunststoff hergestellte Strukturelement eine hohe Festigkeit gegen eine Kompressionsbelastung oder eine Zugbelastung, die in einer Richtung zur Orientierung der kontinuierlichen Fasern wirkt. Daher ist es erwünscht, dass ein Teil der kontinuierlichen Fasern über die erste Region 37 und die zweite Region 39 hinweg angeordnet wird, und dass der Rest der kontinuierlichen Fasern zwischen der ersten Region 37 und der zweiten Region 39 diskontinuierlich ist, sodass die Festigkeit der Mittelsäule 3 auf ein vorbestimmtes Ausmaß sichergestellt werden kann. Um zum Beispiel einen Teil der kontinuierlichen Fasern an der Lasteingabefläche der Mittelsäule 3 diskontinuierlich zu machen, in die die Kollisionslast eingegeben wird, können CFRP-Schichten mit einer Abgrenzung gestapelt werden, die bei der Formung von zum Beispiel des äußeren Elements 31 und/oder des zylindrischen Elements 41, in ein dem Sollbruchteil 35 entsprechendes Teil gelegt wird. Jedoch ist die Art, kontinuierliche Fasern diskontinuierlich zu machen, nicht auf ein spezifisches Verfahren beschränkt.
Ferner ist die Mittelsäule 3 gemäß der vorliegenden Ausführung derart konfiguriert, dass jede der ersten Region 37 und der zweiten Region 39 die, entsprechend der Fahrzeughöhenrichtung (ersten Richtung) mit dem höchsten Verhältnis zu den gesamten Fasern, die in jeder der ersten Region 37 und der zweiten Region 39 enthalten sind, kontinuierlichen Fasern enthält, die in einer zweiten Richtung orientiert sind, die mit einem vorbestimmten Winkel in Bezug auf die axiale Richtung der Mittelsäule 3, geneigt ist.
4 ist ein schematisches Diagramm der Umgebung des Sollbruchteils 35 der in 2 dargestellten Mittelsäule 3. Wie in 4 dargestellt, sind die erste Region 37 und die zweite Region 39 jeweils so konfiguriert, dass sie, mit dem höchsten Verhältnis, die kontinuierlichen Fasern enthalten, die in der zweiten Richtung D1, D2 orientiert sind, die mit dem vorbestimmten Winkel θ in Bezug auf die Fahrzeughöhenrichtung (Z-Richtung) geneigt ist. Die zweite Richtung D1 der kontinuierlichen Fasern in der ersten Region 37 und die zweite Richtung D2 der kontinuierlichen Fasern in der zweiten Region 39 sind in der gleichen Richtung in Bezug auf die axiale Richtung der Mittelsäule 3 geneigt. Unter den kontinuierlichen Fasern, die in der ersten Region 37 und der zweiten Region 39 enthalten sind, sind jene dominant, die mit dem vorbestimmten Winkel θ in Bezug auf die Fahrzeughöhenrichtung geneigt sind. Daher ist es während der Eingabe der Seitenkollisionslast möglich, die Torsionsverformung in der ersten Region 37 und der zweiten Region 39 an beiden Seiten über das Sollbruchteil 35 hinweg zu erzeugen. In einem Beispiel werden, wie in 5 dargestellt, Rückscherbelastungen F1, F2 in der Fahrzeuglängsrichtung in der ersten Region 37 und der zweiten Region 39 an der Lasteingabefläche mittels der während der Seitenkollision eingegebenen Kollisionslast erzeugt; somit ist es möglich, die Torsionsverformung in der Mittelsäule 3 zu erzeugen.
„Dass sie die kontinuierlichen Fasern enthalten, die in der zweiten Richtung D1, D2 orientiert sind, die mit dem vorbestimmten Winkel θ geneigt ist“ bedeutet, dass jede der ersten Region 37 und der zweiten Region 39 die kontinuierlichen Fasern, die in der gleichen Richtung orientiert sind, die in Bezug auf die axiale Richtung der Mittelsäule 3 geneigt ist, mit dem höchsten Verhältnis zu den gesamten kontinuierlichen Fasern, die jede der ersten Region 37 und der zweiten Region 39 konfigurieren, enthält. In anderen Worten, die kontinuierlichen Fasern, die in der gleichen Richtung orientiert sind, die in Bezug auf die axiale Richtung der Mittelsäule 3 geneigt ist, braucht nicht gleichermaßen parallel orientiert zu sein und kann auch mit unterschiedlichen Neigungswinkeln orientiert sein. Hierdurch wird es möglich, während der Eingabe der Kollisionslast die Torsionsverformungen in der ersten Region 37 und der zweiten Region 39 mit gleichem Ausmaß zu erzeugen.
In diesem Fall kann der vorbestimmte Winkel θ im Bereich von 40 bis 50 Grad liegen. In anderen Worten, die Konstruktion der Orientierungsrichtung der kontinuierlichen Fasern mit dem höchsten Anteil auf nahe 45 Grad in Bezug auf die axiale Richtung der Mittelsäule 3 erlaubt eine verbesserte Sicherheit zum Erzeugen der Torsionsverformungen während der Eingabe der Kollisionslast. Es sei angemerkt, dass die Neigungen der Orientierungsrichtung der kontinuierlichen Fasern mit dem höchsten Anteil entgegengesetzt zu den in 4 dargestellten sein können. In diesem Fall werden die Torsionen umgekehrt erzeugt.
6 illustriert eine Aktion der Torsionsverformungsstruktur der Mittelsäule 3.
Wenn nahe dem Sollbruchteil 35 an der Lasteingabefläche der Mittelsäule 3 eine Seitenkollisionslast Fc eingegeben wird, biegt sich die Mittelsäule 3 um das Sollbruchteil 35 herum. Im Ergebnis werden jeweils in der ersten Region 37 und der zweiten Region 39 Kompressionsbelastungen zu dem Sollbruchteil 35 hin erzeugt. Gleichzeitig bewirken Scherbelastungen die durch die Neigungen der in der ersten Region 37 und der zweiten Region 39 enthaltenen kontinuierlichen Fasern erzeugt werden, die Torsionsverformungen in der ersten Region 37 und der zweiten Region 39 an beiden Seiten über das Sollbruchteil 35 hinweg. Im Ergebnis bricht das Sollbruchteil 35.
Die Kontinuität der kontinuierlichen Fasern ist in einem brechenden Element 36 in Folge des Bruchs des Sollbruchteils 35 gering; daher kreuzen die erste Region 37 und die zweite Region 39 einander in einem brechenden Element 36. In einem Beispiel unterliegt in dem brechenden Element 36 eine Außenfläche der ersten Region 37 der Mittelsäule 3 einer Torsion in der Fahrzeuglängsrichtung nach hinten, und unterliegt eine Außenfläche der zweiten Region 39 einer Torsion in der Fahrzeuglängsrichtung nach vorne. Dies resultiert in einem Zustand, in dem ein Ende der ersten Region 37 ein Ende der zweiten Region 39 in dem brechenden Element 36 kreuzt.
Wenn ferner die Kollisionslast weiterhin eingegeben wird, schreitet die Zerdrückung fort, während die erste Region 37 und die zweite Region 39 in dem brechenden Element 36 ineinandergreifen. Daher ermöglichen der Bruch und die Zerdrückung, dass die Lasteingabefläche der Mittelsäule 3 die Kollisionsenergie absorbiert.
Ohne die Konfigurationen zum Erzeugen der Torsionsverformungen während der der Eingabe der Kollisionslast in die Lasteingabefläche wird die Kollisionsenergie lediglich durch Bruch oder Knickbruch absorbiert. Mit den Konfigurationen der Mittelsäule 3 gemäß der vorliegenden Ausführung ist es daher möglich, die Charakteristiken zum Absorbieren der Kollisionsenergie zu verbessern.
<3. Andere Konfigurationsbeispiele>
Die Konfigurationen zum Erzeugen der Torsionsverformungen während der Eingabe der Kollisionslast sind nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt und können unterschiedlich modifiziert werden. Nun werden einige modifizierte Beispiele der Torsionsverformungsstruktur beschrieben.
(3-1. Erstes modifiziertes Beispiel)
7 illustriert ein erstes modifiziertes Beispiel der Torsionsverformungsstruktur gemäß der vorliegenden Ausführung. 7 entspricht 4, welche die obige Ausführung darstellt, und ist ein schematisches Diagramm der Umgebung des Sollbruchteils 35 der Mittelsäule 3 bei Betrachtung von der Außenseite der Fahrzeugkarosserie. In dem ersten modifizierten Beispiel werden Kontaktstellen, d.h. Lasteingabestellen, während der Eingabe der Seitenkollisionslast gesteuert, sodass die Torsionsverformungen in der Mittelsäule 3 erzeugt werden können.
In einem Beispiel haben, in der Mittelsäule 3 gemäß dem ersten modifizierten Beispiel, die erste Region 37 und die zweite Region 39, an jeweiligen diagonalen Positionen über das Sollbruchteil 35 hinweg, vorstehende Flächen 37a, 39a, die zur Eingabe der Kollisionslast vorstehen, d.h. in der auswärtigen Richtung der Fahrzeugkarosserie. Aufgrund dessen wird während der Seitenkollision die Kollisionslast von dem anderen Fahrzeug oder dergleichen zuerst von den vorstehenden Flächen 37a, 39a eingegeben. Im Ergebnis wirkt, während der Eingabe der Kollisionslast, diese Last auf die diagonalen Positionen über das Sollbruchteil 35 hinweg, um in der ersten Region 37 und der zweiten Region 39 die Torsionsverformungen zu erzeugen. Daher schreitet, gemäß der unter Bezug auf 6 beschriebenen Aktion, die Zerdrückung fort, während die erste Region 37 und die zweite Region 39 in dem brechenden Element 36 ineinandergreifen. Daher ermöglichen der Bruch und die Zerdrückung, dass die Lasteingabefläche der Mittelsäule 3 die Kollisionsenergie absorbiert.
In dem in 7 dargestellten Beispiel werden die Lasteingabestellen gesteuert, indem die vorstehenden Flächen 37a, 39a vorgesehen werden, die, an den diagonalen Positionen über das Sollbruchteil 35 hinweg jeweils in der ersten Region 37 und der zweiten Region 39, zur Eingabeseite der Kollisionslast vorstehen, d.h. in der auswärtigen Richtung der Fahrzeugkarosserie. Jedoch ist das erste modifizierte Beispiel nicht auf ein solches Beispiel beschränkt. Die erste Region 37 und die zweite Region 39 können auch, an den diagonalen Positionen über das Sollbruchteil 35 hinweg, vertiefte Flächen haben, die zu einer der Eingabeseite der Kollisionslast entgegengesetzten Seite hin vertieft sind, d.h. in einer einwärtigen Richtung der Fahrzeugkarosserie. Dies ergibt in ähnlicher Weise Kollisionslasteingabestellen an den diagonalen Positionen über das Sollbruchteil 35 hinweg.
(3-2. Zweites modifiziertes Beispiel)
Die 8 und 9 illustrieren ein zweites modifiziertes Beispiel der Torsionsverformungsstruktur. 8 entspricht 4, welche die obige Ausführung darstellt, und ist ein schematisches Diagramm der Umgebung des Sollbruchteils 35 der Mittelsäule 3 bei Betrachtung von der Außenseite der Fahrzeugkarosserie. 9 ist eine Pfeilansicht eines Querschnitts II-II der in 8 dargestellten Mittelsäule 3. In dem zweiten modifizierten Beispiel haben, unter den verbundenen Teilen zwischen dem inneren Element 21 und dem äußeren Element 31 jene, die an den diagonalen Positionen über das Sollbruchteil 35 hinweg angeordnet sind, eine höhere Verbindungsfestigkeit als jene der anderen verbundenen Teile, sodass die Torsionsverformungen in der Mittelsäule 3 erzeugt werden können.
In einem Beispiel sind in der Mittelsäule 3 gemäß dem zweiten modifizierten Beispiel das innere Element 21 und das äußere Element 31 mittels der Flansche 21a, 21b und der Flansche 31a, 31b verbunden, die jeweils an den beiden Seiten in der Fahrzeuglängsrichtung, als verbundene Teile, vorgesehen sind. Die verbundenen Teile werden durch den Klebstoff verbunden. Darüber hinaus sind unter den verbundenen Teilen jene, die an den diagonalen Positionen über das Sollbruchteil 35 hinweg angeordnet sind, durch Verbindungsbolzen 38, zusätzlich zum Klebstoff, stark verbunden; daher werden die Verbindungfestigkeiten dieser verbundenen Teile erhöht. Aufgrund dessen bleibt, während der Eingabe der Kollisionslast der Seitenkollision, ein Verbindungszustand der verbundenen Teile mit den durch die Verbindungsbolzen 38 erhöhten Verbindungsfestigkeiten erhalten, während andere verbundene Teile durch Abschälen oder dergleichen zum Brechen neigen. Im Ergebnis werden gemäß der unter Bezug auf 6 beschriebenen Aktion, die Torsionsverformungen in der ersten Region 37 und der zweiten Region 39 erzeugt, und schreitet die Zerdrückung fort, wobei die erste Region 37 und die zweite Region 39 in dem brechenden Element 36 ineinandergreifen. Daher ermöglichen der Bruch und die Zerdrückung, dass die Lasteingabefläche der Mittelsäule 3 die Kollisionsenergie absorbiert.
Das Erhöhen der Verbindungsfestigkeiten an den verbundenen Teilen, die an den diagonalen Positionen über das Sollbruchteil 35 hinweg angeordnet sind, ist nicht auf das Verfahren mittels der Verbindungsbolzen beschränkt. Die Verbindungsfestigkeiten können an den Positionen mittels anderer Verbindungselemente erhöht werden oder können durch Ändern von Klebkräften des Klebstoffs verändert werden. Alternativ können, auch mit den Verbindungsbolzen, die Verbindungsfestigkeiten der Positionen erhöht werden, zum Beispiel durch Ändern der Anzahl der Verbindungsbolzen (Platzierungsdichten) oder Ändern der Durchmesser der Verbindungsbolzen in Abhängigkeit von den verbundenen Teilen. In einer anderen Alternative können die Verbindungsfestigkeit an diesen Positionen erhöht werden, indem man eine Kombination von zwei oder mehr Verbindungsverfahren anwendet, die als die Beispiele beschrieben sind.
Wie soweit beschrieben, enthält die Mittelsäule 3, um als das Fahrzeugkarosserie-Strukturelement gemäß der vorliegenden Ausführung zu dienen, das Sollbruchteil 35, das an der Lasteingabefläche vorgesehen ist, an der die Kollisionslast wahrscheinlich eingegeben wird, und ist konfiguriert, um während der Eingabe der Kollisionslast einem Sprödbruch zu unterliegen und um die Lasteingabefläche in die erste Region 37 und die zweite Region 39 an beiden Seiten in der Fahrzeughöhenrichtung zu unterteilen, und hat die Torsionsverformungsstruktur, um während der Eingabe der Kollisionslast Torsionen in der ersten Region 37 und der zweiten Region 39 an beiden Seiten über das Sollbruchteil 35 hinweg zu erzeugen. Aufgrund dessen schreitet, während der Eingabe der Kollisionslast der Seitenkollision, die Zerdrückung fort, während die erste Region 37 und die zweite Region 39 in dem brechenden Element 36 ineinandergreifen. Der Bruch und die Zerdrückung ermöglichen hierdurch, dass die Lasteingabefläche der Mittelsäule 3 die Kollisionsenergie absorbiert. In einer Ausführung kann die Mittelsäule 3 als „Fahrzeugkarosserie-Strukturelement“ dienen.
Ferner ist die Mittelsäule 3 gemäß der vorliegenden Ausführung so konfiguriert, dass die Fasern teilweise oder insgesamt zwischen der ersten Region 37 und der zweiten Region 39 in dem Sollbruchteil 35 diskontinuierlich sind. Aufgrund dessen wird die gegenseitige Übertragung der auf die erste Region 37 wirkenden Belastung und der auf die zweite Region 39 wirkenden Belastung erschwert; daher sind die erste Region 37 und die zweite Region 39 in unterschiedlichen Richtungen verformbar. Daher ist es möglich, die Sicherheit zum Erzeugen der Torsionsverformungen in der ersten Region 37 und der zweiten Region 39 zu verbessern.
Während die Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf die Ausführung beschränkt. Es ist klar, dass, innerhalb des Umfangs des technischen Konzepts, das in den Ansprüchen dargelegt ist, eine Person mit üblicher Kenntnis auf dem Gebiet, zu dem die Erfindung gehört, Beispiele verschiedener Modifikationen oder Umwandlungen erdenken könnte. Es versteht sich, dass diese Modifikationen oder Umwandlungen natürlich in den technischen Bereich der Erfindung fallen. Ferner fallen auch Kombinationsarten der Ausführung mit den modifizierten Beispielen natürlich in den technischen Bereich der Erfindung.
Zum Beispiel ist, als Beispiel des Fahrzeugkarosserie-Strukturelements in der Ausführung, die Mittelsäule 3 beschrieben worden, aber das Fahrzeugkarosserie-Strukturelement, auf das die Technik der Erfindung anwendbar ist, ist nicht auf die Mittelsäule beschränkt. Die Technik der Erfindung ist auch auf ein beliebiges Strukturelement anwendbar, das eine Fahrzeugkarosserie-Struktur konfiguriert und dazu dienen soll, eine Kollisionslast aufzunehmen und Kollisionsenergie zu absorbieren, solange keine einander entgegenstehenden Merkmale vorhanden sind.
Wie soweit beschreiben, ermöglicht die Technik der Erfindung verbesserte Charakteristiken zum Absorbieren der Kollisionsenergie in dem Fahrzeugkarosserie-Strukturelement mittels des faserverstärkten Kunststoffkomposits.
Ein Fahrzeugkarosserie-Strukturelement ist aus einem faserverstärkten Kunststoffkomposit gebildet. Das Fahrzeugkarosserie-Strukturelement enthält ein Sollbruchteil. Das Sollbruchteil ist an einer Lasteingabefläche vorgesehen, in die eine Kollisionslast erwartungsgemäß eingegeben wird. Das Sollbruchteil ist konfiguriert, um, wenn die Kollisionslast eingegeben wird, einem Sprödbruch zu unterliegen und die Lasteingabefläche jeweils an beiden Seiten in einer vorbestimmten ersten Richtung in eine erste Region und eine zweite Region zu unterteilen. Wenn die Kollisionslast eingegeben wird, wird in jeder der ersten Region und der zweiten Region über das Sollbruchteil hinweg, eine Torsion erzeugt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2013193637 A [0002]

Claims

Fahrzeugkarosserie-Strukturelement, das aus einem faserverstärkten Kunststoffkomposit gebildet ist, wobei das Fahrzeugkarosserie-Strukturelement umfasst: ein Sollbruchteil, das an einer Lasteingabefläche vorgesehen ist, zu der eine Kollisionslast erwartungsgemäß eingegeben wird, und konfiguriert ist, um, wenn die Kollisionslast eingegeben wird, einem Sprödbruch zu unterliegen und die Lasteingabefläche jeweils an beiden Seiten in einer vorbestimmten ersten Richtung in eine erste Region und eine zweite Region zu unterteilen, wobei wenn die Kollisionslast eingegeben wird, in jeder der ersten Region und der zweiten Region über das Sollbruchteil hinweg eine Torsion erzeugt wird.
Fahrzeugkarosserie-Strukturelement nach Anspruch 1, wobei zwischen der ersten Region und der zweiten Region in dem Sollbruchteil an der Lasteingabefläche Fasern teilweise oder vollständig diskontinuierlich sind.
Fahrzeugkarosserie-Strukturelement nach Anspruch 2, wobei die erste Region und die zweite Region jeweils so konfiguriert sind, dass sie kontinuierliche Fasern, die in einer zweiten Richtung orientiert sind, die mit einem vorbestimmten Winkel in Bezug auf die vorbestimmte erste Richtung geneigt ist, mit einem höchsten Verhältnis zu den gesamten Fasern, die in der ersten Region und der zweiten Region enthalten sind, enthalten.
Fahrzeugkarosserie-Strukturelement nach Anspruch 2, wobei die erste Region und die zweite Region jeweils vorstehende Flächen oder vertiefte Flächen an diagonalen Positionen über das Sollbruchteil hinweg aufweisen, wobei die vorstehenden Flächen zu einer Eingabeseite vorstehen, zu der die Kollisionslast eingegeben wird, und die vertieften Flächen zu einer der Eingabeseite entgegengesetzten Seite vertieft sind.
Fahrzeugkarosserie-Strukturelement nach Anspruch 2, wobei das Fahrzeugkarosserie-Strukturelement ein äußeres Element und ein inneres Element aufweist, die verbunden sind, wobei das äußere Element an einer Eingabeseite angeordnet ist, an der die Kollisionslast eingegeben wird und die das Sollbruchteil enthält, wobei das innere Element an einer der Eingabeseite entgegengesetzten Seite angeordnet ist, und das Fahrzeugkarosserie-Strukturelement derart konfiguriert ist, dass Verbindungsfestigkeiten verbundener Teile, die an diagonalen Positionen über das Sollbruchteil hinweg angeordnet sind, höher oder niedriger sind als Verbindungsfestigkeiten anderer verbundener Teile.