JP2016043926A - 原動機付き車両用のクロスメンバ及びクロスメンバを製造するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
重量を軽減して構成され、簡単に製造可能であり、加えて、従来技術の欠点を回避する原動機付き車両のためのクロスメンバを提供すること。
【解決手段】
上側シェル２と、繊維強化プラスチックから成る下側シェル３と、前記上側シェル２の補強のためのリブ構造部９とを含む、原動機付き車両用のクロスメンバ１において、前記上側シェル２が金属材料で構成されており、前記リブ構造部９が短繊維強化プラスチックで構成されていて、かつ、前記下側シェル３から一部材で形成されている。また、前記上側シェル２が車両部分のための複数の取付箇所１０を備えており、該取付箇所のうち少なくとも２つが、特に独立した部材として形成された取付突起部４，５として形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、上側シェルと、繊維強化プラスチックから成る下側シェルと、上側シェルの補強のためのリブ構造部とを含む、原動機付き車両用のクロスメンバに関するものである。さらに、本発明は、クロスメンバのための製造方法に関するものでもある。

現代の自動車製造技術においては、ＣＯ_２排出及び環境負荷を大幅に削減するために、できる限り軽量な原動機付き車両の車体をデザインすることが優先的な目的となっている。この理由により、自動車製造技術においては、特に繊維強化されることが可能なプラスチック材料及び高強度又は最高強度の鋼材料並びにアルミニウム材料がますます使用されるに至っている。

シャシーの範囲においても軽量構造が求められており、鋼部材の分野において重量軽減は、特に適当な材料の利用並びに薄板シェルにおける構造、壁厚の削減及び類似の手段によって達成される。しかし、軽量構造は、特にプラスチック材料の使用によって更に促進される。したがって、特許文献１にはプラスチックから成るクロスメンバが開示されており、このクロスメンバは、クロスビーム及び縦ビームを含んでいる。このクロスメンバはプラスチックから成る２つの半殻部から成っており、これら半殻部のうち少なくとも１つが、クロスビーム及び縦ビームの内部で補強リブによって補強される。使用される材料は、繊維強化プラスチックである。

わずかな重量という利点に反して、このようなクロスメンバは、使用される材料により比較的高価となってしまう。技術的な観点において、価格について魅力的な材料においては、強度が運動特性についての要件を満たさないことが欠点である。加えて、いくつかのプラスチックは、負荷あるいは過負荷において破損しやすい。これにより、クロスメンバの強度が損なわれ、不安定となる構造により二次損傷が生じるか、又は自動車が事故の際にコントロール不能となってしまうというおそれがある。

欧州特許出願公開第２５７８４７３号明細書

この従来技術の背景において、本発明の課題は、重量を軽減して構成され、簡単に製造可能であり、加えて、従来技術の欠点を回避する原動機付き車両のためのクロスメンバを提供することにある。さらに、本発明の課題は、これに対応する、原動機付き車両のためのクロスメンバのための製造方法を提供することでもある。

上記目的とする課題は、請求項１によるクロスメンバによって解決される。本発明によるクロスメンバの特別な形態は、請求項２〜１１の内容である。

方法についての課題は請求項１２によるクロスメンバを製造するための方法によって解決され、方法の特別な形態は、請求項１３〜１８に記載されている。

本発明による、原動機付き車両のためのクロスメンバは、上側シェルと、繊維強化プラスチックから成る下側シェルと、上側シェルの補強のためのリブ構造部とを含んでおり、上側シェルが金属材料で構成されており、リブ構造部が短繊維強化プラスチックで構成されているとともに下側シェルから一部材で形成されている。

本発明の範囲内において一部材とは、下側シェルとリブ構造部が互いに溶着されていることを意味する。特に、両者は同一のプラスチックで構成されているとともに、したがってこの意味において材料一体的に（ｗｅｒｋｓｔｏｆｆｅｉｎｈｅｉｔｌｉｃｈ）形成されており、繊維材料は区別され得る。したがって、下側シェルに対して短繊維のみならず織物又はスクリム（Ｇｅｌｅｇｅ）又は他の無端の繊維も用いられることが可能である。

特に、金属材料から成る上側シェルの使用は、まさに上述した上記従来技術の技術的な欠点を除去するものである。損傷時には、金属材料から成る上側シェルが損傷し、湾曲されるものの、この上側シェルは、車両において使用されるプラスチックに対しては十分に柔軟性かある。その結果、上側シェルの破損は生じない。これにより、クロスメンバ全体が損傷しても、なお十分な強度が提供され、これによりシャシー構造全体が不安定とならない。

同時に、繊維強化プラスチックから成る下側シェルは、クロスメンバ全体の重量を大幅に削減することに貢献する。下側シェルから一部材に形成されたリブ構造部により、特に車両動作中の負荷に耐え得る追加的な安定性を構造全体が得る。

金属及び繊維強化プラスチックから成る上記多層材料系により、各材料グループのポジティブな特性が互いに関連される。高強度及び最高強度の鋼材料又はアルミニウム合金（５０００番台又は６０００番台のアルミニウム合金）の使用により、上側シェルが薄肉の構成において非常に軽量化して製造されることができる。下側シェル及びリブ構造部の繊維強化材料の局所的な使用により、更なる重量についての利点が得られ、材料の目的に合った使用により非常に安価なクロスメンバが製造される。

金属材料から成る上側シェルが構造全体のある程度の輪郭形成部（Ｋｏｎｔｕｒｇｅｂｅｒ）を形成する一方、これに対して、繊維強化プラスチックは安定性及び補強に寄与するものである。さらに、下側シェルは、下底部保護又はせん断フィールド（Ｓｃｈｕｂｆｅｌｄ）としての機能統合を可能とする。これら両方の形態は、下側シェルが本質的に平坦かつ閉鎖して形成されており、上側シェルが完全に閉じられている場合に、特に効果的である。ただし、これら具体的な実施形態は、必ずしも設定される必要があるわけではなく、構造全体及び／又は顧客の要求の範囲において考慮されなければならないものである。

繊維強化プラスチックのためのマトリクス材料として、好ましくは熱可塑性プラスチック、特にポリプロピレン又はポリアミドが用いられる。上側シェルの補強のためのリブ構造部をできる限りデリケートに形成することができるよう、その製造のために短繊維材料が用いられる。本発明の範囲において、短繊維とは、０．１ｍｍ〜１０ｃｍの長さを有する繊維材料と理解される。特に、本発明の範囲においては、短繊維又はランダム配向繊維（Ｗｉｒｒｆａｓｅｒ）又は全般的に異方性に配向された繊維の形態の短繊維材料も存在し得る。短繊維という用語は、織り合わされたか又は粗く縫われた（ｇｅｌｅｇｔ）繊維材料において配向された繊維に対するものであり、ここでは、通常、繊維は１０ｃｍ以上の長さを有している。これは無端繊維と呼ばれる。

繊維のための基礎材料として、通常の材料が考えられる。このことは、例えばガラス、炭素、玄武岩などでありこれらに限られない。それぞれ適合する材料は、クロスメンバについての要件に応じて選択される。

上側シェルは、コントロールアーム、ステアリングギヤ及びスタビライザのような他の取付部材のための固定部を収容するという課題を有している。車体の他の部分への取付も上側シェルを介して実現される。したがって、上側シェルは好ましい実施形態において車体部分のための取付部材を備えており、取付部材のうち少なくとも２つが取付突起部として形成されている。これら取付突起部は、特に好ましくは独立した部材で形成されている。

取付突起部は、特に他の車両構造部へのクロスメンバの取付に寄与するものである。これら取付突起部は、クロスメンバの残りの部分を越えて突出するとともに、変形手法において非常に困難に残りのクロスメンバと一部材で製造され得る。ここで必要な大きな変形度合いによって制限されて、変形過程においてこの箇所で金属材料が破断するおそれが非常に大きい。そのため、取付突起部が好ましくは独立した部材として形成されており、これら部材は、例えば溶接過程又ははんだ付け過程である接合過程によって好ましくは溶着式に上側シェルに結合される。このとき、固定を容易にするため、及び動的な負荷をより良好に補償できるよう、別のシャシー箇所のための取付箇所は、金属スリーブ又は金属製の挿入部材によっても強化されることが可能である。

本発明の他の好ましい実施形態は、下側シェルが少なくとも部分的に取付突起部へ突出する複数の補強部を備えるようになっている。本発明によるクロスメンバの下側シェルは、大部分において平坦に形成されている。これは、下側シェルが大きな変形度合を有していないことを意味する。これに対して、クロスメンバを越えて突出する取付突起部は、動的な負荷における強度に関する特別な要件を設定するものである。そのため、下側シェルは上側シェルへ向けて湾曲された複数の部分を備えており、その結果、これら部分は、取付突起部内へ突出してこれを更に補強する。ただし、このことは繊維強化プラスチックの局所的な変形によって達成されるのではなく、むしろ下側シェルに基づく半製品は、取付突起部を支持する補強部が変形過程において形成されるように形成されている。

さらに、好ましくは、リブ構造部が走行動作における負荷に対して最適化されて形成されている。特に、これは、好ましくはリブ構造部が取付箇所の範囲に形成されていることを意味している。走行中には、操舵操作及びカーブ走行によって左右されてコントロールアーム、スタビライザなどのようなシャシーの個々の構成部材への連続的な動的負荷となる。ここに作用する力は、特にクロスメンバ、特にクロスメンバにおける対応するシャシー部分の取付箇所によって吸収される。これは、クロスメンバのこの箇所において、強度についての特別な要件が設定されることを意味している。したがって、リブ構造部は、当該リブ構造部が特に上側シェルの取付箇所の位置する範囲を特に補強するように形成されている。これにより、各中空空間が上側シェルと下側シェルの間で補強されるか、あるいは充填される。これは、ここでも重量軽減に貢献するリブ構造部における材料低減につながる。他方、より高価な繊維強化材料を本当に必要な箇所にのみ使用することで、クロスメンバはコスト技術的な（ｋｏｓｔｅｎｔｅｃｈｎｉｓｃｈ）観点においても最適化される。

同一の理由から、下側シェルが好ましくは局所的に異なるシェル厚さを有している。これにより、繊維強化材料が生じる力及び構造要件について最適化されて用いられる。

このコンセプトの継続において、下側シェルは特に好ましい本発明の実施において複数の孔を備えている。これは、不要な材料が当面全く用いられないとともに、したがって最大限の重量軽減がなされる。さらに、下側シェルにおける複数の孔は、クロスメンバの内部において部材全体の耐腐食性について問題となり得る噴射水が捕集されないという利点を有している。

本発明によるクロスメンバの別の特別な形態は、上側シェルが、少なくとも２つの長手支柱と、該長手支柱を結合する横方向支柱とを備えるように構成されている。これにより、上側シェルは、クロスメンバのための輪郭形成部としてのその機能に適合する。同時に、ここでも同様にコストのかかる高強度の又は最高強度の材料の使用が目的に合わせて行われる。この結果は、安価かつ負荷を最適化してクロスメンバである。

さらに、このことは、長手方向支柱及び少なくとも１つの横方向支柱がＵ字状若しくはＶ字状又はハット状の断面を備えていることで更に改善される。正確な構成にかかわらず、断面は大きな断面二次モーメント（Ｆｌａｅｃｈｅｎｔｒａｅｇｈｅｉｔｓｉｎｄｅｘ）を有している。

さらに、好ましくは下側シェルの繊維強化は、織物又はスクリムである。織物は、当業者にとって織物材料と理解され、この織物材料においては、１０ｃｍから数メートルの長さを有する整向された複数の繊維が互いに織り合わされる。このとき、織物は、異なる優先方向（Ｖｏｒｚｕｇｓｒｉｃｈｔｕｎｇ）を有する整向された複数の繊維又は繊維束を備えており、その結果、織物においてまず複数の優先方向が生じる。一方、スクリムにおいては、織物が複数の糸によってのみ互いに結合された繊維又は繊維束から成っている。ここで、スクリムも多軸に構成されることができる。

このような長繊維織物の使用により、高い安定性を有する特に衝突安定な部材を製造することが可能である。このように形成された下側シェルの高い剛性により、この下側シェルは、例えばせん断フィールドとして作用し、したがってクロスメンバ全体の安定性に貢献する。

本発明の範囲においては、織物又はスクリムのような長繊維材料に加えて、下側シェルにおいて複数のランダム配向繊維、短繊維材料又はこれに類似の材料を使用することも可能である。

繊維強化された下側シェルがリブ構造部と共に主に上側シェルの補強に寄与するものの、この下側シェルは、同様に例えば結合スリーブのような取付部材のための複数の収容部を備えることも可能である。したがって、好ましくは、下側シェルがシャシー部分のための取付箇所を備えており、これらシャシー部分は特に金属製の補強要素を備えている。このような補強要素は、例えば金属製の取付スリーブ又は挿入部材又は螺着スリーブ又はこれに類する部材であり得る。

好ましくは、上側シェルが軽金属、特にアルミニウムから成る。アルミニウム又は特に高強度の５０００番台及び６０００番台の合金であるアルミニウム合金の使用は、アルミニウムの小さな重量によって、繊維強化プラスチックとの相互作用において重量の削減についての最大のポテンシャルが提供される。基本的に、薄板厚さが１．５〜３ｍｍの間の範囲で達成可能であり、その結果、アルミニウムのみから成る対応する部材に対して２０％までの重量軽減が生じることとなる。

さらに、本発明は、上側シェルと、繊維強化プラスチックから成る下側シェルと、上側シェルの補強のためのリブ構造部とから成るクロスメンバを製造するための方法に関するものであって、この方法は、
−上側シェルを金属材料で準備するステップと、
−熱可塑性のマトリクスを有する繊維強化プラスチックの複数の層から成る積層体を準備するステップであって、第１の層が織物及び／又はスクリム及び／又は短繊維の形態の繊維を有する第１の種類の少なくとも１つのプレートから成り、第２の層が短繊維の形態の繊維を有する第２の種類の少なくとも１つのプレートから成り、
−押出し加工工具内への積層体の導入前、導入中又は導入後に、熱可塑性のマトリクスの溶融温度よりも大きな温度に積層体を加熱するステップと、
−押出し加工工程において積層体を変形させるステップであって、その結果第１の層が下側シェルへ変形されるとともに第２の層がリブ構造部へ変形され、下側シェル及びリブ構造部が一部材に形成され、
−下側シェル及びリブ構造部を脱型するステップと、
−上側シェル、下側シェル及びリブ構造部をクロスメンバへ組み付けるステップと
を行うものである。

この個々の方法ステップの列挙は、個々のステップの具体的な順序を含むものではない。特に、金属材料から成る上側シェルの準備は、積層体あるいは押出し加工工具内におけるその変形の準備とは完全に無関係である。

上側シェルを金属材料で準備することは、好ましくはアルミニウム又は鋼材料から成るプレートから上側シェルを製造することを意味する。ここで、用いられる可能性のある方法は、使用される材料及び生じる変形度合に依存する。鋼材料においては熱間変形及び冷間変形が可能である。材料としては、ここでは高強度及び最高強度の鋼材料が用いられる。アルミニウム及びアルミニウム合金も同様に熱間変形及び冷間変形され得る。このとき、好ましくは５０００番台及び６０００番台のアルミニウム合金が使用される。プレートから成る上側シェルの変形後には、切断若しくは切削加工又は他の機械的な加工のような追加のステップを実行することが可能である。

線機強化された熱可塑性のプラスチックの層から成る積層体は、最終部材についての要件に応じて構成されている。第１の種類の少なくとも１つのプレートから成る第１の層により、後に下側シェルが成形される。ここで、設定された下側シェルの壁厚に応じて、第１の種類の１つのプレート又は複数のプレートが用いられる。第１の種類のこれらプレートは、織物及び／又はスクリム及び／又は短繊維の形態の繊維を含んでいる。正確な組成は、ここでも構造の基礎条件に依存する。繊維材料の目的に合わせた選択により、強度及び変形性に関しての好ましい特性が目的に合わせて設定され得る。

第１の種類のプレートも、例えば取付突起部のための補強部分を形成することができるよう、特に切断されることが可能である。

第２の種類の少なくとも１つのプレートから成る第２の層からは、後に上側シェルの補強のためのリブ構造の複数のリブが形成される。リブ構造部は数ｍｍだけの壁厚を有しているため、ここでは短繊維が用いられる。これにより、非常に繊細かつち密な構造を繊維強化されたプラスチック材料から成形することが可能である。

熱可塑性のプラスチックの使用により、第１の種類及び第２の種類のプレートを非常に簡単に準備し、扱うことが可能である。例えばポリプロピレン又はポリアミドのような熱可塑性のプラスチックは、加熱され、その後変形されて再び硬化されることが可能である。このように構成された第１の種類及び第２の種類のプレートは、そのサイズに応じて形状安定的であるとともに部分的に柔軟であり、非常に容易に互いに積み重ねることができる。場合によっては、個々のプレートを接着剤又は結合剤で上下に重ねて固定することが可能である。

そして、繊維積層体は、熱可塑性のマトリクスの溶融温度よりも高い温度へ加熱される。この溶融温度は、使用される材料に応じて１６０〜２６０℃である。そして、熱可塑性のマトリクスは、変形可能である。この状態において、個々の層あるいはプレートが互いに接着され、したがって非常に簡単に搬送することができる。この加熱は、押出し加工内への繊維積層体の導入前、導入中又は導入後に行われる。この加熱は、例えば搬送炉である炉内において工具内への導入前になされる。マニピュレータによる導入中に繊維積層体が加熱ランプによって加熱されることも考えられる。また、繊維積層体が工具の内部において適当な焼き戻し装置によって加熱されることも考えられる。このとき、温度は、好ましくは約５０℃の熱可塑性のマトリクスの溶融温度よりも高い温度にある。なぜなら、材料は、より低粘度であり、つづく押出し加工過程において容易に加工され得るためである。繊維積層体が押出し加工工具への導入前に加熱される場合であっても、押出し加工工具自体は好ましくは焼き戻し装置を備えている。これを用いて、例えばマトリクス材料を制御しつつ冷却することが可能である。考えられる方法においては、押出し加工工具の温度は、約５０〜６０℃に調整され、これに保持され得る。

押出し加工過程では、第１の層が下側シェルへ変形され、第２の層がリブ構造部へ変形される。このとき、下側シェル及びリブ構造部は、一部材に形成される。この変形は押出し加工工具内で行われ、この押出し加工工具は、リブ構造部のための対応して形状中空空間（Ｆｏｒｍｈｏｈｌｒａｕｍ）を備えている。ここでも、第２の層が、第２の種類の少なくとも１つのプレートによって、リブ構造部の材料要求及び最終形態に応じて寸法合わせ（ｍａｓｓｇｅｓｃｈｎｅｉｄｅｒｔ）され得る。まさに多数のプレート材料が用いられるため、リブ構造部及び下側シェルは、きれいに形成され得るとともに、材料の余剰も存在しない。これにより、極端に効果的かつ経済的に加工され得る。

次に、下側シェル及びリブ構造部が脱型され、脱型過程は押出し加工工具からの下側シェル及びリブ構造部の取外しだけでなく変形された半製品の冷却及びその硬化を含んでいる。

最後に、個々の構成部材である上側シェル及び下側シェルがリブ構造部と共にクロスメンバへ接合される。ここでは、考えられる全ての接合方法が使用される。個々の構成部材間の結合は、溶着式、係合式又は機械的にかしめ（Ｃｌｉｎｃｈｅｎ）、リベット留め又はネジ留めによって行われ得る。

下側シェル及びこれにより一体的に形成されたリブ構造部は、積層体の構成によって寸法合わせして適合され得る。本発明の１つの好ましい実施形態においては、第２の種類の少なくとも１つのプレートが、材料所要量に依存してリブ構造部のために採寸され、及び／又は第１の層上に配置されている。したがって、第２の種類の少なくとも１つのプレートは、その寸法において第１の層を形成する第１の種類のプレートよりもかなり小さいことが可能である。特に、第２の種類のプレートがそこに配置され、ここには後にリブ構造部が下側シェル上に形成されるべきである。このことは、例えば第２の種類のプレートの個々の小さな積層体に該当し得るか、又は第１の層上において互いに離間して配置された第２の種類の個々のプレートにも該当し得る。

１つの好ましい実施形態においては、第１の層が部分的にのみ第２の層によってカバーされる。

第１の層も、設けられる構造に応じて大きな形態の変化性を備えている。どのように下側シェルが形成されるべきかに応じて、第１の種類の異なる複数のプレートから成る第１の層が構成され得る。したがって、本発明の特別な実施形態は、第１の層が第１の種類の異なる大きさの複数のプレートで構成され、下側シェルの成型時に局所的に異なるシェル厚さが生じるようプレートが配置されるように設定されている。

これは、第１の種類の個々のプレートが互いに積層されて配置され得ることを必ずしも意味するものではない。そのため、第１の種類の個々のプレートの異なる大きさの平坦な延長部が局所的に異なるシェル厚さを生じさせる。むしろ、第１の種類の異なる厚さのプレートが互いに隣接して配置され、したがって下側シェルの成形時に局所的に異なるシェル厚さが生じるように設定することも可能である。

さらに、好ましくは、第１の層の第１の種類の少なくとも１つのプレートが、積層の前又は後に孔を備えるように設定することが可能である。本発明のこの形態は、重量軽減のコンセプトを考慮に入れるものである。これは、下側シェルの所定の範囲において材料所要量（Ｍａｔｅｒｉａｌｂｅｄａｒｆ）が全くなく、孔を有する下側シェルがこの箇所に設けられ得る場合であり得る。そして、第１の種類の１つ又は複数のプレートは、孔を形成するために、既に第１の層の形成前に切断されるか、又は孔が刻設されるか、フライス加工されるか、若しくは他の切削式若しくは切断式の加工が応用される。これに対して、第１の種類の複数のプレートもまずは互いに積層され、そして機械的な加工によって同時に孔を設けることが可能である。

切断されたか、又は打ち抜かれた材料は、リサイクルされ得るとともに、新たに製造プロセスへ供給され得る。これにより、有利には廃棄物の量が大幅に最小化され、これは、特に高価な材料による大幅なコスト削減に関係する。

さらに、本発明の好ましい１つの形態は、押出し加工工具が上側工具及び下側工具を含み、リブ構造部の成型のために設けられる成型中空空間が下側工具内に存在し、押出し加工時には第２の種類のプレートの溶融されたマトリクスが重力によってサポートされて成型中空空間内へ流れ込むようになっている。流体状の熱可塑性のマトリクスは低粘度であり、そのため、このマトリクスは、実際の押出し工程が開始される前に問題なく成型中空空間内へ流入することが可能である。これにより、押出し加工がサポートされるとともに単純化される。

本発明の他の形態においては、取付箇所が、下側シェル内に成型されるとともに、追加の方法ステップにおいて金属製の複数の補強要素を備えている。これら補強要素は、例えば金属製の取付スリーブ又は挿入部材であり得る。このとき、これら補強要素は、既に設けられ、あらかじめ成型された中空空間内へ挿入され、圧入され得る。しかし、つづく切削加工によってこの中空空間を補強要素のために形成することも可能である。また、補強要素自体が例えばプラスチック材料内へねじ込まれるか、又は切断されて収容中空空間を形成するようにすることも可能である。

下側シェル及びリブ構造部の実際の機能は上側シェルの補強及び強化であるものの、他の側ではまさにプラスチックが押出し加工方法において特に良好に成型可能である。その結果、上側シェルの金属材料の変形時に可能である場合により複雑な取付箇所を形成することが可能である。

これに関連して、下側シェルにおけるシャシー部分のための取付箇所によって、上側シェルにおけるシャシー部分のための対応する取付箇所がサポートされるように設定され得る。例えば上側シェルにおける複数の穴は、下側シェル又はリブ構造部におけるめくら穴と面一に配置されているとともにこれら両者によって共通に螺着スリーブが貫通して挿入されるようになっている。

本発明の他の特徴及び利点は、図面及びこれに関連する説明から明らかである。

図面は、好ましい実施例を示すものであるとともに、図面の説明に詳細に説明されている。このとき、同一の符号は同一若しくは類似の又は機能的に同一の部材に関連している。

組み立てられた本発明によるクロスメンバを示す図である。 上側から見たクロスメンバの上側シェルの詳細図である。 下側から見た、取付スリーブを有するクロスメンバの上側シェルを示す図である。 リブ構造部を有する下側シェルを示す図である。 図１におけるＡ−Ａ線に沿った本発明によるクロスメンバの断面図である。 図１におけるＢ−Ｂ線に沿った本発明によるクロスメンバの断面図である。 繊維強化された熱可塑性のプラスチックから成る積層体のバリエーションを示す図である。 下側シェルが図７ａのバリエーションに基づく積層体から製造されている、クロスメンバのための本発明による製造方法の１つのバリエーションを示す図である。

図１には、アセンブリにおける本発明によるクロスメンバ１の構成が示されている。クロスメンバ１は、上側シェル２と、下側シェル３と、上側シェルの補強のためのリブ構造部９とを含んでいる。リブ構造部９は、図１において単に開口部８を貫通して認識し得る。なぜなら、リブ構造部９は、それとは別に完全にクロスメンバ１の閉鎖されたカバー内に位置しているためである。リブ構造部９の詳細は図４に示されている。この実施例では、上側シェル２はアルミニウム合金で製造されている。下側シェル３は繊維強化プラスチックから成り、繊維強化は、長繊維及び短繊維を含んでいるリブ構造部９は、下側シェル３と一部材で形成されているとともに、短繊維強化プラスチックで構成されている。ここで、繊維は、１０ｃｍまでの長さを有している。

さらに、上側シェル２には２つの取付突起部４，５が設けられている。これら取付突起部は、クロスメンバ１を車両の車体へ結合するのに寄与するものである。下側シェル３により複数の補強部６，７が形成されており、これら補強部は、取付突起部４，５内へ突出している。下側シェル３自体は、孔のない平坦な面として形成されているとともに、上側シェル２を下側から完全に閉鎖している。補強部６，７は、下側シェル３の平坦面に対して上方へ、すなわち上側シェルへ向けて湾曲されているとともに、当該側において取付突起部４，５を閉鎖している。結合突起物４，５は、独立した部材として製造されているとともに、上側シェル２に溶着式に結合されている。これら取付突起部は、他のシャシー部分のための特別に形成された取付箇所を形成するとともに、この目的のために複数の結合スリーブ１１を備えている。例えばスタビライザ又はコントロールアームのようなシャシー部分のための他の取付箇所１０は、補強のために部分的に取付スリーブ１１も備えている。

軸受１２が特別に形成された他の取付箇所を示している。この軸受は、エンジンブロックのトルク支持部の結合を担うものであり、したがってエンジンブロックのトルクの支持を担うものである。

ここに示されている上側シェル２及び取付突起部４，５は、２〜２．５ｍｍの板厚を有している。下側シェル３及びリブ構造部９は、４ｍｍの壁厚を備えている。クロスメンバ１全体が完全にアルミニウムで製造されるとすると、上側シェル２及び取付突起部４，５についての板厚は、２〜４．５ｍｍの範囲で形成されるべきである。対応する下側シェル３は、約３ｍｍの板厚を有するべきである。これに合わせて、板厚は、金属製の部材についてより大きくなる。アルミニウムあるいはアルミニウム合金よりも小さな繊維強化プラスチックの厚さとの組合せにおいて、これにより、要件に合わせて選択される異なる材料の使用によって約１７％の総重量の削減につながる。

このとき、上側シェル２は、本質的に輪郭形成の役割を担うものである。そのほか、力をクロスメンバ１へ伝える他のシャシー部分は、例えばスタビライザ又はコントロールアームのように上側シェル２に直接固定される。下側シェル３あるいはリブ構造部９は、上側シェル２の補強に寄与するものである。下側シェル３にせん断フィールドとしての機能を組み込むことが可能である。

下側シェル３を下側へ閉鎖する完全に平坦な部材としての下側シェル３を有するここに示された形態は、更に腐食保護部及び飛び石からの保護部として作用する。

上側シェル２は、図２において単独で示されている。上述したように、結合突起物４，５は、独立した部材として形成されているとともに、溶着式に上側シェル２に結合されている。上側シェル２自体は長手支柱１５，１６，１７を備えており、これら長手支柱は、横方向支柱１８，１９によって互いに結合されている。長手支柱１５，１６，１７と横方向支柱１８，１９の間には孔１３，１４が配置されている。これら孔１３，１４により、更なる重量軽減が可能である。図５に示されているように、長手支柱１５，１６，１７及び横方向支柱１８，１９は、それぞれ１つの本質的にＵ字状の断面を備えている。図５には、本発明によるクロスメンバ１の切断線Ａ−Ａに沿った断面が示されている。図５には、Ｕ字状の横方向支柱１０を見ることができ、これに対して、横方向支柱１８の断面はハット形状を有している。ここでは、上側シェル２を完全に閉鎖する下側シェル３が繊維強化材料から成る完全に平坦な構造であることがさらに明らかである。長手支柱１５，１７は、Ｕ字状の断面の壁部が切断されるように形成されている。また、このことは、過剰な重量の回避に寄与するものである。

図３において、上側シェル２は、下からのアングルで示されている。これにより、取付箇所１０の補強のための結合スリーブ１１の使用が更に明らかである。

図４には、下側シェル３が、独立した一体的な部材としてのリブ構造部９と共に図示されている。ここでも、明確にするために結合スリーブ１１が同様に図示されている。この図示により、結合スリーブ１１によって強化される取付箇所１０の近傍において主にリブ構造部９が形成されている。取付箇所１０にはシャシー部材が固定されており、これらシャシー部材を介して力がクロスメンバ１へ加えられる。したがって、クロスメンバ１のこれら箇所は、特に強く動的に負荷され、追加的な補強を必要とするものである。したがって、特に取付箇所１０の範囲において、補強されたリブ構造部９が設けられている。このことは、ここでも、重量軽減の目的及びこれにより生じる必要箇所における徹底した材料使用に適合している。それゆえ、上側シェル２の中空空間全体がリブ構造部９によって満たされ、及び／又は補強される必要がある。特に、比較的高価な繊維強化材料がここでは必要に応じて目的に合わせて用いられる。

図６には、図１における線Ｂ−Ｂに沿った別の１つの断面が示されている。この断面は、両取付突起部４，５並びに上側シェル２及び下側シェル３を通るものである。この図示は、二種類において明確にするものである。一方では、リブ構造部９が下側シェル３から一部材で形成されていることが良好に見て取れることであり、他方では、ここでも必要な箇所におけるリブ構造部９の使用が明確に明らかになることである。特に、補強部６，７による取付突起部４，５の補強は、ここで良好に見て取れる。

下側シェル３は、繊維強化熱可塑性プラスチックの複数の複数の層から成る積層体で製造されており、第１の層２０が織物及び／又はスクリム及び／又は短繊維の形態の繊維を有する第１の種類の少なくとも１つのプレート２２で構成されており、第２の層２１は短繊維の形態の繊維を有する第２の種類の少なくとも１つのプレート２３で構成されている。第１の層２０が押出し加工時に下側シェル３へ変形される一方、第２の層２１はリブ構造部９へ変形される。繊維材料を目的に合わせて使用することができるよう、積層体が下側シェル３及びリブ構造部９の形態に応じてカスタマイズして製造される。このとき、多数の様々な実施形態が生じる。図７ａ〜図７ｇには、本発明の積層体の変型が模範的に示されている。ただし、この列挙は、完成にはほど遠く、方法の変動性のみが明らかにされるべきである。示された全ての積層体は、これら積層体が第１の層２０及び第２の層２１で構成され得る点で共通している。第１の層２０はそれぞれ第１の種類の少なくとも１のプレート２２で構成され、第２の層２１は第２の種類の少なくとも１つのプレート２３で構成されている。個々の図７ａ〜図７ｇにおいて第１及び第２の種類のプレート２２，２３が異なる大きさ及び数量で示されていても、異なる符号は付されていない。

本発明による積層体の最も単純な形態が図７ａに示されている。ここで、第１の層２０は第１の種類のプレート２２のみから成り、第２の層２１は第２の種類のプレート２３から成る。

図７ｂでは、第１の層２０及び第２の層２１は、それぞれ第１の種類の複数のプレート２２あるいは第２の種類の複数のプレート２３で構成されている。特に第１の種類のプレート２２に例えば織物又はスクリムのような無方向性材料が繊維強化部形成する場合には、この繊維材料の異なる向きを有する複数のプレート２２を上下に重ねることが可能である。これにより、第１の種類のプレートの異なる好ましい方向によって、材料特性に関する追加的な変動性を採用することが可能である。

図１〜図６に示されているように、リブ構造部９を、下側シェル３を越えて平坦に形成する必要がないこともある。むしろ、リブ構造部９のための短繊維プラスチック材料を、目的に合わせて用いるとともに、リブ構造部９ができる限り容易に形成され得るよう変形前にあらかじめ配置することが好都合である。これについての一例が図７ｃに示されている。ここでは、第１の層２０が第１の種類の２つのプレート２２によって形成される。第２の層２１は同様に第２の種類の複数のプレート２３で構成されており、これらプレートは、全て同一の厚さを有するもののその平面寸法において異なる大きさに形成されている。ここで、第２の種類のプレート２３は、リブ構造部９についての材料所要量に依存して採寸されているとともに、第１の層２０上に配置されている。このとき、第２の層２１は第１の層２０を部分的にのみ覆っている。

図７ｃに類似した形態が図７ｄに示されている。ここで、第１の層２０が第１の種類の１つのみのプレート２２で構成されており、このプレートは、例えば図７ｃにおける第１の種類のプレート２２よりも大きな厚さを有している。第２の種類の複数のプレート２３は、ここでも、第２の種類２３の複数のプレートが局所的に第１の層２０上に配置されており、ここには、後にリブ構造部９が形成されるべきである。

必ずしも、第１の種類の複数のプレート２２及び第２の種類の複数のプレート２３が第１の層２０又は第２の層２１の内部で上下に重ねて配置されなければならないように設定されているわけではない。むしろ、例えば図７ｅに示されているように、第１の種類又は第２の種類の個々のプレート２２，２３を隣接して配置することも可能である。このとき、第１の層２０は、３つの、隣接して配置された第１の種類のプレートで構成されている。

下側シェル３を予想される負荷又は構造上の基準に適合するように、下側シェル３が位置的に異なるシェル厚さを備えるように設定することが可能である。これは、積層体の製造時に二種類の観点から考慮され得る。図７ｆでは、第１の層２０が、広範に及ぶ基礎プレートを形成する第１の種類の１つのプレート２２で構成されている。この上には、より小さく採寸された第１の種類の複数のプレート２２が配置されている。まさにこれらの箇所において、下側シェル３が後に極所定により大きなシェル厚さを有すべきである。

図７ｇに示されているように、異なる厚さを有する第１の種類の複数のプレート２２が隣接して配置される場合にも同様の効果が得られる。

図８ａ〜図８ｅには、クロスメンバ１のための本発明による製造方法が概略的に示されている。下側シェル３及びリブ構造部９は図示のバリエーションにおいて２つの層２０，２１から製造され、第１の層２０は第１の種類のプレート２２から成り、第２の層２１は第２の種類のプレート２３から成る。図示の層２０，２１は、図７ａに基づく形態に対応している。本発明による製造方法の図示のバリエーションにおいては、共通して押出し加工工具２４内へ導入され、熱可塑性のマトリクスの溶融温度よりも高いある温度にそこで加熱される。つづいて、両層２０，２１が押出し加工工程において変形されるとともに溶融される。このとき、第１の層２０が下側シェル３を形成し、第２の層がリブ構造部９を形成し、下側シェル３及びリブ構造部９は、押出し加工工程により一部材に形成される。

図８ｂには、押出し加工工具２４が上側工具２５と下側工具２６とで構成されていることが示されている。上側工具２５も、また下側工具２６も、両層２０，２１を加熱するために、図示の形態において１つの加熱装置２８を備えている。不図示の形態においては、層２０，２１の加熱は、外部の加熱装置を通した押出し加工工具２４への挿入前又は挿入中にもなされる。本発明による製造方法の図示のバリエーションでは、リブ構造部９を成型するために下側工具２６が形成中空空間２７を備えている。前記温度への積層体の加熱により、短繊維から成る第２の種類のプレート２３のマトリクスが溶融し、押出し中に成型中空空間２７内へ流れる。その結果、変形中にリブ構造部９が形成される。本発明による方法の図示の形態においては、リブ構造部９の形成が重力Ｇによってサポートされる。

つづいて、下側シェル３が一体に形成されたリブ構造部９と共に押出し加工工具２４から取り出され得る。これは、図８ｃに示されている。図８ｄ及び図８ｅには、別々に準備された上側シェル２、上側シェル３及びリブ構造部９がクロスメンバ１へ接合されることが示されている。この接合は、溶着式、係合式又は機械的な結合、特にかしめ、リベット留め又はネジ留めによって行われ得る。

本発明による方法の別の不図示のバリエーションにおいては、クロスメンバ１の製造のために図７ｂ〜図７ｇに基づく複数の層から成る積層体が用いられる。特に第１の層２０及び第２の層２１は、様々な形態で用いられる。不要な繰り返しを回避するために、図７ｂ〜図７ｇについての説明が参照される。

さらに、本発明による方法の別の不図示の実施形態によれば、下側工具２６が複雑なリブ構造部９の形成を可能とする別の成型中空空間２７を備えることが可能である。このような複雑なリブ構造部９が図４及び図６に示されている。

１ クロスメンバ
２ 上側シェル
３ 下側シェル
４ 取付突起部
５ 取付突起部
６ 補強部
７ 補強部
８ 開口部
９ リブ構造部
１０ 取付箇所
１１ 取付箇所
１２ 軸受
１３ 孔
１４ 孔
１５ 長手支柱
１６ 長手支柱
１７ 長手支柱
１８ 横方向支柱
１９ 横方向支柱
２０ 第１の層
２１ 第２の層
２２ 第１の種類のプレート
２３ 第２の種類のプレート
２４ 押出し加工工具
２５ 上側工具
２６ 下側工具
２７ 成型中空空間
２８ 加熱装置
Ｇ 重力

Claims (18)

1. 上側シェル（２）と、繊維強化プラスチックから成る下側シェル（３）と、前記上側シェル（２）の補強のためのリブ構造部（９）とを含む、原動機付き車両用のクロスメンバ（１）において、
   前記上側シェル（２）が金属材料で構成されていること、及び前記リブ構造部（９）が短繊維強化プラスチックで構成されていて、かつ、前記下側シェル（３）から一部材で形成されていることを特徴とするクロスメンバ。
2. 前記上側シェル（２）が車両部分のための複数の取付箇所（１０）を備えており、該取付箇所のうち少なくとも２つが、特に独立した部材として形成された取付突起部（４，５）として形成されていることを特徴とする請求項１記載のクロスメンバ。
3. 前記下側シェル（３）が、少なくとも部分的に前記取付突起部（４，５）内へ突出する複数の補強部（６，７）を備えていることを特徴とする請求項２記載のクロスメンバ。
4. 前記リブ構造部（９）が前記取付箇所（１０）の範囲に形成されていることを特徴とする請求項２又は３記載のクロスメンバ。
5. 前記下側シェル（３）が局所的に異なるシェル厚さを有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のクロスメンバ。
6. 前記下側シェル（３）が複数の孔を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のクロスメンバ。
7. 前記上側シェル（２）が、少なくとも２つの長手支柱（１５，１６，１７）と、該長手支柱（１５，１６，１７）を結合する少なくとも１つの横方向支柱（１８，１９）とを備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のクロスメンバ。
8. 前記長手方向支柱（１５，１６，１７）及び少なくとも１つの前記横方向支柱（１８，１９）がＵ字状若しくはＶ字状又はハット状の断面を備えていることを特徴とする請求項７記載のクロスメンバ。
9. 前記下側シェル（３）の繊維強化が織物又はスクリムであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のクロスメンバ。
10. 前記下側シェル（３）がシャシー部分のための複数の取付箇所を備えており、該取付箇所が特に金属製の補強要素を備えていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のクロスメンバ。
11. 前記上側シェル（２）が軽金属、特にアルミニウムから成ることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のクロスメンバ。
12. 上側シェル（２）と、繊維強化プラスチックから成る下側シェル（３）と、前記上側シェル（２）の補強のためのリブ構造部（９）とから成るクロスメンバ（１）を製造するための方法であって、
    −金属材料から成る上側シェル（２）を準備するステップと、
    −熱可塑性のマトリクスを有する繊維強化プラスチックの複数の層から成る積層体を準備するステップであって、第１の層（２０）が織物及び／又はスクリム及び／又は短繊維の形態の繊維を有する第１の種類の少なくとも１つのプレート（２２）から成り、第２の層（２１）が短繊維の形態の繊維を有する第２の種類の少なくとも１つのプレート（２３）から成り、
    −押出し加工工具（２４）内への前記積層体の導入前、導入中又は導入後に、前記熱可塑性のマトリクスの溶融温度よりも大きな温度に前記積層体を加熱するステップと、
    −押出し加工工程において前記積層体を変形させるステップであって、その結果前記第１の層（２０）が前記下側シェル（３）へ変形されるとともに前記第２の層（２１）が前記リブ構造部（９）へ変形され、前記下側シェル（３）及び前記リブ構造部（９）が一部材に形成され、
    −前記下側シェル（３）及び前記リブ構造部（９）を脱型するステップと、
    −前記上側シェル（２）、前記下側シェル（３）及び前記リブ構造部（９）を前記クロスメンバ（１）へ組み付けるステップと
    を行うことを特徴とする方法。
13. 第２の種類の少なくとも１つのプレート（２３）が、前記リブ構造部（９）のための材料所要量に依存して採寸され、及び／又は前記第１の層（２０）上に配置されることを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 複数の層の積層時に前記第１の層（２０）が部分的にのみ前記第２の層（２１）によってカバーされることを特徴とする請求項１２又は１３記載の方法。
15. 前記第１の層（２０）が第１の種類の異なる大きさの複数のプレート（２２）で構成され、前記下側シェル（３）の成型時に局所的に異なるシェル厚さが生じるよう前記プレート（２２）が配置されることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記第１の層（２０）の前記第１の種類の少なくとも１つのプレートが、積層体の準備前又は準備後に孔を備えることを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記押出し加工工具（２４）が上側工具（２５）及び下側工具（２６）を含み、前記リブ構造部（９）の成型のために設けられる成型中空空間（２７）が前記下側工具（２６）内に存在し、押出し加工時には前記第２の種類のプレート（２３）の溶融されたマトリクスが重力（Ｇ）によってサポートされて前記成型中空空間（２７）内へ流れ込むことを特徴とする請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 複数の取付箇所が前記下側シェル（３）内に成型されるとともに、前記取付箇所に追加の方法ステップにおいて金属製の複数の補強要素を設けることを特徴とする請求項１２〜１７のいずれか１項に記載の方法。

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