JP5976006B2 - 補強支柱を有する自動車車体 - Google Patents

Description

本発明は、補強支柱を有する自動車車体、具体的にはカブリオレ車の車体に関する。

自動車車体、具体的にはカブリオレ車の車体を補強する目的で、斜め支柱が車体の下に使用されている。通常、十字に配置された４つの斜め金属支柱が車体の下に固定され、車体の強度を約倍増させている。知られているように、斜め支柱は、最大の強度をもたらすものであり、鋼鉄で作られる。しかし鋼鉄は車体の軽量な構造を達成するという点で、また燃費の点でも不利である。

特許文献１では、車体の床下にある斜め支柱の装置が記載され、車体の改善された強度が述べられている。斜め支柱の一端は車体側面のスカートに固定され、もう一端は車体の収納スペース領域に配置されたくぼみに固定されている。このくぼみは、例えばスペアホイールの穴として使われるが、重量を削減する目的で繊維強化プラスチックから製造される場合がある。

支柱構造および車体との接続の可能性を拡張するために、特許文献２は、車体の下部領域に、少なくとも２つの補強支柱が配置された車体を有する自動車について記載しており、それぞれ車体の接続点から垂直縦方向の正中面へのコンポーネントとして拡張しており、そのところで接続フレームが設置されている。この接続フレームは、車体の下部の下および後者から離れたところに自由に配置され、支柱はこのフレームに取り付けられている。

最後に特許文献３は、自動車の床下コンポーネントのためのモールディングまたはクラッディングについて述べており、停車中および車両が動いている間の両方で、抵抗力とトーション負荷を除去する強度を増すために設計されている。このクラッディングは、単純化と好ましい価格および安定性を意図している。この目的で、クラッディングは繊維強化プラスチック、具体的にはシートモールディングコンパウンドから形成されている。

ＤＥ１０２００９０５３９７９Ａ１ ＤＥ１０２００４０１８９７７Ａ１ ＤＥ１０２００８０５６１４６Ａ１

従来の技術にもとづき、本目的は支柱を用いて固い自動車車体を作成し、その重量を明確に減らすことであり、一方同時に最大の強度を保持することで結果車両の燃費を減らすことができる。

本目的は、請求項１の特徴を有する自動車車体によって解決される。さらに、本発明に従う自動車車体の開発は従属請求項で詳述されている。

繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）材料から作られた補強支柱を備えた本発明による自動車車体の第一の実施形態では、それぞれ隣接する車体部品に両端で固定している各補強支柱は、本発明によれば、実質的にＦＲＰ補強支柱が荷重される方向においてＦＲＰ繊維の一方向性の配向を有する。さらに、補強支柱の断面積は実質的に支柱の長さに沿って同じである。この断面積の逸脱は固定点の断面で可能である。この方法により、構造の軽量方法にもかかわらず補強支柱が非常に高い強度を持つことが有利に達成され、従ってカブリオレタイプの構造の車体の安定性の観点から特に高い要求がなされたとしても、カブリオレ車の車体の補強における使用に適している。

したがって、特定の自動車車体用に、ＦＲＰ補強支柱の断面積が、その断面積にＦＲＰ補強支柱の有効弾性係数を掛けた積が、前記規定の自動車車体用の鋼鉄補強支柱の断面積およびその有効弾性係数によって与えられる積に対応するように選択され、それによって本発明によれば、車体のＦＲＰ補強支柱が対応する鋼鉄支柱と同等の強度を提供する。そのように選択されたＦＲＰ補強支柱の断面積は、対応する鋼鉄支柱に必要とされるものより大きくなければならない。ＦＲＰ補強支柱の断面積の増加は、対応する鋼鉄補強支柱の断面積にもとづき、少なくとも２０％、好ましくは少なくとも２５％、特に好ましくは３０％の増加であるべきでる。

したがって、従来の技術である鋼鉄製の支柱を使うことで少なくとも達成される程度まで、繊維強化材料から製造された補強支柱を有する自動車車体を強化することは、可能である。この方法により、本発明に従う支柱の形式は、車体に適切な鋼鉄製の支柱が繊維強化材料によって製造された支柱に置き換えられた時、６０％までの有利な重量節減を提供する。

補強支柱は、機械的損傷、例えば石のピッチングに対して保護層に入れることができる。

この保護層は、例えば不織布材料または巻き繊維材料、具体的には巻きガラス繊維材料とすることができる。代わりの保護層は、鋼鉄メッシュまたは鋼鉄フォイルに似た非研磨性、耐衝撃性材料の形態を取ることができるが、熱可塑性またはエラストマー材料が保護層として使用されることも考えられ、これは具体的には補強支柱上に適用される収縮チュ−ブの形態を取ることができる。

保護層の巻き繊維は、補強支柱の実質的に一方向性の繊維に対してオフセットされた角度で安定性と保護効果を向上させるために配置されることが可能である。

好ましくは、補強支柱は引抜成形された繊維強化／複合繊維材料であり、それは繊維強化材料の全容積をもとに５０％から７５％の間の、好ましくは６５％の、最も好ましくは７０％の繊維含量を有し、これにより高剛性が得られる。

補強支柱用の複合繊維材料は、一方向に配列された強化繊維を持ち、デュロプラスチックまたは熱可塑性マトリックスの炭素繊維の形態を取ることが可能である。しかし、構造の混合方法は、軽金属合金マトリックスを有するハイブリッド複合繊維材料を用いることも可能である。通常、複合繊維材料は金属繊維または金属メッシュの比率を含むことも考慮され得る。

材料の混成は、例えば金属コアで使用することも可能である。

本発明によれば、補強支柱の接合コンセプトは、自動車車体に留める前に、少なくとも１つの各アクセス口にそれぞれ接合位置を有する補強支柱の接続部を提供し、ネジのような接続要素はそこで受け入れられる。

アクセス口は、補強支柱の完成後に機械加工される。しかしアクセス口は、製造工程中に切り出されるとき提供されることも可能である。さらに、アクセス口は製造工程またはそれに続く差込み段階で提供することも考慮され得る。

更に、アクセス口が繊維補強領域に囲まれている場合、ＦＲＰ補強支柱の力の伝達のために有利である。この方法により、繊維は蜘蛛の巣または的の形状に似た、アクセス口のまわりに接線方向におよび／または放射状に、同心円状の環で配置されることが可能である。

完全な接続部または少なくともジョイント位置は、強化された構造を備えている。これは、例えば内側に位置する金属コア、差込み具、あるいはジョイント位置または接続部の金属クラッディングである。この補強構造は、製造工程の間に補強支柱と合わせることが可能であり、そのような補強構造は補強支柱と一体で製造される。その後接着剤で取り付けられて、補強構造と補強支柱の間に接着層ができる。接着層は車体の金属接続位置、具体的には補強支柱がＣＦＲＰから作られている場合、金属腐食に対抗する。

自動車車体が本発明に従い補強支柱を用いて補強されている場合、これは具体的にはカブリオレの車体であることができる。

これらおよびその他の有利な点は、添付の図を参照する以下の説明で述べられる。説明内の図の参照は、説明をサポートしコンポーネント部の理解を容易にすることを助ける。コンポーネントまたはコンポーネントの一部は、同じ参照番号を用いて示されているものは実質的には同じか類似である。図は、本発明の実施形態の概略を示すに過ぎない。

本発明に従う補強支柱の接続部の概略的側面図である。 代替的実施形態の図１に対応する図である。 別の代替的実施形態における図１に対応する図である。 別の代替的実施形態における図１に対応する図である。 別の代替的実施形態における図１に対応する図である。 さらなる実施形態における図１に対応する図である。 さらなる実施形態における図１に対応する図である。 さらなる実施形態における図１に対応する図である。 さらなる実施形態における図１に対応する図である。 表記に含まれるネジを有する本発明に従う補強支柱の接続部から見た側面図である。 図１０に対応する接続部のジョイント位置から見た投資側面図である。 保護カバーを有する補強支柱の側断面図である。 補強支柱が保護層に囲まれているアクセス口との接続領域の平面図 アクセス口が巻き繊維のスペースを作ることで得られる、本発明に従う補強支柱の接続領域から見た概略断面表示である。 アクセス口の周囲に繊維強化領域を有する本発明に従う補強支柱の接続端の平面図である。 アクセス口を有するメタルシューを備えた本発明に従う補強支柱の接続端を示す側面断面表示である。

本発明は、ＦＲＰ補強支柱に関するものであり、それは具体的には自動車車体、例えばカブリオレの、車体下部の設置用に斜め支柱として形成される。

この方法により、斜め支柱は複合繊維材料から作られ、対応する鋼鉄製の支柱の重量を６０％まで節約することが可能である。ＥクラスカブリオレＡ２０７の補強に求められる４つの鋼鉄支柱が約１２．５ｋｇの重量であるのに対し、本発明に従って複合繊維材料から作られた同じ機能のための斜め支柱は７．５ｋｇより少ない重量である。

通例の鋼鉄製の斜め支柱は２１０，０００Ｎ／ｍｍ^２の弾力係数Ｅを持ち、デュロプラスチックマトリックスを有するＦＲＰ支柱に置き換えることが可能であり、約７０％と非常に高い繊維含量は、ＣＦＲＰ支柱の約１５０，０００Ｎ／ｍｍ^２の低い弾性係数において、約３０％大きい断面積を用いて補われる。この方法により、鋼鉄製の支柱に備わるものと同じ強度、従って同じ強度機能が前述した有利な重量の節約と共に達成される。さらに、本発明に従う支柱は、ＣＦＲＰから作られるが、ＮＶＨ（騒音・振動・ハーシュネス）の文脈において、具体的にはフロントエンドシェイクに関わる励起がより良く減衰されるという意味において、著しい改善を見せる。

炭素繊維によって強化されたプラスチックの支柱に加えて、その他の複合繊維材料の支柱もまた検討可能である。例えばアルミニウムまたはマグネシウムに基づく、軽金属合金マトリックスによって構築された混合形態の使用も可能である。

斜め支柱の繊維が荷重方向へ一方向に流れ、整列した支柱が全長にわたってほぼ一定の断面積を有することが必要不可欠である。荷重方向の望ましい高い強度は、補強された繊維の一方向性の構造により達成される。

そのため斜め支柱は、引抜成形方法（プルワインディング、またはプルブライディングとして知られる）を用いて簡単に、経済的に、継続的に製造することができる。したがって製造工程は非常に経済的で、工場やツールへの比較的小規模な投資を要件とする自動化されたライン生産に適している。支柱の未加工品は、まっすぐな引抜成形の無端状の形状から長さを切り出すことができ、自動車の車体下部の支柱の接続のための接続領域は、例えばネジ取付ポイントが用意されているところで、処理することができる。引抜成形方法は、非常に高い繊維含有量が達成でき、また、例えば金属コア、または金属メッシュとの材料のハイブリダイゼーションが可能であるというという利点も提供する。その他の（現在知られている）ＦＲＰ処理技術と比較して、引抜成形方法は軽量構造の最も低いコストを達成することが可能である。引抜成形方法では支柱の二次元的な形状が可能である一方で、代わりにプレス工程を使用することで支柱の３次元的な輪郭加工が可能である。

図１から１５は、本発明に従って、一方向の繊維を有する繊維強化材料から作られた斜め支柱１の接続部３を示す。

図１では、先細の断面積を有するジョイント位置６が接続部３に示され、そこにアクセス口４も配置されている。ここで斜め支柱１は車体に直接ネジ留めされる。アクセス口４は、粉砕された穴であることができ、車体は接触腐食を避けるために接続の領域で塗装されるべきである。

図２は、ジョイント位置６の金属製ライニング９を示すが、これは「金属皿」９である。これは例えば、製造中であっても、直接据えつけることが可能である。このような金属製のネジ接続端部は、接触腐食を避けるために抗腐食媒体で被覆されるか、好ましくは塗装することができる。図３では金属皿９は、接続部３のジョイント位置６で、接着剤によって固定されている。

図４では、スリーブまたは差込み具８が接着層１１を使用してアクセス口４のライニングとして、接合位置６に取り付けられている。ここで、「差込み具」によって意味されるものは、必要な場合スレッドを有するスリーブまたはブッシュである。この意味で、スリーブは、例えばシリンダーの形状を取ることはできない。差込み具８はジョイント位置６かアクセス口４の中に差込むことができる。

図５から、さらなる安定性のために、金属コア７が斜め支柱１の中に挿入される。具体的にはアクセス口領域である。この金属コアは、ジョイント位置６と接触するように挿入される。アクセス口４は、図６のように金属コア７を通って実行される。ジョイント位置６はそこで差込み具８によって補強され、接着剤で固定される。図７では、完成した接続部３は一方の側に先細の断面積を持ち、金属クラッド部９がジョイント位置６のコンターを増やすように提供される。また、図８では斜め支柱１の接続部３が漸減している。ここで接続部３は接着層１１を用いて取り付けられた金属筐体コンポーネント９に完全に囲まれ、従ってここでもまた、図７のように、ジョイント位置６が金属筐体コンポーネント９の中に提供される。図９は、金属筐体コンポーネント９に完全に覆われた接続部３の代わりのジョイント位置６を示している。

図１０から、斜め支柱の接続部３の中では、内部スレッドを有する差込み具８は、ジョイント位置６およびアクセス口４で接着剤によって取り付けられている。しかし、ネジ１０を用いたねじ接続の沈降動作を最適化するために、代替的に製造プロセス内でプレスまたはリベット留めまたは統合することもできる。

図１１は、このバージョンの３次元断面図を再び示し、内部スレッドを有する金属スリーブ８、９はジョイント位置６およびアクセス口４の中に差し込まれている。

図１２は、内部に位置する斜め支柱の形状１を、石くず、誤用、腐食および侵攻性の媒体から保護するための保護層２を示す。表示された保護層２には、図１３にも示されるように、繊維巻線、好ましくはガラス繊維を含み、その繊維は斜め支柱繊維に対して４５°の角度で巻かれている。

あるいは、保護層はフリースあるいはゴム製、エラストマーまたは熱可塑性の弾性カバーから構成される場合もある。好ましくは、材料はホースの形状が取られるべきであり、それは斜め支柱上に熱的に収縮することが可能である。さらに、例えば鋼鉄メッシュ、鋼鉄フォイル、または金属製中空材などの耐摩耗性および耐衝撃性材料を使用することも検討され得る。

図１４および１５は、力の適用および力の移動に関する。これらは、斜め支柱１の接続端部３も示す。ここでは一方向性に配列された繊維が示され、図１４で、繊維はアクセス口４の周辺の支柱端部３の上に導かれ、これは製造工程の節約につながる。

図１５では、アクセス口４は繊維強化構造５を付加的に設置しており、正しく力が流れる補強穴を示しており、半径方向および環状の繊維部分が特徴である。

この方法により、本発明による自動車車体は、軽量でしかも斜め支柱の最大の強度があり、またカブリオレのレンジにおける自動車車体の非常に良好な解決法を示し、最善の安全基準を達成しながら軽量構造の必要性も考慮することが可能である。

図１６は、支柱１と隣接する車体部品との特別な接続に関する。アクセス口４の設置による支柱の脆弱性を回避するために、メタルシュー１２が用意され、それはリセス部１４をもつがそれを用いることで支柱１の端部１３に押圧される。シュー１２は支柱１の上に圧入または収縮されることも検討され、それによってシュー１２と支柱１との間に非確動的な接続が生じる。

シュー１２は、突出した固定フランジ１５を有し、それを用いてシュー１２に固定された支柱１は車体部品に固定することができる。現在採用されている溶接、ろう／はんだ付け、クリンチ、接着剤およびクリッピングのすべての固定方法が可能である。後者の場合は、アンダーカットはフランジ１５に設けなければならない。フランジ１５の代わりに、回転対称の接続部品をシュー１２の上に形成することも可能であり、それは外部スレッドを運びそれによってメタルシュー１２と一体化した支柱１は車体部品にねじ止めされることができる。さらに、接続部品にバヨネット接続を提供する方法を取ることも検討され得る。

利用可能な平坦なフランジ１５、すなわち支柱１の外部に横たわっているフランジでは、アクセス口４が各接続部３に提供され、ネジまたはリベットを用いて支柱１を車体部品に固定するために役立つ。必要な場合には、アクセス口４の中に固定されたブッシュを介して行われることが可能である。メタルシュー１２は、鍛造、鋳造、粉砕または旋盤された部分になることができる。中空の、スリーブ型の形状も考えられ、これらは適宜フランジ１５の領域で平坦化される。リセス部１４は、少なくとも支柱２を備えたシュー１２の接触面で接触腐食を避けるために。防錆媒体によってコーティングされる。あるいは、支柱１の端部１３は、このタイプのコーティング１６を有することも可能である。

支柱１とメタルシュー１２を固定するための記述した方法の代わりに、またはそれに加えて、接着剤を使用することもでき、接着層は腐食抑制として付加的に作用し、コーティング１６を形成する。メタルシュー１２のリセス部１４での支柱１の等間隔の配向のために、複数の小さな球体を接着剤層内に配置することができ、全て同じ直径のガラス球体であることが好ましい。さらに、１つ以上のチャンネルがメタルシュー１２のリセス部１４の領域内に形成されることも考えられ、それは後者から外側に通る。この方法によって、余分な接着剤が適切な方法で取り除かれる。このように、これらのチャンネルを介して２つの接続パートナー、すなわちメタルシュー１２および支柱１３に接着剤を最初に与えることも可能である。メタルシュー１２と支柱１との間の特に安全な接続はこの接着を通じて作成されることができ、弛緩がなく高い機械的負荷に対応することが可能である。

ここで述べられた補強支柱は車体下部の補強のために斜め支柱の形状を取るが、車体全体へ適用範囲を拡張することが可能である。この目的で、支柱１は車体構造の強化のための追加的コンポーネントとして使われるだけではなく、恐らく支柱１は構造的コンポーネントの代替として機能することも可能である。

Claims (6)

1. 補強支柱（１）を有する自動車車体であって、前記補強支柱は複合繊維材料から構成され、各補強支柱（１）は接続部（３）を介して隣接する車体部品に両端で接続されるものであり、
   前記補強支柱（１）の繊維は、実質的に前記補強支柱（１）の荷重方向へ一方向に配列され、前記補強支柱（１）の断面積は前記補強支柱（１）の長さに沿って前記補強支柱（１）の少なくとも前記接続部（３）の間で一定に維持されること、
   特定の自動車車体のための前記補強支柱（１）の断面積は、それと前記補強支柱（１）の弾性係数Ｅとの積が、前記特定の自動車車体のための鋼鉄補強支柱の断面積とその弾性係数Ｅとの積に対応するように選択されること、
   前記補強支柱（１）が支柱の長さに沿って内部金属コア（７）を備えること、および
   前記接続部（３）が、接続要素の受入のための少なくとも１つのアクセス口（４）を有し、前記アクセス口（４）が、前記内部金属コア（７）を通って実行され、かつ繊維強化領域（５）に囲まれ、前記繊維強化領域（５）の繊維が同心環状で形成され、前記アクセス口（４）のまわりに配置されていることを特徴とする自動車車体。
2. 前記補強支柱（１）が保護層（２）の中に少なくとも部分的に入っていることを特徴とする、請求項１に記載の自動車車体。
3. 前記保護層（２）が、
   −不織布材料により、若しくは巻き繊維により形成され、前記巻き繊維の繊維は前記補強支柱（１）の一方向の繊維配置の繊維に対してオフセットされた角度で巻かれているものであり、または、
   −非研磨性の耐衝撃材料により形成され、または、
   −熱可塑性若しくはエラストマー材料により形成される
   ことを特徴とする請求項２に記載の自動車車体。
4. 前記補強支柱（１）が、引抜成形された複合繊維材料の補強支柱（１）であり、この補強支柱は前記複合繊維材料の全容積をもとに５０％から７５％の範囲の繊維含量を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の自動車車体。
5. 前記複合繊維材料が、
   −プラスチックマトリックスを有する炭素繊維複合材料を備え、または
   −軽金属合金マトリックスおよび／または金属繊維を有するハイブリッド複合繊維材料を備える
   ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の自動車車体。
6. 前記アクセス口（４）が、
   −差込み具（８）によって提供されたアクセス口（４）であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の自動車車体。
   

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