CN113631402A - 由用连续纤维增强的片状模塑料形成的复合车辆部件 - Google Patents

Abstract

一种车辆部件包括本体、第一梁和第二梁。本体具有第一固定区域和第二固定区域。第一梁由第一复合材料形成并且具有第一梁形状。第一梁装接到本体并在本体的第一固定区域与第二固定区域之间延伸。第二梁由第二复合材料形成，并且具有与第一梁形状相比简单的第二梁形状。第二梁装接到本体并在本体的第一固定区域与第二固定区域之间延伸。

Description

由用连续纤维增强的片状模塑料形成的复合车辆部件

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年3月11日提交的美国临时专利申请序列号62/816634的优先权，其通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及车身部件，并且具体地涉及具有由不同纤维增强复合材料形成的部分的车身部件。

背景技术

在汽车、交通、航空航天和基于物流的行业中的减重已经成为主要关注点，以便使更多燃料高效的车辆用于地面和空中运输两者。为了实现这些减重，已经引入轻质复合材料来代替金属结构和表面体的部件和面板。复合材料是由具有显著不同的物理或化学性质的两种以上组成材料制成的材料，这些材料在组合时产生具有与各个组分不同的特性的材料。各个组分在完成的结构内保持独立且不同。与传统材料相比，复合材料可能由于包括更强、更轻或更便宜的材料的原因而优选。优于金属的又一优点是减少腐蚀，产生更长的可用寿命和降低的维护成本。

存在两类构成材料：基质和增强物。需要每种类型的至少一部分。基质材料通过保持它们的相对位置来包围并支撑增强材料。增强物赋予其特殊的机械和物理性质以增强基质性能。协同作用产生不能从单个组成材料获得的材料特性，而各种各样的基质和增强材料允许产品或结构的设计者选择最佳组合。

使用纤维内含物以增强基质是本领域公知的。良好建立的用于强化基质的机制包括减慢和延长通过基质的裂纹传播的路径，以及与将纤维从周围基质材料释放相关的能量分布。在片状模塑料(SMC)制剂的背景下，团状模塑料(BMC)制剂和树脂传递模塑(RTM)纤维增强传统地涉及短切玻璃纤维的使用。

结构汽车部件被设计成在碰撞期间通过吸收和耗散动能来保护车辆乘员。例如，如图1所示，前乘客车门12和后乘客车门14通常包括侧碰撞杆16、18，也称为防入侵杆或梁，其被设计为保护乘客免受侧碰撞。侧碰撞是特别危险的，这是因为碰撞的位置非常接近于碰撞车辆或物体可能立即达到的乘客。侧碰撞杆的作用是吸收碰撞的车辆或物体的动能，该动能被部分地转化成碰撞中涉及的构件的内功。结构汽车部件还被设计成通过暂时变形或弯曲来吸收动能来使在低速碰撞中对车辆的损坏最小化。

随着时间的推移，结构车辆部件的几何形状、整体构造和材料已经改变以试图减小车辆重量。例如，图2示出了具有由复合材料制成的上梁22和下梁24的结构车辆部件20。虽然这证明了复合材料的成功使用，但是这种设计模拟了金属部件的使用并且没有完全利用从复合部件获得的益处。

因此，需要一种车辆结构组件设计，其利用复合材料来降低部件的重量，与此同时与常规车辆部件相比改进了安全性能和可制造性。

发明内容

本发明提供了一种车辆部件，其包括本体、第一梁和第二梁。本体具有第一固定区域和第二固定区域。第一梁由第一复合材料形成并且具有第一梁形状。第一复合材料例如是热固性树脂，其可以或可以不利用短切纤维增强，所述短切纤维诸如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、天然纤维、纤维素纤维或其组合。第一梁装接到本体并在本体的第一固定区域与第二固定区域之间延伸。第二梁由第二复合材料形成，并且具有与第一梁形状相比简单的第二梁形状。第二复合材料例如是单向纤维增强复合材料，其中纤维可以是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、天然纤维、纤维素纤维或其组合。第二梁装接到本体并在本体的第一固定区域与第二固定区域之间延伸。所述第一梁与所述本体上的所述第二梁间隔开。第一梁的外表面相对于第二梁的外表面从中线向外延伸。第一梁具有第一表面积并且第二梁具有第二表面积，第一表面积与第二表面积的比率在2-10:1之间。

附图说明

关于以下附图进一步详细描述本发明，所述附图旨在示出本发明的某些方面，但不应被解释为对本发明的实施进行限制。

图1示出了现有技术的乘客车门组件，示出了侧碰撞杆；

图2示出了现有技术的乘客车门部件，示出了由复合材料形成的侧碰撞梁；

图3A示出了根据本发明的实施例的车身部件构造的侧视图；

图3B示出了图3A的车身部件构造的立体图；

图3C示出了图3A和3B的车身部件构造的截面图；

图3D是图3A中最左边的虚线框的放大图，其中梁以重影示出，以说明梁与第二固定区域的接合；

图3E是图3A中最右边的虚线框的放大图，其中梁以重影示出，以示出梁与第一固定区的接合；

图4示出了根据本公开的实施例的车身部件组件的展开立体图；

图5示出了根据本公开的实施例的车身部件组件的展开立体图；以及

图6示出了根据本公开的实施例的附接到车辆框架的车身部件组件的立体图。

具体实施方式

本发明具有作为轻质车辆结构部件的实用性，其通过在减轻重量的同时增强车身部件来提供改进的汽车抗碰撞性。因此，与现有的车辆结构部件相比，根据本公开的实施例的车辆结构部件具有改进的安全性能和可制造性和减小的重量。虽然由于与车门相关联的严格的安全标准在车门的背景下讨论了本发明，但是应当理解，本发明适合于生产多种车辆部件，这些车辆部件还示例性地包括发动机罩、行李箱盖、车顶、尾门和举升门。

现在将参照以下实施例来描述本发明。如通过这些描述显而易见的，本发明可以以不同的形式实施，并且不应该被解释为限于这里阐述的实施例。而是，提供这些实施例使得本公开全面且完整，且将向本领域技术人员完整传达本发明的范围。例如，针对一个实施方案阐释的特征能够并入其他实施例，并且针对特定实施例阐释的特征可以从该实施例中删除。另外，根据本公开，本领域技术人员将清楚对本文提出的实施例的许多变化和添加，其不脱离本发明。因此，以下说明旨在说明本发明的一些特定实施例，而不是穷尽地指定其所有排列、组合和变型。

应当理解，在提供值的范围的情况下，该范围旨在不仅包括该范围的端点值，而且包括该范围的中间值，该中间值被明确地包括在该范围内并且由该范围的最后一个有效数字变化。举例而言，记载的1至4的范围旨在包括1-2、1-3、2-4、3-4和1-4。

除非以其他方式定义，否则这里使用的所有技术和科技术语具有如本发明所属领域的技术人员通常理解的相同含义。本发明说明书中使用的术语仅为了描述特定实施例的目的，而并不旨在限制本发明。

除非明确或通过上下文另有说明，否则在本文中如下所述地使用以下术语。

如在本发明的说明书和所附权利要求中所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式。

此外，如本文所使用的，“和/或”是指并且涵盖相关联的一个以上的所列项目的任何和所有可能的组合，并且当在以选择(“或”)为解释时不进行组合。

如本文所使用的，术语“侧碰撞杆测试”是指由美国交通部门Rev.9/19/12定义的NCAP侧碰撞刚性杆测试。

如本文所用，术语“连续纤维”是指从车辆部件的边缘延伸到边缘的纤维，或在不被切割的状态下以图案放置在车辆部件内的纤维。

如图3A-3C所示，本发明的车辆部件30的实施例包括具有第一固定区域34和第二固定区域36的本体32、第一梁38和第二梁40。本体32和梁38、40各自具有基于给定应用和车辆内的预期位置的预定几何形状，以便与车辆的其他部件互补。应当理解，第一固定区域34和第二固定区域36由与本体32相同的材料形成为一体，或者可替代地各自独立地插入到具有与本体32的其余部分不同的成分的主体。

本体32仅通过与梁38和40的一致性而限定构造和材料，并且示例性地由钢、铝、镁合金、钛、钛合金、嵌入在热固性树脂中的玻璃纤维增强板、SMC、BMC或其组合形成。在某些发明实施例中，本体32、第一固定区域34和第二固定区域36由SMC及其它材料形成。本体32具有相对于车辆乘客舱的内侧66和外侧。在又一些实施例中，第一固定区域34和第二固定区域36与本体32一体化。应注意，接点通常基于材料的性质由粘合剂、机械紧固件或其组合而形成，而焊接和钎焊最常用于由金属形成本体32。在图3D和3E中示出了分别使用机械紧固件37和粘合剂35的组合的第一梁38在第二固定区域34与第一固定区域36之间的示例性接合。在图3D和3E中也示出了分别使用机械紧固件和粘合剂的组合的第二梁40在第二固定区域34与第一固定区域36之间的示例性接合。还应当理解，在图6中，本体32包括在前竖梃和后竖梃锁(rear stile lock)(为了清楚起见未示出)上的用于安装铰链42的硬化点，以选择性地允许部件30固定到车辆的其余部分。虽然常规的是形成车门的部件30具有两个前铰链和锁-车辆底盘立柱接合(lock-vehicle chassis post engagement)以形成三点闭合，但是应当理解，这仅仅是示例性的，并且其他类型的部件30，并且实际上，其他类型的门具有用于相对于车辆选择性地移动部件的不同硬件。

第一梁38通常在第一固定区域34和第二固定区域36处装接到本体32，使得第一梁38在本体32的第一固定区域34与第二固定区域36之间跨设。第一梁38由短切纤维增强树脂形成，并且其特征在于被定位为存在凹面的程度这样的复杂的形状，开口指向远离期望的碰撞方向。第一梁38由多种树脂形成。这些树脂示例性地包括SMC、环氧树脂、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯或无规取向的纤维增强热塑性树脂(FRTP)。当本发明的部件30是门时，预期的碰撞方向是来自门外部的方向。本文可使用的纤维填料示例性地包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、纤维素纤维或其组合。在一些发明实施例中，短切纤维是单独的玻璃纤维或与其它类型的纤维组合的玻璃纤维。应当理解，在一些发明实施例中，第一梁38中的小部分纤维重量是连续纤维。下文关于第二梁40详述示例性连续纤维。当第一梁为碳纤维-SMC(CF-SMC)时，第一梁38在给定点处的一般厚度在0.5至6mm的范围内。在其他实施例中，当第一梁为CF-SMC时，第一梁38的厚度为1.5mm至5mm。

在一些发明实施例中，利用与第一复合材料相同的材料的肋39来增强第一梁，以赋予第一梁38额外的强度或抗渗性。肋39如果存在的话则能够粘附到第一梁38的外部或第一梁38成型为包围肋39。应当理解的是，第一梁38容易由均匀厚度的树脂成型形成，或者能够在其范围内在厚度上变化。根据一些发明实施例，第一梁38具有表面处理41，其示例性地包括已知为对其贡献额外强度的凹槽、脊、凹坑或其组合。

第二梁40通常在第一固定区域34和第二固定区域36处装接到本体32，使得第二梁40在本体32的第一固定区域34与第二固定区域36之间跨设。第二梁40由与第一梁38的第一复合材料不同的第二复合材料形成。特别地，第二梁40由连续纤维增强复合材料形成，其中大部分纤维方向被选择为与预期碰撞方向正交。应当理解，第二梁40中总纤维含量的较少量相对于大部分连续纤维方向能够具有不同取向。在其他发明实施例中，连续纤维在多个方向上延伸，使得没有单个方向包括纤维的大部分重量；例如，作为除了门之外的若干车辆部件。连续纤维增强复合材料包括由树脂浸渍的金属线、碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或其组合以限定第二梁40的形状。在一些发明实施例中，由于碳纤维的吸引强度和重量属性，连续纤维仅是碳纤维。本文使用的碳纤维的示例性来源是

(Tejin Ltd.,Tokyo)。在一些发明实施例中，相对于连续纤维的重量的量，在第二梁40中也存在较少量重的量的任意前述短切纤维。第二梁40在给定点的一般厚度在5-13mm的范围内。在其他发明实施例中，第二梁的厚度范围为7至11mm。第二梁40由各种树脂形成。这些树脂示例性地包括热固性树脂，诸如SMC、环氧树脂、乙烯基酯、苯酚、热固性聚酰亚胺、聚氨酯、脲、三聚氰胺和双马来酰亚胺；以及热塑性塑料，诸如聚酰胺、聚亚烷基、ABS、聚碳化酯、FRTP、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。除了单环氧树脂之外，能够使用环氧树脂和热固性树脂的共聚物、改性产物、通过共混两种以上树脂而获得的树脂等。在一些发明实施例中，第二梁40形成有“顶帽”，其特征在于平行于中央部分的边缘，具有在边缘与中央部分之间的中间的正交侧边。在又一些实施例中，第二梁40形成有直线盒状截面。应当理解的是，第二梁40形成为具有其他截面形状，如在梁40的中间所测量的；这些其他截面形状包括三角形、五边形和六边形。根据一些发明实施例，第二梁40具有表面处理43，该表面处理43示例性地包括已知为对其贡献附加强度的凹槽、脊、凹坑或它们的组合。在一些发明实施例中，第二梁40用与第二复合材料相同的材料的肋45增强，以赋予第一梁38额外的强度或抗渗性。肋45如果存在的话则能够装接到第二梁40的外部或第二梁40成型为包住肋45。

第一梁38和第二梁40之间的关系对于提供保持高度抗压性的轻质部件是至关重要的。第一梁38通常被设计成相对于第二梁40具有复杂形状。在一些发明实施例中，第一梁38被设计成具有比第二梁40更大的与第一梁和第二梁正交的每单位面积的抗拉刚度，而第二梁40被设计成具有比第一梁38更大的与第一梁和第二梁正交的每单位面积强度；而在其他发明实施例中，不存在这些属性中的一个或两个。关于如附图中所示的作为门的本体，第一梁38具有容易用SMC成型的复杂形状，SMC能够形成用于窗框、门镜或其组合的安装件。在一些发明实施例中，第一梁38的表面积与第二梁40的表面积的比率在2-10:1之间。通过图3A的本发明的车辆部件30与图2的现有车辆部件20之间的比较，将该特征最好地示出。

虽然在附图中第一梁38被示出为安装在第二梁40上方并且与第二梁40间隔开，但是应当理解，梁38和40的相对位置取决于车辆部件的性质而变化。在其他实施例中，存在由第一梁38或第二梁40的材料形成的附加梁，以赋予给定车辆部件30期望的性能。作为示例，第一梁38的构成的另一梁可以沿着车辆部件的下边缘装接，第二梁40的构成的另一梁可以装接到第二梁40的附近以赋予额外的刚度，或者两种类型的梁在给定的车辆部件中被复制。还应当理解的是，虽然第一梁38和第二梁40被示出为大致彼此平行，以提供对侧杆碰撞测试的极好的响应，但是根据本发明的梁可以容易地以多种相对角度展开。

为了进一步促进相对于外部碰撞的保护，在一些实施例中，第一梁30相对于第二梁40在车辆部件30上向外移位。如图3C中最佳示出的，第一梁38的外表面52相对于第二梁40的外表面54向外移位。更具体地，第一梁38的外表面52定位在与本体32的中心轴线A相距第一距离D1处，并且第二梁40的外表面54定位在与本体32的中线A相距第二距离D2处，其中第一距离D1大于第二距离D2。因此，在碰撞事件中，第一梁38在第二梁40之前接触碰撞物体。不受特定理论的束缚，例如，由具有高碰撞能量吸收能力的短切纤维增强SMC形成的第一梁38吸收和耗散碰撞的动能，从而防止穿透到车辆乘客舱中，而通常由具有高刚度的单向纤维增强复合材料形成的第二梁40提供必要的刚度以将车辆部件30的各种部件保持完整并将碰撞力传递到车辆部件的本体32。

如在图6中最佳示出的，根据某些发明实施例，限定门的前竖梃的第一固定区域34被构造为容纳至少一个铰链42以将车辆部件30固定到车辆50的框架，而限定门的后竖梃的第二固定区域36被构造为容纳闩锁44以将车辆部件30可释放地固定到车辆框架50。根据一些发明实施例并且如在图3A和3B中最佳地示出的，车辆部件30包括在第一固定区域34处装接至本体32的第一增强部件46和在第二固定区域36处装接至本体32的第二增强部件48中的一者或两者。

如图4和图5所示，车辆部件30可以是用于增强车门或其他车身部件的内部结构。根据实施例，车辆部件30连接到本体32的外侧62上的外皮60。在另外的实施例中，车辆部件30被放置在本体32的外侧62上的外皮60与本体32的内侧66上的内皮64之间。根据实施例，外皮60是由钢、铝和复合材料中的至少一种形成的外体面板。内皮64是面向车辆内部的装饰板。根据实施例，车辆部件30还包括定位在本体32与外皮60和内皮64中的至少一个之间限定的腔中的消音材料、车辆电子器件、芳纶面板和HVAC部件中的至少一个。

关于以下非限制性示例进一步详述本发明。

实施例

根据附图3A-5，用短切碳纤维填充的第一梁和基于玻璃纤维的单向纤维第二梁构造和蒙皮车门。获得的门呈现相对于按照图2的类似门10％的重量节省。本发明的门通过了具有最小向内侵入的侧碰撞杆测试。

前面的描述是对本发明的特定实施例的说明，但并不意味着对本发明实践的限制。下面的权利要求包括它的所有等同物旨在限定本发明的范围。

Claims (23)

1.一种车辆部件，包括：

本体，该本体具有第一固定区域和第二固定区域；

第一梁，该第一梁装接到所述本体，并且在所述第一固定区域与所述第二固定区域之间以第一梁形状延伸，所述第一梁由第一复合材料形成；以及

第二梁，该第二梁装接到所述本体，并且在所述第一固定区域与所述第二固定区域之间延伸，所述第二梁由第二复合材料形成并且具有与所述第一梁形状相比简单的第二梁形状。

2.根据权利要求1所述的车辆部件，其中，所述第一梁的所述第一复合材料是热固性树脂。

3.根据权利要求2所述的车辆部件，其中，所述热固性树脂是用短切纤维增强的SMC。

4.根据权利要求3所述的车辆部件，其中，所述短切纤维是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、天然纤维、纤维素纤维或它们的组合。

5.根据权利要求1所述的车辆部件，其中，所述第二梁的所述第二复合材料是单向纤维增强复合材料。

6.根据权利要求5所述的车辆部件，其中，所述单向纤维增强复合材料包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、天然纤维、纤维素纤维中的任何一种或它们的组合。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的车辆部件，其中，所述第一梁具有第一表面积，并且所述第二梁具有第二表面积，所述第一表面积与所述第二表面积的比率在2-10:1之间。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的车辆部件，其中，所述第一梁与所述第二梁间隔开。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的车辆部件，其中，所述第一梁的外表面相对于所述第二梁的外表面从中线向外延伸。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的车辆部件，其中，所述第二梁具有顶帽状或盒状的截面。

11.根据权利要求1至5中任一项所述的车辆部件，其中，所述第一梁或所述第二梁中的至少一者还包括凹槽、脊、凹坑或它们的组合这样的表面处理。

12.根据权利要求1至5中任一项所述的车辆部件，其中，所述第一梁或所述第二梁中的至少一者还包括肋。

13.根据权利要求1至5中任一项所述的车辆部件，其中，所述第一梁基本上平行于所述第二梁。

14.根据权利要求1至5中任一项所述的车辆部件，其中，所述第一固定区域被配置为容纳铰链。

15.根据权利要求1至5中任一项所述的车辆部件，其中，所述第二固定区域被配置为容纳闩锁。

16.根据权利要求1至5中任一项所述的车辆部件，还包括增强部件。

17.根据权利要求1至5中任一项所述的车辆部件，其中，所述车辆部件是车门、发动机罩、行李箱盖、车顶、后挡板或举升门中的任何一者的一部分。

18.根据权利要求1所述的车辆部件，还包括装接到所述本体的第一侧处的外皮。

19.根据权利要求18所述的车辆部件，其中，所述外皮是由钢、铝或复合材料中的至少一种形成的外体面板。

20.根据权利要求1所述的车辆部件，还包括装接到所述本体的第二侧处的内皮。

21.根据权利要求20所述的车辆部件，其中，所述内皮是车辆内部面板。

22.根据权利要求20或21中任一项所述的车辆部件，还包括定位在所述本体与所述内皮之间限定的空腔内的消音材料、车辆电子器件、芳纶面板和HVAC部件中的至少一者。

23.根据权利要求1至5中任一项所述的车辆部件，其中，所述第一梁具有比所述第二梁大的与所述第一梁和所述第二梁正交的每单位面积的拉伸强度，并且所述第二梁具有比所述第一梁大的与所述第一梁和所述第二梁正交的每单位面积的刚度。

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