具有變形元件和縱梁的機動車車身的制作方法
【專利摘要】一種用于機動車的車身具有由纖維塑料復合材料制成的縱梁并且具有變形元件，所述變形元件構造成，使得所述變形元件能夠在機動車的低的相對速度范圍中通過失效來吸收碰撞能量，并且所述縱梁構造成，使得所述縱梁能夠在機動車的高的相對速度范圍中通過脆性失效來吸收碰撞能量，縱梁起始失效力水平(F3)大于縱梁平均失效力水平(F4)，在所述縱梁起始失效力水平時所述縱梁首次開始失效，在所述縱梁平均失效力水平時所述縱梁在進一步的進程中失效，變形元件起始失效力水平(F1；F1’)和變形元件平均失效力水平(F2；F2’)小于縱梁起始失效力水平(F3)，在所述變形元件起始失效力水平時所述變形元件首次開始失效，在所述變形元件平均失效力水平時所述變形元件在進一步的進程中失效，并且所述變形元件平均失效力水平(F2；F2’)小于縱梁起始失效力水平(F3)并且大于與縱梁平均失效力水平(F4)減小了10％、優(yōu)選5％相應的力水平。
【專利說明】
具有變形元件和縱梁的機動車車身
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種具有變形元件和由纖維塑料復合材料制成的縱梁的機動車車身。
【背景技術】
[0002]通常傳統(tǒng)的機動車包括前車廂、后車廂和布置在該前、后車廂之間的客艙。前車廂的結構在此尤其是考慮到機動車與碰撞障礙物的正面碰撞。機動車的與碰撞相關的結構也稱為能夠充分地耗散碰撞能量以便保護車輛乘客的碰撞結構。此外，前車廂的與碰撞相關的結構通常通過兩個前縱梁、布置在這些前縱梁的前端部上的變形元件和具有保險杠橫梁的保險杠確定，所述前縱梁在具有前置發(fā)動機的機動車中也被稱為發(fā)動機支座，所述變形元件也被稱為“碰撞盒”。在此，變形元件通常針對低速的碰撞過程設計，這些變形元件應當保護前車廂的其它結構、尤其是前縱梁免受損壞。由此在低速的碰撞時通常僅具有保險杠橫梁的保險杠以及變形元件消耗能量并被損壞并且可以為了維修而重新輕易地更換。在高速的碰撞時，前車廂的其余結構、尤其是前縱梁也必須耗散碰撞能量。通常，前縱梁以殼結構形式由鋼構成。碰撞盒通常由鋁構成。由鋼制成的前縱梁的失效在此通過塑性變形表現(xiàn)，其中，在變形的過程中，即隨著不斷增加的變形，力水平下降。在碰撞盒失效時的力水平在此通常被選擇為比在由鋼制成的前縱梁的塑性失效時的力水平低至少20%。因此，在碰撞盒失效時的力水平比較低，從而需要碰撞盒的比較長的變形行程，以便在低速碰撞時充分地耗散碰撞能量。
[0003]已知這樣設計用于機動車車身的車身結構梁，使得該車身結構梁在機動車的碰撞情況下吸收碰撞能量并失效。在此，由金屬材料制成的車身結構梁這樣設計，使得車身結構梁在超過預定的力水平時在為此設置的路程上合適地變形。但是在由纖維增強的塑料制成的車身結構梁中，通過變形引起的碰撞能量的耗散不起作用。在由纖維增強的塑料制成的車身結構梁中碰撞能量的充分耗散是脆性失效。這樣的失效例如稱為“破碎”。在“破碎”失效機理中，車身結構梁的或多或少完全的分裂(稱為粉碎或碎片化亦或裂碎)主要以脆性破裂進行?！捌扑椤钡牧硪环N形式是材料直接在撞擊面上限定地轉向180°，其中，該轉向也稱為刨起或刨削。在破碎時，為了耗散碰撞動能，纖維斷裂機理與摩擦結合地起作用。提到的這兩個失效機理在正面碰撞時有效地起作用，在該正面碰撞時力垂直于車身結構梁橫截面地作用到梁上。在“破碎”的前述失效方式之間存在失效的所有可能的中間形式，所述中間形式基本上通過或多或少小塊的纖維斷裂相區(qū)分。失效越小塊，則失效時碰撞能量吸收能力越大或者說發(fā)生失效時的負載/力越高。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的任務是，提供一種具有變形元件和縱梁的機動車車身，所述車身的碰撞結構在充分耗散碰撞能量的情況下具有短的變形行程。
[0005]該任務通過一種具有權利要求1的特征的車身解決。本發(fā)明的優(yōu)選的進一步改進方案在從屬權利要求中舉出。
[0006]按照本發(fā)明的機動車車身具有由纖維塑料復合材料制成的縱梁并且具有變形元件。這樣的變形元件也稱為碰撞盒或碰撞能量吸收元件。變形元件構造成，使得所述變形元件能夠在機動車的低的相對速度范圍中通過失效來吸收碰撞能量。相對速度在此指的是機動車相對于碰撞對象的速度。在剛性的、固定的碰撞對象時，相對速度等于機動車的速度。所述縱梁構造成，使得所述縱梁能夠在機動車的高的相對速度范圍中通過脆性失效來吸收碰撞能量。優(yōu)選，縱梁在此能夠在基本上恒定的力水平上吸收碰撞能量。高的相對速度范圍在此優(yōu)選與低的相對速度范圍相鄰?？v梁起始失效力水平大于縱梁平均失效力水平，在所述縱梁起始失效力水平時所述縱梁首次——在起始的彈性變形之后——開始失效，在所述縱梁平均失效力水平時所述縱梁在進一步的進程中失效。此外，變形元件起始失效力水平和變形元件平均失效力水平小于縱梁起始失效力水平，在所述變形元件起始失效力水平時所述變形元件首次開始失效，在所述變形元件平均失效力水平時所述變形元件在進一步的進程中失效。此外，所述變形元件平均失效力水平小于縱梁起始失效力水平并且大于與縱梁平均失效力水平減小了 10%、優(yōu)選5%相應的力水平。
[0007]由纖維塑料復合材料構成的縱梁的前面提及的脆性失效也例如稱為“破碎”。在“破碎”失效機理中，纖維塑料復合材料的或多或少完全的分裂(稱為粉碎或碎片化或也稱為裂碎)主要以脆斷的方式發(fā)生。在此，失效越小塊，則在失效時的碰撞能量吸收能力就越大或者說在失效時的負載/力越高。
[0008]將纖維塑料復合材料用于縱梁能夠實現(xiàn)在起始失效力水平之后引起比較一一尤其是與金屬材料相比而言一一'〖亙定的失效力水平。因為按照本發(fā)明變形元件平均失效力水平被選擇得比較高，即至少大于減小了 10%、優(yōu)選5%的縱梁平均失效力水平，所以碰撞能量通過變形元件的耗散在比較高的力水平上發(fā)生，由此所需的變形行程較小。這又具有如下優(yōu)點，即，碰撞結構、例如機動車的前車廂的碰撞結構可以構造得明顯更短。機動車可以總體上實施得更小或者說在機動車總尺寸不變的情況下客艙可以實施得更大。本發(fā)明尤其是通過以下方式能實現(xiàn)，即，縱梁由纖維塑料復合材料構成，縱梁的起始失效力水平可設定成比較大，從而盡管變形元件平均失效力水平位于縱梁平均失效力水平附近，但是在變形元件的碰撞能量耗散潛力耗盡之前縱梁開始失效的概率非常小。由此能夠以高的概率確保在低速碰撞時縱梁不會不可逆地損壞并且變形元件首先完全失效。
[0009]按照本發(fā)明的一種優(yōu)選的進一步改進方案，變形元件平均失效力水平等于或大于縱梁平均失效力水平。
[0010]由此可以在碰撞能量耗散潛力相同的情況下將變形元件的變形行程選擇成還要更短的。
[0011]按照本發(fā)明的另一種優(yōu)選的進一步改進方案，變形元件平均失效力水平小于增大了 10%的縱梁平均失效力水平。
[0012]由此確保，變形元件平均失效力水平不過于接近縱梁起始失效力水平并且縱梁的失效不希望地開始。
[0013 ]變形元件可以構造成，使得該變形元件塑性地和/或脆性地失效。
[0014]變形元件可以優(yōu)選由纖維塑料復合材料制成。
[0015]由此，變形元件可以在需要時實施成更輕的。此外，變形元件的失效力水平可以實施成比較恒定的，從而變形元件的變形行程能夠特別有效地用于吸收碰撞能量。
[0016]有利地，變形元件布置在保險杠橫梁和縱梁前端部之間。
[0017]按照一種進一步改進方案，變形元件可以構成為通過可拆卸的固定裝置可更換的。
[0018]由此，尤其是在低速碰撞的情況下可以實現(xiàn)成本低廉地簡單地更換損壞的變形元件。
[0019]縱梁可以有利地是前縱梁或后縱梁。在前縱梁上可以布置有前保險杠橫梁連同位于中間的變形元件。在后縱梁上可以布置有后保險杠橫梁連同位于中間的變形元件。前縱梁和/或后縱梁和所屬的變形元件可以成對地布置。換言之，車身可以具有左和右前縱梁和/或左和右后縱梁連同所屬的變形元件。
[0020]優(yōu)選，縱梁由具有碳纖維的纖維塑料復合材料制成。
[0021]這在碳纖維在比較小的重量的情況下具有高的抗拉強度的范圍內是有利的。由此可以在乘員安全性相同的情況下將碰撞結構實施得特別短。
[0022]有利地，纖維塑料復合材料構成為具有無端纖維。無端纖維能夠實現(xiàn)縱梁的特別高的強度并且由此也能夠實現(xiàn)較高的失效力水平，該較高的失效力水平附加地能夠實現(xiàn)特別短的碰撞結構。
[0023]優(yōu)選地，縱梁在基本上恒定的力水平上失效。
[0024]本發(fā)明的上述的進一步改進方案可以盡可能地且有意義地任意地相互組合。
【附圖說明】
[0025]接著是附圖的簡短描述。
[0026]圖1示出在按照本發(fā)明的第一實施例的變形元件和縱梁的變形行程上的力歷程的示意圖表。
[0027]圖2示出在按照本發(fā)明的第二實施例的變形元件和縱梁的變形行程上的力歷程的示意圖表。
【具體實施方式】
[0028]下面參照圖1和圖2闡述本發(fā)明的第一實施例和第二實施例。
[0029]按照第一實施例，機動車的車身具有由纖維塑料復合材料構成的前縱梁并且具有變形元件。前縱梁尤其是利用由碳素制成的無端纖維增強。變形元件安置在前保險杠橫梁和縱梁的前端部之間。所述第一實施例的變形元件由脆性失效的纖維塑料復合材料構成。
[0030]變形元件構造成，使得該變形元件能夠在低速度的、亦即例如速度小于25km/h或20km/h或15km/h或任何中間值、尤其16km/h的碰撞情況下吸收碰撞能量，而不會不可逆地損壞布置在其后面的縱梁。
[0031 ]在圖1中示出機動車在高的相對速度時與碰撞障礙物正面碰撞的情況下在變形元件和縱梁的變形行程上的力歷程的示意圖表。在起始的彈性變形之后在達到變形元件起始失效力水平Fl時，變形元件通過所謂的破碎脆性地失效，其中，在超過變形元件起始失效力水平Fl之后變形元件在大致連續(xù)保持不變的變形元件平均失效力水平F2時失效，該變形元件平均失效力水平小于變形元件起始失效力水平Fl。變形元件的失效力歷程5通過圖1中的虛線示意地示出，其中，所述線被理想化地示出。失效力歷程實際上也可以稍微波動，其中，失效力歷程經受比在第二實施例中描述的變形元件塑性變形時顯著更低的波動。變形元件的最大變形行程在圖表中用Xl表示。
[0032]一旦變形元件的碰撞能量耗散潛力或變形潛力耗盡，縱梁就開始失效?？v梁的失效力歷程7在圖1中用實線示出。在此，所述力首先在縱梁彈性變形時上升到縱梁起始失效力水平F3，在該縱梁起始失效力水平時縱梁開始失效。尤其是，縱梁通過前面已經描述的破碎脆性地失效?？v梁失效時的進一步的力歷程通過縱梁平均失效力水平F4表示，其中，在起始的失效之后，力歷程尤其是與由金屬材料制成、塑性失效的縱梁相比比較恒定。失效力歷程7在圖1中被理想化地示出?？v梁平均失效力水平F4小于縱梁起始失效力水平F3?？v梁的最大變形行程在圖表中用x2表示。
[0033]能由包括變形元件和縱梁的系統(tǒng)吸收的碰撞能量在圖表中通過陰影區(qū)域表示。
[0034]在圖表中，變形元件起始失效力水平Fl以及變形元件平均失效力水平F2分別小于縱梁起始失效力水平F3。由此防止縱梁在變形元件完全失效之前失效。為了在任何情況下都確保這一點，力水平Fl和F2與縱梁起始失效力水平F3的距離選擇成足夠大。
[0035]此外，在所示的實施例中，變形元件平均失效力水平F2大約等于縱梁平均失效力水平F4。由此，變形元件失效時的力水平比較高，從而通過變形元件也能夠在可供使用的變形行程Xl中充分地耗散碰撞能量。變形元件平均失效力水平F2也可以在從比縱梁平均失效力水平Fhj、1 %至比縱梁平均失效力水平F4大10 %的范圍中，只要縱梁起始失效力水平F3足夠大，以至于縱梁的失效不在變形元件的完全失效之前發(fā)生。
[0036]下面參照圖2描述本發(fā)明的第二實施例，其中，尤其是描述相對于第一實施例的區(qū)別并且基本上省去了對與第一實施例的相同點的描述。
[0037]按照第二實施例，機動車的車身具有由纖維塑料復合材料構成的前縱梁并且具有與第一實施例不同地由鋁材料構成的變形元件。
[0038]在正面碰撞的情況下，變形元件在起始的彈性變形之后在達到變形元件起始失效力水平Fl ’時基本上塑性地失效，其中，在超過變形元件起始失效力水平Fl ’之后變形元件以強烈波動的失效力歷程5’失效，所述強烈波動的失效力歷程對于鋁制變形元件的失效來說是特征性的。在達到起始失效力水平F1’之后的波動的失效力歷程5’的平均值在圖表中以變形元件平均失效力水平F2’表示。變形元件平均失效力水平F2’小于變形元件起始失效力水平F1’。變形元件的最大變形行程在圖表中用Xl表示。
[0039]一旦變形元件的碰撞能量耗散潛力或變形潛力耗盡，縱梁就開始失效。按照第二實施例的縱梁的失效力歷程7相應于按照第一實施例的縱梁的失效力歷程并且在圖2中與第一實施例類似地用實線示出。變形元件起始失效力水平F1’和變形元件平均失效力水平F2’分別小于縱梁起始失效力水平F3，其中，第二實施例的變形元件平均失效力水平F2’稍微大于縱梁平均失效力水平F4。
[0040]總之，按照本發(fā)明的這些實施例能夠在可供使用的變形行程xl+x2之內吸收比較大的碰撞能量，其中，變形元件的功能在低速碰撞時得以維持，用于保護縱梁免受不可逆的損壞。
【主權項】
1.用于機動車的車身，所述車身具有由纖維塑料復合材料構成的縱梁并且具有變形元件，其中，所述變形元件構造成，使得所述變形元件能夠在機動車的低的相對速度范圍中通過失效來吸收碰撞能量，并且所述縱梁構造成，使得所述縱梁能夠在機動車的高的相對速度范圍中通過脆性失效來吸收碰撞能量，其中，縱梁起始失效力水平(F3)大于縱梁平均失效力水平(F4)，在所述縱梁起始失效力水平時所述縱梁首次開始失效，在所述縱梁平均失效力水平時所述縱梁在進一步的進程中失效，其中，變形元件起始失效力水平(Fl ;F1’)和變形元件平均失效力水平(F2;F2’)小于縱梁起始失效力水平(F3)，在所述變形元件起始失效力水平時所述變形元件首次開始失效，在所述變形元件平均失效力水平時所述變形元件在進一步的進程中失效，并且所述變形元件平均失效力水平(F2;F2’)小于縱梁起始失效力水平(F3)并且大于與縱梁平均失效力水平(F4)減小了 10%、優(yōu)選5%相應的力水平。2.根據(jù)權利要求1所述的車身，其特征在于，所述變形元件平均失效力水平(F2;F2’)等于或大于所述縱梁平均失效力水平(F4)。3.根據(jù)權利要求1或2之一所述的車身，其特征在于，所述變形元件平均失效力水平(F2;F2’)小于增大了 10%的縱梁平均失效力水平(F4)。4.根據(jù)權利要求1至3之一所述的車身，其特征在于，所述變形元件構造成，使得所述變形元件塑性地和/或脆性地失效。5.根據(jù)權利要求1至4之一所述的車身，其特征在于，所述變形元件由纖維塑料復合材料制成。6.根據(jù)權利要求1至5之一所述的車身，其特征在于，所述變形元件布置在保險杠橫梁和所述縱梁的前端部之間。7.根據(jù)權利要求1至6之一所述的車身，其特征在于，所述變形元件構成為通過可拆卸的固定裝置可更換的。8.根據(jù)權利要求1至7之一所述的車身，其特征在于，所述縱梁是前縱梁或后縱梁。9.根據(jù)權利要求1至8之一所述的車身，其特征在于，所述縱梁由具有碳纖維的纖維塑料復合材料制成。10.根據(jù)權利要求1至9之一所述的車身，其特征在于，所述纖維塑料復合材料構成為具有無端纖維。
【文檔編號】B62D29/04GK105873808SQ201480066772
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2014年12月4日
【發(fā)明人】C·伯格勒, D·盧卡謝維克茨, B·弗德
【申請人】寶馬股份公司