CN105873808B - 具有变形元件和纵梁的机动车车身 - Google Patents

具有变形元件和纵梁的机动车车身 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于机动车的车身，其具有变形元件和由纤维塑料复合材料制成的纵梁，变形元件构造成使其能在机动车低的相对速度范围通过失效吸收碰撞能量且纵梁构造成使其能在机动车高的相对速度范围通过脆性失效吸收碰撞能量，纵梁起始失效力水平大于纵梁平均失效力水平，在纵梁起始失效力水平时纵梁首次开始失效，在纵梁平均失效力水平时纵梁在进一步进程中失效，变形元件起始失效力水平和变形元件平均失效力水平小于纵梁起始失效力水平，在变形元件起始失效力水平时变形元件首次开始失效，在变形元件平均失效力水平时变形元件在进一步进程中失效，变形元件平均失效力水平小于纵梁起始失效力水平并大于与纵梁平均失效力水平减小10％相应的力水平。

Description

具有变形元件和纵梁的机动车车身
技术领域
本发明涉及一种具有变形元件和由纤维塑料复合材料制成的纵梁的机动车车身。
背景技术
通常传统的机动车包括前车厢、后车厢和布置在该前、后车厢之间的客舱。前车厢的结构在此尤其是考虑到机动车与碰撞障碍物的正面碰撞。机动车的与碰撞相关的结构也称为能够充分地耗散碰撞能量以便保护车辆乘客的碰撞结构。此外，前车厢的与碰撞相关的结构通常通过两个前纵梁、布置在这些前纵梁的前端部上的变形元件和具有保险杠横梁的保险杠确定，所述前纵梁在具有前置发动机的机动车中也被称为发动机支座，所述变形元件也被称为“碰撞盒”。在此，变形元件通常针对低速的碰撞过程设计，这些变形元件应当保护前车厢的其它结构、尤其是前纵梁免受损坏。由此在低速的碰撞时通常仅具有保险杠横梁的保险杠以及变形元件消耗能量并被损坏并且可以为了维修而重新轻易地更换。在高速的碰撞时，前车厢的其余结构、尤其是前纵梁也必须耗散碰撞能量。通常，前纵梁以壳结构形式由钢构成。碰撞盒通常由铝构成。由钢制成的前纵梁的失效在此通过塑性变形表现，其中，在变形的过程中，即随着不断增加的变形，力水平下降。在碰撞盒失效时的力水平在此通常被选择为比在由钢制成的前纵梁的塑性失效时的力水平低至少20％。因此，在碰撞盒失效时的力水平比较低，从而需要碰撞盒的比较长的变形行程，以便在低速碰撞时充分地耗散碰撞能量。
已知这样设计用于机动车车身的车身结构梁，使得该车身结构梁在机动车的碰撞情况下吸收碰撞能量并失效。在此，由金属材料制成的车身结构梁这样设计，使得车身结构梁在超过预定的力水平时在为此设置的路程上合适地变形。但是在由纤维增强的塑料制成的车身结构梁中，通过变形引起的碰撞能量的耗散不起作用。在由纤维增强的塑料制成的车身结构梁中碰撞能量的充分耗散是脆性失效。这样的失效例如称为“破碎”。在“破碎”失效机理中，车身结构梁的或多或少完全的***(称为粉碎或碎片化亦或裂碎)主要以脆性破裂进行。“破碎”的另一种形式是材料直接在撞击面上限定地转向180°，其中，该转向也称为刨起或刨削。在破碎时，为了耗散碰撞动能，纤维断裂机理与摩擦结合地起作用。提到的这两个失效机理在正面碰撞时有效地起作用，在该正面碰撞时力垂直于车身结构梁横截面地作用到梁上。在“破碎”的前述失效方式之间存在失效的所有可能的中间形式，所述中间形式基本上通过或多或少小块的纤维断裂相区分。失效越小块，则失效时碰撞能量吸收能力越大或者说发生失效时的负载/力越高。
发明内容
本发明的任务是，提供一种具有变形元件和纵梁的机动车车身，所述车身的碰撞结构在充分耗散碰撞能量的情况下具有短的变形行程。
该任务通过一种具有如下所述特征的车身解决。按照本发明的用于机动车的车身具有由纤维塑料复合材料构成的纵梁并且具有变形元件，其中，所述变形元件构造成，使得所述变形元件能够在机动车的低的相对速度范围中通过失效来吸收碰撞能量，并且所述纵梁构造成，使得所述纵梁能够在机动车的高的相对速度范围中通过脆性失效来吸收碰撞能量，纵梁起始失效力水平大于纵梁平均失效力水平，在所述纵梁起始失效力水平时所述纵梁首次开始失效，在所述纵梁平均失效力水平时所述纵梁在进一步的进程中失效，变形元件起始失效力水平和变形元件平均失效力水平小于纵梁起始失效力水平，在所述变形元件起始失效力水平时所述变形元件首次开始失效，在所述变形元件平均失效力水平时所述变形元件在进一步的进程中失效，并且所述变形元件平均失效力水平小于纵梁起始失效力水平并且大于与纵梁平均失效力水平减小了10％、优选5％相应的力水平。
按照本发明的机动车车身具有由纤维塑料复合材料制成的纵梁并且具有变形元件。这样的变形元件也称为碰撞盒或碰撞能量吸收元件。变形元件构造成，使得所述变形元件能够在机动车的低的相对速度范围中通过失效来吸收碰撞能量。相对速度在此指的是机动车相对于碰撞对象的速度。在刚性的、固定的碰撞对象时，相对速度等于机动车的速度。所述纵梁构造成，使得所述纵梁能够在机动车的高的相对速度范围中通过脆性失效来吸收碰撞能量。优选，纵梁在此能够在基本上恒定的力水平上吸收碰撞能量。高的相对速度范围在此优选与低的相对速度范围相邻。纵梁起始失效力水平大于纵梁平均失效力水平，在所述纵梁起始失效力水平时所述纵梁首次——在起始的弹性变形之后——开始失效，在所述纵梁平均失效力水平时所述纵梁在进一步的进程中失效。此外，变形元件起始失效力水平和变形元件平均失效力水平小于纵梁起始失效力水平，在所述变形元件起始失效力水平时所述变形元件首次开始失效，在所述变形元件平均失效力水平时所述变形元件在进一步的进程中失效。此外，所述变形元件平均失效力水平小于纵梁起始失效力水平并且大于与纵梁平均失效力水平减小了10％、优选5％相应的力水平。
由纤维塑料复合材料构成的纵梁的前面提及的脆性失效也例如称为“破碎”。在“破碎”失效机理中，纤维塑料复合材料的或多或少完全的***(称为粉碎或碎片化或也称为裂碎)主要以脆断的方式发生。在此，失效越小块，则在失效时的碰撞能量吸收能力就越大或者说在失效时的负载/力越高。
将纤维塑料复合材料用于纵梁能够实现在起始失效力水平之后引起比较——尤其是与金属材料相比而言——恒定的失效力水平。因为按照本发明变形元件平均失效力水平被选择得比较高，即至少大于减小了10％、优选5％的纵梁平均失效力水平，所以碰撞能量通过变形元件的耗散在比较高的力水平上发生，由此所需的变形行程较小。这又具有如下优点，即，碰撞结构、例如机动车的前车厢的碰撞结构可以构造得明显更短。机动车可以总体上实施得更小或者说在机动车总尺寸不变的情况下客舱可以实施得更大。本发明尤其是通过以下方式能实现，即，纵梁由纤维塑料复合材料构成，纵梁的起始失效力水平可设定成比较大，从而尽管变形元件平均失效力水平位于纵梁平均失效力水平附近，但是在变形元件的碰撞能量耗散潜力耗尽之前纵梁开始失效的概率非常小。由此能够以高的概率确保在低速碰撞时纵梁不会不可逆地损坏并且变形元件首先完全失效。
按照本发明的一种优选的进一步改进方案，变形元件平均失效力水平等于或大于纵梁平均失效力水平。
由此可以在碰撞能量耗散潜力相同的情况下将变形元件的变形行程选择成还要更短的。
按照本发明的另一种优选的进一步改进方案，变形元件平均失效力水平小于增大了10％的纵梁平均失效力水平。
由此确保，变形元件平均失效力水平不过于接近纵梁起始失效力水平并且纵梁的失效不希望地开始。
变形元件可以构造成，使得该变形元件塑性地和/或脆性地失效。
变形元件可以优选由纤维塑料复合材料制成。
由此，变形元件可以在需要时实施成更轻的。此外，变形元件的失效力水平可以实施成比较恒定的，从而变形元件的变形行程能够特别有效地用于吸收碰撞能量。
有利地，变形元件布置在保险杠横梁和纵梁前端部之间。
按照一种进一步改进方案，变形元件可以构成为通过可拆卸的固定装置可更换的。
由此，尤其是在低速碰撞的情况下可以实现成本低廉地简单地更换损坏的变形元件。
纵梁可以有利地是前纵梁或后纵梁。在前纵梁上可以布置有前保险杠横梁连同位于中间的变形元件。在后纵梁上可以布置有后保险杠横梁连同位于中间的变形元件。前纵梁和/或后纵梁和所属的变形元件可以成对地布置。换言之，车身可以具有左和右前纵梁和/或左和右后纵梁连同所属的变形元件。
优选，纵梁由具有碳纤维的纤维塑料复合材料制成。
这在碳纤维在比较小的重量的情况下具有高的抗拉强度的范围内是有利的。由此可以在乘员安全性相同的情况下将碰撞结构实施得特别短。
有利地，纤维塑料复合材料构成为具有连续纤维。连续纤维能够实现纵梁的特别高的强度并且由此也能够实现较高的失效力水平，该较高的失效力水平附加地能够实现特别短的碰撞结构。
优选地，纵梁在基本上恒定的力水平上失效。
本发明的上述的进一步改进方案可以尽可能地且有意义地任意地相互组合。
附图说明
接着是附图的简短描述。
图1示出在按照本发明的第一实施例的变形元件和纵梁的变形行程上的力历程的示意图表。
图2示出在按照本发明的第二实施例的变形元件和纵梁的变形行程上的力历程的示意图表。
具体实施方式
下面参照图1和图2阐述本发明的第一实施例和第二实施例。
按照第一实施例，机动车的车身具有由纤维塑料复合材料构成的前纵梁并且具有变形元件。前纵梁尤其是利用由碳素制成的连续纤维增强。变形元件安置在前保险杠横梁和纵梁的前端部之间。所述第一实施例的变形元件由脆性失效的纤维塑料复合材料构成。
变形元件构造成，使得该变形元件能够在低速度的、亦即例如速度小于25km/h或20km/h或15km/h或任何中间值、尤其16km/h的碰撞情况下吸收碰撞能量，而不会不可逆地损坏布置在其后面的纵梁。
在图1中示出机动车在高的相对速度时与碰撞障碍物正面碰撞的情况下在变形元件和纵梁的变形行程上的力历程的示意图表。在起始的弹性变形之后在达到变形元件起始失效力水平F1时，变形元件通过所谓的破碎脆性地失效，其中，在超过变形元件起始失效力水平F1之后变形元件在大致连续保持不变的变形元件平均失效力水平F2时失效，该变形元件平均失效力水平小于变形元件起始失效力水平F1。变形元件的失效力历程5通过图1中的虚线示意地示出，其中，所述线被理想化地示出。失效力历程实际上也可以稍微波动，其中，失效力历程经受比在第二实施例中描述的变形元件塑性变形时显著更低的波动。变形元件的最大变形行程在图表中用x1表示。
一旦变形元件的碰撞能量耗散潜力或变形潜力耗尽，纵梁就开始失效。纵梁的失效力历程7在图1中用实线示出。在此，所述力首先在纵梁弹性变形时上升到纵梁起始失效力水平F3，在该纵梁起始失效力水平时纵梁开始失效。尤其是，纵梁通过前面已经描述的破碎脆性地失效。纵梁失效时的进一步的力历程通过纵梁平均失效力水平F4表示，其中，在起始的失效之后，力历程尤其是与由金属材料制成、塑性失效的纵梁相比比较恒定。失效力历程7在图1中被理想化地示出。纵梁平均失效力水平F4小于纵梁起始失效力水平F3。纵梁的最大变形行程在图表中用x2表示。
能由包括变形元件和纵梁的***吸收的碰撞能量在图表中通过阴影区域表示。
在图表中，变形元件起始失效力水平F1以及变形元件平均失效力水平F2分别小于纵梁起始失效力水平F3。由此防止纵梁在变形元件完全失效之前失效。为了在任何情况下都确保这一点，力水平F1和F2与纵梁起始失效力水平F3的距离选择成足够大。
此外，在所示的实施例中，变形元件平均失效力水平F2大约等于纵梁平均失效力水平F4。由此，变形元件失效时的力水平比较高，从而通过变形元件也能够在可供使用的变形行程x1中充分地耗散碰撞能量。变形元件平均失效力水平F2也可以在从比纵梁平均失效力水平F4小10％至比纵梁平均失效力水平F4大10％的范围中，只要纵梁起始失效力水平F3足够大，以至于纵梁的失效不在变形元件的完全失效之前发生。
下面参照图2描述本发明的第二实施例，其中，尤其是描述相对于第一实施例的区别并且基本上省去了对与第一实施例的相同点的描述。
按照第二实施例，机动车的车身具有由纤维塑料复合材料构成的前纵梁并且具有与第一实施例不同地由铝材料构成的变形元件。
在正面碰撞的情况下，变形元件在起始的弹性变形之后在达到变形元件起始失效力水平F1’时基本上塑性地失效，其中，在超过变形元件起始失效力水平F1’之后变形元件以强烈波动的失效力历程5’失效，所述强烈波动的失效力历程对于铝制变形元件的失效来说是特征性的。在达到起始失效力水平F1’之后的波动的失效力历程5’的平均值在图表中以变形元件平均失效力水平F2’表示。变形元件平均失效力水平F2’小于变形元件起始失效力水平F1’。变形元件的最大变形行程在图表中用x1表示。
一旦变形元件的碰撞能量耗散潜力或变形潜力耗尽，纵梁就开始失效。按照第二实施例的纵梁的失效力历程7相应于按照第一实施例的纵梁的失效力历程并且在图2中与第一实施例类似地用实线示出。变形元件起始失效力水平F1’和变形元件平均失效力水平F2’分别小于纵梁起始失效力水平F3，其中，第二实施例的变形元件平均失效力水平F2’稍微大于纵梁平均失效力水平F4。
总之，按照本发明的这些实施例能够在可供使用的变形行程x1+x2之内吸收比较大的碰撞能量，其中，变形元件的功能在低速碰撞时得以维持，用于保护纵梁免受不可逆的损坏。

Claims (12)

1.用于机动车的车身，所述车身具有由纤维塑料复合材料构成的纵梁并且具有变形元件，其中，所述变形元件构造成，使得所述变形元件能够在机动车的低的相对速度范围中通过失效来吸收碰撞能量，并且所述纵梁构造成，使得所述纵梁能够在机动车的高的相对速度范围中通过脆性失效来吸收碰撞能量，其中，纵梁起始失效力水平(F3)大于纵梁平均失效力水平(F4)，在所述纵梁起始失效力水平时所述纵梁首次开始失效，在所述纵梁平均失效力水平时所述纵梁在进一步的进程中失效，其中，变形元件起始失效力水平(F1；F1’)和变形元件平均失效力水平(F2；F2’)小于纵梁起始失效力水平(F3)，在所述变形元件起始失效力水平时所述变形元件首次开始失效，在所述变形元件平均失效力水平时所述变形元件在进一步的进程中失效，并且所述变形元件平均失效力水平(F2；F2’)小于纵梁起始失效力水平(F3)并且大于与纵梁平均失效力水平(F4)减小了10％相应的力水平。
2.根据权利要求1所述的车身，其特征在于，所述变形元件平均失效力水平(F2；F2’)等于或大于所述纵梁平均失效力水平(F4)。
3.根据权利要求1所述的车身，其特征在于，所述变形元件平均失效力水平(F2；F2’)小于增大了10％的纵梁平均失效力水平(F4)。
4.根据权利要求2所述的车身，其特征在于，所述变形元件平均失效力水平(F2；F2’)小于增大了10％的纵梁平均失效力水平(F4)。
5.根据权利要求1至4之一所述的车身，其特征在于，所述变形元件构造成，使得所述变形元件塑性地和/或脆性地失效。
6.根据权利要求1至4之一所述的车身，其特征在于，所述变形元件由纤维塑料复合材料制成。
7.根据权利要求1至4之一所述的车身，其特征在于，所述变形元件布置在保险杠横梁和所述纵梁的前端部之间。
8.根据权利要求1至4之一所述的车身，其特征在于，所述变形元件构成为通过可拆卸的固定装置可更换的。
9.根据权利要求1至4之一所述的车身，其特征在于，所述纵梁是前纵梁或后纵梁。
10.根据权利要求1至4之一所述的车身，其特征在于，所述纵梁由具有碳纤维的纤维塑料复合材料制成。
11.根据权利要求1至4之一所述的车身，其特征在于，所述纤维塑料复合材料构成为具有连续纤维。
12.根据权利要求1至4之一所述的车身，其特征在于，所述变形元件平均失效力水平(F2；F2’)大于与纵梁平均失效力水平(F4)减小了5％相应的力水平。
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