DE102017207883A1

DE102017207883A1 - Stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Mittelsäulen

Info

Publication number: DE102017207883A1
Application number: DE102017207883.9A
Authority: DE
Inventors: Moon Seop Lee; Jeong Min CHO; Hoon Chang
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2016-10-31
Filing date: 2017-05-10
Publication date: 2018-05-03
Anticipated expiration: 2037-05-11
Also published as: CN108016503B; US20180118279A1; KR101866080B1; CN108016503A; US10272951B2; DE102017207883B4; KR20180049335A

Abstract

Es wird eine stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Mittelsäulen offenbart, mit einem Abschnitt mit hoher Festigkeit, mit einem Abschnitt mit mittlerer Festigkeit und einem Abschnitt mit niedriger Festigkeit, die voneinander unterteilt sind und integral ausgebildet sind. Der Abschnitt mit hoher Festigkeit ist aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFRP) aufgebaut, der durch Imprägnieren einer Karbonfaser mit einem Harz ausgebildet ist, und bei dem oberen Bereich einer Fahrzeugmittelsäule angeordnet ist; der Abschnitt mit niedriger Festigkeit ist aus einem Verbundwerkstoff aufgebaut, der durch Imprägnieren einer Kohlefaser und einer Olefin-basierten Faser mit einem Harz ausgebildet ist, eine niedrigere Festigkeit aufweist als der Abschnitt mit hoher Festigkeit und bei einem unteren Bereich der Fahrzeugmittelsäule angeordnet ist; und der Abschnitt mit mittlerer Festigkeit ist aus einem Verbundwerkstoff aufgebaut, der durch Imprägnieren einer Kohlefaser und einer Olefin-basierten Faser mit einem Harz ausgebildet ist, eine Festigkeit zwischen der Festigkeit des Abschnitts mit hoher Festigkeit und derjenigen des Abschnitts mit niedriger Festigkeit aufweist, und ist bei einem zentralen Bereich der Fahrzeugmittelsäule angeordnet.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Mittelsäulen und insbesondere auf eine stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Mittelsäulen, die einen Stoß dämpft, wenn eine Seitenkollision auftritt.
Beschreibung der verwandten Technik
Im Allgemeinen teilt eine Mittelsäule eines Fahrzeugs einen Vordersitz und einen Rücksitz voneinander und verbindet die oberen und unteren Enden eines Fahrzeugrahmens, was das Schützen von Fahrgästen dient, wenn an der Seitenfläche des Fahrzeugs ein Stoß auftritt.
Wenn ein Seitenkollisionsunfall auftritt, konzentriert sich eine Stoßkraft normalerweise auf das untere Ende der Mittelsäule, und daher kann die Mittelsäule in das Innere des Fahrzeugs gedrückt werden oder brechen, wodurch dem Fahrer eine Verletzung zugefügt wird.
Wenn die Mittelsäule eine niedrige Festigkeit aufweist, ist es schwierig, gegen eine Deformation der Mittelsäule in Richtung des Inneren des Fahrzeugs vorzubeugen, und, wenn das Fahrzeug umgestürzt ist, ist es schwierig, einen Innenraum des Fahrzeugs zu sichern. Andererseits dämpft die Mittelsäule, wenn die Mittelsäule eine hohe Festigkeit aufweist, die Stoßkraft nicht, sondern bricht stattdessen und fügt dem Fahrer leicht Verletzungen zu.
Daher wurden Verfahren zum Variieren der Festigkeiten der oberen und unteren Enden an der Mittelsäule entwickelt. Beispielhafte gängige Verfahren schließen ein: Tailor-Rolled-Blank Verfahren („Tailor Rolled Blank method“; „TRB“) und ein Tailor-Welded-Blank Verfahren („Tailor Welded Blank method“; „TWB method“)ein. Bei dem TRB-Verfahren, wird die Mittelsäule so hergestellt, dass sie oberen und unteren Paneele der Mittelsäule unterschiedliche Dicken aufweisen. Bei dem TWB-Verfahren werden obere und untere Teile an der Mittelsäule mit unterschiedlichen Festigkeiten mit Laser aneinander geschweißt.
Bei diesen Konfigurationen weist der untere Teil der Mittelsäule eine niedrigere Festigkeit als der obere Teil der Mittelsäule auf, und daher kann die Mittelsäule eine Stoßkraft effizient dämpfen bzw. absorbieren, wenn eine Seitenkollision auftritt.
Ein separates konventionelles Verfahren zum Lösen der vorstehenden Probleme liegt im Ersetzen von Stahl als das Material des Fahrzeugrahmens mit kohle- bzw. karbonfaserverstärktem Kunststoff („carbon fiber-reinforced plastic; CRFP“)
Kohlenstoffverstärkter Kunststoff bzw. CFRP weist jedoch eine relativ konstante Festigkeit („strength“) auf, und es ist daher schwierig, die Festigkeiten der oberen und unteren Teile der Mittelsäule zu variieren.
Daher wird eine Verstärkungsstruktur für Mittelsäulen benötigt, die aus CFRP ausgebildet ist, um so einen Fahrzeugrahmen mit leichterem Gewicht und hoher Steifigkeit und der eine Stoßkraft effizient dämpft, wenn eine Seitenkollision auftritt, bereitzustellen.
Die vorstehende Beschreibung wurde zur Förderung des Verständnisses des Hintergrunds der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt und sollte nicht als eine konventionelle Technologie interpretiert werden, die dem Fachmann bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Offenbarung wurde geschaffen, um die vorstehenden erwähnten Probleme zu lösen, und ein Ziel der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Mittelsäulen zu schaffen, die in einem CFRP-basierten Fahrzeugrahmen nützlich ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung können die vorstehenden und anderen Ziele erreicht werden, indem eine stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Mittelsäulen geschaffen wird, mit einem Abschnitt hoher Festigkeit, einem Abschnitt mittlerer Festigkeit und einem Abschnitt niedriger Festigkeit, die voneinander geteilt („divided“) sind und integral bzw. einstückig als ein Körper ausgebildet sind, wobei der Abschnitt hoher Stärke aus CFRP aufgebaut ist, der durch Imprägnieren einer Kohlenstofffaser mit einem Harz ausgebildet ist und bei dem oberen Bereich einer Mittelsäule angeordnet ist; der Abschnitt niedriger Stärke ist aus einem Verbundwerkstoff aufgebaut, der durch Imprägnieren einer Kohlestofffaser und einer Olefin-basierter Faser mit einem Harz hergestellt ist, eine niedrigere Festigkeit aufweist als der Abschnitt mit hoher Festigkeit und bei dem unteren Bereich der Mittelsäule angeordnet ist; und der Abschnitt mittlerer Festigkeit ist auf einem Verbundwerkstoff aufgebaut, der durch Imprägnieren einer Kohlenstofffaser und einer Olefin-basierten Faser mit einem Harz ausgebildet ist, eine Festigkeit aufweist, die zwischen der Festigkeit des Abschnitts hoher Festigkeit und derjenigen des Abschnitts niedriger Festigkeit liegt, und bei dem zentralen Bereich der Mittelsäule angeordnet ist.
Der Abschnitt hoher Festigkeit kann hergestellt werden, indem eine Mehrzahl von CFRP-Schichten gestapelt werden, die durch Imprägnieren einer Kohlestofffaser mit dem Harz ausgebildet werden. Der Abschnitt mit niedriger Festigkeit und der Abschnitt mit mittlerer Festigkeit können jeweils hergestellt werden, indem eine oder mehrere CFRP-Schichten gestapelt werden, die durch Imprägnieren einer Kohlestofffaser mit dem Harz hergestellt werden, und von einer oder mehreren Olefin-basierten Faserschichten, die durch Imprägnieren einer Olefin-basierten Faser mit einem Harz hergestellt werden.
Das Verhältnis der Gesamtdicke der einen oder mehreren Olefin-basierten Faserschichten zu der Gesamtdicke des Abschnitts mit niedriger Festigkeit kann höher sein, als das Verhältnis der Gesamtdicke der einen oder mehreren Olefin-basierten Faserschichten zu der Gesamtdicke des Abschnitts mit mittlerer Festigkeit.
Der Abschnitt mit niedriger Festigkeit kann die eine oder die mehreren CFRP-Schichten aufweisen, deren Gesamtdicke ungefähr 55 bis ungefähr 75% der Gesamtdicke des Abschnitts mit niedriger Festigkeit ausmacht, und die eine oder die mehreren Olefin-basierten Faserschichten, deren Gesamtdicke in einem Bereich von ungefähr 25 bis 45% der Gesamtdicke des Abschnitts mit niedriger Festigkeit liegt. Der Abschnitt mit mittlerer Festigkeit kann die eine oder die mehreren CFRP-Schichten aufweisen, deren Gesamtdicke in einem Bereich von ungefähr 70 bis ungefähr 90% der Gesamtdicke des Abschnitts mit mittlerer Festigkeit liegt, und die eine oder die mehreren Olefin-basierten Faserschichten, deren Gesamtdicke in einem Bereich von ungefähr 10 bis ungefähr 30% der Gesamtdicke des Abschnitts mit mittlerer Festigkeit liegt.
Der Abschnitt mit niedriger Festigkeit kann mehr Olefin-basierte Faserschichten aufweisen als der Abschnitt mit mittlerer Festigkeit.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann der Abschnitt mit niedriger Festigkeit ein Total von 7 Schichten aufweisen, einschließlich von vier bis fünf CFRP-Schichten, die parallel gestapelt sind, und von zwei bis drei Olefin-basierten Faserschichten, die auf die äußeren Flächen der gestapelten ersten Schichten gestapelt sind. Die Olefin-basierten Faserschichten des Abschnitts mit niedriger Festigkeit können zwei zweite Schichten aufweisen, wobei eine Olefin-basierte Faserschicht auf jeder der Flächen der gestapelten CFRP-Schichten angeordnet ist, die der Innenseite und der Außenseite des Fahrzeugs zugewandt sind. Alternativ dazu können zwei Olefin-basierte Faserschichten an der Fläche der gestapelten CFRP-Schichten angeordnet sein, die der Außenseite des Fahrzeugs zugewandt ist, und eine Olefin-basierte Faserschicht kann auf der Fläche der gestapelten CFRP-Schichten angeordnet sein, die der Innenseite des Fahrzeugs zugewandt ist.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann der Abschnitt mit mittlerer Festigkeit sieben Schichten aufweisen, einschließlich von fünf bis sechs CFRP-Schichten, die parallel gestapelt sind, und ein bis zwei Olefin-basierte Faserschichten, die auf den äußeren Flächen der gestapelten CFRP-Schichten gestapelt sind. Die Olefin-basierten Faserschichten des Abschnitts mit mittlerer Festigkeit können eine Olefin-basierte Faserschicht aufweisen, die auf einer Fläche der gestapelten CFRP-Schichten angeordnet ist, die der Innenseite des Fahrzeugs zugewandt ist, oder zwei zweite Schichten, wobei jede von diesen an den Flächen der gestapelten CFRP-Schichten angeordnet ist, die der Innenseite und der Außenseite des Fahrzeugs jeweils zugewandt sind.
Der Abschnitt mit niedriger Festigkeit und der Abschnitt mit mittlerer Festigkeit können hergestellt werden, indem ein Stoff („fabric“) bzw. Material mit einem Harz imprägniert wird, der bzw. das aus Karbonfaser und Olefin-basierter Faser gewebt ist.
Das Verhältnis der Karbonfasern in dem Stoff, der den Abschnitt mit niedriger Festigkeit bildet, kann niedriger sein als das Verhältnis der Karbonfasern in dem Stoff, der den Abschnitt mit mittlerer Festigkeit bildet.
Das Verhältnis der Menge von Karbonfasern zu der Menge des Stoffs, der den Abschnitt mit niedriger Festigkeit bildet, kann von ungefähr 50 bis ungefähr 60% betragen, das Verhältnis der Menge der Olefin-basierten Fasern zu der Menge des Stoffs, der den Abschnitt mit niedriger Festigkeit bildet, kann von ungefähr 40 bis ungefähr 50% betragen, das Verhältnis der Menge von Karbonfasern zu der Menge des Stoffs, der den Abschnitt mit mittlerer Festigkeit bildet, kann von ungefähr 70 bis ungefähr 80% betragen, und das Verhältnis der Menge von Olefin-basierter Fasern zu der Menge des Stoffs, der den Abschnitt mit mittlerer Festigkeit bildet, kann von ungefähr 20 bis ungefähr 30% betragen.
Die Karbonfaser kann eine Zugfestigkeit von ungefähr 5000 MPa oder mehr aufweisen, eine Bruchdehnung von ungefähr 2% oder weniger, und eine Dichte von ungefähr 1,5 bis ungefähr 2 g/cm³, und die Olefin-basierte Faser kann eine Zugfestigkeit von ungefähr 600 MPa oder mehr aufweisen, eine Bruchdehnung von ungefähr 9% oder mehr, und eine Dichte von ungefähr 1 g/cm³ oder weniger.
Figurenliste
Die vorstehenden und andere Ziele, Eigenschaften und andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitendend Zeichnungen klarer ersichtlich, wobei:

1 eine Ansicht ist, die eine äußere Verstärkung einer Mittelsäule gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
2 eine Querschnittsansicht einer Mittelsäule gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist;
3 bis 5 Querschnittsansichten einer Mittelsäule gemäß verschiedener beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind, wobei Explosivansichten der Struktur des Abschnitts mit hoher Festigkeit, des Abschnitts mit mittlerer Festigkeit und des Abschnitts mit niedriger Festigkeit gezeigt sind; und
6(A) und 6(B) Querschnittsansichten sind, die in die Anordnung des Abschnitts mit hoher Festigkeit, des Abschnitts mit mittlerer Festigkeit und des Abschnitts mit niedriger Festigkeit in einer Mittelsäule gemäß verschiedener beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigen.

DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGEN AUSFÜHRUNGSFORM
Nun wird auf spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung detailliert Bezug genommen, Beispiele welcher in den begleitenden Zeichnungen gezeigt sind. Wann immer möglich werden durch die Figuren hin dieselben Bezugszeichen verwendet, um sich auf dieselben oder auf entsprechende Teile zu beziehen.
In der nachfolgenden Beschreibung verwendete technische Begriffe dienen lediglich zum Beschreiben von spezifischen Ausführungsformen und sind nicht zum Beschränken der Offenbarung gedacht. Zudem ist zu verstehen, dass einzelne Ausdrücke, die in der nachfolgenden Beschreibung verwendet werden, die Mehrzahl von Ausdrücken einschließen, wenn nicht anderweitig angegeben. Der Begriff „aufweist“, der in der nachfolgenden Beschreibung verwendet wird, wird interpretiert als, dass er das Vorhandensein von spezifischen Eigenschaften, eines Bereichs, einer Zahl, von Schritten, Betätigungen, einem Element und/oder einer Komponente angibt, aber nicht das Vorhandensein von weiteren Eigenschaften, Bereichen, Zahlen, Schritten, Betätigungen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen ausschließt.
Alle Begriffe, einschließlich von technischen Begriffen und wissenschaftlichen Begriffen, die in der folgenden Beschreibung verwendet werden, können Bedeutungen aufweisen, die allgemein verstanden werden durch den Fachmann, wenn nicht anders angegeben. Zudem sind die Begriffe, die in allgemein verwendeten Wörterbüchern definiert werden, so zu interpretieren, dass sie mit in Bezug stehenden technischen Dokumenten und der Offenbarung der vorliegenden Offenbarung zusammenfallen, und sind nicht so zu interpretieren, dass sie eine ideale oder exzessiv formale Bedeutung aufweisen, wenn nicht anders angegeben.
Hiernach wird eine stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Mittelsäulen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Wie in 1 und 2 gezeigt, weist eine Mittelsäule für Fahrzeuge eine äußere Verstärkung 100, eine innere Verstärkung 10, ein äußeres Panel 20 und eine Zwischenverstärkung 30 auf. Die Querschnittsformen der jeweiligen Elemente können geändert werden, und die Zwischenverstärkung 30 kann weggelassen werden, je nach dem Fahrzeugtyp und der Positionen an dem Fahrzeug.
Eine stoßdämpfende Verstärkungsstruktur gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird bei einer äußeren Verstärkung 100 eingesetzt. Das heißt, eine äußere Verstärkung 100 ist in eine Mehrzahl von Bereichen unterteilt, so dass die jeweiligen Bereiche verschiedene Festigkeiten aufweisen und daher einen Stoß absorbieren, wenn ein Seitenkollisionsunfall auftritt.
Eine äußere Verstärkung 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist typischerweise aus CFRP ausgebildet und weist zusätzlich eine Olefin-basierte Faser auf, um eine Zähigkeit und eine Dehnung zu ergänzen und daher dagegen vorzubeugen, dass die Mittelsäule gebrochen wird.
Zu diesem Zweck kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, wie in 3 gezeigt, eine äußere Verstärkung 100 in drei Abschnitte unterteilt sein: ein Abschnitt niedriger Festigkeit 110, ein Abschnitt mittlerer Festigkeit 120, und ein Abschnitt hoher Festigkeit 130, die in der Aufwärtsrichtung sequenziell angeordnet sind, und die jeweiligen Teile 110, 120 und 130 können verschiedene Querschnittsstrukturen aufweisen, um so verschiedene Festigkeiten aufzuweisen.
In 3 ist die linke Seite der äußeren Verstärkung 100 der Vorderseite des Fahrzeugs zugewandt, und die rechte Seite der äußeren Verstärkung 100 ist der Rückseite des Fahrzeugs zugewandt. In den Explosivquerschnittsansichten des Abschnitts niedriger Festigkeit 110, des Abschnitts mittlerer Festigkeit 120, und des Abschnitts hoher Festigkeit 130, ist die Bodenseite der Außenseite des Fahrzeugs zugewandt, und die Oberseite ist der Innenseite des Fahrzeugs zugewandt.
Wie in 3 gezeigt, ist der Abschnitt hoher Festigkeit 130 ausgebildet, indem eine Mehrzahl von CFRP-Schichten zueinander gestapelt sind, für eine maximale Festigkeit. Der Abschnitt mittlerer Festigkeit 120 und der Abschnitt niedriger Festigkeit 110 sind ausgebildet, indem für einige der Mehrzahl von CFRP-Schichten 200 Olefin-basierte Faserschichten 300 subsituiert werden, die durch Imprägnieren einer Olefin-basierten Faser mit einem Harz ausgebildet werden, um so die Festigkeit zu reduzieren und die Zähigkeit zu erhöhen.
Eine Olefin-basierte Faser weist niedrige(s) Dichte und Elastizitätsmodul und eine hohe Zugfestigkeit und Bruchdehnung auf, im Vergleich zu einer Kohlefaser („carbon fiber“), und daher kann eine Olefin-basierte Faserschicht 300 die niedrige Zähigkeit einer CFRP-Schicht 200 ergänzen.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform weist die Kohlefaser spezifische physikalische Eigenschaften auf, zum Beispiel eine Zugfestigkeit von ungefähr 5000 MPa oder mehr, eine Bruchdehnung von ungefähr 2% oder weniger, und eine Dichte von ungefähr 1,5 bis ungefähr 2 g/cm³, und die Olefin-basierte Faser weist spezifische physikalische Eigenschaften auf, zum Beispiel eine Zugfestigkeit von ungefähr 600 MPa oder mehr, eine Bruchdehnung von ungefähr 9% oder mehr, und eine Dichte von ungefähr 1 g/cm³ oder weniger. Bei einer solchen Ausführungsform weist die Olefin-basierte Faser eine niedrigere Festigkeit und eine höhere Bruchdehnung auf als die Kohlefaser.
Wenn der Prozentsatz von CFRP-Schichten 200 im Verhältnis zu Gesamtschichten in der äußeren Verstärkung 100 zunimmt, nimmt die Festigkeit bzw. Stärke der äußeren Verstärkung 100 zu, und die Zähigkeit nimmt ab. Wenn der Prozentsatz von Olefin-basierten Faserschichten 300 im Verhältnis zu den Gesamtschichten der äußeren Verstärkung 100 zunimmt, nimmt die Festigkeit der äußeren Verstärkung 100 ab und die Zähigkeit nimmt zu.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform können die Festigkeiten des Abschnitts mit hoher Festigkeit 130 des Abschnitts mit mittlerer Festigkeit 120 und des Abschnitts mit niedriger Festigkeit 110 sequenziell verringert werden, indem das Dickenverhältnis der Olefin-basierten Schichten 300 in dem Abschnitt mit niedriger Festigkeit 110 angepasst werden, um niedriger zu sein als das Dickenverhältnis der Olefin-basierten Schichten 300 in dem Abschnitt mit mittlerer Festigkeit 120.
Detaillierter kann die Dicke der CFRP-Schichten 200 in dem Abschnitt mit niedriger Festigkeit 110 in einem Bereich von ungefähr 55 bis ungefähr 75% der Gesamtdicke des Abschnitts mit niedriger Festigkeit liegen, und die Dicke der Olefin-basierten Faserschichten in dem Abschnitt mit niedriger Festigkeit 110 kann in einem Bereich von ungefähr 25 bis ungefähr 45% der Gesamtdicke des Abschnitts mit niedriger Festigkeit 110 liegen. Die Dicke der CFRP-Schichten 200 kann von ungefähr 70 bis ungefähr 90% der Gesamtdicke des Abschnitts mit mittlerer Festigkeit 120 betragen, und die Dicke der Olefin-basierten Faserschichten 300 120 kann von ungefähr 10 bis ungefähr 30% der Gesamtdicke des Abschnitts mit mittlerer Festigkeit 120 betragen.
Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist jeder des Abschnitts mit hoher Festigkeit 130, des Abschnitts mit mittlerer Festigkeit 120 und des Abschnitts mit niedriger Festigkeit 110 sieben Schichten auf. Alle sieben Schichten des Abschnitts mit hoher Festigkeit sind CFRP-Schichten 200. Die Gesamtanzahl von CFRP-Schichten 200 und von Olefin-basierten Faserschichten 300 von jedem des Abschnitts mit mittlerer Festigkeit 120 und des Abschnitts mit niedriger Festigkeit 110 werden eingestellt, indem die Anzahl von Olefin-basierten Faserschichten 300 angepasst wird. Obwohl die jeweiligen Dicken der CFRP-Schichten 200 und der Olefin-basierten Faserschichten 300 und die Gesamtdicke der CFRP-Schichten und der Olefin-basierten Faserschichten 300 nicht speziell eingeschränkt sind, können die Dicken der jeweiligen Schichten 200 und 300 eingeschränkt sein von ungefähr 0,36 bis ungefähr 0,57 mm auf Basis des Herstellungsverfahrens, und die Gesamtdicke der Schichten 200 und 300 kann beschränkt sein von ungefähr 2,5 bis ungefähr 4, 0 mm, um die gewünschten Gewichtsreduktionseffekte zu erzielen und den Fahrzeuginnenraum zu sichern, wenn eine Seitenkollision auftritt.
Ferner kann die Gesamtzahl von CFRP-Schichten 200 und Olefin-basierten Faserschichten 300 verändert werden in Abhängigkeit des Fahrzeugtyps und der Sorten eingesetzter Teile.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann der Abschnitt mit niedriger Festigkeit 110 Olefin-basierte Faserschichten 300 als die äußersten Schichten aufweisen, die der Innenseite und der Außenseite des Fahrzeugs zugewandt sind, und der Abschnitt mit mittlerer Festigkeit 120 kann Olefin-basierte Faserschichten 300 als die äußerste Schicht aufweisen, die dem Äußeren des Fahrzeugs zugewandt ist. Das heißt, CFRP-Schichten dienen als ein Kern zum Verbessern der Festigkeit, und Olefin-basierte Faserschichten 300 dienen zum Umgeben der äußeren Oberflächen von CFRP-Schichten 200 und zum Vorbeugen gegen einen Schaden bzw. einen Bruch der CFRP-Schichten 200. Weil ein Platzieren von Olefin-basierten Faserschichten 300 in Richtung der Außenseiten des Fahrzeugs, das heißt der Richtung, aus welcher die Aufprallkraft einer Seitenkollision ausgeübt wird, effektiver ist beim Dämpfen von Stößen, weist jeder des Abschnitts mit niedriger Festigkeit 110 und des Abschnitts mit mittlerer Festigkeit 120 die Olefin-basierte Faserschicht 300 auf, welche in der Richtung der Außenseite des Fahrzeugs angeordnet ist, und der Abschnitt mit niedriger Festigkeit 110 weist ferner eine Olefin-basierte Faserschicht 300 auf, die in Richtung der Innenseite des Fahrzeugs angeordnet ist, um so die Festigkeit abzusenken und die Zähigkeit zu erhöhen im Vergleich zu dem Abschnitt mit mittlerer Festigkeit 120.
4 zeigt eine Verstärkungsstruktur gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bei der Verstärkungsstruktur gemäß dieser Ausführungsform weist der Abschnitt mit niedriger Festigkeit 110, zum Vergleich mit der Verstärkungsstruktur, die in 3 gezeigt ist, zwei Olefin-basierte Faserschichten 300 auf, die in Richtung der Außenseite des Fahrzeugs angeordnet sind, und der Abschnitt mit mittlerer Festigkeit 120 weist ferner eine Olefin-basierte Faserschicht 300 auf, die in Richtung der Innenseite des Fahrzeugs angeordnet ist, zusätzlich zu einer Olefin-basierten Faserschicht 300, die in Richtung der Außenseite des Fahrzeugs angeordnet ist, was daher dazu geeignet ist, die Zähigkeit weiter zu verbessern.
Wie in 3 und 4 gezeigt, sollte bei beiden Ausführungsformen die Anzahl und/oder die Dicke von Olefin-basierten Faserschichten 300 des Abschnitts mit niedriger Festigkeit 110 größer sein als die Anzahl und/oder Dicke der Olefin-basierten Faserschichten 300 des Abschnitts mit mittlerer Festigkeit 120, so dass der Abschnitt mit niedriger Festigkeit 110 eine niedrigere Festigkeit aufweisen kann als der Abschnitt mit mittlerer Festigkeit 120.
Wie in 5 gezeigt, werden die Festigkeit und die Zähigkeit bei einer Verstärkungsstruktur gemäß einer weiteren Ausführungsform von jedem der Abschnitte mit hoher Festigkeit 130, des Abschnitts mit mittlerer Festigkeit 120 und des Abschnitts mit niedriger Festigkeit 110 variiert, indem das Verhältnis von Karbonfaser 410 und Olefin-basierten Faser 420 in einen Verbundwerkstoff 400, der mit einem Harz imprägniert ist, angepasst bzw. angestellt wird.
Obwohl die partiell vergrößerten Querschnittansichten, die in 5 gezeigt sind, lediglich einen zentralen Abschnitt von jedem des Abschnitts mit hoher Festigkeit 130, des Abschnitts mit mittlerer Festigkeit 120 und des Abschnitts mit niedriger Festigkeit 110 zeigen, wie sie aus einer Karbonfaser 410 und einer Olefin-basierten Faser 420 gewebt ist, ist die Gesamtheit der äußeren Verstärkung 100 im Wesentlichen aus Karbonfaser 410 und Olefin-basierter Faser 420 gewoben („woven“) .
Der Abschnitt mit hoher Festigkeit 130 ist aus einer Hartfaserplatte („fiber board“) ausgebildet, die geformt wird, indem ein Stoff 400, der lediglich aus Karbonfaser 410 gewoben ist, mit einem Harz imprägniert wird, das heißt, CFRP, und der Abschnitt mit mittlerer Festigkeit 120 und der Abschnitt mit niedriger Festigkeit 110 sind aus Hartfaserplatten, ausgebildet, die geformt werden, indem ein Stoff 400, der aus Karbonfaser 410 und Olefin-basierter Faser 420 gewebt ist, mit einem Harz imprägniert wird.
Das Einstellen bzw. Anpassen des Verhältnisses von Karbonfaser 410 in dem Abschnitt mit niedriger Festigkeit 110, um niedriger zu sein als das Verhältnis von Karbonfaser 410 in dem Abschnitt mit mittleren Festigkeit 120 gewährt, dass die Festigkeit des Abschnitts mit niedriger Festigkeit 110 niedriger ist als diejenige des Abschnitts mit mittlerer Festigkeit 120.
Detaillierter weist ein Stoff 400, der den Abschnitt mit niedriger Festigkeit 110 bildet, von ungefähr 50 bis ungefähr 60% Kohlefaser 410 auf und von ungefähr 40 bis ungefähr 50% Olefin-basierte Faser 420, und der Stoff 400, der den Abschnitt mit mittlerer Festigkeit 420 bildet, weist von ungefähr 70 bis ungefähr 80% Karbonfaser 410 auf und von ungefähr 20 bis ungefähr 30% Olefin-basierte Faser 420.
In dem der Abschnitt mit niedriger Festigkeit 110 und der Abschnitt mit mittlerer Festigkeit 120 voneinander unter Verwendung von Stoffen 400 unterteilt werden, die aus Karbonfaser bzw. Kohlefaser 410 und Olefin-basierter Faser 420 gewoben sind, können Abschnitte mit niedriger Festigkeit 110 und Abschnitte mit mittlerer Festigkeit 120 mit komplizierten Formen in einfacher Weise ausgebildet werden.
Zum Beispiel kann der Abschnitt mit niedriger Festigkeit 110 eine spezifische Form aufweisen, um so die Festigkeit partiell zu erhöhen oder zu verringern oder um die Deformationsrichtung zu führen, wenn eine Seitenkollision auftritt.
6(A) und 6(B) zeigen ein Beispiel einer solchen Ausführungsform. Wie in 6(A) gezeigt, können einige Regionen des Abschnitts mit mittlerer Festigkeit 120 in dem Abschnitt mit niedriger Festigkeit 110 hervorstehen und damit mit dem unteren Abschnitt des Fahrzeugs verbunden sein, oder wie in 6(B) gezeigt, können einige Regionen des Abschnitts mit niedriger Festigkeit 110 in den Abschnitt mit mittlerer Festigkeit 120 hervorstehen, und daher mit dem Abschnitt mit hoher Festigkeit 130 verbunden sein.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, weist eine stoßdämpfende bzw. aufprallabsorbierende Verstärkungsstruktur für Mittelsäulen gemäß der vorliegenden Offenbarung die nachstehend beschriebenen Effekte auf.
Erstens kann die stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Mittelsäulen dagegen vorbeugen, dass Fahrgäste aufgrund eines Bruchs einer Mittelsäule verletzt werden.
Zweitens kann die stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Mittelsäulen das Gewicht der Mittelsäule reduzieren und daher die Kraftstoffeffizienz verbessern.
Drittens kann die stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Mittelsäulen bei Verwendung einer nicht kostenintensiven Olefin-basierten Faser eine Kostenreduktion erzielen.
Viertens erlaubt die stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Mittelsäulen, dass ein Teil mit verschiedenen Festigkeiten nach Region als ein integraler Körper hergestellt werden kann unter Verwendung eines einfachen Herstellungsverfahrens, wodurch eine Kostenreduktion und eine verbesserte Verarbeitbarkeit erzielt werden.
Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu illustrativen Zwecken offenbart worden sind, wird der Fachmann verstehen, dass verschiedene Abwandlungen, Zusätze und Substitutionen möglich sind, ohne von dem Bereich der Offenbarung abzuweichen, wie in den begleitenden Ansprüchen offenbart.

Claims

Stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Fahrzeugmittelsäulen, mit einem Abschnitt hoher Festigkeit, einem Abschnitt mittlerer Festigkeit und einem Abschnitt niedriger Festigkeit, die voneinander unterteilt sind und integral als ein Körper ausgebildet sind, wobei: der Abschnitt mit hoher Festigkeit aus kohlefaserverstärktem Kunststoff ausgebildet ist, der durch Imprägnieren von Kohlefaser mit einem Harz ausgebildet ist, und bei einem oberen Bereich einer Fahrzeugmittelsäule angeordnet ist; der Abschnitt mit niedriger Festigkeit aus einem Verbundwerkstoff ausgebildet ist, der durch Imprägnieren von Kohlefaser und Olefin-basierter Faser mit einem Harz ausgebildet ist, eine niedrigere Festigkeit als der Abschnitt mit hoher Festigkeit aufweist und bei einem unteren Bereich der Fahrzeugmittelsäule angeordnet ist; und der Abschnitt mit mittlerer Festigkeit aus einem Verbundwerkstoff ausgebildet ist, der durch Imprägnieren von Kohlefaser und Olefin-basierter Faser mit einem Harz ausgebildet ist, eine Festigkeit zwischen der Festigkeit des Abschnitts mit hoher Festigkeit und derjenigen des Abschnitts mit niedriger Festigkeit aufweist und bei einem zentralen Bereich der Fahrzeugmittelsäule angeordnet ist.
Stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Fahrzeugmittelsäulen nach Anspruch 1, bei der: der Abschnitt mit hoher Festigkeit eine Mehrzahl von karbonfaserverstärkten Kunststoffschichten aufweist, die durch Imprägnieren von Karbonfasern mit dem Harz ausgebildet sind; und der Abschnitt mit niedriger Festigkeit und der Abschnitt mit mittlerer Festigkeit jeweils eine oder mehrere erste karbonfaserverstärkte Kunststoffschichten aufweisen, die durch Imprägnieren von Karbonfasern mit dem Harz ausgebildet sind, und eine oder mehrere Olefin-basierte Faserschichten, die durch Imprägnieren von Olefin-basierter Faser mit einem Harz ausgebildet sind.
Stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Mittelsäulen nach Anspruch 2, bei der das Verhältnis der Gesamtdicke der einen oder mehreren Olefin-basierten Faserschichten in dem Abschnitt mit niedriger Festigkeit zu der Gesamtdicke des Abschnitts mit niedriger Festigkeit höher ist als das Verhältnis der Gesamtdicke der einen oder mehreren Olefin-basierten Faserschichten in dem Abschnitt mit mittlerer Festigkeit zu einer Gesamtdicke des Abschnitts mit mittlerer Festigkeit.
Stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Fahrzeugmittelsäulen nach Anspruch 3, bei der: der Abschnitt mit niedriger Festigkeit eine oder mehrere kohlefaserverstärkte Kunststoffschichten aufweist, mit einer Gesamtdicke von ungefähr 55 bis ungefähr 75% der Gesamtdicke des Abschnitts mit niedriger Festigkeit, und eine oder mehrere Olefin-basierte Faserschichten mit einer Gesamtdicke von ungefähr 25 bis ungefähr 45% der Gesamtdicke des Abschnitts mit niedriger Festigkeit; und der Abschnitt mit mittlerer Festigkeit eine oder mehrere kohlefaserverstärkte Kunststoffschichten mit einer Gesamtdicke von ungefähr 70 bis ungefähr 90% der Gesamtdicke des Abschnitts mit mittlerer Festigkeit und eine oder mehrere Olefin-basierte Faserschichten mit einer Gesamtdicke von ungefähr 10 bis ungefähr 30% der Gesamtdicke des Abschnitts mit mittlerer Festigkeit aufweist.
Stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Fahrzeugmittelsäulen nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Anzahl von Olefin-basierten Faserschichten des Abschnitts mit niedriger Festigkeit größer ist als die Anzahl von Olefin-basierten Faserschichten des Abschnitts mit mittlerer Festigkeit.
Stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Mittelsäulen nach Anspruch 5, bei der: der Abschnitt mit niedriger Festigkeit sieben Schichten aufweist, einschließlich vier bis fünf kohlefaserverstärkte Kunststoffschichten, die parallel gestapelt sind, und zwei bis drei Olefin-basierte Faserschichten, die auf den äußeren Flächen der gestapelten kohlefaserverstärkten Kunststoffschichten gestapelt sind.
Stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Mittelsäulen nach Anspruch 5 oder 6, bei der: der Abschnitt mit niedriger Festigkeit sieben Schichten aufweist, einschließlich fünf kohlefaserverstärkte Kunststoffschichten, die parallel gestapelt sind, und zwei Olefin-basierte Faserschichten, die auf die äußeren Flächen der gestapelten kohlefaserverstärkten Kunststoffschichten gestapelt sind; wobei eine Olefin-basierte Faserschicht des Abschnitts mit niedriger Festigkeit auf der Fläche der gestapelten kohlefaserverstärkten Kunststoffschichten angeordnet ist, die der Innenseite des Fahrzeugs einwärts zugewandt ist, und auf der Fläche der gestapelten kohlefaserverstärkten Kunststoffschichten, die der Außenseite eines Fahrzeugs zugewandt ist.
Stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Mittelsäulen nach einem der Ansprüche 5 bis 7 bei der: der Abschnitt mit niedriger Festigkeit sieben Schichten aufweist, einschließlich von vier kohlefaserverstärkten Kunststoffschichten, die parallel gestapelt sind, und drei Olefin-basierte Faserschichten, die auf die äußeren Flächen der gestapelten kohlefaserverstärkten Kunststoffschichten gestapelt sind; wobei Olefin-basierte Faserschichten des Abschnitts mit niedriger Festigkeit auf der Fläche der gestapelten kohlefaserverstärkten Kunststoffschichten angeordnet sind, die der Außenseite des Fahrzeugs zugewandt ist, und eine Olefin-Schicht auf der Fläche der gestapelten kohlefaserverstärkten Kunststoffschichten angeordnet ist, die der Innenseite des Fahrzeugs zugewandt ist.
Stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Mittelsäulen nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der: der Abschnitt in mittlerer Stärke sieben Schichten aufweist, einschließlich von fünf bis sechs ersten Schichten, die parallel gestapelt sind, und ein bis zwei zweiten Schichten, die auf die äußeren Flächen der gestapelten ersten Schichten gestapelt sind.
Stoßdämpfende Verstärkungsstruktur der Mittelsäule nach Anspruch 9, bei der: der Abschnitt mit mittlerer Festigkeit sieben Schichten aufweist, einschließlich von sechs kohlefaserverstärkten Kunststoffschichten, die parallel gestapelt sind, und einer Olefin-basierter Faserschicht, die auf der Fläche der kohlefaserverstärkten Kunststoffschichten angeordnet ist, die der Innenseite des Fahrzeugs zugewandt ist.
Stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Mittelsäulen nach Anspruch 9 oder 10, bei der: der Abschnitt mit mittlerer Festigkeit sieben Schichten aufweist, einschließlich fünf kohlefaserverstärkte Kunststoffschichten, die parallel gestapelt sind, und zwei Olefin-basierten Faserschichten, wobei eine Olefin-basierte Faserschicht auf der Fläche der gestapelten kohlefaserverstärkten Kunststoffschichten angeordnet ist, die der Innenseite eines Fahrzeugs zugewandt ist, und eine Olefin-basierte Faserschicht auf der Fläche der gestapelten kohlefaserverstärkten Kunststoffschichten angeordnet ist, die der Außenseite des Fahrzeugs zugewandt ist.
Stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Mittelsäulen nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher der Abschnitt mit niedriger Festigkeit und der Abschnitt mit mittlerer Festigkeit ausgebildet sind, indem ein Stoff mit einem Harz imprägniert ist, der aus Karbonfaser und Olefin-basierter Faser gewoben ist.
Stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Mittelsäulen nach Anspruch 12, bei der das Verhältnis der Karbonfaser zu der Gesamtfaser in dem Stoff, der den Abschnitt mit niedriger Festigkeit ausbildet, niedriger ist als das Verhältnis der Karbonfaser zu der Gesamtfaser in dem Stoff, der den Abschnitt mit mittlerer Festigkeit ausbildet.
Stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Mittelsäulen nach Anspruch 12 oder 13, bei der: das Verhältnis der Karbonfaser zu der Gesamtfaser in dem Stoff, der den Abschnitt mit niedriger Festigkeit ausbildet, von ungefähr 50 bis ungefähr 60% beträgt, und das Verhältnis der Olefin-basierten Faser zu der Gesamtfaser in dem Stoff, der den Abschnitt mit niedriger Festigkeit bildet, von ungefähr 40 bis ungefähr 50% beträgt; und das Verhältnis der Karbonfaser zu der Gesamtfaser in dem Stoff, der den Abschnitt mit mittlerer Festigkeit ausbildet, von ungefähr 70 bis ungefähr 80% beträgt, und das Verhältnis der Olefin-basierten Faser zu der Gesamtfaser in dem Stoff, der den Abschnitt mit mittlerer Festigkeit ausbildet, von ungefähr 20 bis ungefähr 30% beträgt.
Stoßdämpfende Verstärkungsstruktur für Mittelsäulen nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der: die Kohlefaser eine Zugfestigkeit von ungefähr 5000 MPa oder mehr, eine Bruchdehnung von ungefähr 2% oder weniger, und eine Dichte von ungefähr 1,5 bis ungefähr 2 g/cm³ aufweist; und die Olefin-basierte Faser eine Zugfestigkeit von ungefähr 600 MPa oder mehr, eine Bruchdehnung von ungefähr 9% oder mehr, und eine Dichte von ungefähr 1 g/cm³ oder weniger aufweist.