JP2018172116A - 車両のためのハイブリッド・バンパー・ビーム、および、それを製造するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】重量を増加させることなく安全性を増加させるバンパー・ビームを提供すること。【解決手段】車両のためのバンパー・ビームは、車両幅方向に延在するチューブ状の部分を有するバンパー・ビーム本体を備える。バンパー・ビームは金属部（３０２）および複合材料部（３０４ａ，３０４ｂ）を有する。金属部（３０２）および複合材料部（３０４ａ，３０４ｂ）は同軸であり、複合材料部は（３０４ａ，３０４ｂ）金属部（３０２）の内側表面に沿っている。【選択図】図２Ｃ

Description

本開示は、一般に、自動車用途のためのバンパー・ビーム、および、バンパー・ビームを作製する方法に関する。より具体的には、本開示は、車両のためのプラスチック複合材料によって強化された金属ハイブリッド・バンパー・ビームに関する。

車両のためのバンパー・アセンブリは、車両ボディーのフロント・エンドおよびリア・エンドのそれぞれに装着されて、衝突の場合の衝撃を吸収し、したがって、事故の間にドライバーおよび乗客を保護し、車両ボディーの変形を防止する。バンパー・アセンブリは、一般的に、バンパー・カバー、エネルギー・アブソーバ、およびバンパー・ビームを含む。

特許文献１において説明されているバンパー・ビームでは、バンパー・ビームのキャビティーは、高密度の構造フォームによって充填されている。したがって、バンパー・ビームの重量は、強度の著しい増加なしに、著しく増加させられる。それに加えて、強化部材は、金属部材に直接付着せず、スライドしやすい。したがって、強化部材は、利益をまったく提供しないか、または、わずかな利益しか提供しないが、コストを追加する。

特許文献２に説明されているバンパー・ビームでは、外側金属部は、何らかの接合メカニズムを必要とする、２パーツの部分である。クラッシュの発生のときに、接合メカニズムは、故障が生じやすい。それに加えて、内側の成形された複合材料パーツは、クラッシュの発生のときに効果的に荷重を伝達することができるよう、金属パーツとの別個の接合部を必要とし、これは、より多くの処理工程および製造方法における複雑さを導入する。

特開２０１４−２１８１７９号公報 米国特許出願公開第２０１６／０１４４８１２号明細書

したがって、必要とされるものは、本発明者らによって認識されるように、重量を増加させることなく安全性を増加させるバンパー・ビームである。
先述の「背景技術」の説明は、本開示の文脈を全体的に提示する目的のためのものである。この背景技術の章に説明されている範囲内での発明者の作業、および他の箇所では出願時における先行技術と認められない本説明の態様は、本発明に対する先行技術として明示的にも黙示的にも自認されていない。

本開示の一実施形態によれば、車両のためのバンパー・ビームが提供される。バンパー・ビームは車両幅方向に延在するチューブ状の部分を有するバンパー・ビーム本体を備え、バンパー・ビームは金属部および複合材料部を有し、金属部および複合材料部は同軸であり、複合材料部は金属部の内側表面に沿っている。

本開示の一実施形態によれば、車両のためのバンパー・ビームを製造するための方法が提供される。本方法は、バンパー・ビームの金属部に対応する所定の形状の金属プロファイルを製造する工程と、樹脂が含浸された繊維の中空のプリフォームを、膨張可能なマンドレルの周りに巻き付ける工程と、巻き付けられた膨張可能なマンドレルを金属プロファイルの中へ挿入する工程と、樹脂が金属プロファイルに結合するように、巻き付けられた膨張可能なマンドレルおよび金属プロファイルを加熱する工程と、中空のプリフォームが金属プロファイルの内側に押し付けられるように、膨張可能なマンドレルを膨張させる工程と、を含む。

先述の段落は、全体的な導入として提供されており、以下の特許請求の範囲を限定することを意図していない。説明されている実施形態は、添付の図面とともに以下の詳細な説明を参照することによって、さらなる利点とともに、最良に理解されることとなる。

本開示のより完全な理解、および、その付随する利点の多くが、容易に得られることとなる。その理由は、これらが、添付の図面と関連して考慮されるときに、以下の詳細な説明を参照することによって、より良好に理解されるからである。

車両のための典型的なバンパー・アセンブリの構成を示す斜視図。 バンパー・ビームの断面図。 バンパー・ビームの断面図。 バンパー・ビームの断面図。 １つの例による閉じた中空のプリフォームを示す概略図。 １つの例による製造工程プロセスを示す概略図。 例示的な試験結果を示す概略図。 強化された角部を備えたバンパー・ビームの断面を示す図。

ここで図面を参照すると、同様の参照符号は、いくつかの図を通して、同一のパーツまたは対応するパーツを指しており、以下の説明は、車両のためのバンパー・ビーム、および、バンパー・ビームを製造する方法に関する。

「左」、「右」、「前方」、「後方」、「側方」、「高さ」、「長さ」、「幅」、「上側」、「下側」、「内側」、および「外側」などのような本明細書で使用され得る用語は、単に、基準点を説明しており、必ずしも、本開示の実施形態を任意の特定の向きまたは構成に限定しているわけではないということが理解されるべきである。そのうえ、「第１の」、「第２の」、「第３の」などのような用語は、単に、本明細書で開示されているような複数の部分、コンポーネント、工程、動作、機能、および／または基準点のうちの１つを特定しており、同様に、必ずしも、本開示の実施形態を任意の特定の構成または向きに限定しているわけではない。

そのうえ、「おおよそ」、「近似の」、「小さな（ｍｉｎｏｒ）」という用語、および、同様の用語は、一般的に、特定の実施形態では、２０％、１０％、または、好ましくは５％のマージンの中の特定された値、および、それらの間の任意の値を含む範囲を表している。

「車両」または「車両の」という用語、または、本明細書で使用されているような他の同様の用語は、一般的に、自動車を含み、たとえば、スポーツ・ユーティリティ・ビークル（ＳＵＶ）、バス、トラック、さまざまな商用車両、さまざまなボートおよび船を含むウォータークラフト、および航空機などを含む、乗用車を含み、また、ハイブリッド車両、電気車両、プラグ・イン・ハイブリッド電気車両、水素燃料車両、および、他の代替的な燃料車両、ならびに、無人自動車を含む。

図１は、車両のための典型的なバンパー・アセンブリの構成を示す斜視図である。車両バンパー・アセンブリは、車両ボディーのフロント・エンドまたはリア・エンドの底部エリア全体をカバーまたは囲むためのバンパー・カバー１０と、バンパー・カバー１０に伝えられる振動および衝撃エネルギーを吸収するためのエネルギー・アブソーバ２０と、衝撃のときの損傷から車両ボディーを保護するためにエネルギー・アブソーバ２０の後方に位置付けされているバンパー・ビーム（または、バック・ビーム）３０と、バンパー・ビーム３０を車両ボディーに固定して支持するためのステイ４０とを含むことが可能である。バンパー・ビーム３０は、車両のフロント・エンド部分または車両のリア・エンド部分に装着されているバンパー・アセンブリで使用され得る。

１つの実施形態では、バンパー・アセンブリは、たとえば、コンパクトな車両では、バンパー・カバー１０、バンパー・ビーム３０、およびステイ４０だけから構成され得る。バンパー・ビーム３０が、衝撃エネルギーを効率的に吸収するように構成されている。

図２Ａ〜図２Ｃは、バンパー・ビームの断面図を示している。バンパー・ビーム３０は、図２Ａ〜図２Ｃに示されているような断面形状を有する閉じた金属部を含むことが可能である。典型的なバンパー・ビームは、図２Ａに示されているような最大６．２ｍｍの厚さの押し出しされたアルミニウムの部分である。より新しくより厳格な試験要件の導入は、バンパーの厚さを増加させることを強要し、それによって、バンパー・ビーム３０の重量、ひいては、バンパー・アセンブリの重量を増加させることを強要する可能性がある。本明細書で説明されているバンパー・ビーム３０は、金属および繊維強化複合材料のハイブリッドであり、より薄い金属の断面を有する。たとえば、金属部は、その厚さを図２Ｂに示されているように３．５ｍｍまで下げることが可能である。複合材料はアルミニウムよりも軽いので、複合材料によって強化することは、低減された重量において要求性能を提供する。アルミニウムおよび複合材料のハイブリッド・アセンブリが、図２Ｃに示されている。

バンパー・ビーム３０は、金属部３０２および１つ以上の複合材料部３０４を含み、１つ以上の複合材料部３０４は、本明細書で複合材料部３０４（たとえば、図２Ｃに示されているような３０４ａおよび３０４ｂ）と称される。金属部３０２は、車両幅方向に延在するチューブ状の形状（すなわち、中空の形状）に形成されている。金属部３０２および複合材料部３０４は、複合材料部３０４が金属部３０２の内側にある状態で同軸になっている。さらに、金属部３０２は、たとえば、図２Ａ〜図２Ｃにおいて３１２ａおよび３１２ｂによって示されているように、１つ以上の中空のキャビティーを含むことが可能である。

複合材料部３０４は、金属部３０２の内側に設置され、水および湿分への露出に起因するガルバニック腐食を防止する。それに加えて、金属部３０２の内側に複合材料部３０４を設置することは、衝突またはクラッシュの場合に、粉々になった複合材料部から破片が散乱することを防止する。

金属部３０２は、金属、たとえば、アルミニウムから作製されている。複合材料部３０４のための材料は、繊維強化複合材料であることが可能である。複合材料部３０４は、樹脂が含浸された、連続的な炭素、ガラス、アラミド、または、それらの繊維の組み合わせから構成され得ており、樹脂は、ナイロン６（ＰＡ６）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、ポリブチレン・テレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）、熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）などのような、任意の熱可塑性材料、または、エポキシ、ウレタン、およびアクリルなどのような、熱硬化性樹脂である。

金属部３０２の断面の輪郭は、図２Ｃに示されているように、金属部３０２の長手方向（すなわち、車両幅方向）に対して垂直の方向に沿って見たときに、実質的に長方形形状を有する。また、車両の設計および安全要件に基づいて、他の形状も実装され得る。

金属部３０２のアルミニウム・グレード／厚さは、可変とすることができる。複合材料部３０４（たとえば、３０４ａ、３０４ｂ）の厚さ、形状、および、車両幅方向の長さは、可変とされてもよい。複合材料部３０４は、部分的にまたは完全に、金属部３０２を強化することが可能である。

次に、バンパー・ビーム３０を製造する手順が説明される。
金属プロファイル（たとえば、アルミニウム・プロファイル）は、押し出し加工によって製造され得る。アルミニウム・プロファイルの断面図が、図２Ｂに示されている。複合材料部３０４は、ウィービング、ブレイディング（ｂｒａｉｄｉｎｇ）によって、または、自動繊維配置（ＡＦＴ）、３Ｄ印刷、もしくは、図３に示されているような樹脂が含浸されたファイバー・トウの引き抜き成形によって、チューブ状、ハット形、またはｃ字形状の可撓性の中空のプリフォーム３０６として作製されている。また、複合材料部３０４のためのプリフォーミング材料は、プリプレグ、混ぜ合わされた繊維、一方向（ＵＤ）テープ、オルガノ・シート、ファブリック、および、樹脂が含浸された連続的な繊維材料の任意の他の形態を含むことが可能である。

複合材料プリフォーム３０６は、特定の向きに置かれたいくつかのプライを使用して膨張可能なマンドレル３０８の周りに巻き付けられ、要求される複合材料の厚さを生成させることが可能である。複合材料プリプレグを巻き付けられたマンドレル３０８は、アルミニウム・プロファイルの中へ挿入される。次いで、アセンブリ全体は、誘導方法、伝導方法、または対流方法によって、樹脂が完全に繊維に含浸し金属に結合するようなポイントまで加熱される。同時に、マンドレル３０８は、図４に示されているように、室温で、または、加熱されたガス（たとえば、ガス入口部ポート３１０を介して）、加熱された油、もしくは加熱された水を使用して、膨張させられ、複合材料プリフォーム３０６の外側表面３１６を金属部３０２の内側表面３１４に押し付け、金属部３０２の形状に一致させることが可能である。

金属部３０２が複数のキャビティー（たとえば、３１２ａ、３１２ｂ）を含むときには、本明細書で説明されている方法が、キャビティーのそれぞれに関連付けられた追加的なプリフォームを用いて繰り返され得る。したがって、複合材料部３０４は、非連続的であることが可能である。

複合材料部３０４の厚さは、局所的に変化させられ得る。材料の追加的な層が、バンパー・ビーム３０の１つまたは複数の部分において可変の厚さを生成させるために使用され、１つまたは複数の部分の強度を増加させることが可能である。たとえば、バンパー・ビーム３０の中央部分は、センター・ポール・クラッシュ要件のために、より多くの繊維強化（すなわち、バンパー・ビームの端部部分と比較して、より多くのプライが、バンパー・ビームの中央部分に置かれている）によって、より厚くおよびより強くされ得る。また、同様に、内側の角部は、図６に示されているように、より多くの繊維を角部に使用して強化され得る。

金属部３０２の形状は、クラッシュ要件に基づいて、不規則にまたは波形になっていることが可能である。本明細書で説明されている方法を使用して、複合材料部３０４は、金属部３０２の形状にかかわらず、金属部３０２に一致する。したがって、金属部３０２は、金属部３０２の内側表面３１４に複合材料強化を同時に成形および結合するための型として使用され、ハイブリッド・アセンブリを生成させる。それに加えて、方法は、最小表面準備によって金属部３０２の内側に複合材料部３０４を成形および結合する１工程の方法を可能にする。

上述の方法によって繊維角度を制御することが可能である。衝撃性能は角度に依存するので、適正な角度の繊維を利用することが重要である。たとえば、繊維は、クラッシュ要件に応じて、０度、３０度、４５度、６０度、９０度、または、任意の他の角度で設置され得る。繊維は、ガラス、炭素、アラミド、または、それらの組み合わせであることが可能である。繊維は、熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂を部分的にまたは完全に含浸され得て、または、熱可塑性樹脂と混ぜ合わされ得る。

１つの実施形態では、樹脂は、金属との結合および層間強度を向上させ得る、無水マレイン酸などのような添加剤、または、チョップド・ファイバーなどのような充填剤を含むように修正され得る。

１つの実施形態では、樹脂は、均一で急速な加熱を促進させるために、グラファイトまたは金属粒子などのようなナノ粒子を含むように修正され得る。
本発明者らは、本明細書で説明されているバンパー・ビームの性能をアルミニウム基準と比較するために、試験を実施した。アルミニウム６０６１チューブは、適当なテスト・ピース・サイズに押し出し加工されている。ＰＡ６（ナイロン６）樹脂が含浸されたガラス繊維ロービング（すなわち、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ））が、一方向自動トウ・プレースメント方法（ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｏｗ ｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ）を使用して、閉じたチューブ状の形状を生成させるために使用された。フィルム接着剤が、プリフォームの外側層として使用される。次いで、シリコーン・ゴム・マンドレルに、複合材料チューブが巻き付けられた。シリコーン・ゴム・マンドレルおよび複合材料チューブは、アルミニウム・チューブの中へ挿入される。マンドレルは、窒素ガス供給源に接続され、複合材料部の外径表面を金属パーツの内径表面に完全に接触させるように膨張させられた。使用されたガス圧力は、１．３７９ＭＰａ（２００ｐｓｉ）であった。アセンブリ全体は、樹脂が溶融され、樹脂による完全な含浸に十分な時間が提供されることを確実にするために、２４８．９℃（４８０Ｆ）まで加熱された。チューブは、３点曲げ荷重に関してテストされ、図５の図表５００に示されているように、ピーク荷重において、著しい（最大５８％の）改善を示した。下記の表１は、テスト・サンプルに関する実験結果を示している。

本明細書で説明されているバンパー・ビーム３０は、機械的な特性およびクラッシュ性能を改善させた。追加的に、本明細書で説明されているバンパー・ビーム、および、関連の製造方法は、より重い（アルミニウム）バンパーと同等な性能を有すると同時に重量の減少したバンパー・ビームを自動車メーカが作り出すことを可能にする。複合材料部は、金属部と実質的に完全に接触しており、それは、優れた荷重伝達を提供する。さらに、バンパー・ビームは、車両を作製することに関連する製造コストの低減を可能にする。複合材料の使用は、金属厚さを低減させることによって、バンパーがより軽い重量になることを可能にし、同時に、優れた機械的な特性およびクラッシュ性能を有することを可能にする。それに加えて、製造方法は、低コストであり、大量製造に適切である。成形方法は、非常に低い投資を必要とし、また、方法工程として、既存の金属形成製造方法に適合するのに適切である。さらに、製造方法は、材料の浪費を最小化しながらネット・シェイプを提供する。

明らかに、上記の教示に照らして、多数の修正例および変形例が可能である。したがって、添付の特許請求の範囲の中で、本発明は、本明細書で具体的に説明されているものとは違う方法で実施され得るということが理解されるべきである。

したがって、先述の議論は、単に、本発明の例示的な実施形態を開示および説明している。当業者によって理解されることとなるように、本発明は、本発明の要旨または本質的な性質から逸脱することなく、他の特定の形態で具現化され得る。したがって、本発明の開示は、例示目的であることを意図しており、本発明の範囲および他の請求項の限定を意図していない。また、同軸の複合材料／金属ビームの方法は、ルーフ・ボウ、サブフレーム、電気車両（ＥＶ）バッテリー・エンクロージャ、およびドア衝撃ビームなどのような、他の製品に適用され得る。本明細書の教示の任意の容易に認識可能な変形例を含む、本開示は、部分的に、先述の請求項の専門用語の範囲を定義しており、発明的な主題は公衆に捧げられていないようになっている。

Claims (19)

1. 車両のためのバンパー・ビームであって、
   車両幅方向に延在するチューブ状の部分を有するバンパー・ビーム本体を備え、該バンパー・ビームは金属部および複合材料部を有し、
   該金属部および該複合材料部は同軸であり、該複合材料部は該金属部の内側表面に沿っている、バンパー・ビーム。
2. 前記金属部はアルミニウムから作製されている、請求項１に記載のバンパー・ビーム。
3. 前記複合材料部は繊維強化複合材料から作製されている、請求項１に記載のバンパー・ビーム。
4. 前記繊維強化複合材料は、樹脂が含浸された、連続炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、または、それらの繊維の組み合わせからなる群から選択される、請求項３に記載のバンパー・ビーム。
5. 前記複合材料部は前記車両幅方向において可変の厚さを有する、請求項１に記載のバンパー・ビーム。
6. 前記複合材料部は中央部分および端部部分を含み、該中央部分の厚さは該端部部分の厚さよりも大きい、請求項５に記載のバンパー・ビーム。
7. 前記複合材料部は半径方向において可変の形状および厚さを有する、請求項１に記載のバンパー・ビーム。
8. 前記複合材料部は、複合材料プリフォームの外側表面を前記金属部の前記内側表面に押し付けるように膨張可能なマンドレルを使用して製作される、請求項１に記載のバンパー・ビーム。
9. 前記複合材料プリフォームは、樹脂が含浸された繊維、一方向（ＵＤ）テープ、プリプレグ、オルガノ・シート、または、他の形態の樹脂が含浸された繊維のウィービング、ブレイディング、３次元（３Ｄ）印刷、引き抜き成形、または自動繊維配置によって製作される、請求項８に記載のバンパー・ビーム。
10. 車両のためのバンパー・ビームを製造するための方法であって、
    該バンパー・ビームの金属部に対応する所定の形状の金属プロファイルを製造する工程と、
    樹脂が含浸された繊維の中空のプリフォームを、膨張可能なマンドレルの周りに巻き付ける工程と、
    該巻き付けられた膨張可能なマンドレルを該金属プロファイルの中へ挿入する工程と、
    該樹脂が該金属プロファイルに結合するように、該巻き付けられた膨張可能なマンドレルおよび該金属プロファイルを加熱する工程と、
    該中空のプリフォームが該金属プロファイルの内側表面に押し付けられて、該バンパー・ビームの複合材料部を形成するように、該膨張可能なマンドレルを膨張させる工程と、
    を含む、方法。
11. 前記樹脂が含浸された繊維は、連続炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、または、それらの繊維の組み合わせからなる群から選択される、請求項１０に記載の方法。
12. １つまたは複数のプライを所定の向きに置くことによって、前記樹脂が含浸された繊維の角度を制御する工程
    をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
13. 界面接着特性および熱特性を改善するために、添加剤および充填剤を前記樹脂に追加する工程
    をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
14. 前記中空のプリフォームは車両幅方向に対応する方向において可変の厚さを有する、請求項１０に記載の方法。
15. 前記中空のプリフォームは中央部分および端部部分を含み、該中央部分の厚さは該端部部分の厚さよりも大きい、請求項１４に記載の方法。
16. 前記中空のプリフォームは半径方向において可変の厚さを有する、請求項１０に記載の方法。
17. 前記膨張可能なマンドレルは、室温、加熱されたガス、加熱された水、または、加熱された油を使用して膨張させられる、請求項１０に記載の方法。
18. 前記中空のプリフォームの最も外側の層は接着剤材料を含む、請求項１０に記載の方法。
19. 車両のためのバンパー・アセンブリであって、
    車両幅方向に延在するチューブ状の部分を有するバンパー・ビームを備え、該バンパー・ビームは金属部および複合材料部を有し、
    該金属部および該複合材料部は同軸であり、該複合材料部は該金属部の内側表面に沿っている、バンパー・アセンブリ。