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CN111976839A - 用于车辆的中柱 - Google Patents

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CN111976839A CN201911213277.1A CN201911213277A CN111976839A CN 111976839 A CN111976839 A CN 111976839A CN 201911213277 A CN201911213277 A CN 201911213277A CN 111976839 A CN111976839 A CN 111976839A
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Kia Motors Corp
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Abstract

提供了一种用于车辆的中柱，其包括交替层压的碳纤维增强塑料(CFRP)和玻璃纤维增强塑料(GFRP)，以减轻中柱的重量并维持中柱的强度。中柱包括基层，其由CFRP形成；以及层压层，其中多个CFRP层和多个GFRP层分别交替设置在基层的第一表面和第二表面上。因此，层压在基层的第一表面上的CFRP和GFRP以及层压在基层的第二表面上的CFRP和GFRP相对于中柱的厚度方向彼此对称。

Description

用于车辆的中柱
技术领域
本发明涉及一种用于车辆的中柱，更具体地，涉及一种用于车辆的中柱，该中柱具有交替层压(laminated)的碳纤维增强塑料和玻璃纤维增强塑料，以考虑到车顶强度和承受侧面碰撞的能力而减轻中柱的重量并维持中柱的强度。
背景技术
支柱是车架的一部分，支撑车顶。这些支柱从车辆的前部开始包括前支柱、中柱和后支柱。前立柱、中柱和后立柱也分别称为A支柱、B支柱和C支柱。
中柱是重要的结构元件，其支撑车辆的车顶并吸收侧面碰撞的冲击能量，并防止碰撞中的其他车辆进入乘客舱。此外，中柱是车辆的结构部件，用于附接门铰链并附接安全带。中柱由几个元件组成，其中大多数是增强材料。为了最小化车辆的变形，高抗拉强度钢板被用作增强板。通常，中柱通过对高抗拉强度钢板进行压制成形并通过点焊将增强板附接至压制成形的钢板而制备。
因此，应用厚的高抗拉强度钢板以增加中柱的强度。厚的高强度强度钢板很坚固，致使延展性降低和脆性增加。因此，厚的高抗拉强度钢板会因碰撞期间的冲击而断裂。
近年来，为了减轻车辆的重量以提高其燃料效率，已进行了研究，目标是将纤维增强塑料应用于由高抗拉强度钢板制成的中心立柱，其中纤维增强塑料重量轻并确保中柱的强度。例如，已开发出一种技术，其中中柱的一部分由碳纤维增强塑料(CFRP)而不是由高抗拉强度钢板制成，并且将钢材和CFRP结合在一起。然而，根据该技术难以将钢材和CFRP结合，并且需要附加紧固部件用于机械联接。
另选地，已开发出一种技术，其中中柱的整个部分由CFRP而不是由高抗拉强度钢板制成。然而，当仅用CFRP形成中柱时，制造成本增加。另外，使用导电碳纤维会引起双金属腐蚀发生。
前述内容仅旨在帮助理解本发明的背景，而并非旨在意指本发明落入本领域技术人员已知的相关技术的范围内。
发明内容
本发明提供了一种用于车辆的中柱，该中柱被配置成使得碳纤维增强塑料(CFRP)和玻璃纤维增强塑料(GFRP)交替层压，从而减轻中柱的重量，考虑到车顶强度和承受侧面碰撞的能力而维持中柱的强度，并且最小化材料成本的增加。
为了实现上述目的，用于车辆的中柱可包括：基层，其由碳纤维增强塑料(CFRP)形成；以及层压层(laminate layers)，其中多个CFRP层和多个玻璃纤维增强塑料(GFRP)层以一种方式分别交替设置在基层的第一表面和第二表面上，使得层压在基层的第一表面上的CFRP和GFRP以及层压在基层的第二表面上的CFRP和GFRP相对于中柱的厚度方向彼此对称。第二表面与第一表面相对。
基层可由CFRP形成，其中碳纤维相对于中柱的纵向方向的取向为0°。形成层压层的多个CFRP层可被配置成使得碳纤维相对于中柱的纵向方向的取向为0°或±15°。形成层压层的多个GFRP层可为平纹织物或斜纹织物，其中玻璃纤维相对于中柱的纵向方向以0°和90°编织。
中柱从其底部到顶部相对于中柱的纵向方向可被划分为底部区域、第一过渡区域、第二过渡区域、第三过渡区域和顶部区域。底部区域可设置有1-1区，其中碳纤维的取向为±15°的CFRP以及形成为玻璃纤维以0°和90°编织的平纹织物或斜纹织物的GFRP依次层压在基层的相对表面上。第一过渡区域可设置有1-1区和1-2区，在1-2区中碳纤维的取向为±15°的CFRP、碳纤维的取向为0°的CFRP以及形成为玻璃纤维以0°和90°编织的平纹织物或斜纹织物的GFRP依次层压在1-1区上。
第二过渡区域可设置有1-1区、1-2区和1-3区，在1-3区中碳纤维的取向为0°的CFRP以及形成为玻璃纤维以0°和90°编织的平纹织物或斜纹织物的GFRP依次层压在1-2区上。第三过渡区域中的每个可设置有1-1区、1-2区、1-3区和1-4区，在1-4区中碳纤维的取向为±15°的CFRP、碳纤维的取向为0°的CFRP以及形成为玻璃纤维以0°和90°编织的平纹织物或斜纹织物的GFRP依次层压在1-3区上。
中柱可被配置成使得1-1区、1-2区、1-3区和1-4区全部设置在底部区域、第一过渡区域、第二过渡区域、第三过渡区域和顶部区域上。中柱从其底部到顶部相对于中柱的纵向方向可被划分为底部区域、过渡区域和顶部区域。底部区域可设置有2-1区，其中形成为玻璃纤维以0°和90°编织的平纹织物或斜纹织物的GFRP、碳纤维的取向为0°的CFRP以及形成为玻璃纤维以0°和90°编织的平纹织物或斜纹织物的GFRP依次层压在基层的相对表面上。
过渡区域可设置有2-1区和2-2区，在2-2区中碳纤维的取向为±15°的CFRP层压在2-1区上。顶部区域可设置有2-1区、2-2区和2-3区，在2-3区中碳纤维的取向为±15°的CFRP层压在2-2区上。中柱可被配置成使得2-1区、2-2区和2-3区全部设置在底部区域、过渡区域和顶部区域上。CFRP可为约0.16mm厚，并且GFRP可为约0.5mm厚。
根据本发明的示例性实施例，与CFRP相比便宜的CFRP和GFRP可交替层压以制备用于车辆的中柱，由此有可能期望重量减轻、强度提高和材料成本降低。另外，由于非导电GFRP和CFRP可交替层压，以防止中心立柱受到双金属腐蚀。
附图说明
结合附图，从下面的详细描述中，将更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优点，其中：
图1是示出基于布置有增强纤维的取向的车顶强度的实验结果的图像；
图2是示出基于布置有增强纤维的取向的厚度分布的实验结果的图像；
图3是示出根据本发明的示例性实施例的用于车辆的中柱的视图；
图4是示出根据本发明的示例性实施例的图3的区域A的放大视图；以及
图5至图8是列出每个区域的增强纤维的类型、取向和厚度的表，增强纤维构成根据本发明的各种示例性实施例的中柱。
具体实施方式
应理解，本文所使用的术语“车辆(vehicle)”或“车辆的(vehicular)”或其他类似术语通常包括机动车辆，诸如包括运动型多用途车(SUV)的乘用车、公共汽车、卡车、各种商用车辆、包括各种船只和船舶的水运工具、飞机等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插入式混合动力电动车辆、氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如，来源于除石油之外的资源的燃料)。
本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本公开。如本文所用，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”也旨在包括复数形式。还应理解，当术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”在本说明书中使用时，其指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。如本文所用，术语“和/或(and/or)”包括相关联列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。
除非特别说明或从上下文中显而易见，否则如本文所用，术语“约(about)”应理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均值的2个标准偏差内。“约(about)”可理解为在规定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非上下文另有明确说明，否则本文提供的所有数值均由术语“约(about)”修饰。
在下文中，将参考附图详细描述本发明的实施例。然而，应理解，本说明书并非旨在将本发明限制于那些示例性实施例。相反，本发明旨在不仅覆盖示例性实施例，而且覆盖可包括在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的各种替代、修改、等同物和其他实施例。在所有附图中，相同的附图标记将指代相同或相似的部分。
为了确定能够应用于本发明的布置有碳纤维的取向(下文中称为碳纤维的取向)，在碳纤维的各种取向中，进行基于碳纤维的取向的车顶强度试验，并且得出碳纤维的最佳取向。
图1是示出基于碳纤维的取向的车顶强度的实验结果的图像。如图1所示，模拟程序被用于得出确保车辆的中柱所需的车顶强度的中柱的厚度。将碳纤维的取向设定为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°，并且结果示于图1中。结果，证实可行的厚度分布在0°、15°和30°的碳纤维的取向范围内，并且因此，可在该范围内获得期望的车顶强度水平。还进行与基于碳纤维的取向的厚度分布有关的实验，并且得出碳纤维的最佳取向。
图2是示出与基于碳纤维的取向的厚度分布有关的实验结果的图像。如图2所示，模拟程序被用于基于碳纤维的取向导出厚度分布，用于确保车辆的中柱所需的车顶强度。将碳纤维的取向设定为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°，并且结果示于图2中。结果，证实可行的厚度分布在0°和15°的碳纤维的取向范围内，并且因此，可在该范围内获得期望的车顶强度水平。
当根据图1和图2所示的结果形成中柱时，已证实有利的是，使用取向为0°或±15°的含碳纤维的纤维增强塑料。已证实有利的是，形成取向为0°的含碳纤维的纤维增强塑料为约1.6mm至3.0mm厚，并形成取向为15°的含碳纤维的纤维增强塑料为约1.6mm至约2.4mm厚。
在下文中，除非另有说明，否则指示纤维的取向的角度基于中柱的纵向方向。特别地，纤维的取向是0°是指纤维的取向平行于中柱的纵向方向。将描述其中通过应用从以上得出的碳纤维的取向实施中柱的各种示例性实施例。
图3是示出根据本发明示例性实施例的用于车辆的中柱的视图；并且图4是示出图3的区域A的放大视图。如附图中所示，根据本发明的示例性实施例的用于车辆的中柱可包括：基层，其由碳纤维增强塑料(CFRP)形成；以及层压层，其中多个CFRP层和多个玻璃纤维增强塑料(GFRP)层可分别交替设置在基层的第一表面和第二表面(例如，与第一表面相对的表面)上。因此，层压在基层的第一表面上的CFRP和GFRP以及层压在基层的第二表面上的CFRP和GFRP可相对于中柱的厚度方向彼此对称。
在本发明中，根据以上得出的最佳取向，使用CFRP，其中碳纤维的取向为0°或±15°。特别地，CFRP可形成为片状并层压，其中在示例性实施例中其厚度为约0.16mm。同样，GFRP形成为片状并层压，其中GFRP可为平纹织物或斜纹织物，其中玻璃纤维以0°和90°编织。在这种情况下，可使用厚度约为0.5mm的片状GFRP。由于GFRP的玻璃纤维以0°和90°编织，因此在0°和90°下编织的玻璃纤维层的每一层的厚度约为2.5mm。
特别有利的是，基层由CFRP形成，其中碳纤维的取向为0°。以对称方式设置在基层的第一表面和第二表面上的层压层可通过交替层压碳纤维的取向为0°或±15°的CFRP以及形成为玻璃纤维以0°和90°编织的平纹织物或斜纹织物的GFRP而形成。因此，对于每个层压层，设置碳纤维的取向为0°的奇数层或多层CFRP，并且设置碳纤维的取向为±15°的偶数层CFRP以及形成为玻璃纤维以0°和90°编织的平纹织物或斜纹织物的偶数层GFRP。
上面已参考图1和图2进行了描述，有利的是，形成取向为0°的含碳纤维的纤维增强塑料为约1.6mm至3.0mm厚，并形成取向为15°的含碳纤维的纤维增强塑料为约1.6mm至约2.4mm厚。然而，也有利的是，形成取向为0°的含碳纤维的纤维增强塑料的总厚度为约1.44mm至3.04mm，并且形成取向为15°的含碳纤维的纤维增强塑料的总厚度为约1.6mm至2.56mm。
将描述用于实施根据本发明的用于车辆的中柱的各种示例性实施例。如图3和图4所示，中柱从底部到顶部可相对于纵向方向被划分为底部区域10、过渡区域20和顶部区域30。特别地，过渡区域20从底部到顶部相对于纵向方向可细分为第一过渡区域21、第二过渡区域22和第三过渡区域23。中柱可包括下部铰链孔31、后门的下部铰链安装在下部铰链孔31中。过渡区域20可设置在下铰链孔31下方。
因此，基层可设置在底部区域10、第一过渡区域21、第二过渡区域22、第三过渡区域23和顶部区域30中。然后，对于底部区域10、第一过渡区域21、第二过渡区域22、第三过渡区域23和顶部区域30中的每个，层压到基层的CFRP和GFRP的层压图案变化，因此，可以维持其强度，同时最小化其重量。另外，底部区域10可设置有1-1区，其中碳纤维的取向为±15°的CFRP以及形成为玻璃纤维以0°和90°编织的平纹织物或斜纹织物的GFRP依次层压在基层的相对表面上。
第一过渡区域21可设置有1-1区和1-2区，在1-2区中碳纤维的取向为±15°的CFRP、碳纤维的取向为0°的CFRP以及形成为玻璃纤维以0°和90°编织的平纹织物或斜纹织物的GFRP依次层压在1-1区上。另外，第二过渡区域22可设置有1-1区、1-2区和1-3区，在1-3区中碳纤维的取向为0°的CFRP以及形成为玻璃纤维以0°和90°编织的平纹织物或斜纹织物的GFRP依次层压在1-2区上。
第三过渡区域23和顶部区域30中的每个可设置有1-1区、1-2区、1-3区和1-4区，在1-4区中碳纤维的取向为±15°的CFRP、碳纤维的取向为0°的CFRP以及形成为玻璃纤维以0°和90°编织的平纹织物或斜纹织物的GFRP依次层压在1-3区层压上。特别地，形成设置在底部区域10、第一过渡区域21、第二过渡区域22、第三过渡区域23和顶部区域30中的1-1区的CFRP和GFRP可在区域上延伸。
形成设置在第一过渡区域21、第二过渡区域22、第三过渡区域23和顶部区域30中的1-2区的CFRP和GFRP可在这些区域上延伸。另外，形成设置在第二过渡区域22、第三过渡区域23和顶部区域30中的1-3区的CFRP和GFRP可在这些区域上延伸。因此，如图5所示，中柱的厚度可按照底部区域10、第一过渡区域21、第二过渡区域22、第三过渡区域23和顶部区域30的顺序逐渐增加。
图5是列出根据第一示例性实施例的每个区域的增强纤维的类型、取向和厚度的表，并且示出了实施第一示例性实施例的示例。在图5的表中，表中的GFRP指示形成为玻璃纤维以0°和90°编织的平纹织物或斜纹织物的GFRP，表中的0、15和-15的取向指示碳纤维以各自角度布置的CFRP。在下文中，这些条件也适用于图6至图7。根据本发明，中柱可形成为使得其厚度不按照底部区域10、第一过渡区域21、第二过渡区域22、第三过渡区域23的顺序增加，并且因此，其厚度和图案可在底部区域10、第一过渡区域21、第二过渡区域22、第三过渡区域23和顶部区域30上保持相同。
图6是列出根据第二示例性实施例的每个区域的增强纤维的类型、取向和厚度的表，并且示出了实施第二示例性实施例的示例。根据上述第一实施例和第二实施例的每个中柱可被配置成使得具有非导电特性的GFRP设置在最外侧，以防止在中柱上发生双金属腐蚀。另一方面，在将中柱应用于未暴露于双金属腐蚀的车辆的情况下，CFRP和GFRP的布置与上述示例性实施例不同，以最大化强度。
中柱从底部到顶部相对于纵向方向可被划分为底部区域10、过渡区域20和顶部区域30。特别地，过渡区域20是指包括上述第一过渡区域21、第二过渡区域22和第三过渡区域23的区域。底部区域10可设置有2-1区，其中形成为玻璃纤维以0°和90°编织的平纹织物或斜纹织物的GFRP、碳纤维的取向为0°的CFRP以及形成为玻璃纤维以0°和90°编织的平纹织物或斜纹织物的GFRP依次层压在基层的相对表面上。
过渡区域20可设置有2-1区和2-2区，在2-2区中碳纤维的取向为±15°的CFRP层压在2-1区上。另外，顶部区域30设置有2-1区、2-2区和2-3区，在2-3区中碳纤维的取向为±15°的CFRP层压在2-2区上。形成设置在底部区域10、过渡区域20和顶部区域30中的2-1区的CFRP和GFRP可在这些区域上延伸。形成设置在过渡区域20和顶部区域30中的2-2区的CFRP和GFRP可在这些区域上延伸。
因此，如图7所示，中柱的厚度可按照底部区域10、过渡区域20和顶部区域30的顺序逐渐增加。图7是列出根据第三示例性实施例的每个区域的增强纤维的类型、取向和厚度的表，并且示出了实施第三示例性实施例的示例。根据本发明，中柱可形成为使得其厚度不按照底部区域10、过渡区域20和顶部区域30的顺序增加，并且因此，其厚度和图案可在底部区域10、过渡区域20和顶部区域30上保持相同。
图8是列出根据第四示例性实施例的每个区域的增强纤维的类型、取向和厚度的表，并且示出了实施第四实施例的示例。进行实验以分析由使用现有技术中的高抗拉强度钢板制备的由普通钢材制成的中心立柱以及根据本发明的第一示例性实施例制备的中心立柱的侧撞冲击强度和车顶强度。结果示于表1。
表1
Figure BDA0002298754790000091
如表1所示，证实通过层压根据本发明示例性实施例的复合材料制备的中柱与现有技术中由钢材制成的中柱相比，具有优异的侧撞耐撞性和优异的车顶强度。
尽管已出于说明性目的描述了本发明的各种示例性实施例，但是本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求书中公开的本发明的范围和精神的情况下，各种修改、添加和替换是可能的。

Claims (10)

1.一种车辆的中柱，包括：
由碳纤维增强塑料CFRP形成的基层；以及
层压层，在所述层压层中多个CFRP层和多个玻璃纤维增强塑料GFRP层分别交替设置在所述基层的第一表面和第二表面上，
其中，层压在所述基层的第一表面上的所述CFRP和所述GFRP以及层压在所述基层的第二表面上的所述CFRP和所述GFRP相对于所述中柱的厚度方向彼此对称。
2.根据权利要求1所述的中柱，其中，所述基层由其中碳纤维相对于所述中柱的纵向方向的取向为0°的CFRP形成。
3.根据权利要求1所述的中柱，其中，形成所述层压层的多个CFRP层包括相对于所述中柱的纵向方向取向为0°或±15°的碳纤维。
4.根据权利要求1所述的中柱，其中，形成所述层压层的多个GFRP层是平纹织物或斜纹织物，其中玻璃纤维相对于所述中柱的纵向方向以0°和90°编织。
5.根据权利要求1所述的中柱，其中，所述中柱相对于所述中柱的纵向方向从中柱底部到顶部被划分为底部区域、第一过渡区域、第二过渡区域、第三过渡区域和顶部区域，
其中，所述底部区域设置有1-1区，在所述1-1区中具有取向为±15°的碳纤维的CFRP和形成为具有以0°和90°编织的玻璃纤维的平纹织物或斜纹织物的GFRP依次层压在所述基层的两个相对的表面上，
其中，所述第一过渡区域设置有所述1-1区和1-2区，在所述1-2区中具有取向为±15°的碳纤维的CFRP、具有取向为0°的碳纤维的CFRP和形成为具有以0°和90°编织的玻璃纤维的平纹织物或斜纹织物的GFRP依次层压在所述1-1区上，
其中，所述第二过渡区域设置有所述1-1区、所述1-2区和1-3区，在所述1-3区中具有取向为0°的碳纤维的CFRP和形成为具有以0°和90°编织的玻璃纤维的平纹织物或斜纹织物的GFRP依次层压在所述1-2区上，并且
其中，所述第三过渡区域设置有所述1-1区、所述1-2区、所述1-3区和1-4区，在所述1-4区中具有取向为±15°的碳纤维的CFRP、取向为0°的碳纤维的CFRP和形成为具有以0°和90°编织的玻璃纤维的平纹织物或斜纹织物的GFRP依次层压在所述1-3区层压上。
6.根据权利要求5所述的中柱，其中，所述中柱形成为使得所述1-1区、所述1-2区、所述1-3区和所述1-4区全部设置在所述底部区域、所述第一过渡区域、所述第二过渡区域、所述第三过渡区域和所述顶部区域上。
7.根据权利要求1所述的中柱，其中，所述中柱相对于所述中柱的纵向方向从中柱底部到顶部被划分为底部区域、过渡区域和顶部区域，
其中，所述底部区域具有2-1区，在所述2-1区中形成为具有以0°和90°编织的玻璃纤维的平纹织物或斜纹织物的GFRP、具有取向为0°的碳纤维的CFRP和形成为具有以0°和90°编织的玻璃纤维的平纹织物或斜纹织物的GFRP依次层压在基层的两个相对的表面上，
其中，所述过渡区域设置有所述2-1区和2-2区，在所述2-2区中具有取向为±15°的碳纤维的CFRP层压在所述2-1区上，并且
其中，所述顶部区域设置有所述2-1区、所述2-2区和2-3区，在所述2-3区中具有取向为±15°的碳纤维的CFRP层压在所述2-2区上。
8.根据权利要求7所述的中柱，其中，所述中柱形成为使得所述2-1区、所述2-2区和所述2-3区全部设置在所述底部区域、所述过渡区域和所述顶部区域上。
9.根据权利要求1所述的中柱，其中，所述CFRP为约0.16mm厚，所述GFRP为约0.5mm厚。
10.根据权利要求1所述的中柱，其中，所述第二表面与所述第一表面相对。
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