JP2015523269A

JP2015523269A - 自動車用ハイブリッド構造におけるビーム要素及びエネルギ吸収要素

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Publication number: JP2015523269A
Application number: JP2015517623A
Authority: JP
Inventors: アイパー，コンラート; ジンゲル，オーツァン
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2013-02-23
Publication date: 2015-08-13
Anticipated expiration: 2033-02-23
Also published as: JP5970130B2; DE102012012745A1; WO2014000831A1; US20150367889A1; EP2867096A1; CN104395179A

Abstract

本発明は、プラスチック要素（１４）と連結された少なくとも１つの金属要素（１２）を有する自動車用ハイブリッド構造のビーム要素であって、金属要素（１２’）及びプラスチック要素（１４）がビーム要素の主要な表面領域（１６、１８、２０）内で互いに接触して形成され、前記ビーム要素の少なくとも１つの表面領域（２２、２４）内で空洞（２６、２８）の形成によって互いに離間されるビーム要素に関する。本発明は更に、プラスチック要素（１４、１４’）と連結された少なくとも１つの金属要素（６８、６８’）を有する自動車用ハイブリッド構造のエネルギ吸収要素（６６）であって、金属要素（６８、６８’）とプラスチック要素（１４、１４’）とが、エネルギ吸収要素（６６）の表面領域（１６、１８、２０、４６、４８、５０、５２、５３）内で互いに接触して形成され、エネルギ吸収要素（６６）の少なくとも１つの表面領域（２２、２４、５６、５９）内で空洞（２６、２８、５８、６０）の形成によって互いに離間されるエネルギ吸収要素に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１に記載の自動車用ハイブリッド構造におけるビーム要素に関する。本発明は、更に、請求項９に記載の自動車用ハイブリッド構造におけるエネルギ吸収要素に関する。

金属要素とプラスチック要素とから成る量産乗用車の部品のハイブリッド構造は、多くの実施形態から公知である。それによって何よりも、それぞれの部品の軽量化、ひいては燃費の節減が達成される。更に、それぞれの自動車の構造用のビーム要素に関して、金属要素とプラスチック要素の両方の材料の長所を活用することができる。

ハイブリッド構造のビーム要素は、例えば特許文献１から既に公知である。金属板から成る外部ビーム要素の内側は、複数のリブを含むプラスチック製補強構造によって補強される。同様の構成が特許文献２に示されている。

更に特許文献３から、基体と、基体の空洞に配置されたプラスチック製フィルムチャネルで形成された内側のプラスチック製ライニングとを備えるビームが公知である。基体との重複領域には、基体の表面領域全体にわたってプラスチック製ライニングが施されている。

更に、このようなハイブリッド構造の自動車では事故時の力を軽減するためにエネルギ吸収要素を形成することが公知である。その例として、筒状の金属要素内にこれも筒状のプラスチック要素が配置される特許文献４が挙げられる。反対側の重複領域では、筒状プラスチック要素の外周が筒状金属要素の内周全体と接触している。

独国特許出願公開第１０２００９０４２２７２Ａ１号明細書独国実用新案第２０２０１０００２０９９Ｕ１号明細書独国特許出願公開第１０２００４０４９３９６Ａ１号明細書独国特許発明第１９７１７４７３Ｂ４号明細書

本発明の課題は、重量及びスペースに関して好適に形成され、かつ事故時の衝撃が加わると有利な変形特性を有する冒頭に記載の種類のビーム要素、又はエネルギ吸収要素を製造することにある。

上記の課題は、請求項１の特徴を有するビーム要素、及び請求項９の特徴を有するエネルギ吸収要素によって解決される。本発明の適宜かつ重要な発展形態を有する有利な実施形態はその他の請求項に記載されている。

一方では特に重量及びスペースに関して好適に形成され、他方では、事故時に力の衝撃が加わると特に有利な変形特性を有する冒頭に記載のビーム要素を製造するため、本発明により、ビーム要素の表面領域の大部分が金属要素とプラスチック要素とが互いに接触するように形成され、ビーム要素の表面領域の少なくとも一部が空洞の形成により互いに離間するように構成される。

特に成形金属板である金属要素は、広範囲にわたってこれに接触するプラスチック要素によってスペース及び重量に関して好適に補強される。それによって、プラスチック要素により補強された、例えば高強度鋼、又はバネ鋼として形成された肉薄鋼板を金属要素として使用することが可能である。プラスチック要素は好適には、特に層の厚さが少なくとも実質的に均一なプラスチック層及び／又はプラスチック箔として形成される。金属要素を使用することによって、ビーム要素は事故時における高いエネルギ吸収力、及び延性挙動を有する。

プラスチック要素と金属要素が中空断面状に互いに離間される表面領域ではある種の箱形輪郭が製造され、それによってプラスチック要素と金属要素との連結部は特に高い構造強度を有する。それによって、ビーム要素は事故時の力を極めて良好にその他の構造部品に伝達し、又は対応する負荷分散を行う。

本発明の更なる実施形態では、金属要素を肉薄の金属板として、特に肉薄の鋼板として形成すると極めて軽量を実現するために有利であることが実証されている。それによって、良好に塗装可能なビーム要素の外面を構成することもできる。

更なる有利な実施形態では、プラスチック要素は繊維強化プラスチックから形成される。このようなプラスチックによって、極めて軽量で、特に強固な高剛性プラスチック要素が製造される。

更なる実施形態では、プラスチック要素の繊維強化材が、金属要素に接触する表面領域、及び少なくとも空洞を形成するビーム要素の表面領域と適合される。このような適合性によって特に、繊維強化材の繊維層の例えば方向及び数を事故時の力の衝撃で生じる負荷に適応できる。したがって、例えば空洞が形成された表面領域内に、金属要素とプラスチック要素とが互いに接触する主要な表面領域よりも強固な繊維強化材を備えることが考えられる。例えば、空洞の表面領域にビーム要素の主要な表面領域よりも多くの繊維を備えることも可能である。

ビーム要素は特に有利に、自動車の縦ビーム要素として、又は横ビーム要素として、特に可撓性横ビームとして使用することができる。まさにこのような縦ビーム要素及び／又は横ビーム要素が、乗員室、ひいては乗員を保護するために事故時の負荷を吸収し、及び／又は逸らす役割を果たす。その際、金属要素とプラスチック要素の両方の材料の利点が効果をもたらし、金属要素によりビーム要素の有利な延性が、またプラスチック要素により高い剛性が保証される。更に、金属要素を極めて肉薄に形成することができ、プラスチック要素によって十分な補強又は強化が保証される。

ビーム要素の特に高い強度及び剛性が得られるように、更なる実施形態では、空洞の少なくとも一部がプラスチックで充填される。それによって、ビーム要素の変形特性を必要に応じて調整することもできる。空洞の少なくとも一部を充填するためのプラスチックは、好適には発泡要素である。言い換えると、空洞は重量に関して好適に少なくとも一部が発泡プラスチックで充填される。

ビーム要素は更に、プラスチック要素がビーム要素の少なくともほぼ全体に延び、それによって金属要素が特に広範囲に補強されることを特徴としている。

更なる実施形態では、少なくともケーブル、チャネル、又はそれに類する配線が空洞内に敷設される。それによって特に高い集積度が生じ、空洞は一方では補強用に、また他方では例えばセンサ用の適宜な配線を隠して収容するために利用される。

特に重量及びスペースに関して好適に形成され、特に有利な事故挙動を有する自動車用エネルギ吸収要素を製造するため、請求項９に記載のように、エネルギ吸収要素の表面領域において、金属要素とプラスチック要素とが互いに接触して形成され、エネルギ吸収要素の少なくとも表面領域において空洞を形成するように互いに離間される。

本発明の支持部材との関連で記載した構成及び利点は、本発明のエネルギ吸収要素にも当てはまる。

本発明の更なる利点、特徴及び詳細は好適な実施形態の以下の説明、及び図面によって明らかにされる。

乗用車用可撓性横ビームの形態のハイブリッド構造のビーム要素の概略横断面図である。乗用車用の縦ビーム要素の形態のハイブリッド構造のビーム要素の概略横断面図である。乗用車用の横ビーム要素の形態のハイブリッド構造のビーム要素の概略横断面図である。乗用車用ハイブリッド構造のエネルギ吸収要素の概略横断面図である。

図１には、乗用車用の可撓性横ビーム１０の形態のビーム要素の概略横断面図が示されている。可撓性横ビーム１０はハイブリッド構造で構成され、金属材料から形成された金属要素１２、及びこれと連結されたプラスチック要素１４を含んでいる。可撓性横ビーム１０は、例えば乗用車のバンパに連結され、組立てた状態では少なくとも実質的に車両の横方向に延在している。可撓性横ビーム１０は特に、例えば正面衝突による事故時の力の衝撃の際に負荷を吸収し、例えば乗用車の縦ビーム要素などの後部に配置された構造部品を車両の縦方向に逸らせ、又は分散する役割を果たす。

金属要素１２は車両の縦方向外側に配置され、特に鋼又はバネ鋼製の肉薄の金属板によって製造される。代替として、鋼又は鋼合金の代わりに、例えばアルミニウム合金などの別の金属合金も勿論考えられる。この場合、金属要素１２によって、プラスチック要素１４が内部に配置される開放された中空横断面が形成される。層の厚さが少なくとも実質的に均一に保たれるプラスチック層又はプラスチック面として形成されるプラスチック要素１４は、特に肉薄の金属要素１２を補強する役割を果たす。その際、プラスチック要素１４は、金属要素１２の高さ及び幅の少なくともほぼ全体に延在するため、金属要素は別の製造方法とは異なり単に一部ではなく広範囲にわたってプラスチック要素１４と連結され、これによって補強及び強化される。

その際、金属要素１２とプラスチック要素１４とは、可撓性横ビーム１０の主要な表面領域で互いに接触して形成される。この場合、主要な表面領域は部分表面領域１６、１８、２０によって形成される。この部分表面領域１６、１８、２０の少なくとも一部では金属要素１２とプラスチック要素１４との連結も行われる。このような連結は、例えば接着によって、又はプラスチック要素１４を金属要素１２の上に直接載置することによって実現できる。

部分表面領域１６、１８、２０内で金属要素１２は接触するプラスチック要素１４によって補強され、例えば極めて高い耐座屈性を有する。それによって、金属要素１２とプラスチック要素１４との特に強固な連結が生じる。

更なる表面領域２２、２４では、金属要素１２とプラスチック要素１４とはそれぞれの空洞２６、２８の形成によって互いに離間される。車両の高さ方向に関しては、空洞２６は、可撓性横ビーム１０の上隅領域３０に、また空洞２８は下隅領域３２に形成される。隅領域３０、３２の間の車両の高さ方向に配置された中央領域３４では、表面領域１８内のプラスチック要素１４が金属要素１２と接触している。

したがって、プラスチック要素１４は更なる表面領域２６、２８で金属要素１２と離間されることによって、少なくとも実質的に車両の横方向に延び、特に更なる表面領域２２、２４内の可撓性横ビーム１０の極めて高い剛性を保証する周方向に閉じた横断面を有する箱形輪郭又は輪郭要素が形成される。空洞２６と空洞２８とは、車両の縦方向後方で、また車両の高さ方向下方でプラスチック要素１４によって界接されている。車両の縦方向前方、及び車両の高さ方向上方で空洞２６、２８は金属要素１２によって界接されている。この場合、例えば強度又は剛性を調整し、それによって可撓性横ビーム１０の変形挙動を調整するために、空洞２６、２８には少なくとも部分的に発泡材３５、３７が充填される。

空洞２６及び／又は２８には二重の機能があり、すなわち可撓性横ビーム１０を補強又は強化するだけではなく、乗用車の少なくとも１つの構成要素のために収納空間としても利用できる。このような構成要素は例えば図１には図示しない配線である。このような配線は例えば、可撓性横ビーム１０と同様に乗用車の前部領域に配置される距離センサを電源と接続し、及び／又は乗用車の制御機器と接続することによって制御機器と距離センサの信号を交換できるようにするために使用できる。それによってケーブル、チャネル又は同類の配線を省スペースで、また隠して空洞２６、２８内に配置することができる。

図２は、乗用車用ハイブリッド構造の縦ビーム要素３６の形態のビーム要素の更なる実施形態の概略横断面図を示している。縦ビーム要素３６は、縦ビーム要素３６のそれぞれのシェル要素である金属材料から形成されたそれぞれ２つの金属要素１２、１２’を含んでいる。言い換えると、縦ビーム要素３６は、金属要素１２、１２’がそれぞれの連結フランジ３８、４０を介して互いに連結されたシェル構造で形成されている。

金属要素１２、１２’は、それぞれのプラスチック要素１４、１４’が主としてその内部に配置されるそれぞれの開放された中空横断面を有している。その際、可撓性横ビーム１０の金属要素１２について示された図は、そのまま縦ビーム要素３６の金属要素１２、１２’にも当てはまる。同様に、可撓性横ビーム１０のプラスチック要素１４について示された図は、そのまま縦ビーム要素３６のプラスチック要素１４、１４’にも当てはまる。それぞれの金属要素１２、１２’及びそれぞれのプラスチック要素１４、１４’は、縦ビーム要素３６の主要な表面領域で互いに接触して形成されている。この場合、この主要な表面領域は部分表面領域１６、１８、２０、４６、４８、５０、５２、５３、５４及び５７から構成されている。更なる表面領域２２、２４、５６内ではそれぞれの金属要素１２、１２’及びそれぞれのプラスチック要素１４、１４’がそれぞれの空洞２６、２８、５８、６０、６２の形成により互いに離間されている。その際、空洞２８、６０は縦ビーム要素３６のそれぞれの隅領域内に配置され、一方、空洞２６、５８は中央領域内に配置されている。

横ビーム要素１０の場合と同様に、肉薄の金属要素１２、１２’はプラスチック要素１４、１４’で補強され、強化されている。空洞２６、２８、６０によって、縦ビーム要素３６の縦の延伸方向に延びる輪郭部分が形成され、これによって縦ビーム要素３６の特に高い剛性が生じる。取付け位置では、縦ビーム要素３６は少なくとも実質的に車両の縦方向に延在するため、空洞２６、２８、５８、６０によって形成される輪郭部分も車両の縦方向に延在する。この場合、空洞２６、２８、５８、６０もそれぞれのプラスチック３５、３７、３９、４１で充填される。

図３は、この場合、それぞれの連結フランジ３８、４０を介して乗用車の車両フロア７２に連結された乗用車用横ビーム要素７０の形態のビーム要素の更なる実施形態を示している。横ビーム要素７０は例えば座席の横ビームであってよい。横ビーム要素７０もハイブリッド構造で形成され、金属要素１２及びプラスチック要素１４を含んでいる。プラスチック要素１４及び金属要素１２は横ビーム要素７０の主要な表面領域で互いに接触して形成され、この主要な表面領域は部分表面領域１６、１８、２０、４６、４８、５０、５２から構成されている。更なる表面領域２２、２４内では金属要素１２とプラスチック要素１４とがそれぞれの空洞２６、２８の形成により互いに離間されている。それぞれの空洞２６、２８はプラスチック３５、３７、特に発泡材でほぼ完全に充填されている。

その際、プラスチック要素１４、１４’は好適には繊維層内でそれぞれの負荷に適応された、図では見えない繊維強化材を備えている。したがって、例えば離間した表面領域２２、２４、５６、５９内に、プラスチック要素１４又は１４’が金属要素１２又は１２’、又は金属要素６８、６８’とサンドイッチ状に接触する連結部を形成する部分表面領域１６、１８、２０、４６、４８、５０、５２、５３、５４、５７よりも多くの繊維を挿入することが考えられる。

好適には、繊維としてカーボン又は炭素、ガラス又はアラミドが使用される。その際、プラスチック要素１４、１４’のプラスチックは繊維強化材の繊維の少なくとも一部が埋め込まれるマトリクスの役割を果たす。ここでプラスチックとして、デュロプラスト又はデュロマーが使用される。

図４は、記載のハイブリッド構造が使用されるエネルギ吸収要素６６を示している。その際、エネルギ吸収要素６６は、好適にはエネルギ吸収要素６６の主要な表面領域で互いに接触して形成されている２つのそれぞれの金属要素６８、６８’、及びそれぞれのプラスチック要素１４、１４’を含んでいる。その際、この主要な表面領域は部分表面領域１６、１８、２０、４６、４８、５０、５２、５３によって形成されている。それによって、金属要素６８、６８’は金属の厚さが極めて薄く、ひいては軽量に形成され、プラスチック要素１４、１４’によって補強可能である。プラスチック要素１４、１４’を備える金属要素６８、６８’はそれぞれの連結フランジ３８、４０を介して互いに連結されている。

更なる表面領域２２、２４、５６、５９内では、金属要素６８、６８’はこの場合も、それぞれのプラスチックで完全に充填されたそれぞれの空洞２６、２８、５８、６０の形成により互いに離間されている。

エネルギ吸収要素６６は、乗用車の車体内に連接された状態では少なくとも実質的に車両の縦方向に延在し、特に変形して衝突のエネルギを変形エネルギに変換する役割を果たす。その際、例えば可撓性横ビーム１０は、車両の横方向に互いに離間した２つのエネルギ吸収要素６６を介してそれぞれの縦ビーム要素３６に連結される。

Claims

プラスチック要素（１４）と連結された少なくとも１つの金属要素（１２）を有する自動車用ハイブリッド構造のビーム要素であって、
前記金属要素（１２’）及び前記プラスチック要素（１４）がビーム要素の主要な表面領域（１６、１８、２０）内で互いに接触して形成され、前記ビーム要素の少なくとも１つの表面領域（２２、２４）内で空洞（２６、２８）の形成によって互いに離間されることを特徴とするビーム要素。
請求項１に記載のビーム要素であって、
前記金属要素（１２）が肉薄の鋼板として形成されることを特徴とするビーム要素。
請求項１又は２に記載のビーム要素であって、
前記プラスチック要素（１４）が少なくとも実質的に繊維強化プラスチックから成るプラスチック層として形成されることを特徴とするビーム要素。
請求項３に記載のビーム要素であって、
前記プラスチック要素（１４）の繊維強化材が、前記金属要素（１２）に接触する前記表面領域（１６、１８、２０）と、前記空洞（２６、２８）を形成する前記ビーム要素の少なくとも１つの表面領域（２２、２４）とに適応されることを特徴とするビーム要素。
請求項１から４のいずれか一項に記載のビーム要素であって、
少なくとも１つの空洞（２６、２８）が少なくとも部分的にプラスチック（３５、３７）によって充填されることを特徴とするビーム要素。
請求項５に記載のビーム要素であって、
前記空洞（２６、２８）が前記プラスチック（３５、３７）によって少なくとも部分的に発泡されることを特徴とするビーム要素。
請求項１から６のいずれか一項に記載のビーム要素であって、
前記プラスチック要素（１４）が、前記金属要素（１２）の少なくともほぼ全体にわたって延在することを特徴とするビーム要素。
請求項１から６のいずれか一項に記載のビーム要素であって、
少なくとも１つのケーブル、チャネル又は同類の配線が前記空洞（２６、２８）内に敷設されることを特徴とするビーム要素。
プラスチック要素（１４、１４’）と連結された少なくとも１つの金属要素（６８、６８）を有する自動車用ハイブリッド構造のエネルギ吸収要素（６６）であって、
前記金属要素（６８、６８’）と前記プラスチック要素（１４、１４’）とが、前記エネルギ吸収要素（６６）の表面領域（１６、１８、２０、４６、４８、５０、５２、５３）内で互いに接触して形成され、前記エネルギ吸収要素（６６）の少なくとも１つの表面領域（２２、２４、５６、５９）内で空洞（２６、２８、５８、６０）の形成によって互いに離間されることを特徴とするエネルギ吸収要素。