ЦЕНТРАЛЬНАЯ БАЛКА ЦЕНТРАЛЬНОЙ СТОЙКИ КУЗОВА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
CENTRAL PILLAR CENTRAL BEAM AND METHOD FOR MANUFACTURE THEREOF

Настоящая заявка является родственной и запрашивает преимущество и приоритет заявки EP 15382640.9, поданной 18 декабря 2015 г. Настоящее изобретение относится к центральным стойкам кузова, в частности к центральным балкам центральных стоек кузова, содержащим мягкие зоны.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Такие транспортные средства, как легковые автомобили, содержат каркас конструкции, рассчитанный на выдерживание всех нагрузок, которым транспортное средство может подвергаться в течение своего срока службы. Каркас конструкции дополнительно рассчитан на выдерживание и амортизацию ударных нагрузок, например, в случае столкновений с другими легковыми автомобилями или препятствиями.
Каркас конструкции транспортного средства, например, легкового автомобиля, в этом смысле может содержать, например, бампер, стойки (переднюю, центральную и заднюю стойки кузова), балки для защиты при боковом столкновении, порог и удароглушители. Для каркаса конструкции легкового автомобиля или по меньшей мере для некоторого количества его компонентов общепринятым в автомобильной промышленности стало использование так называемых сверхвысокопрочных сталей (UHSS), проявляющих оптимизированную максимальную прочность на единицу веса и благоприятные свойства деформируемости. UHSS может иметь предельную прочность при растяжении по меньшей мере 1000 МПа, предпочтительно приблизительно 1500 МПа или до 2000 МПа или более.
Примером стали, используемой в автомобильной промышленности, является сталь марки 22MnB5. Состав стали марки 22MnB5 приведен ниже в весовых процентах (остальное составляет железо (Fe) и примеси):
Доступными для приобретения являются несколько сталей марки 22MnB5, имеющих близкий химический состав. Однако точное количество каждого из компонентов стали марки 22MnB5 может несколько изменяться от одного изготовителя к другому. В других примерах сталь марки 22MnB5 может содержать приблизительно 0,23% C, 0,22% Si и 0,16% Cr. Материал может дополнительно содержать Mn, Al, Ti, B, N, Ni в различных пропорциях.

Одним из примеров доступной для приобретения стали является сталь Usibor 1500P, доступная для приобретения у Arcelor Mittal и используемая в заготовках, получаемых посредством сварки «по выкройке», и «лоскутных» заготовках. Заготовки (полученные посредством сварки) «по выкройке» и «лоскутные» заготовки предусматривают заготовку, имеющую переменную толщину или отличающиеся свойства материала, перед процессом деформирования, например горячей штамповки. Изменение толщины в заготовке, полученной посредством сварки «по выкройке», не следует путать с (локальным) усилением. Вместо этого, усиливающие элементы в данном смысле добавляются в компонент после процесса деформирования.

Сталь Usibor 1500P поставляется в фазе феррит-перлит. Эта фаза представляет собой мелкозернистую структуру, распределенную по однородной схеме. С этой структурой связаны определенные механические свойства. После нагрева, процесса горячей штамповки и последующей закалки создается мартенситная микроструктура. В результате значительно увеличиваются предел прочности на разрыв и предел текучести.

Состав стали Usibor приведен ниже в весовых процентах (остальное составляет железо (Fe) и постоянные примеси):

Сталь любого из данных составов (как сталь марки 22MnB5, например, сталь Usibor) во избежание повреждения за счет коррозии и окисления может поставляться с покрытием. Данное покрытие может представлять собой, например, алюмокремниевое (AlSi) покрытие или покрытие, содержащее главным образом цинк или цинковый сплав.

Предел прочности на разрыв стали марки Usibor после горячей штамповки и последующей закалки (т.е. имеющей мартенситную микроструктуру) составляет 1550±150 МПа, тогда как предел текучести составляет 1150±150 МПа.
Важной проблемой для центральной стойки кузова является обеспечение полного отсутствия деформации или возникновение лишь небольшой деформации в средней области, так как ее нарушение может причинить вред пассажирам транспортного средства. Одним из решений является наличие центральной стойки кузова с зонами разной толщины. В частности центральная область (приблизительно на половине высоты центральной стойки кузова) может быть более прочной (т. е. имеющей большую толщину) во избежание вышеупомянутого нарушения, однако из-за этого увеличивается общий вес.
Другое решение состоит в сварных усилениях, например, при помощи точечной сварки, с целью упрочнения конструкции. Обычно эти усиления выполнены из стали, и даже если их материал не является таким же жестким, как материал центральной стойки кузова, результирующая конструкция после соединения упрочняется за счет дополнительного материала. Однако использование усилений также включает приращение веса по причине добавления в конструкцию дополнительного материала.
Поддержание веса каждого компонента каркаса структуры под контролем является важным, так как автомобильные компании стараются довести до максимума уменьшение веса, поскольку более тяжелое транспортное средство не только привлекает большие производственные затраты, но также повышает потребление топлива и создает большие трудности при ускорении, торможении и/или при поворотах по причине большей инерции большой массы.
Для увеличения пластичности и поглощения энергии в ключевых областях компонента, таких как нижняя часть центральной стойки кузова, как известно, внутрь вышеупомянутого компонента вводятся более мягкие области. Мягкие зоны могут локально увеличивать пластичность, в то же время, сохраняя необходимую высокую общую прочность. В дополнение, за счет включения указанных мягких зон можно соответствующим образом адаптировать кинематику деформации в случае удара или столкновения.
Известные способы создания областей с повышенной пластичностью («мягких зон») в конструктивных компонентах транспортного средства предусматривают снабжение приспособлениями, содержащими пару из взаимодополняющих верхнего и нижнего узлов штампа, каждый из которых имеет отдельные элементы штампа (стальные блоки). Элементы штампа выполнены для работы при отличающихся температурах, для того чтобы они имели отличающиеся скорости охлаждения в разных зонах подвергаемой формованию детали в течение процесса закалки, что в результате приводит к отличающимся свойствам материала (мягким зонам) в конечном изделии. Эти способы известны как процессы управляемого охлаждения в штампе.
Упомянутые мягкие зоны, например, размещенные в нижней части центральной стойки кузова, могут не выдерживать большие нагрузки, и стойка может претерпевать деформацию, которая может приводить к нарушению центральной области центральной стойки кузова.
В заключение, существует потребность в оптимизации/усовершенствовании механических свойств центральной стойки кузова в случаях дорожно-транспортных происшествий, и в то же время в как можно более значительном снижении веса этой стойки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В первом аспекте предусматривается центральная балка центральной стойки кузова, выполненная из стали и содержащая жесткие зоны и мягкие зоны, обладающие меньшим пределом текучести и/или прочностью на разрыв, чем жесткие зоны, верхнюю область с крепежной частью для крепления к элементу крыши и нижнюю область с крепежной частью для крепления к элементу нижнего обвязочного бруса. Центральная балка центральной стойки кузова содержит две мягкие зоны. Нижняя мягкая зона создана между нижней крепежной частью и 50% высоты центральной балки центральной стойки кузова, и верхняя мягка зона создана между верхней крепежной частью и 50% высоты центральной балки центральной стойки кузова. Верхняя мягкая зона имеет более высокий предел текучести и/или прочность на разрыв, чем нижняя мягкая зона. Верхняя и нижняя крепежные части предпочтительно представляют собой жесткие зоны.
Использование двух мягких зон, одной — в верхней половине центральной балки, и одной — в нижней половине центральной балки, может позволить избежать нарушения центральной области (на 30—70% высоты) центральной балки центральной стойки кузова. Комбинация двух мягких зон в сочетании с остальными жесткими зонами, т.е. с центральной зоной и верхней и нижней крепежными частями, обеспечивает возможность перемещения центральной стойки кузова по существу прямо внутрь вместо наклонного перемещения внутрь в случае использования одной, нижней мягкой зоны. Это может уменьшить вред, наносимый пассажирам транспортного средства.
В то время как важным требованием к нижней мягкой зоне является поглощение энергии, более важным для верхней мягкой зоны является приведение в действие деформации. Поэтому верхняя мягкая зона может иметь более высокую механическую прочность. Большая механическая прочность означает, что при одном и том же весе материала, он может выдерживать более высокие нагрузки. Таким образом, вес центральной стойки кузова можно оптимизировать за счет наличия более высокого класса прочности для верхней мягкой зоны.
Более высокую механическую прочность верхней мягкой зоны в этом отношении следует рассматривать как наличие у верхней мягкой зоны более высокого предела текучести и/или более высокого предела прочности на разрыв, чем у нижней мягкой зоны. Предел текучести и/или предел прочности на разрыв верхней мягкой зоны, однако, будет по-прежнему ниже соответствующих значений прочности для остальной центральной стойки кузова, т.е. для «жестких зон» с мартенситной микроструктурой.
В данном документе термин «жесткая зона» следует понимать как зону центральной балки центральной стойки кузова, первоначально имеющую мартенситную микроструктуру и предел прочности на разрыв приблизительно 1400 МПа или более.
Термин «мягкая зона» следует понимать как зону центральной балки центральной стойки кузова, в которой сталь имеет мартенситную микроструктуру в меньшей мере, чем жесткая зона, и имеет предел прочности на разрыв приблизительно 1050 МПа или менее. Микроструктура мягкой зоны может представлять собой, в зависимости от класса прочности, например, комбинацию бейнита и мартенсита, или бейнита, мартенсита и феррита, или феррита и перлита.
При использовании «мягких зон» и «жестких зон» толщина центральной балки центральной стойки кузова может сохраняться постоянной или по существу постоянной по ее высоте. Можно исключить или сократить использование заготовок, сваренных «по выкройке», или заготовок, катаных «по выкройке».
В некоторых примерах нижняя мягкая зона расположена на высоте 3—50%, предпочтительно на высоте 3—25% высоты центральной балки центральной стойки кузова. Такое расположение обеспечивает возможность рассеяния энергии и деформации на безопасном расстоянии от пассажиров транспортного средства. В данном аспекте часть центральной стойки кузова, подлежащая креплению к элементу нижнего обвязочного бруса (или «порогу»), сохраняет высокую механическую прочность. На высоте 3—25% высоты центральной стойки кузова центральная стойка кузова обычно имеет увеличенную ширину. Мягкая зона в этой области обеспечивает возможность значительного поглощения энергии.
В соответствии с дополнительным примером, верхняя мягкая зона расположена на 80—95%, предпочтительно на 85—95% высоты центральной балки центральной стойки кузова. Местоположение верхней мягкой зоны в данных диапазонах было найдено преимущественным, так как результирующая деформация центральной стойки кузова является такой, что нарушение в направлении пассажира уменьшается максимально возможным образом.
В некоторых примерах нижняя мягкая зона может иметь предел текучести 400—700 МПа. В некоторых примерах верхняя мягкая зона может иметь предел текучести 550—800 МПа.
В некоторых примерах нижняя мягкая зона может иметь высоту 10—300 мм, предпочтительно 30—300 мм, более предпочтительно 30—200 мм. В некоторых примерах верхняя мягкая зона может иметь высоту 10—150 мм, предпочтительно 10—100 мм, более предпочтительно 30—100 мм.
В некоторых примерах часть центральной стойки кузова, содержащая верхнюю мягкую зону, имеет по существу U-образное поперечное сечение, при этом U-образное поперечное сечение содержит нижнюю стенку, две боковые стенки и боковой выступ, выступающий наружу на конце каждой из боковых стенок. В некоторых примерах верхняя мягкая зона включает нижнюю стенку и по меньшей мере часть боковых стенок.
В некоторых примерах верхняя мягкая зона может включать нижнюю стенку и боковые стенки по существу полностью. В некоторых примерах верхняя мягкая зона может содержать один или несколько боковых выступов.
В некоторых примерах центральная балка центральной стойки кузова имеет по существу постоянную толщину.
Во втором аспекте предусматривается способ изготовления центральной балки центральной стойки кузова. В первую очередь, образуют центральную балку центральной стойки кузова, имеющую высоту и содержащую нижнюю крепежную часть и верхнюю крепежную часть. Затем в центральной балке центральной стойки кузова в соответствии с любым из примеров, раскрытых в данном документе, создают нижнюю мягкую зону и верхнюю мягкую зону, при этом верхняя и нижняя крепежные части преимущественно представляют собой жесткие зоны.
В некоторых примерах нижняя мягкая зона может быть создана в ходе формования центральной балки центральной стойки кузова, включающего горячую штамповку и управляемое охлаждение в штампе. В альтернативных примерах нижняя мягкая зона может быть создана путем нагрева центральной балки центральной стойки кузова после формования при помощи горячей штамповки.
В некоторых примерах верхняя мягкая зона может быть создана путем нагрева центральной балки центральной стойки кузова после формования при помощи горячей штамповки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Ниже описаны примеры настоящего изобретения, не носящие ограничительного характера, со ссылкой на прилагаемые графические материалы, на которых:
на фиг. 1 показана обычная центральная балка центральной стойки кузова;
на фиг. 2а и 2b показаны примеры центральной балки центральной стойки кузова с двумя мягкими зонами;
на фиг. 3 показана центральная балка центральной стойки кузова с мягкой зоной, которая не охватывает всю ширину центральной стойки кузова;
на фиг. 4а—4d показаны U-образные поперечные сечения частей центральной стойки кузова с различными конфигурациями мягкой зоны в соответствии с примерами;
на фиг. 5а и 5b показан вид сбоку центральной балки центральной стойки кузова до и после дорожно-транспортного происшествия в соответствии с одним примером; и
на фиг. 6 показан вид сбоку центральной балки центральной стойки кузова перед дорожно-транспортным происшествием в соответствии с компоновкой известного уровня техники.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
На фиг. 1 показана центральная балка 100 центральной стойки кузова, которая, как правило, является приваренной к порогу на нижней крепежной части 105 и к панели крыши транспортного средства, например легкового автомобиля — в верхней крепежной части 101. Центральная стойка кузова расположена между передними и задними сиденьями транспортного средства и является пригодной для различных целей. Как было показано ранее, она обеспечивает конструктивную опору каркаса транспортного средства и обеспечивает защитный барьер при дорожно-транспортном происшествии.
В некоторых примерах центральная стойка кузова может содержать центральную балку, внешний обшивочный лист и внутренний обшивочный лист, и, необязательно, дополнительное центральное усиление (в данном документе «центральная» означает «находящаяся между внешним и внутренним обшивочными листами»). Внутренний лист может служить для крепления деталей внутри транспортного средства, например, легкового автомобиля. Внешний лист может служить, в частности, обеспечению формы, комплементарной с формой двери легкового автомобиля. Как внутренний, так и внешний обшивочные листы, в зависимости от конкретной реализации, могут вносить вклад в прочность конструкции и жесткость полученной в результате центральной стойки кузова.
Кроме того, центральная балка центральной стойки кузова также может использоваться в качестве места крепления множества элементов, которые крепятся в предусмотренных с этой целью отверстиях. Центральная балка 100 центральной стойки кузова, показанная на фиг. 1, может содержать отверстие для установки крепления ремня безопасности и еще одно отверстие, в котором размещается дверной замок. Центральная балка центральной стойки кузова может дополнительно содержать крепежные отверстия различных форм и размеров, например, для крепления пластмассовой оснастки или обшивки внутренних конструкций транспортного средства. На фиг. 1 также показаны выступы 106, которые выступают наружу.
Центральная область 103 центральной балки 100 центральной стойки кузова, составляющая 30—70% высоты центральной стойки кузова, играет важную роль при боковом ударе транспортного средства. Удар может вызывать нарушение конструкции, которое может представлять опасность для пассажиров транспортного средства. Поэтому важно обеспечить отсутствие деформации в данной центральной области 103.
На фиг. 2а и 2b показаны различные примеры центральной балки центральной стойки кузова, содержащей верхнюю мягкую зону 210, 220 и нижнюю мягкую зону 211, 221. Мягкая зона представляет собой область (стальной заготовки), микроструктура которой была адаптирована для изменения механических свойств с целью увеличения пластичности в этой области. Характеристики различных примеров возможных адаптированных областей подытожены ниже:

HT 400, HT 500, HT 700, HT 800 представляют собой различные классы прочности сталей, предлагаемых для приобретения компанией Gestamp.
Для управления деформацией центральной балки центральной стойки кузова мягкие зоны в соответствии с примерами настоящего изобретения могут иметь разные классы прочности или пределы текучести. Класс прочности верхней мягкой зоны может быть выше, чем класс прочности нижней мягкой зоны. Различные примеры возможных комбинаций классов прочности для верхней и нижней мягких зон подытожены ниже:
В соответствии с примерами настоящего изобретения, уже упомянутые две мягкие зоны могут иметь разную высоту. Нижняя мягкая зона может иметь высоту 10—300 мм, предпочтительно 30—200 мм, и более предпочтительно высоту 30—200 мм. С другой стороны, верхняя мягкая зона может иметь высоту 10—150 мм, предпочтительно 10—100 мм, и более предпочтительно высоту 30—100 мм. Рассеяние энергии не является первоочередным назначением верхней мягкой зоны, поэтому она необязательно должна быть такой же широкой/высокой, как нижняя мягкая зона.
На фиг. 2a показан пример вида спереди центральной балки 200 центральной стойки кузова с верхней мягкой зоной 210, имеющей предел текучести 550 МПа, и нижней мягкой зоной 211, являющейся существенно более широкой, чем верхняя мягка зона 210 (иными словами, нижняя мягкая зона имеет увеличенную высоту), и имеющей предел текучести 400 МПа.
На фиг. 2b показан вид спереди центральной балки центральной стойки 200 кузова с верхней мягкой зоной 220, имеющей большую высоту, чем у мягкой зоны 210, показанной на фиг. 2a, и нижней мягкой зоной 221. В примере, показанном на фиг. 2b, пределы текучести отличаются от примера, показанного на фиг. 2a: верхняя мягкая зона 221 имеет предел текучести 800 МПа, тогда как нижняя мягкая зона имеет предел текучести 700 МПа.
Упомянутые мягкие зоны могут быть созданы в разных областях центральной балки центральной стойки кузова. Нижняя мягкая зона может быть создана между нижней крепежной частью и 50% высоты центральной балки центральной стойки кузова, на 3—50% высоты центральной балки центральной стойки кузова, более предпочтительно на 3—25% высоты центральной балки центральной стойки кузова. Верхняя мягкая зона может быть создана между верхней крепежной частью и 50% высоты центральной балки центральной стойки кузова, на 80—95% высоты центральной балки центральной стойки кузова, предпочтительно на 85—95% высоты центральной балки центральной стойки кузова.
Мягкие зоны могут быть созданы в стальных заготовках при помощи различных методик, таких как управляемое охлаждение в штампе или лазерный нагрев после процесса деформирования.
Мягкие зоны в соответствии с примерами настоящего изобретения могут быть образованы в ходе процесса горячей штамповки при помощи управляемого охлаждения в штампе особенно тогда, когда мягкие зоны имеют значительную площадь поверхности. Штампы, используемые в процессе (горячего) деформирования могут содержать несколько различных блоков штампа. Для создания мягкой зоны, температурой в одном из этих блоков штампа можно управлять так, чтобы она отличалась от температуры другого блока штампа. Когда мягкие зоны создаются в ходе процесса горячего деформирования, эти мягкие зоны предпочтительно могут соответствовать по меньшей мере площади поверхности указанного блока штампа. Мягкая зона, образованная таким образом, может иметь нижний предел высоты по меньшей мере 30 мм.
Мягкие зоны в соответствии с другим примером могут быть созданы после процесса штамповки, например холодной или горячей штамповки, с использованием, например, лазерного нагрева. В процессах лазерного нагрева для нагрева обрабатываемой детали, например металлической заготовки, с целью изменения ее микроструктуры и, таким образом, механических свойств используется лазерный луч.
Методики лазерного нагрева требуют минимальной ширины 10 мм. Лазерный нагрев также можно использовать для создания областей большего размера, но это может включать большие затраты времени. Поэтому лазерный нагрев в большей степени сосредоточен на создании небольших мягких зон.
В соответствии с дополнительным примером и в зависимости от ширины каждой мягкой зоны, при создании каждой из мягких зон может использоваться отличающаяся методика. Мягкая зона, например нижняя мягкая зона, может быть создана при помощи управляемого охлаждения в штампе, а после изготовления стальной заготовки, например центральной балки центральной стойки кузова, для создания (по меньшей мере) мягкой зоны, например верхней мягкой зоны, может быть использована методика лазерного нагрева или, например, индукционного нагрева.
На фиг. 3 показан вид спереди центральной балки центральной стойки кузова с двумя мягкими зонами 310, 311. Нижняя мягкая зона 311 охватывает всю ширину центральной балки центральной стойки кузова, тогда как верхняя мягкая зона 310 охватывает лишь часть ширины центральной балки центральной стойки кузова.
На фиг. 4а—4d схематически показаны различные примеры поперечных сечений части центральной стойки кузова, содержащей мягкую зону в соответствии с примерами настоящего изобретения. Указанная мягкая зона предпочтительно может представлять собой верхнюю мягкую зону.
На фиг. 4а показана мягкая зона 410, полностью охватывающая U-образное поперечное сечение и выступы части центральной балки центральной стойки кузова. На фиг. 4b показано поперечное сечение, в котором мягкая зона 420 содержит нижнюю стенку и боковые стенки U-образной формы по существу полностью. На фиг. 4с показано поперечное сечение мягкой зоны 430, включающей нижнюю стенку и часть боковых стенок U-образной формы. На фиг. 4d показано поперечное сечение мягкой зоны 440, содержащей оба боковых выступа.
Основным назначением верхней мягкой зоны в данных примерах является влияние на кинематику деформации, а не локальное поглощение энергии в случае столкновения. Было обнаружено, что для управления деформацией может быть достаточно наличия мягкой зоны, проходящей только по части ширины локального поперечного сечения центральной стойки кузова. Общая прочность центральной стойки кузова, таким образом, в этих случаях может быть выше, чем в случаях, когда мягкая зона распространяется на всю локальную ширину.
В некоторых из этих примеров мягкая зона может являться по существу симметричной относительно продольной оси центральной стойки кузова. В некоторых примерах мягкая зона может быть разбита на две отдельные части (находящиеся, главным образом, в боковых выступах).
На фиг. 5а схематически показан вид сбоку центральной балки 500 центральной стойки кузова перед дорожно-транспортным происшествием в соответствии с одним примером. Центральная балка 500 центральной стойки кузова содержит центральную область 511 и две мягкие зоны 510, 512. Верхняя мягкая зона 510 улучшает кинематическое поведение конструкции, тогда как нижняя мягкая зона 512 обеспечивает возможность рассеяния энергии.
На фиг. 5b показан вид сбоку центральной балки 500 центральной стойки кузова после дорожно-транспортного происшествия в соответствии с одним примером. После бокового удара основная деформация сосредоточена в нижней мягкой зоне 522 в результате рассеяния энергии, тогда как верхняя мягкая зона 520 претерпевает небольшую деформацию. Как результат, нарушение или деформация в центральной области 521 центральной балки 500 центральной стойки кузова не возникает или возникает в очень небольшой степени.
На фиг. 6 показан вид сбоку центральной балки 600 центральной стойки кузова после дорожно-транспортного происшествия в соответствии с компоновкой известного уровня техники, содержащей только одну мягкую зону. В отличие от фиг. 5b, на которой показано, что центральная область центральной стойки кузова остается ненарушенной, центральная балка 600 центральной стойки кузова, показанная на фиг. 6, претерпевает нарушение 610 в ее центральной области. Оно вызвано наклоном нижней части центральной балки центральной стойки кузова, при котором мягкая зона действует в качестве «шарнира» для деформации.
В этом смысле, на фиг. 5b видно, что предусмотрены два таких «шарнира», в то время как центральная часть балки остается прямой.
Хотя в данном документе раскрыт только ряд примеров, возможны другие их альтернативы, модификации, применения и/или эквиваленты. Более того, охватываются также все возможные комбинации описанных примеров. Таким образом, объем настоящего изобретения не ограничивается конкретными примерами, но должен определяться только содержанием приведенной ниже формулы изобретения.