НЕСУЩАЯ КОНСТРУКЦИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА (ВАРИАНТЫ)
LOAD-BEARING STRUCTURE OF A VEHICLE (VARIANTS)

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к конструкции транспортного средства, точнее, к конструкции, изготовленной из композиционного материала и предназначенной для использования в качестве "монокока" для высокомощных спортивных суперкаров.
Уровень техники
Как известно, для спортивных суперкаров в диапазоне лошадиных сил от приблизительно 500 л.с. до 1200 л.с. были разработаны монококи из композиционных материалов, в частности, из армированных углеродным волокном полимеров, как правило, выполненные как единые конструкции.
Однако большинство конструкций, известных как монококи из композиционных материалов, на самом деле состоят из различных, отдельно отлитых компонентов, собранных с использованием известных технологий крепления для формирования единой конструкции.
Таки образом, сначала изготавливаются отдельные компоненты, которые затем собирают для получения "монокока", представляющего собой единую жесткую конструкцию, несущую нагрузку других частей транспортного средства.
Патентный документ EP2683535 на имя настоящего заявителя относится к процессу изготовления изделий из композиционных материалов, в частности, оболочек или ячеек, а также крыш для монококов транспортных средств.
Как следует из этого документа, даже современные технические решения в области монококов состоят из множества компонентов, которые изготавливаются и собираются на отдельных этапах для изготовления единой конструкции.
Таким образом, монококи уровня техники сложны, а их изготовление включает в себя длинную и сложную цепочку операций. После завершения проектирования конструкции в целом изменить ее невозможно из-за большого числа компонентов, необходимых для изготовления конструкции.
Например, если монокок был изготовлен для автомобиля с задним расположением двигателя, его необходимо проектировать заново для автомобиля с передним расположением двигателя.
Раскрытие сущности изобретения
В этом контексте основная техническая проблема, на решение которой направлено  настоящее изобретение состоит в том, чтобы предложить конструкцию транспортного средства, позволяющую преодолеть вышеупомянутые недостатки.
Задача настоящего раскрытия состоит в том, чтобы предложить конструкцию транспортного средства, легко адаптируемую к различным конфигурациям транспортного средства.
Еще одна задача настоящего раскрытия состоит в том, чтобы предложить конструкцию транспортного средства, изготовленную из значительно меньшего числа деталей по сравнению с решениями уровня техники.
Обозначенная техническая проблема решается и указанные цели достигаются благодаря конструкции транспортного средства, обладающей признаками, описанными в независимом пункте 1 формулы изобретения.
Настоящее описание относится к несущей конструкции транспортного средства, предназначенной для использования в качестве монокока для высокомощных спортивных суперкаров (1000 л.с. и более) с двухколесным или четырехколесным приводом, гибридным двигателем или двигателем внутреннего сгорания и двумя или четырьмя сиденьями.
Один из аспектов настоящего описания заключается в уменьшенном числе отдельных конструктивных элементов, каждый из которых характеризуется единым направлением формовки, то есть, единым направлением извлечения компонента из пресс-формы.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения несущая конструкция транспортного средства содержит ячейку, изготовленную из композиционных материалов, предпочтительно из армированных углеродным волокном полимеров (CFRP).
Указанная ячейка содержит несколько (от 3 до 8) компонентов, то есть, 3<n<8, и по меньшей мере одну систему для соединения этих компонентов друг с другом, чтобы образовать единую конструкцию.
В первом варианте осуществления ячейка содержит первый компонент из композиционного материала, который может состоять из короба, содержащего по меньшей мере переднюю стенку, заднюю стенку, первую боковую стенку, вторую боковую стенку и нижнюю стенку, вместе по меньшей мере частично ограничивающие салон транспортного средства, второй компонент из композиционного материала, который может состоять из передней опоры, соединенной по меньшей мере с передней стенкой указанного короба со стороны, противоположной салону транспортного средства, третий компонент из композиционного материала, который может состоять из задней опоры, соединенной по меньшей мере с задней стенкой со стороны, противоположной салону транспортного средства, четвертый компонент из композиционного материала, который может состоять из первого продольного элемента, соединенного по меньшей мере с первой боковой стенкой со стороны, противоположной салону транспортного средства, пятый компонент из композиционного материала, который может состоять из второго продольного элемента, соединенного по меньшей мере со второй боковой стенкой со стороны, противоположной салону транспортного средства.
В одном из вариантов осуществления ячейка состоит всего из пяти соединенных друг с другом компонентов.
Получаемая в результате конструкция транспортного средства отличается высоким уровнем простоты и состоит из небольшого числа высокоинтегрированных деталей, многие функциональные поверхности которых получаются непосредственно в ходе одной операции формовки соответствующего компонента. Этот признак может обеспечить экономию в весе, поскольку нет необходимости в таких крепежных элементах, как винты, скобы или фланцы, которые, например, формуют непосредственно на необработанном компоненте, покидающем пресс-форму.
В соответствии с одним аспектом описания, компоненты не имеют поднутрений, что обеспечивает возможность значительного упрощения механической обработки и, таким образом, позволяет сэкономить капиталовложения и сократить время обработки за счет применения технологий с коротким циклом, что позволяет экономить на переменных затратах.
При такой же жесткости получаемые таким образом конструкции могут весить до 30% меньше, и могут быть изготовлены за время, меньшее на 44%, и по цене на 30% ниже.
Монокок предпочтительно содержит внутренний короб, определяющий пространство, предназначенное для пассажиров транспортного средства, переднюю опору, позволяющую сделать слоистый профиль и соединить конструкцию с передней рамой, заднюю опору, также действующую в качестве амортизатора боковых и задних ударов и для соединения с задней рамой, два боковых элемента, например, пороги, которые также выполняют конструктивную функцию не только поглощения боковых ударов, но и передачи нагрузок между передней и задней частью транспортного средства, а также верхний элемент или узел, действующий, например, в качестве крыши и/или опоры для ветрового стекла, и/или в качестве опоры для заднего стекла.
В соответствии с одним из аспектов настоящего описания после изготовления компоненты собираются вместе, предпочтительно благодаря специально выполненным поверхностям стыка и фиксируются, например, посредством склеивания и/или совместного склеивания, и/или заклепок, и/или винтов, или другими способами.
В одном из вариантов осуществления задняя опора может быть изготовлена путем сборки различных амортизирующих элементов на формованном элементе, общем для разных типов автомобилей.
Таким образом, используя один формованный элемент в сочетании с разными амортизирующими элементами, можно изготавливать автомобили с различными амортизирующими свойствами.
В одном варианте осуществления пороги могут быть изготовлены с использованием двух полуоболочек, каждая из которых имеет единую ось формовки. Таким образом, благодаря замкнутому поперечному сечению можно получить более прочный порог, который можно приклеивать или привинчивать к коробу без промежуточных фланцев и т.п.
Согласно другому аспекту описания, верхний узел может быть разбит, например, на два отдельных элемента - один внутренний и один внешний, которые оба сформованы в едином направлении.
Благодаря замкнутому поперечному сечению порогов указанный узел имеет большую жесткость и лучшую отделку поверхности с внутренней стороны.
Согласно одному из аспектов описания передняя опора и пороги могут быть предварительно сформованы так, чтобы они также составляли переднюю раму.
Согласно еще одному аспекту описания задняя опора и пороги могут быть предварительно сформованы так, чтобы они также составляли заднюю раму.
В соответствии с одним из аспектов описания, эта конструкция транспортного средства делает возможным изготовление двух или больше типов автомобилей посредством модификации некоторых компонентов узла: например, модификация верхнего узла позволяет получить монокок для двухместного спортивного автомобиля или родстера; модификация передней опоры и порогов позволяет получить монокок для автомобиля с передним расположением двигателя; модификация порогов позволяет получить монокок для длиннобазного автомобиля; модификация задней опоры или передней опоры позволяет получить монокок для автомобиля, конструкция которого отличается от оригинала - например, можно получить монокок для туристского автомобиля.
Краткое описание чертежей
Дополнительные признаки и преимущества конструкции транспортного средства, выполненной в соответствии с один из аспектов настоящего описания, станут более понятными из следующего приблизительного и, следовательно, неограничивающего описания предпочтительного, неисключительного варианта осуществления конструкции транспортного средства, показанного на прилагаемых чертежах, на которых:
- на фиг.1 схематично в аксонометрии с пространственным разделением показана конструкция транспортного средства в соответствии с настоящим описанием;
- на фиг.2 схематично в аксонометрии показана конструкция  транспортного средства в соответствии с настоящим описанием;
- на фиг.3 схематично в аксонометрии с пространственным разделением показана конструкция транспортного средства того типа, который изображен на фиг.2;
- на фиг.4 схематично в аксонометрии с пространственным разделением показана деталь конструкции транспортного средства, соответствующей настоящему описанию;
- на фиг.5 схематично в аксонометрии с пространственным разделением показана вторая деталь конструкции транспортного средства, соответствующей настоящему описанию;
- на фиг.6 схематично в аксонометрии с пространственным разделением показана третья деталь конструкции транспортного средства, соответствующей настоящему описанию.
Осуществление изобретения
На фиг.1, 2 и 3 ссылочным знаком 100 обозначена конструкция транспортного средства, выполняющая несущую функцию. На фиг.1 и 3 для наглядности конструкция 100 показана в перспективном изображении с пространственным разделением деталей.
Конструкция 100 предпочтительно представляет собой то, что известно как "монокок" для спортивного суперкара, как правило, для автомобиля мощностью от 500 до 1200 л.с. (на чертежах не показан).
В автомобилях указанного типа, соответствующих настоящему описанию, монокок представляет собой единую жесткую конструкцию с несущей функцией, предпочтительно изготовленную из армированных углеродным волокном полимеров, известных в торговле под аббревиатурой CFRP (carbon fibre reinforced polymer).
В альтернативных вариантах осуществления могут использоваться другие материалы или другие матрицы, или другие армирующие волокна.
Конструкция 100, соответствующая настоящему описанию, содержит ячейку 1, состоящую из числа n компонентов от 3 до 8, то есть, 3<n<8.
Ячейка 1 имеет по меньшей мере одну систему для соединения отдельных компонентов друг с другом, чтобы образовать единую или монолитную конструкцию.
Системы для соединения компонентов из армированных углеродным волокном полимеров, по существу известны и подробно не описываются.
В общем, в настоящем описании ссылка на компоненты или элементы, соединенные друг с другом, означает, что компоненты или элементы соединены при помощи соответствующей соединительной системы.
В этих соединительных системах компоненты, например, могут быть склеены, склепаны или привинчены друг к другу, или соединены способом, известным как "совместное склеивание".
В одном из вариантов осуществления ячейка 1 сама по себе составляет весь монокок транспортного средства.
Следует заметить, в особенности со ссылкой на фиг.1 и 3, что в одном из вариантов осуществления ячейка 1 выполнена посредством соединения пяти компонентов.
Как упомянуто выше, компоненты предпочтительно выполнены из армированных углеродным волокном полимеров, сформованных по отдельности, но также возможно использование других материалов.
Первый компонент 2 ячейки 1 состоит из короба, определяющего салон 101 транспортного средства, то есть, этот короб ограничивает или определяет пространство внутри транспортного средства, предназначенное для водителя и пассажиров.
Первый компонент или короб 2 содержит переднюю стенку 3, заднюю стенку 4, первую боковую стенку 5, вторую боковую стенку 6 и нижнюю стенку 7.
Стенки 3, 4, 5, 6 отходят от нижней стенки, определяя конструкцию короба 2.
Первый компонент 2 имеет единое направление формовки и не имеет поднутрений.
В настоящем описании выражение "единое направление формовки" используется для обозначения того, что отдельные части изготавливаются путем единого движения закрытия и открытия соответствующей пресс-формы с помощью соответствующего пресса, без дополнительных перемещений вспомогательных деталей, таких как тележки и т.д., то есть, отдельные части не имеют поднутрений.
Ячейка 1 содержит второй компонент 8, состоящий из передней опоры, соединенной по меньшей мере с передней стенкой 3 короба 2 на стороне, противоположной салону 101.
Второй компонент или передняя опора 8 способствует созданию слоеного профиля передней стенки 3, к которому при сборке транспортного средства присоединяется передняя рама для поддержки других деталей транспортного средства, например, переднего моста в сборе.
Второй компонент 8 имеет единое направление формовки и не имеет поднутрений.
В одном варианте осуществления снаружи салона 101 передняя стенка 3 имеет поверхность 3a стыка для соединения со вторым компонентом 8.
Аналогично второй компонент 8 имеет поверхность 8a стыка для соединения с первым компонентом 2.
Первый компонент 2 и второй компонент 8 соединены друг с другом при помощи одной из вышеуказанных соединительных систем и соответствующих поверхностей 2a, 8a стыка.
На жаргоне, применяемом в соответствующей отрасли, второй компонент 8 также можно назвать щитком передка.
Ячейка 1 содержит третий компонент 9, состоящий из задней опоры, соединенной по меньшей мере с задней стенкой 4 короба 2 на стороне, противоположной салону 101.
Задняя опора, определенная третьим компонентом 9, также предпочтительно действует в качестве амортизатора боковых ударов и ударов сзади.
Задняя опора также составляет часть ячейки для соединения с задней рамой во время сборки транспортного средства.
Задняя рама используется, например, для поддержки и соединения заднего моста в сборе, а также блока двигателя и коробки передач транспортного средства.
Третий компонент 9 имеет единое направление формовки и не имеет поднутрений.
В одном варианте осуществления снаружи салона 101 задняя стенка 4 имеет поверхность 4a стыка для соединения с третьим компонентом 9.
Аналогично третий компонент 9 имеет поверхность 9a стыка для соединения с первым компонентом 2.
Первый компонент 2 и третий компонент 9 соединены друг с другом при помощи одной из вышеуказанных соединительных систем и соответствующих поверхностей 2a, 9a стыка.
На жаргоне, применяемом в соответствующей отрасли, третий компонент 9 также можно назвать задним пламеуловителем.
Ссылаясь на фиг.4, можно заметить, что в одном варианте осуществления третий компонент 9 включает в себя основной элемент 10, отлитый из армированного углеродным волокном полимерного композиционного материала, и по меньшей мере один амортизирующий элемент 10a, смонтированный на элементе 10.
Элемент 10a придает элементу 10, а, следовательно, и компоненту 9, заданные амортизирующие свойства.
Эта конфигурация, например, позволяет создать элемент 10, который является общим для множества различных транспортных средств, и которому в зависимости от типа изготавливаемого транспортного средства посредством элементов 10а придаются необходимые амортизирующие свойства.
В одном варианте осуществления ячейки 1(не показанном на чертежах) второй компонент 8 и третий компонент 9 выполнены в виде цельного компонента, отлитого в форме предпочтительно из армированных углеродным волокном полимеров, и в свою очередь соединенного с коробом 2.
Таким образом, как станет яснее и дальнейшего описания, ячейка 1 определяется всего четырьмя компонентами, соединенными друг с другом.
Ячейка 1 содержит четвертый компонент 11 и пятый компонент 12, состоящие соответственно из первого продольного элемента и второго продольного элемента. На жаргоне, применяемом в соответствующей отрасли, четвертый и пятый компоненты называются "порогами" и позволяют поглощать боковые удары и передавать нагрузки между передней частью и задней частью транспортного средства.
В предпочтительном варианте осуществления пороги имеют замкнутое основное поперечное сечение. Из фиг.5 видно, что в одном из вариантов осуществления каждый из порогов 11 и 12 (показан только один из них) состоит их двух соединенных друг с другом полуоболочек 13, 14.
Таким образом, четвертый компонент 11 и пятый компонент 12 имеют замкнутое основное поперечное сечение, которое подробно не показано.
Полученные таким образом пороги 11 и 12 прочны и могут быть приклеены или привинчены непосредственно к коробу 2.
Первая полуоболочка 13 и вторая полуоболочка 14 четвертого компонента 11 и пятого компонента 12 в каждом случае имеют единое направление формовки и не имеют поднутрений.
В одном из вариантов осуществления (см. фиг.3) четвертый компонент 11 и пятый компонент 12 имеют незамкнутое основное поперечное сечение.
Предпочтительно пороги 11 и 12 имеют единое направление формовки и не имеют поднутрений.
Четвертый компонент или порог 11 соединен по меньшей мере с вышеупомянутой первой боковой стенкой 5 со стороны, противоположной салону 101, а пятый компонент или порог 12 соединен по меньшей мере с вышеупомянутой второй боковой стенкой 6 со стороны, противоположной салону 101.
В предпочтительном варианте осуществления боковая стенка 5 и боковая стенка 6 в каждом случае имеют соответствующую поверхность 5a, 6a стыка.
Аналогично порог 11 и порог 12 имеют соответствующие поверхности 11a, 12a стыка.
Короб 2 соединен с порогами 11 и 12 посредством поверхностей 5a, 6a стыка и поверхностей стыка 11a, 12a четвертого компонента 11 и пятого компонента 12.
Компоненты 11 и 12 могут быть присоединены к коробу 2 также с помощью фланцев (на чертежах не показаны).
Следует отметить, что в зависимости от того, каким является основное сечение порогов 11, 12 - незамкнутым или замкнутым, поверхности стыка соответственно изменяются по-разному.
Конкретнее, в случае, когда пороги 11, 12 имеют незамкнутое поперечное сечение, как показано на фиг.3, например, поверхности 5a, 6a стенок 5, 6 предпочтительно имеют форму, способствующую созданию конструкции, основное поперечное сечение которой после присоединения к соответствующему порогу замыкается.
Таким образом, в одном из вариантов осуществления ячейка 1 определена пятью компонентами, соединенными друг с другом, то есть, коробом 2, с которым соединена передняя опора 8, задняя опора 9 и пороги 11, 12.
В другом варианте осуществления, как упомянуто выше, ячейка 1 определена четырьмя компонентами, соединенными друг с другом, то есть, коробом 2, с которым соединены пороги 11, 12 и четвертый компонент, определенный передней опорой 8 и задней опорой 9, совместно отлитыми в форме в виде единой детали.
В одном из вариантов осуществления (на чертежах не показан) второй компонент 8 вместе с четвертым компонентом 11 и пятым компонентом 12 образуют узел, имеющий две выступающие части, отходящие от первого компонента и определяющие вышеупомянутую переднюю раму.
На практике передняя опора 8 и пороги 11, 12 могут быть предварительно сформованы или иметь такую форму, чтобы они также образовывали переднюю раму.
В этом варианте осуществления конструкция 100, хотя и определяется ограниченным числом компонентов, также включает в себя переднюю раму.
В одном из вариантов осуществления третий компонент 9, а также четвертый компонент 11 и пятый компонент 12 образуют узел, имеющий две выступающие части, отходящие от первого компонента 2 и определяющие вышеупомянутую заднюю раму.
На практике задняя опора 9 и пороги 11, 12 могут быть предварительно сформованы или иметь такую форму, чтобы они также образовывали переднюю раму.
В этом варианте осуществления, хотя конструкция 100 определяется ограниченным числом компонентов, она также включает в себя заднюю раму.
В варианте, в частности показанном на фиг.2 и 3, конструкция 100 содержит верхний узел 15, изготовленный из композиционного материала, например, из армированных углеродным волокном полимеров (CFRP).
В одном варианте осуществления верхний узел 15 сформован в виде единой детали и в едином направлении формовки.
Узел 15 соединен с ячейкой 1 для определения единой конструкции; узел 15 соединен с ячейкой 1, например, путем склеивания.
Практически монокок транспортного средства состоит из ячейки 1, составляющей нижнюю часть, и верхнего узла 15.
Узел 15 содержит покрывающий элемент или крышу 16, первую переднюю стойку 17 и вторую переднюю стойку 18, а также задний узел 19, отходящий от противоположных сторон крыши 16.
Покрывающий элемент 16 соединен с ячейкой 1 при помощи стоек 17, 18 и заднего узла 19 соответственно на стенке 3 и стенке 4 короба 2.
Узел 15 оснащен элементами для ввода в зацепление, предназначенными для соединения с ячейкой 1.
В одном из вариантов осуществления, показанном на фиг.6, верхний узел 15 содержит первый внутренний элемент 20, ориентированный в направлении салона 101, когда верхний узел 15 соединен с ячейкой 1, и второй внешний элемент 21, расположенный относительно внутреннего элемента 20 со стороны, противоположной салону 101, когда верхний узел 15 соединен с ячейкой 1.
Первый внутренний элемент 20 включает в себя внутреннюю часть 22 первой стойки 17 внутреннюю часть 23 второй стойки 18 и внутреннюю часть 24 заднего узла 19.
Части 22 и 23 соединены друг с другом посредством поперечины 25 и с задней частью 24 при помощи соответствующих соединительных элементов 26, 27, которые можно рассматривать, как выступающие части соответствующих частей 22 и 23.
Внутренний элемент 20 верхнего узла 15 сформован в виде единой детали и в едином направлении формовки.
Второй внешний элемент 21 включает в себя покрывающий элемент или крышу 28, внешнюю часть 29, 30 стоек 17 и 18 и внешнюю часть 31 заднего узла 19.
Внутренний элемент 21 верхнего узла 15 сформован в виде единой детали и в едином направлении формовки.
Соединение элементов 20 и 21, помимо прочего, позволяет получить замкнутое поперечное сечение стоек 17 и 18, что придает стойкам 17 и 18 большую жесткость по сравнению со стойками, имеющими незамкнутое поперечное сечение.
В одном варианте осуществления (на чертежах не показан) верхний узел 15 содержит первую переднюю стойку, вторую переднюю стойку и пару поперечин, соединяющих указанные стойки, чтобы определить раму для ветрового стекла транспортного средства.
В этом случае, если указанный узел соединен с ячейкой 1, по существу к передней стенке 3 короба 2, определяется несущий кузов 100 двухместного автомобиля.
В одном варианте осуществления (на чертежах не показан) верхний узел 15, кроме рамы для ветрового стекла, также содержит задний узел для поддержания заднего стекла транспортного средства.
В этом случае, если узел 15 соединен с ячейкой 1, причем рама для ветрового стекла соединена по существу с передней стенкой 3 короба 2, а задний узел соединен по существу с задней стенкой 4 короба, при этом определяется несущий кузов 100 родстера.
Создание конструкции 100 с конечным, ограниченным числом компонентов, соединенных друг с другом, позволяет легко модифицировать конструкцию 100 таким образом, чтобы можно было изготавливать автомобили разных типов, меняя лишь несколько компонентов всей конструкции.
Поскольку каждый из компонентов конструкции согласно настоящему описанию имеет единое направление формовки, для их изготовления используется сравнительно простое оборудование.
Например, модификация верхнего узла, как сказано выше, позволяет получить несущую конструкцию для купе или двухместного автомобиля, или родстера.
Модификация второго, четвертого и пятого компонентов, то есть, передней опоры и порогов, в описанном примере позволяет получить, например, несущую конструкцию для автомобиля с передним расположением двигателя.
Модификация четвертого и пятого компонентов, то есть, порогов, в описанном примере позволяет получить, например, несущую конструкцию для длиннобазного автомобиля.
Модификация третьего компонента, то есть, задней опоры, в описанном примере позволяет получить, например, несущую конструкцию для так называемого туристского транспортного средства.
Как сказано выше, компоненты изготовлены из композиционных материалов и получены способом формовки.
Предпочтительные способы формовки, придающим компонентам заранее определенные технические свойства, включают в себя способы, известные как "трансферное формование пластмасс" (Resin Transfer Moulding, RTM), "оплетение" и "препрег".
Технологические процессы в этих способах различаются по типу используемого углеродного волокна, соответствующему оплетению и химическому составу используемой синтетической смолы.
При способе RTM рулоны углеродного волокна предварительно формуют и пропитывают заданным количеством смолы. Затем во время обработки компонента их подвергают отверждению при нагревании.
Патентный документ EP2574449 на имя настоящего заявителя касается усовершенствования этого способа формования.
При способе препрегов рулоны углеродного волокна предварительно пропитывают жидкой, термореактивной смолой и хранят при низкой температуре. Затем рулоны ламинируют в пресс-формах и отверждают в автоклаве при соответствующем нагреве и давлении. Компоненты, изготовленные способом препрегов, гарантируют высокое качество отделки поверхности и, таким образом, являются предпочтительным решением для деталей, устанавливаемых в видимых местах.
Способ оплетения используется для изготовления трубчатых компонентов для специальных применений, например, конструктивных стоек и профилей нижней части. Оплетение осуществляется путем сшивания волокон по диагонали в разных слоях.