用于车辆的膝盖保护结构的制作方法

本发明涉及用于车辆的膝盖保护结构。更具体地，本发明涉及这样一种用于车辆的膝盖保护结构，其能够满足车辆碰撞试验的更加严格的乘客损伤条件、简化组装过程并降低制造成本。

背景技术：

一般而言，当车辆在行驶中发生碰撞时，车辆内的乘客由于惯性会被推至前部防震垫。

因此，车辆必须配备有乘客束缚装置(例如，气囊和安全带)以便在发生事故时保护乘客的安全。

然而，尽管气囊或安全带大致保护乘客腹部以上的身体部分，但仍存在位于防震垫内部下方的带罩横杆(cowl crossbar)以及形成防震垫的下部部分的下部防震垫板撞击乘坐者(驾驶员和前座乘客)的膝盖的风险。

为了解决上述问题，通常在防震垫内部下方设置膝垫(其为一种膝盖保护装置)，以减轻乘客膝盖的损伤程度。

现有技术(相关技术)公开了一种膝盖保护装置，其中安装有由塑性材料形成的“U”形外板以及由钢材料形成的“U”形内板，以在二者之间限定一空间，并且在该空间内安装有能够吸收震动的吸震构件。

然而，考虑到碰撞时产生的载荷以及膝盖穿透，塑料外板非常易碎，从而在其损坏时形成可造成膝盖损伤的锋利边缘，而钢内板可防止吸震构件变形过大。

图1是示出了根据现有技术的用于车辆的膝盖保护结构的另一种构造的立体图。吸震泡沫3耦接至U形支架2，该U形支架安装在带罩横杆1的一侧，而且，由钢或玻璃纤维垫增强热塑性塑料(GMT)形成的下部防震垫板5和膝垫板4耦接在U形支架的前侧。

这里，下部防震垫板5由聚合物材料(例如，矿物填充的聚丙烯)制成以覆盖膝垫板4从而赋予其令人满意的外观，并且膝垫板4、吸震泡沫3和对吸震泡沫3进行支撑的U形支架2按顺序布置在下部防震垫板5内。

利用上述构造，当车辆前方碰撞使乘客的膝盖撞击下部防震垫板5时，钢体形式的膝垫板4会防止额外发生膝盖穿透，且位于其后侧(即，就车辆的前后方向而言，为前侧)的吸震泡沫3与U形支架2一同变形以吸收震动能量。

然而，由于下部防震垫板5和膝垫板4可彼此分开地安装，并且安装有吸震泡沫3和U形支架2，因此现有技术存在的若干问题包括构造和结构复杂以及因组件和硬件数量增加而导致的高成本。

此外，在现有技术的膝垫装置中，尽管在第50百分位(50％)和第5百分位(5％)人体模型(dummy)中每一个的震动位置处安装有控制膝盖穿透的钢制膝垫板，从而防止膝盖过度穿透，同时允许施加于膝盖的载荷增大一定程度(即，至多10kN或更小，以符合NCAP规定)，但在美国NCAP评估中认为膝垫板为钢体，由此增大第50百分位(50％)人体模型的膝盖载荷。因此，膝垫板很难满足规定。

在背景技术部分公开的信息仅用于加强对整个背景技术的理解，因此不应被认为是承认或以任何形式建议该信息构成本领域普通技术人员已公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明的各个方面旨在提供一种用于车辆的膝盖保护结构，其能够满足车辆碰撞试验的更严格的乘客损伤条件，并能够有效地保护乘客的膝盖。

此外，本发明的各个方面旨在提供一种用于车辆的膝盖保护结构，其能够使车辆组装过程简化、减少组件数量、简化结构并降低制造成本。

根据本发明的各个方面，一种用于车辆的膝盖保护结构可包括：支架，该支架设置在车体结构上；以及下部防震垫板，该下部防震垫板设置成由支架支撑，使得在发生碰撞的情况下，乘客的膝盖撞击下部防震垫板，其中，下部防震垫板可包括：在一给定方向上布置有连续纤维的单向连续纤维复合材料，单向复合材料插入下部防震垫板的整个区域的至少一预定区域中；以及在多个方向上布置有连续纤维的多向连续纤维复合材料，多向复合材料插入剩余区域中。

单向连续纤维复合材料可插入下部防震垫板的整个区域的左右方向上的两个侧部部分中，而在多个方向上布置有连续纤维的多向连续纤维复合材料可插入下部防震垫板的左右方向上的中央部分中。

插入侧部部分中的单向连续纤维复合材料的厚度可小于插入中央部分中的多向连续纤维复合材料的厚度。

多向连续纤维复合材料可以是编织型连续纤维复合材料，在该编织型连续纤维复合材料中，编织的连续纤维在热塑性塑料内堆叠成多个层。

多向连续纤维复合材料可包括在水平方向上、竖直方向上或倾斜方向上纵长地(lengthwise，在长度方向上)布置的连续纤维。

多向连续纤维复合材料可以是正交型连续纤维复合材料，在该正交型连续纤维复合材料中，在一给定方向上布置的连续纤维堆叠成多个层，使得各个层的连续纤维在热塑性塑料内彼此正交。

单向连续纤维复合材料可以是这样的连续纤维复合材料，在该连续纤维复合材料中，在下部防震垫板的水平方向上纵长地布置的连续纤维堆叠成多个层。

单向连续纤维复合材料可以是这样的连续纤维复合材料，在该连续纤维复合材料中，在下部防震垫板的竖直方向上纵长地布置的连续纤维堆叠成多个层。

单向连续纤维复合材料可以是这样的连续纤维复合材料，在该连续纤维复合材料中，在基于下部防震垫板的竖直轴线倾斜一预定倾斜角的倾斜方向上纵长地布置的连续纤维堆叠成多个层。

插入至少一预定区域中的单向连续纤维复合材料可根据一预定厚度比而被分成上层和下层，并且上层的连续纤维和下层的连续纤维可具有不同方向。

上层和下层中的一个可包括在竖直方向上纵长地布置的连续纤维，而上层和下层中的剩余的一个可包括在水平方向上纵长地布置的连续纤维。

上层的连续纤维和下层的连续纤维可以是在上层与下层之间的不同倾斜方向上纵长地布置的倾斜连续纤维。

下部防震面板的插入有连续纤维复合材料的至少一些区域可根据一预定厚度比而被分成上层和下层，上层和下层中的至少一个可由在给定方 向上布置有连续纤维的单向连续纤维复合材料形成，而上层和下层中的至少剩余的一个可由连续纤维布置在多个方向上的多向连续纤维复合材料形成。

应理解，本文中使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它相似术语通常包括机动车辆，例如载人汽车(包括运动型多用途车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆)、船舶(包括各种船和舰)、飞机等，且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代燃料车辆(例如，从除石油之外的资源获得的燃料)。如本文所述，混合动力车辆为具有两种或更多种动力源，例如兼具汽油动力和电动力的车辆。

将根据结合在本文中的附图和以下具体实施方式使得本发明的方法和设备具有的其它特征和优点变得显而易见，附图和具体实施方式一起用于解释本发明的某些原理。

附图说明

图1是示出了根据现有技术的用于车辆的膝垫装置的构造的立体图。

图2是示出了根据本发明的示例性的用于车辆的膝盖保护结构的立体图。

图3是示出了包括在根据本发明的示例性的用于车辆的膝盖保护结构中的下部防震垫板的内侧构造的立体图。

图4是示出了根据本发明的示例性膝盖保护结构的下部防震垫板的截面形状和构造的截面图。

图5是示出了连续纤维复合材料插入根据本发明的示例性膝盖保护结构的下部防震垫板的中央部分中的状态的视图。

图6是示意性地示出了插入根据本发明的示例性膝盖保护结构的下部防震垫板中的连续纤维复合材料的外形的视图。

图7A和图7B是示出了连续纤维复合材料插入根据本发明的示例性膝盖保护结构的下部防震垫板的两个侧部部分中的状态的视图。

应理解，附图并不一定按照比例绘制，而是呈现出对说明本发明的基本原理的各种特征的某种程度的简化表示。本文所公开的本发明的具体设计特征(包括例如具体尺寸、定向、位置和形状)将部分地由特定预期应用和使用环境确定。

具体实施方式

下面将详细参考本发明的各种实施方式，在附图中示出并在下文中描述了这些实施方式的实例。虽然将结合示例性实施方式描述本发明，但应理解本描述并非旨在将本发明限制于那些示例性实施方式。相反，本发明不仅旨在涵盖示例性实施方式，而且还旨在涵盖本发明的所附权利要求中限定的精神和范围内包括的各种替代方案、修改、等同物以及其它实施方式。

本发明设计成提供一种用于车辆的膝盖保护结构，其能够满足车辆碰撞试验的更严格的乘客损伤条件、能够简化车辆组装过程、并且能够简化结构(例如减少组件数量)以及降低制造成本。

图2是示出了根据本发明的各种实施方式的用于车辆的膝盖保护结构的立体图。在各种实施方式的膝盖保护结构中，形成防震垫的下部部分的下部防震垫板20用作保护乘客膝盖的结构。

在驾驶座的前下侧可以安装有各种实施方式的膝盖保护结构，以保护驾驶员的膝盖。膝盖保护结构可包括：支架10，该支架安装至带罩横杆1， 该带罩横杆为车体结构；以及下部防震垫板20，该下部防震垫板由支架10支撑。

此时，膝盖保护结构位于车辆内的驾驶座的前下侧，其所处的状态为使得支架10的一端固定至带罩横杆1，并且下部防震垫板20固定至支架10的另一端。

在上文描述的各种实施方式的膝盖保护结构中，下部防震垫板20经由支架10直接由带罩横杆1支撑，以控制膝盖穿透入下部防震垫板，同时吸收车辆发生碰撞时施加于膝盖的震动。利用该构造，可以不再需要现有技术的附加膝垫板。

图3是示出了包括在根据本发明各种实施方式的车辆膝盖保护结构中的下部防震垫板的内侧构造的立体图。图3示出了支架10与下部防震垫板20耦接状态。

在图3中，基于车辆的前后方向指定了前后方向，示出了下部防震垫板20的内侧，所示出的下部防震垫板20的后部空间为乘客(即，驾驶员)所处的空间(驾驶座)。如此，乘客(驾驶员)的膝盖位于下部防震垫板20的后侧。

如图所示，不存在独立的膝垫板，并且下部防震垫板20直接耦接至支架10，该支架安装至带罩横杆1。

此外，支架10可包括：左上支架11和左下支架12，在下部防震垫板20的左侧支撑该下部防震垫板；以及右上支架13和右下支架14，在下部防震垫板20的右侧支撑该下部防震垫板。

此外，在车辆发生碰撞的情况下，当乘客(驾驶员)的膝盖撞击下部防震垫板20时，下部防震垫板20防止乘客的膝盖穿透至下部防震垫板20 的前部。为此，下部防震垫板20使用复合材料(即，插入材料)注塑成型。

复合材料可以是连续纤维复合材料，例如连续纤维热塑性塑料(CFT)，其能够增加下部防震垫板20的刚度。

图4是示出了下部防震垫板的截面形状和构造的截面图。当在下部防震垫板20的截面中观察时，下部防震垫板20的左侧部分和右侧部分21a对应于NCAP FMVSS 208(实际是在北美)的正碰撞规定评估项目的第50百分位(50％)人体模型的膝盖碰撞区域，并且中央部分21b对应于第5百分位(5％)人体模型的膝盖碰撞区域。

在下文中，基于图4所示的试验人体模型的种类(第50百分位(50％)人体模型和第5百分位(5％)人体模型)，下部防震垫板20的由膝盖撞击的部分基于车辆的左右方向而将被分成侧部部分21a和中央部分21b。

即，第50百分位(50％)人体模型碰撞区域是在下部防震垫板20的左右方向上的两个侧部部分21a，并且第5百分位(5％)人体模型碰撞区域是下部防震垫板20的中央部分21b。

在各种实施方式的膝盖保护结构中，连续纤维复合材料23和24插入在形成膝盖保护结构外观的下部防震垫板20内，在该连续纤维复合材料中，连续纤维堆叠成多个层。连续纤维复合材料23和24增加了下部防震垫板20的刚度，从而赋予现有技术膝垫板的功能，即，抑制乘客膝盖穿透的功能。

在各种实施方式中，如图4所图示，连续纤维复合材料23和24和包括连续纤维复合材料的板20的厚度T1、T2和T3以及在板的截面上堆叠的连续纤维复合材料23和24的方向分别根据其各自在下部防震垫板20的截面中的位置而进行区分。

即，插入两个侧部部分21a(其为第50百分位(50％)人体模型碰撞区域)中的连续纤维复合材料24的厚度可小于插入中央部分21b(其为第5百分位(5％)人体模型碰撞区域)中的连续纤维复合材料23的厚度，这可减小施加于膝盖的载荷并允许膝盖的适当穿透。

由于插入的连续纤维复合材料23和24在两个侧部部分21a的厚度被确定为小于在中央部分21b的厚度，因此对于下部防震垫板20的总厚度而言，两个侧部部分21a的厚度T2和T3小于中央部分21b的厚度T1。

这种厚度差用于根据各个膝盖碰撞区域来优化昂贵复合材料的使用和重量，这使得所消耗材料的成本降低。

此外，两个侧部部分21a和中央部分21b在连续纤维复合材料23和24的方向上不同。以下将更详细地描述应用于本发明的各种实施方式的连续纤维复合材料。

在本发明中，插入下部防震垫板20的连续纤维复合材料23和24是由连续纤维和热塑性塑料组成的复合材料，并且其通过在热塑性塑料内将连续纤维(长纤维)堆叠成多个层而制成。

此外，由于下部防震垫板20通过插入连续纤维复合材料23和24而注塑成型，所以增大了下部防震垫板20的刚度。

除了复合材料23和24，堆叠的具有连续性的纤维(即，连续纤维)可从例如玻璃纤维(GF)和碳纤维(CF)中选择，而热塑性塑料可从例如聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)中选择。在连续纤维复合材料23和24分别插入如上所述的下部防震垫板20的任一侧部部分21a和中央部分21b的情况下，可根据针对下部防震垫板20的分成侧部部分21a和中央部分21b的相应区域的设计刚度而适当地使用连续纤维复合材料23和24。

此时，可通过使用聚合物材料(例如矿物填充的聚丙烯(PPF)材料)经由注射成型而制成下部防震垫板20。此时，连续纤维复合材料23和24(其中，连续纤维堆叠成多个层)可一体地插入下部防震垫板20中。

图5是示出了连续纤维复合材料插入下部防震垫板20的中央部分21b中的状态的视图。插入中央部分21b的连续纤维复合材料23可以是多向CFT材料，其中，连续纤维22编织或布置成彼此正交。

图6是示意性地示出了插入根据本发明的各种实施方式的下部防震垫板中的连续纤维复合材料的外形的视图。连续纤维复合材料被制造成具有连续性(例如，GF或CF)的在热塑性塑料(例如，PP、PA或PET)内堆叠成多个层的纤维。

此时，编织型多向CFT材料被制造成这样一种构造，其中，连续纤维像网一样交织成织物，并且合成的编织连续纤维在热塑性塑料内堆叠成多个层。

此外，正交型多向CFT材料(如图5所图示)的构造为，布置在给定方向上的连续纤维22上下堆叠，这样使得连续纤维22的层在热塑性塑料内彼此正交。

由于多向CFT材料23插入下部防震垫板20的中央部分21b中以增加其刚度，所以当第50百分位(50％)人体模型的膝盖区域与两个侧部部分21a碰撞时，中央部分21b基于膝盖的穿透而产生扭转力矩。扭转力矩要求增加中央部分21b的刚度。

因此，当编织型或正交型连续纤维叠层形式的多向CFT材料23插入在中央部分21b中时，中央部分21b的扭转力矩最大化。

此外，由于通过将多向CFT材料23应用于中央部分21b增加了下部防震垫板20的中央部分21b的刚度，所以可以减少第5百分位(5％)人体模型的膝盖穿透。

如上所述，由于多向CFT材料23(其中，连续纤维编织或布置成彼此正交)应用于下部防震垫板20的中央部分21b，所以相对于第50百分位(50％)人体模型的膝盖穿透而言，可增加中央部分的扭转刚度。具体地，可控制北美FMVSS 208碰撞规定中第50百分位(50％)人体模型的膝盖穿透，可控制因转矩导致的撞击位置分布，并且可防止板因施加于第5百分位(5％)人体模型的膝盖的震动而破损。

尽管图5示出了多向CFT材料23(其中，水平纵长连续纤维和竖直纵长连续纤维布置成彼此正交)安装至下部防震垫板20的中央部分21b的各种实施方式，但可安装这样的多向CFT材料，其中，在倾斜方向而非水平方向或竖直方向上纵长布置的连续纤维被编织或布置成彼此正交。

此时，下部防震垫板20的中央部分21b中的倾斜地布置的连续纤维的角度可具有暂定值，并且例如可使用连续纤维以45度的倾斜角倾斜地纵长布置的多向CFT材料。

同时，图7A和图7B是示出了连续纤维复合材料插入根据本发明的下部防震垫板的两个侧部部分21a中的状态的视图。插入两个侧部部分21a中的连续纤维复合材料24可以是连续纤维22布置在给定方向上的单向CFT材料24。

此时，如图7A示例性地示出的，可插入布置在下部防震垫板20的横向方向(即，水平方向)上的连续纤维22堆叠成多个层的CFT材料24。可替换地，如图7B示例性地示出的，可插入布置在下部防震垫板20的纵长方向(即，竖直方向)上的连续纤维22堆叠成多个层的CFT材料24。

尽管可使用连续纤维布置在横向方向(即，水平方向)上或纵长方向(即，竖直方向)上的单向CFT材料24，但也可使用连续纤维相对于竖直轴线以预定倾斜角倾斜地布置的单向CFT材料。

此外，当单向CFT材料24应用于下部防震垫板20的两个侧部部分时，可应用总厚度以预定比率(例如，上层厚度与下层厚度之比为1:1)划分的CFT材料，这样使得下层连续纤维水平地布置，而上层连续纤维竖直地布置。

此时，由于每层连续纤维均布置在给定方向上，并且上部连续纤维与下层连续纤维的方向彼此不同，因此可以说，应用于侧部部分的CFT材料通常具有多向特征。

此外，当应用单向CFT材料24时，每一层连续纤维可以预定倾斜角倾斜地布置，而不是在上层和下层分别应用竖直连续纤维和水平连续纤维。

此时，可应用上层连续纤维和下层连续纤维以不同倾斜角布置的CFT材料，这两层连续纤维基于竖直轴线以例如+45度和-45度的角度纵长地布置在相反的倾斜方向上。

此外，应用于下部防震垫板20的侧部部分的复合材料可分成上层和下层，这样使得连续纤维布置在给定方向上的单向CFT复合材料可应用于上层和下层中的一个，而连续纤维布置在多个方向上的多向CFT材料可应用于上层和下层中的另一个。

这里，上文描述的应用于下部防震垫板20的具体组成部分(即，中央部分和任一侧部部分)的CFT材料可用作单向CFT材料和多向CFT材料，其应用于下部防震垫板20的任一侧部部分中的相应层。

在下部防震垫板20的两个侧部部分21a(其为第50百分位(50％)人体模型的碰撞区域)的厚度相对较小并且设置有单向CFT材料24的情况下，下部防震垫板20的两个侧部部分21a可减少施加于乘客(驾驶员)膝盖的载荷。

具体地，由于插入的CFT材料24的热塑性塑料(其中，插入有连续纤维22)用作在连续纤维的纵长方向上延伸的撕开线，所以在发生碰撞的情况下，与第50百分位(50％)人体模型的膝盖部分碰撞的两个侧部部分21a在给定方向上塌陷，从而减小了施加于膝盖的载荷。

如上文所述，通过将单向CFT材料24(其中，连续纤维22布置在给定的水平或竖直方向上)应用于下部防震垫板20的两个侧部部分21a，如果在发生碰撞的情况下施加给定大小或更大的载荷，则CFT材料会被切断或断开，从而吸收震动能量。如此，可以满足NCAP的第50百分位(50％)人体模型碰撞评估规定，并通过减小施加于膝盖的载荷而使对乘客膝盖的损伤最小化。

如从上文描述显而易见的是，在根据本发明的用于车辆的膝盖保护结构中，下部防震垫板通过插入连续纤维复合材料而注塑成型，这可增加下部防震垫板的刚度。此外，由于根据乘客膝盖撞击的各个部分的特征来区分连续纤维复合材料的种类和厚度，所以可以增加扭转刚度来抑制膝盖的穿透，并使施加于膝盖的载荷最小化。

根据本发明的用于车辆的膝盖保护结构能够满足车辆碰撞试验的更严格的乘客损伤条件，并能够有效地保护乘客的膝盖。

此外，根据本发明的用于车辆的膝盖保护结构可通过例如省略膝垫板而减少组件数量、可简化构造和车辆组装过程、并且降低制造成本。

为了便于在所附权利要求中解释和精确定义，术语“上”或“下”、“内”或“外”等是用于参考附图中所示的示例性实施方式的特征的位置来对这些特征进行描述。

上文对本发明的具体示例性实施方式进行的描述是为了说明和描述的目的。前文的描述并非旨在是详尽的，或者将本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导可能进行很多修改和变化。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释本发明的某些原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种替代形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等同形式所限定。