本發(fā)明總體涉及復(fù)合材料組件設(shè)計(jì)，并且尤其涉及復(fù)合材料車輛儀表板設(shè)計(jì)及其制造方法。

背景技術(shù)：

車輛使用重量輕的部件和設(shè)計(jì)——尤其是在例如儀表板這樣的大型車輛內(nèi)部部件中——變得越來越普遍，目的是降低車輛重量。重量降低可以增加車輛性能和燃油經(jīng)濟(jì)性?？梢杂幂^輕重量的材料替代車輛部件現(xiàn)有的材料實(shí)現(xiàn)重量的節(jié)省。然而，一些情況下車輛中使用的較輕重量的材料比它們較重重量的對(duì)應(yīng)物具有更少的機(jī)械完整性。

在其它情況下，實(shí)際上某些較輕重量的材料(例如碳纖維復(fù)合材料)比常規(guī)材料具有改進(jìn)的機(jī)械性能。不幸地，用這些材料制作車輛部件的生產(chǎn)成本是過高的或者至少不足夠低到抵消潛在的車輛性能和燃油的經(jīng)濟(jì)性的改進(jìn)。進(jìn)一步地，這些更堅(jiān)固的復(fù)合材料通常在具有僅僅一個(gè)或一些實(shí)際上需要高機(jī)械性能的區(qū)域的大型車輛部件中使用。

因此，當(dāng)與常規(guī)車輛部件相比時(shí)，較輕重量車輛部件需要具有較好或可比的機(jī)械性能。也需要使這些部件的特定區(qū)域的機(jī)械性能適應(yīng)特定應(yīng)用，因此盡量最小化昂貴的增強(qiáng)材料的使用和在部件需要的地方最大化機(jī)械性能的增強(qiáng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，車輛儀表板包括基底，基底具有在第一尼龍樹脂內(nèi)的多個(gè)第一短切碳纖維(chopped carbon fiber)和多個(gè)第一短切玻璃纖維(chopped glass fiber)?；字械亩鄠€(gè)第一短切碳纖維和多個(gè)第一玻 璃纖維是分離的以便碳纖維和玻璃纖維的每個(gè)大體上分別集中在基底的駕駛員側(cè)部和乘客側(cè)部?jī)?nèi)。加強(qiáng)件連接到基底并且包括在第二尼龍樹脂內(nèi)的多個(gè)第二短切碳纖維。加強(qiáng)件肋狀部由加強(qiáng)件整體地限定。加強(qiáng)件肋狀部大體上是中空的并且設(shè)置在加強(qiáng)件的駕駛員側(cè)部上?；桌郀畈坑苫渍w地限定，基底肋狀部大體上是中空的并且設(shè)置在基底的駕駛員側(cè)部上?；桌郀畈亢图訌?qiáng)件肋狀部彼此結(jié)合。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，車輛儀表板包括具有在第一樹脂內(nèi)的纖維材料的第一元件。第一元件限定了第一中空肋狀部。第二元件連接到第一元件并且具有駕駛員側(cè)部、乘客側(cè)部和中控面板(center-stack)部。第二元件限定了在駕駛員側(cè)部中的第二中空肋狀部，第二中空肋狀部與第一中空肋狀部結(jié)合。駕駛員側(cè)部包括在第二樹脂內(nèi)的第一纖維材料，乘客側(cè)部包含在第二樹脂內(nèi)的第二纖維材料，以及中控面板部包含在第二樹脂內(nèi)的第一和第二纖維材料的混合物。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，車輛儀表板包括具有在尼龍樹脂內(nèi)的多個(gè)短切碳纖維的加強(qiáng)件。加強(qiáng)件具有中空的加強(qiáng)件肋狀部?；走B接到加強(qiáng)件并且包括分別被分離到駕駛員側(cè)部和乘客側(cè)部的多個(gè)短切碳纖維和多個(gè)短切玻璃纖維?；拙哂兄锌盏幕桌郀畈?。加強(qiáng)件肋狀部和基底肋狀部彼此結(jié)合。

參照以下說明書、權(quán)利要求書和附圖，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)進(jìn)一步理解和領(lǐng)會(huì)本發(fā)明的這些和其它特征、優(yōu)勢(shì)以及目的。

附圖說明

在圖中：

圖1是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的車輛內(nèi)的車輛儀表板的主透視圖；

圖2A是圖1中說明的儀表板的分解的俯視透視圖；

圖2B是沿IIA-IIA線的圖2A的儀表板的增強(qiáng)的剖視圖；

圖2C是沿IIB-IIB線的圖2A的儀表板的增強(qiáng)的剖視圖；

圖2D是沿IIC-IIC線的圖2A的儀表板的增強(qiáng)的剖視圖；

圖2E是沿IID-IID線的圖2A的儀表板的增強(qiáng)的剖視圖；

圖2F是沿IIE-IIE線的圖2A的儀表板的增強(qiáng)的剖視圖；

圖3是沿III-III線的圖2A的儀表板在裝配狀態(tài)的剖視圖；

圖4是根據(jù)附加實(shí)施例的注塑成型系統(tǒng)的俯視透視圖；

圖5A是沿X-X線的在將熔化的復(fù)合材料注入模具的步驟過程中的圖4的注塑成型系統(tǒng)的剖視圖；

圖5B是沿X-X線的在混合熔化的復(fù)合材料的步驟過程中的圖4的注塑成型系統(tǒng)的剖視圖；

圖5C是沿X-X線的在將氣體注入熔化的復(fù)合材料的步驟過程中的圖4的注塑成型系統(tǒng)的剖視圖；

圖6根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的使用圖4的注塑成型系統(tǒng)成形車輛部件的方法的原理圖。

具體實(shí)施方式

這里為了說明的目的，術(shù)語“上”、“下”、“右”、“左”、“后”、“前”、“垂直”、“水平”以及它們的衍生詞應(yīng)當(dāng)按圖1中的取向關(guān)聯(lián)于本發(fā)明。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是本發(fā)明可以采取不同的可替換的方向，除非明確指定為相反。還應(yīng)當(dāng)理解的是附圖中圖示的以及以下說明書中說明的具體裝置和過程僅僅是由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的構(gòu)思的示例性實(shí)施例。因此，這里公開的涉及實(shí)施例的具體尺寸和其它物理特征并不考慮為限制，除非權(quán)利要求另外明確說明。

參照?qǐng)D1，說明了車輛14的客艙10。車輛14包括駕駛員側(cè)區(qū)域18和乘客側(cè)區(qū)域22?？团?0的內(nèi)部除例如擋風(fēng)玻璃36這樣的其它車輛部件外是儀表板26。儀表板26位于客艙10的乘客座椅的車輛前方并且總體在擋風(fēng)玻璃36的下方。儀表板26具有駕駛員側(cè)部40、中控面板部44以及乘客側(cè)部48。儀表板26的這些部以及它們內(nèi)部的特定區(qū)域或位置通常具有不同的機(jī)械性能要求。

本發(fā)明使用的“外側(cè)”指的是最靠近車輛14中的駕駛員側(cè)車門52和 乘客側(cè)車門56的側(cè)面或區(qū)域。本發(fā)明使用的術(shù)語“內(nèi)側(cè)”指的是與外側(cè)側(cè)面或區(qū)域橫向相對(duì)的車輛14內(nèi)側(cè)的中心區(qū)域。

儀表板26的駕駛員側(cè)部和乘客側(cè)部40、48實(shí)質(zhì)上靠近車輛14的各自的駕駛員側(cè)和乘客側(cè)區(qū)域18、22。儀表板26的駕駛員側(cè)部40包括由組合儀表罩64覆蓋的組合儀表60。位于組合儀表60下面的是轉(zhuǎn)向柱68。轉(zhuǎn)向柱68由儀表板26支撐并與儀表板26的車輛前方的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(未示出)接合。轉(zhuǎn)向柱68穿過儀表板26從轉(zhuǎn)向系統(tǒng)向客艙10延伸。轉(zhuǎn)向柱68具有設(shè)置在車輛14的客艙10中的駕駛員側(cè)區(qū)域18中的方向盤72。方向盤72包括在經(jīng)歷足夠的車輛碰撞事件時(shí)展開的駕駛員安全氣囊76。就這一點(diǎn)而言，儀表板26的駕駛員側(cè)部40會(huì)具有嚴(yán)格的機(jī)械要求，尤其是在必須支撐其它承受可變負(fù)荷和運(yùn)動(dòng)的車輛部件——例如轉(zhuǎn)向柱68——的位置。

設(shè)置在儀表板26的每個(gè)外側(cè)的是側(cè)面通風(fēng)裝置80。儀表板26也包括一組位于儀表板26的中控面板部44的中心通風(fēng)裝置84。儀表板26的中控面板部44位于駕駛員側(cè)部40和乘客側(cè)部48之間。中控面板部44包括可由車輛14的駕駛員側(cè)和乘客側(cè)區(qū)域18、22二者的乘員操控的界面88。中控面板部44與儀表板26的駕駛員側(cè)部40和乘客側(cè)部48二者連接。

圖1中也說明了儀表板26的乘客側(cè)部48包括雜物箱總成110和位于總成110之上的乘客安全氣囊總成114。雜物箱總成110包括允許進(jìn)入雜物箱倉(未示出)的雜物箱門118。在一些實(shí)施例中，雜物箱總成110是與儀表板26分離的部件并且在車輛制造過程中被插入和附接。在其它實(shí)施例中，總成110的雜物箱倉由儀表板26的儀表板基底120(圖2A)整體形成，并且雜物箱門118是在制造過程中附接的單獨(dú)的部件。取決于乘客側(cè)部48的結(jié)構(gòu)，可以具有需要額外的機(jī)械增強(qiáng)的中心區(qū)域或位置，例如包含或附接于雜物箱總成110的地方。

乘客安全氣囊總成114包括乘客安全氣囊滑槽124(圖2A)，以及其它部件，例如乘客安全氣囊、安全氣囊罐(airbag canister)和氣體發(fā)生器。在車輛碰撞事件過程中，乘客安全氣囊由氣體發(fā)生器(未示出)充氣，從而使得乘客安全氣囊從罐中膨脹穿過乘客安全氣囊滑槽124(圖2A)并離 開儀表板26。如果儀表板26沒有適當(dāng)加固，則安全氣囊的充氣和膨脹在周圍的部件中產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致儀表板26的結(jié)構(gòu)損壞的高應(yīng)力。在一些實(shí)施例中，儀表板26的儀表板基底120(圖2A)也可以包括用于駕駛員側(cè)和乘客側(cè)區(qū)域18、22二者的乘員的膝部安全氣囊罐，這潛在地需要附加的加固。

現(xiàn)在參照?qǐng)D2A，儀表板26包括儀表板基底120和加強(qiáng)件150。加強(qiáng)件150位于基底120的車輛前方并在多個(gè)點(diǎn)處與基底120連接?；?20和加強(qiáng)件150可以通過粘合、振動(dòng)焊接、熱板焊接或其它接合形式來連接。加強(qiáng)件150包括駕駛員側(cè)部154、中控面板部158以及乘客側(cè)部162。加強(qiáng)件150在各自的駕駛員側(cè)部和乘客側(cè)部154、162上限定了轉(zhuǎn)向柱孔166和雜物箱孔170。凸緣174位于加強(qiáng)件150的中控面板部158內(nèi)，并向車輛后方延伸，以與基底120的中控面板部180接合和連接。

圖2A也描述了儀表板基底120包括駕駛員側(cè)部184、中控面板部180以及乘客側(cè)部188?；?20的駕駛員側(cè)部184限定了當(dāng)基底120與加強(qiáng)件150連接時(shí)與加強(qiáng)件150的轉(zhuǎn)向柱孔166相對(duì)齊的轉(zhuǎn)向柱開口192。如圖2A所示，轉(zhuǎn)向柱68(圖1)穿過轉(zhuǎn)向柱孔166和轉(zhuǎn)向柱開口192二者，并通過轉(zhuǎn)向柱安裝區(qū)域196與基底120附接。轉(zhuǎn)向柱安裝區(qū)域196位于基底120上靠近轉(zhuǎn)向柱開口192處。在一些實(shí)施例中，轉(zhuǎn)向柱68的護(hù)套可以整體形成于靠近安裝區(qū)域196的基底120中。在其它實(shí)施例中，安裝支架或支撐支架可以整體形成于靠近轉(zhuǎn)向柱開口192的基底120中用于支撐轉(zhuǎn)向柱68。加強(qiáng)件150與基底120的連接給安裝區(qū)域196提供足夠的強(qiáng)度，并且最終為儀表板26提供足夠的強(qiáng)度，從而無需使用橫梁的情況下來支撐轉(zhuǎn)向柱68的重量。就這一點(diǎn)而言，基底120的駕駛員側(cè)部184中的某些區(qū)域或位置會(huì)需要附加的加強(qiáng)件和/或從附加的加強(qiáng)件中受益。

儀表板基底120的中控面板部180包括用于容納和安裝界面88(圖1)以及其它電子部件的電子設(shè)備倉200。中控面板部180位于基底120的駕駛員側(cè)部和乘客側(cè)部184、188之間并整體上與它們連接。取決于部署在中控面板部180中的電子部件和其它部件，在基底120中的這些區(qū)域中的帶有混雜復(fù)合材料(hybrid composite)的額外的局部加強(qiáng)件可以提供機(jī)械 性能和/或重量節(jié)省的效益。

儀表板基底120的乘客側(cè)部188限定了用于容納各自的雜物箱總成110(圖1)和乘客安全氣囊總成114(圖1)的雜物箱開口204和乘客安全氣囊總成開口208。在一些實(shí)施例中，基底120可以配置為進(jìn)一步限定作為整體主體從各自的雜物箱和乘客安全氣囊總成開口204、208延伸的雜物箱倉和/或安全氣囊罐。在其它實(shí)施例中，加強(qiáng)件150可以配置為限定雜物箱倉和/或安全氣囊罐?；?20和加強(qiáng)件150也可以配置為限定膝部安全氣囊罐。

風(fēng)道212位于儀表板基底120和加強(qiáng)件150之間。當(dāng)風(fēng)道212與加強(qiáng)件150結(jié)合時(shí)輸送空氣?？諝饨?jīng)過風(fēng)道212輸送至一組基底通風(fēng)口216，基底通風(fēng)口216將空氣引導(dǎo)至儀表板26(圖1)的側(cè)面和中心通風(fēng)裝置80、84。與加強(qiáng)件150附接的是與車輛14的防火墻(未示出)連接的集氣室支架220。集氣室支架220阻止儀表板26在車輛的向前和向后方向彎曲。集氣支架220也可以給與基底120連接的轉(zhuǎn)向柱68(圖1)提供額外的支撐。

再次參照?qǐng)D2A，儀表板基底120由根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的混雜復(fù)合材料形成。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，駕駛員側(cè)部184由具有設(shè)置在樹脂中的短切碳纖維的尼龍樹脂形成。乘客側(cè)部188由具有設(shè)置在樹脂中的短切玻璃纖維的尼龍樹脂形成。通常，基底120中的具有較高百分比短切碳纖維的區(qū)域可以具有增強(qiáng)的機(jī)械性能(例如韌性、抗拉強(qiáng)度、抗疲勞性)。乘客側(cè)部和駕駛員側(cè)部184、188內(nèi)的碳纖維體積分?jǐn)?shù)和玻璃纖維的體積分?jǐn)?shù)可以在大約1％到大約60％之間，優(yōu)選在大約15％到大約40％之間，并且更優(yōu)選在大約30％到大約40％之間。在一些實(shí)施例中，駕駛員側(cè)部184中的纖維體積分?jǐn)?shù)可以不同于基底120的乘客側(cè)部188中的纖維體積分?jǐn)?shù)。在附加的實(shí)施例中，基底120的預(yù)期承受高應(yīng)力的區(qū)域配置為比預(yù)期不會(huì)承受高應(yīng)力的區(qū)域包含較高纖維體積分?jǐn)?shù)的短切碳纖維。例如，安裝區(qū)域196可以比基底120的駕駛員側(cè)部184的剩余區(qū)域包含有較高的纖維體積分?jǐn)?shù)的尤其是短切碳纖維，從而有助于支撐轉(zhuǎn)向柱68。在另一個(gè)示例中，在安全氣囊展開過程中承受高應(yīng)力的儀表板基底120和加強(qiáng)件150的 表面可以包含較高纖維體積分?jǐn)?shù)。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，基底120的駕駛員側(cè)部和乘客側(cè)部184、188可以包含兩種以上復(fù)合材料。

在一些實(shí)施例中，儀表板基底120的駕駛員側(cè)部和乘客側(cè)部184、188中使用的纖維可以由包括碳、芳綸、金屬鋁、氧化鋁、鋼、硼、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、超高分子量聚乙烯、高堿玻璃(A-glass)、無堿玻璃(E-glass)、無硼無堿玻璃(E-CR-glass)、中堿玻璃(C-glass)、低介電玻璃(D-glass)、R-玻璃(R-glass)以及S-玻璃(S-glass)的材料組成。駕駛員側(cè)部和乘客側(cè)部184、188也可以包含不只一種類型的纖維。在一些實(shí)施例中，短切纖維的長(zhǎng)度可以在大約3mm-大約11mm之間，并且更優(yōu)選在大約5mm-大約7mm之間。典型地，駕駛員側(cè)部和乘客側(cè)部184、188內(nèi)的纖維在樹脂中是無規(guī)定向的。然而，它們也可以大體上在基底120承受高定向應(yīng)力的區(qū)域定向?qū)R。進(jìn)一步地，駕駛員側(cè)部和乘客側(cè)部184、188中使用的樹脂可以包含尼龍、聚丙烯、環(huán)氧樹脂、聚酯、乙烯基酯、聚醚醚酮樹脂、聚苯硫醚、聚醚酰亞胺、聚碳酸酯、硅樹脂、聚酰亞胺、聚醚砜、三聚氰胺甲醛樹脂、酚醛樹脂和聚苯并咪唑，或它們的組合。在一些實(shí)施例中，駕駛員側(cè)部184的樹脂可以不同于基底120的乘客側(cè)部188中使用的樹脂。還應(yīng)當(dāng)理解的是，加強(qiáng)件150與它的駕駛員側(cè)部、中控面板部以及乘客側(cè)部154、158、162可以由與以上關(guān)于基底120所述的那些材料可比較的混雜復(fù)合材料制造。例如，加強(qiáng)件150的駕駛員側(cè)部154可以由具有設(shè)置在樹脂中的短切碳纖維的尼龍樹脂形成。乘客側(cè)部162可以由具有設(shè)置在樹脂中的短切玻璃纖維的尼龍樹脂形成。進(jìn)一步地，在承受較高應(yīng)力水平的區(qū)域的樹脂中的纖維——優(yōu)選短切碳纖維——的體積分?jǐn)?shù)比加強(qiáng)件150的其它區(qū)域或剩余區(qū)域的大。

仍然參照?qǐng)D2A，短切碳纖維和玻璃纖維在儀表板26的基底120中是分離的，使得碳纖維大體上集中在基底120的駕駛員側(cè)部184，并且玻璃纖維大體上集中在基底120的乘客側(cè)部188?；?20的中控面板部180大體由短切碳纖維和玻璃纖維二者組成。在一些實(shí)施例中，中控面板部180可以主要包括碳纖維或主要包括玻璃纖維。在其它實(shí)施例中，主要包含在駕駛員側(cè)部184中的碳纖維也可以部分地占據(jù)基底120的乘客側(cè)部188。 在進(jìn)一步的實(shí)施例中，主要在駕駛員側(cè)部184中的碳纖維也可以占據(jù)承受高應(yīng)力的部分基底120，無論乘客側(cè)或駕駛員側(cè)方向。例如，位于基底120或加強(qiáng)件150里面或上面的安全氣囊展開面可以包括用于附加的機(jī)械加強(qiáng)的較高百分比的碳纖維。基底120中的纖維——例如短切碳纖維和玻璃纖維——的分離允許基底120在有特別高強(qiáng)度需求的地方有選擇地使用較高強(qiáng)度纖維，例如碳纖維，例如用于支撐轉(zhuǎn)向柱68?；谙鄬?duì)于車輛14的駕駛員/乘客取向有選擇地使用高百分比的碳纖維，使得通過僅僅在需要的地方有效地使用更昂貴的碳纖維來節(jié)約成本。

在一些實(shí)施例中，在儀表板基底120的駕駛員側(cè)部和乘客側(cè)部184、188之間的界面處存在邊界區(qū)域240。邊界區(qū)域240包括在基底120的駕駛員側(cè)部和乘客側(cè)部184、188中使用的纖維和樹脂類型的混合物。邊界區(qū)域240內(nèi)的纖維的混合確保在由不同復(fù)合材料組成的基底120的部分之間存在整體的連接。在一個(gè)實(shí)施例中，邊界區(qū)域240可以橫跨或另外包含整個(gè)基底120的中控面板部180。在另一個(gè)實(shí)施例中，邊界區(qū)域240可以僅在基底120的中控面板部和乘客側(cè)部180、188之間，或在駕駛員側(cè)部和中控面板部184、180之間出現(xiàn)。邊界區(qū)域240也可以位于基底120中存在包含不同纖維分?jǐn)?shù)、纖維類型和/或樹脂的部分之間的界面的任何地方。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，駕駛員側(cè)部184可以具有樹脂中大約30％-40％體積分?jǐn)?shù)的短切碳纖維，乘客側(cè)部188可以具有樹脂中大約30％-40％體積分?jǐn)?shù)的短切玻璃纖維，以及中控面板部180或邊界區(qū)域240可以具有樹脂中大約15％-20％體積分?jǐn)?shù)的短切碳纖維和大約15％-20％體積分?jǐn)?shù)的短切玻璃纖維。在該結(jié)構(gòu)中，通過相對(duì)于基底120的其它部分具有高百分比的短切碳纖維，駕駛員側(cè)部184尤其被增強(qiáng)。

現(xiàn)在參照?qǐng)D2B-F所示的實(shí)施例，基底120的駕駛員側(cè)部被描述為具有設(shè)置在第一尼龍樹脂185中的多個(gè)第一短切碳纖維186?；?20的乘客側(cè)部188被描述為具有設(shè)置在第二尼龍樹脂189中的多個(gè)第一玻璃纖維190。如上所述，基底120內(nèi)的邊界區(qū)域240包括多個(gè)第一短切碳纖維186、多個(gè)第一短切玻璃纖維190、第一尼龍樹脂185以及第二尼龍樹脂189的混合物。加強(qiáng)件150包括設(shè)置在第三尼龍樹脂194中的多個(gè)第二短切碳纖 維193。風(fēng)道212包括設(shè)置在第四尼龍樹脂197中的多個(gè)第二短切玻璃纖維195。

根據(jù)一些實(shí)施例，除了在樹脂中包含短切纖維的部分之外，儀表板基底120和/或儀表板26的加強(qiáng)件150可以包含一個(gè)或多個(gè)預(yù)成型的纖維墊。預(yù)成型的纖維墊可以包括使用與在基底120的駕駛員側(cè)部和乘客側(cè)部184、188中使用的樹脂相同或不同的樹脂固定在一起的紡織或非紡織纖維。該墊也可包括具有與基底120的駕駛員側(cè)部和乘客側(cè)部184、188中使用的纖維不同尺寸的纖維。類似地，該墊的纖維可以是連續(xù)的或短切結(jié)構(gòu)。該墊的纖維也可以由具有與基底120的駕駛員側(cè)部和乘客側(cè)部184、188中使用的纖維的組分相同或不同的組分的材料組成。該墊可以被包含在具有高或低纖維體積分?jǐn)?shù)的基底120和/或加強(qiáng)件150的區(qū)域中。多個(gè)墊可以以不同取向被使用和分層以便進(jìn)一步提高基底120和/或加強(qiáng)件150在特定位置的機(jī)械性能。基底120中用于放置墊的示例性位置包括但不限于：轉(zhuǎn)向柱安裝區(qū)域196、安全氣囊總成開口208、雜物箱開口204、加強(qiáng)件150和基底120間的連接位置、以及與基底120的其它區(qū)域的應(yīng)力相比預(yù)期經(jīng)受更高應(yīng)力水平的其它位置。

包含碳纖維的混雜復(fù)合材料在基底120和加強(qiáng)件150中的使用使得車輛14被設(shè)計(jì)為和制造為沒有橫梁。常規(guī)橫梁是傳統(tǒng)上用于支撐車輛14的儀表板26和轉(zhuǎn)向柱68的厚金屬部件。除了給車輛14增加顯著的重量之外，橫梁占用了儀表板26背后的潛在的存儲(chǔ)空間，并妨礙乘客安全氣囊總成114和雜物箱總成110的布置。在沒有橫梁的情況下，車輛14可以實(shí)現(xiàn)更高的燃油效率，以及對(duì)儀表板26及其子組件的增強(qiáng)的設(shè)計(jì)自由度。

現(xiàn)在參照?qǐng)D2A和3所示的實(shí)施例，基底120整體限定基底肋狀部250并且加強(qiáng)件150整體限定加強(qiáng)件肋狀部254?；桌郀畈?50和加強(qiáng)件肋狀部254可以由基底120或加強(qiáng)件150的傾向于高應(yīng)力(例如，鄰近轉(zhuǎn)向柱安裝部196、雜物箱開口204、乘客安全氣囊開口208、在部件之間的連接點(diǎn)和/或邊界區(qū)域240)的任何部分限定。盡管基底120和加強(qiáng)件150的每個(gè)被描述為限定兩個(gè)肋狀部250、254，應(yīng)當(dāng)理解的是可以預(yù)期一個(gè)或多個(gè)肋狀部250、254?；桌郀畈?50設(shè)置在基底120的轉(zhuǎn)向柱開口192 的上方并且鄰近安裝區(qū)域196。加強(qiáng)件肋狀部254設(shè)置在加強(qiáng)件150的轉(zhuǎn)向柱孔166的上方。另外地或可供選擇地，基底肋狀部250和加強(qiáng)件肋狀部254可以分別設(shè)置于整個(gè)基底120和加強(qiáng)件150上?；缀图訌?qiáng)件肋狀部250、254是沿著基底和加強(qiáng)件120、150的駕駛員側(cè)部184、185延伸的連續(xù)的結(jié)構(gòu)，但還可以是不連續(xù)的或間斷式結(jié)構(gòu)?；桌郀畈?50僅在轉(zhuǎn)向柱開口192上延伸，但還可以延伸駕駛員側(cè)部184的整個(gè)長(zhǎng)度或整個(gè)長(zhǎng)度之間的任何長(zhǎng)度。與基底肋狀部250類似，加強(qiáng)件肋狀部254還可以在加強(qiáng)件150的駕駛員側(cè)部154的任何長(zhǎng)度上延伸。在其中基底120和/或加強(qiáng)件150限定不只一個(gè)肋狀部250、254的實(shí)施例中，肋狀部可以是離散結(jié)構(gòu)或以分支結(jié)構(gòu)連接并且間隔開。在所述的實(shí)施例中，基底肋狀部250彼此平行延伸，但還可以預(yù)期的是在平行和垂直之間的方向上變化。與有關(guān)基底肋狀部250所述的類似，加強(qiáng)件肋狀部254彼此也可以采用各種方向。

現(xiàn)在參照?qǐng)D3，基底肋狀部250和加強(qiáng)件肋狀部254沿著肋狀部250、254的長(zhǎng)度大體上是中空的。為了本發(fā)明的目的，“大體上中空”指的是肋狀部250、254很大程度上是沒有堵塞的，然而，可以預(yù)期的是在肋狀部250、254內(nèi)可以使用飛邊(flashing)以及加強(qiáng)幾何結(jié)構(gòu)，在不脫離本發(fā)明的精神的情況下這可能部分地阻塞肋狀部250、254。在形成基底120和加強(qiáng)件150的過程中分別形成基底肋狀部250和加強(qiáng)件肋狀部254。盡管大體上被描述為梯形形狀，基底和加強(qiáng)件肋狀部250、254可以是正方形、圓形或半圓形。在一些實(shí)施例中，可以通過接合基底120和加強(qiáng)件150的子組件形成肋狀部250、254。

在裝配狀態(tài)，基底肋狀部250和加強(qiáng)件肋狀部254配置為彼此結(jié)合以便將基底120和加強(qiáng)件150固定在一起。在所述的梯形結(jié)構(gòu)中，基底肋狀部250的表面結(jié)合到加強(qiáng)件肋狀部254的表面。在一些實(shí)施例中，基底肋狀部250和加強(qiáng)件肋狀部254可以配置為具有不只一個(gè)結(jié)合在一起的表面。另外地或可供選擇地，基底肋狀部250和加強(qiáng)件肋狀部254可以配置為聯(lián)鎖或緊密配合。例如，基底肋狀部250和加強(qiáng)件肋狀部254可以共同地限定按壓式緊固件、卡扣式緊固件或其它機(jī)械緊固突出物和孔。在非機(jī) 械的結(jié)合技術(shù)中，通過粘合劑結(jié)合、振動(dòng)焊接、熱板焊接、或其它化學(xué)和熱形式的接合來結(jié)合肋狀部250、254。在一個(gè)特別的實(shí)施例中，使用基于聚氨酯的粘合劑來結(jié)合肋狀部250、254。盡管僅被描述為在鄰近轉(zhuǎn)向柱開口192處結(jié)合，應(yīng)當(dāng)理解的是可以在沿著基底120和加強(qiáng)件150的二者都存在的任一點(diǎn)處結(jié)合基底肋狀部250和加強(qiáng)件肋狀部254。當(dāng)被結(jié)合在一起時(shí)，基底和加強(qiáng)件肋狀部250、254與風(fēng)道212和加強(qiáng)件150配合以便限定中空管256，中空管256可以起到類橫梁的作用，同時(shí)還用于通過儀表板26輸送空氣。

將肋狀部250、254整體地限定到基底120和加強(qiáng)件150允許在沒有成比例增加所用材料的數(shù)量的情況下增加基底120和加強(qiáng)件150的剛度。尤其在使用碳纖維的實(shí)施例中，材料的減少使用直接導(dǎo)致重量和成本節(jié)省。肋狀部250、254的三維結(jié)構(gòu)抵抗基底120和加強(qiáng)件150的彎曲，從而增加儀表板26的強(qiáng)度。另外地，通過將肋狀部250、254設(shè)置在傾向于高應(yīng)力的區(qū)域(例如，鄰近轉(zhuǎn)向柱安裝部196、雜物箱開口204、乘客安全氣囊開口208、和/或邊界區(qū)域240)，可以實(shí)現(xiàn)重量和成本節(jié)省，這是由于減少了需要使用的材料的數(shù)量。例如，在所述實(shí)施例中，加強(qiáng)件肋狀部254和基底肋狀部250的鄰近轉(zhuǎn)向柱68連接到儀表板26處的布置形成了加固連接，因此導(dǎo)致車輛駕駛員經(jīng)歷較少的噪聲、振動(dòng)和粗糙性。另外，將基底肋狀部250和加強(qiáng)件肋狀部254彼此結(jié)合形成了儀表板26的剛度的不成比例的增加并且允許基底120和加強(qiáng)件150協(xié)同地支撐轉(zhuǎn)向柱68，這降低了由該部件造成的噪聲、振動(dòng)和粗糙性。

現(xiàn)在參照?qǐng)D4，說明了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于形成儀表板26的注塑成型系統(tǒng)300，其包括加熱器302、泵304、控制器308、模具312、一對(duì)注塑管線316和氣體系統(tǒng)390。加熱器302熔化第一復(fù)合材料230和第二復(fù)合材料234，并且泵304對(duì)熔化的第一和第二復(fù)合材料230、234增壓并迫使熔化的第一和第二復(fù)合材料230、234穿過注塑管線316并通過連接口320進(jìn)入模具312。泵304能夠產(chǎn)生允許第一和第二復(fù)合材料230、234在高壓力和速度下被注入模具312的高流體壓力。每個(gè)注塑管線316與模具312上的其中一個(gè)連接口320接合使得第一和第二復(fù)合材料230、234可以 在不同位置進(jìn)入模具312。在系統(tǒng)300的一些實(shí)施例中，多于兩種的復(fù)合材料可以被注入模具312。在這些結(jié)構(gòu)中，注塑成型系統(tǒng)300可以包括用于每種材料的獨(dú)立的注塑管線316，并且模具312可以包含用于每條額外的注塑管線316的獨(dú)立的連接口320。氣體系統(tǒng)390配置為通過氣體管線394注入增壓氣體以及通過氣體噴嘴398將增壓氣體注入到模具312。

當(dāng)固化時(shí)，圖4中的第一和第二復(fù)合材料230、234適于形成最終部件，例如儀表板基底120和加強(qiáng)件150。第一復(fù)合材料230包括在第一樹脂內(nèi)的第一纖維材料。類似地，第二復(fù)合材料234包括在第二樹脂內(nèi)的第二纖維材料。因此，第一和第二纖維材料和第一和第二樹脂可以由任何結(jié)合儀表板基底120或加強(qiáng)件150公開的各自的纖維和樹脂組成。

再次參照?qǐng)D4，模具312具有A板324和B板328，每個(gè)板限定了大約二分之一個(gè)模具312的型腔332。A板324包括連接口320，第一和第二復(fù)合材料230、234通過該連接口320進(jìn)入模具312。A和B板324、328的每個(gè)包含二分之一個(gè)最終車輛部件(例如基底120、加強(qiáng)件150等)的壓痕，使得當(dāng)關(guān)閉模具312時(shí)，負(fù)壓痕限定具有接近最終部件的尺寸的模具型腔332。在一些實(shí)施例中，模具312可以包括鑲塊和/或子組件以幫助最終部件的形成。

如圖5A所示，當(dāng)模具312配置為形成基底120時(shí)，其具有適于形成基底120的各部184、180、188(圖2A)的駕駛員側(cè)部336、中控面板部340和乘客側(cè)部344。在注入熔化的第一和第二復(fù)合材料230、234的過程中，合模壓力施加于模具312上使得A板324和B板328被壓在一起。作用于模具312上的力阻止基底120上發(fā)生模具分離和飛邊。盡管圖5A中說明了處于關(guān)閉狀態(tài)，模具312可以通過分離A板324和B板328打開。當(dāng)模具312處于打開狀態(tài)時(shí)，基底120可以被排出，然后可以清洗模具312和型腔332。使用模具312的注塑成型系統(tǒng)300可以以上述的同樣的方式用于形成加強(qiáng)件150、集氣室支架220或各種其它適合由混雜復(fù)合材料制造的車輛部件。

現(xiàn)在參照?qǐng)D6，提供了配置為形成最終部件——例如儀表板26的基底120——的使用氣體輔助成型的方法360的原理圖。方法360包括六個(gè)主 要步驟，編號(hào)為步驟364、368、372、374、376和380。方法360開始于熔化第一和第二復(fù)合材料230、234的步驟364，緊跟著是準(zhǔn)備注塑成型系統(tǒng)300的步驟368。然后進(jìn)行將第一和第二熔化的復(fù)合材料230、234注入模具312的型腔332的步驟372。當(dāng)?shù)谝缓偷诙?fù)合材料230、234仍在熔化時(shí)，進(jìn)行將氣體注入到模具312的步驟374。然后進(jìn)行冷卻熔化的第一和第二復(fù)合材料230、234以形成最終部件——例如儀表板26的基底120——的步驟376。最后進(jìn)行將最終部件從模具312移除的步驟380。

參照?qǐng)D4-6，步驟364涉及在加熱器302中將第一和第二復(fù)合材料230、234加熱至足以熔化樹脂組分的溫度。隨著樹脂的熔化，泵304能夠迫使熔化的第一和第二復(fù)合材料230、234穿過注塑管線316并通過連接口320進(jìn)入模具312的型腔332。第一和第二復(fù)合材料230、234——尤其當(dāng)包含尼龍樹脂時(shí)——可以在100℃-400℃之間的溫度被注入，更優(yōu)選在210℃-275℃之間的溫度被注入。典型地使熔化的第一和第二復(fù)合材料230、234過熱至足夠高的溫度以阻止它們?cè)诘竭_(dá)型腔332之前在注塑管線316中過早固化。這里使用的術(shù)語“過熱”指的是第一和第二復(fù)合材料230、234的熔化溫度和注入溫度之間的溫度差。過熱也是必需的，以確保第一和第二復(fù)合材料230、234具有足夠低的粘度進(jìn)入型腔332的狹窄的區(qū)域。對(duì)于復(fù)合材料230、234，過熱可以在10℃-50℃之間。根據(jù)選擇用于復(fù)合材料230、234的組分、模具312的幾何結(jié)構(gòu)以及其它條件，其它注入溫度和過熱條件可以是合適的。

準(zhǔn)備注塑成型系統(tǒng)300的步驟368可以包括例如預(yù)加熱模具312、引導(dǎo)注入管線316，啟動(dòng)氣體系統(tǒng)390和/或?qū)㈩A(yù)裝配的一個(gè)或多個(gè)纖維墊放置到模具312的型腔332中。注入第一和第二復(fù)合材料230、234的步驟372可以具有5秒至30秒之間——更優(yōu)選10秒至20秒之間——的持續(xù)時(shí)間。其它持續(xù)時(shí)間可以適合于更復(fù)雜的模具型腔332的幾何結(jié)構(gòu)和/或復(fù)合材料230、234的較低熔化粘度的組分。在一些實(shí)施例中，可以同時(shí)發(fā)生熔化的第一和第二復(fù)合材料230、234的注入，而在其它實(shí)施例中，分別注入每種復(fù)合材料。在注入步驟372過程中，熔化的第一和第二復(fù)合材料230、234被注入到各自的模具312的駕駛員側(cè)部和乘客側(cè)部336、344(參 見圖5A)，從而使得纖維在最終部件——例如基底120——里面的實(shí)質(zhì)上分離。復(fù)合材料230、234也可以在型腔332的其它點(diǎn)被注入來產(chǎn)生需要的分離或其它性能。

特別參照?qǐng)D5A，其描述了在將第一和第二復(fù)合材料230、234注入模具312的型腔332的步驟372過程中的配置為生產(chǎn)基底120的模具312的橫截面。通過一系列澆口(未示出)注入第一和第二復(fù)合材料230、234。通過將第一和第二復(fù)合材料230、234注入到各自的型腔332的駕駛員側(cè)部和乘客側(cè)部336、344來填充型腔332。一旦進(jìn)入模具312，熔化的第一和第二復(fù)合材料230、234流暢地朝向彼此流過型腔332。一個(gè)或多個(gè)通風(fēng)裝置可以在鄰近中控面板部340或第一和第二復(fù)合材料230、234相匯的其它區(qū)域處被合并到模具312，以便可以從模具排出空氣。

現(xiàn)在參照?qǐng)D5B，在型腔332的預(yù)定位置，熔化的第一和第二復(fù)合材料230、234繼續(xù)朝向彼此流動(dòng)以結(jié)合形成邊界區(qū)域240。邊界區(qū)域240包括來自第一和第二復(fù)合材料230、234的纖維和樹脂的混合物，并可以具有1mm到50mm之間的寬度。通過設(shè)計(jì)模具312、注塑成型系統(tǒng)300的工藝參數(shù)以及選擇用于第一和第二復(fù)合材料230、234的特定組分來控制邊界區(qū)域240的位置和寬度。工藝參數(shù)可以由控制器308(圖4)控制。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，在注入步驟372過程中可以將多于兩種的具有不同組分的復(fù)合材料注入到型腔332。在該結(jié)構(gòu)中，在每個(gè)復(fù)合材料之間有邊界區(qū)域240，使得每個(gè)邊界區(qū)域240具有與其它的邊界區(qū)域不同的組分。一旦冷卻和固化第一和第二復(fù)合材料230、234，邊界區(qū)域240內(nèi)的樹脂和纖維的混合物在第一復(fù)合材料230和第二復(fù)合材料234之間建立了整體連接，從而將基底120或其它最終部件保持在一起。

特別參照?qǐng)D5C，在用第一和第二復(fù)合材料230、234填充模具312的過程中或之后，可以進(jìn)行注入增壓氣體的步驟374。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)熔化的第一和第二復(fù)合材料230、234進(jìn)入模具312時(shí)，第一和第二復(fù)合材料的一部分固化或部分地固化以便形成圍繞第一和第二復(fù)合材料230、234的靜止的熔芯的表層。通過使用注塑噴嘴410實(shí)現(xiàn)將氣體注入到第一或第二復(fù)合材料230、234。氣體系統(tǒng)390給經(jīng)過注塑噴嘴410并且進(jìn)入型 腔332的氣體增壓。將增壓氣體注入到熔化的復(fù)合材料230、234的芯使得當(dāng)?shù)谝缓偷诙?fù)合材料230、234被增壓氣體排開時(shí)形成氣隙414。同時(shí)，增壓氣體迫使第一和/或第二復(fù)合材料230、234的固化和部分固化的表層呈現(xiàn)模具312的形狀。隨著通過注塑噴嘴410注入更多的氣體，氣隙414膨脹。在其中注塑噴嘴410鄰近基底或加強(qiáng)件肋狀部250、254設(shè)置的實(shí)施例中，氣隙414拉長(zhǎng)并且形成肋狀部250、254的大體中空部。氣體系統(tǒng)390可以增壓或注入包括惰性氣體(例如雙原子氮、二氧化碳、惰性氣體)、增壓氣體或它們的組合的多種的氣體。可以注入具有大約在500磅/平方英寸至大約8000磅/平方英寸之間壓力，以及更優(yōu)選地在大約1000磅/平方英寸至大約4000磅/平方英寸之間的壓力的氣體。注入的氣體的溫度可以在100℃和400℃之間，更優(yōu)選地在210℃和275℃之間?？梢栽诖蠹s0.1秒和大約20秒之間進(jìn)行氣體注入。此外，可以將氣體注入到整個(gè)模具312的多個(gè)位置以便形成復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。

再次參照?qǐng)D4-6，當(dāng)模具312被保持在壓力下和冷卻時(shí)，發(fā)生冷卻熔化的第一和第二復(fù)合材料230、234以便形成最終組件(例如基底120)的步驟376。模具312可以被水冷卻或可以被空氣冷卻以便促進(jìn)最終部件的固化。在固化基底120之后，打開模具并且通過致動(dòng)一系列頂桿(ejection pin)(未示出)來進(jìn)行移除最終部件的步驟380，以便從模具312的B板328排出最終部件。

應(yīng)當(dāng)理解的是在沒有脫離本發(fā)明的構(gòu)思的情況下可以對(duì)上述結(jié)構(gòu)作出改變和變化。例如，本發(fā)明的混雜復(fù)合材料及其制造方法可以同樣適用于機(jī)動(dòng)車輛的格柵。例如，混雜復(fù)合材料格柵的附著點(diǎn)需要短切碳纖維形式的額外加強(qiáng)并且氣隙可以提供安裝孔。進(jìn)一步應(yīng)當(dāng)理解的是這樣的構(gòu)思旨在被以下權(quán)利要求覆蓋，除非這些權(quán)利要求通過它們的文字明確另外說明。