CN109715424A - 由片状模塑复合树脂转移成型组件形成的复合车门组件 - Google Patents

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Abstract

一种轻质且简化的车门组件，设置有四个主要部件，围绕窗口定位的上框架、内框架结构、外车身板以及复合增强部件。复合增强部件为侧面撞击横梁以及上门增强件、前门柱增强件和后门柱增强件提供一体化解决方案。复合增强部件用于加强整体门结构，提供对侧面撞击的抵抗力，以限制对乘客舱的侵入，并通过保持车辆A和B支柱之间的间距(用于前门)且用于后门的支柱C和D之间的间距提供对正面碰撞的抵抗力。其中没有窗框的轿跑车门可以用复合增强部件加固。复合增强部件可具有连续或短切纤维。

Description

由片状模塑复合树脂转移成型组件形成的复合车门组件
相关申请的交叉引用
本申请主张于2016年9月9日提交的序列号为62/385,493的美国临时专利申请的优先权，其内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明通常涉及车辆构造，并且涉及具有复合增强部件的四件式门组件。
背景技术
使用纤维内含物来增强基质是本领域公知的。用于加强基质的良好建立机制包括减缓和延长通过基质的裂纹扩展路径，以及与从周围基质材料中拉出纤维相关的能量分布。在片状模塑组合物(SMC)配方、团状模塑组合物(BMC)配方以及树脂传递模塑(RTM)的背景下，纤维增强传统上涉及使用短切玻璃纤维。在模塑组合物领域中，越来越多的人认识到，用碳纤维部分或全部替代模塑组合物中的玻璃纤维可以提供改进的组分性能；然而，包括不同层的结合、纤维流动、纤维表面能和所得部件的表面质量的技术问题仍然存在。
在复合材料、片状模塑组合物和树脂传递模塑(RTM)中，与使用玻璃纤维增强材料相比，使用碳纤维具有较低重量的成型部件。碳纤维增强材料实现的重量减轻源于碳的密度低于玻璃，并且在给定厚度下产生更坚固和更硬的部件。
在基于汽车、运输以及物流的工业中，减重已成为主要关注点，以便为地面和空中运输制造更节省燃料的车辆。在车辆部件中，使用碳增强复合材料减重有助于这些行业实现有意义的减重效果。然而，高质量的表面光洁度(high quality surface finishes)，例如汽车工业中具有高表面光泽的A级表面，通常仅通过高度定制的树脂配方获得，该树脂配方包括玻璃纤维，例如和TCA树脂可从Continental StructuralPlastics，Inc.商购获得，用于SMC或RTM，或例如铝及其合金的金属。车辆表面面板通常需要A级表面：车门、发动机罩、四分之一面板、行李箱、车顶结构、保险杠等，其在车辆中构成相当大的重量。
此外，在减轻车身板的连续过程中，钢的厚度减小，然后用较低密度的材料如铝和树脂基材料取代。有证据表明，铝具有一些有利于树脂基车身制品的局限性。现在看来，实现更轻的车身板所需的厚度的铝的材料成本、成形成本和抗拉强度产生了集体限制。相比之下，树脂基制品可以通过改变树脂化学过程和添加剂来定制，以满足一系列要求。另外，虽然复杂形状的金属成形需要几个步骤，但精心设计的模具可以在一个单一步骤中赋予复杂的形状。
目前，由于门组件的复杂几何形状，乘客车门由许多必需的子组件构成。图1示出了分别用于前门12和乘客门14的共用侧面撞击杆16和18。侧面撞击杆也称为防入侵杆或梁，是一种被动安全装置，其设计用于保护乘客免受侧面撞击。侧面撞击特别危险，因为撞击的位置非常靠近乘客，通过被撞击车辆可以立即到达乘客。侧面撞击杆的作用是吸收碰撞车辆的动能，该动能部分地转换成碰撞中涉及的构件的内部工作。
构建乘客车门所需的许多子部件增加了制造时间和成本，并且随着时间的推移降了门组件的整体可靠性。此外，门的典型总重量超过15千克。如前所述的车辆制造商总是希望减轻组件，同时还保持或改善车辆乘员的安全性。
因此，需要一种门设计，其利用复合材料来降低门组件的重量，同时提高安全性能和可制造性。
发明内容
提供了一种车门组件，其包括上框架、与上框架机械连通的内框架结构、外车身板以及位于外车身板和内框架结构之间的复合增强部件。复合增强部件提供对侧面撞击的抵抗力，从而限制对乘客舱的侵入。复合增强部件用连续或短切纤维增强，其中连续或短切纤维为玻璃、碳、纤维素材料或其组合中的至少一种。复合增强部件可以通过冲压或树脂传递模塑(RTM)形成。
附图说明
参考以下附图进一步详细说明本发明，这些附图旨在示出本发明的某些方面，但不应解释为对本发明的实践的限制。
图1为现有技术的乘客车门组件，示出了侧面撞击杆；
图2为根据本发明实施例的具有复合增强部件的门组件的分解图；
图3为根据本发明的实施例中图2使用的复合增强部件的放大透视图；以及
图4为典型的车身板密封凸缘的横截面，根据本发明的实施方案，其中玻璃纤维基的A级外板结合(粘合剂，环氧树脂等)或固定在碳或混合纤维基的结构内板的结合凸缘上。
具体实施方式
与图1所示的现有技术门组件相比，本发明可用于形成轻质且简化的车门组件。本发明的门组件的实施例将车门的设计简化为四个主要部件，位于窗户周围的上框架、内框架结构、外车身板以及复合增强部件。本发明的复合增强部件的实施例提供了一种用于侧面撞击横梁以及上门加强件、前门柱加强件和后门柱加强件的一体化解决方案。复合增强部件的实施例用于加强整个门结构，提供限制侵入乘客舱的侧面撞击的抵抗力，并通过保持车辆A和B柱(用于前门)之间的间隔和用于后门的C和D柱之间的间隔来提供对正面撞击的抵抗力。可以理解的是，基于本发明，很容易制造出没有窗框(例如Corvette)的轿跑车门(a coupé vehicle door)。
复合增强部件的实施方案可具有连续或短切纤维。增强纤维说明性地包括玻璃、碳、纤维素材料及其组合。复合增强部件可以通过冲压或树脂传递模塑(RTM)形成。应注意的是，与由多于四个部件形成的钢中的等效传统构造相比，本发明的复合增强部件的实施例可模制为单个统一件。复合增强部件的实施例与门组件兼容，其中仅完整门中的一部分由复合材料形成，诸如内框架结构、外车身板和/或上框架，传统的钢或铝结构形成其余门部件。
现在参考附图，图2示出了本发明的车门组件50的分解图，其具有三个主要部件，组合的上框架结构和内框架结构52、复合增强部件56以及外车身板54。
图3为根据本发明的实施例的图2中使用的复合增强部件56的放大透视图。复合增强部件56的上部60为门组件50的上框架52部分提供加强，并且提供对正面撞击和所产生的压缩力的更好抵抗力。复合增强部件56的左侧62增加了门组件50在锁定区域和侧横梁64中的刚度。侧横梁64的主要功能是在侧面碰撞意外中保护驾驶员或乘客。复合增强部件56的右侧66增加了门组件在铰链区域中的刚度，该铰链将门固定到车框架上，并且增加了侧横梁64的刚度。
在具体实施方案中，在外车身板54中用短切和分散的玻璃纤维增强的组件可以具有减重玻璃微球，其通过粘合剂或机械紧固件连接到在树脂传递模塑(RTM)形成的环氧基质中用分散的碳纤维或者碳、玻璃和天然纤维的组合增强的第二固化层。本发明的实施例可以具有使用A级光洁度SMC形成的外层车身板54，说明性地包括可从如共同拥有的美国专利公开号2005/0182205中所公开的Continental Structural Plastics，Inc商购的树脂，以及具有如美国专利9,018,280中所公开的空心玻璃微球，这两篇专利都包括在本文中。
应注意的是，虽然玻璃纤维在外板层54中主要作为纤维填料，但可存在较少量的碳或天然纤维。
车门组件50的实施例可以由SMC外部54形成，并且碳纤维或混合纤维环氧树脂RTM内部(52,56)提供以下性能，包括：比铝轻10-15％的组件，比以前的车身部位结构更具成本效益，并增加了设计灵活性。
在某些发明实施方案中，模塑组合物的固化内部部分主要用短切碳纤维增强，与主要用玻璃纤维增强的第二片状模塑组合物的固化外皮连接，其中外表面具有汽车表面质量光洁度，例如A级光洁度(class-A finish)。如本文所用，A级表面光洁度与汽车制造商的外部车身面板所需的表面光泽和反射率相关。在一个实施方案中，固化的内部部分基本上不含玻璃纤维，而外皮基本上没有短切碳纤维。
本文所用的“A”级表面定义为固化的SMC或BMC材料，其适于根据ASTM D523涂覆至常规生产新车辆的表面光泽度。含有不饱和聚酯树脂、热塑性添加剂、有机过氧化物、抑制剂、填料、脱模剂和颜料的这种材料由Continental Structural Plastics，Inc.以商品名出售。
如本文所用，“模塑组合物”是指SMC、BMC和RTM树脂配方，其适于装载玻璃或碳的短切纤维。
在一个特定的发明实施方案中，模塑组合物中的碳纤维存在于车门组件的内层中，含有10-40％重量的内层的碳纤维，具有SMC的外皮层，基于商业上可获得的或TCA(Continental Structural Plastics，Inc)，其含有玻璃纤维，含有占部分10-60％重量的玻璃纤维，如美国专利7,655,297。内部部分与外皮的厚度比率范围为01-10：1。得到的SMC内部部分层和外皮层分别铺设、成形和固化，然后将两层连接起来形成一个部件。这种具有含碳纤维的内部部件(52,56)的门部件的密度比完全由或其他A级表面光洁度树脂形成的同类制品低10％、20％、30％甚至40％。以这种方式，形成轻质制品，其保持A级表面的高表面光泽。可以理解的是，门组件中的给定部件可以包括碳纤维和玻璃纤维的组合，以及其他类型的纤维，例如天然纤维素纤维，其说明性地包括椰子纤维，附带条件是限制其他类型纤维的装载，使得玻璃纤维主要存在于外表面板54中，并且碳纤维主要存在于内框架/结构部件(52,56)中。这里使用的主要存在的给定类型纤维是指，纤维类型占该层中存在的纤维总重量的50％以上。在某些实施方案中，每层是给定类型纤维的100％，而在其他实施方案中，主要纤维在51％至99％之间。
应当理解的是，在提供一系列值的情况下，该范围不仅包括范围的终点值，而且还包括该范围的中间值，明确地包括在该范围内并且随该范围的最后有效数字而变化。举例来说，1至4的范围旨在包括1～2、1～3、2～4、3～4和1～4。
在另一个发明实施方案中，碳纤维分散在甲基丙烯酸甲酯单体基的模塑组合物中。制备模塑组合物配方的其它合适单体说明性地包括不饱和聚酯、环氧树脂及其组合。环氧树脂基的模塑组合物配方说明性地包括基于双酚A和酚醛清漆(Novolac)的5环氧封端树脂。用于这种环氧基模塑组合物配方的合适固化剂说明性地包括酸酐，例如偏苯三酸酐、甲基四氢邻苯二甲酸酐(MTHPA)、纳迪克甲基酸酐(NMA)、二官能和三官能胺、以及它们的组合。
在本发明的另一个发明实施方案中，碳纤维分散在模塑组合物单体或含有单体的溶液中，相对极性大于0.26，并且在某些实施方案中大于0.5，并且在另一些实施方案中，在0.5和0.8之间。相对极性根据Christian Reichardt，Solvents and Solvent Effects inOrganic Chemistry，Wiley-VCH，第3版，2003定义。
在另一个发明实施方案中，与玻璃纤维增强物形成的相似层相比，在固化之前将碳纤维分散在模塑组合物配方中，得到增强的SMC、BMC或RTM固化制品，其总体密度较低，并且纤维的负载重量百分比较低。另外，通过使用偶联剂，实现优异的拉伸强度。
在某些创造性实施例中，在合适的大气条件下施加热量，以在与模塑组合物接触之前除去碳纤维表面上的任何施胶或其它常规表面涂层，所述模塑组合物在固化时形成含有碳纤维的基质。在其他本发明的实施方案中，在惰性或还原性气氛下施加热量，以促进施胶剂从芯碳纤维中热解。应理解的是，再循环碳纤维可用于本发明的两件式车辆部件中。
由于从各自的线性热膨胀系数(CLTE)已知碳比玻璃更好地散热，主要由碳纤维填充的层比其他主要由玻璃纤维填充的类似层冷却得更快。对于较薄的碳纤维填充层，固化后动态冷却的这种差异是复合的，使得它们特别容易翘曲。因此，由于主要由玻璃纤维填充的层和主要由碳填充的层之间在CTLE和材料刚度的差异，接合粘合剂必须具有特殊的延伸能力，以补偿在-40至140°F(-40至60℃)的温度范围内、甚至高达400°F(205℃)，与固化条件和层的热接合有关的接合层的差异CTLE。在具体的发明实施方案中，弹性体粘合剂可用于将内层粘合到外层。本文可用于连接本发明部件的不同层的弹性粘合剂说明性地包括氨基甲酸酯(urethanes)、环氧树脂及其组合。在某些发明实施例中，对于本发明的两件式结构，结合凸缘(bonding flange)厚度自1/4-1/2英寸(0.63-1.27cm)增加，用于将类似纤维填料层连接一起至1-1.5英寸(2.54-3.81cm)。
在一些发明实施例中，外板54中使用的微球体(microspheroids)的平均直径在12和45微米之间。在其他发明实施方案中，微球体的外部尺寸为16至45微米。通常，将微球体自所得配方的2至20％重量装载到基础SMC或BMC A级配方中。添加到给定模塑组合物配方中的微球体的具体量取决于包括所需制品密度、微球体尺寸分布和平均颗粒尺寸、所需制品强度、所需制品收缩和所需制品表面光滑度的因素。
在本发明特别优选的实施方案中，微球体用粘附于微球状表面的表面涂层预处理。
微球体表面易于衍生化以在固化期间与周围的树脂基质结合。所得制品表现出改善的物理性能。
用于微球体的一种表面衍生物为杂原子功能性封端的热塑性涂层(heteroatomfunctionally terminated thermoplastic coating)。含杂原子的封端说明性地包括叔胺-，羟基-，亚胺-或氰基-基团(moiety)。应理解的是，在本领域已知的适当固化条件下，这些基团能够在固化过程中与基质树脂组分反应，以进一步增强固化制品。容易制备叔胺封端的热塑性塑料。D.H.Richards，D.M.Service and M.J.Stewart，Br.Polym.J.16,117(1984)。代表性的叔胺封端的热塑性塑料可从Noveon以商品名ATBN 1300X 21商购获得。
与玻璃微球体结合的表面活化剂为烷氧基硅烷，其中硅烷与微球体的二氧化硅表面反应。用于微球体的代表性烷氧基硅烷表面活化剂说明性地包括：
3-氨基丙基三甲氧基硅烷(3-aminopropyltrimethoxysilane)、3-氨基丙基三乙氧基硅烷(3-aminopropyltriethoxysilane)、3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷(3-glycidoxypropyltrimethoxysilane)、3-缩水甘油氧基丙基三乙氧基硅烷(3-g1ycidoxypropyltriethoxysilane)、(3-缩水甘油氧基丙基)双(三甲基甲硅烷氧基)甲基硅烷((3-g1ycidoxypropyl)bis(trimethylsiloxy)methylsilane)、(3-缩水甘油氧基丙基)甲基二乙氧基硅烷((3-glycidoxypropyl)methyldiethoxysilane)、(3-缩水甘油氧基丙基)二甲基乙氧基硅烷((3-glycidoxypropyl)dimethylethoxysilane)、(3-缩水甘油氧基丙基)甲基二甲氧基硅烷((3-glycidoxypropyl)methyldimethoxysilane)、甲基丙烯酰氧基甲基三乙氧基硅烷(methacryloxymethyltriethoxysilane)、甲基丙烯酰氧甲基三甲氧基硅烷(methacryloxymethyltrimethoxysilane)、甲基丙烯酰氧丙基二甲基乙氧基硅烷(methacryloxypropyldimethylethoxysilane)、甲基丙烯酰氧丙基二甲基甲氧基硅烷(methacryloxypropyldimethylmethoxysilane)、甲基丙烯酰氧丙基甲基二甲氧基硅烷(ethacryloxypropylmethyldimethoxysilane)、甲基丙烯酰氧丙基三乙氧基硅烷(methacryloxypropyltriethoxysilane)、甲氧基甲基三甲基硅烷(methoxymethyltrimethylsilane)、3-甲氧基丙基三甲氧基硅烷(3-methoxypropyltrimethoxysilane)、3-甲基丙烯酰氧丙基二甲基氯硅烷(3-methacryloxypropyldimethylchlorosilane)、甲基丙烯酰氧丙基甲基二氯硅烷(methacryloxypropylmethyldichlorosilane)、甲基丙烯酰氧丙基三氯硅烷(methacryloxypropyltrichlorosilane)、3-异氰酸酯丙基二甲基氯硅烷(3-isocyanatopropyldimethylchlorosilane)、3-异氰酸酯丙基三乙氧基硅烷(3-isocyanatopropyltriethoxysilane)、双(3-三乙氧基硅丙基)四硫化物(bis(3-triethoxysilylpropyl)tetrasulfide)、及其组合。在一些发明实施方案中，硅烷表面活化剂包括在自由基交联条件下具有反应性的烯属不饱和部分(an ethenically unsaturatedmoiety)，以便与中空玻璃微球共价键合到周围的A级SMC或BMC基质上。
图4是典型的车身板密封凸缘的横截面，其中根据本发明的实施例玻璃纤维基的A级外层54结合70(粘合剂，环氧树脂)或固定在碳纤维基结构内部部件(52,56)的结合凸缘72处。车辆通常围绕框架构造，其中车辆已经完成表面板，该表面板固定或结合至子结构以形成车身板，该车身板设计成附接到框架的不规则表面。结合凸缘72遵循相应的密封承载表面。结构内部部件(52,56)的“帽”部分74延伸以到达并附接到框架(未示出)。
前面的描述是对本发明的特定实施例的说明，但并不意味着对其实践的限制。以下权利要求，包括其所有等同物，旨在限定本发明的范围。

Claims (14)

1.一种车门组件，包括：
上框架；
内框架结构，与所述的上框架机械连通；
外车身板；以及
复合增强部件，位于所述的外车身板和所述的内框架结构之间。
2.根据权利要求1所述的车门组件，其特征在于，所述的复合增强部件提供对侧向撞击的抵抗力，以限制对乘客舱的侵入。
3.根据权利要求1所述的车门组件，其特征在于，所述的复合增强部件通过分别保持车辆前门或后门的支柱A和B或支柱C和D之间的间距来提供对正面撞击的抵抗力。
4.根据权利要求1所述的车门组件，其特征在于，所述的复合增强部件用连续或短切纤维增强。
5.根据权利要求4所述的车门组件，其特征在于，所述的连续或短切纤维为玻璃、碳、纤维素材料或其组合中的至少一种。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的车门组件，其特征在于，所述的复合增强部件通过冲压或树脂传递模塑(RTM)形成。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的车门组件，其特征在于，所述的复合增强部件模制为单件。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的车门组件，其特征在于，所述的复合增强部件与门组件兼容，其中仅一部分的门组件由复合材料形成，所述的内框架结构、外车身板、或上框架中的至少一个由钢或铝制成。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的车门组件，其特征在于，所述的复合增强部件的上部为所述的门组件的上框架部分提供增强。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的车门组件，其特征在于，所述的复合增强部件的左侧增加所述的门组件在锁定区域中的刚度和车辆的侧横梁的刚度，其中所述的侧横梁为所述的复合增强部件的下部。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的车门组件，其特征在于，所述的复合增强部件的右侧增加所述的门组件在铰链组的区域中的刚度和车辆侧横梁的刚度，所述的铰链组将所述的门组件固定到车辆的框架，所述的侧横梁为所述的复合增强部件的下部。
12.根据权利要求1至5中任一项所述的车门组件，其特征在于，所述的复合增强部件执行用于侧面撞击横梁、上门增强件、前门柱增强件和后门柱增强件的一体化解决方案。
13.根据权利要求1至5中任一项所述的车门组件，其特征在于，所述的上框架围绕窗口定位。
14.根据权利要求1至5中任一项所述的车门组件，其特征在于，所述的上框架确定轿跑车门的顶部。
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