CN1098178C - 汽车的踏脚板 - Google Patents
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Abstract
本发明的汽车两旁踏脚板具有可承受此类零件通常要经受的静力和动态负荷的结构完整性。该踏脚板按其外形设计和组成踏脚板的零件(即中空吹塑外壳和泡沫塑料芯件)方面都具有特定的结构特征，例如，泡沫塑料芯件的密度为100～150kg/m3，它具有足够的弹性故在预定大小的负荷去除后可使零件大致回复至原先的形状。
Description
本发明涉及汽车用的具有改进的压力挠度的全塑料踏脚板。
在汽车制造业中，用塑料制造的各种零部件日益增多。用塑料而不用钢来制造车辆零件有利于减轻车辆重量并降低成本。承受静力和动态负荷的车辆零件一般是至少有某些部分必须用金属来制造。例如，虽然目前或以前汽车用的一些踏脚板用了一些塑料例如玻璃纤维增强树脂，但是，这类塑料是与在这种踏脚板中起主要结构件作用的钢或木料结合使用的。本发明的踏脚板除了用于将它固定到车辆上的金属托架外，仅用塑料来制造。
本发明的踏脚板具有可承受此类零件经常要承受的静力和动态的负荷的结构完整性。例如，脚踏板除了要承受人踏在其上时所产生的正应力以外，还要承受由于车辆开动尤其是爬坡和下坡包括在道路或者说公路上常发生的撞击时所产生的激振力。当踏脚板和踏脚板系统的支架包括与车辆的连接器承受上述负荷时，踏脚板系统都会作出一种反应，这种系统对外力的反应取决于该系统的自然频率和阻尼作用，并且取决于激振力的频率和幅度。如果谐波激振的一个频率与系统的自然频率之一相重合，振动振幅就会很大，可能大到足以损坏踏脚板系统。系统的自然频率是与踏脚板的刚性和惯性有关的动力学特性。本发明的踏脚板设计成具有阻尼效应，以防止踏脚板系统对所受激振力的反应振幅过分增大。
除了按照踏脚板的外形进行结构设计以外，组成踏脚板的零件即中空吹塑的外壳和泡沫塑料芯件还具有特定的结构性能、弹性性能、抗化学腐蚀性能以及使该系统在极冷和极热的情况下能满意地工作所要求的其他特性。上述的外壳应具有良好的抗化学腐蚀性。
例如采用聚碳酸酯/聚酯工程热塑料中空吹塑的外壳及密度为110～150kg/m3、并具有足够弹性的泡沫塑料芯件可使零件在预定大小的负荷去除后大致回复到原来的形状。如果泡沫塑料的密度太高，那么它在弯曲时就会产生永久变形。
由Bayer公司制造和出售的Bayfill EA4007是一种特别满意的泡沫塑料。重要的是，正如下面的实例所示，泡沫塑料应具有良好的热动力学性能。另外，EA4007泡沫塑料的热机械分析表明，在开始相转变的113℃下，其穿透率为1％，而现有技术的泡沫塑料在80℃的穿透率使达到1％，在150℃下则显著增加，这可以说明为什么本发明的泡沫塑料意外地具有比一般的现有技术的泡沫塑料好得多的热动力学性能。
按照ASTM D 3774E的方法测试不同密度的Bayfill EA4007聚氨酯吸能泡沫塑料的抗拉强度和延伸率如下：
密度，kg/m3 抗拉强度，KPa 延伸率％
112 1409 6.3
120 1519 6
128 1609 5.9
140 1783 5.5
150 1910 5.25
这种EA 4007泡沫塑料是一种刚性的或者说结构用的聚酯泡沫塑料。它是由两种液体即聚异氰酸酯和多元醇混合物的反应产物构成的，多元醇混合物是可含有聚羟基化合物、胺、催化剂、表面活化剂、颜料、防燃剂、填料和水的混合物。多元醇混合物的组分可使泡沫塑料具有所需的物理性质和加工特性。
可用于中空吹塑外壳的塑料有很多种。除了上述优选的聚碳酸酯/聚酯工程热塑性塑料以外，许多其他具有类似性能的工程热塑性塑料都可以用。
本发明的踏脚板组件的最后一种主要零件是支承踏脚板，使之在经受预定负荷时是有最小挠度的托架(最好是用金属托架)。对于特定的踏脚板的横截面尺寸和形状(包括泡沫塑料芯件的横截面尺寸)而言，支承它的托架之间的间距应不大于预定值。外壳和芯件的模制方法和所用的材料应使外壳完全充填之。
下面参看附图详细说明本发明，附图中：
图1是分解透视图，示出本发明的踏脚板和汽车的局部以及将踏脚板固定到车辆上的托架；
图2是沿图1的2-2线的剖视图；
图3是沿图1的3-3线的剖视图；
图4是类似于图1的透视图，示出改型的具有不同横截面形状的踏脚板和所用的不同结构的安装托架；
图5是沿图4的5-5线的剖视图；
图6是另一个实施例的踏脚板的剖视图；
图7是分解透视图，示出本发明的踏脚板和打开的两半模，该两半模构成的模腔与踏脚板的外表面相吻合；
图8是正视的局部剖视图，示出将可发泡的芯料引入置于合闭的模型内的中空吹塑的外壳内的情况；
图9是示出用于本发明汽车零件的所发明的泡沫塑料的改进的压力-挠度曲线图；
图10也是示出用于本发明汽车零件的所发明的泡沫塑料的改进的压力-挠度曲线图；
图11示出本发明的改进的热机械分析性能。
参看图1～3，图中示出适用于汽车V的踏脚板10，该踏脚板10借助多个金属托架30固定在侧板20上。上述踏脚板10具有一个按中空吹塑法制成的外壳12和一个位于内部的富有弹性的闭孔型泡沫塑料芯件14，该泡沫芯件至少有85％的孔是封闭的。外壳12最好用聚碳酸酯/聚酯工程热塑性塑料(例如GE塑料公司出售的GE Xenoy1402B)制成。芯件14是一种闭孔型聚氨酯吸能泡沫塑料，最好是一种刚性的或者说结构用的聚氨酯泡沫塑料(例如Bayer公司出售的Bayfill EA4007)。正如下面将要详述的那样，制造芯件14是通过将可发泡的塑料例如吸能的聚氨酯泡沫塑料以液态注射到预先按中空吹塑法制成的或者其他方法制成的具有内表面12A和外表面12B的外壳12中，并使这种液体在该外壳12的内腔中的原位发泡，以充满由上述内表面12A所界定的内腔。制造外壳12和芯件14的材料的性能最好是这样的：不管在闭孔型聚氨酯膨胀时外对壳12的内表面12A产生的热量和压力如何，芯件14的泡沫塑料都会适宜地粘在或者说附着到内表面12A上。外壳12具有足够的厚度和刚度以承受聚氨酯发泡过程中在其内部产生的热量和压力。业已证明，外壳12的平均壁厚为3.5mm时是满意的。
踏脚板10从第一端23延伸到第二端25，并具有成形的沟槽16，如图1和2所示，该沟槽16在踏脚板10安装在车辆V上时是向上敞开的。设置沟槽16的主要目的是形成一个承接和固定踏垫(未示出)的凹部。沟槽16具有一对隔开的侧壁16A和一个跨层在侧壁16A之间的底部16B，在图2所示的通过踏板横截面上，沟槽16的横截面具有稍带弯曲的形状。沟槽16(更具体地说，是隔开的沟槽侧壁16A)提供一定的强度来抵抗来自上部的由于人的脚踏在踏脚板组件上产生的从上朝下的负荷造成的弯曲。沟槽16从第一端17延伸到第二端18。
外壳12必须具有足够的宽度，以方便地承接人踏在踏脚板10上的脚。例如，在图1所示实施例中，外壳12在托架30之间区域内从最外端至另一个最外端的例如处于线2-2上的宽度为103～104mm。
为了使踏脚板具有足够的强度同时又兼有所需的弹性，泡沫塑料芯件14在其位于托架30上以及托架30之间的区域内必须具有足够大的横截面尺寸。图1所示实施例的踏脚板10在外壳12的外表面上的上述区域内的总厚度约为53mm。考虑过外壳的厚度、和沟槽16的设置以及大致为椭圆形的形状之后，泡沫塑料芯件的横截面积确定为36～37cm2。
使用多个互相隔开的踏脚板10的下部的托架30将踏脚板固定到车辆V上。
重要的是，托架30本身要具有足够的强度和刚度以支承作用在踏脚板上的预定的负荷而不发生明显弯曲，因为托架的过度弯曲会使踏脚板发生过度弯曲并可能发生永久变形，这就会引起用户不满意。当作用在表面中部的支承踏脚板10的单个托架上的直接负荷为614磅时，托架在其端部测量的弯曲量不应大于5mm。实际的极限表明。对于具有上述厚度、宽度、和泡沫芯件截面尺寸以及所需其他性能的踏脚板10来说，从一个托架30的中心线至另一托架的中心线之间的最大间距为483mm(19英寸)，更大的间距可能使踏脚板在承受最大设计负荷时其位于托架之间的各部分发生过度弯曲并可能产生永久变形。因此，踏板组件和多个托架共同形成一个能够满足汽车使用所需的严格要求的商业上满意的装置。
下面参看图4和5，图中示出一种改型的踏脚板50，该踏脚板50具有一个中空吹塑的外壳52和一个内部的富有弹性的闭孔型泡沫塑料芯件54，可借助多个金属托架60将它固定在汽车V的侧板20上。在此实施例中。金属托架60的形式不同于图1～3的实施例所示的托架30。根据踏脚板的长度，可设置4个或更多的托架60，而不是图1和4分别所示的3个金属托架30和60。本实施例的踏脚板50与图1～3所示的踏脚板相似，但它具有一个基本上是平的或者说平面的底部56。踏脚板50的厚度比图1实施例的踏脚板10稍大些，它的由托架60支承的位于托架之间的区域的横截面尺寸约为41～42cm2。
下面参看图6，图中示出另一种踏脚板80的实施例，该踏脚板80具有一个用中空吹塑法或其他方法制的外壳82和一个泡沫塑料芯件84，其横截面下部的形状具有带肋的特征，踏脚板80具有并列的3条向内伸入由泡沫芯塑料件84所占的空穴并从底部向上凸出的肋。中心肋85A从一对隔开的长形支腿87向上伸出，一对位于中心肋85A两侧的较深的外肋85B分别从各支腿87向上向外伸出。踏脚板80的上部设置一个如上所述的用于承接踏垫的沟槽91。
外壳82的轮廓具有一个从每个外肋85B向下向外张开延伸的壁88，每个壁88向外张开至与弯曲侧壁90相连接的外支腿89处而形成向下伸出的外肋。
肋85A和85B与向外张开的壁88和支腿89为外壳82提供更大的刚度。结果，泡沫塑料芯件84的横截面尺寸可比图2和5所示实施例的泡沫塑料芯件的尺寸小，但仍可制成满足所需目标性能的踏脚板。因此，泡沫芯件84的横截面积定为30cm2左右。
下面参看图7和8，图中示出一种可分开两半即具有第一半模41和第二半模42的模具40，上述两个半模用铰链43连接起来，以便可像图7那样打开并像图8那样关闭。第一半模41内做出模腔45，第二半模42内做出模腔46，一个尺寸与外壳12的沟槽16紧密匹配的长肋47伸入第一半模41的模腔45内。当两个半模41和42合闭时，模腔45和46共同构成一个尺寸和形状正好接纳外壳12的腔室。第一半模41具有一对通道，即注入通道51和溢流/排气通道52。第一、第二半模41和42还具有多个用于承接液体的流道54，上述液体的温度可控制到能维持泡沫塑料的预定反应，并在泡沫塑料发热时予以冷却。
如图7和8所示，中空吹塑制的外壳12具有一个与第一半模41的注入通道51对准的第一孔13和一个与第一半模41的溢流/排气通道52对准的第二孔15。
图8示出一个用于对通过管道62引入的聚氨酯组分中的异氰酸酯与通过管道64引入的聚氨酯的多元醇进行混合的混合室60，该混合室60具有一个与第一半模41的注入通道51相连通的排出口65。上述组分例如以102。4份异氰酸酯和100份多元醇相混合，然后由排出口65分配之，并通过注入通道51和第一孔13进入由外壳12构成的模腔11中。在引入已混合的可发泡的材料之前，要将半模41和42合闭并夹紧。为了使外壳12的腔模11的容体达到6900cm3，约需要注入1000克的泡沫材料到外壳12内。在上述全部液体装料通过第一孔13和注入通道51之后，随着上述液体发泡过程的进行外壳12的内腔11内所含的空气通过第二孔15和溢流通道52排出。在转臂71上安装一个用橡胶或其他弹性材料制成的塞子70，该塞子70可与溢流/排气通道52相接合，以防止在发泡过程中逸出过量的泡沫塑料。
按照一种程序在室温、88℃和-40℃以及不同负荷下对本发明的踏脚板进行弯曲试验，按上述程序，在最初3次循环中踏脚板承受614磅的负荷，然后测量弯曲量和永久变形。然后使踏脚板承受305磅负荷，历经约2000次循环。在所有情况下，负荷都是置于相邻托架之间的中部。经过20000次循环后。测量挠度量和永久变形量。每次循环包括加载3秒、保持载荷1秒、卸载1秒和停载5秒。
下面说明在各种温度下对各实施例的踏脚板进行试验获得的结果。在某些试验中，踏脚板由3个相隔25英寸的托架来支承，而在其他试验中用4个托架。在采用4个托架的情况下，从托架中心线至另一个托架中心线间的间距为16.5英寸。从3个托架、25英寸间距的结果看来，我们推荐间距不要大于19英寸。
图9和10示出在压应压力下的挠度与温度的关系曲线图，从图中可以看出，在所有温度下，本发明的泡沫塑料(IF)优于现有技术的泡沫塑料(PAF)。图9表明，在最初10％的应变量下，具有良好的性能，图10则表示应变量增加时性能也提高。在图9和10中，本发明的泡沫塑料的曲线标以A、C和E，而现有技术泡沫塑料的曲线则标以B、D和F。
图9和10的曲线表明，本发明的泡沫塑料具有较高的压缩模量，这可能是复合材料踏脚板在耐久试验中表现良好的基本原因。这一情况告诉我们，压缩模量对于泡沫塑料增强踏脚板的能力是很重要的，因为，较高的压缩模量意味着泡沫塑料可承受巨大的负荷但仅发生小的弯曲。
图11示出可证实本发明的泡沫塑料性能良好的热机械分析结果。从图中曲线可看出，本发明泡沫塑料在恒定作用力下的穿透性随着温度的升高而变化的情况比现有技术有所改善。
表1和2示出上述踏脚板的性能比现有技术的OEM钢的管式结构踏脚板好。表1和2的数据表明在挠度和永久变形方面，本发明的踏脚板有改善。表中数据表明，本发明的踏脚板像OEM钢的管式踏脚板一样好，在某些情况下比它更好。表中数据还证实本发明踏脚板的刚性有所提高。较高的压缩强度和较好的热机械性能意味着本发明的踏脚中可承受巨大负荷，但仅发生小的弯曲，其永久变形很小。
踏脚板在托架之间中点位置上的最大挠度不大于15mm。踏脚板在托架之间的中点位置上的永久变形量不大于5mm。
表1(肋式结构/肋式托架)
(作用在托架之间中点位置的负荷下的挠度和永久变形)
| 试验条件 | 循环数 | 最大挠度 | 永久变形量 |
| 英寸 mm | 英寸 mm | ||
| 3托架-614磅-88℃PC/PBT | 3 | 1.121 28.47 | 0.072 1.83 |
| 3托架-305磅-88℃PC/PBT | 9800 | 0.599 15.21 | 0.281 7.14 |
| 4托架-614磅-88℃PC/PBT | 3 | 0.555 14.09 | 0.048 1.22 |
| 4托架-305磅-88℃PC/PBT | 19803 | 0.294 7.46 | 0.156 3.96 |
| 4托架-614磅-23℃PC/PBT | 3 | 0.412 10.46 | 0.156 3.96 |
| 4托架-305磅-23℃PC/PBT | 43000 | 0.224 5.68 | 0.156 3.96 |
| 4托架-614磅(-)40℃PC/PBT | 3 | 0.306 7.77 | 0.156 3.96 |
| 4托架-305磅(-)40℃PC/PBT | 20000 | 0.159 4.03 | 0.156 3.96 |
(平底结构/肋式托架)
(作用在托架之间中点位置的负荷下的挠度和永久变形量)
| 试验条件 | 循环数 | 最大挠度 | 永久变形量 |
| 英寸 mm | 英寸 mm | ||
| 4托架-614磅-88℃PC/PBT | 3 | 0.481 12.21 | 0.061 1.55 |
| 4托架-305磅-88℃PC/PBT | 10000 | 0.250 6.35 | 0.121 3.07 |
译著：表中PC-聚碳酸酯；PBT-聚对苯二甲酸丁二醇酯。
表2现有技术
(OEM钢的管式结构/OEM托架)
(作用在托架之间中点位置的负荷下的挠曲和永久变形量)
| 试验条件 | 循环数 | 最大挠度 | 永久变形量 |
| 英寸 mm | 英寸 mm | ||
| 3托架-614磅-88℃钢 | 3 | 0.532 13.51 | 0.094 2.38 |
| 3托架-305磅-88℃钢 | 10000 | 0.333 8.46 | 0.069 1.75 |
注：3托架的间距＝25英寸
4托架的间距＝
英寸
虽然在上面已针对踏脚板说明了本发明，但是，应当明白，本发明在广义上可用于各种各样的结构件。
可以在不违背本发明的范围或者说不违背下列权利要求的情况下对上述实施例进行许多改型。
Claims (12)
1.一种汽车踏脚板，它具有：
一个限定一空腔的模制塑料外壳；
一个聚氨酯泡沫塑料芯件，这种泡沫塑料的密度为110～150kg/m3，它是异氰酸酯和多元醇的反应产物，具有足够的弹性，所述泡沫塑料芯件的横截面尺寸选定得可使踏脚板在去除预定大小的负荷之后大致回复其原来形状；
上述踏脚板从第一端延伸至第二端，它具有一个设置来承接作用在其上的负荷的面朝上的部分和一个面朝下的部分，在所述面朝下部分的下方具有一些支承托架，所述一些支承托架彼此间隔，其中当承受作用在其面朝上的部分的垂直负荷时，该踏脚板具有最小的挠度和最小的永久变形量。
2.根据权利要求1的踏脚板，其特征在于，上述的模制塑料是一种中空吹塑的热塑性塑料。
3.根据权利要求1的踏脚板，其特征在于，上述的模制塑料是一种中空吹塑的含有聚碳酸酯热塑性塑料。
4.根据权利要求1的踏脚板，其特征在于，上述的模制塑料是一种中空吹塑的聚碳酸酯/聚酯工程热塑性塑料。
5.根据权利要求1的踏脚板，其特征在于，上述的模制塑料是一种中空吹塑的聚碳酸酯/聚丁烯对苯二酸酯工程热塑性塑料。
6.根据权利要求1的踏脚板，其特征在于，上述的聚氨酯是一种吸能泡沫塑料。
7.根据权利要求1的踏脚板，其特征在于，上述的垂直负荷为614磅。
8.根据权利要求7的踏脚板，其特征在于，当614磅的垂直负荷作用在单个托架上面的上述面朝上部分的中点位置处的单个托架上时，在该单个托架的端点测量的踏脚板的挠度不大于5mm。
9.根据权利要求8的踏脚板，其特征在于，位于上述两相邻托架之间的芯件的横截面积至少为30cm2。
10.根据权利要求8的踏脚板，其特征在于，上述托架之间相隔距离不大于19英寸。
11.根据权利要求8的踏脚板，其特征在于，上述托架之间相隔距离为16.5英寸。
12.根据权利要求8的踏脚板组件，其特征在于，上述外壳的面朝下部分的位于上述托架之间的区域内限定多个纵长的肋。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20030108 |