CN110023120A - 组合的复合尾门 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于车辆的组合尾门，包括形成尾门支撑框架的热塑性内部结构，和至少一个用于增强支撑框架的复合增强部件，其中所述复合增强部件在第一表面连接于热塑性内部结构，其中所述复合增强部件在所述内部结构中形成包封用于尾门窗玻璃部件的尾门窗口的连续负载边缘。另外，本发明涉及包括这种组合尾门的车辆。再者，本发明涉及生产这种组合尾门的方法，所述方法包括将复合层压材料部件形成插件，将所述插件放入注塑工具中，和用聚合物树脂包覆所述插件。
Description
技术领域
本发明涉及车辆、特别是机动车如小汽车的组合尾门或后门，其包括热塑性内部结构和复合增强部分。本发明还涉及包括这种组合尾门的车辆。另外，本发明涉及生产这种组合尾门的方法。
背景技术
由于世界范围内严苛的二氧化碳排放法规，减轻重量对汽车来说成为关键。因此，目前最轻重量的解决方案是对尾门用途应用优化的铝或高强度钢设计。应用铝保持需要的机械性能来寻求减轻重量。由于材料成本和需要单独包覆各部件(通常由热塑性聚烯烃(TPO)制成)以满足内饰的美观要求，应用铝的成本很高。
为了进一步减轻重量和附加地降低成本，塑性尾门很受欢迎。最初，由热固性SMC类材料开发出了塑性尾门。片状模制复合材料(SMC)用于模制玻璃纤维强化的热固性聚酯材料。后来，热塑性部件由长纤维强化的PP(PP-LGF)制成，其部分整合进了美观的TPO板。但这些部件大多包含包覆、螺栓连接或胶合于内部结构的金属插件。金属插件需要满足机械和热膨胀要求。
目前正在进行的研究涉及用连续纤维强化(FR)的插件替换金属插件。这些FR插件可以为无纺(弯曲纤维)或层压类型(直纤维)。
最近，热塑性复合材料被用作尾门内部结构的替代材料。美国专利申请US8550536描述了应用纤维增强的热塑性塑料材料的这种尾门。通常，应用给合了金属插件与PP-LGF的金属组合结构。
组合TPO与复合材料的全热塑性尾门内部结构提供了进一步减轻重量、部件整合和降低成本的可能。
发明内容
按照本发明，提供用于车辆的组合尾门，包括形成尾门支撑框架的热塑性内部结构，和至少一个用于增强支撑框架的复合增强部件，其中所述复合增强部件在第一表面连接于热塑性内部结构，其中所述复合增强部件在所述内部结构中形成包封用于尾门窗玻璃部件的尾门窗口的连续负载边缘。
所述内部结构包括尾门窗口，其中可以放置尾门窗玻璃部件。增强部件在内部结构中形成包封或包围尾门窗口的连续负载边缘。
所述支撑框架可以包括顶梁、由顶梁每一端延伸的两个D-柱和在两个D-柱之间从距离顶梁非零距离延伸的下部部分。所述顶梁、D-柱和下部部分将用于尾门窗玻璃部件的尾门窗口包围起来。
通过注塑、包覆成型或通过焊接或粘接结合使所述复合增强部件连接于内部结构的第一表面。
优选地，所述复合增强部件在第一表面处连接于热塑性内部结构并与之形成一体化单元，其中所述复合增强部件包括由第一表面延伸的肋板结构，其中肋板结构在内部结构中形成包围尾门窗口的连续负载边缘。
肋板结构是内部结构的一部分，用于增强支撑框架，和由内部结构的第一表面延伸。肋板结构可以包括相对于支撑框架的顶梁平行、垂直和/或斜线方向引导的肋板。
所述内部结构的厚度可以为0.9-5.0mm，优选1.0-4.0mm，更优选1.5-4.0mm。该厚度可以随内部结构覆盖的区域而变化。肋板或肋板结构的厚度可以为0.6-5.0mm，优选1.0-4.0mm。
按照一个实施方案，所述增强部件包括基底和至少一个由所述基底第二表面延伸的增强立壁，其中所述立壁沿所述基底形成肋板。因此所述增强部件在第一表面处连接于内部结构。所述立壁可以为沿基底的第一边缘和/或基底的第二边缘延伸的壁。另外，所述立壁可以在第一边缘和第二边缘之间以-90°至+90°的角、优选-45°至+45°的角度延伸。优选地，沿基底和/或在第一边缘和第二边缘延伸的立壁形成肋板结构的一部分。
按照另一个实施方案，其中所述增强部件还包括复合层压材料，包含至少一层复合胶带，所述复合胶带含有其中包埋有连续增强纤维的热塑性基质材料。在这个实施方案中，至少一个复合增强部件包括由其中包埋有连续增强纤维的基质材料层制备的复合材料胶带。所述基质材料优选为热塑性材料如聚烯烃。所述连续增强纤维可以沿胶带的纵向方向引导。术语‘连续纤维′可以指与胶带具有相同长度的纤维，即纤维延展胶带的长度。
优选地，所述层压材料由两个或更多个复合胶带层制成。在每一层中连续纤维可以相对于胶带的纵向以不同方向取向。一层中纤维相对于另一层纤维的取向可以在-90°至+90°间变化。第一层的连续纤维的纵向与第二层的连续纤维的纵向间的优选角度为-45°至+45°。所述层压材料的厚度可以为0.1-6.0mm。一层的厚度可以在0.1-0.3mm间变化。优选地，应用多层的层压材料，厚度为1.5-4.5mm，更优选为2.0-4.0mm。层压材料的厚度可以在其宽度和/或纵向方向上变化，以局部增加强化。对于改进通常为尾门高负载区的铰链连接部位、气柱连接部位和/或容锁部位处的应力分布，这可能是有利的。
所述层压材料可以用至少与内部结构的热塑性材料相容的热塑性材料(优选相似材料)进一步包覆。包覆层厚度可以为1.0-2.0mm，优选1.5mm。
所述复合层压材料可以形成所述增强部件基底的至少一部分。形成肋板的立壁可以从层压材料形成的基底延伸。优选地，在D-柱、顶梁和下部部分的一处或多处提供复合层压材料，至少延伸通过铰链连接部位、气柱连接部位和/或容锁部位。当不施用或不能施用复合层压材料时，提供肋板或肋板结构，其中所述肋板或肋板结构至少部分与复合层压材料重叠以在内部结构中形成连续负载边缘。为了容易制造，例如在转角区域，例如在由顶梁至D-柱的过度时，也可以应用肋板或肋板结构。
取决于内部结构的设计，对于内部结构、特别是D-柱处的增强来说，只采用肋板结构作为增强部件可能不够。为了优化内部结构的增强，除了肋板结构外，第一步可以是在D-柱处提供复合层压材料。附加地，可以在顶梁处提供复合层压材料。当需要进一步增强时，也可在下部区域(低于后窗玻璃)增加复合层压材料，再覆盖整个内表面区域。为了封闭连续负载边缘，肋板或肋板结构至少部分与复合层压材料重叠。优选地，在所有实施方案中均存在肋板，以从顶梁到锁区形成封闭的负载边缘。观察到的是相对于传统增强的内部结构，越多的内部结构区域用复合层压材料增强，可实现越多的重量减轻。
除后门上的锁以外，组合尾门优选不含金属增强部件或任何金属插件，即后门或尾门的锁可以是金属锁，和可能的铰链可以包含一个或多个金属部件。
热塑性内部结构可以包括长纤维增强的聚丙烯(PP)的组合或由其组成，例如含30-60wt％、优选40wt％的长玻璃纤维(PP-LGF)，例如由SABIC生产的与具有传统钢或铝内部结构或支撑框架的尾门相比，组合应用PP-LGF与复合层压材料插件(具有一定形状的一些铺层堆叠的编织或单向层压材料)，并连接主要负载区域(铰链、气柱和锁)，可以获得重量明显减轻的(机械)性能均匀的尾门。
所述复合胶带可以包含用连续纤维(如连续玻璃纤维)强化的聚丙烯。复合层压材料可以包含两层或更多层单向胶带，它们在一定堆叠角或铺层角下相互堆叠。另外，所述增强胶带可以包含30-60vol％、优选45vol％的连续玻璃纤维。所述层压材料可以预成形为三维层压插件。这些层压插件可以插入注塑腔中，从而用热塑性材料如聚烯烃包覆成形，优选用与复合材料的基质材料类似的热塑性材料，从而增强基底与包覆材料间的结合。替代地，所述层压插件可以通过其它方法如粘接、螺栓连接、夹持等连接，但这将会负面影响机械性能和总成本。
所述层压材料可以在基质材料中包含单向连续纤维的胶带。也可以应用编织纤维如源自增强纤维的织物。但相比于编织纤维复合材料和长的非连续纤维填充材料，由于纤维的连续长度，即纤维的长度与胶带层的长度一致，CF-复合层压材料提供了极好的刚性和强度。
所述尾门可以进一步配备铰链连接部位、气柱连接部位和/或容锁部位，其中可以设置锁用于连接尾门。另外，连续负载边缘即增强部件可以由尾门中配备的容锁部位的第一侧延伸至容锁部位的第二侧，在此处容锁部位闭合了所述回路和边缘。可以应用铰链连接部位通过铰链将尾门与车辆连接起来，和其可以位于尾门窗口的上侧，接近内部结构的上侧。可以应用气柱连接部位将气柱与尾门连接起来，和其可以位于尾门窗口的任一端。容锁部位可以位于尾门窗口的下侧，与铰链连接部位相对，优选位于尾门窗口下侧与内部结构下侧之间的位置。
所述增强部件在内部结构中形成连续负载边缘，例如由铰链连接部位经气柱连接部位至容锁部位。增强部件的优化应用，即将它们定位于高负载区域，可以明显减轻重量。为了形成连续负载边缘，主要的高负载区域需要通过增强部件连接起来。这些高负载区域包括铰链连接部位之间的区域、铰链连接部位和气柱连接部位之间的区域以及在气柱连接部位和容锁部位之间延伸的区域。
增强部件本身可以包括用于加强内部结构的顶部或顶梁的顶部增强部件、用于加强内部结构的D-柱的D-柱增强部件和/或在D-柱增强部件和容锁部位之间延伸的另外增强部件。当形成连续负载边缘时，所述增强部件可以为连续增强部件，其中顶部增强部件在两端处与D-柱增强部件相连，和其中每个D-柱增强部件与延伸至尾门内部结构的容锁部位的另外增强部件相连。
尾门和它的内部结构可以具有不同的形状。例如，当上部部分包括尾门窗口时，下部部分在同一平面中，即这些各个部分的正常方向彼此平行，或当上部部分和下部部分成0-180度的不同角度时，即这些各个部分的正常方向成0-180度的不同角度时，在内部结构中形成角度。
实施例1:
该第一实施例在图1中给出，包括具有内部结构2的第一尾门1，所述内部结构完全由PP-LGF制成，即由长玻璃纤维增强的聚丙烯基质，其中在热塑性基质中含有40wt％的长玻璃纤维。该第一尾门的设计比铝设计轻约18％。由于相对厚的助板，这种设计局限于用于非美观部件。但随D-柱位置处横截面积的增加，可以应用更薄的肋板，使得该设计更适合于美观目的。
内部结构2配备有尾门窗口6，在其中可以放置尾门窗玻璃部件。这种窗玻璃部件可以为由透明热塑性材料制成的一体化玻璃部件或在车辆组装期在窗口中放置的传统玻璃窗。增强部件9在内部结构2中形成包封尾门窗口6的连续负载边缘。
在铰链连接部位8和气柱连接部位7之间，在铰链连接部位8和D-柱增强部件13之间的顶部增强部件4包括可具有已知肋板形状(即通用增强形状)的肋板结构3。气柱连接部位7和容锁部位5之间的另外增强部件12可以利用另外的肋板结构14实现，该助板结构14可以具有非通用肋板形状和可能的部分美观表面。肋板形状可以包括肋板结构在其间延伸的平行相对肋板，其中肋板沿斜线行进，即助板结构以相对于平行肋板0-180度的不同角行进。肋板结构3、14与内部结构一体注塑。
当所述另外增强部件提供有部分美观表面时，其优点是对于完成尾门来说不需要进一步的覆层，即覆盖层。但这种美观表面将意味着肋板或立壁的厚度有限以避免表面缩痕，或者在美观表面的位置处将不存在立壁或助板。
实施例2：
如图2所示，该第二实施例包括具有内部结构2′的第二尾门1′，所述内部结构由用CF-层压增强件10′、11′、12′强化的PP-LGF制成，即具有包含连续纤维层压材料的增强部件的PP-LGF内部结构。所述插件的形状相对扁平以有利于生产和降低成本，从而不需要或至少只需要少量的插件预制。用于插件的层压部件的厚度可以变化。对于该第二实施例，发现最优厚度对于位于铰链连接部位8′之间的顶部增强部件10′为10-14层(区域1)、对于铰链连接部位8′和各气柱连接部位7′间的D-柱增强部件11′为8-18层(区域2)以及气柱连接部位7′和容锁部位5′之间的每个另外增强部件12′为6-8层(区域3)，其中所有的层均具有0°、45°或-45°的铺层角。
顶部增强部件10′、D-柱增强部件11′以及气柱连接部位7′和容锁部位5′之间的另外增强部件12′形成构成连续负载边缘的增强部件9′。应注意在该实施例中CF层压材料层形成了增强部件的基底，即通过用PP-LGF材料包覆所述层压材料层使肋板连接于所述基底，和形成具有立壁的肋板结构，如下面所述。
相对于铝尾门设计，该第二实施例导致重量减轻约35％。铺层角的优化表明最优角度为接近0、45、-45、0°的设计。例如，第二胶带层的连续纤维可以相对于第一胶带层的连续纤维沿顺时针或逆时针方向成45°角。相比实施例1的第一设计，这种设计的优点是长期负载或蠕变性能提高并且重量进一步减轻。
实施例3：
如图3所示，该第三实施例包括具有内部结构2″的第二尾门1″，所述内部结构由带有预制CF-层压增强件10″、11″、12″的PP-LGF增强件制成。所述CF层压增强件预先形成为如图5所示的一定的三维形状。该CF层压插件为在注塑工具中的3D形状插件。预先形成的CF层压部件为增强件的一部分。通过用PP-LGF材料包覆成形的层压材料层而使肋板连接于基底上，例如通过包覆肋板结构进入3D插件的通道形状部分而实施。
3D层压预成型件或插件提供更多的重量减轻，但增加了生产方法的复杂性和因此造成成本增加。据信该第三实施例相对于常规的铝尾门设计达到约42％的重量减轻。
实施例4：
在图2和3中，将连续纤维层压材料层置于关键负载承受位置。替代或附加地，如图4所示，CF层压材料层可以覆盖内部结构下部部分中更大的表面积15*。所述层压材料层作为相对大区域的UD-胶带类板形成。图4中的层压材料层增强区15*为容锁部位5*留出空间，并与D-柱增强部件11*连接，以形成具有顶部增强部件10*的连续负载边缘，包封了尾门内部结构2*中的容窗开口6*。
图5给出了肋板结构22和任何相关层压插件23的几种形状。层压插件23可以为具有一个或多个通道状部位24的三维形状，其可以用热塑性树脂包覆，参见图5的B列和D1区块。所述层压插件可以替代地为位于肋板22一侧或多侧的扁平插件，参见图5的C列及D2和D3区块。图5的A列给出了没有层压插件的肋板结构22的几种形式。
图6给出了如图1-4所示的实施例1-4的尾门满足关于抗扭强度、C-抗弯强度、L-抗弯强度、横弯强度和特征频率的要求。现有要求(25)设定为100％，然后给出每种特性的相对值：实施例1的只有PP-LGF的内部结构(26)；实施例2的由带有扁平层压材料层的PP-LGF组成的内部结构(27)；实施例3的由带有3D预成形层压材料层的PP-LGF组成的内部结构(28)；和实施例4的由带有层压板的PP-LGF组成的内部结构(29)。
在图7中给出了结构内件的不同设计中应用的PP-LGF和CF-层压材料层之间的重量分布。由该图可以观察到CF层压材料层的占比越大，获得的内部结构以及组合尾门的重量减轻越大。由带有扁平层压材料层的PP-LGF组成的内部结构(柱19，实施例2)为完全由不带层压增强件的PP-LGF组成的内部结构(图18，实施例1)的重量的约73％。相比于扁平压层插件(柱19)，应用3D预成形层压插件(柱20，实施例3)减少重量至完全由不带层压增强件的PP-LGF组成的内部结构(柱18，实施例1)的重量约64％。但这将会增加成本，因为所应用的层压材料的量有所增加，和将插件预制成所需形状需要更复杂的工具或附加的处理步骤。类似的推理也适用于层压板方案(柱21，实施例4)，其占完全由不带层压增强件的PP-LGF组成的内部结构(柱18，实施例1)的重量约54％。
图8和9给出了包括内盖16、17以覆盖内部结构的组合尾门内部结构的实施方案。图8给出了内盖16的第一实施方案，其中所述内盖16覆盖了由另外增强部件12包封的区域，但不包括这些另外增强部件12。当另外增强部件的美观外观足以在非覆盖区域中用作美观表面时，可以应用这种更小的内盖16。
图9给出了内盖17的第二实施方案，其中所述内盖17覆盖了由另外增强部件12包封的区域，且包括这些另外增强部件12。这种延展的内盖17则用作另外增强部件12的美观外层。
本发明公开了复合的组合尾门内部结构，其中组合应用了连续纤维复合材料和加填料/未加填料的热塑性复合材料，以满足严苛的机械要求，同时减轻尾门内部结构的重量。
复合材料中的连续纤维可以为玻璃、碳、芳族聚酰胺或任何其它热塑性基纤维或它们的任意组合。所应用的层压材料可以基于单向胶带或织物或它们的组合。层压材料或胶带中的纤维含量可以在35-65vol％间变化。
通过堆叠若干层而获得所应用的层压材料层，堆叠时相同取向获得层压材料层的方向特性，或者多重取向获得层压材料层的准各向同性特征。在整个部件中可以组合应用具有不同堆叠顺序的层压材料层，以获得所需特性。所述层压材料层可以沿其长度具有恒定厚度或者具有可变厚度。
包覆材料优选包括短或长纤维填充的材料。所述填充纤维可以为玻璃、碳、芳族聚酰胺或任何其它的热塑性基纤维。包覆材料和/或PP-LGF材料中的填充纤维含量可以在10-50wt％间变化。
优选地，连续纤维层压材料层和包覆树脂中的基质材料是相容的，更优选甚至是类似的，从而获得层压材料层和包覆材料之间的良好连接。替代地，所述层压材料层可以通过粘接或或机械固接至树脂材料部件上。
本发明还涉及生产如上所述组合尾门的方法。现有的复合组合尾门内部结构可以通过包括如下步骤的方法生产：在注塑机中放置复合层压材料；在封闭注塑工具同时将复合层压材料形成所需插件形状；和用聚合物或热塑性树脂包覆插件。
替代或附加地，所述方法可以包括在压制工具中形成层状，例如垂直压制，形成成型插件；和在所述注塑工具内部放置所述成型插件。然后可以包覆所述插件，以填充注塑工具中的剩余空腔。形成肋板的立壁可以在方法的包覆步骤中生产。
插件可以为2D形状即扁平状，也可以为3D形状。插件可以包括带有通道基底30和通道立壁31的开放通道24。可以在通道24中提供肋板结构或助板，在基底相同侧或相对侧从通道基底30开始和在通道立壁31之间延伸，参见图5。
本发明还涉及包括上述具有内部结构的组合尾门的车辆。
Claims (17)
1.用于车辆的组合尾门，包括形成尾门支撑框架的热塑性内部结构，和至少一个用于增强支撑框架的复合增强部件，其中所述复合增强部件在第一表面连接于热塑性内部结构，其中所述复合增强部件在所述内部结构中形成包封用于尾门窗玻璃部件的尾门窗口的连续负载边缘。
2.权利要求1的组合尾门，其中所述复合增强部件在第一表面连接于热塑性内部结构并与之形成一体化单元，其中所述复合增强部件包括由第一表面延伸的肋板结构，所述肋板结构在内部结构中形成包围尾门窗口的连续负载边缘。
3.权利要求1或2的尾门，进一步配备铰链连接部位、气柱连接部位和/或容锁部位，和其中所述增强部件的连续负载边缘由容锁部位的第一端延伸至容锁部位的第二端，从而延伸经过铰链连接部位和气柱连接部位。
4.前述权利要求任一项的尾门，其中所述增强部件包括基底和至少一个由其第二表面延伸的增强立壁，其中所述立壁形成沿基底的肋板。
5.前述权利要求任一项的尾门，其中所述增强部件还包括复合层压材料，其包括至少一层复合UD胶带，该复合UD胶带含有其中包埋有连续增强纤维的热塑性基质材料。
6.权利要求5的尾门，其中在每一层压材料层中所述连续纤维相对于所述层压材料材料层的纵向以不同方向取向。
7.权利要求5或6的尾门，其中所述复合层压材料形成增强部件的至少一部分基底和/或其中形成肋板的立壁由利用胶带或层压材料形成的基底延伸。
8.前述权利要求任一项的尾门，其中所述尾门不含金属增强部件。
9.前述权利要求任一项的尾门，包括连续纤维复合材料和未加填料或加填料的热塑性复合材料的组合。
10.权利要求5-9任一项的尾门，其中连续纤维包括玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维或热塑性纤维中的至少一种。
11.前述权利要求任一项的尾门，其中将一个或多个增强部件置于支撑框架的关键负载承受位置处。
12.权利要求5-11任一项的尾门，其中在D-柱、顶梁和下部部分的一处或多处提供复合层压材料，和其中肋板与复合层压材料重叠以在内部结构中形成连续负载边缘。
13.权利要求5-12任一项的尾门，其中复合层压材料部件的热塑性基质材料与肋板的热塑性材料和/或内部结构的热塑性材料相容。
14.包含权利要求1-13任一项的组合尾门的车辆。
15.生产权利要求6-13任一项的组合尾门的方法，包括：
-将复合层压材料形成插件；
-将所述插件放入注塑工具中；和
-用聚合物树脂包覆所述插件。
16.权利要求15的方法，其中通过封闭注塑工具迫使所述复合层压材料成为所需要的插件形状，由此使复合层压材料形成所述插件。
17.权利要求15的方法，其中将复合层压材料部件形成插件的步骤包括在压制工具中放置所述复合层压材料部件；和所述方法进一步包括：
-将插件置于注塑工具内部；和
-通过填充注塑工具而包覆所述插件。
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