CN110603144A - 具有优化的碰撞性能的车辆结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有改善的碰撞性能的用于机动车的车身或底盘构件，以及一种用于制造具有改善的碰撞性能的车身或底盘构件的方法。

Description

具有优化的碰撞性能的车辆结构
技术领域
本发明涉及一种具有优化的碰撞性能的、尤其是用于机动车的结构件，一种用于制造该结构件的方法，以及该结构件作为在碰撞情况中承载的车辆结构的应用。
背景技术
在汽车工业中，为车身使用这样的构件，即，该构件为车辆赋予稳定性和刚性，并且在事故的情况中吸收能量并且保护乘员的生存空间。同样，在机动车的底盘中越来越多地使用这样的构件，即，除了刚性和动态负荷能力之外，该构件对规定的可变形性以及同样经济性提出高的要求。例如，通过以局部不同的加强程度有针对性地加强结构件，可调整规定的可变形性。由此，例如可在碰撞性能中影响A、B或C柱的弯曲性能。
已经提出了具有不同的局部加强程度的结构件的不同变型方案。例如已经提出了用于在金属构件中产生不同延展性区间的多种不同方法。
专利文献DE 10 2015 112 327 A1公开了一种用于机动车的车身或底盘构件，其具有三层的复合板，复合板具有中间层和两个向外限制中间层的外层，外层与中间层面式地且材料配合地相连接。外层由耐腐蚀的钢合金制成，该钢合金具有铁素体的、奥氏体的或马氏体的组织，并且中间层由可调质处理的钢合金制成。
从专利文献DE 10 2008 021 492 B3中已知一种用于在碰撞优化的机动车中使用的冲压硬化的板构件，该板构件具有有限的软的构件区域。描述了由可硬化的钢制造硬化的构件，其中，构件在限定的区域中具有比在其它区域中更高的延展性。
从专利文献DE 197 43 802 C2中已知，为了制造用于机动车组件的金属成型构件，提供一种由可硬化的钢制成的薄板，首先均匀地加热该薄板，并且紧接着快速地感应加热该成型构件的部分区域。
在从专利文献DE 197 23 655 B4中已知的用于制造钢板产品的另一方法中，当产品在模具中时，通过从奥氏体的温度快速冷却使产品硬化，其中，在产品中保留未硬化的区域，并且在从模具中取出产品之后，对该区域进行热处理。
此外，从专利文献DE10 2008 030 297 A1中已知用于从可硬化的钢制成的构件坯件中制造具有至少两个具有不同延展性的组织区域的成型构件的方法，其中，构件坯件局部地被不同地加热，并且随后在模具中成型并且局部地被硬化。
专利文献EP 2 710 157 B1公开了一种用于热处理用于机动车的可硬化的板构件的方法，在其中，板构件首先在成型冲压模具中被冲压硬化，并且紧接着通过激光辐射方法局部地为板件的预设的部分区域热处理，产生板件的局部受限的软的区域。
以包含塑料作为加强元件的复合结构形式的、具有局部不同的加强程度的结构件也已经是已知的。
专利文献DE 10 2014 225 576 A1公开了一种由第一部分硬化的钢件、第二金属件和布置在其之间的塑料组成的复合构件。塑料构造成塑料层，并且基本上整面地材料配合地与第一钢件和第二金属件相连接。通过钢件的局部不同的延展性，得到加强程度的变化。
从专利文献DE 10 2011 009 892 A1中已知一种机动车构件，在其中，金属的基体与由纤维复合材料制成的加强元件耦联。该耦联通过纤维复合材料的树脂基质建立，并且在加强元件和基体之间布置无纺布。通过纤维复合材料的壁厚实现加强程度与在对碰撞来说重要的区域中相应的碰撞要求的匹配。
已经发现，通过改变加强层的强度，也可获得局部不同的加强程度。因此，例如在包含塑料的加强层中，在层厚度相同时，塑料基质的弹性模量局部大小不同。这相应于有针对性地为失效设置了弱化部位。在碰撞情况中，结构件在弱化部位上折叠。由此，与比在失效时构件纵向弯曲相比，消耗更多的能量。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有优化的碰撞性能的结构件，该结构件将在碰撞情况中高的能量吸收与低的空间需求相结合。本发明的另一目的在于，提供一种用于制造这种结构件的简单的方法。
本发明涉及一种具有优化的碰撞性能的尤其是用于机动车的结构件，一种用于该结构件的制造方法，以及这种结构件的应用。在本发明的意义中的机动车包括商用车。
本发明的对象是一种尤其是用于机动车的结构件，该结构件包括至少一个待加强的元件和至少一个与所述元件的表面相连接的加强层，加强层具有至少两个不同强度的区域。在一种实施方式中，每个区域在加强层的整个厚度上延伸。在另一实施方式中，在不同强度的区域之间的边界/分界基本上垂直于加强层与其连接的元件的表面伸延。
在碰撞情况中，根据本发明的结构件可在构件失效时消除更高的能量消除。代替纵向弯曲，根据本发明的结构件有针对性地折叠。因此，在根据本发明的结构件的设计方案中，也有结构空间益处，确切的说在小的结构空间上消除显著更多的能量。
根据本发明的结构件弯曲少，因为在构件中不发生压缩反应。这代表着，显著减小了固有应力、回弹和变形。
在使根据本发明的结构件变形时，可为冲模使用成本适宜的材料(PA、PP、PE)。由此可实现内轮廓成型、快速加工模具几何结构，以及短的加工时间。这也实现了快速制造试验构件和样品构件以及成本适宜的小批量件。
此外，根据本发明的结构件实现了在没有附加的增附剂的情况下引入加强和连接元件。
待加强的元件可为结构件，车身构件或车辆型材。在一种实施方式中，待加强的元件是在碰撞情况中承载的车辆结构或其一部分。示例包括地板件，纵梁，碰撞盒，横梁，门槛，A、B、C、D柱，横向导臂或扭杆。
在一种实施方式中，与所述元件的表面相连接的至少一个加强层包括板加强部，该板加强部有针对性地包含弱化部位并且通过塑料组分固定在待加强的元件上。加强部可粘接到待加强的元件上或者加强层上，或者例如借助于塑料通过激光焊接或点焊固定在加强层上。在一种实施方式中，将夹心结构施加到待加强的元件，例如金属型材上。
在一种实施方式中，与元件的表面相连接的至少一个加强层由纤维复合材料制成。纤维复合材料可为纤维加强的塑料材料，该塑料材料具有较强的和较弱的硬化区间。在双组分塑料中，可通过硬化剂含量控制硬化区间的强度；或者在热塑垫中通过基质含量控制硬化区的强度。
在一种实施方式中，在结构件、车身构件或车辆型材的内部的表面上施加至少一个通过可硬化的塑料浸润的纤维层，并且紧接着有针对性地使其硬化，从而产生具有不同强度的区域，这些区域有针对性地导致能量消除。通过该技术，尤其是实现，实现了硬的和不太硬的区域的柔和过渡。由此，可避免导致不期望的失效的刚性突变。与已经已知的实施方案相比，这种技术的灵活性是很大优点。此外，当构件在其环境中发生变化时，可快速且成本高效地匹配如此制造的构件。
在一种实施方式中，在可折皱的结构中存在被可硬化的树脂浸泡的纤维结构。在已经在结构中存在的或者在封闭过程期间或之后注入的可硬化的树脂不同程度地硬化之前或者期间，将该结构插入车身部件中并且借助于简单的冲模或模具使其变形并且压靠所述车身部件。紧接着和/或在成型期间，使可硬化的树脂交联并且由此在车身构件中形成具有至少两个具有不同强度的区域的加强层。
在另一实施方式中，在可折皱的结构中存在被可硬化的树脂浸泡的间隔织物。在已经在结构中存在的或者在封闭过程期间或之后注入的可硬化的树脂不同程度地硬化之前或者期间，将该结构插入车身部件中并且借助于简单的冲模或模具使其变形并且压靠所述车身部件。紧接着和/或在成型期间，使可硬化的树脂交联并且由此在车身构件中形成具有至少两个具有不同强度的区域的加强层。
在另一实施方式中，通过修改使加强层承担附加的功能。示例包括：作为弹性的碰撞层的功能，作为用于复合层的不同纵向变形的补偿层，或者作为防腐蚀层。
在另一实施方式中，使可硬化的树脂发泡。
在另一实施方式中，加强层包括具有玻璃纤维垫、纤维、编织物或纺织物的结构，玻璃纤维垫、纤维、编织物或纺织物实现了加强层从内部硬化，或者加强层的确定的组件和区域的硬化。这例如可通过针对性的预涂覆或混入这样的纤维份额实现，即，该纤维份额传导光，并且相应于纤维含量更强地或更弱地照亮树脂。由此，可有针对性地控制组分的反应。
在另一实施方式中，至少一个加强层包括蜂窝结构，该蜂窝结构通过被浸泡的纤维层与覆盖层相连接。
在另一实施方式中，将利用可硬化的树脂浸泡的间隔织物用作至少一个加强层。
在另一实施方式中，通过硬化的组分将加强管嵌入加强层中。例如，该实施方式使用在车辆型材中，例如门槛或对碰撞来说重要的型材中，或者管材中。一种实施方式包括在A柱中的碰撞管。附加地，这种加强管也可用作用于液体或气体的分配器，或者也可用作用于稍后装配的缆线套管的空管。
在一种实施方式中，纤维复合材料具有能辐射硬化的聚合物基质组分。在一种实施方式中，可通过UV辐射使能辐射硬化的聚合物基质组分硬化。
在一种实施方式中，作为纤维复合材料的聚合物基质组分，使用聚合物化合物，聚合物化合物不仅在聚合物结构方面而且在辐射量方面具有可调整的硬化性能。由此实现，将加强基质的硬度和/或弹性与相应要求的加强程度相匹配。
在一种特殊的实施方式中，如此调整可UV交联的聚合物化合物的附着性，使得聚合物在金属的车身构件上的附着性为加强性能做出贡献。
相对地，另一实施方式仅仅具有在金属的车辆构件上有限的附着，此时，在碰撞时的能量消除形状配合地传输到聚合物化合物上。
相对于可热硬化的或双组分可硬化的聚合物基质，能辐射硬化的聚合物基质组分的优点在于显著提高的交联速度，从而可在制造碰撞元件时提高生产率。
另一优点是，根据在辐射期间选择的辐射量和停留时间，可重复地调整整个基质的强度性能。
在一种实施方式中，能辐射硬化的聚合物基质组分包含至少一种能辐射硬化的(氨基甲酸乙酯/聚氨酯)-(甲基)丙烯酸脂，其可通过摩尔数过量的改型羟和/或胺的(甲基)丙烯酸脂转化NCO官能的预聚物获得。可选地，能辐射硬化的聚合物基质组分包含至少一种酸值在50mgKOH/g至400mgKOH/g的范围中的改型酸的(甲基)丙烯酸脂单体或者(甲基)丙烯酸脂低聚物。此外，能辐射硬化的聚合物基质组分包含至少一种光敏引发剂。
在一种实施方式中，使用可UV硬化的聚合物基质组分，该聚合物基质组分包含：至少一种可UV硬化的(氨基甲酸乙酯)-(甲基)丙烯酸脂，其可通过具有摩尔数过量的改型羟和/或胺的(甲基)丙烯酸脂的NCO官能的预聚物转化获得；以及至少一种光敏引发剂。可选地，包含至少一种酸值为50至400mgKOH/g的、改型酸的(甲基)丙烯酸脂单体或者低聚物。
在一种实施方式中，聚合物基质组分在硬化后具有在5MPa至1000MPa的范围中的弹性模量。可根据DIN EN ISO 527进行弹性模量的测量。在一种实施方式中，在硬化之前利用这种树脂基质浸泡整个纤维结构(聚合物基质，纤维材料)。
在一种实施方式中，加强层的层厚度为0.1mm至3mm(在硬化前)。该层厚度可以在一个步骤中被硬化。
在一种实施方式中，作为辐射源使用具有在220nm至480nm范围中的波长的UV光，其中，优选地使用395nm的LED辐射器或添加镓的中压辐射器。
根据配方的细节和所需的加强性能，辐射量可在200-5000mJ/cm2的范围中变化。
本发明也涉及一种用于制造根据本发明的结构件的方法。该方法包括提供至少一个待加强的元件；将纤维材料层施加在待加强的元件的表面上；利用能辐射硬化的聚合物基质组分浸泡纤维材料。在一种实施方式中，在硬化之前，利用这种基质树脂浸泡整个纤维结构(聚合物基质，纤维材料)。此外，该方法包括，通过借助于辐射使能辐射硬化的聚合物基质组分硬化，由纤维复合材料制造加强层。此时，如此选择辐射条件，使得在加强层中产生至少两个不同强度的区域。
在方法的一种实施方式中，能辐射硬化的聚合物基质组分包含：至少一种能辐射硬化的(氨基甲酸乙酯/聚氨酯)-(甲基)丙烯酸脂，其可通过摩尔数过量的改型羟和/或胺的(甲基)丙烯酸脂转化NCO官能的预聚物获得；以及至少一种光敏引发剂。可选地，能辐射硬化的聚合物基质组分包含至少一种酸值为50至400mgKOH/g的改型酸的(甲基)丙烯酸脂单体或者(甲基)丙烯酸脂单体低聚物。
在方法的一种实施方式中，在使用具有在220nm至480nm范围中的波长的UV光的情况下使能辐射硬化的聚合物基质组分硬化。在一种特殊的实施方式中，借助于395nm的LED辐射器或添加镓的中压辐射器使能辐射硬化的聚合物基质组分硬化。
本发明也涉及一种根据本发明的结构件的应用。根据本发明的结构件可用作机动车的车辆结构和/或底盘结构。在一种实施方式中，该结构件用作在碰撞情况中承载的车辆结构，例如地板件，纵梁，碰撞盒，横梁，门槛，A、B、C、D柱，横向导臂或扭杆。
可理解的是，以上所述的和以下还将解释的特征不仅可以在相应给出的组合中应用，而且可以在其它组合或单独应用，只要不离开本发明的范围。
附图说明
根据在附图中的实施方式示意性地示出本发明，并且参考附图和以下示例进一步描述本发明。其中：
图1以示意性的截面图示出了根据本发明的结构件的实施方式，其中，图1a)示出了在碰撞之前的构件，并且图1b)示出了在碰撞之后的构件；
图2以示意图示出了根据本发明的结构件的实施方式的俯视图。
具体实施方式
图1以示意性的截面图示出了根据本发明的结构件的实施方式，该结构件具有待加强的元件1和加强层2。加强层2具有高强度或在待加强的元件1上强附着的区域3，以及低强度或在待加强的元件1上弱附着的区域4。在区域3和4之间的边界垂直于待加强的元件1的表面伸延。图1a)示出了在碰撞之前的构件，而图1b)示出了在碰撞之后的构件，该碰撞导致结构件在变形部位5上失效或变形。如在图1b)中示出的那样，在撞击时，结构件在低强度或在加强层2和待加强的元件1之间弱附着的区域4中失效，这导致结构件折叠。
图2以示意性图示出了根据本发明的结构件的实施方式的俯视图，该结构件具有待加强的元件1和加强层2。加强层2具有高强度或在待加强的元件1上强附着的区域3，以及低强度或在待加强的元件1上弱附着的区域4。在所示出的实施方式中，区域3带状地布置在加强层2中。例如，通过穿透覆面照射能辐射硬化的活性聚合物产生这种结构。
示例1
在玻璃反应器中，通过搅拌器，将25g平均摩尔质量为1000g/mol的聚丙烯醇(PPG1000，羟值110mg KOH/g，CAS号25322-69-4)与5g平均摩尔质量为3500g/mol的多元酯(羟值27-34mg KOH/g；CAS号25212-06-0)熔化，混合，并且在130℃下在真空中干燥。紧接着，添加10g的MDI(二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯；CAS号101-68-8)，并且在约120℃下进行异氰酸酯与PPG/多元酯混合物的反应。在反应结束之后，获得具有3％的NCO含量的预聚物(根据斯皮格尔伯格(Spiegelberger)原理滴定；EN ISO 11909)。
在下一步骤中，添加20g具有约115mg KOH/g羟值的OH官能的丙烯酸酯(季戊四醇四丙烯酸酯；CAS号1245638-61-2)，并且在利用干燥空气冲刷的情况下使其与含NCO的预聚物一起转化。在60-80分钟之后，在熔液中不再存在异氰化物/异氰酸盐。紧接着，为了调整机械性能，添加38g填料(D50＝50μm的氧化铝；CAS号1344-28-1；以及D50＝10-20μm的霞石正长石/高纯霞石粉；CAS号37244-96-5)，其中，以1：1的质量比例添加这两种材料。添加1g(2,4,6-三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦(CAS号75980-60-8)作为光敏引发剂。
利用这种聚合物浸泡玻璃纤维无纺布，并且将玻璃纤维无纺布与图1相似地作为加强部引入碰撞元件中，并且以5000mJ/cm2(镓辐射器)的剂量使其交联。交联的聚合物具有950MPa的弹性模量(相应于图1中的区域3)。
示例2
与示例1相似地，以300mJ/cm2(镓辐射器)的剂量使玻璃纤维无纺布交联。该聚合物具有150Mpa的弹性模量(相应于图1中的区域4)。
示例3
在玻璃反应器中，通过搅拌器，将30g平均摩尔质量为2000g/mol的聚丙烯醇(PPG2000，羟值55mg KOH/g，CAS号25322-69-4)与10g平均摩尔质量为3750g/mol的多元酯(己二酸与1,6-己二醇的聚合物)(羟值27-33mg KOH/g；CAS号61488-13-9)熔化，混合，并且在130℃下在真空中干燥。紧接着，添加7g的IPDI(异佛尔酮二异氰酸酯；CAS号4098-71-9)，并且在约120℃下进行异氰酸酯与PPG/多元酯混合物的反应。为了加速该反应，添加0.1g的DBTL(二月桂酸二丁基锡；CAS号77-58-7)。在反应结束之后，获得具有2.5％的NCO含量的预聚物(根据Spiegelberger原理滴定；EN ISO 11909)。
在下一步骤中，添加15g具有约150mg KOH/g羟值的OH官能的丙烯酸酯(聚丙二醇单羟基丙烯酸酯；CAS号39420-45-6)，并且在利用干燥空气冲刷的情况下使其与含NCO的预聚物一起转化。在60-80分钟之后，在熔液中不再存在异氰化物。紧接着，为了调整粘度和附着性，如下进一步修改配方，即，添加其它丙烯酸酯：10g 2-羟基-3-苯氧基丙酯(CAS号16969-10-1)；10g乙氧基丙烯甲醇的丙烯酸酯(CAS号28961-43-5)；10g丙烯酸异冰片酯((外型)1,7,7-三甲基二环[2.2.1]庚-2-醇-2-丙烯酸酯/exo-1,7,7-trimethylbicyclo[2.2.1]hept-2-yl acrylate；CAS号5888-33-5)；以及5g的2-甲基-2-丙烯酸-2-羟乙基酯磷酸酯(CAS号52628-03-2)。添加2.9g(2,4,6-三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦(CAS号75980-60-8)作为光敏引发剂。
利用这种聚合物浸泡玻璃纤维无纺布，并且将玻璃纤维无纺布与图1相似地作为加强部引入碰撞元件中，并且以5000mJ/cm2(镓辐射器)的剂量使其交联。交联的聚合物具有20MPa的弹性模量(相应于图1中的区域3)。
示例4
与示例3相似地，以250mJ/cm2(镓辐射器)的剂量使玻璃纤维无纺布交联。该聚合物具有5Mpa的弹性模量(相应于图1中的区域4)。
4.与示例3相似地，以250mJ/cm2(镓辐射器)的剂量使玻璃纤维无纺布交联。该聚合物具有5Mpa的弹性模量。
附图标记清单
1 待加强的元件
2 加强层
3 高强度或强附着的区域
4 低强度或低附着的区域
5 变形区域

Claims (10)

1.一种尤其是用于机动车的结构件，该结构件包括至少一个待加强的元件(1)和至少一个与元件的表面相连接的加强层(2)，该加强层具有至少两个不同强度的区域(3、4)。
2.根据权利要求1所述的结构件，其中，所述加强层(2)由纤维复合材料制成。
3.根据权利要求2所述的结构件，其中，所述纤维复合材料具有能辐射硬化的聚合物基质组分，该聚合物基质组分包含：
(a)至少一种能辐射硬化的(氨基甲酸乙酯)-(甲基)丙烯酸脂，其能通过摩尔数过量的改型羟和/或胺的(甲基)丙烯酸脂转化NCO官能的预聚物获得；
(b)可选地，至少一种酸值在50mgKOH/g至400mgKOH/g的范围中的改型酸的(甲基)丙烯酸脂单体或者(甲基)丙烯酸脂低聚物；以及
(c)至少一种光敏引发剂。
4.根据权利要求3所述的结构件，其中，所述聚合物基质组分在硬化后具有在5MPa至1000MPa的范围中的弹性模量。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的结构件，其中，加强层(2)的层厚度为0.1mm至3mm。
6.一种用于制造尤其是用于机动车的结构件的方法，所述方法包括
(a)提供至少一个待加强的元件(1)；
(b)将纤维材料层施加在所述待加强的元件的表面上；
(c)利用能辐射硬化的聚合物基质组分浸泡纤维材料；
(d)通过借助于辐射使能辐射硬化的聚合物基质组分硬化而由纤维复合材料制造加强层(2)，其中，如此选择辐射条件，使得在所述加强层中产生至少两个不同强度的区域(3、4)。
7.根据权利要求6所述的方法，在其中，所述能辐射硬化的聚合物基质组分包含：
(a)至少一种能辐射硬化的(氨基甲酸乙酯)-(甲基)丙烯酸脂，其可通过具有摩尔数过量的改型羟和/或胺的(甲基)丙烯酸脂的NCO官能的预聚物转化获得；
(b)可选地，至少一种酸值在50至400mgKOH/g的范围中的改型酸的(甲基)丙烯酸脂单体或者(甲基)丙烯酸脂低聚物；以及
(c)至少一种光敏引发剂。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，在使用具有在220nm至480nm范围中的波长的UV光的情况下使所述能辐射硬化的聚合物基质组分硬化。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，借助于395nm的LED辐射器或添加镓的中压辐射器使所述能辐射硬化的聚合物基质组分硬化。
10.一种根据权利要求1至5中任一项所述的结构件作为在碰撞中承载的车辆结构的应用，例如地板件，纵梁，碰撞盒，横梁，门槛，A、B、C、D柱，横向导臂或扭杆。
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