CN111868409A

CN111868409A - 复合结构体

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Publication number: CN111868409A
Application number: CN201980019427.7A
Authority: CN
Inventors: 松冈英夫; 桥本幸作; 木本幸胤
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2019-03-01
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2039-03-01
Also published as: JP6601749B1; WO2019181434A1; EP3770462A4; US11358643B2; JPWO2019181434A1; US20210039717A1; EP3770462A1; CN111868409B

Abstract

一种复合结构体，其特征在于，在具有中空封闭截面的金属制构件的内部，配置由拉伸伸长率为10％以上的树脂材料成型的内插部件，使得能够由该内插部件和所述金属制构件这两者承受外部载荷，该内插部件的外形相对于所述金属制构件的中空封闭截面以投影面积比计占50％以上。通过在具有中空封闭截面的金属制构件的内部以特定的状态配置具有特定的韧性的树脂制内插部件，特别是通过在产生碰撞载荷时内部的内插部件追随金属制构件的延展性变形而变形，能够使载荷‑位移曲线的波形接近理想的矩形波形，能够体现出优异的冲击能量吸收性能。

Description

复合结构体

技术领域

本发明涉及复合结构体，特别是涉及在具有中空封闭截面的金属制构件的内部配置有树脂制内插部件的适合作为车辆用结构体的复合结构体。

背景技术

已知在汽车等的车架结构体中，为了提高碰撞时的安全性，会增加框架的板厚，或在框架截面内配设用于增强的板材(加固件)，由此提高框架的强度和刚性，并且谋求冲击能量吸收性的提高。

另一方面，从提高燃油效率和操纵响应性的观点出发，期望更进一步的轻量化，但上述的以往的框架结构体中会导致重量明显增加，难以同时达成燃油效率的维持和提高与碰撞安全性的提高。

因此，作为能够应对这样的不便的结构体，提出了在框架截面内配置轻量的树脂制增强部件。

例如，专利文献1中涉及一种车辆用冲击能量吸收结构，特别是公开了在中心支柱等的中空封闭截面的内部收纳树脂成型的冲击吸收部件的车辆用冲击能量吸收结构。

另外，专利文献2中公开了在车辆的骨架构件的内侧配设有增强部件的车辆的骨架结构。

另外，专利文献3中公开了在由轻金属材料制成的形成中空封闭截面的梁部件内，设置轴线在弯曲载荷施加方向上延伸的增强用圆筒体。

另外，专利文献4中公开了通过在框架截面内填充具有特定的材料特性的填充材料，更有效地提高框架的能量吸收性能。

但是，这些现有技术中，碰撞时的耐负荷值大大提高，可是在冲击能量的吸收性能方面仍然存在技术课题。

在先技术文献

专利文献1：日本特开2017-19428号公报

专利文献2：日本特开2010-195352号公报

专利文献3：日本特开2007-237944号公报

专利文献4：日本特开平11-278301号公报

发明内容

因此，本发明的课题着眼于上述现有技术中的问题，提供一种能够利用重量轻的树脂材料来增强金属制构件，并且受到碰撞载荷等外部载荷时的载荷-位移曲线的波形接近理想的矩形波形的复合结构体。

为解决上述课题，本发明涉及的复合结构体，其特征在于，在具有中空封闭截面的金属制构件的内部，配置由拉伸伸长率为10％以上的树脂材料成型的内插部件，使得能够由该内插部件和所述金属制构件这两者承受外部载荷，该内插部件的外形相对于所述金属制构件的中空封闭截面以投影面积比计占50％以上。

这样的本发明涉及的复合结构体中，在具有中空封闭截面的金属制构件的内部配置由拉伸伸长率为10％以上的特定的树脂材料成型的内插部件，且该内插部件的外形相对于金属制构件的中空封闭截面以投影面积比计为50％以上(即半数以上)，由此在由于外部载荷、例如冲击载荷而使复合结构体变形时，内部的树脂制的内插部件追随金属制构件的变形而变形，金属制构件和树脂制的内插部件这两者共同承受外部载荷。此时，金属制构件延展性地变形，而由拉伸伸长率为10％以上的树脂材料成型的内插部件以高韧性而变形，能够使作为复合结构体的载荷-位移曲线的波形接近理想的矩形波形，能够实现优异的冲击能量的吸收性能。

上述本发明涉及的复合结构体中，优选作为成型为上述内插部件的上述树脂材料的抗拉强度为30MPa以上。通过抗拉强度与拉伸伸长率以高水平达到平衡，能够使内插部件具有更高的强度，作为复合结构体能够具有更高的载荷。

另外，上述本发明涉及的复合结构体中，优选上述内插部件具有在与外部载荷方向交叉的方向上扩展的成型面。通过具有这样的成型面，能够更有效地承受经由金属制构件传递来的外部载荷。对于与外部载荷方向交叉的方向没有特别限定，从利用内插部件更有效地承受外部载荷这一点出发，优选与外部载荷方向垂直的方向或接近垂直的方向。

另外，上述本发明涉及的复合结构体中，优选上述内插部件具有相对于外部载荷方向以格子状形成的肋部。以格子状形成的肋部对于外部载荷能够发挥高的抵抗力，因此通过使内插部件具有这样的肋部，作为内插部件自身以及复合结构体能够体现出高强度。

另外，上述本发明涉及的复合结构体中，优选上述内插部件的外形相对于上述金属制构件的中空封闭截面以投影面积比计占80％以上。更优选占90％以上。随着内插部件的外形相对于金属制构件的中空封闭截面以投影面积比计所占的比例越高，能够使由于外部载荷而开始变形的金属制构件的内表面更快地接触到内插部件，从而更切实地发挥由金属制构件与内插部件的协作实现的对于外部载荷的目标特性，即载荷-位移曲线的波形接近理想的矩形波形的特性。

这样的本发明涉及的复合结构体，特别适合用于需求优异的冲击能量吸收性能的结构体，尤其是车辆用的结构体。

像这样，根据本发明涉及的复合结构体，通过在具有中空封闭截面的金属制构件的内部以特定的状态配置具有特定的韧性的树脂制内插部件，特别是通过在产生碰撞载荷时内部的内插部件追随金属制构件的延展性变形而变形，能够使载荷-位移曲线的波形接近理想的矩形波形，能够体现出优异的冲击能量吸收性能。特别是本发明涉及的复合结构体，非常适合用于车辆用的结构体。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式涉及的复合结构体的结构的立体透视图。

图2(A)是图1的复合结构体的立体透视图，图2(B)是图2(A)的截面(A)的截面图，图2(C)是图2(A)的截面(B)的截面图。

图3是表示本发明的一实施方式涉及的复合结构体中的、从图2(A)的T方向观察时的内插部件的外形相对于金属制构件的中空封闭截面以投影面积比所占的比例的一例的侧视图。

图4是表示本发明的一实施方式涉及的复合结构体的压缩试验的实施形态的立体透视图。

图5是表示本发明的另一实施方式涉及的复合结构体的压缩试验的实施形态的立体透视图。

图6是表示本发明的一实施方式涉及的复合结构体的落锤冲击试验的实施形态的立体透视图。

图7是表示本发明的一实施方式涉及的复合结构体的弯曲试验的实施形态的立体透视图。

图8是表示本发明的实施例涉及的复合结构体的载荷-位移曲线的图表。

图9是表示本发明的另一实施例涉及的复合结构体的载荷-位移曲线的图表。

图10是表示本发明的另一实施例涉及的复合结构体的载荷-位移曲线的图表。

图11是表示本发明的另一实施例涉及的复合结构体的载荷-位移曲线的图表。

图12是表示本发明的另一实施例涉及的复合结构体的载荷-位移曲线的图表。

图13是表示本发明的另一实施例涉及的复合结构体的载荷-位移曲线的图表。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。

本发明涉及的复合结构体，例如图1所示的本发明的一实施方式涉及的复合结构体的结构那样，在具有中空封闭截面的金属制构件1的内部，配置由拉伸伸长率为10％以上的树脂材料成型的内插部件2，使得能够由该内插部件2和金属制构件1这两者承受外部载荷，并且内插部件2的外形相对于金属制构件1的中空封闭截面以投影面积比计占50％以上，由此构成复合结构体3。

本发明中的金属制构件是具有中空封闭截面的构件，作为其代表例，可举出具有中空封闭截面的金属材料制成的型材。作为金属制构件的金属材料，可优选举出铝合金、钢、钛合金、镁合金、铜合金、镍合金、钴合金、锆合金、锌、铅、锡以及它们的合金。特别是在本发明涉及的复合结构体用于车辆用的结构体的情况下，作为金属制构件的金属材料，优选重量轻且比较便宜的材料，例如由铝合金制成。

另外，关于本发明中的中空封闭截面结构，只要是能够在中空内部配置内插部件就没有特别限制。例如，作为封闭截面的形状可优选举出矩形截面(正方形、长方形、梯形、菱形)、圆形截面、椭圆截面、四边形以外的多边形(三角形、五角形、六角形)。另外，作为封闭截面的结构，除了由单一的封闭截面(单元)构成以外，还可以优选举出由多个封闭截面(单元)构成的结构。

本发明中的内插部件由拉伸伸长率为10％以上的树脂材料成型，本发明中所使用的树脂材料只要是能够通过加热熔融而成型的树脂就没有特别限制。

通过在本发明的内插部件中使用如上所述的树脂材料，能够体现出轻量化、高载荷、矩形波能量吸收特性(矩形波的载荷-位移曲线)。作为树脂材料，例如可优选举出聚酰胺树脂、聚酯树脂、聚苯硫醚树脂、聚苯醚树脂、聚碳酸酯树脂、聚乳酸树脂、聚缩醛树脂、聚砜树脂、四氟化聚乙烯树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚醚砜树脂、聚醚酮树脂、聚硫醚酮树脂、聚醚醚酮树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚苯乙烯树脂、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物(ABS树脂)等苯乙烯系树脂、聚环氧烷树脂等。另外，可以在不损害特性的范围内，将它们的两种以上混合而合金化(混合物化)。

所述树脂材料之中，优选使用聚酰胺树脂、聚酯树脂、聚苯硫醚树脂、聚苯醚树脂、聚碳酸酯树脂、ABS树脂、聚丙烯树脂。从强度和伸长率、特别是抗拉强度和拉伸伸长率的平衡优异出发，更优选聚酰胺树脂、聚酯树脂、聚苯硫醚树脂、聚碳酸酯树脂。

本发明的内插部件中所使用的树脂材料，拉伸伸长率为10％以上，优选为30％以上。当拉伸伸长率小于10％时，在中空封闭截面内部配置的内插部件无法追随金属制构件的延展性变形，从而发生脆性断裂，无法以期望的矩形波形吸收能量。

本发明的内插部件通过将树脂材料成型而制作。作为成型方法，优选使用模具的成型方法，可以使用注射成型、挤出成型、压制成型等各种成型方法。特别是通过使用注射成型机的成型方法，能够连续得到稳定的成型品。作为注射成型的条件没有特别规定，例如优选注射时间：0.5秒～10秒，背压：0.1MPa～10MPa，保压压力：1MPa～50MPa，保压时间：1秒～20秒，料筒温度：200℃～340℃，模具温度：20℃～150℃的条件。在此，料筒温度表示注射成型机的对成型材料加热熔融的部分的温度，模具温度表示注入用于成为预定形状的树脂的模具的温度。通过适当选择这些条件，特别是注射时间、注射压力(背压和保压压力)以及模具温度，能够适当调整内插部件的外观、气孔、翘曲等。

在本发明中，关于内插部件的插入方向，只要能够配置在例如作为金属制构件的型材的中空封闭截面结构内部就不特别限制，优选内插部件具有在与外部载荷方向(例如冲击载荷方向)交叉的方向上扩展的成型面。图1所示的例子中，内插部件2的顶面形成为成型面4。如上所述，通过具有在这样的方向上扩展的成型面，能够经由成型面更有效地承受经由金属制构件传递来的外部载荷。也就是说，能够承受的碰撞载荷等载荷值变高。作为与外部载荷方向交叉的方向，从利用内插部件更有效地承受外部载荷这一点出发，优选为与外部载荷方向垂直的方向或接近垂直的方向。

另外，本发明中的内插部件，优选具有相对于外部载荷方向(例如冲击载荷方向)以格子状形成的肋部。例如，优选与上述成型面连续地形成格子状的肋部。图1所示的例子中，在作为上述成型面4的顶面的下部侧，朝向下方形成有开放结构的格子状的肋部5。以格子状形成的肋部对于外部载荷能够发挥高的抵抗力，因此通过使内插部件具有这样的肋部，作为内插部件自身以及复合结构体能够体现出高强度。另外，通过具有以格子状形成的肋部，能够使矩形波的载荷-位移曲线更接近期望的矩形波。

在本发明中，关于内插部件的插入状态，只要能够配置在型材的中空封闭截面结构内部就不特别限制。例如，如图3中示出的从图2(A)的T方向观察时的内插部件的外形相对于金属制构件的中空封闭截面以投影面积比计所占的比例的一例那样，将投影方向上的金属制构件的中空截面积设为S，并将内插部件的投影面积设为S1时，以S1/S×100(％)的投影面积比成为50％以上的方式插入配置内插部件。作为投影面积比，优选为80％以上，特别优选为90％以上。如果投影面积比为50％以上，则在由于外部载荷导致复合结构体变形时，金属制构件的内表面能够与内插部件的外表面贴合的可能性提高，能够经由金属制构件向内插部件传递一部分外部载荷，体现出期望的性能、特别是接近矩形波的载荷-位移曲线的特性。尤其当投影面积比为80％以上时、进而为90％以上时，金属制构件的内表面能够更迅速地与内插部件的外表面贴合，因此受到碰撞载荷等外部载荷时的载荷-位移曲线的波形更接近期望的矩形波，载荷值也变高，因而优选。

在本发明中，作为车辆用的结构体，优选长条的(长度方向尺寸相对于截面尺寸大的部件)、承受从其横向(与长度方向具有角度的方向)输入的冲击载荷的部件，该部件具有吸收该部件自身所负载的冲击能量、或将所负载的冲击载荷随时间变化而从该部件向其它结构部件传递的功能，因此可以优选举出例如汽车的保险杠横梁、与边梁并设的构件等。

实施例

以下示出实施例，对本发明进行更具体的说明，但本发明并不限定于这些实施例的记载。首先，对本实施例中使用的材料和各种特性的评价方法进行说明。

(1)作为金属制构件的型材

铝合金方管：外形：高50mm×宽70mm×长300mm和长1000mm，壁厚：2mm，材质：A6063-T5

(2)树脂材料

·PC/PBT：聚碳酸酯树脂与聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂的合金材料，等级名称“8207X01B”(东丽株式会社制)

·PA：聚酰胺树脂，等级名称“CM1017”(东丽株式会社制)

·PP：聚丙烯树脂、乙烯丙烯共聚物以及滑石的混合物，等级名称“LA880”(株式会社プライムポリマー制)

·PPS：聚苯硫醚树脂，等级名称“A670X01”(东丽株式会社制)

·PA/GF：玻璃纤维强化聚酰胺树脂，等级名称“CM1011G30”(东丽株式会社制)

·PA/CF：碳纤维强化聚酰胺树脂，等级名称“3101T30V”(东丽株式会社制)

(3)内插部件

通过注射成型将上述树脂材料制成图1所示的内插部件。

(4)抗拉强度、拉伸伸长率的评价

使用通过注射成型而得到的ISO试验片，以ISO527-1,2为基准，在23℃、湿度50％的气氛下，PC/PBT、PA、PP、PPS材料在应变速度为50mm/min的条件下，PA/GF、PA/CF材料在应变速度为5mm/min的条件下，进行拉伸试验，测定了抗拉强度(强度)、拉伸伸长率(断裂应变)。再者，聚酰胺树脂系的材料利用大气平衡吸水状态的试验片进行拉伸试验。

(5)压缩试验的评价(图4、5)

如图4所示，将通过注射成型而得到的内插部件11的成型面12作为顶面(作为上侧)，使用插入到作为金属制构件13的铝方管内的复合结构体14，以压头15(顶端的圆度：R＝5mm)在应变速度为5mm/min的条件下进行压缩试验，测定了载荷和位移量(载荷-位移曲线)。另外，如图5所示，仅在实施例5中，使用在将内插部件11上下反转而将底面侧作为成型面12的状态下插入的复合结构体16进行了压缩试验。再者，聚酰胺树脂系的材料利用大气平衡吸水状态的内插部件进行压缩试验。

(6)落锤冲击试验的评价(图6)

将通过注射成型而得到的内插部件21的成型面22作为顶面(作为上侧)，使用插入到作为金属制构件23的铝方管内的复合结构体24，以锤式件25(顶端的圆度：R＝20mm)在落锤重量为250kg、落锤高度为1m的条件下进行落锤冲击试验，测定了载荷与位移量(载荷-位移曲线)。再者，聚酰胺树脂系的材料利用大气平衡吸水状态的内插部件进行了落锤冲击试验。

(7)弯曲试验的评价(图7)

将通过注射成型而得到的内插部件31的成型面32作为顶面(作为上侧)，使用插入到作为金属制构件33的铝方管内的复合结构体34，在压头35(顶端的圆度：R＝127mm)、支点36(顶端的圆度：R＝25mm)、支点间距为800mm、应变速度为5mm/min的条件下进行弯曲试验，测定了载荷和位移量(载荷-位移曲线)。再者，聚酰胺树脂系的材料利用大气平衡吸水状态的内插部件进行了弯曲试验。

(参考例1)

将对铝方管单件进行压缩试验得到的评价结果示于图8。

(实施例1)

将PC/PBT制内插部件插入铝方管中进行压缩试验得到的评价结果示于表1、图8。

(比较例1)

将PA/GF制内插部件插入铝方管中进行压缩试验得到的评价结果示于表1、图8。

(实施例2～4、比较例2)

将PA、PP、PPS、PA/CF制内插部件插入铝方管中进行压缩试验得到的评价结果汇总示于表1、图9。

(实施例5)

将PC/PBT制内插部件上下反转而将成型面设为底面侧插入铝方管中，将进行压缩试验得到的评价结果示于表1、图10。

(实施例6、比较例3)

将PC/PBT制内插部件的肋部高度分别切割为80％(实施例6)、40％(比较例3)插入铝方管中，将进行压缩试验得到的评价结果示于表1、图11。

(实施例7和8、比较例4)

将PC/PBT制内插部件、PP制内插部件、PA/GF制内插部件插入铝方管进行落锤冲击试验得到的评价结果示于表2、图12。

(实施例9、比较例5)

将PC/PBT制内插部件、PA/GF制内插部件插入铝方管中进行弯曲试验得到的评价结果示于表3、图13。

表2

表3

如表1、表2和表3所示，满足本发明中规定的条件的实施例涉及的复合结构体，树脂制内插部件的抗拉强度与拉伸伸长率的平衡良好，作为复合结构体能够兼具优选的高的最大载荷和接近矩形波的期望的载荷-位移曲线，而不满足本发明中规定的条件的比较例涉及的复合结构体，特别是载荷-位移曲线成为不期望的右肩下降或右肩上升的特性。

产业可利用性

本发明涉及的复合结构体，在受到碰撞载荷等外部载荷时，能够以高载荷和矩形波形吸收能量，因此能够很好地用于车辆用结构体。

附图标记说明

1、13、23、33 金属制构件

2、11、21、31 内插部件

3、14、16、24、34 复合结构体

4、12、22、32 成型面

5 肋部

15、35 压头

25 锤式件

36 支点

Claims

1.一种复合结构体，其特征在于，

在具有中空封闭截面的金属制构件的内部，配置由拉伸伸长率为10％以上的树脂材料成型的内插部件，使得能够由该内插部件和所述金属制构件这两者承受外部载荷，该内插部件的外形相对于所述金属制构件的中空封闭截面以投影面积比计占50％以上。

2.根据权利要求1所述的复合结构体，成型为所述内插部件的所述树脂材料的抗拉强度为30MPa以上。

3.根据权利要求1或2所述的复合结构体，所述内插部件具有在与外部载荷方向交叉的方向上扩展的成型面。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的复合结构体，所述内插部件具有相对于外部载荷方向以格子状形成的肋部。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的复合结构体，所述内插部件的外形相对于所述金属制构件的中空封闭截面以投影面积比计占80％以上。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的复合结构体，是车辆用的结构体。