CN112469622A - 包括金属插入件和支柱部件的交通工具部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种交通工具部件，其包括热塑性零件；金属插入件，该金属插入件具有锚固部分、周向部分以及第一插入件表面和相对的第二插入件表面，其中第一表面被热塑性零件包覆模制；热塑性肋，包覆模制在金属插入件的第二表面上，该肋从第二表面延伸并且与热塑性零件至少部分地相邻；以及支柱部件，该支柱部件在金属插入件的第一表面上的锚固部分处附接到金属插入件。本发明还涉及一种包括这种交通工具部件的交通工具，其中交通工具为铁路交通工具、海上交通工具、公路交通工具或飞机中的一种。

Description

包括金属插入件和支柱部件的交通工具部件
背景技术
由于严格的全球二氧化碳排放法规，减轻重量是汽车的关键。因此，当今大多数轻型解决方案都将优化的铝或高强度钢设计用于后挡板应用。通过使用铝来维持所需的机械性能来寻求减轻重量。由于材料成本以及需要单独外覆材料的零件(通常由热塑性聚烯烃(TPO)制成)以满足美学内部要求的原因，使用铝非常昂贵。
为了进一步减轻重量并另外降低成本，探索塑料后挡板。最初，塑料后挡板由类似热固性SMC的材料开发。片状模制复合材料(SMC)是一种易于模制的玻璃纤维加强热固性聚酯材料。后来，热塑性零件由长纤维加强PP(PP-LGF)制成，该材料部分集成了美观的TPO面板。
当使用热塑性塑料制造用于交通工具部件的结构零件时，必须考虑热塑性材料在恒定载荷下的蠕变行为。例如，即使在后挡板处于闭合位置时，气体支柱也在后挡板的使用寿命期间对交通工具的后挡板施加连续的力。在热塑性结构零件中，这类载荷可能引起局部蠕变，这可由于热塑性结构零件中的应力而导致零件故障。
期望提供一种交通工具部件，其具有支柱部件与热塑性结构零件的改进的附接，以减小热塑性结构零件中的应力，以便改进失效行为的时间，这可延长后挡板的寿命，并且减轻上述缺点。
发明内容
本发明涉及一种交通工具部件，其包括热塑性零件；金属插入件，该金属插入件具有锚固部分、周向部分以及第一插入件表面和相对的第二插入件表面，其中第一表面被热塑性零件包覆模制；热塑性肋，包覆模制在金属插入件的第二表面上，该肋从第二表面延伸并且与热塑性零件至少部分相邻；以及支柱部件，该支柱部件在金属插入件的第一表面上的锚固部分处附接到金属插入件。
连接到交通工具部件(例如后挡板)的支柱部件(例如球支柱、气体支柱，或那些中的至少一者的组合)施加集中在支柱部件和交通工具部件连接处的相对较小的表面处的力，从而产生相对集中的应力。支柱部件在其整个使用寿命期间以主动(active)和非主动(inactive)模式施加作用于交通工具部件的持续的力，例如打开的后挡板，在打开时支柱部件主动支撑后挡板，使其不落回闭合位置，并且当后挡板处于闭合位置而非主动时不主动支撑后挡板。尤其对于塑料汽车部件或塑料结构的承载零件，如果承载零件内部的应力变得过高，该力引起可能导致零件失效的蠕变。
通过将支柱部件与金属插入件组合，由支柱部件施加的在交通工具部件内的应力分布在相对较大的表面上，使得改进蠕变和失效行为的时间。因此改进交通工具部件的寿命性能。金属插入件可直接与支柱部件组合以消除在组装过程中的步骤。例如，支柱部件可在包覆模制步骤之前在锚固部分处附接到金属插入件。这可以通过焊接、压铆(clinched)或铆接来完成。替代地，支柱部件与金属插入件一体地形成，其中支柱部件位于锚固部分处。
在金属插入件的第二侧上包覆模制的热塑性肋用于将金属插入件固定到交通工具部件中，即，金属插入件被锁定在热塑性零件和热塑性肋之间。热塑性肋与热塑性零件至少部分地相邻。热塑性零件可具有第一零件表面和相对的第二零件表面。热塑性零件可从第二插入件表面和第二零件表面延伸，即，热塑性肋与金属插入件和热塑性零件均重叠。
在一个实施例中，周向部分的外边缘距锚固部分的与周向部分的所述外边缘最靠近的边缘至少一最小平面距离，其中最小平面距离为3.0mm至50mm，或3.0mm至40mm，或3.0mm至30mm，优选地至少4.0mm。为了使内部应力在热塑性零件中充分分布，并且因此减少蠕变并提高部件使用寿命性能，金属插入件可具有一最小尺寸，该最小尺寸被定义为距最靠近周向部分的外边缘的锚固部分的边缘的最小平面距离。当金属插入件为圆形或椭圆形时，最小平面距离可为半径。其它金属插入件形状也是可能的，诸如三角形、矩形或任何其它多边形形状。形状可为规则的或不规则的。金属插入件的形状可取决于热塑性零件的形状，和/或取决于对交通工具部件的要求。金属插入件可为板。金属插入件可设置有凹陷和/或突起。例如，锚固部分可相对于周向部分偏移。此外，金属插入件可包括柱形锚固部分，诸如从第二插入件表面延伸的螺纹柱体。
除了形状和平面尺寸外，金属插入件的厚度还可在优化应力分布方面起作用。厚度至少为0.05mm并且最大为5mm，或0.1mm至5mm，或0.2mm至4mm，优选0.3mm至3mm。
金属插入件可包括不锈钢、钛、铁、镍、铜、铝、锡或包含前述至少一种的组合。用于金属插入件的金属的选择可取决于对内部应力分布的要求，并且因此取决于交通工具部件的寿命性能，以及包覆模制金属插入件所使用的塑料材料，因为不是所有金属与每种聚合物相容。成本要求也可起作用。
交通工具部件可包括包覆模制到第二插入件表面上的多个热塑性肋。这样的多个肋可改进金属插入件与热塑性零件的固定。附加地或替代地，包覆模制在第二插入表面上的热塑性肋形成加强肋的在热塑性零件的至少一部分上延伸的一部分。可用包括加强肋的加强结构来加强热塑性零件。交通工具部件还可包括热塑性肋网络，该热塑性肋网络连接到热塑性肋的横向侧面并且在热塑性零件的至少一部分上从热塑性肋延伸。热塑性肋网络可形成加强结构的一部分。
在一个实施例中，热塑性肋可设置有热塑性凸出部和/或热塑性角板，并且其中，热塑性肋、热塑性凸出部和/或热塑性角板与锚固部分相邻。热塑性肋可设置为容纳金属插入件上的任何凹槽或突起，特别地，在锚固位置。
交通工具部件可包括聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)；聚碳酸酯(LEXANTM和LEXANTMEXL树脂，可从沙伯基础创新塑料(SABIC InnovativePlastics)商购)；聚碳酸酯/PET共混物；聚碳酸酯/ABS共混物；丙烯酸-苯乙烯-丙烯腈(ASA)；亚苯基醚树脂；聚苯醚/聚酰胺的共混物(NORYL GTXTM树脂，可从沙伯基础创新塑料商购)；聚碳酸酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)/聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)的共混物(XENOYTM树脂，可从沙伯基础创新塑料商购)；聚酰胺；苯硫醚树脂；聚氯乙烯PVC；(高抗冲)聚苯乙烯；聚烯烃，诸如聚丙烯(PP)、膨胀聚丙烯(EPP)或聚乙烯；聚硅氧烷；聚氨酯和热塑性烯烃(TPO)，以及包含上述至少一种的组合。交通工具部件可包括纤维填充的热塑性材料，特别地，来自上述的列表的热塑性材料。例如，可使用纤维填充的聚烯烃。纤维材料可包括玻璃纤维、长纤维或短纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维或任何塑料纤维。特别地，可使用长玻璃纤维填充的聚丙烯(STAMAXTM)。
热塑性零件和热塑性肋可包括不同但相容的热塑性材料或由其制成。仅当使用相容的材料时，才可在热塑性零件和热塑性肋之间建立所需的粘结或接合。
交通工具部件可为后挡板、车门、举升后厢板或引擎盖。
本发明还涉及一种包括如上文所描述的交通工具部件的交通工具，其中交通工具为铁路交通工具、海上交通工具、公路交通工具或飞机中的一种。
附图说明
以下附图为示例性实施例。
图1示出包括局部的金属插入件的交通工具部件的示意图。
图2示出根据本发明的实施例的细节。
图3A示出根据本发明的交通工具部件的部分。
图3B为沿着图3A中示出的线A-A’的交通工具部件的截面。
图4A-4D示出各种大小和形状的金属插入件。
图5为在图4A-4D的金属插入件的位置处以及没有金属插入件的情况下的交通工具部件中的局部应力水平的图示。
图6为在图4B和图4C的各种厚度的金属插入件的位置处的交通工具部件中的局部应力水平的图示。
图7为在图4C和图4D的各种厚度的金属插入件的位置处的交通工具部件中的局部应力水平的图示。
图8是在60摄氏度下热塑性交通工具部件的应力相对于失效时间的图示。
图9为对于三种情况零件重量相对于最大测量的峰值应力的图示。
通过以下详细描述、示例和权利要求来例示上述和其它特征。
具体实施方式
图1示出交通工具部件100的示意图，该交通工具部件100包括局部的金属插入件12和包覆模制到金属插入件12上的热塑性零件24。金属插入件12或加强件放置在支柱和/或铰接件的载荷引入点处，以将载荷分布在热塑性零件中。由于金属插入件12被限制在支柱和/或铰接件的载荷区域，所以这些插入件不向交通工具部件增加提高的刚度。交通工具部件100可用加强肋加强，参见图3A。
交通工具部件100可为用于交通工具的后挡板，如在图1中示意性地示出。后挡板可包括形成后挡板的承载框架的热塑性内部结构(在图1中被描绘为热塑性零件24)，以及用于局部加强承载框架的至少一个加强件12。用于后挡板的内部结构或热塑性零件24包括其中可放置后挡板的窗口玻璃零件的后挡板窗口开口30。加强件可围绕后挡板窗口开口分布或邻近后挡板窗口开口分布。
承载框架或热塑性零件24可包括顶梁31、从顶梁的每个端部延伸的两个D柱32，和以距顶梁不同于零的距离在两个D柱之间延伸的下部33。顶梁、D柱和下部包封用于后挡板的窗口玻璃零件的后挡板窗口开口30。
交通工具部件也可为车门部件(未示出)，该车门部件具有其中可放置车门的窗口玻璃零件的车门窗口开口。对于车门，可进行与后挡板类似的加强件12围绕窗口开口的分布。
图2示出根据本发明的实施例的细节。如图2所示，支柱部件22(例如，球支柱，未在图3A中示出)通过锚固部分13附接到金属插入件12。支柱部件22可在与所示的表面相对的表面处附接到锚固位置。热塑性结构零件24(例如门框或后挡板)包覆模制在金属插入件12的第一表面上，并且热塑性肋14包覆模制在(例如到)金属插入件12的第二表面上。球支柱22与热塑性肋14相对定位(例如，金属插入件12位于球支柱22和热塑性肋14之间)，并且在锚固部分13处与金属插入件12一体地形成。与锚固部分13相邻的是金属插入件12的周向部分15。气体支柱(未示出)可连接到球支柱22。金属插入件12与结构零件24和肋14的包覆模制可包括将至少金属插入件的周向部分15嵌入热塑性材料内。
图3A为交通工具部件100的实施例的例证，该交通工具部件具有用于锚固支柱部件22(例如，球支柱)的金属插入件12。第二插入件表面示出为包覆有多个肋14。这些多个肋形成也在热塑性零件24上延伸的肋的网络37。以此方式，肋14可用作热塑性零件24的加强肋。图3B为沿图3A中示出的线A-A’的图3A的交通工具部件的截面。交通工具部件包括具有锚固部分13(参见图3B)和周向部分15的金属插入件12。热塑性结构零件24(例如门框)包覆模制到金属插入件12的第一表面上。热塑性肋14和热塑性凸出部20(参见图3B)包覆模制到金属插入件12的第二表面上。热塑性肋14为肋的网络37的一部分。球支柱22在锚固部分13处与金属插入件12成一体。气体支柱(未示出)可连接到球支柱22。参考图2和图3B，球支柱22与金属插入件12组合可消除在交通工具部件100的组装中的步骤。
实例
用于锚固支柱部件的金属插入件分别如图4A-D所示地建模并且分别在实例1-4中测试模拟。每个金属插入件70、80、90、100包括两个圆形的锚固部分72、82、92、102和周向部分74、84、94、104。在每个金属插入件70、80、90、100上是一体的球支柱(未示出)，其用于在一个锚固部分72、82、92、102处连接到气体支柱(未示出)，并且在另一锚固部分72、82、92、102处附接凸耳支柱(未示出)。
图4A示出在实例1中使用的大金属插入件。两个锚固部分72各自具有6mm的半径。金属插入件70的周向部分74的外边缘75距金属插入件70的锚固部分72的边缘73的最小径向距离76为20mm。在模型中，锚固部分被认为是刚性的，使得对于模拟，不需要包括锚固部分72的几何形状，仅需要指定锚固部分的位置、施加在锚固部分上的力以及附接到金属插入件12的锚固部分的位置。
图4B示出在实例2中使用的中等大小金属插入件80。两个锚固部分82各自具有6mm的半径。金属插入件80的周向部分84的外边缘85距金属插入件80的锚固部分82的边缘83的最小径向距离86为20mm。
图4C示出在实例3中使用的小金属插入件90。两个锚固部分92各自具有6mm的半径。金属插入件90的周向部分94的外边缘95距金属插入件90的锚固部分92的边缘93的最小径向距离96为20mm。
图4D示出在实例4中使用的非常小的金属插入件100。两个锚固部分102各自具有6mm的半径。金属插入件100的周向部分104的外边缘105距金属插入件100的锚固部分102的边缘103的最小径向距离106为4mm。尽管图4A-4D示出两个锚固部分102，但是实施例可包括一个锚固部分和任选的用于止挡件的孔(例如，不是球支柱)。
对照实例5包括其中没有使用的金属插入件的如图1所示的交通工具部件。准确地说，支柱部件附接到螺栓，该螺栓被旋拧到带螺纹的金属柱体上，并用热塑性凸出部包覆模制。
每个金属插入件70、80、90、100在图2所示的系统中进行模拟测试(例如，用每个金属插入件70、80、90、100代替图2所示的金属插入件)。使用静态弹性有限元模拟测量应力水平，在垂直于连接球支柱和金属插入件的轴线的球支柱上施加600N的力，在金属插入件平面上产生(弯曲)力矩。每个金属插入件为具有1.5毫米(mm)厚度的钢。如图3A所示，对热塑性肋进行建模以形成包括介于热塑性肋之间的三角形空间的网络。将每个热塑性肋建模为长玻璃纤维加强聚丙烯(包含40体积百分比(vol.％)的玻璃纤维)，其中高度范围为20-40毫米(mm)，平均厚度为1.5mm(未考虑拔模角)，并且长度为20mm至60mm。结果在图5中示出，其中X表示临界应力水平，其通过假定在给定载荷而不失效的情况下处于60℃下制品的20年寿命来确定。在图5中的图示出每个实例的应力水平(y轴)(实例标号在x轴上)，其大小随着应力水平的增加而减小。
如图5所示，随着最小径向距离减小，应力增加，并且在对照实例5中达到临界应力水平。因此，在实例1-4中模拟测试的所有金属插入件能够锚固球支柱，同时与对照实例5相比，提供改进的(例如减小的)在临界应力水平下的应力水平。
在图6中，实例2和实例3每者中建模的金属插入件分别采取0.5mm、1mm、1.5mm和2.0mm的变化的金属插入件厚度。以对于实施例1-5描述的方式来模拟测试金属插入件的力水平。如图6所示，金属插入件的厚度可减小到0.1mm而不达到临界应力水平X。
图7示出对于各种厚度的分别处于图4C和图4D的金属插入件的位置处(实例3和实例4)的交通工具部件中的局部应力水平的图示。分别以0.5mm、1mm、1.5mm和2.0mm的变化的金属插入件厚度各自建模实例4和实例3的金属插入件。在图3所示的交通工具部件中模拟测试金属插入件，但是没有热塑性肋包覆模制在金属插入件上。以对于实例1-5所描述的方式模拟测试系统的力水平。如图7所示，所有部件模拟测试超出临界应力水平。如图所示，实例4的厚度增加未示出交通工具部件中的应力水平的显著降低，与不使用热塑性肋无关。对于实例3，厚度的增加确实显著降低应力水平，但是不低于在X处的初始最大应力水平15MPa。如先前图5所示，实例3的金属插入件与热塑性肋组合允许低得多的应力水平，远低于在X处的最大应力水平。
图8是在60摄氏度下热塑性交通工具部件的应力相对于失效时间的图示，该热塑性交通工具部件由通常用于在60摄氏度下的这类热塑性交通工具部件的热塑性材料制成。由于温度是恒定的，并且应力是变化的，因此清楚地示出，施加到热塑性部件上的应力越高，失效时间越短。失效可定义为部件破裂直至断裂点的时刻。
图9为对于三种情况零件重量相对于最大测量的峰值应力的图示。情况A示出对照实例5的最大峰值应力相对于交通工具部件重量。情况B示出相对小的包覆模制金属插入件(诸如在图4C和图4D中示出)的最大峰值应力相对于交通工具部件的重量。情况C示出相对大的包覆模制金属插入件(诸如在图4A和图4B中示出)的最大峰值应力相对于交通工具部件的重量。
结果指示，通过具有从金属插件的周向部分的外边缘到球支柱位置的边缘的径向距离为例如5mm并且金属插入件的厚度为例如0.1mm的与包覆模制肋组合的金属插件，可实现通过连续力加载的热塑性结构零件的蠕变寿命的改进。
组合物、方法和制品可替代地包括本文公开的任何合适的部件或步骤，由其组成或基本上由其组成。组合物、方法和制品可附加地或替代地被配制为不含或基本上不具有对于实现部件、方法和制品的功能或目标不是必需的任何步骤、部件、材料、成分、佐剂或物质。

Claims (16)

1.一种交通工具部件，包括：
-热塑性零件；
-金属插入件，具有锚固部分、周向部分以及第一插入件表面和相对的第二插入件表面，其中该第一表面被所述热塑性零件包覆模制，
-热塑性肋，包覆模制在所述金属插入件的第二表面上，所述肋从所述第二表面延伸并且与所述热塑性零件至少部分地相邻，
-支柱部件，在所述金属插入件的第一表面上的所述锚固部分处附接到所述金属插入件。
2.根据权利要求1所述的交通工具部件，其中所述周向部分的外边缘距所述锚固部分的与所述周向部分的所述外边缘最靠近的边缘至少一最小平面距离，其中所述最小平面距离为3.0mm至50mm，或3.0mm至40mm，或3.0mm至30mm，优选地至少4.0mm。
3.根据前述权利要求中任一项所述的交通工具部件，其中所述金属插入件的厚度至少为0.05mm且最大为5mm，或0.1mm至5mm，或0.2mm至4mm，优选0.3mm至3mm。
4.根据前述权利要求中任一项或多项所述的交通工具部件，其中所述支柱部件在所述锚固部分处焊接、压铆到所述金属插入件或与所述金属插入件一体地形成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的交通工具部件，其中所述支柱部件包括球支柱、气体支柱，或包括前述至少一种的组合。
6.根据前述权利要求中任一项所述的交通工具部件，其中所述金属插入件包括不锈钢、钛、铁、镍、铜、铝、锡或包含前述至少一种的组合。
7.根据前述权利要求中任一项所述的交通工具部件，其中所述第二表面包覆模制有多个热塑性肋。
8.根据前述权利要求中任一项所述的交通工具部件，其中包覆模制在所述金属插入件的第二表面上的所述热塑性肋形成在所述热塑性零件的至少一部分上延伸的加强肋的一部分。
9.根据前述权利要求中任一项或多项所述的交通工具部件，还包括热塑性肋网络，所述热塑性肋网络连接到所述热塑性肋的横向侧面并且在所述热塑性零件的至少一部分上从所述热塑性肋延伸。
10.根据前述权利要求中任一项或多项所述的交通工具部件，其中所述热塑性肋设置有热塑性凸出部和/或热塑性角板。
11.根据权利要求10所述的交通工具部件，其中所述热塑性肋、所述热塑性凸出部和/或所述热塑性角板与所述锚固部分相邻。
12.根据前述权利要求中任一项所述的交通工具部件，其中所述热塑性零件和所述热塑性肋包括不同但是相容的热塑性材料。
13.根据前述权利要求中任一项所述的交通工具部件，包括聚酰胺、聚碳酸酯、聚酯、聚醚酰亚胺、聚烯烃，特别地，聚醚和/或聚丙烯、聚硅氧烷、聚苯乙烯、聚氨酯，或包括至少一种前述热塑性聚合物的组合。
14.根据前述权利要求中任一项所述的交通工具部件，其中所述交通工具部件为后挡板、举升门、举升后厢板、车门或引擎盖。
15.根据权利要求1到13中任一项所述的交通工具部件，其中所述交通工具部件为后挡板，其中所述热塑性零件形成所述后挡板的热塑性内部结构，其中所述热塑性零件包括能放置所述后挡板的窗口玻璃零件的后挡板窗口开口(30)，并且其中所述金属插入件围绕所述后挡板窗口开口分布或邻近所述后挡板窗口开口分布。
16.一种交通工具，包括根据前述权利要求中任一项或多项所述的交通工具部件，其中所述交通工具为铁路交通工具、海上交通工具、公路交通工具或飞机中的一种。
CN201980049677.5A 2018-07-26 2019-07-25 包括金属插入件和支柱部件的交通工具部件 Active CN112469622B (zh)

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