CN1218529A - 空心结构件的内增强 - Google Patents

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Abstract

一种增强梁(20)具有一内插工字梁结构(36),该工字梁有相面对放置的粘着泡沫材料层(48,50)。泡沫材料层是挤压而成,切成所需长度后放在工字梁(20)相对置的表面(38,40)上。当将此增强梁加热时,粘着层膨胀并将工字梁牢固地固定在既定位置。

Description

说明 书 空心结构件的内增强
发明领域
本发明主要涉及用于机动车辆的增强结构，特别涉及用于增强空心结构件的轻型结构。
技术背景
在汽车工业的许多应用领域，需要轻型高强度结构件。各种复合材料过去已被推荐用作结构件。例如各种奇异的轻型合金。然而，在绝大多数应用中，结构质量的减小必须不以牲牺结构强度为代价，且必须使产品成本与消费者需求相平衡。这样，需要保持，或者最好是提高结构件强度而不明显地增加材料和提高成本。
使用复合材料以增强机动车结构件也已众所周知。例如，当今的发明者已经发明了许多用于增强机动车辆元件的金属/塑料复合结构。在美国专利No.4,901,500，标题为“轻型复合梁”的专利中，公开了一种用于车辆门的增强梁，这种梁包括一开式槽形金属制件，该制件具有纵向空腔，空腔中充以热固的或热塑的树脂基材料。在美国专利No.4,908,930，标题为“制造扭转杆的方法”的专利中，介绍了一种空心扭转杆，这种杆用树脂与填料混合物增强。将管先切至所需长度再充以一种树脂基材料。
在美国专利No.4,751,249，标题为“结构件的增强插件及其制造与使用方法”的专利中，提供了一种预制的结构制件增强插件，该插件由若干包含热固树脂与起泡剂的小球所构成。这种预制件在结构件中膨胀并凝固。在美国专利No.4,978,562，标题为“用合成泡沫芯在管的中空部增强的复合管形门梁”的发明中介绍一种复合门梁，该梁具有一种树脂基芯，这种芯的尺寸不大于金属管孔尺寸的三分之一。
在美国专利No.4,019,301中，标题为“用于结构件的耐腐蚀壳件”的发明中，公开了一种板桩或其它结构，该结构在外壳内埋入一工字梁并注入树脂。
在待批的美国专利申请No.245,798,1994年5月19日归档，标题为“汽车车身结构用复合叠层梁”的发明中，介绍了一种空心层压梁，其特征在于具有高刚性质量比，这种复合叠层梁的外部与内管之间用一种薄的结构泡沫层所分开。在待批准的美国专利申请No.08/448,627,1995年5月23日归档，标题为“复合结构增强制件”的发明中，介绍了一种用于增强空心梁的W形承重插入增强件，该增强件带有一种泡沫体。
此外，许多金属叠层结构已为人们所了解，这种结构将金属板与树脂插入层粘着在一起。人们还知道制造一种金属叠层板用于一种地板制件，这种制件包括一对金属平板，平板间具有一种沥青或弹性聚合物的夹层。
尽管在截面内整个充填以塑性泡沫材料，不会明显提高截面的刚性(至少在使用高密度泡沫材料时是如此)，但仍然增加了物质，从而也就增加制件的重量，而这一点，如前所述，正是汽车应用领域所不希望的一种特征。此外，虽然增大截面的金属尺度或者添加局部的金属增强件会提高刚性，由于金属厚度增大，受金属成型机的限制，制件是更难成型。重要的是，在许多应用场合，增大金属尺度并不见效，这是因为质量与刚度成比例增大，而对于制件的动刚度频率没有有效的改变。
最后，在整个截面充填泡沫材料可能是过高的花费，要建造大型散热/吸热装置，并需要复杂的密封操作以便将冲压件上的入孔封闭。
因此，需要提供一种低成本技术以增强空心结构制件而又不是成正比例地增加其质量。本发明提供若干截形，该截形提高了强度而却未平均地增大质量，且并未大量使用昂贵的树脂。在许多应用场合，本发明减小了振动，这种振动导致主要受弯曲而不受扭转零件产生不希望的“抖动”。
发明综述
一方面，本发明提供一种增强结构制件用于汽车应用领域。这种增强结构是一种空心梁，例如具有轨道或类似的截形，该截形具有相面对的一对内表面。这种空心梁使用一种特制的插件将其增强。这种插件是一种直线形梁，具有相面对的两块板，该板本质上复盖空心结构件所确定的空腔的宽度。此相面对的两块板具有一般的平面表面。一种具有粘性的热膨胀泡沫材料层粘在每一平面表面上。将插件放入空心结构制件的空腔中，使粘着层邻近空心梁的相面对的内表面。然后，将带有增强插件的梁加热以便热激活该可膨胀的粘着层。由于粘着层膨胀，它牢固地粘在空心梁的内表面上以构成一种整体结构，即一种结构增强梁。
一方面，本发明之增强插件是整个封装在空心结构制件中。在这方面，插件是放入一开式的槽，该槽在以后用一顶板将其封闭。
一方面，本发明之增强插件是一种工字梁，该梁用金属、充填玻璃纤维的尼龙或者含有微球的水泥材料构成。
于是，根据本发明，一方面提供了一种增强结构制件，该结构制件包括一种结构件，该结构件确定了一个空间，具有两个相面对的内壁；一个增强梁，位于所述空间中，该增强梁具有两个相面对的平板，每一平板具有一个主表面，两平板以其主表面大致相互平行按预定距离分开布局，平板间用一种间距式结构横向连接元件互连；第一热膨胀粘着体放在主表面之一上面，第二热膨胀粘着体放在另一主表面上；第一热膨胀粘着体粘在结构件的一个壁上，第二热膨胀粘着体粘在结构件的另一个壁上。
本发明的这样或那样好处和目的，将参照附图给予更全面地说明。
附图简介
图1为根据本发明的一种增强梁的横剖面图，其中，增强插件具有工字梁的轮廓。
图2为图1所示的增强梁的透视图，图中梁的顶板已移开以展现插入梁。
图3为根据本发明的一种增强梁的横剖面图，其中，增强插件具有工字梁的结构，该工字梁是由两接合部构成。
图4为根据本发明的一种增强梁的横剖面图，其中，增强插件具有部分双梁股(腹板)结构。
图5为根据本发明之一种增强梁的横剖面图，其中，增强插件具有全双梁股结构。
图6为根据本发明之一种增强梁的横剖面图。其中，增强插件具有一种工字梁轮廓，该工字梁由一双弯折结构构成。
图7为根据本发明之一种增强梁的横剖面图。其中，增强插件具有一种工字梁轮廓，该工字梁是一种浇注水泥结构。
对本发明推荐实施例的详细说明
参阅附图之图1，增强梁20如图所示，一般具有空心梁或空心结构件22，该空心梁是一种典型的金属冲压件，例如机动车框架的一种轨道形截形。因此，空心梁22包括一直槽部位24，该直槽有顶板26。为便于叙述，空心梁22是指具有顶面或表面30和底面或表面32的梁，不过，容易理解的是所谓顶面和底面是任意的，它将取决于最终装配时的几何结构和方位。顶板一般是装在直槽部24的凸缘34上，用点焊或类似方法连接。
本发明的诸优点通过使用一种特殊的增强制件而得到实现，该增强制件包括增强插件，在这里是工字梁36，其上具有一对相面对的平板38和40，两个平板由支板或撑挡部梁股42连接。每一平板具有一相应的主表面，图中表述为主表面44和46。在每一主表面44和46上，放有一层热膨胀粘着泡沫材料48和50，它兼具将工字梁36固定在位的工具和振动阻尼元件二者的功能。虽然工字梁36可能是直的，在许多应用场合，它可以具有各种弯曲和倾斜结构以适应准备增强的制件的几何结构。
本发明中可使用多种树脂基复合材料构成粘着泡沫材料层48和50。推荐的复合材料赋予梁20以极好的强度、刚度和振动阻尼特性，而只在一定程度上增加重量。现参照具体的粘着泡沫层48和50的复合材料，材料的密度推荐从大约每立方英尺20磅到大约每立方英尺40磅，以便使重量最轻。在熔焊点的热变形温度和发生化学分解温度必然也很高，这样，泡沫材料层48和50应在高温保持其结构，这种高温在喷漆烘炉或类似情况常碰到。所以粘着泡沫材料层48和50应能经受短期超过华氏400度的温度，推荐超过华氏350度。此外，粘着泡沫材料层48和50应能长期经受华氏约130度至华氏210度的加热而不出现本质上的热致变形或热致降解。
更详细地讲，在一特别的推荐实施例中，粘着泡沫材料层48和50包括合成树脂，单元成型剂(Cell-forming agent)和填料。合成树脂构成重量大约百分之50至百分之80，推荐最好占构成粘着层48和50材料的重量大约百分之55至大约百分之65。这里所用术语“单元成型剂”是泛指在粘着层48和50中产生汽泡、孔隙或空腔的附加剂。这就是说粘着层48和50具有一种单元结构，在其物质中遍布大量的小单元。这种单元结构提供一种低密度，高强度的材料，它在增强梁20中，提供一种强度高而重量轻的结构。适合于本发明的单元成型剂包括增强“空心”微球或微泡，这些微球或微泡既可由玻璃也可由塑料构成。塑料微球可以是热固的也可是热塑的，既可是膨胀的也可是不膨胀的。在一个实施例中，使用过不膨胀微球，它后来膨胀形成粘着泡沫层48和50。推荐微球的直径从大约10微米至大约400微米，最好从大约40微米至大约100微米。单元成型剂也可包括一种更大的轻型材料例如微球直径大于400微米。还有，单元成型剂可包括一种发泡剂，该发泡剂既可是化学发泡剂也可是物理发泡剂。玻璃微球特别受到推荐。在单元成型剂包括微球或粗球的场合，微球或粗球重量构成的百分比大约占百分之10至大约百分之40，推荐为大约百分之15至大约百分之40，特别推荐是构成粘着层48和50材料重量的大约百分之25至大约百分之40。在单元成型剂包括发泡剂的场合，发泡剂重量构组的百分比从大约百分之1至大约百分之10，推荐为大约百分之1至百分之8，特别推荐是构成粘着层48和50材料重量的大约百分之1至大约百分之5。合适的填料包括玻璃或塑料微球，硅尘(Silica fume)，钙碳酸盐(Calcium Carbonate)，磨碎的玻璃纤维和切碎的玻璃绞合线。特别推荐使用玻璃微球。其它材料可能适合。填料的重量百分比从大约百分之10至大约百分之50，推荐为重量的大约百分之15至大约百分之45，特别推荐是占构成粘着层48和50材料重量的大约百分之20至大约百分之40。
本发明推荐使用的合成树脂包括热固性树脂例如环氧树脂，乙烯基酯树脂，热固聚酯树脂和尿烷树脂。不希望将本发明限制在树脂的分子重量范围内，合适的树脂重量问题，对于本领域的技术人员而言，根据现在公开的材料是可以了解的。在液态填充材料的树脂组分是热固树脂时，还可包括各种加速剂，例如“”和“2-乙基4-甲基咪唑”(“2Ethy1 4 Methy1 Imidazole”)和“苄基二甲基胺”(benzyldimethylamine)，和固化剂；推荐使用有机过氧化物例如“DI-CY”和“低浓度胺或咪唑”(“low concentrations of amines or imidizoles”)以加快固化率。加速剂的功能含量，典型含量占树脂重量大约百分之0.5至大约百分之3，同时相应减少树脂、单元成型剂或填充剂三种组分中之一种。与此类似，固化剂的用量，典型含量占树脂重量大约百分之1至大约百分之8，同时相应减少树脂、单元成型剂或填充剂三种组分之一种。各种处理助剂，稳定剂，颜料，UV吸收剂及其它类似物的有效含量也可包括在内。热塑性塑料也可能适用。
在下列表中列出了粘着泡沫材料层48和50的推荐配方。已经发现这些配方提供一种粘着层48和50，该粘着层使所制成的增强梁20具有极好的结构特性。这里公开的全部百分比，除特别注明者外，都是指重量百分比。
         成份                                   重量百分比
                           配方1
        PEP 6134                                  68.5
        EMI-24                                    1.2
 煅烧二氧化硅(Fumed Silica)                       4.0
        DI-CY                                     4.3
       Celogen OT                                 0.8
         B 38                                     22.2
                           配方2
        PEP 6134                                  60.5
         DI-CY                                    4.8
        D MP30                                    1.2
      Celogen AZ                                  1.5
         B 38                                     32.0
再参阅附图的图1和图2，泡沫材料层48和50，推荐本质上复盖整个主表面44和46，例如至少复盖其80％，特别推荐是限制在主表面44和46范围内，即，在特别推荐的实施例中，泡沫材料层48和50不伸出主表面48和50边缘之外。不过，在某些应用场合，可能希望泡沫材料层48和50复盖主表面44和46在80％以下，或者希望泡沫材料层伸出主表面48和50边缘之外。如图1和图2所示，工字梁36是一种整体结构，它可以是轧制型钢，或者是挤压铝型材，或者如在一推荐实施例中那样，是填充玻璃纤维的尼龙。对于给定应用场合其它材料也可能适用。虽然不打算以具体尺寸限制本发明的整个范围，工字梁36的壁厚，其典型值由大约0.8mm至大约1mm。连接梁股(腹板)42的长度，其典型值为大约1英寸至大约1英尺。主表面44和46的宽度各自为大约0.5英寸至10英尺。工字梁36的长度，其典型值为大约6英寸至大约10英尺。每一泡沫材料层48和50的厚度推荐为当其完全膨胀时由大约3mm至大约6mm。这意味着当增强梁20加热时，泡沫材料层材料的体积膨胀百分之50至百分之100。因此推荐平板38和40的边缘距直槽部24的内侧壁有大约5mm至大约8mm的间距。
粘着泡沫材料层特别推荐由所推荐的树脂基混合物，用适当的模具挤压成型为预制带或板。再将预制的带切成所需长度形成单独制件，以适合主表面44和48。预制好的带有足够的粘附物可以很好地粘着在主表面44和46上，因此一般不需要附加的粘接。
现在参阅附图的图3，所示工字梁36′包括两个分开的C形槽件52和54，槽件52和54可以是挤压的铝型材，充尼龙玻璃，或冲压或轧制的型钢。槽件52和54可以按图示方式以多种方式连接在一起，例如可以用点焊或类似的方法连接。除工字梁36′是两件组合结构外，图3中所示增强梁与图1和图2中所述结构本质上是一致的，因此，同样的代码表示同样的零件。
现在参阅附图中的图4，所示工字梁36″包括双梁股(腹板)部56，该梁股部在平板40′的空隙60处设置双梁股58。工字梁36″推荐用挤压铝型材或充填尼龙玻璃制成。在某些应用领域可能希望用两个双梁股部，即对应于平板38′和40各有一个双梁股部。此外，与工字梁36″的几何结构不同，图3所示的增强梁是按图1和图2中所提供的说明制造的。
在图5中，梁股62和64构成一具有双梁股的梁股组以增强插件66。推荐用挤压铝型材或充填尼龙玻璃制造双梁股插件。梁股62和64最好沿双梁股增强插件66的全长延伸。在附图的图6中还展示了本发明的另一种结构，其中折叠式增强插件68具有折叠部70，折叠式增强插件是轧制金属型材。
现在参阅附图中的图7，工字梁72如图所示是由浇注一种泡沫水泥材料而制成。特别是已经发现，一种波特兰水泥基的工字梁72在本发明中是合乎需要的。波特兰水泥基材料具有微球或粗球、水泥，水和硅尘雾的组合。
在下列表中列出了制造工字梁72的水泥-水基混合物的配方成份         配方1(标准混合)    配方2(轻配方)
            (按重量计)        (按重量计)水泥              54％               54％水                24％               24％干水泥混合密度    40PCF              40PCF湿水泥混合密度    56PCF              40PCF
标准混合是用等量的波特兰1A或1型水泥和等体积的微球，这是按波特兰水泥协会(Portland Cement Association)所出版标题为“混凝土配料设计与控制”(“Design and control of concrete Mixtures”)一书第十一版(图书目录卡号29-10592)所定。
波特兰1A水泥密度的大小大约是每立方英尺75至80磅。微球的密度大小大约是每立方英尺15磅。将两者以相等的体积混合，其干式混合物的具体比重大约是每立方英尺25至40磅，大约是水泥重量的一半。
加入混合物中的水量为水泥重量的百分之30至50。这样，如果混合物中有800克水泥，则应加400克的水。混合物中有220克至650克微球。
波特兰水泥(Portland Cement)微球混合物的抗潮湿特性，可通过添加硅尘而获得改进。硅尘是由烟囱管道中收集的尘状物。硅尘是细小的惰性颗粒，直径15微米。当硅惰性颗粒被加入干水泥混合物，这些颗粒填塞水泥颗粒与微球之间的节间空间。硅尘颗粒填塞水泥之间的孔隙，因此大大改善了固化后产品的抗潮湿性能。所加硅尘的量占水泥重量的大约百分之10至20。
有两种硅尘，一种是处理过的另一种是未经处理的。处理过的硅尘中具有一种增塑剂，它润滑混合物并进一步减少水的含量。
为增加最终产品的抗潮湿性能，可以用其它材料取代硅尘。这些材料是水生材料(Water borne materials)例如Michign,Midland和Dow化学公司生产的一种乳胶，或者水基尿烷，丙烯酸，或环氧树脂。这些材料具有在水泥颗粒内部空间之间使其凝结的特点。硅尘将实际上与水泥化学结合并将改善水泥的性质。乳胶并不与水泥化学结合，但它可以用于凝结水泥孔隙并从而减小水对水泥之比。水基尿烷、丙烯酸和环氧树脂产生与乳胶或硅尘相同的结果。
本发明的特定实施例已在此示出并给予了说明，自然应当知道，本发明并不仅限于此，因此进行许多修改。特别是，本领域的技术人员可借助于这里所公开的技术来进行修改。因此，打算通过所提权利要求，以覆盖本发明范围及其真正精神之内的种种修改。

Claims (29)

1．一种增强结构制件，包括：
一结构件，限定了一个空间，所述结构件具有两个相面对的壁；
一增强梁，放在所述空间内，所述增强梁具有两个相面对的平板，每个所述平板具有一个主表面，所述平板按预定距离分开放置，所述主表面大体上相互平行，所述两平板由具有间距的互连结构件连接；
第一热膨胀粘着体，装在所述主表面之一上；第二热膨胀粘着体，装在另一所述主表面上；和
所述第一热膨胀粘着体粘结在所述结构件的所述壁之一上，所述第二热膨胀粘着体粘结在所述结构件的另一所述壁上。
2．如权利要求1所述的增强结构制件，其中，所述增强梁的所述主表面本质上沿需要增强的所述增强梁的全长延伸。
3．如权利要求1所述的增强结构制件，其中，所述第一和第二粘着体本质上覆盖所述主表面的整个表面。
4．如权利要求1所述的增强结构制件，其中，所述主表面是平面。
5．如权利要求4所述的增强结构制件，其中，粘着体包括热膨胀粘着平带。
6．如权利要求1所述的增强结构制件，其中，所述增强梁包括一种工字梁。
7．如权利要求1所述的增强结构制件，其中，所述增强梁是轧制成型的金属。
8．如权利要求1所述的增强结构制件，其中，所述增强梁的所述具有间距的互连结构件，是一种C形结构件，该结构确定了一个槽。
9．如权利要求1所述的增强结构制件，其中，所述增强梁是由一对相接合的C形槽形件相互连接以构成一工字梁。
10．如权利要求1所述的增强结构制件，其中，至少所述主表面之一是不连续的，于是在该处形成一纵向空隙。
11．如权利要求10所述的增强结构制件，其中，具有间距的互连结构件，确定了一对平行的相面对的衬壁，该壁在所述纵向方向空隙处形成一种桥。
12．如权利要求1所述的增强结构制件，其中，所述具有间距的互结接构件是一对平行的侧壁。
13．如权利要求7所述的增强结构制件，其中，所述轧制成型的金属是钢。
14．如权利要求1所述的增强结构制件，其中，所述增强梁由挤压铝型材制成。
15．如权利要求1所述的增强结构制件，其中，所述增强梁是充填玻璃纤维的尼龙制成。
16．如权利要求1所述的增强结构制件，其中，所述增强梁是有一种水泥材料制成。
17．如权利要求16所述的增强结构制件，其中，所述水泥材料包括微球和水泥。
18．如权利要求1所述的增强结构制件，其中，所述粘着体限制在所述主表面范围之内。
19．如权利要求16所述的增强结构制件，其中，所述增强梁是由将所述水泥材料浇注成形以构成一工字梁。
20．如权利要求6所述的增强结构制件，其中，同样的工字梁包括两个冲压金属C形槽件，经点焊连在一起。
21．如权利要求1所述的增强结构制件，其中，所述粘着体是两部分空气固化粘结剂。
22．如权利要求1所述的增强结构制件，其中，所述粘着体是一部分粘结剂。
23．如权利要求1所述的增强结构制件，其中，所述粘着体包含微球。
24．一种用于空心结构梁的插件，所述插件包括：
一工字梁，该工字梁具有两个相面对的平板，每一所述的平板具有一主表面；
第一热膨胀平面粘着体，安放在所述主表面之一上；
第二热膨胀平面粘着体，安放在另一所述主表面上；
其中，所述粘着体是泡沫材料。
25．如权利要求24所述用于一种空心结构梁的插件，其中，所述工字梁是金属制成。
26．如权利要求24所述插件，其中，所述工字梁是充填玻璃纤维的尼龙制成。
27．如权利要求24所述插件，其中，所述工字梁是浇注水泥材料制成。
28．如权利要求24所述插件，其中，所述粘着体是泡沫粘结剂。
29．一种增强空心结构制件的方法，该空心结构制件包括顶壁和底壁，此方法的步骤为：
提供一个插件，所述插件包括一增强梁，所述增强梁具有一对相面对的平板，所述相面对的两平板上各有一主表面；
挤压成带状热膨胀粘着体粘接剂；
将所述带状热膨胀粘着体切成若干段，使其面积大约与所述两相面对平板上之所述两主表面之面积相同；
将所述热膨胀体切段分别放在所述的每个主表面之上，从而使所述热膨胀体粘着在所述在主表面上；
将所述插件放入所述空心结构件内，使所述粘着体之一邻近所述空心结构件的所述顶板，另一所述粘着体邻近所述空心结构件的所述底板；和
将所述空心结构件和所述插件加热，使粘着体热膨胀，并使所述粘着体之一与所述空心结构件的所述顶板相结合，所述另一粘着体与所述空心结构件的所述底板相结合。
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