CN1245287C - 一种低应力的组合结构件 - Google Patents

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Abstract

本文介绍了一种组合结构件，其包括：(a)由高强度材料制成的芯体，所述芯体具有多个穿孔；和(b)至少和所述芯体表面的一部分相接的热塑性材料的塑料体。芯体通过在芯体板上的至少一些所述穿孔内延伸的连接件连接到所述塑料体上。所述连接件在所述芯体和正交于所述芯体平面的所述塑料体之间形成了互锁接合。连接件和穿孔的相互间尺寸加工成允许芯体和塑料体在沿芯体和塑料体平面的X和Y方向上的至少一个作可逆的摩擦运动。

Description

一种低应力的组合结构件
根据美国法典第35条119(a)到(d)款，本专利要求享有2001年1月7日申请的德国专利第101 01 772.3号的优先权。
技术领域
本发明涉及一种低内应力的组合结构件，其至少由高强度材料的芯体以及与芯体表面的至少一部分相接的热塑性材料的塑料体所组成。芯体在相隔开的连接位置上与塑料体相连。由于芯体和塑料体的材料的不同热膨胀而产生的应力通过设置在它们之间的特殊形状的连接件可以减到最小或被消除。
组合结构件包括由互锁连接件装配在一起的不同材料的零件，互锁接合可以允许不同零件间有至少一个自由度的相对运动。
本发明尤其涉及一种带有互锁连接件的塑料-金属混合结构件，互锁连接件可以使由于各种材料的不同热膨胀而在构件内产生的内应力最小，或者防止内应力的发生。
组合结构件包括一混合结构部件，其由多个不同材料，例如塑料和金属材料的零件形成。各个零件通过特殊的连接件连接起来，此连接件设计成可在最多两个空间方向上实现互锁接合。
背景技术
实际上已经存在有塑料/金属组合结构件(见欧洲专利第370 342A2号和第995 068 A2号)，其中金属板由热塑性材料例如聚酰胺的肋条结构来支撑。在这种情况中，肋条结构以互锁方式在所有三个空间方向上牢固地固定在金属板上。
这些传统上使用的组合结构件的缺点是，由于是通过注塑生产，因此组合结构件具有较高的内应力。熔融状态的热塑性材料喷射或注射到作为芯体的金属板上，然后冷却。由于在冷却过程中热塑性材料具有较大的收缩率，因而构件内产生的应力在热塑性零件的驰豫过程中只能部分地释放。在使用时构件的不同零件的不同热膨胀还会进一步地强化这些应力。为此，在这种组合结构件中只能采用部分结晶的热塑性材料。迄今为止只有聚酰胺可以应用。这种热塑性材料具有自然的、相对较大的潮湿吸收能力，其和材料的膨胀一起有助于减小应力。另一方面，由于非晶体的热塑性材料在应力腐蚀裂纹下容易失效，因此不适合用在这种组合结构中。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种在导言中所述形式的组合结构件，可以防止由于零件之间，即芯体和塑料体之间的相对运动而产生的内应力。
根据本发明，此目的可以通过一种带有互锁连接件的构件来实现，其中至少在一个方向上取消了互锁接合，而代之以摩擦接合(或力锁合)。
根据本发明提供了一种组合结构件，其包括：
(a)由高强度材料制成的芯体，所述芯体具有多个穿孔；和
(b)与所述芯体的表面的至少一部分相接的热塑性材料制成的塑料体，
其特征在于，所述芯体通过在至少一些所述穿孔内延伸的连接件连接到所述塑料体上，所述连接件在所述芯体和正交于所述芯体平面的所述塑料体之间形成互锁接合，所述连接件和所述穿孔的相互间尺寸允许所述芯体和所述塑料体沿所述芯体和所述塑料体平面的X和Y方向的至少一个作可逆的摩擦运动。
在本文和权利要求中，用语“相互间尺寸”是指芯体的穿孔在X和Y方向的至少一个上的尺寸比在穿孔内延伸的连接件的X和Y方向的至少一个上的尺寸大。这样，芯体和塑料体之间沿芯体和塑料体平面的X和Y方向的至少一个上可以发生可逆的摩擦运动。
在本发明所附的作为本申请的一部分的权利要求中对本发明的特征进行了介绍。通过下文中对本发明的优选实施例的具体介绍和附图，可以更好地理解本发明的这些和其它特征、操作优点及所能达到的特定目的。
在说明书和权利要求中除了在操作示例中或特别指出的情况，所有数据和表达，例如那些结构尺寸、注塑条件等，都采用了用语“约”来表示其在所有示例中都可以进行修改。
附图说明
图1是根据本发明的构件的代表性透视图；
图2是图1沿线A-A的剖视图；
图3是图1沿线B-B的剖视图；
图4是根据本发明的带有铆钉柱的组合结构件的代表性底视平面图；
图5是图4所示组合结构件沿线C-C的剖视图；
图6是图4所示组合结构件的代表性顶视平面图；
图7是图8所示组合结构件沿线C-C的剖视图；
图8是根据本发明的组合结构件的代表性平面图，其中塑料体具有多个交叉肋条的肋条结构；和
图9是用作车辆挡泥板的根据本发明的组合结构件的代表性透视图。
除非另有说明，在图1到9中相同的标号和字符均指同一零件和结构特征。
具体实施方式
芯体的穿孔最好为细长孔的形式，可以允许塑料体相对于芯体沿细长孔的纵轴方向上进行主要膨胀。
在本发明的一个特别优选实施例中，在芯体平面内的穿孔在X和Y方向上的尺寸均比穿过这些穿孔的塑料体的各个连接件(例如塑料柱或铆钉)的尺寸大。
在本发明的另一个优选实施例中，塑料体上形成有多个交叉肋条的肋条结构，塑料体的连接件及连接位置主要设于肋条交叉点处。
根据本发明还提供了一种组合结构件，可用做机器、车辆尤其是机动车辆、电子器件、家用电器或建筑场所的结构件。
用于芯体的高强度材料可以是钢、铝、镁、陶瓷、热固性材料、纤维增强的热塑性塑料，或者是这些材料的复合物。
用于塑料体的热塑性材料可以是选自聚酰胺、聚酯、聚烯烃、苯乙烯共聚物、聚碳酸酯、聚苯醚、聚苯硫、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚氨基甲酸酯、聚氧化苯乙烯(PSO)和聚醚酮(PEEK)中的至少一种的未增强、增强或填充的热塑性材料。
芯体和塑料体可以分别为片、板、平面的、成型的(开口和封闭的成型部分)和中空腔的形式。材料的种类和零件的数目及形式都可以变化。在一个优选实施例中，二维部件例如金属板上可设有肋条结构或塑料材料的盖板。为此，在连接件(例如热塑性连接件)上设有铆钉，这样在正交于塑料体的主要膨胀方向上(在此是两维平面内的平面结构部分的膨胀方向)形成了互锁连接，在平行于主要膨胀方向上形成了和高强度部件的摩擦连接。在此实施例中，涉及杆形还是平面结构件很重要。杆形构件主要只在纵向上膨胀，而对于二维结构件，在其角部区域必须考虑到有两个膨胀方向。
在此方式中，多个芯体也可以直接地相互连接。在此情况下塑料材料的功能就被限制为通过铆钉的形式将芯体固定在一起。芯体也可以通过互锁方式在热塑性零件的主要膨胀方向上进行连接。由于存在互锁接合，作用力就可以直接地从一个芯体传递到另一芯体。塑料铆钉将组合体简单地夹持在一起并固定住此材料组合结构件。铆钉设计成可允许主要膨胀方向上的摩擦接合，以及正交于主要膨胀方向上的互锁接合。
也可以提供这样一种构件，其包括直接相互连接的多个高强度部件，并通过塑料铆钉固定住。然而，塑料零件还具有其它一些功能，可以是例如整体的平面或板。
本发明的范围还包括了一种组合结构件，其包括至少一个固定的连接件，此连接件可以在芯体和塑料体之间沿芯体和塑料体平面的X和Y方向提供不可逆的摩擦运动。固定的连接件在芯体和塑料体之间相对于芯体平面在所有三个坐标方向(即X、Y、Z坐标)上形成了基本上不可逆的互锁接合。
本发明的组合结构件可以通过各种方法进行生产。在此方面，在芯体和塑料体之间可以有不止一个连接方式，如下文中所述。
1.通过注塑连接
在这种生产工艺中芯体上设有穿孔(例如带有开孔的金属板)，在正交于主要膨胀方向上形成互锁连接的连接件通过这些穿孔和塑料体相连。
在通过注塑的连接中，首先将例如为金属板的芯体置于注塑模具中，然后注塑模具闭合并进行注塑。由于塑料材料是以液态或熔融状态注射到注塑模具中，它可以流经金属板的穿孔，并在其中形成一铆钉杆，在后侧或另一侧形成铆钉头。为了防止在塑料部件的主要膨胀方向上也产生互锁接合，注塑模具通常都具有型芯。这些型芯设置成使得在芯体和铆钉之间在芯体的开孔内形成了凹腔，可以允许在塑料体和芯体之间沿主要膨胀方向上的相对运动。可动型芯能防止至少一部分穿孔边缘嵌在穿孔中延伸的所注射的热塑性材料中。
通过示例，这里所提及的连接件允许可在一个方向(即X或Y方向)上的相对运动。在此方面，芯体板一般都具有细长孔。在注塑工艺中，细长孔的左、右侧的空间都被可动型芯所占据，因此在细长孔的中间就形成了作为塑料铆钉组成部分的铆钉柱或铆钉杆。型芯能防止细长孔的边缘嵌入在铆钉杆的热塑性材料中。在芯体板和塑料体的相对运动过程中，此铆钉杆可以移动到细长孔的左边和右边。
通过注塑，各种金属和复合材料部件也可以在热塑性材料区域在一道工序内直接或间接地连接。而且，通过注塑工艺，所生产的组合构件的热塑性件可以形成例如平板的形状，同时连接在金属板上。
2.通过模制后形成的塑料铆钉来连接
也可以通过塑料铆钉来将塑料体连接到高强度的芯体上。在这种情况下，先单独地注塑出不带有金属板却形成有多个连接柱或连接杆的热塑性部件。然后再将金属板置于塑料体上，使得连接杆穿过金属板上的穿孔。
穿孔和铆钉杆的相互间尺寸使得它们之间存在有间隙，可以允许在芯体和塑料体之间的需要方向上发生摩擦运动。然后连接铆钉杆通过成形工艺(例如超声波焊接)形成铆钉头。另外，可以采用单独的金属件(例如栓柱焊接所用的)通过摩擦焊接，或超声波焊接来形成焊接接头，或用连接件将两个热塑性零件(板、成型部分等)连接在一起。
3.通过插入、卡扣或螺钉将塑料体互锁连接到芯体上
在此工艺中首先生产出带有必要的插入件、卡扣件、或螺纹的塑料体。为此可以使用例如具有铆钉或螺帽的注塑塑料部件，其中铆钉或螺帽插入到芯体的自由穿孔(细长孔或方形凹腔)中。然后通过卡扣或螺钉连接其配对部分，从而形成互锁接合。
4.用不同方法的组合将芯体连接到塑料体上
其它将组合结构件的各零件连接起来的方法包括采用上述方法1，2和3的不同组合。因此，通过在各部分上设置相同的卷边可以在高强度的芯体(例如高强度板)之间形成互锁连接。在塑料体和金属板之间的铆钉连接件插入到相同的另外自由穿孔中。在此方式中，可以在主要膨胀方向上实现板的互锁连接以及板和塑料体之间的摩擦连接。
所有的连接工艺也可以将多个高强度的零件例如板相互连接在一起。
本发明的组合结构件具有以下优点。本发明可以生产出由具有不同材料特性，尤其是具有不同热膨胀特性的材料制成的组合结构件，而基本上没有内应力。本发明使得可以采用对应力裂纹敏感的非晶体塑料材料来制造大型平面塑料/金属组合结构件。本发明可以从便宜和/或低密度的塑料材料中生产出成本优化重量优化的组合结构件。本发明允许从较广的连接工艺范围内选择和其它构件连接的方法。本发明的组合结构件可以在一个工艺步骤中完成。
在下文中将结合附图1到9对本发明进行详细地介绍，但本发明并不局限于这些具体介绍。
实施例
在图1到3中显示了一平面组合结构件，其包括平板形式的塑料体和金属板形式的芯体。
实施例1
图1中显示了平板1形式的热塑性材料(聚酰胺)的塑料体，其在不同位置通过互锁型连接件3，4和5固定在金属板2形式的芯体上。在图1中处于板组件中央的连接件3形成了一个没有自由度(或具有零自由度)的固定铆钉连接。在板组件的边缘上位于每一对角部区域间设有连接件4。由于在金属板2上设有细长孔14，因此这个铆钉连接可以根据其位置在X或Y方向上发生膨胀。连接件5位于板组件的角部，由于金属板2上的细长孔15是对角地对准的，因此连接件5可以在板平面内在两个坐标方向(即X和Y方向上)移动。
此组合结构件可以用各种方法生产。如果塑料板1通过注塑生产，则塑料板1可以直接地在金属板2上注塑出。在此情况下铆钉连接件3，4和5可以同时在板上形成。应注意的是，连接件4和5可以通过具有细长孔14和15的开口位置形状的开孔在相应的方向上可逆地移动。这些开孔是通过注塑模具上的可动型芯制出的，在注塑过程中，可动型芯穿过并堵住金属板2上的穿孔14和15。
也可以先单独地生产出塑料板1，然后再将其连接到金属板2上。如果塑料板1同样地通过注塑生产，铆钉连接件3，4和5的柱或杆或者螺纹连接的螺帽可以和板1一体地形成。如果塑料板1是从半成品中取下的，那么连接件通常通过焊接、粘结、螺纹连接、金属铆接和/或夹紧连接到板上。然后连接件插入到板2的穿孔中，金属板2通过连接件的配对部分夹在塑料板1上。
图2是图1沿线A-A的剖视图，从图中可看到处于中央的连接件3和图1所示板组件的两个角部间的边缘区域中的连接件4之间的部分。对于连接件3，金属板2上的圆孔13完全被铆钉杆7所填满，孔13的周边和铆钉杆7嵌接在一起。这样，在这个特别的位置上金属板2和塑料板1之间不可能发生相对运动。在带有对称穿孔的板的中央是不需要这种相对运动的。在Z方向上连接件3由铆钉头16固定住。连接件4可以允许铆钉杆7在金属板2的细长孔14中相对于金属板2沿X方向运动。
图3是图1所示板组件沿通过右侧连接件4的线B-B的剖视图，显示了通过连接件4并横向于沿X方向的膨胀方向的部分。铆钉杆7在金属板2和塑料板1之间在Y方向上形成互锁接合，铆钉头16在Z方向上形成了相似的接合。
实施例2
下面将参考图4到6介绍具有两个自由度的互锁连接件。
图4到6显示了在两维平面内具有两个自由度的连接件的不同视图。图4是从下方看去的平面图，从图中可以看到通过图示连接件(图4到6)连接到塑料板6上的塑料板1。在两块板间设置了金属板2。在图5进一步地显示了塑料板1、金属板2和塑料板6。图5是沿图4中线C-C的连接件的剖视图。图6是从上方看去的平面图。
三个零件，即塑料板1和6及金属板2的连接是通过铆钉杆7来实现的，铆钉杆7固定地连接到塑料板1和6上。铆钉杆7可以在两维平面内相对于金属板2在开孔9中移动，开孔9的形状如同由铆钉杆7和金属板2的方孔17形成的截面为矩形的有方形环纹的间隙。为了加工出开孔9，出于方便制造原因应在塑料板1和6上设有开孔8。通过设置图4到6所示的开孔8，铆钉杆7必须固定连接到塑料板1和6上，以便在Z方向上形成互锁接合。因此，在塑料板6的X方向上和在塑料板1的Y方向上应设有开孔8。也可以采用其它设置，例如在塑料板1的X方向上和在塑料板6的Y方向上设置开孔8，或者是重叠地设置开孔。
实施例3
下面将参考图7和8介绍包括金属板和塑料材料的肋条结构并带有具有两个自由度的互锁连接件的组合结构件。
如图7所示，金属板2的下表面覆盖有塑料板1，而其上表面由肋条结构10支撑。图8显示了从上方看去的组件的平面图。
三个零件，即塑料板1、金属板2以及热塑性材料的肋条结构10的连接是通过具有中心孔18的铆钉杆7来实现的，铆钉杆7固定地连接到塑料板1和肋条结构10上。铆钉杆7通过各个肋条10相互连接在一起，形成了在Z方向上的互锁接合。由于存在开孔9，铆钉杆7可以相对于金属板2在两维平面内移动。开孔9的区域设置在肋条10之下，槽8之上。
此组合结构件可以通过注塑工艺生产。在注塑过程中，先将金属板2置于注塑模具中，并用热塑性材料来形成塑料板1，然后再在板2上注塑出肋条结构10及肋条凸台7。
实施例4
下面将结合图9介绍位于两个车辆横支架之间的挡泥板。
图9显示了用作位于横支架2和11之间的挡泥板的塑料板1。横支架2由热塑性材料的肋条结构10所增强的U形钢板组成。肋条结构10通过铆钉杆7连接到塑料板1和横支架2上。通过将开孔9设置在开孔8上，铆钉杆7可以相对于横支架2的金属板在横支架2的纵向方向(Y方向)上移动。横支架2和塑料板1通过位于横支架2中央的连接件3以互锁方式连接在一起，并且在所有三个空间平面上均不具有自由度。由于温度引起的塑料板1在X方向上的纵向变化可以被横支架11和端板12之间的塑料板1的摩擦夹紧所抵消。
虽然在上文中详细地介绍了本发明的实施例，但可以理解这些详细介绍只是为了说明实施例，对于本领域的技术人员来说，在不违背由权利要求所限定的本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行许多修改。

Claims (14)

1.一种组合结构件，包括：
(a)由高强度材料制成的芯体，所述芯体具有多个穿孔；和
(b)至少和所述芯体表面的一部分相接的热塑性材料的塑料体；
其特征在于，所述芯体通过在至少一些所述穿孔内延伸的连接件连接到所述塑料体上，所述连接件在所述芯体和正交于所述芯体平面的所述塑料体之间形成了互锁接合，所述连接件和所述穿孔的相互间尺寸加工成允许所述芯体和所述塑料体沿所述芯体和所述塑料体平面的X和Y方向的至少一个上作可逆的摩擦运动。
2.根据权利要求1所述组合结构件，其特征在于，所述穿孔为细长孔，可允许所述塑料体(b)相对于所述芯体(a)沿所述细长孔的纵轴方向上进行主要膨胀。
3.根据权利要求1所述组合结构件，其特征在于，所述穿孔的X和Y方向上的尺寸均比在所述穿孔内延伸的所述连接件的X和Y方向上的尺寸大。
4.根据权利要求1所述组合结构件，其特征在于，所述塑料体上设有具有多个交叉肋条的肋条结构，所述连接件位于所述肋条的交叉位置。
5.根据权利要求1所述组合结构件，其特征在于，所述塑料体的热塑性材料选自聚酰胺、聚酯、聚烯烃、苯乙烯共聚物、聚碳酸酯、聚苯醚、聚苯硫、聚酰亚胺、聚氧化苯乙烯和聚醚酮中的至少一种。
6.根据权利要求1所述组合结构件，其特征在于，所述芯体的高强度材料选自纤维增强的热塑性塑料、热固性塑料和金属中的至少一种。
7.根据权利要求1所述组合结构件，其特征在于，所述连接件选自与所述塑料体一体形成的热塑性铆钉、卡扣连接件和螺钉中的至少一种。
8.根据权利要求1所述组合结构件，其特征在于，所述组合结构件还包括至少一个固定的连接件，其允许所述芯体和所述塑料体沿所述芯体和所述塑料体平面的X和Y方向作不可逆的摩擦运动。
9.根据权利要求1所述组合结构件，其特征在于，所述塑料体由在所述芯体表面的至少一部分上的注塑热塑性材料形成，所述连接件通过使注塑热塑性塑料的一部分在至少一些所述穿孔内延伸而同时形成。
10.根据权利要求9所述组合结构件，其特征在于，在注塑前将可动型芯置于所述穿孔内，所述可动型芯可以防止所述穿孔的至少一部分边缘嵌在注射的热塑性材料中，所述可动型芯在注塑后取出，使得所述穿孔和在其内延伸的所述连接件的相互间尺寸允许所述芯体和所述塑料体在沿所述芯体和所述塑料体平面的X和Y方向中的一个作可逆的摩擦运动。
11.根据权利要求9所述组合结构件，其特征在于，所述连接件是一具有铆钉杆和铆钉头的塑料铆钉，所述塑料铆钉和塑料体形成一体，所述铆钉杆在所述穿孔内延伸，所述铆钉头在所述芯体和正交于所述芯体平面的所述塑料体之间形成了互锁接合。
12.根据权利要求9所述组合结构件，其特征在于，所述组合结构件还包括从卡扣连接件和螺钉中选择的至少一个另外的连接件。
13.包括根据权利要求1所述组合结构件的制品。
14.根据权利要求13所述制品，其特征在于，所述制品为机动车辆零件和电子器件。
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