ES2235697T5 - Parachoques de automovil de seccion en "i" formado a partir de un compuesto termoplastico de aglomerado de fibra de vidrio rellenado de mineral (gmt). - Google Patents
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Abstract
Un parachoques termoplástico reforzado con fibra de vidrio para un automóvil, que comprende: una parte frontal que es una brida frontal substancialmente plana; una parte trasera que es una brida posterior substancialmente plana; al menos un miembro transversal, en el que al menos un miembro transversal es una membrana substancialmente plana que tiene un primer borde y un segundo borde opuesto, estando la mencionada membrana orientada hacia la brida frontal a lo largo de la línea media de la superficie plana de la mencionada brida frontal; y en donde la mencionada brida posterior está orientada paralelamente a la mencionada brida frontal, de forma tal que el mencionado segundo borde de la mencionada membrana está conectado a lo largo de la línea media de la superficie plana de la mencionada brida posterior; un sistema mecánico de montaje integral; en el que el mencionado sistema mecánico está moldeado directamente en el mencionado parachoques; y en el que la mencionada parte frontal, la mencionada parte posterior, y al menos el mencionado miembro transversal están moldeados a partir de un material termoplástico reforzado con fibra que tiene rellenadores de mineral.
Description
Parachoques de automóvil de sección en "I"
formado a partir de un compuesto termoplástico de aglomerado de
fibra de vidrio rellenado de mineral (GMT).
Esta invención está relacionada con parachoques
de automóviles y más específicamente con un parachoques de sección
en "I" que tiene un comportamiento mejorado contra los impactos
y formado a partir de compuestos termoplásticos de aglomerado de
fibra de vidrio rellenado de mineral.
Por su naturaleza, los parachoques de los
automóviles tienen que ser capaces de soportar un impacto
considerable. Los parachoques de metal o reforzados con metal han
sido hasta el momento actual la única alternativa practica para los
fabricantes de automóviles, debido a la resistencia y durabilidad de
los componentes metálicos. Desgraciadamente, los componentes de
parachoques metálicos son costosos de fabricar, y añaden un peso
substancial a los automóviles, reduciendo la eficiencia del
combustible.
Los fabricantes de automóviles y los fabricantes
de piezas de automóviles han experimentado en grado notable los
parachoques de plástico, buscando un substituto más barato y más
ligero para los parachoques metálicos tradicionales más pesados.
Aunque se ha hecho un apreciable progreso, los parachoques de
plástico tienen todavía una relación de resistencia/peso que es
inaceptable para la industria del automóvil. Existen dos aspectos
de los inconvenientes de los parachoques de plástico. Primeramente,
la industria del automóvil ha sido incapaz de desarrollar un
material plástico que sea económicamente viable con una resistencia
a la tracción aceptable y con resistencia al impacto en la
utilización del parachoques. En segundo lugar, la industria del
automóvil ha sido incapaz de desarrollar una configuración de un
bastidor de plástico capaz de soportar los impactos que aparecen
típicamente en los accidentes de automóviles.
Actualmente, los materiales de plástico más
populares utilizados para las piezas y parachoques de automóviles
son de termoplástico de aglomerado de fibra de vidrio. Los
compuestos de aglomerado de fibra de vidrio (GMT) son una familia
de materiales moldeables por compresión, reforzados con fibra de
vidrio, con matrices de termoplástico cuyas propiedades mecánicas
son generalmente mejores que las de los compuestos de termoplástico
estándar moldeados por inyección. El material GMT está disponible
en los siguientes tipos de aglomerados de fibra de vidrio:
productos de aglomerado de fibra de vidrio de hilos continuos
orientados aleatoriamente, los cuales proporcionan un excelente
equilibrio de dureza y resistencia en todos los tres ejes;
aglomerados de fibra larga de vidrio troceada, los cuales
proporcionan unas propiedades mejoras en el flujo y mejoras en la
gestión de la energía con un mínimo de reducción de la dureza.
Los diferentes aglomerados de fibra de vidrio se
combinan con una resina termoplástica, usualmente polipropileno,
(aunque puede ofrecerse también otra resinas técnicas de temperatura
más alta) para formar un producto moldeable. Los productos GMT se
suministran en forma de planchas o plantillas preformas a los
procesadores que conforman los materiales mediante el moldeado por
compresión o mediante el termoestampado.
Hasta recientemente, los parachoques de plástico
han sido fabricados tradicionalmente con configuraciones de
bastidor que tienen una sección transversal en "I" o bien en
"W"; la sección en "C" o en "W" se utilizan para
describir la forma de los miembros transversales de plástico que se
conectan a las paredes del parachoques de plástico delantero y
trasero. Estas configuraciones fueron seleccionadas debido a las
favorables características de absorción de la energía,
especialmente cuando el parachoques es impactado con una componente
vertical de la fuerza. El diseño del parachoques de plástico de
sección en "I" ha evolucionado a través de los últimos diez
años. Los parachoques de plástico reforzado han proporcionado un
rendimiento adecuado y una reducción de peso significativa aunque
con repercusión en los costos. En 1992, la publicación Plastic News
especulaba que el "nuevo concepto de diseño de los parachoques,
de vigueta con sección en I ofrece el potencial para fabricar
viguetas de parachoques de plástico más ligeras y más competitivas
en el costo con respecto a los parachoques de acero, con unos
volúmenes que superan al valor de 100.000 al año".
El documento
US-A-5269574 expone un parachoques
para automóvil hecho de termoplástico reforzado con fibra, que
comprende:
una parte frontal que es una brida frontal
substancialmente plana,
una parte trasera que es una brida posterior
substancialmente plana,
al menos un miembro transversal, en el que al
menos un miembro transversal es una membrana substancialmente plana
que tiene un primer borde y un segundo borde opuesto, estando la
mencionada membrana orientada hacia la brida frontal a lo largo de
la línea media de la superficie plana de la mencionada brida
frontal; y en donde la mencionada brida posterior está orientada
paralelamente a la mencionada brida frontal, de forma tal que el
mencionado segundo borde de la mencionada membrana está conectado a
lo largo de la línea media de la superficie plana de la mencionada
brida posterior,
un punto de montaje como un sistema mecánico de
montaje integral para montar el parachoques en el sistema receptor
del automóvil, en el que el mencionado sistema mecánico está
moldeado directamente en el mencionado parachoques, y
en el que la mencionada parte frontal, la
mencionada parte posterior, y al menos el mencionado miembro
transversal están moldeados a partir de un material termoplástico
reforzado con fibra que tiene rellenadores de mineral.
La mencionada patente de los EE.UU. numero
5269574, de Bhután y otros, expone un parachoques con un perfil de
vigueta en I construido con un termoplástico reforzado con fibra o
bien con resina de refuerzo termovulcanizable. La fibra de refuerzo
del termoplástico se selecciona a partir de un grupo de fibras de
acero inoxidables, fibras de vidrio aluminizadas, fibras de
celulosa, o fibras de vidrio. Desgraciadamente, la implementación
del diseño expuesto por Bhután y otros, presenta una serie de
problemas de moldeo que son incompatibles con las limitaciones
económicas en la industria del automóvil. Por ejemplo, la
estructura del parachoques con perfil en I que tiene secciones
nervadas falla en la formación adecuada durante el moldeo. El
análisis por rayos X muestra que solo del 50% al 80% de las fibras
utilizadas en el moldeo del parachoques de Bhutani y otros, fluyen
en las nervaduras. Las consideraciones económicas requieren que los
puntales de soporte sean integrales con la estructura.
El documento
EP-A-0945253 publicado el 29.9.1999
expone un parachoques de automóvil reforzado con fibra de un
material compuesto rellenado que tiene fibras de poliolefina y de
fibra de vidrio y un rellenador. El rellenador se selecciona a
partir del grupo que comprende rellenadores minerales, rellenadores
sintéticos y rellenadores de plantas.
La invención es un parachoques con sección en I
formada a partir de un termoplástico reforzado con fibra de vidrio,
en el que las adiciones de fibra comprenden un aglomerado largo de
fibra de vidrio troceada, con la adición de rellenadores de mineral
tal como la mica, talco o arcilla. El uso de rellenadores de
mineral permite el reemplazo de fibras más costosas. El material de
termoplástico reforzado de la invención tiene características de
flujo favorables, las cuales permiten que el material rellene
substancialmente las nervaduras profundas y las estructuras de los
apoyos de montaje utilizadas en los parachoques de sección en I,
durante el moldeado por compresión, mejorando al mismo tiempo el
módulo o dureza transversal de una pieza acabada. Por primera vez,
las características de flujo mejoradas durante el moldeo permiten
que el material pueda fluir uniformemente dentro de las pequeñas
nervaduras, resaltes y demás características. Esto hace posible
incrementar la integración de las piezas, moldear soportes,
soportes frontales, agujeros de montaje y apoyos de montaje. La
primera superficie está recubierta con un absorbedor de energía
adaptativo hecho de espuma plástica. Adicionalmente, el absorbedor
sirve para montar un frente de apariencia. El resultado es un
parachoques de peso reducido y de costo reducido con una
resistencia mejorada contra los impactos. El parachoques inventado
es económico, ligero de peso y muestra un rendimiento superior en
comparación con los parachoques basados en el acero en cuanto a
seguridad y resistencia a la deformación ante los impactos.
El objeto principal de esta invención es
proporcionar un parachoques con sección en I para automóviles que
estén formados a partir de material de plástico.
Otro objeto más en particular de esta invención
es proporcionar un parachoques de material GMT para automóviles que
satisfaga todos los requisitos relevantes de la integridad
estructural en pruebas de impacto estandarizadas, reduciendo al
mismo tiempo significativamente el costo de fabricación y el peso de
los componentes.
Otro objeto de la invención es proporcionar un
parachoques de material GMT para automóviles que tiene
características de flujo favorables durante el moldeado por
compresión del parachoques.
La invención está definida por un parachoques de
acuerdo con la reivindicación 1 y un método de acuerdo con la
reivindicación 5.
Los objetos anteriores y otros llegarán a ser
más fácilmente evidentes mediante la referencia a la siguiente
descripción detallada y a los dibujos adjuntos, en los que:
La figura 1 es una vista superior de la parte de
la vigueta en I del parachoques inventado.
La figura 2 es una sección transversal de la
parte de la vigueta en I del parachoques inventado.
La figura 3 es una vista superior de la parte de
la vigueta en I reforzada del parachoques inventado mostrando las
nervaduras de refuerzo para el endurecimiento torsional.
La figura 4 es una vista en sección transversal
de la parte de la vigueta en I reforzada del parachoques
inventado.
La figura 5 es una vista en perspectiva de un
parachoques de vigueta en I de acuerdo con una realización preferida
de esta invención, mostrando las abrazaderas a la cuales puede
montarse la invención.
La figura 6 es un diagrama de flujo de un método
para formar el parachoques inventado.
La figura 7 muestra las secciones de la vigueta
cuyas dimensiones se determinan utilizando el protocolo CAE de esta
invención.
La figura 8 muestra el modelo geométrico de
plano medio determinado utilizando el protocolo CAE de esta
invención.
La figura 9 muestra un perfil del grosor para un
diseño específico utilizando el protocolo CAE de esta invención.
Los compuestos de termoplástico de aglomerados
de fibra de vidrio (GMT) son una familia de materiales reforzados
con fibra de vidrio y moldeables por compresión con matrices de
termoplástico cuyas propiedades mecánicas son generalmente mejores
que las correspondientes a los compuestos de termoplásticos
moldeados por inyección.
La invención en curso utiliza material GMT
rellenado con minerales como material base para la formación de un
parachoques de sección en I. Los productos GMT de fibra de vidrio
larga troceada y rellenados con mineral proporcionan una reducción
de peso significativa con respecto a los productos de aglomerado de
fibra de vidrio continua orientada aleatoriamente, aglomerados de
fibra de vidrio larga unidireccional, y aglomerados de fibra de
vidrio larga caída, incrementando al mismo tiempo la rigidez.
Aunque la mayor parte de las viguetas de sección en C y W pueden
formarse con cualquiera de las opciones de materiales de aglomerado
de fibra de vidrio, el alto flujo necesario para rellenar las
nervaduras en los diseños de sección en I reforzada ha exigido en
el pasado el uso solamente de productos de fibra de vidrio corta
troceada o bien productos de fibra de vidrio corta y minerales.
Dichos productos de aglomerado de fibra de vidrio troceada son menos
costosos que sus rivales de hilos continuos. Al igual que con
todos los productos GMT moldeados por compresión, dichos productos
pueden ser combinados con otros productos de aglomerados GMT en el
molde encaminados a afrontar las necesidades de un diseño dado.
Sorprendentemente, el material de fibra larga
troceada utilizado de acuerdo con la presente invención, ofrece
unas notables características de flujo, incluyendo la posibilidad de
fluir dentro de nervaduras relativamente pequeñas, salientes y
otras características. Otras pruebas han demostrado la posibilidad
de este material para proporcionar una distribución uniforme de la
fibra incluso con grosores de paredes inferiores a 2 mm. Estas
propiedades hacen posible incrementar la integración de las partes,
incluyendo el uso de apoyos de montaje, abrazaderas de barras,
soportes frontales, y similares. La sección en I expuesta aquí con
más detalle puede incluir apoyos de montaje integrales.
La estructura del parachoques de sección en I
con secciones de nervaduras tiene un excelente rendimiento cuando
fluye dentro de las nervaduras profundas la mezcla de fibra de
vidrio y resina. La presente invención utiliza el material GMT
largo y troceado estructural para mejorar el flujo de las fibras de
vidrio dentro de todas las áreas del molde. Esto permite que el
diseño de la vigueta en I alcance su potencial total en la
distribución de fuerzas a través de toda la estructura de la
vigueta. El uso del material GMT largo troceado estructural
muestra una mejora en las formulaciones GMT con aglomerados de fibra
de vidrio aleatoria o unidireccional, las formulaciones GMT con
aglomerados de fibra de vidrio aleatoria o bien unidireccional han
demostrado un rendimiento marginal en la producción de las viguetas
en I, en donde el análisis por rayos X demostró que solamente el
50% al 80% de las fibras de vidrio circulaban en el interior de las
nervaduras.
Por contraste en la utilización de solamente
fibras de vidrio, la formulación del material GMT de fibras de
vidrio largas que incluye la substitución de rellenadores de
mineral, tal como mica, talco o arcilla, mejora el modulo mientras
que se reducen los costos. Los rellenadores de mineral pueden ser
seleccionados también a partir del grupo compuesto por caolín,
carbonato cálcico, TiO_{2}, polvo de cuarzo y sílice precipitada,
fibra y esferas de plástico, carbonato de calcio de polvo de
cuarzo y sílice precipitada, harina de madera, fibra celulósica,
cáscaras de arroz, y cáscaras de nuez. El tamaño de las partículas
de los rellenadores mejora también la capacidad del refuerzo para
rellenar las partes de las nervaduras profundas de la vigueta con
sección en I.
El uso de material GMT de fibras largas
estructurales troceadas permite que el material del aglomerado en
el compuesto termoplástico pueda fluir dentro de las nervaduras de
una estructura de una vigueta en I de forma más efectiva,
permitiendo la distribución de las fuerzas del impacto a través de
la totalidad del parachoques. El uso de rellenadores de mineral en
el compuesto termoplástico, mientras que desciende el contenido de
fibras de vidrio, mantiene altas las propiedades de resistencia a
la tracción y a la flexión, mientras que se consigue unos ahorros
en los costos razonables. Aunque la densidad del compuesto inventado
se eleva ligeramente, la caída en el costo de fabricación compensa
la elevación en el peso.
Sorprendentemente, el rendimiento ante el
impacto de los productos GMT rellenados con mineral es
significativamente más alto que los productos GMT no rellenados
similares. Los parachoques de viguetas de GMT de materiales largos
troceados estructurales o se sección en I con rellenadores de
mineral expuestos ofrecen una resistencia mejorada con respecto a
los parachoques convencionales incluyendo una resistencia a las
fuerzas mejorada, intrusión minimizada, y menos probabilidades de
fallos ante un impacto de alta presión.
\newpage
La figura 1 es una vista superior de parte de la
vigueta 10 en I. La vigueta 10 en I incluye una brida frontal 18 y
una brida trasera 20 que está conectada mediante una membrana 14. La
vigueta en I inventada 10 tiene éxito porque el material es
extraído de forma que se preserva la capacidad de soporte de la
carga, pero reduciendo drásticamente el peso. Los momentos de
inercia en las dos direcciones principales pueden tener una relación
tan alta como 15:1. La figura 2 es una sección transversal de la
vigueta 10 en I del parachoques inventado. Cuando la estructura 20
de la vigueta en I se utiliza como parachoques de un automóvil, la
carga puede estar dirigida en la brida frontal 18 en una parte
central 16 o en una parte extrema 12. El impacto de barrera puede
ser considerado como un impacto
centrado.
centrado.
El ancho y grosor actuales de la brida frontal
18 y la brida trasera 20 y de la membrana 14 están determinados
basándose en el vehículo al cual se encuentre fijado el parachoques
y de acuerdo con los estándares de seguridad reforzados por las
agencias gubernamentales y privadas. Cada realización específica de
la invención presente está diseñada utilizando una técnica
automatizada por ordenador, cuyo procedimiento se describe en el
Ejemplo B.
La figura 3 es una vista superior de una parte
30 de la vigueta en I reforzada del parachoques inventado, que
muestra las nervaduras de refuerzo para conseguir la rigidez
torsional. La figura 4 es una vista en sección transversal de la
parte 30 de la vigueta en I reforzada inventada del parachoques
inventado. Esta rigidez 32 distribuye la carga del impacto cuando
el parachoques es golpeado en forma descentrada. Los refuerzos de
rigidez son un requisito si el parachoques está obligado a pasar las
normativas federales y del seguro.
Con referencia a la figura 5, la figura 5 es una
vista en perspectiva de un parachoques 91 de vigueta en I de
acuerdo con una realización preferida de esta invención, mostrando
las abrazaderas a las cuales puede montarse la invención. Se
muestra en perspectiva el conjunto de parachoques 90 de acuerdo con
la invención. El sistema mecánico de recepción del automóvil
comprende unos receptores 98 de sección transversal en forma de
caja. Los apoyos de montaje integrales 94 están moldeados en la
vigueta 91 en forma de I, eliminando la fijación del sistema
mecánico para dicho fin en una operación secundaria. Las nervaduras
96 de la rigidez torsional proporcionan la rigidez necesaria de los
impactos distintos a la parte central. El absorbedor de energía 92,
tal como el absorbedor de energía de espuma de polipropileno
expandido (EPP) de 45 g/l, se muestra fuera de contacto con la
vigueta 91 en forma de I para mayor claridad.
La figura 6 es un diagrama de flujo de un método
para la formación del parachoques inventado. La fabricación de los
parachoques de vigueta en I utilizando los materiales anteriormente
descritos se realiza tal como se expone a continuación y que se
muestra en la figura 6. Las plantillas preforma GMT precortadas se
fabrican 50 conformándose a un volumen deseado de la vigueta en I.
Las plantillas preformas son introducidas en un horno de cinta
transportadora 52 que está próximo y en línea con una prensa. Las
plantillas preformas pueden ser cargadas en el horno a través de
técnicas manuales o de carga automática. El tiempo de permanencia y
la temperatura del horno pueden estar secuenciados con la prensa
de moldeo por compresión, para asegurar las temperaturas de
precalentamiento y la operación continua de la prensa. Las
plantillas preformas precalentadas serán calentadas típicamente a
aproximadamente 225ºC, dependiendo de la composición específica de
las plantillas preformas. La cavidad del molde se carga entonces 54
con las plantillas preformas. El molde está refrigerado por agua.
Con los materiales utilizados de acuerdo con la invención, las
plantillas preformas pueden ser enrolladas en troncos para
facilitar la carga de la prensa en forma continua, minimizando por
tanto la intervención del operario y dando lugar a una uniformidad
superior del producto final. El molde se cierra y se incrementa la
presión con un tiempo de permanencia de 30 a 60 segundos. La
plantilla preforma prensada es enfriada y terminada 58.
Con los materiales y el diseño utilizado de
acuerdo con esta invención, el material compuesto fluye mucho mejor
en todas las áreas del molde. Como resultado de ello, se minimizan
las costosas operaciones de acabado. El parachoques puede ser
esencialmente una pieza monolítica sin montaje por separado de
apoyos. El ensamblando de la vigueta de sección en I y las
operaciones de acabado (tales como el taladrado, desbarbado) pueden
combinarse en una operación secundaria. El resultado de este
proceso de fabricación es un subconjunto completo con un absorbedor
de energía y sistema mecánico de montaje que está preparado parad la
instalación en el vehículo. Esto da lugar a una ventaja en los
costos con respecto a los materiales y diseños anteriores. El
parachoques fabricado es entonces enviado 56 para el montaje en el
vehículo.
El parachoques inventado proporciona una
estabilidad dimensional. La combinación altamente estable de la
vigueta inventada de sección en I junto con el material GMT de
fibra de vidrio troceada permite el cumplimiento de tolerancias
ajustadas. Se enumera más adelante algunos ejemplos de tolerancias
registradas en la fabricación de viguetas de sección en I.
- \bullet Tolerancia transversal del coche entre los agujeros de montaje:
- \pm1,0 mm
- \bullet Tolerancia del perfil
- \pm1,5 mm
- \bullet Tolerancia del grosor
- \pm1,5 mm
\newpage
Las viguetas del parachoques fueron probadas
utilizando una Prueba de Parachoques de Péndulo. Se utilizaron dos
configuraciones de prueba, la Barrera FMVSS y el Polo. Los datos se
acumularon para 4 viguetas para cada uno de 6 materiales
distintos.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Todos los productos ensayados proporcionaron
excelentes resultados en las cargas de barrera, sin rotura de la
vigueta. Los materiales GMT (A y B) fueron productos estándar
disponibles comercialmente a partir de dos fabricantes distintos.
Su rendimiento fue aceptable y se utilizó como el grupo de
"control" para los análisis experimentales. Las formulaciones
mejoradas, productos GMT del 40%, fueron probados, pero mostraron
solo mejoras marginales con respecto a los grupos de
"control". Los experimentos de GMT rellenado de mineral del
45-46% demostraron el valor más alto de la Barrera
y de las Cargas de Pico del Polo y la intrusión más baja. Solo las
formulaciones de GMT rellenas de mineral produjeron una vigueta que
no tenia pocas roturas o ninguna en la prueba del polo. La
combinación de partículas de mineral similares a placas pequeñas y
de las fibras de vidrio largas fluye fácilmente dentro de las áreas
de las viguetas del parachoques de sección en I. Esta composición
homogénea es capaz de optimizar la resistencia del diseño altamente
nervado, lo cual permite que las nervaduras canalicen la energía
del impacto de forma más eficiente a través de la totalidad de la
estructura de la vigueta.
El diseño y el proceso de fabricación proceden a
través de tres etapas de ingeniería asistida por ordenador (CAE) y
acaba con la instrumentación del prototipo y con las piezas para su
ensayo físico. El proceso CAE incluye la simulación por ordenador
de la respuesta del Estándar Federal de Seguridad de Vehículos a
Motor 581, y el Instituto de Seguros de los requisitos de Impacto
de Polo Trasero de 8 kph. Los resultados de la simulación se
correlacionan perfectamente con los ensayos físicos expuestos en el
Ejemplo A anterior.
Con referencia a la figura 7, la figura expone
las secciones de la vigueta cuyas dimensiones están determinadas
con la utilización del protocolo CAE de esta invención. La primera
fase del proceso CAE es introducir los parámetros conocidos del
diseño, tal como las dimensiones del vehículo, pero y así
sucesivamente. El punto de arranque es una representación por
ordenador de veinte segmentos 40 de la vigueta en I. Las seccione se
modelan a partir de la línea central del parachoques 42 hasta el
soporte del rail 44. Las dimensiones de las secciones varían
uniformemente a partir de la línea central en el soporte del rail
44.
Se encuentran optimizadas cuatro variables
contra el criterio del impacto de barrera: el grosor de la brida
frontal, la longitud de la membrana, el grosor de la membrana y el
grosor de la brida trasera. Cada variable tiene un valor distinto
en cada sección. Las figuras 8 y 9 muestran el resultado de esta
fase del proceso CAE. La figura 8 muestra el modelo de geometría de
plano intermedio utilizando el protocolo CAE de esta invención, y
muestra una representación del bastidor de hilos de las líneas
centrales de cada sección. Cada sección es exclusiva puesto que
las líneas centrales dependen de cuatro variables. La figura 9
muestra un perfil del grosor de un diseño específico utilizando el
protocolo CAE de esta invención. La figura 9 muestra un automóvil
en particular. En forma tabular:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Los datos iniciales de la estructura incluyen
los estándares de pruebas del gobierno federal y del Instituto del
Seguro, la masa del vehículo, la cobertura entre los montajes de los
parachoques (distancia del rail), espacio de empaquetado, la
carrera del sistema deseada y demás información pertinente. En el
proceso CAE puede incorporarse también un espacio libre de
tolerancia para la suspensión del vehículo. Las propiedades
mecánicas del material de absorción de energía son conocidas, la
profundidad y masa del absorbedor de energía (EA) 92 de espuma de
polipropileno expandido de 45 g/l son deducidas a partir del proceso
CAE. La fase de diseño inicial está enfocada sobre los impactos de
barrera del parachoques. El programa utiliza una regla heurística
para determinar la forma del parachoques en un espacio de tres
dimensiones. El primer parámetro a determinar es la energía
involucrada en un impacto en el parachoques y la forma en la que se
haya disipado la energía. La energía total generada está
representada
por:
por:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
en
donde:
E es la energía (en Joules,
m es la masa (en kilogramos),
v es la velocidad (en metros por segundo)
Las unidades dadas presuponen la utilización de
las unidades SI.
En un impacto de barrera, la vigueta I y el EA
son precisos para absorber la mayor parte de la energía. La vigueta
y el EA absorben el 85% de la energía, con el resto de la energía
disipada por el bastidor del vehículo. Puesto que la energía es
igual al área bajo la presión de la fuerza con respecto a la curva
de deflexión, la energía puede ser utilizada para determinar la
carga sobre el parachoques y el EA. La carga puede ser utilizada
entonces para determinar la deflexión correspondiente del
parachoques y el ÉA.
Para cualquier vigueta que tenga un plano
longitudinal de simetría y que esté sujeta a un momento de flexión
M en un cruce determinado, la tensión normal que actúa sobre una
fibra longitudinal a una distancia Y desde el eje neutro de la
vigueta es:
en
donde:
\sigma es la tensión de deformación (Newtons
por metro^{2}),
M es el momento de flexión
(Newton-metros),
Y es la distancia desde el eje neutro (metros),
e
I es el momento de inercia de la sección
transversal del elemento (m^{2}).
En las fibras exteriores de la vigueta, el valor
de la coordenada Y está denotado por c y las tensiones normales
máximas son:
La tensión de flexión máxima está representada
por la definición de la variable Z (metros^{2}).
En veinte secciones a través del centro del
parachoques hasta un montaje del parachoques, pueden variar las
dimensiones de las bridas delantera y trasera, de las dimensiones de
la membrana y del grosor de la membrana. El método compara el valor
mínimo de Z necesario para cumplir con las condiciones con el valor
calculado. Los parámetros de diseño son iterados hasta que cada
sección cumpla el criterio del impacto de barrera. La salida
comprende los datos del perfil del grosor para las bridas frontal y
trasera y la membrana así como también la profundidad de la
membrana.
membrana.
La geometría del plano medio y los perfiles de
grosores se descargan en un Programa de Análisis de Elementos
Finitos (FEA) como condiciones iniciales. Puesto que estas
condiciones iniciales están cercanas a una solución, el Programa
FEA de cálculo intensivo tiene muy pocas iteraciones y se desarrolla
de forma rápida y económica. Utilizando esta herramienta CAE, las
propiedades torsionales del diseño pueden ser incorporadas
conduciendo a la posición y tamaño de las fijaciones 32 torsionales
necesarias. El rendimiento requerido del diseño bajo impactos altos
y bajos, según los estándares federales y de Seguros antes
mencionados, puede evaluarse y el dispositivo sintonizado
heurísticamente para satisfacer estos requisitos. Después de
satisfacer estas restricciones, surge el modelo FEA el cual puede
ser utilizado como entrada para la instrumentación de prototipos,
que puede ser la tercera etapa final del
CAE.
CAE.
Se genera el modo FE del elemento raíz de la
vigueta en I, utilizando el perfil del plano medio y del grosor a
partir de la primera etapa y datos CAD suplementarios para montar un
esquema y el acabado final. El modelo FE para los impactos de baja
velocidad incluye el absorbedor de energía, en donde la estructura
del cuerpo significativo se fija y rodea la vigueta en I, y las
condiciones apropiadas de la energía de entrada. Todos los
materiales están caracterizados por la utilización de propiedades
totalmente lineales y propiedades de materiales no lineales. El
modelado de la suspensión del vehículo para impactos a baja
velocidad no es preciso para una excelente correlación entre los
ensayos físicos y el análisis FE (los datos de la suspensión no
están disponibles usualmente en la fase de desarrollo). Cuando no
está presente la suspensión del vehículo, los bajos impactos del
péndulo están influenciados con un grado menor. Esto se debe a los
efectos de la suspensión vertical, y la mayor parte de los sistemas
de adquisición de datos no miden la componente vertical de la
fuerza. El resultado, para los impactos bajos del péndulo, es un
truncamiento de la fuerza con respecto a las curvas de intrusión,
lo cual tiende a su alargamiento, conforme la suspensión se comprime
y cambia la actitud del vehículo. Todos los análisis de los
impactos se ejecutan utilizando el programa
LS-DYNA3D®. Las magnitudes medibles incluyen la
intrusión del impactor, carrera de la vigueta en I,
tensión/deformación de la vigueta en I, tensión/deformación de la
estructura, rendimiento del absorbedor de energía, modo de
deformación del sistema, y fuerza de reacción del sistema. Los
resultados de la predicción del modelo y los resultados en curso
mostraron un alto grado de correlación.
A partir de lo anteriormente expuesto está claro
que hemos inventado un parachoques de sección en I para automóviles
que está formado a partir de un material de plástico. La presente
invención proporciona un parachoques GMT mejorado para automóviles,
que cumple con todos los requisitos relevantes de la integridad
estructural bajo pruebas de impacto estandarizadas, mientras que se
reducen significativamente los costos de fabricación así como el
peso de los componentes. La presente invención proporciona un
parachoques GMT para automóviles que tiene características de flujo
favorables durante el moldeado por compresión del parachoques.
Claims (5)
1. Un parachoques termoplástico reforzado con
fibra de vidrio para un automóvil, que comprende:
una parte frontal (18) que es una brida frontal
substancialmente plana;
una parte trasera (20) que es una brida
posterior substancialmente plana;
al menos un miembro transversal (14), en el que
al menos un miembro transversal (14) es una membrana
substancialmente plana que tiene un primer borde y un segundo borde
opuesto, estando la mencionada membrana (14) orientada hacia la
brida frontal (18) a lo largo de la línea media de la superficie
plana de la mencionada brida frontal; y en donde la mencionada
brida posterior (20) está orientada paralelamente a la mencionada
brida frontal (18), de forma tal que el mencionado segundo borde de
la mencionada membrana (14) está conectado a lo largo de la línea
media de la superficie plana de la mencionada brida posterior (20);
y
un puntal de apoyo de montaje integral (94) para
montar el parachoques (91) en el sistema mecánico de recepción
(98) del automóvil,
en donde el mencionado puntal de apoyo (94) está
moldeado directamente en el mencionado parachoques (91),
en el que la mencionada parte frontal (18), la
mencionada parte posterior (20), y al menos el mencionado miembro
transversal (14) están moldeados a partir de un material
termoplástico reforzado con fibra que tiene rellenadores de
mineral.
2. Un parachoques de termoplástico reforzado con
fibra para un automóvil según la reivindicación 1,
en el que el mencionado material termoplástico
reforzado con fibra es un compuesto termoplástico de aglomerado de
fibra de vidrio estructural largo y troceado.
3. Un parachoques de termoplástico reforzado con
fibra según la reivindicación 2,
en el que los rellenadores de mineral
mencionados están seleccionados a partir del grupo compuesto por
mica, talco, yeso, caolín, carbonato de calcio, TiO_{2}, y polvo
de cuarzo y sílice precipitada.
4. Un parachoques de automóvil según la
reivindicación 3, que comprende además:
al menos un dispositivo rígido (32) de fijación
torsional que conecta la mencionada brida frontal (18) a la
mencionada brida posterior (20).
5. Un método de fabricación de un parachoques
(91) de termoplástico reforzado con fibra para un automóvil, que
comprende:
precortar un material de termoplástico de
aglomerado reforzado con fibra larga en una plantilla preforma, en
el que la mencionada plantilla preforma está compuesta por un 45%
al 46% de rellenadores de mineral;
introducir la mencionada plantilla preforma en
un horno de cinta de transporte;
precalentar la mencionada plantilla
preforma;
cargar una cavidad del molde de una prensa con
la plantilla preforma precalentada mencionada;
incrementar la presión sobre la mencionada
plantilla preforma mientras que se hace que descienda la temperatura
de la misma, forzando el mencionado material termoplástico dentro
de la mencionada cavidad del molde, con un tiempo de permanencia de
30 a 60 segundos, formándose por tanto un parachoques (91);
retirar el mencionado parachoques (91) de la
mencionada cavidad del molde y enfriar el mencionado parachoques
(91);
taladrar y desbarbar el mencionado parachoques
(91); y
empaquetar el parachoques (91) para su
envío.
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