ES2273080T3 - Viga de impacto que comprende elementos alargados de metal. - Google Patents
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Abstract
Una viga de impacto que comprende una matriz de polímero y una estructura de refuerzo de metal, comprendiendo dicha estructura de refuerzo de metal al menos un elemento alargado (106) de metal, caracterizada porque dicho elemento alargado de metal tiene un alargamiento plástico de rotura de más de 3%, teniendo dicho elemento alargado de metal una resistencia a la tracción RM de menos de 2000 MPa.
Description
Viga de impacto que comprende elementos
alargados de metal.
La presente invención se refiere a vigas de
impacto que comprenden una matriz de polímero y una estructura de
refuerzo de metal.
Las vigas de impacto conocidas actualmente
comprenden una matriz de polímero, reforzada con fibras de vidrio u
otras fibras de polímero.
Una viga de impacto también puede comprender
partes de metal, habitualmente en los sitios donde la viga de
impacto recibe carga de compresión durante el impacto. El documento
US-A-5290079 da un ejemplo de tal
viga de impacto. En el documento
US-A-5290079 la viga de impacto
también comprende una malla de alambre tejido, que ha de mejorar la
ductilidad y flexibilidad de la viga de impacto. El documento US
4278726 divulga un amortiguador de choques, de acuerdo con el
preámbulo de la reivindicación 1, que puede ser perfilado. El
amortiguador de choques comprende cordones de acero revestidos con
latón empotrados en una tira de caucho.
Las vigas de impacto conocidas actualmente en
general tienen la desventaja de que tienden a romperse en partes en
el lugar de impacto, o esparcirse en varias partículas pequeñas que
se proyectan hacia objetos que están en la periferia de la viga de
impacto. Esto puede causar un daño adicional a objetos
subyacentes.
Adicionalmente, hay una tendencia a que sea
absorbida más energía de impacto por volumen de la viga de impacto,
o hacia una reducción de volumen y posible precio de una viga de
impacto, que es capaz de absorber la misma cantidad de energía de
impacto.
Es un objetivo de la presente invención
proporcionar una viga de impacto, que tiene una posibilidad reducida
de desintegración o esparcimiento durante el impacto, mientras que
es capaz de absorber una cantidad aumentada de energía de
impacto.
Se encontró que tal viga de impacto se obtiene
cuando se proporciona una viga de impacto que comprende una matriz
de polímero y una estructura de refuerzo de metal, que a su vez
comprende al menos un elemento alargado de metal. Este elemento
alargado de metal, por ejemplo un alambre de metal, un cordón de
metal, un cable de metal, una cuerda de metal, un haz de alambres de
metal o un alambre perfilado de metal, una tira de metal o placa de
metal, posiblemente una tira o placa perforada de metal. De acuerdo
con la invención, este elemento alargado de metal tiene un
alargamiento plástico de rotura de más de 3%, más preferiblemente
más de 5% o incluso más de 10%.
Preferiblemente, el elemento alargado de metal
tiene un alargamiento plástico y elástico de rotura de más de 10% o
incluso más de 15% o más de 20%. Tal alargamiento plástico y
elástico alto se obtiene preferiblemente usando aleaciones de metal
dúctil, tales como preferiblemente aleaciones de acero bajas en
carbono. Las aleaciones de acero bajas en carbono se han de entender
como aleaciones que comprenden un equilibrio de Fe y menos de 0,7%
de C, más preferiblemente menos de 0,5% de C.
El elemento alargado de metal tiene una
resistencia a la tracción de menos de 2000 MPa, o incluso menos de
1500 MPa o menos de 1000 MPa.
Cada elemento alargado de metal tiene
preferiblemente una sección transversal que tiene un área de sección
transversal de más de 7,9*10^{-3} mm^{2}, más preferiblemente
más de 10^{-2} mm^{2} o incluso más de 2*10^{-2} mm^{2}.
La suma del alargamiento "plástico" y
"elástico" usada aquí se ha de entender como el alargamiento
total del elemento alargado de metal, medido en su diagrama de
alargamiento-carga, menos un posible alargamiento
"estructural".
Como se conoce generalmente en la técnica, la
curva de alargamiento-carga de un elemento de metal
se caracteriza por una zona de alargamiento elástico que precede a
una zona de alargamiento plástico.
La zona de alargamiento elástico está limitada
en su extremo inferior por el origen de la curva (siendo el
alargamiento 0%), y en su lado superior por el alargamiento en el
límite de elasticidad de la curva. Este límite de elasticidad,
también conocido como R_{p0,2}, se define como la resistencia a la
tracción de la intersección de la curva de
alargamiento-carga con una línea que tiene una
pendiente igual al módulo de elasticidad E del metal y una
intersección con la abscisa en 0,2% de alargamiento.
La zona de alargamiento plástico está limitada
en su lado inferior por el límite superior de la zona de
alargamiento, y en su lado superior por el alargamiento de rotura
del elemento de metal.
Posiblemente, el elemento de metal puede tener
una tercera zona de alargamiento, que es una "zona de alargamiento
estructural" que ocurre en el alargamiento y la carga más baja,
antes de la zona de alargamiento elástico. En tal caso, la zona de
alargamiento estructural está limitada en su extremo inferior por el
origen de la curva (siendo el alargamiento 0%) y en su extremo
superior por el alargamiento en la intersección de la abscisa con la
línea de acuerdo con la ley de Young. En esta situación, la zona de
alargamiento elástico está limitada en su extremo inferior por el
alargamiento en la intersección de la abscisa con la línea de
acuerdo con la ley de Young, y en su lado superior por el
alargamiento en el límite de elasticidad de la curva. Este límite de
elasticidad, también conocido como R_{p0,2}, se define como la
resistencia a la tracción de la intersección de la curva de
alargamiento-carga con una línea que tiene una
pendiente igual al módulo de elasticidad E del metal y una
intersección con la abscisa en 0,2% de alargamiento añadido al
alargamiento en la intersección de la abscisa con la línea de
acuerdo con la ley de Young.
La línea de acuerdo con la ley de Young se
define como
(\sigma =
E*\varepsilon)
siendo E el módulo E de la zona de
alargamiento elástico del diagrama de
alargamiento-carga, como se conoce generalmente en
la técnica. La línea está dibujada de tal manera que la anomalía de
la línea con la parte recta de la zona de alargamiento elástico es
mínima. En caso de que no esté presente un alargamiento estructural,
esta línea cruza la abscisa en el origen de la
curva.
El alargamiento estructural, si es que lo hay,
es resultado de, por ejemplo:
- la construcción de cordón, cable o cuerda, en
caso de que el elemento alargado de metal sea un cordón, cable o
cuerda, en caso de que esta construcción permita que los filamentos
del cordón, cable o cuerda se muevan unos con relación a otros
durante la carga de tracción;
- posible preformación, por ejemplo corrugación,
dada al propio elemento alargado de metal;
- posible preformación dada a los filamentos de
metal comprendidos en el elemento alargado de metal, en caso de que
el elemento alargado de metal sea una construcción de cordón, cable
o cuerda.
La existencia de tales medios para obtener
deformación estructural y alargamiento estructural, puede servir de
ayuda para mejorar la deformación de la estructura de refuerzo de
metal durante la producción de vigas de impacto. Adicionalmente, la
preformación puede mejorar el anclaje mecánico de la matriz de
polímero y la estructura de refuerzo de metal.
Se prefiere que el límite de elasticidad
R_{p0,2} sea mayor que 0,85 veces R_{M}, siendo R_{M} la
resistencia a la tracción de fractura del elemento alargado de
metal. Más preferiblemente, R_{p0,2} está en el intervalo de
0,85*R_{M} a R_{M}. Preferiblemente, el módulo de elasticidad de
los elementos alargados de metal es mayor que el módulo de
elasticidad de la matriz de polímero, más preferiblemente el módulo
de elasticidad del elemento alargado de metal es mayor de 60 GPa o
incluso más de 200 GPa.
La estructura de refuerzo de metal comprende al
menos uno, pero preferiblemente más de un elemento alargado de
metal. Estos elementos alargados de metal pueden ser esencialmente
paralelos entre sí. En caso de que los elementos alargados de metal
sean alambres de metal, cordones de metal, cables de metal, cuerdas
de metal, haces de alambres de metal, alambres perfilados de metal o
tiras de metal, los elementos alargados de metal se pueden
incorporar en una estructura de refuerzo de metal que es una
estructura tricotada, trenzada o tejida, que puede comprender otros
elementos tales como hebras de polímero o de vidrio, junto a los
elementos alargados de metal.
En caso de que los elementos alargados de metal
sean placas de metal, las placas de metal están preferiblemente
perforadas o hechas del llamado metal de estiramiento, con el fin de
asegurar un buen anclaje entre la matriz de polímero y la estructura
de refuerzo de metal.
Posiblemente una malla soldada está provista
usando un elemento alargado de metal. Alternativamente, uno o varios
elementos alargados de metal en primer lugar se pueden recubrir con
una capa de polímero, y se pueden estratificar uno al otro
proporcionando una estructura en forma de malla que tiene elementos
alargados de metal en dos direcciones diferentes, cruzándose entre
sí siempre en el mismo lado del estratificado, o alternando a ambos
lados del estratificado.
Preferiblemente, esta estructura de refuerzo de
metal está presente en los lugares en la viga de impacto que están
sometidos a cargas de tracción durante el impacto, estando el lado
opuesto de la superficie de la viga de impacto, que está sometido a
la fuerza de impacto.
Se encontró que, cuando se usan elementos
alargados de metal para proporcionar una viga de impacto de acuerdo
con el objeto de la invención, la cantidad de energía de impacto que
puede ser absorbida por la viga de impacto en su totalidad, y la
estructura de refuerzo de metal en particular, es suficiente para
proteger la estructura subyacente. El gran alargamiento plástico de
los elementos alargados de metal permite, sin embargo, que la viga
de impacto se pandee en mayor medida. Esta extensión mayor causa una
fuerza de compresión menos alta en el material de polímero cerca del
punto de impacto. Ya que estas fuerzas de compresión en el punto de
impacto provocan la rotura de polímero y el esparcimiento del
material de polímero, la integridad de la viga de impacto de acuerdo
con el objeto de la invención durante el impacto se mejora
significativamente, ya que las fuerzas de compresión se reducen
debido al mayor alargamiento del elemento alargado de metal.
Adicionalmente, debido a esta mayor extensión de
la estructura de refuerzo de metal y elementos alargados de metal,
los elementos alargados de metal se dirigen en mayor medida en la
dirección del impacto. Esto tiene como resultado una carga más
importante de los elementos alargados de metal en dirección axial
comparado con las vigas de impacto que comprenden un elemento
alargado de metal que tiene un alargamiento pequeño de rotura pero
una mayor resistencia a la tracción.
Finalmente, la resistencia a la tracción del
elemento alargado de metal está limitada a menos de 2000 MPa. De tal
manera, el nivel de deceleración del objeto en el que está montada
la viga de impacto, durante el impacto en la viga de impacto, está
limitado a niveles aceptables, mientras que todavía se proporciona
suficiente rigidez a la viga de impacto y se proporciona suficiente
capacidad de absorción de impacto a la viga de impacto. Combinado
con un módulo de elasticidad significativamente alto del elemento
alargado de metal, por ejemplo mayor de 200 GPa, se puede maximizar
la energía absorbida.
Una viga de impacto de acuerdo con el objeto de
la invención comprende adicionalmente una matriz de polímero,
preferiblemente elegida de entre el grupo de polímeros
semicristalinos termoplásticos tales como polipropileno, poliamida,
poliéster, poli(tereftalato de etileno),
poli(tereftalato de buteno) así como mezclas de estos
materiales, o elastómeros termoplásticos, por ejemplo elastómeros
termoplásticos con base de poliamida o poliolefina tales como
poliesteramidas, polieteresteramidas, policarbonatoesteramidas o
poliéter-bloque-amidas o polímeros
termofijados, por ejemplo poliéster, epoxi, viniléster, fenol,
polímeros termofijados con base de melamina.
La matriz de polímero puede comprender
adicionalmente fibras de C o de vidrio y/o cargas minerales para
reforzar la capa de volumen. Las fibras pueden ser aleatorias, uni-,
bi- o multidireccionales, cortadas o una combinación de ellas. El
alargamiento plástico de la matriz de polímero puede estar limitado
a sólo 4% añadiendo tales fibras o cargas.
Posiblemente, los elementos alargados de metal
primero se laminan o se extruden con una capa de polímero, de aquí
en adelante denominada "capa de empotrado". El material de
polímero de la capa de empotrado es elegido preferiblemente de entre
el grupo de polímeros semicristalinos termoplásticos tales como
polipropileno, poliamida, poliéster, poli(tereftalato de
etileno), poli(tereftalato de buteno) así como mezclas de
estos materiales, o elastómeros termoplásticos, por ejemplo
elastómeros termoplásticos con base de poliamida o poliolefina tales
como poliesteramidas, polieteresteramidas, policarbonatoesteramidas
o poliéter-bloque-amidas.
Preferiblemente, la forma de la viga de impacto,
las propiedades de la matriz de polímero y de los elementos
alargados de metal se sintonizan con el fin de maximizar la energía
de impacto absorbida.
Una viga de impacto de acuerdo con el objeto de
la invención se puede usar, por ejemplo, como parte de una
carrocería de vehículos, por ejemplo para soportar parachoques
blandos de vehículos tales como coches, autobuses o camiones.
También se pueden usar para mejorar la resistencia de impacto otros
elementos de la carrocería del vehículo para fuerzas de impacto. La
viga de impacto de acuerdo con el objeto de la invención se puede
usar para hacer, por ejemplo, las puertas, el bastidor, el capó o el
portón de maletero y/o travesaños más resistentes al impacto. Una
persona experta en la técnica entiende que la forma de las secciones
transversales de una viga de impacto de acuerdo con el objeto de la
invención, así como la forma exterior de la viga de impacto, se
puede ajustar al uso de la viga de impacto.
La viga de impacto de acuerdo con el objeto de
la invención absorbe la energía de impacto y protege los otros
elementos del vehículo de daños. La viga de impacto de acuerdo con
el objeto de la invención también impide que las partículas de la
matriz de polímero dañen elementos periféricos del vehículo, ya que
se puede asegurar la integridad de la viga de impacto después del
impacto.
Las vigas de impacto de acuerdo con el objeto de
la invención también se pueden usar para barreras de protección u
otras aplicaciones de absorción de impacto.
La invención se describirá ahora con más detalle
con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:
La figura 1a y la figura 1b muestran
esquemáticamente una viga de impacto de acuerdo con el objeto de la
invención.
La figura 2a y la figura 2b muestran un sistema
de ensayo para medir la energía absorbida bajo la carga de
impacto.
La figura 3 muestra una curva de
carga-desplazamiento obtenida usando el sistema de
ensayo de la figura 2 en una viga de impacto de acuerdo con el
objeto de la invención y una viga de impacto sin elementos alargados
de metal.
Una sección transversal de una viga de impacto
de acuerdo con el objeto de la invención se muestra esquemáticamente
en la figura 1a y en la figura 1b. La sección transversal es
esencialmente un perfil en forma de U que tiene dos patas paralelas
101 y 102 y un lado 103 perpendicular a esas dos patas. La viga de
impacto se ha de someter a fuerzas de impacto en el lado 103. En la
sección exterior de las patas alejada del lado 103, cada una de las
patas tiene una región reforzada 104 y 105, en la que se
proporcionan elementos alargados 106 de metal. Como se muestra en la
figura 1b, las regiones reforzadas se extienden sobre toda la
longitud L de la viga de impacto.
Las dimensiones de la realización se eligieron
de tal manera que el volumen acumulado de los elementos alargados de
metal es 5,42% del volumen total de la viga de impacto. Como
ejemplo:
- \quad
- H = 100 mm
- \quad
- D = 100 mm
- \quad
- T1 = T2 = 10 mm
Los elementos alargados de metal usados se
eligen a partir de un llamado acero bajo en carbono que tiene un
módulo E de 210 GPa, un alargamiento elástico de 0,26% y un
alargamiento plástico de al menos 5%, por ejemplo 8%, y una
resistencia a la tracción R_{M} de 600 MPa. Se proporcionan como
alambres individuales, por ejemplo 21 alambres a partir de 2,1 mm de
diámetro, o se pueden proporcionar como uno o más cables, que
constan de un cierto número de alambres. En el caso de alambres
individuales, que no comprenden una ondulación, no se obtiene
alargamiento estructural. En caso de que se use un cable de
alambres, se puede preferir una construcción de cable abierto con el
fin de mejorar el anclaje mecánico del elemento alargado de metal y
el material de polímero. Se puede obtener un alargamiento
estructural del cable.
Como matriz de polímero, preferiblemente una
GMT, que comprende una fibra termoplástica de vidrio, se usa un
polímero reforzado. Lo más preferiblemente, el material de polímero
es polipropileno. La GMT comprende por ejemplo aproximadamente 30%
de fibras de vidrio y tiene un módulo E de 2,5 GPa.
La longitud del perfil en U se eligió que fuese
1400 mm.
Con el fin de comparar la viga de impacto de
acuerdo con el objeto de la invención, la viga de impacto como se
muestra en la figura 1a y en la figura 1b se compara con una viga de
impacto que tiene las mismas dimensiones, pero diferenciándose sólo
en el hecho de que no se usan elementos alargados de metal para
reforzar. Esta última se denomina de aquí en adelante "viga de
impacto no reforzada".
La viga de impacto está soportada como se
muestra en la figura 2a y en la figura 2b. La viga de impacto 201
está soportada en dos puntos 205 por dos soportes 202, estando a una
distancia 207 de 1000 mm entre sí. La viga de impacto hace contacto
con los soportes 202 en los extremos exteriores 204 de las patas,
estando máximamente alejada del lado frontal 206. Una fuerza de
impacto, indicada con una flecha 203, se aplica en el centro del
lado frontal 206.
Ambas vigas de impacto se someten a un impacto
usando una masa de 1500 kg. Se observó que la viga de impacto no
reforzada falló usando una velocidad de impacto de 1,44 km/h. El
material de polímero falló en los extremos exteriores 204 de las
patas de la viga de impacto, debido a una resistencia a la tracción
que supera la máxima resistencia a la tracción permisible. Los
extremos exteriores 204 de las patas fueron alargados más de 2%, que
es el límite de la GMT. La curva de
desplazamiento-carga se muestra en la figura 3.
La curva muestra la relación entre la fuerza
aplicada F expresada en Newton (en las ordenadas) y el
desplazamiento d del lado frontal 206 expresado en mm. Una curva 301
muestra la relación de una viga de impacto no reforzada. La viga de
impacto absorbe 120 julios (estando la superficie más allá de la
curva 301). En un desplazamiento de 26,5 mm y a una fuerza de
aproximadamente 6000 N, la viga de impacto falla ya que la GMT rompe
en el lado exterior de las patas, que están sometidas a la máxima
carga de tracción.
Una viga de impacto de acuerdo con el objeto de
la invención y que tiene las propiedades como de la figura 1 se
somete al mismo ensayo. Usando una velocidad de impacto de 2,13
km/h, y una masa de impacto de 1500 kg, la GMT falla cuando el
desplazamiento es 20,9 mm a una fuerza de 20000 N. Sin embargo, como
se muestra en la figura 3, la superficie bajo la curva 302 de la
viga de impacto de acuerdo con el objeto de la invención todavía
alcanza una energía absorbida de 262 julios. Ajustando la
resistencia a la tracción de los elementos alargados de metal que se
usan, se impide un fallo excesivo de la GMT. En este punto, los
elementos alargados de metal preferiblemente han alcanzado su
R_{p0,2} con el fin de empezar a fluir plásticamente. Para el
ejemplo dado, se puede elegir un R_{p0,2} de 500 MPa. Como el
R_{p0,2}/R_{M} es 83,3%, la fuerza de impacto está limitada con
el fin de obtener una deceleración aceptable. Esto en combinación
con el gran alargamiento plástico de acuerdo con el objeto de la
invención de los elementos alargados de metal, siendo más de 3% en
esta realización, la energía extra absorbida se puede aumentar
significativamente. En total, más de 5250 julios pueden ser
absorbidos en un alargamiento plástico de 5%. En tal caso, el
desplazamiento es al menos de 240 mm. Esto se muestra en la segunda
parte de 303 de la curva 302.
Está claro que, cuando esta viga de impacto se
usa, por ejemplo, como viga de parachoques, se mejora la energía que
se puede absorber antes de que falle la GMT de la viga de
parachoques. Y lo que es más, después del fallo de polímero, la viga
de impacto todavía continúa absorbiendo energía, protegiendo así
adicionalmente el resto de la construcción de atrás.
Claims (14)
1. Una viga de impacto que comprende una matriz
de polímero y una estructura de refuerzo de metal, comprendiendo
dicha estructura de refuerzo de metal al menos un elemento alargado
(106) de metal, caracterizada porque dicho elemento alargado
de metal tiene un alargamiento plástico de rotura de más de 3%,
teniendo dicho elemento alargado de metal una resistencia a la
tracción R_{M} de menos de 2000 MPa.
2. Una viga de impacto de acuerdo con cualquier
reivindicación 1, caracterizada porque dicho elemento
alargado (106) de metal tiene una resistencia a la tracción de
R_{M} de menos de 1500 MPa.
3. Una viga de impacto como en cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 2, caracterizada porque dicho elemento
alargado (106) de metal tiene un módulo de elasticidad de más del
módulo de elasticidad de dicha matriz de polímero.
4. Una viga de impacto como en la reivindicación
3, caracterizada porque dicho elemento alargado (106) de
metal tiene un módulo de elasticidad de más de 60 GPa.
5. Una viga de impacto como en cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque dicho elemento
alargado de metal tiene una resistencia de elasticidad R_{p0,2}
que es mayor que 0,85*R_{M}.
6. Una viga de impacto de acuerdo con cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque dicho
elemento alargado de metal tiene un alargamiento plástico y elástico
de rotura de más de 10%.
7. Una viga de impacto de acuerdo con cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 6, siendo elegido dicho elemento
alargado (106) de metal de entre el grupo que consiste en un alambre
de metal, un cordón de metal, un cable de metal, una cuerda de
metal, un haz de alambres de metal, un alambre perfilado de metal,
una tira de metal o una placa de metal.
8. Una viga de impacto de acuerdo con cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque dicho
elemento alargado (106) de metal tiene un área de sección
transversal de más de 7,9*10^{-3} mm^{2}.
9. Una viga de impacto de acuerdo con cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque dicho
elemento alargado (106) de metal se proporciona a partir de una
aleación de aluminio.
10. Una viga de impacto de acuerdo con la
reivindicación 9, caracterizada porque dicha aleación de
aluminio comprende Fe de equilibrio y menos de 0.7% de C.
11. Una viga de impacto de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizada
porque dicha estructura de refuerzo de metal es una estructura
tricotada, trenzada, tejida, soldada o laminada, que comprende dicho
elemento alargado de metal.
12. Una viga de impacto de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizada
porque dicha matriz de polímero es un polímero semicristalino
termoplástico.
13. Una viga de impacto de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizada
porque dicha matriz de polímero es un polímero termofijado.
14. Uso de una viga de impacto como en una de
las reivindicaciones de procedimiento, como parte de la carrocería
de un vehículo.
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| EP02102661 | 2002-11-28 | ||
| EP02102661 | 2002-11-28 |
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|---|---|
| ES2273080T3 true ES2273080T3 (es) | 2007-05-01 |
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Family Applications (1)
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| ES03796012T Expired - Lifetime ES2273080T3 (es) | 2002-11-28 | 2003-11-12 | Viga de impacto que comprende elementos alargados de metal. |
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