ES2687708T3 - Grupo constructivo y procedimiento para unir componentes con coeficientes de dilatación térmica diferentes - Google Patents

Abstract

Grupo constructivo integrado por al menos dos componentes (11, 12) que están formados por materiales diferentes, el cual comprende: - un primer componente (11) que presenta un primer coeficiente de dilatación y - un segundo componente (12) que presenta un segundo coeficiente de dilatación que es diferente del primer coeficiente de dilatación, - estando los componentes (11, 12) unidos uno con otro al menos seccionalmente por medio de un adhesivo (13), - estando los componentes (11, 12) unidos adicionalmente uno con otro a través de un cojinete fijo (14) y un cojinete suelto (15), caracterizado por que el ancho (d) de una rendija de pegado prevista entre los componentes (11, 12) aumenta del cojinete fijo (14) al cojinete suelto (15).

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

DESCRIPCION

Grupo constructivo y procedimiento para unir componentes con coeficientes de dilatación térmica diferentes.

La invención concierne a un grupo constructivo integrado por al menos dos componentes que están formados de materiales diferentes, el cual comprende un primer componente que presenta un primer coeficiente de dilatación térmica y un segundo componente que presente un segundo coeficiente de dilatación térmica que es diferente del primer coeficiente de dilatación térmica. Además, la invención concierne también a un procedimiento para unir componentes con coeficientes de dilatación térmica diferentes.

El modo de construcción mixta, en el que se unen materiales o materias diferentes uno con otro, adquiere cada vez más importancia para conceptos de vehículo actuales y futuros desde el punto de vista de reducciones de CO2 y de la necesidad inherente de la construcción ligera. Por construcción mixta de materiales ha de entenderse aquí la unión de al menos dos componentes de materiales diferentes y coeficientes de dilatación térmica diferentes. Para ensamblar tales componentes es de importancia central, como técnica de unión, el pegado. En las uniones pegadas actuales se alinean entre sí y se pegan los componentes a unir uno con otro dentro de una distancia predeterminada, la llamada rendija de pegado. Los componentes se inmovilizan, por ejemplo, por medio de remaches troquelados o puntos de soldadura y pasan a continuación por procesos de calentamiento/secado de la instalación de pintura en los que se endurece el adhesivo empleado.

Si se unen fijamente uno con otro componentes dotados de coeficientes de dilatación longitudinal diferentes y éstos pasan por procesos de calentamiento/secado de la instalación de pintura, se pueden presentar entonces en los distintos componentes o en los llamados compañeros de ensamble, los elementos de ensamble y la capa adhesiva unas tensiones localmente altas que pueden conducir a daños del elemento de ensamble, es decir, en los remaches troquelados o los puntos de soldadura, de los componentes o de los compañeros de ensamble y de la capa adhesiva. La magnitud de las tensiones producidas depende aquí de la longitud compuesta total y de su geometría. Los daños producidos modifican las propiedades, por ejemplo la rigidez, y pueden conducir al fallo del componente.

Se conoce por el documento DE 102 03 829 A1 una disposición de fijación según el preámbulo de la reivindicación 1 para un cuerpo de plástico de un vehículo automóvil que comprende un apoyo metálico, una placa de plástico con una abertura y una pieza de fijación.

El documento WO 97/14602 A1 muestra una carrocería de vehículo de plástico de fundición inyectada que está pegada a un bastidor de acero con ayuda de una capa adhesiva. La capa adhesiva está realizada en patrones circulares concéntricos para hacer posible una dilatación de la estructura del vehículo con relación al bastidor y se encuentra entre la estructura del vehículo y el bastidor.

Partiendo de este estado de la técnica, la presente invención se plantea el problema de indicar un grupo de componentes o un componente compuesto y un procedimiento simplificado con los cuales se superen las desventajas del estado de la técnica. Asimismo, es cometido de la invención indicar un componente compuesto, así como un procedimiento para fabricar el componente compuesto, en los que se logra un pegado fiable y exento de daños de los distintos componentes.

Este problema se resuelve con un grupo constructivo y un procedimiento dotados de las características de las reivindicaciones independientes. Las reivindicaciones subordinadas representan realizaciones ventajosas de la invención.

Para resolver este problema la invención propone un grupo constructivo que comprende al menos dos componentes que están formados por materiales diferentes. El grupo de componentes comprende un primer componente que presenta un primer coeficiente de dilatación térmica y un segundo componente que presenta un segundo coeficiente de dilatación térmica que es de valor diferente al del primer coeficiente de dilatación térmica. Los componentes pueden estar unidos al menos seccionalmente uno con otro por medio de un adhesivo. Además, los componentes pueden estar unidos también uno con otro a través de un cojinete fijo y al menos un cojinete suelto. En el sentido de la invención, un soporte fijo debe considerarse como un sistema de inmovilización que elimina los tres grados de libertad de traslación de un componente con respecto a un segundo componente. En otras palabras, mediante un cojinete fijo se inmoviliza un primer componente en un segundo componente de tal manera que ya no son posibles movimientos de traslación de uno con relación a otro. Siguen siendo posibles los movimientos de rotación. En el sentido de la invención, un cojinete suelto elimina uno o dos grados de libertad de traslación entre dos componentes y, en consecuencia, permite movimientos relativos en el grado de libertad de traslación restante o en las otras direcciones de traslación restantes. Además, un cojinete suelto permite también movimientos de giro de los dos componentes uno con relación a otro. En el sentido de la invención, el coeficiente de dilatación térmica ha de entenderse especialmente como el coeficiente de dilatación longitudinal térmica a. El coeficiente de dilatación longitudinal térmica es una constante de proporcionalidad entre una variación de longitud relativa del cuerpo fijo, referido a su longitud total en el estado de partida, la cual viene condicionada por una variación de temperatura. El coeficiente de dilatación longitudinal térmica es una magnitud específica del material y, por tanto, depende del material empleado. Además, en el sentido de la invención, el coeficiente de dilatación térmica puede interpretarse también como un coeficiente de dilatación volumétrica térmica y.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Previendo un cojinete fijo se inmovilizan los componentes en un punto de forma estacionaria uno con respecto a otro y, no obstante, al producirse una dilatación térmica, se pueden dilatar de manera diferente uno respecto de otro mediante la previsión de un cojinete suelto. Se pueden evitar así tensiones o deformaciones de los distintos componentes entre los puntos de cojinete.

Además, el cojinete fijo está dispuesto de manera sustancialmente centrada en una dirección longitudinal del grupo de componentes. Esta inmovilización de los componentes ofrece la ventaja de que se puede reducir a la mitad la dilatación longitudinal total en los cojinetes sueltos que están previstos en zonas del borde del componente compuesto, comparado con una disposición de cojinete en la que el cojinete fijo esté dispuesto en una zona extrema del componente compuesto y el cojinete suelto esté dispuesto en la zona extrema opuesta de dicho componente compuesto.

Previendo cojinetes sueltos en al menos uno de los compañeros de ensamble y utilizando una técnica de unión que no produzca una inmovilización rígida, tal como, por ejemplo, remaches ciegos o pernos de rosca grande con abrazaderas de plástico que, aparte de la posición geométrica y abarcando también el grupo de componentes, inmovilicen el primer componente, el segundo componente y el adhesivo, se hace posible que se admita en el recorrido de secado el desplazamiento relativo de los compañeros de ensamble, es decir, de los componentes primero y segundo, debido a los coeficientes de dilatación longitudinal diferentes, hasta que se haya reticulado o endurecido el adhesivo. Las propiedades de unión son garantizadas por el pegado. En otras palabras, el desplazamiento longitudinal diferente necesario entre los componentes se materializa con ayuda de medidas técnicas adecuadas, concretamente la llamada inmovilización flotante. El primer componente y el segundo componente están inmovilizados en la geometría final por medio de elementos de apriete individuales, es decir, uno o varios cojinetes fijos. Otros elementos de apriete, es decir, cojinetes sueltos, están diseñados de modo que, al producirse la dilatación condicionada por el proceso, los componentes puedan moverse en la dirección relevante para el proceso, generalmente en la dirección longitudinal del componente compuesto.

En una primera forma de realización conocida una rendija de pegado prevista entre los componentes puede presentar un ancho sustancialmente uniforme. El primer componente presenta entonces una primera superficie adhesiva y el segundo componente tiene una segunda superficie adhesiva. El primer componente y el segundo componente están orientados uno con relación a otro de modo que sus superficies adhesivas estén enfrentadas una a otra a una distancia predeterminada y formen entre ellas la rendija de pegado en la que está aplicado el adhesivo. Mediante una rendija de pegado uniformemente diseñada, es decir, una rendija de pegado en la que se mantiene casi constante el ancho de la misma en toda la longitud del componente compuesto, se compensa la diferencia de longitud en el proceso, con lo que no se presentan despegados. La distancia predeterminada entre los dos componentes o el ancho de la rendija de pegado se dimensiona con arreglo a un ángulo de cizalladura máximo admisible. El ángulo de cizalladura máximo resulta de la diferencia de longitud que se presente como máximo, la cual a su vez viene condicionada por diferencias de temperatura producidas en el proceso.

Según la invención, el ancho de una rendija de pegado prevista entre los componentes no es uniforme, sino que aumenta sustancialmente desde la posición del cojinete fijo hasta la posición de los cojinetes sueltos y, además, hasta la zona de borde del grupo de componentes. Según la invención, en esta forma de realización la rendija de pegado está diseñada como una llamada rendija de pegado en V. El ancho de la rendija de pegado se diseña aquí con un valor mínimo en función de la dilatación longitudinal. La dilatación longitudinal del componente aumenta al aumentar la distancia al sitio en el que está previsto el cojinete fijo. Al aumentar la distancia al sitio de inmovilización aumenta también el ancho de la rendija de pegado. Por consiguiente, en la forma de realización según la invención el ancho de la rendija de pegado es función de la distancia al cojinete fijo. El ángulo de cizalladura local resultante es aquí siempre más pequeño que el ángulo de cizalladura máximo admisible. Éste depende del adhesivo, el material del componente, la longitud del componente, la superficie del componente y el proceso de endurecimiento. Por tanto, el empleo de una rendija de pegado en V ofrece ventajas consistentes en que se pueden conseguir en cualquier sitio un diseño técnicamente mínimo de la rendija de pegado y se utiliza así la menor cantidad posible de adhesivo, quedando garantizada al mismo tiempo la estabilidad técnica del proceso en materia de eficiencia y construcción ligera. En consecuencia, resulta un ancho mínimo definido de la rendija de pegado que depende del ángulo de cizalladura y aumenta con la distancia al cojinete fijo.

Además, el cojinete fijo y/o el cojinete suelto pueden estar configurados como un elemento de ensamble, especialmente como un remache, un perno roscado y/o una abrazadera de plástico.

En otro aspecto la invención concierne a un procedimiento para unir componentes con coeficiente de dilatación térmica diferentes, incluyendo los pasos siguientes: unir los componentes con un adhesivo, disponer un cojinete fijo que une los dos componentes, disponer al menos un cojinete suelto que une los dos componentes y endurecer el adhesivo.

Además, la disposición del cojinete fijo puede efectuarse en posición sustancialmente centrada en una dirección longitudinal del grupo de componentes.

En una primera forma de realización conocida se puede generar una rendija de pegado con un ancho sustancialmente uniforme para unir los componentes con el adhesivo.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

En el procedimiento según la invención se genera una rendija de pegado con un ancho que aumenta del cojinete fijo al cojinete suelto.

En ambas formas de realización se pueden unir primeramente los componentes uno con otro por medio de cojinetes fijos y cojinetes sueltos y a continuación se puede realizar el endurecimiento del adhesivo mediante solicitación con calor.

Resumiendo, se enumerarán a continuación brevemente las ventajas de la invención. Mediante una pieza compuesta según la invención o un grupo constructivo según la invención y el procedimiento según la invención se pueden evitar daños en los elementos de ensamble o en los puntos de ensamble. Además, se pueden evitar también daños del material o de los componentes primero y/o segundo. Por otro lado, manteniendo el espesor necesario del adhesivo no se produce tampoco daño alguno en la unión pegada. Asimismo, según la invención, la unión de ensamble puede realizarse con adhesivo y, por tanto, puede diseñarse con un coste mínimo.

En lo que sigue se explica la invención con más detalle ayudándose de la descripción de las figuras. Las reivindicaciones, las figuras y la descripción contienen un gran número de características que se explican seguidamente en relación con formas de realización de la presente invención descritas a modo de ejemplo. El experto considerará también estas características individualmente y en otras combinaciones para obtener otras formas de realización que estén adaptadas a aplicaciones correspondientes de la invención.

Muestran en representación esquemática:

La figura 1, un componente compuesto conocido,

La figura 2, una vista en corte lateral de un componente compuesto conocido a lo largo de la línea de corte A-A de la figura 3,

La figura 3, una vista en planta de un primer componente de un grupo de componentes que está ilustrado en la figura 2,

La figura 4, otra vista en planta de un primer componente de un grupo de componentes semejante y

La figura 5, una vista en corte lateral a través de un grupo de componentes de la invención según una primera forma de realización de la misma.

En lo que sigue se explicará primeramente con ayuda de la figura 1 el problema producido al unir materiales con coeficientes de dilatación diferentes. El componente compuesto 10 o el grupo de componentes 10 según la figura 1 presenta un primer componente 11, un segundo componente 12 y un adhesivo 13 dispuesto entre ellos. Los componentes 11, 12 están unidos además uno con otro por medio de elementos de ensamble 20, por ejemplo tornillos, remaches (o similares). El segundo componente 12, inferior en la figura 1, presenta un coeficiente de dilatación térmica que tiene un valor más alto que el valor del coeficiente de dilatación térmica del primer componente superior 11, es decir que, al solicitar el grupo de componentes 10 con calor, el segundo componente 12 se dilata en la dirección de la flecha L. Como es natural, el segundo componente 12 en la figura 1 se dilata por el lado de la derecha y también por el lado de la izquierda. El primer componente 11 se dilata menos, con lo que se originan tensiones en los componentes 11, 12 a través de los elementos de ensamble 20, las cuales pueden conducir a daños de los componentes 11, 12, la unión pegada o los elementos de ensamble 20.

Una primera forma de realización de un componente compuesto conocido se ha representado en la figura 2 para lograr una mejor comprensión de la invención, designando también los símbolos de referencia iguales los mismos elementos que en la figura 1. El primer componente 11 presenta una primera superficie 11a que se denomina superficie adhesiva. El segundo componente 12 presenta también una superficie 12a que se denomina superficie adhesiva. Los componentes 11, 12 están posicionados uno con respecto a otro de modo que las superficies adhesivas 11a, 12a estén vueltas una hacia otra y enfrentadas entre ellas. Estas superficies adhesivas 11a, 12a forman una rendija de pegado que presenta un ancho predeterminado d y en la que está introducido un adhesivo 13. Los distintos componentes están unidos además uno con otro por medio de un cojinete fijo 14 y dos cojinetes sueltos 15. En la mitad izquierda de la figura 2 está previsto en el primer componente 11 un primer rebajo 16 que está realizado con forma alargada en la dirección longitudinal X del componente compuesto. Si, debido al calor, se dilata ahora el segundo componente inferior 12 más fuertemente que el primer componente superior 11, el elemento de ensamble 15, que está configurado como un cojinete suelto, se puede mover hacia la izquierda en el rebajo 16. Se logra así un montaje flotante. Una ejecución alternativa del cojinete suelto está representada en la mitad derecha de la imagen de la figura 2, estando formado en el segundo componente 12 un rebajo alargado 17. Por tanto, en presencia de una dilatación térmicamente producida en el segundo componente 12, éste se puede dilatar hacia la derecha en la dirección de la flecha L, realizando el elemento de ensamble del cojinete suelto 15 un menor movimiento hacia la derecha. Por tanto, el elemento de ensamble 15, que está dispuesto en el primer componente 11 que se dilata menos fuertemente, se puede mover hacia la izquierda con relación al segundo componente 12 dentro del rebajo 17.

5

10

15

20

25

30

35

En otra forma de realización todos los cojinetes sueltos en el componente compuesto 10 pueden estar configurados con la misma forma estructural, según la construcción representada a la izquierda o a la derecha en la figura 2.

La figura 2 muestra una representación en corte a lo largo de la línea de corte A-A de la figura 3. La figura 3 muestra una vista en planta de un componente compuesto 10 según la primera forma de realización que está ilustrada en la figura 2. Como se desprende de ésta, el cojinete fijo 14 está formado en un tercer rebajo 18 que admite un desplazamiento en la dirección lateral Y del componente compuesto 10. Se pueden compensar así dilataciones longitudinales térmicamente producidas en la dirección X por los cojinetes sueltos 15 y una dilatación longitudinal térmicamente producida en la dirección lateral Y por el cojinete fijo 14, con lo que tanto en la dirección longitudinal como en la dirección lateral del grupo de componentes 10 o del componente compuesto 10 no se presentan tensiones en los componentes primero y segundo 11, 12. Otras ventajas son el resultado de que en las tolerancias de fabricación y de ensamble pueden ser fácilmente compensadas.

En la figura 4 se muestra otra vista en planta de un primer componente 11 de un componente compuesto semejante 10 para explicar ejecuciones posibles de los rebajos 16. En la figura 4 los cojinetes sueltos 15 del lado de la izquierda tienen una distancia crecientemente mayor al cojinete fijo 14. En este caso, la distancia del cojinete suelto 15'' es la más grande, la distancia del cojinete suelto 15' es la segunda más grande y la distancia del cojinete suelto 15 es la más pequeña. Dado que la dilatación aumenta al aumentar la distancia al cojinete fijo 14, los rebajos 16' o 16'' tienen que agrandarse también en medida correspondiente. Por este motivo y tal como es sabido, los rebajos 16 de los cojinetes sueltos 15 que se encuentran más cerca de la zona del borde del componente compuesto 10 se han diseñado con mayor tamaño en la dirección longitudinal X del componente compuesto 10. Lo mismo se cumple también para los rebajos 17 que están previstos en el segundo componente 12 cuando están dispuestos varios cojinetes sueltos 15 en la dirección longitudinal del componente compuesto 10.

En la figura 5 se representa una forma de realización de la invención. En lo que sigue se explicarán solamente las diferencias con respecto a la primera forma de realización. Como puede apreciarse en la figura 5, la rendija de pegado entre las superficies 11a y 12a del primer componente y del segundo componente 12 no presenta un ancho continuo d. La rendija de pegado está configurada en forma de V en vista lateral, siendo mínimo su ancho en el sitio del cojinete fijo 14 y aumentando este ancho continuamente hasta los sitios de los cojinetes sueltos 15. Por tanto, según la invención, el ancho aumenta de una zona central a las zonas de borde. Dado que en las proximidades del sitio de inmovilización, es decir, en las proximidades del cojinete fijo 14, la dilatación longitudinal del segundo componente inferior es pequeña, se origina aquí pequeños ángulos de cizalladura, con lo que se pueden materializar también pequeños espesores del adhesivo. Por este motivo, se puede prescindir aquí de un adhesivo y, por tanto, se puede generar un ancho más pequeño de la rendija de pegado. Sin embargo, al aumentar la distancia al sitio de inmovilización aumenta la dilatación longitudinal en el segundo componente, con lo que resultan también ángulos de cizalladura crecientes en la capa adhesiva. Para tener en cuenta este hecho se tiene que adaptar el ancho de la rendija de pegado al ángulo de cizalladura y se le tiene que adaptar así, es decir, agrandar, hasta las zonas de borde del lado derecho y del lado izquierdo de la figura 5 o hasta las zonas más distanciadas del sitio de inmovilización.

Claims (6)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   REIVINDICACIONES

   1. Grupo constructivo integrado por al menos dos componentes (11, 12) que están formados por materiales diferentes, el cual comprende:

   - un primer componente (11) que presenta un primer coeficiente de dilatación y

   - un segundo componente (12) que presenta un segundo coeficiente de dilatación que es diferente del primer coeficiente de dilatación,

   - estando los componentes (11, 12) unidos uno con otro al menos seccionalmente por medio de un adhesivo (13),

   - estando los componentes (11, 12) unidos adicionalmente uno con otro a través de un cojinete fijo (14) y un cojinete suelto (15),

   caracterizado por que el ancho (d) de una rendija de pegado prevista entre los componentes (11, 12) aumenta del cojinete fijo (14) al cojinete suelto (15).
2. 2. Grupo constructivo según la reivindicación 1, caracterizado por que el cojinete fijo (14) está dispuesto en posición sustancialmente centrada en una dirección longitudinal (X) del grupo de componentes.
3. 3. Grupo constructivo según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que el cojinete fijo (14) y/o el cojinete suelto (15) están configurados como un elemento de ensamble, especialmente como un remache, un perno roscado y/o una abrazadera de plástico.
4. 4. Procedimiento para unir componentes con coeficientes de dilatación térmica diferentes, el cual comprende los pasos siguientes:

   - unir dos componentes (11, 12) con un adhesivo (13),

   - disponer un cojinete fijo (14) que une los dos componentes (11, 12),

   - disponer al menos un cojinete suelto (15) que une los dos componentes (11, 12) y

   - endurecer el adhesivo (13),

   caracterizado por que se genera una rendija de pegado con un ancho (d) que aumenta del cojinete fijo (14) al cojinete suelto (15).
5. 5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado por que

   - la disposición del cojinete fijo (14) se efectúa en posición sustancialmente centrada en una dirección longitudinal (X) del grupo de componentes.
6. 6. Procedimiento según la reivindicación 4 o 5, caracterizado por que los componentes (11, 12) se unen primero uno con otro por medio del cojinete fijo (14) y el cojinete suelto (15) y a continuación se efectúa el endurecimiento del adhesivo (13) mediante solicitación con calor.