JP2012519101A - 構造補強システム - Google Patents

Abstract

開示されているのは、構造補強システム（３０）の様々な実施形態である。システム（３０）は、様々な製品内の中空空洞（４０）を補強して、製品の構造的剛性を増加させる。システム（３０）は、剛性キャリア（３２）、膨張性材料（３４）、及び接着剤（３６）を通常含む。膨張性材料（３４）が膨張するとき、剛性キャリア（３２）を空洞壁（４２）に結合されるような位置になるように接着剤（３６）が移動するように、膨張性材料（３４）及び接着剤（３６）はキャリア（３２）内に配置される。

Description

車、トラック、ボート、列車、及び飛行機は、大体中空空洞を有するフレームを含んでいる。中空空洞は、大抵、これらの製品にあって、製品の全体重量を減少させ、そして材料コストを減少させている。しかしながら、中空空洞をフレームに導入することは、フレームの全体強度を減少させるかもしれず、そして車両の他の部分の騒音及び振動を増加させるかもしれない。

これら、及び他の悪影響を軽減するために、中空空洞は、大抵、様々な膨張性材料を含む、補強材を含んでいる。そのような補強材は、騒音及び振動を減少させることができる一方、製品の構造剛性を増加させることができ、それにより、顕著な重量及び材料コスト減少を可能にする。いくつかの現行の補強システムは、剛性キャリアに適用される膨張性発泡体を含む。発泡体は、製造工程中に膨張し、発泡体が中空空洞の壁に接触するように、剛性キャリアを適所に固定する。

補強システムは、新規な形状、材料、及び配置の使用を通じて、追加の構造補強、さらには他の利益を提供することができる。

従って、本発明の１つの目的は、よりよい構造補強システムを提供することである。

本発明によれば、これは、独立請求項の特徴により達成される。

本発明の利点は、とりわけ、膨張性材料が膨張したときに、接着剤が、貯蔵された位置から結合する位置まで動くという点に、見出されることができる。本発明のさらなる利点を有する実施形態が、従属請求項に顕されている。

複数空洞を有する自動車のフレームの斜視図である。 活性化前の、構造本体の水平空洞の構造補強システムの斜視図である。 活性化前の、構造本体の水平空洞の構造補強システムの切断側面図である。 活性化後の、構造本体の水平空洞の構造補強システムの切断側面図である。 活性化前の、構造本体の水平空洞の別の構造補強システムの切断側面図である。 活性化後の、構造本体の水平空洞の別の構造補強システムの切断側面図である。

開示されているのは、構造補強システムの様々な実施形態である。システムは、様々な製品内の中空空洞を補強して、製品の構造的剛性を増加させる。システムは、剛性キャリア、膨張性材料、及び接着剤を通常含む。剛性キャリアは、空洞内に主構造補強を提供し、そしてまた膨張性材料及び接着剤を運搬するための基板としての役割をする。膨張性材料は、キャリア内に配置され、接着剤は、膨張性材料の頂上に配置される。システムは、膨張性材料が膨張するとき、接着剤が空洞壁に対して押されて剛性キャリアと空洞壁の両方に結合されるように、構成される。

図１は、開示される構造補強システムを使用して補強されることができる多くの空洞を含む車両フレーム１０を図示する。そのような空洞は、任意の寸法、形状、又は向きであることができ、様々な金属、複合材料、及び／又はプラスチックを含む、任意の材料から形成されることができる。例えば、車両フレーム１０の潜在的に補強可能な空洞は、Ａ−ピラー１２、Ｂ−ピラー１４、ロッカー（ｒｏｃｋｅｒ）１６、フレームレール１８、燃料タンクシーラー２０、及びバンパー２２を含む、フレームの様々な部品内に見出されることができる。通常、車両フレーム１０の構造剛性は、車両フレーム１０内のそのような中空空洞を補強する事によりかなり増大させることができる。もちろん、開示されている構造補強システムは、様々なボディパネル、ドア、及び他の車両コンポーネントで使用されることもでき、車両フレーム内の中空空洞に限られない。

図２、３、及び４は、車両フレーム１０内の空洞４０を補強するための構造補強システム３０の１つの実施形態を描いている。空洞４０は、車両フレーム１０内の任意の空洞であることができ、通常少なくとも１つの内側空洞壁４４を含む。通常、システム３０は、例えばＡピラー１２のような、特定の空洞４０のために設計されるが、システム３０はまた、異なる寸法の空洞に適合するように、一般的に設計されることができる。システム３０は、空洞４０の一部に適合するように設計されてもよく、あるいは空洞４０全体に適合又は満たすように設計されてもよい。システム３０は、典型的には、空洞内に配置され、通常は、剛性キャリア３２、膨張性材料３４、及び接着剤３６を含む。

キャリア３２は、大抵、空洞４０内に構造補強を提供する剛性構造であり、そして膨張性材料３４及び接着剤３６のためベース又は基板を提供する。キャリア３２は、単一の材料から形成されることができ、又はそれは、一緒に固定される別個のコンポーネントとして形成されることができる。キャリア３２は、様々なポリアミドを含む、様々な金属、プラスチック、複合材料、及び同種のものを含む、任意の数の異なる材料から製造されることができる。もちろん、特定の材料又は複数の材料は、特定の応用に依存しうる。キャリア３２は、円柱状、矩形状、曲線付け状（ｃｏｎｔｏｕｒｅｄ）、角度付け状（ａｎｇｌｅｄ）、折曲がり状（ｂｅｎｔ）、曲形状（ｃｕｒｖｅｄ）、及び／又は平坦である部分を含む、空洞４０内で適合するように設計された任意の数の形状の組み合わせを含む、様々な形状及び構成で形成されることができる。図２、３、及び４に示されているように、キャリア３２は、均等に間隔を空けた複数のリブを含み、典型的には、１以上の垂直な壁により接続されている。例えば、図２に示されているように、キャリア３２は、複数のリブ、及びリブに接続する実質的に垂直な接続壁３３を含む。もちろん、キャリア３２は、任意の数のリブ及び接続壁３３を含むように構成されうる。例えば、キャリア３２は、リブの外部面上に配置される接続壁３３を含みうる。通常、各リブは、空洞壁４２に非常に近接して配置されている露出された垂直面及び露出された水平面を含む。図３に示されているように、各リブの露出された面は、通常、接着剤３６のための結合表面を提供しており、以下でより詳細に記載される。

キャリア３２は、空洞４０内に適所にシステム３０を保持する様々な化学的又は機械的ファスナーを含む。キャリア３２は、接着剤３６を含む、化学的結合剤、機械的なファスナー、及び又は接着剤を含む、任意の数の異なる方法又は材料を使用して、空洞４０に最初に配置、又は、固定されることができる。例えば、キャリア３２は、１以上のクリップ、又は他の機械的ファスナーを使用して、適所に固定されうる。代わりに、キャリア３２は、任意の機械的又は化学的ファスナーを使用することなく、空洞４０にキャリア３２を保有するために、（示されていない）脚支持体（leg supports）を有することができる。さらに、空洞４０は、システム３０を特定の配置に及び／又は向きに維持するためにブラケット、脚、出っ張り（ledges）その他を含む、様々な機構を含むことができる。特に、キャリア３２は、膨張材料３４及び接着剤３６を空洞４０内の適所に保持する。

キャリア３２は、典型的には、保持領域３８で、膨張材料３４及び接着剤３６を保持する。膨張材料３４及び接着剤３６は、例えば、糊（ｇｌｕｅ）、接着剤、又は機械的クリップのような、化学的又は機械的なファスナーを含む、任意の利用可能な方法を使用して保持領域３８で保持されることができる。キャリア３２は、通常、膨張材料３４及び接着剤３６を蓄えるために、少なくとも１つの保持領域３８を含む。図２、３、及び４で示されているように、キャリア３２は、キャリア３２の間中に周期的に間隔が空いた多重垂直的指向保持領域３８を含む。

図３に示されているように、システム３０は、膨張材料３４が実質的に接着剤３６により覆われるように構成される。言い換えれば、膨張材料３４は、内部コア又は内部層を提供する一方、接着剤３６は外側層を提供する。典型的には、２つの層、膨張材料３４及び接着剤３６は、活性化前にはシステム３０及び壁４２の間のプリ膨張ギャップ４４を維持するように構成される。プリ膨張ギャップ４４を提供することは、製造業者が液体コーティングを空洞４０内の壁４２に適用することを可能にして、またより大きな組立公差を可能にする。

通常、システム３０は、膨張材料３４が活性化されるときに、接着剤３６が保持領域３８から押し出されて、空洞壁４２に接触するように、構成される。活性化工程中に、膨張材料３４及び接着剤３６の両方は、固体又は形成可能練り粉（ｄｏｕｇｈ）相から、液体又は実質的に液体相に変わる。膨張材料３４は、膨張して、それにより、接着剤３６が保持領域３８から流れ出て、壁４２及びキャリア３２の外側に接触して、実質的にプリ膨張ギャップ４４を充填する。活性化工程の後、接着剤３６は、硬化して、実質的に固体相に転移して、空洞４０を補強するのに十分な強度を有する。接着剤３６は、直接的に空洞壁４２及びキャリア３２に結合するので、膨張材料３４は、通常、適所に接着剤を押し込むためのみに役立ち、内部構造補強材として役立つ必要はない。したがって、システム３０は、空洞４０内の内部構造補強材を提供するために膨張性材料３４に頼る必要はないが、代わりに、接着剤３６により空洞壁４２に直接的に結合されているキャリア３２に頼ることができる。

図３は、膨張材料３４又は接着剤３６を活性化する前の空洞４０内のシステム３０を図示する。活性化前に、膨張材料３４は、非膨張状態に置かれており、例えば、保持領域３８のような、キャリア３２内の空間を占めている。通常、システム３０は、車両製造工程の初期段階中で、車両フレーム１０内の空洞４０に配置される。後の段階で、車両フレーム１０は、例えば塗装工程中のような、熱処理又は焼成工程を経る。一般的に、膨張材料３４及び接着剤３６は、熱活性化される材料であり、そのようなものであるので、熱が加えられるまで非活性化状態のままに残される。膨張材料３４及び接着剤３６が熱により活性化されるとき、接着剤３６は、膨張材料３４が膨張する前に実質的に液体相に変わるように、より低い融解又は活性化温度を有することができる。代わりに、膨張材料３４及び接着剤３６の両方は、相対的に近い活性化温度を有することができる。代わりに、膨張材料３４は、接着剤３６が実質的に液体相に変わる前に膨張材料が膨張し始めるように、接着剤３６よりも低い活性化温度を有することができる。活性化が通常熱を加えることにより起こる一方、システム３０は、マイクロ波、超音波、放射、電流、化学反応等を含む、様々な他の電気的又は化学的な工程を通じて活性化されることもできる。適切な活性化方法は、膨張材料３４及び接着剤３６に使用される材料の種類を含む、幾つかの要因に依存しうる。

図４は、活性化工程を経た後の空洞４０内のシステム３０を図示する。続く活性化工程で、膨張材料３４及び接着剤３６は硬化して、固体又は熱硬化体相に転移する。図４に示されているように、接着剤３６はキャリア３２を壁４２に結合し、実質的にプリ膨張ギャップ４４を満たす。膨張材料３４は、他方、実質的に、保持領域３８の境界内に留まり、空洞４０の壁４２に接触しない。多くの伝統的な接着剤は、伝統的な構造発泡体よりも大きな機械的強度又は剛性を提供することができるので、そのような構成は、優れた補強システムを提供する。伝統的な補強システムに反して、システム３０は、空洞４０内の構造補強を提供するために膨張材料３４に頼らない。反対に、構造補強は、主としてキャリア３２により、二次的に接着剤３６により、提供される。そのように、システム３０は、膨張性材料３４が接着剤３６を押し出して空洞４０内で壁４２に対して押すこと確実にするため、任意の数の方法で構成されるので、開示された実施形態はいくつかのそのような構成の単なる例示である。

図５及び６は、構造補強システム３０のまた別の構成を示す。示されているように、キャリア３２は、周期的開口３９を含む水平指向保持領域３８を含む。図５及び６に示されているように、キャリア３２は、周期的開口３９を含む細長い剛性本体を含むことができる。膨張性材料３４は、開口３９の間に配置され、接着剤３６は、膨張性材料３４の複数のブロックの間に配置される。図６に示されているように、膨張性材料３４は、活性化中に、水平に膨張し、接着剤３６が開口３９を通じて出ることを強制する。接着剤３６はそして実質的にプリ膨張ギャップ４４を満たし、空洞壁４２をキャリア３２に結合する。

膨張性材料３４は、構造発泡体及び非構造発泡体を含む、活性化工程中に膨張する任意の材料であってよい。例えば、膨張性材料３４は、例えばＭａｄｉｓｏｎ ＨｅｉｇｈｔｓのＳｉｋａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより販売されているＳｉｋａＢａｆｆｌｅのような、非構造膨張性発泡体であることができる。ＳｉｋａＢａｆｆｌｅは、Henlyらの米国特許第５２６６１３３号明細書及び米国特許第５３７３０２７号明細書に記載されており、その開示は、ここに参照より組み込まれる。代わりに、もし低い膨張で大きな補強特性が望まれる場合には、膨張性材料３４は、例えばＳｉｋａＲｅｉｎｆｏｒｃｅｒとしてＳｉｋａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより販売されているもののような、補強材料又は構造発泡体であることができる。Ｓｉｋａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより所有されている、一連のこれらの熱的膨張性材料は、ここに参照によりその全部が組み込まれる、米国第６３８７４７０号明細書に記載されている。膨張性材料３４は、また、例えば、Ｓｉｋａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより販売されているＳｉｋａＦｏａｍのような、他の熱的膨張性材料であることができる。さらに、膨張性材料３４は、外部熱源により活性化されてもよく、発熱反応により内部的に活性化されてもよい。さらに、膨張性材料３４は、電流、マイクロ波、超音波、放射等を使用することを含む幾つかの他の工程により活性化されてもよい。一般的に、膨張性材料３４により使用される活性化工程は、接着剤３６により使用されるのと同じ活性化工程であるが、その２つは異なる活性化工程を使用することを考えることができる。

接着剤３６は、通常は、活性化前に、固体又は形成可能練り粉である熱硬化１成分エポキシ樹脂構成である。適した液体エポキシ樹脂には、例えば、Ｍｉｄｌａｎｄ ＭｉｃｈｉｇａｎのＤｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．を通じて商業的に利用可能なＤＥＲ液体エポキシ樹脂、及びＨｏｕｓｔｏｎ， ＴｅｘａｓのＲｅｓｏｌｕｔｉｉｏｎ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｓを通じて商業的に利用可能なＥＰＯＮ液体エポキシ樹脂のようなビスフェノールＡエポキシ樹脂が挙げられる。接着剤３６は、また、Ｓｉｋａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより販売されているＳｉｋａＰｏｗｅｒであることができる。接着剤３６は、その熱硬化樹脂が相を変化させて、キャリア３２を壁４２に結合させるかぎり、任意の他の熱硬化樹脂であることができる。さらに、接着剤３６は、上述した活性化工程を経ることができる任意の他の適した結合剤であることができる。

膨張性材料３４及び接着剤３６は、様々な添加物を含んでもよい。適した添加物には、顔料、着色剤、難燃剤、希釈剤、カップリング剤、軟化剤、化学発泡剤、物理発泡剤、微量の硬化促進剤、分散剤、湿潤剤、消泡剤、酸化防止剤、紫外線吸収体、ＨＡＬＳのような光安定剤、ゴム粒子のような補強剤、及び同種のものが挙げられる。

本願発明は、前述の好ましい及び代替実施形態を参照して特に示されて記載されている一方、続く請求項で規定されているような本発明の精神及び範囲から離れることなく本発明を実施する上でここに記載されている本発明の実施形態に対する様々な代替物が採用されうることが、当業者により理解されるべきである。以下の請求項は、本発明の範囲を規定し、これらの請求項の範囲内の方法及び装置ならびにそれらの均等物がそれらにより保護されるべきであることが意図されている。本発明のこの記載は、ここに記載されている要素の全ての新規及び非自明の組み合わせを含むことが理解されるべきであり、請求項は、これらの要素の任意の新規及び非自明の組み合わせに対してこの又はあとの出願で表されうる。前述の実施形態は、例示的であり、１つの特徴又は要素が、この又は後の出願で請求されうる全ての可能な組み合わせに対して、本質的であるということはない。

１０ 車両フレーム
１２ Ａ−ピラー
１４ Ｂ−ピラー
１６ ロッカー
１８ フレームレール
２０ 燃料タンクシーラー
２２ バンパー
３０ システム
３２ 剛性キャリア
３３ 接続壁
３４ 膨張性材料
３６ 接着剤
３８ 保持領域
３９ 開口
４０ 空洞
４２ 空洞壁
４４ プリ膨張ギャップ

Claims (20)

1. 構造補強システム（３０）であって、
   剛性キャリア（３２）；
   接着剤（３６）；及び
   膨張性材料（３４）であって、膨張性材料（３４）が膨張するときに貯蔵された位置から結合位置まで前記接着剤（３６）を動かすように、前記剛性キャリア（３２）及び前記接着剤（３６）に隣接して配置される膨張性材料（３４）を備える構造補強システム（３０）。
2. 前記剛性キャリア（３２）は、複数の内側壁（４２）により相互接続されている複数のリブを含むことを特徴とする請求項１に記載の構造補強システム（３０）。
3. 前記剛性キャリア（３２）は、複数のリブにより規定される保持領域（３８）を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の構造補強システム（３０）。
4. 前記剛性キャリア（３２）は、複数の開口を有する細長い実質的に中空の本体を含みそれにより少なくとも１つの保持領域（３８）を規定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の構造補強システム（３０）。
5. 前記膨張性材料（３４）は、構造発泡体又は非構造発泡体のうちの１つであり、前記接着剤（３６）は熱硬化性エポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の構造補強システム（３０）。
6. 前記接着剤（３６）は、前記剛性キャリア（３２）内の保持領域（３８）内に実質的に配置され、前記接着剤（３６）は、前記膨張性材料（３４）が膨張するとき、前記剛性キャリア（３２）の外側面に沿って前記膨張性材料（３４）により押されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の構造補強システム（３０）。
7. 前記膨張性材料（３４）及び前記接着剤（３６）は、熱、電流、マイクロ波、超音波及び放射を含む群から選択される少なくとも１つの活性化工程により活性化されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の構造補強システム（３０）。
8. 前記膨張性材料（３４）は活性化工程中に膨張し、それにより前記接着剤（３６）を前記剛性キャリア（３２）内の保持領域（３８）から押し離すことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の構造補強システム（３０）。
9. 空洞（４０）を補強する方法であって、
   剛性キャリア（３２）を形成するステップであって、前記剛性キャリア（３２）が、車両フレーム（１０）内の空洞（４０）の一部内に適合するように形成されるステップと、
   膨張性材料（３４）を前記キャリア（３２）に取り付けるステップと、
   接着剤（３６）を前記キャリア（３２）に取り付けるステップであって、前記膨張性材料（３４）及び前記接着剤（３６）が、前記膨張性材料（３４）が膨張するとき、前記接着剤（３６）を貯蔵位置から結合位置に動かすように構成されるステップを含むことを特徴とする方法。
10. さらに、複数の内側壁（４２）により相互接続された複数のリブを含むために前記剛性キャリア（３２）を形成するステップを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. さらに、複数のリブにより規定された保持領域（３８）を含むために前記剛性キャリア（３２）を形成するステップを含むことを特徴とする請求項９又は１０に記載の方法。
12. さらに、複数の開口を有する細長い実質的に中空の本体を含んでそれにより少なくとも１つの保持領域（３８）を規定するために前記剛性キャリア（３２）を形成するステップを含むことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１つに記載の方法。
13. 前記膨張性材料（３４）は、構造発泡体又は非構造発泡体のうちの１つであり、前記接着剤（３６）は熱硬化性エポキシ樹脂であることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１つに記載の方法。
14. さらに、前記剛性キャリア（３２）内の保持領域（３８）内に前記接着剤（３６）を実質的に配置するステップであって、前記膨張性材料（３４）が膨張するとき前記膨張性材料（３４）は前記接着剤（３６）を前記剛性キャリア（３２）の外側面に沿って動かすことを引き起こすステップを含むことを特徴とする請求項９〜１３のいずれか１つに記載の方法。
15. 前記膨張性材料（３４）及び前記接着剤（３６）は、熱、電流、マイクロ波、超音波及び放射を含む群から選択される少なくとも１つの活性化工程により活性化されることを特徴とする請求項９〜１４のいずれか１つに記載の方法。
16. さらに、活性化前に車両フレーム（１０）内の前記キャリア（３２）及び空洞壁（４２）の間のプリ膨張ギャップを維持するために、前記キャリア（３２）、前記膨張性材料（３４）及び前記接着剤（３６）を構成するステップを含むことを特徴とする請求項９〜１５のいずれか１つに記載の方法。
17. さらに、前記キャリア（３２）内の保持領域（３８）内に前記膨張性材料（３４）を配置するステップと、前記膨張性材料（３４）に前記接着剤（３６）を積層するステップとを含むことを特徴とする請求項９〜１６のいずれか１つに記載の方法。
18. さらに、少なくとも１つの開口（３９）を含むために、前記キャリア（３２）を修正するステップであって、前記開口（３９）が前記接着剤（３６）の流れを制御するように構成され、それにより前記膨張性材料（３４）が膨張するとき前記接着剤（３６）が前記キャリア（３２）の外側面に接触するように向けるようにするステップを含むことを特徴とする請求項９〜１７のいずれか１つに記載の方法。
19. 構造補強システム（３０）であって、
    保持領域（３８）を有する剛性キャリア（３２）であって、前記キャリア（３２）が車両フレーム（１０）の空洞（４０）内に適合するように構成されている剛性キャリア（３２）と、
    前記キャリア（３２）の前記保持領域（３８）内に配置される膨張性材料（３４）と、
    前記キャリア（３２）の前記保持領域（３８）内に配置される接着剤（３６）であって、前記膨張性材料（３４）は、前記膨張性材料（３４）が膨張するとき前記接着剤（３６）を前記保持領域（３８）から離れるように動かして前記キャリア（３２）の外側表面及び前記空洞（４０）の内側壁に接触することを引き起こすように、前記膨張性材料（３４）及び前記接着剤（３６）が配置される、接着剤（３６）と、を備えることを特徴とする構造補強システム（３０）。
20. 前記剛性キャリア（３２）は、複数の開口（３９）を有する細長い実質的に中空の本体を含むことを特徴とする請求項１９に記載の構造補強システム（３０）。

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