PL182065B1

PL182065B1 - Element konstrukcyjny wzmocniony i sposób wytwarzania elementu konstrukcyjnego wzmocnionego PL

Info

Publication number: PL182065B1
Application number: PL96324907A
Authority: PL
Inventors: Joseph S Wycech; Bruce L Harrison
Original assignee: Henkel Kgaa
Priority date: 1995-05-23
Filing date: 1996-05-16
Publication date: 2001-10-31
Also published as: ATE230693T1; WO1996037400A1; HUP9900371A2; JPH11505777A; EP0827473B1; ES2188756T3; US5755486A; BR9609162A; US20030235675A1; US6863957B2; SK157397A3; CN1081566C; DE69625683T2; PL182181B1; CZ367797A3; MX9708888A; SI9620084A; EP0827473A1; PL324907A1; EP0827473A4

Abstract

1. Element konstrukcyjny wzmocnio ny zawierajacy element strukturalny i ele- ment wzmacniajacy majacy czesc nosna i czesc ekspandowana, znamienny tym, ze element wzmacniajacy (32) jest usytuowany w przestrzeni wyznaczonej przez element strukturalny (20) i czesc nosna (33) ma co najmniej dwie polozone w odleglosci od siebie czesci zbiornikowe (52, 54) prze- dzielone szczelina (60) i polaczone z soba czescia laczaca (50), przy czym czesc eks- pandowana z m aterialu wzmacniajaco- -spajajacego (36) jest umieszczona w czesci nosnej (33) oraz tym, ze ma ele- ment ustalajacy (30) mocujacy element wzmacniajacy (32) w elemencie struktural- nym (20), przy czym czesc ekspandowana jest spojona z elementem strukturalnym (20) i cze- scia nosna (33). F i g - 2 PL

Description

Wynalazek dotyczy elementu konstrukcyjnego wzmocnionego i sposobu wytwarzania elementu konstrukcyjnego.

Takie elementy są elementami konstrukcyjnymi wzmocnionymi karoserii samochodów, a zwłaszcza elementami wzmocnionymi zwiększającymi wytrzymałość mechaniczną elementów konstrukcyjnych karoserii samochodowych.

W wielu zastosowaniach konstrukcyjnych, zwłaszcza w przemyśle motoryzacyjnym, istotne znaczenie ma zapewnienie elementów konstrukcyjnych, które są lekkie, ale zachowują nadal wysoką wytrzymałość mechaniczną. W przeszłości proponowano wiele niekonwencjonalnych stopów metali i podobnych materiałów przeznaczonych na elementy konstrukcyjne o wysokiej wytrzymałości, ale w niektórych zastosowaniach, w tym w przemyśle motoryza

182 065 cyjnym, koszt tych stopów jest czynnikiem zniechęcającym. W związku z tym nadal poszukuje się konstrukcyjnych elementów wzmocnionych, które były lekkie i tanie, a które można byłoby zastosować jako materiały uzupełniające w istniejących strukturach konstrukcyjnych.

Istnieje znaczne zainteresowanie problemem wzmacniania elementów konstrukcyjnych pojazdów samochodowych. W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki, Nr 4 901 500 zatytułowanym Lekka belka kompozytowa, ujawniono belkę wzmacniającą do drzwi samochodowych, w której skład wchodzi otwarty, mający kształt kanału element metalowy z podłużną komorą wypełnioną materiałem na bazie żywicy termoutwardzalnej lub termoplastycznej. W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki, Nr 4 908 930 zatytułowanym Sposób wytwarzania drążka skrętnego, ujawniono wydrążony drążek skrętny wzmocniony mieszanką żywicy z wypełniaczem. Rurę tę tnie się na odcinki i wypełnia materiałem na bazie żywicy.

W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki, Nr 4 751 249 zatytułowanym Wkładka wzmacniająca do elementu konstrukcyjnego oraz sposób jej wytwarzania ujawniono prefabrykowaną wkładkę wzmacniającą do elementów konstrukcyjnych, która jest uformowana z wielu tabletek zawierających żywicę termoutwardzalną i środek porotwórczy Prefabrykowany element ekspanduje i utrwala się na miejscu w elemencie konstrukcyjnym. Również w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki, Nr 4 978 562 zatytułowanym Kompozytowa rurowa belka drzwiowa wzmocniona rdzeniem z pianki syntaktycznej usytuowanym w środku rozpiętości rury, ujawniono kompozytową belkę drzwiową z rdzeniem na bazie żywicy, który zajmuje nie więcej niż trzecią część światła otworu metalowej rury.

W równoczesnym zgłoszeniu patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki numer seryjny 245 798 złożonym 19 maja 1994, zatytułowanym Kompozytowa belka laminatowa do konstrukcji karoserii samochodowych ujawniono wydrążoną belkę laminatową cechującą się wysokim stosunkiem sztywności do masy i mającą część zewnętrzną, którą oddziela od części wewnętrznej cienka warstwa pianki strukturalnej.

Opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki, Nr 5 213 391 dotyczy poprzedniego słupka samochodu, a zwłaszcza połączenia bocznej szyny i przedniej szyny przedniego słupka. Wzmocnienie szyny jest umieszczone w połączeniu i ma trzy występy. Każdy występ jest usytuowany tak, że pasuje do szyny bocznej oraz słupka przedniego i szyny przedniej. Wewnętrzna szyna jest zakończona wspornikiem mającym trzy kołnierze. Zgodnie z tym opisem, po połączeniu tych trzech części połączenie wypełnia się gumą piankową.

Pomimo tego, ze w niektórych zastosowaniach wykorzystuje się z pożytkiem pewne zdobycze techniki wzmacniania, nadal poszukuje się sposobów wzmacniania elementów szynowych, które znacznie wzmacniają wytrzymałość szyn, zwłaszcza w miejscach występowania naprężeń, w sposób, który jest nie tylko tani, ale, który również można z łatwością przystosować do wymogów produkcji masowej.

Ponadto ogólnie wiadomo, że cyjanoguanidyna jest powszechnie stosowanym utajonym środkiem utwardzającym do spienionych polimerów epoksydowych. Najczęściej używany materiał ma cząstki o wymiarach nominalnych około 80 mikrometrów Dla zwiększenia reaktywności stosuje się czasami mikrometrowe wersje np. zawierające 90% cząstek o wymiarach poniżej 30 mikrometrów. W dotychczasowej technice konwencjonalne używanie środków utwardzających, może spowodować spalanie spienionego polimeru. Wynika to z trudności z rozpraszaniem ciepła z egzotermicznych reakcji utrwalania. Rozwiązanie tego typu nie jest jednak praktyczne kiedy temperatura pieca jest zadana na inne warunki, tj. utrwalanie w podobny sposób farb.

Element konstrukcyjny wzmocniony zawierający element strukturalny i element wzmacniający mający część nośną i część ekspandowaną charakteryzuje się według wynalazku tym, ze element wzmacniający jest usytuowany w przestrzeni wyznaczonej przez element strukturalny i część nośna ma co najmniej dwie położone w odległości od siebie części zbiornikowe przedzielone szczeliną i połączone z sobą częścią łączącą, przy czym część ekspandowana z materiału wzmacniająco-spajającego jest umieszczona w części nośnej oraz tym, ze ma element ustalający mocujący element wzmacniający w elemencie strukturalnym, przy czym część ekspandowana jest spojona z elementem strukturalnym i częścią nośną.

182 065

Korzystnie w części nośnej znajduje się co najmniej jeden otwór, przez który wystaje część części ekspandowanej termicznie, przy czym wystająca część części ekspandowanej termicznie jest spojona z elementem strukturalnym.

Korzystnie element ustalający zawiera występ i przymocowany do niego, wchodzący w przestrzeń elementu strukturalnego, przy czym występ co najmniej częściowo znajduje się w szczelinie.

Korzystnie część ekspandowana jest z ekspandowanego termicznie wzmacniającospajającego na bazie żywicy.

Korzystnie element strukturalny jest metalową sekcją szynową, zaś część ekspandowana jest z ekspandowanego termicznie materiału wzmacniająco-spajającego na bazie żywicy, a element ustalający stanowi występ wystający w przestrzeń elementu strukturalnego, przymocowany do elementu strukturalnego i wchodzący w szczelinę.

Korzystnie część nośną stanowi metalowy arkusz w kształcie litery w mający dwie części zbiornikowe z których jedna znajduje się z jednej strony szczeliny, a druga z drugiej strony szczeliny.

Korzystnie arkusz metalowy w kształcie litery w ma wzdłużną oś przechodzącą przez obie części zbiornikowe oraz oś poprzeczną prostopadłą do osi wzdłużnej, a szczelina jest kanałem przechodzącym wzdłuż wspomnianej osi poprzecznej, oraz element strukturalny ma leżące naprzeciwko siebie ścianki boczne i arkusz metalowy w kształcie litery w znajduje się w przestrzeni z osią poprzeczną biegnącą od jednej z lezących naprzeciwko siebie ścianek bocznych do drugiej z leżących naprzeciwko siebie ścianek bocznych.

Korzystnie element strukturalny stanowi stalowa szyna z lezącymi naprzeciwko siebie ściankami bocznymi wyznaczająca podłużny kanał przebiegający wzdłuż osi wzdłużnej, zaś element wzmacniający umieszczony w kanale ma oś poprzeczną rozciągającą się od jednej do drugiej z lezących naprzeciwko siebie ścianek bocznych prostopadle do osi wzdłużnej i tym, że ma element ustalający w postaci kołka przymocowanego do stalowej szyny i wchodzącego w szczelinę, zaś część ekspandowaną termicznie stanowi element trzonowy z materiału wzmacniająco-spajającego na bazie żywicy przylegający do ścianek bocznych i części nośnej.

Korzystnie element trzonowy na bazie żywicy jest z ekspandowanego termicznie materiału wzmacniająco-spajającego na bazie żywicy.

Korzystnie część nośna ma konfigurację w kształcie litery w, która wyznacza dwie części zbiornikowe.

Korzystnie część ekspandowana zawiera żywicę epoksydową, elastomer, sproszkowaną krzemionkę, mikrokulki szklane o wysokiej wytrzymałości, środek porotwórczy i środek utwardzający.

Korzystnie elastomerem jest kauczuk akrylonitrylo-butadienowy.

Korzystnie część ekspandowana ponadto zawiera wypełniacz i środek przyspieszający.

Element konstrukcyjny wzmocniony, zawierający element strukturalny i element wzmacniający mający część ekspandowaną w odmianie wynalazku odznacza się tym, że element wzmacniający jest usytuowany w przestrzeni wyznaczonej przez element strukturalny i stanowi ekspandowany termicznie element trzonowy na bazie żywicy spojony z elementem strukturalnym, przy czym element trzonowy na bazie żywicy wyznacza szczelinę, oraz tym, ze ma element ustalający mocujący element wzmacniający w elemencie strukturalnym, zawierający element do sprzęgania ze szczeliną.

Korzystnie element ustalający stanowi kołek przymocowany do elementu strukturalnego.

Korzystnie elastomerem jest kauczuk akrylonitrylo-butadienowy.

Sposób wytwarzania elementu konstrukcyjnego wzmocnionego, w którym dostarcza się element strukturalny i element wzmacniający oraz ekspanduje jego część zdolną do ekspan

182 065 dowania charakteryzuje się według wynalazku tym, ze formuje się metalową część nośną, wyznaczającą przestrzeń na żywicę oraz szczelinę, wprowadza się zdolny do ekspandowania materiał wzmacniająco-spajający na osnowie żywicy do elementu nośnego do przestrzeni na żywicę, dostarcza się wydrążony element strukturalny z podłużną komorą i mocuje się element ustalający w postaci kołka w komorze wydrążonego elementu strukturalnego, umieszcza się metalową część nośną ze znajdującym się na nim materiałem wzmacniająco-spajającym na bazie żywicy w komorze z elementem ustalającym w postaci kołka przechodzącym przez szczelinę, oraz ekspanduje się materiał wzmacniająco-spajający na bazie żywicy i spaja się część nośną z elementem strukturalnym.

Korzystnie zdolny do ekspandowania materiał wzmacniająco-spajający na bazie żywicy ekspanduje się termicznie i ekspandowanie to przeprowadza się ogrzewając element strukturalny.

Wzmocniony element konstrukcyjny według wynalazku ma podłużną komorę, w której znajduje się element wzmacniający. W elemencie wzmacniającym znajduje się szczelina, w której biegnie kołek lub inny element sprzęgający. Kołek ten jest przymocowany do przeciwległych ścianek bocznych elementu strukturalnego. Boki elementu wzmacniającego są otwarte, a jego wnętrze jest wypełnione materiałem na bazie żywicy. Wzmocniony element konstrukcyjny montuje się mocując kołek na miejscu, a następnie opuszczając element wzmacniający, który jest wypełniony materiałem na bazie żywicy, na kołek. Otwarte boki elementu wzmacniającego oraz znajdujący się w nim materiał na bazie żywicy są sąsiednimi ściankami bocznymi elementu strukturalnego, przy czym kołek przechodzi przez otwartą szczelinę elementu wzmacniającego. Element strukturalny, którym może być belka pojazdu silnikowego, przemieszcza się w piecu wstępnym, gdzie materiał na bazie żywicy rozszerza się i przywiera do ścian bocznych elementu strukturalnego, tworząc z wewnętrznymi ścianami tego elementu silne połączenie. Ekspandowany materiał na bazie żywicy skutecznie tworzy pojedynczą jednolitą strukturę zawierającą element wzmacniający, ekspandowaną żywicę i element strukturalny.

Otwory, znajdujące się w elemencie wzmacniającym w pobliżu elementu strukturalnego, umożliwiają żywicy ekspandowanie i spajanie się z jeszcze inną powierzchnią elementu strukturalnego dla zapewnienia jeszcze większego spojenia elementu wzmacniającego z elementem strukturalnym.

Zgodnie z wynalazkiem w konstrukcyjnym elemencie wzmocnionym zastosowano nowoczesny epoksydowy materiał wzmacniający zawierający żywicę epoksydową elastomer, wypełniacz, sproszkowaną krzemionkę, kulki szklane o wysokiej wytrzymałości, oraz środek utwardzający, środek przyspieszający reakcje i środek porotwórczy.

W elemencie konstrukcyjnym wzmocnionym według wynalazku, całkowita wytrzymałość mechaniczna elementu strukturalnego jest znacznie większa, co zmniejsza pęknięcia w miejscach naprężeń, w których umieszcza się element wzmacniający.

Przedmiot wynalazku opisano bliżej w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia część elementu konstrukcyjnego wzmocnionego wynalazku w postaci szyny, w rzucie perspektywicznym, fig. 2 - element szynowy z fig. 1, w rzucie bocznym, częściowo wykrojony dla pokazania usytuowania elementu wzmacniającego i poprzecznego kołka, fig. 3 - element wzmacniający przed włożeniem w wydrążony element strukturalny z fig. 1 i 2, w rzucie perspektywicznym, fig. 4 - element z fig. 3 w przekroju poprzecznym płaszczyzną 4-4, fig. 5 - wydrążony element strukturalny z poprzecznym kołkiem wzmacniającym, przed włożeniem elementu wzmacniającego, w rzucie perspektywicznym, fig. 6 - część wydrążonej ramy stanowiącej inny przykład wykonania wynalazku, częściowo wykrojonej i wzmocnionej, w rzucie bocznynj fig 7 - element wzmacniający z fig. 6 w przekroju poprzecznym płaszczyzną 7-7, fig. 8 - element wzmacniający z fig. 3 bez rdzenia z żywicy, w rzucie perspektywicznym, fig. 9 - element wzmacniający o innej konfiguracji do zastosowania w elemencie konstrukcyjnym wzmocnionym według wynalazku, w rzucie pionowym, fig. 19 - element wzmacniający z kołkiem ustalającym, o innej konfiguracji do zastosowania w elemencie konstrukcyjnym wzmocnionym według wynalazku, w rzucie pionowym, fig. 11 strukturę pokazaną na fig. 1, ale bez rdzenia na bazie żywicy, w rzucie głównym, fig. 12 182 065 element wzmacniający w innej konfiguracji do zastosowania w odmianie elementu konstrukcyjnego wzmocnionego według wynalazku, w rzucie pionowym.

Na fig. 1 pokazano element konstrukcyjny wzmocniony 18 z wydrążonym elementem strukturalnym 20 z płytką górną lub zamykającą 22 (pokazaną jako przezroczystą). Element strukturalny 20 ma przeciwległe ścianki boczne 24 i 26 oraz powierzchnię dolną lub denną 28, a więc w praktyce jest elementem w kształcie kanału. Pomiędzy przeciwległymi ściankami bocznymi 24 i 26 biegnie pręt lub kołek 30, co najlepiej widać na fig. 5. Element ustalający 30 w postaci kołka pełni rolę amortyzatora i elementu ustalającego dla elementu wzmacniającego 32. Element wzmacniający 32 znajduje się w podłużnym kanale lub komorze 34 wydrążonego elementu strukturalnego 20, oraz ma część nośną 33 (najlepiej widoczną na fig. 8) będącą wspornikiem lub pojemnikiem na materiał wzmacniająco-spajający 36 na bazie żywicy. Na fig. 2 pokazano częściowo usuniętą ściankę boczną 24 w celu odsłonięcia elementu wzmacniającego 32 oraz końca elementu ustalającego 30 w postaci kołka.

Korzystnie, wydrążony element strukturalny 20 jest wykonany z metalu, na przykład ze stali, a najlepiej gdy jest to szyna pojazdu silnikowego. W związku z tym, w najbardziej zalecanym przykładzie wykonania, element konstrukcyjny wzmocniony 18 jest belką lub szyną do pojazdu samochodowego

Pokazany na fig. 3, 4 i 8, element nośny 33 ma zewnętrzne ścianki boczne 38 i 40, wewnętrzne ścianki boczne 42 i 44, dolne ścianki 46 i 48 oraz część łączącą 50 usytuowane tak, że powstają komory lub części zbiornikowe 52 i 54 mające kształt kanałów. Jak najbardziej widać na fig. 4 i 8, ścianki te wyznaczają komorę mającą kształt ceownika, w którą wprowadza się żywicę. W ten sposób, materiał wzmacniająco-spajający 36 tworzy po utwardzeniu mający kształt ceownika, element składowy karoserii samochodu z żywicy czyli element trzonowy 58.

Rozumie się samo przez się, że częścią nośną 33 mogąbyć elementy o różnych geometriach, oraz ze konfiguracja w kształcie litery w będąc zalecaną, jest tylko jedną z odpowiednich konfiguracji.

Przykładowo, do danego zastosowania może nadawać się pofalowany element wzmacniający 70 z fig. 9, albo element wzmacniający 72 w kształcie odwróconej litery u, jak pokazano na fig. 10, z zewnętrzną powłoką z materiału na bazie żywicy (tj. bez zewnętrznych ścianek bocznych). Mozę również okazać się korzystna całkowita rezygnacja z części nośnej 33 i zgodnie z odmianą wynalazku zastosowanie wolno stojącego elementu 74 z żywicy, jak pokazano na fig. 12 Na ogół wystarczy zaopatrzenie elementu wzmacniającego 32 w elementy do zawierania lub podpierania elementu wzmacniającego na bazie żywicy, oraz w elementy do współdziałania z elementami pozycjonująco-sytuującymi takie jak element ustalający 30 w postaci kołka. Najkorzystniej jest jeśli, część nośną 33 wyznacza jedno lub więcej miejsc lub zbiorników na materiał wzmacniająco-spajający na bazie żywicy, zachowując w nim otwory tak, żeby materiał wzmacniająco-spajający na bazie żywicy mógł ekspandować i spajać się ze ściankami bocznymi 24 i 26 wydrążonego elementu strukturalnego 20.

Grubość części nośnej 33 może się zmieniać, ale zazwyczaj wynosi od 0,63 do około 1,52 mm. Wymiary elementu wzmacniającego 32 powinny ściśle pasować do kanału 34 tak, żeby było co najmniej kilka punktów styczności pomiędzy częścią nośną 33 a ściankami bocznymi 24 i 26, ale nie jest konieczne, żeby podczas montażu trzeba było kanał 34 rozszerzać w celu włożenia elementu wzmacniającego 32. Korzystnie, element ustalający 30 w postaci kołka jest elementem metalowym i jako taki służy do utrzymania elementu wzmacniającego 32 w miejscu dzięki sprzężeniu ze szczeliną 60 wyznaczoną przez wewnętrzne ścianki boczne 42, 44 i część łączącą 50 części nośnej 33. Najlepiej, zęby ewentualny prześwit pomiędzy elementem ustalającym w postaci kołka 30 a szczeliną 60 był na tyle mały, zęby element wzmacniający 32 nie przemieszczał się znacząco nawet przed ekspansją materiału wzmacniająco-spajającego 36 na bazie żywicy. Skład materiału wzmacniaj ąco-spająjącego 36 na bazie żywicy oraz sposób montażu elementu konstrukcyjnego wzmocnionego 18 przedstawiono szczegółowo w dalszej części opisu.

W jeszcze innym przykładzie wykonania elementu według wynalazku, pokazanym na fig. 6 i 7, element wzmacniający 32' ma wiele kanałów lub otworów 62, którymi materiał 36' na osnowie żywicy płynie podczas ekspansji w trakcie procesu montażu. Dzięki temu po

182 065 wstają z przechodzących części 64 elementu trzonowego 58 dodatkowe obszary spajania na powierzchni dolnej ścianki 28' wydrążonego elementu strukturalnego 20. W ten sposób dzięki otworom 62 element konstrukcyjny wzmocniony 18 został dodatkowo spojony i wzmocniony wytrzymałościowo. W tym przykładzie wykonania wszystkie inne cechy elementu konstrukcyjnego wzmocnionego 18 są takie same jak opisane w odniesieniu do przykładu wykonania widocznego na fig. 1 do 5.

Do wytwarzania materiału wzmacniająco-spąjającego 36 można stosować wiele różnych materiałów. Odpowiednie do tego materiały powinny mieć odpowiednie właściwości w stanie nie utwardzonym lub utwardzonym częściowo tak, zęby materiał nie wypływał w znaczący sposób poza część nośną 33 już po uformowaniu, a przed wprowadzeniem w kanał 34. Zatem, należy oczekiwać, ze materiał wzmacniająco-spajający 36 na bazie żywicy wprowadza się w etapie przygotowawczym do części nośnej 33, tworząc zespół, który następnie wlewa się w kanał 34. Oprócz wystarczającej masy, istotne znaczenie ma to, zęby materiał wzmacniająco-spajający 36 na bazie żywicy trwale ekspandował do zetknięcia się ze ściankami bocznymi 24 i 26 (oraz powierzchnią ścianki dolnej 28 dna w przykładzie wykonania pokazanym na fig. 6 i 7), a ta trwała ekspansja zapewniała odpowiednią wytrzymałość na ściskanie. Istotne znaczenie ma również silne przywieranie materiału wzmacniająco-spajającego 36 na bazie żywicy do wewnętrznych powierzchni części nośnej 33 jak również do ścian bocznych 24 i 26. Materiał wzmacniająco-spajający 36 na bazie żywicy musi również być odpowiednio stabilny termicznie tak, żeby nie ulegał degradacji w temperaturach występujących w piecach do utrwalania farb i podobnych. Materiał wzmacniająco-spajający 36 na bazie żywicy powinien również być lekki i tani oraz powinien nadawać znakomitą wytrzymałość mechaniczną elementowi konstrukcyjnemu wzmocnionemu 18.

Bardziej konkretnie, materiał wzmacniająco-spajający 36 na bazie żywicy powinien mieć gęstość od około 561 kg/m³ do około 1040 kg/m³ przed całkowitym utwardzeniem oraz od około 400 kg/m³ do około 721 kg/m³ po całkowitym rozszerzeniu na miejscu. Wytrzymałość na ściskanie elementu trzonowego 58 z żywicy (po ekspansji i utwardzeniu) powinna wynosić co najmniej 69 · 10⁵Pa, ajeszcze lepiej około 103 · 10⁵Pa lub więcej Spojenie pomiędzy elementem trzonowym 58 z żywicy a ściankami bocznymi 24 i 26, gdzie ścianki boczne 24 i 26 są stalowe, powinno być wystarczające do zachowania silnego połączenia pomiędzy metalem a utwardzonym materiałem. Minimalizuje to oddzielanie się elementu trzonowego 58 z żywicy od ścianek bocznych 24 i 26, a także od części nośnej 33. Utwardzony element trzonowy 58 z żywicy powinien być w stanie wytrzymać przez krótkie okresy czasu temperatury powyżej 232°C przy braku jakichkolwiek znaczących, działających na niego naprężeń oraz temperatury do około 79°C przez dłuzsze okresy czasu bez wykazywania znaczących spowodowanych przez ciepło zniekształceń termicznych lub rozdzielania.

Element trzonowy 58 z żywicy można uformować na miejscu w części nośnej 33, zamykając otwarte ścianki boczne części nośnej i wtryskując lub wlewając do środka materiał na bazie żywicy w formie płynnej lub półpłynnej. Następnie materiał wzmacniająco-spajający 36 można utrwalić utwardzając go lub chłodząc. Alternatywnie, element trzonowy 58 z żywicy można wstępnie uformować, a następnie włożyć do komory 56 na żywicę, która znajduje się w części nośnej 33.

Jednym z materiałów zalecanych do stosowania jako materiał wzmacniająco-spajający 36 na bazie żywicy jest żywica syntetyczna, ekspandujący środek samospieniający oraz wypełniacz. O ile nie podano inaczej, to wszystkie udziały procentowe w niniejszym opisie odnoszą się do proporcji wagowych. W jednym z przykładów wykonania, syntetyczna żywica stanowi od około 45% do około 70% wagowych, a korzystnie od około 50% do około 60% wagowych elementu trzonowego 58 z żywicy. Najbardziej zaleca się strukturę komórkową ponieważ zapewnia ona materiał o małej gęstości, wysokiej wytrzymałości, który jest mocny ale zachowuje lekkość. W skład środka samospieniającego może wchodzić chemiczny środek porotwórczy taki jak azodikarbonamid lub P, P'-oksybis (hydrazyd benzenosulfonylowy) stanowiący od około 0,1% wagowych do około 10% wagowych, a lepiej od około 0,5% do około 2% wagowych elementu trzonowego 58. Ponadto, w pewnych zastosowaniach może być korzystniejsze stosowanie mikrokulek z tworzywa sztucznego, które mogą być termo

182 065 utwardzalne lub termoplastyczne, i które są w stanie nieekspandowanym do czasu ogrzania wzmocnionego elementu konstrukcyjnego w celu doprowadzenia do ekspansji materiału 36. Rozumie się samo przez się, że materiał 36 nie jest całkowicie ekspandowany do czasu znalezienia się elementu wzmacniającego 32 na swoim miejscu w kanale 34. Tam gdzie jako środek samospieniający stosuje się środki porotwórcze, stanowią one od około 0% do około 10% wagowych, a korzystniej od około 1,5% do około 3% wagowych elementu trzonowego 58 z żywicy. Do celów tych nadaje się wiele wypełniaczy, w tym mikrokulki szklane lub z tworzywa sztucznego, sproszkowana krzemionka, węglan wapnia, rozdrobnione włókna szklane i cięta nić szklana. Wypełniacz stanowi od około 20% do około 50% wagowych, a korzystniej od około 25% do około 40% wagowych elementu trzonowego 58.

Do zalecanych do stosowania w wynalazku żywic syntetycznych należą takie żywice termoutwardzalne jak jednoskładnikowe żywice epoksydowe, żywice estrów winylu, termoutwardzalne żywice poliestrowe oraz żywice uretanowe. Średnia masa molekularna (średnia liczbowa) składnika żywicznego wynosi od około 1000 do około 5 000 000. Tam gdzie składnik żywiczny materiału wzmacniająco-spajającego 36 jest żywicą termoutwardzalną, stosuje się różne środki przyspieszające, takie jak zmodyfikowane moczniki i trójchlorek boru. Do utwardzania żywicy stosuje się środki utwardzające, takie jak dicyjanamid. Funkcjonalna ilość środka przyspieszającego wynosi zazwyczaj od około 0,1% do około 5% wagi żywicy z odpowiednim zmniejszeniem ilości jednego z trzech składników spośród żywicy, środka samospieniającego lub wypełniacza. Nadają się do tego również niektóre tworzywa termoplastyczne.

Najlepszą kompozycją do stosowania jako materiał wzmacniająco-spajający 36, jest nieutwardzona jednoskładnikowa żywica epoksydowa, mająca postać ciasta o dużej lepkości, które wkłada się do opisanej powyżej części nośnej 33. W przypadku zalecanego jednoskładnikowego ciasta epoksydowego, nieutwardzony materiał wzmacniaj ąco-spaj aj ący 36, a zatem również element wzmacniający 32, można przemywać, fosforanować lub w inny sposób obrabiać za pomocą roztworu alkalicznego lub kwasowego bez znaczącego pogarszania stanu materiału wzmacniająco-spajającego 36. Zatem materiał wzmacniająco-spajający 36 w tym przykładzie wykonania jest w swoim stanie nieutwardzonym odporny na kwasy i zasady. Zwłaszcza w przemyśle motoryzacyjnym cecha ta umożliwia wkładanie elementu wzmacniającego 32 na wczesnym etapie na linii produkcyjnej.

W związku z tym, w jednym z zalecanych przykładów wykonania, materiał wzmacniaj ąco-spaj aj ący 36 zawiera w procentach wagowych od około 30% do około 70% żywicy epoksydowej, od około 0% do około 20% elastomerów takich jak kauczuk polibutylowy, kauczuk akrylonitrylo-butadienowy (ABR) lub poliizoprenowy, od około 1% do 30% wypełniacza, takiego jak węglan wapnia, sproszkowaną krzemionkę, mikrokulki szklane o wysokiej wytrzymałości oraz od około 0% do około 10% środka poro twórczego, takiego jak azodikarbonamid lub P, P'-oksybis (hydrazyd benzenosulfonylowy).

Ponadto materiał wzmacniająco-spajający 36 zawiera również od około 2% do 10% środka utwardzającego, takiego jak dicyjanamid lub cyjanoguanidyna. Stwierdzono, ze wielkość cząstek środka utwardzającego jest istotną cechą zalecanego składu materiału wzmacniająco-spajającego 36. Stosując środek utwardzający w postaci proszku lub cząstek, zawierający 40% cząstek o średnicach powyżej 15 mikrometrów, całkowicie wymieszanych z innymi składnikami materiału wzmacniająco-spajającego 36, istnieje możliwość utwardzania bez degradacji termicznej w temperaturach, jakie występują w piecach stosowanych do utrwalania farb w przemyśle motoryzacyjnym. Innymi słowy, stosując jednoskładnikową żywicę epoksydową zawierającą mieszanki cyjanoguanidyny o dużej zawartości dużych cząstek, nie powoduje się spalania ani zmniejszonych poziomów spalania wnętrza utwardzonej masy spienionej żywicy.

Zaleca się również dodawanie do materiału wzmacniająco-spajającego 36 od około 0% do 5% środka przyspieszającego, takiego jak zmodyfikowane moczniki lub borotrój chi orek Można również dodawać od około 0% do 10% sadzy.

W najbardziej zalecanym przykładzie wykonania, materiał wzmacniająco-spajający 36 zawiera od około 1% do około 6% krzemionki hydrofobowej oraz od około 18 do 27 kulek szklanych o wysokiej wytrzymałości, o średnicach w zakresie od około 20 mikrometrów do

182 065 około 400 mikrometrów. Kulki o wysokiej wytrzymałości powinny mieć twardość (wytrzymałość na zgniatanie) co najmniej 34,5 · 10 ra.

Najbardziej zalecanymi żywicami epoksydowymi są lita żywica bisfenol A i lita żywica bisfenol F zawierające płynną żywicę epoksydową Jedna z takich żywic epoksydowych jest sprzedawana jako żywica DGEBPA przez The Pennisula Polymer Company.

Najbardziej zalecanym elastomerem jest kauczuk akrylonitrylo-butadienowy, który jest sprzedawany jako NIPOL 1312 przez firmę The Zeon Company od Kentucky.

Zalecanym wypełniaczem jest węglan wapnia obrabiany kwasem stearynowym sprzedawany jako WINNOFIL SPT przez The Zeneca Company of Massachusetts.

Zalecana sproszkowana krzemionka jest sprzedawana jako CAB-O-SIL TS 720 przez firmę The Cabot Company of Illinois.

Zalecane kulki szklane o wysokiej wytrzymałości mechanicznej są sprzedawane jako B38 Glass Bubbles przez The 3M Company of Minnesota.

Najbardziej zalecany środek utwardzający, środek przyspieszający utwardzania i środek porotwórczy są sprzedawane, odpowiednio, jako Dicyandimine G przez SKW of Georgia, AMICURE UR (Air Products Company of Pennsylvania) oraz CELOGEN OT (Uniroyal Company of Connecticut).

W najbardziej zalecanym przykładzie wykonania, sporządzony materiał wzmacniająco-spajający 36 (nieutwardzony) powinien mieć konsystencję przypominającą ciasto. Materiał wzmacniąjąco-spajający 36 można sporządzać technikami konwencjonalnymi, takimi jak mieszanie ze sobą różnych składników.

W poniższej tabeli podano zalecany skład materiału wzmacniająco-spaj ającego 36 na bazie żywicy. Rozumie się samo przez się, że skład ten jest tylko zalecany i ze w konkretnych zastosowaniach mogą być lepsze inne mieszanki.

Tabela 1

	% wagowy
Żywica epoksydowa	50,45
Kauczuk akrylonitrylo-butadienowy	4,33
Węglan wapnia	5,81
Sadza	0,13
Sproszkowana krzemionka	3,55
Kulki szklane o wysokiej wytrzymałości	22,40
Środek utwardzający	4,33
Środek przyspieszający	1,29
Środek porotwórczy	0,71

W celu zmontowania elementu konstrukcyjnego wzmocnionego 18, co można zobaczyć na fig. 1 i 3, sporządza się materiał wzmacniająco-spajający 36 na bazie żywicy i umieszcza go w części 33, jak juz opisano wcześniej. Istnieje możliwość równoczesnego przygotowania wielu wypełnionych elementów wzmacniających 32 i przechowania ich do późniejszego wykorzystania. Rozumie się samo przez się, że w chwili wpuszczania elementu wzmacniającego 32 w kanał 34, materiał wzmacniająco-spajający 36 na bazie żywicy ma dużą lepkość tak, ze trzyma się wewnątrz elementu wzmacniającego 32, ale jest ciągle zdolny do ekspansji i całkowitego utwardzenia lub zastygnięcia do przybrania formy sztywnej struktury (trzonowego elementu 58 z żywicy), w kanale 34 w części nośnej 33. W ściankach bocznych 24 i 26 wierci się otwory i wkłada w nie elementy ustalające 30 w postaci kołków. Należy rozumieć, że zadaniem elementu ustalającego 30 jest trzymanie elementu wzmacniającego 32 w miejscu

182 065 w kanale 34 oraz, że istnieje również możliwość stosowania, albo jest pożądane stosowanie, w innych zastosowaniach innych środków mocujących, takichjak węzły lub podobne, wychodzących tylko częściowo z każdej przeciwległej ścianki bocznej 24 i 26. Do tego celu mogą również służyć inne elementy utrzymujące. Korzystnie, element ustalający 30 w postaci kołka spawa się w miejscu tak, ze biegnie on w poprzek kanału 34, co najlepiej widać na fig. 5, i nadaj e elementowi konstrukcyjnemu wzmocnionemu 18 wytrzymałość mechaniczną.

Element wzmacniający 32 wpuszcza się w kanał 34 tak, ze element ustalający 30 w postaci kołka wślizguje się w szczelinę 60, mocując w ten sposób element wzmacniający 32 w miejscu (tj. unieruchamia się podłużnie element wzmacniający 32 w kanale 34). W pokazanym na fig. 1 przykładzie, umieszcza się następnie górną płytkę 22 na wydrążonym elemencie strukturalnym 20 i spawa, zamykając w ten sposób całkowicie kanał 34. Podczas przemieszczania się pojazdu samochodowego w piecu do utrwalania lakieru, materiał wzmacniająco-spająjący 36 na bazie żywicy ekspanduje termicznie tworząc sztywną masę tworzącą element trzonowy 58 z żywicy, która, po utwardzeniu, blokuje element wzmacniający 32 w kanale 34. Innymi słowy, po ekspansji i całkowitym zastygnięciu lub utwardzeniu, element wzmacniający 32, z elementem trzonowym 58 z żywicy oraz przeciwległe ścianki 24 i 26 tworzą integralną masę materiału, nadającą znaczącą wytrzymałość mechaniczną elementowi konstrukcyjnemu wzmocnionemu 18. Co prawda czas i temperatury mogą znacznie zmieniać się w zależności od doboru materiałów używanych do sporządzenia materiału wzmacniąjąco-spająjącego 36 na bazie żywicy, uwzględniając zalecany skład podany powyżej w tabelach, ale materiał wzmacniająco-spąjający 36 powinno ogrzewać się do temperatury odpowiednio wysokiej, w zależności od ilości środka przyspieszającego, środka utwardzającego i masy.

Element konstrukcyjny wzmocniony 18 ma wiele zalet w porównaniu ze znanymi dotychczas. Dzięki strategicznemu usytuowaniu elementu wzmacniającego 32 w miejscach występowania naprężeń, można zmniejszyć zmęczenie metalu i jego pękanie bez stosowania do wytwarzania elementów strukturalnych 20 grubościennych elementów metalowych. Zatem zaleca się, zęby część nośna 33 zajmowała mniej niz połowę objętości elementu strukturalnego 20, tj. komory 34. Rozumie się samo przez się, ze zalecana konfiguracja części nośnej 33 wiąze się z powstawaniem szeregu (trzech w zalecanych konstrukcjach w kształcie litery w) struktur w kształcie litery u lub kolumnowych, które biegną pomiędzy ściankami bocznymi 24 i 26. Kołek ma znaczną wytrzymałość na siły ściskające i moment skrętny wzdłuż osi przechodzącej przez ścianki boczne 24 i 26, a tym samym wzdłuż kolumn.

Widać również, że część nośna 33 działa jak pojemnik na trzonowy element 58 z żywicy, chroniący go przed wybrzuszaniem, pękaniem i kruszeniem, a także działający jak mechanizm do manipulowania. Ma to zwłaszcza znaczenie tam, gdzie trzonowy element 58 z żywicy jest głównym elementem nośnym. Z kolei element 58 z żywicy stabilizuje część nośną 33 tak, ze nie wybrzusza się ona zanim element trzonowy 58 z żywicy nie przejmie roli struktury nośnej.

W niniejszym opisie przedstawiono konkretny przykład wykonania elementu konstrukcyjnego wzmocnionego według wynalazku, ale rozumie się samo przez się, ze nie wyczerpuje on wszystkich możliwości realizacji wynalazku, ponieważ istnieje możliwość dokonania w nim wielu modyfikacji, zwłaszcza przez osoby posiadające odpowiednie umiejętności w tej dziedzinie, po ich zapoznaniu się z niniejszym opisem. W związku z tym, przyjmuje się, ze niniejszy wynalazek obejmuje wszelkie takie modyfikacje, jakie mieszczą się w jego istocie i zakresie.

Claims

1. Element konstrukcyjny wzmocniony zawierający element strukturalny i element wzmacniający mający część nośną i część ekspandowaną znamienny tym, ze element wzmacniający (32) jest usytuowany w przestrzeni wyznaczonej przez element strukturalny (20) i część nośna (33) ma co najmniej dwie położone w odległości od siebie części zbiornikowe (52, 54) przedzielone szczeliną (60) i połączone z sobą częścią łączącą (50), przy czym część ekspandowana z materiału wzmacniająco-spajającego (36) jest umieszczona w części nośnej (33) oraz tym, że ma element ustalający (30) mocujący element wzmacniający (32) w elemencie strukturalnym (20), przy czym część ekspandowana jest spojona z elementem strukturalnym (20) i częścią nośną (33).

2. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że w części nośnej (33) znajduje się co najmniej jeden otwór (62), przez który wystaje część (64) części ekspandowanej termicznie, przy czym wystająca część (64) części ekspandowanej termicznie jest spojona z elementem strukturalnym (20).

3. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że element ustalający (30) zawiera występ i przymocowany do niego, wchodzący w przestrzeń elementu strukturalnego (20), przy czym występ co najmniej częściowo znajduje się w szczelinie (60).

4. Element według zastrz. 1, znamienny tym, ze część ekspandowana jest z ekspandowanego termicznie wzmacniająco-spajającego (36) na bazie żywicy.

5. Element według zastrz. 1, znamienny tym, ze element strukturalny (20) jest metalową sekcją szynową zaś część ekspandowana jest z ekspandowanego termicznie materiału wzmacniająco-spajającego (36) na bazie żywicy, a element ustalający (30) stanowi występ wystający w przestrzeń elementu strukturalnego (20), przymocowany do elementu strukturalnego (20) i wchodzący w szczelinę (60).

6. Element według zastrz. 1 albo 5, znamienny tym, że część nośną (33) stanowi metalowy arkusz w kształcie litery w mający dwie części zbiornikowe (52, 54), z których jedna znajduje się z jednej strony szczeliny (60), a druga z drugiej strony szczeliny (60).

7. Element według zastrz. 6, znamienny tym, że arkusz metalowy w kształcie litery w ma wzdłużną oś przechodzącą przez obie części zbiornikowe (52, 54) oraz oś poprzeczną prostopadłą do osi wzdłużnej, a szczelina (60) jest kanałem przechodzącym wzdłuż wspomnianej osi poprzecznej, oraz element strukturalny (20) ma leżące naprzeciwko siebie ścianki boczne (24, 26) i arkusz metalowy w kształcie litery w znajduje się w przestrzeni z osią poprzeczną biegnącą od jednej z leżących naprzeciwko siebie ścianek bocznych (24, 26) do drugiej z lezących naprzeciwko siebie ścianek bocznych (24, 26).

8. Element według zastrz. 1, znamienny tym, ze element strukturalny (20) stanowi stalowa szyna z lezącymi naprzeciwko siebie ściankami bocznymi (24, 26) wyznaczająca podłużny kanał (34) przebiegający wzdłuż osi wzdłużnej, zaś element wzmacniający (32) umieszczony w kanale (34) ma oś poprzeczną rozciągającą się od jednej do drugiej z leżących naprzeciwko siebie ścianek bocznych (24, 26) prostopadle do osi wzdłużnej i tym, ze ma element ustalający (30) w postaci kołka przymocowanego do stalowej szyny i wchodzącego w szczelinę (60) zaś część ekspandowaną termicznie stanowi element trzonowy (58) z materiału wzmacniająco-spajającego (36) na bazie żywicy przylegający do ścianek bocznych (24, 26) i części nośnej (33).

9. Element według zastrz. 8, znamienny tym, że element trzonowy (58) na bazie żywicy jest z ekspandowanego termicznie materiału wzmacniająco-spajającego (36) na bazie żywicy.

10. Element według zastrz. 8, znamienny tym, ze część nośna (33) ma konfigurację w kształcie litery w, która wyznacza dwie części zbiornikowe (52, 54).

182 065

11. Element według zastrz. 1 albo 8, znamienny tym, ze część ekspandowana zawiera żywicę epoksydową, elastomer, sproszkowaną krzemionkę, mikrokulki szklane o wysokiej wytrzymałości, środek porotwórczy i środek utwardzający.

12. Element według zastrz. 11, znamienny tym, że elastomerem jest kauczuk akrylonitrylo-butadienowy.

13. Element według zastrz. 1 albo 8, znamienny tym, że część ekspandowana ponadto zawiera wypełniacz i środek przyspieszający.

14. Element konstrukcyjny wzmocniony, zawierający element strukturalny i element wzmacniający mający część ekspandowaną, znamienny tym, ze element wzmacniający (32) jest usytuowany w przestrzeni wyznaczonej przez element strukturalny (20) i stanowi ekspandowany termicznie element trzonowy (74) na bazie żywicy spojony z elementem strukturalnym (20), przy czym element trzonowy (74) na bazie żywicy wyznacza szczelinę (60), oraz tym, ze ma element ustalający (30) mocujący element wzmacniający (32) w elemencie strukturalnym (20), zawierający element do sprzęgania ze szczeliną (60).

15. Element według zastrz. 14, znamienny tym, ze element ustalający (30) stanowi kołek przymocowany do elementu strukturalnego (20).

16. Element według zastrz. 8, znamienny tym, ze element trzonowy (74) na bazie żywicy jest z ekspandowanego termicznie materiału wzmacniająco-spajającego (36) na bazie żywicy.

17. Element według zastrz. 14, znamienny tym, że część ekspandowana zawiera żywicę epoksydową, elastomer, sproszkowaną krzemionkę, mikrokulki szklane o wysokiej wytrzymałości, środek porotwórczy i środek utwardzający.

18. Element według zastrz. 17, znamienny tym, ze elastomerem jest kauczuk akrylonitrylo-butadienowy.

19. Element według zastrz. 14, znamienny tym, ze część ekspandowana ponadto zawiera wypełniacz i środek przyspieszający.

20. Sposób wytwarzania elementu konstrukcyjnego wzmocnionego, w którym dostarcza się element strukturalny i element wzmacniający oraz ekspanduje jego część zdolną do ekspandowania, znamienny tym, ze formuje się metalową część nośną (33), wyznaczającą przestrzeń na żywicę oraz szczelinę (60), wprowadza się zdolny do ekspandowania materiał wzmacniająco-spajający (36) na osnowie żywicy do elementu nośnego (33) do przestrzeni na żywicę, dostarcza się wydrążony element strukturalny (20) z podłużną komorą i mocuje się element ustalający (30) w postaci kołka w komorze wydrążonego elementu strukturalnego (20), umieszcza się metalową część nośną (33) ze znajdującym się na nim materiałem wzmacniająco-spajającym (36) na bazie żywicy w komorze z elementem ustalającym (30) w postaci kołka przechodzącym przez szczelinę (60), oraz ekspanduje się materiał wzmacniająco-spajający (36) na bazie żywicy i spaja się część nośną(33) z elementem strukturalnym (20).

21. Sposób według zastrz. 20, znamienny tym, że zdolny do ekspandowania materiał wzmacniająco-spajający (36) na bazie żywicy ekspanduje się termicznie i ekspandowanie to przeprowadza się ogrzewając element strukturalny (20).