PL182181B1

PL182181B1 - Element wzmacniajacyPierwszenstwo:23.05.1995, US,08/448627 PL PL PL

Info

Publication number: PL182181B1
Application number: PL96342102A
Authority: PL
Inventors: Joseph S Wycech; Bruce L Harrison
Original assignee: Henkel Kgaa Tfp Patentabteilun
Priority date: 1995-05-23
Filing date: 1996-05-16
Publication date: 2001-11-30
Also published as: ATE230693T1; WO1996037400A1; HUP9900371A2; JPH11505777A; EP0827473B1; ES2188756T3; US5755486A; BR9609162A; US20030235675A1; US6863957B2; SK157397A3; CN1081566C; DE69625683T2; CZ367797A3; MX9708888A; SI9620084A; EP0827473A1; PL324907A1; EP0827473A4; AU5750596A

Abstract

1. Element wzmacniajacy do umiesz- czania w przestrzeni elementu konstrukcyj- nego, zawierajacy czesc nosna i czesci ekspandowane, znamienny tym, ze czesc nosna (33) ma co najmniej dwie polozone w odleglosci od siebie czesci zbiornikowe (52, 54) podzielone szczelina (60) i polaczo- ne z soba czescia laczaca (50), przy czym czesci ekspandowane sa z materialu wzmac- niajaco-spajajacego (36) umieszczonego w czesci nosnej (33), wypelniajacego po utwar- dzeniu obie czesci zbiornikowe (52, 54) i roz- ciagajacego sie ponad czescia laczaca (50) jako sztywna pianka strukturalna. F i g - 8 PL PL PL

Description

Wynalazek dotyczy elementu wzmacniającego.

Takie elementy są elementami wzmacniającymi karoserie samochodów, a zwłaszcza elementami wzmacniającymi 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 motoryzacyjnym, koszt tych stopów jest czynnikiem zniechęcającym. W związku z tym nadal poszukuje się elementów wzmacniających do elementów konstrukcyjnych, które byłyby lekkie i tanie, i które można by 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

182 181 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 drzwiową 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 5213391 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, że w niektórych zastosowaniach wykorzystuje się z pożytkiem pewne zdobycze techniki wzmacniania, nadal poszukuje się elementów wzmacniających dla elementów szynowych, które znacznie wzmacniałyby wytrzymałość szyn, zwłaszcza w miejscach występowania naprężeń, i które byłyby nie tylko tanie, ale które również można by z łatwością zastosować w 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 wzmacniający do umieszczania w przestrzeni elementu konstrukcyjnego, zawierający część nośną i części ekspandowane, odznacza się według wynalazku tym, że część nośna ma co najmniej dwie położone w odległości od siebie części zbiornikowe przedzielone szczeliną i połączone z sobą częścią łączącą, przy czym części ekspandowane są z materiału wzmacniająco-spajającego umieszczonego w części nośnej, wypełniającego po utwardzeniu obie części zbiornikowe i rozciągającego się ponad częścią łączącąjako sztywna pianka strukturalna.

Korzystnie część nośna stanowi metalowy arkusz w kształcie litery „w” mająca dwie części zbiornikowe, przy czym jedna z części zbiornikowych znajduje się z jednej strony szczeliny a druga z części zbiornikowych znajduje się z drugiej strony szczeliny.

Korzystnie część ekspandowanajest z materiału ekspandowanego termicznie na bazie żywicy.

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

Korzystnie część ekspandowana zawiera wypełniacz i środek przyspieszający.

Korzystnie część nośna tego elementu ma kształt pofalowany i zawiera więcej niż dwie części zbiornikowe.

Zgodnie z wynalazkiem element wzmacniający zawiera szczelinę do umieszczenia kołka lub innego elementu sprzęgającego. Kołek ten służy do przymocowania elementu wzmacniającego 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 połączenia. Ekspandowany materiał na bazie żywicy pozwala uzyskać pojedyncząjednolitą strukturę zawierającą element wzmacniający, ekspandowaną żywicę i element strukturalny.

Zgodnie z wynalazkiem w elemencie wzmacniającym 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.

Dzięki zastosowaniu elementu wzmacniającego według wynalazku, całkowita wytrzymałość mechaniczna elementu konstrukcyjnego, który go zawierajest znacznie większa, i występuje mniej pęknięć w miejscach naprężeń, gdzie umieszczony jest element wzmacniający.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia część elementu konstrukcyjnego w postaci szyny, zawierającego element wzmacniający według wynalazku 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. 1i 2, w rzucie perspektywicznym, fig. 4 - element z fig. 3 w przekroju poprzecznym płaszczyzną4-4, fig. 5 - wydrążony element strukturalny z poprzecznym kołkiem wzmacniającym, przed włożeniem elementu wzmacniającego według wynalazku w rzucie perspektywicznym, fig. 6 - część wydrążonej ramy, częściowo wykrojonej i wzmocnionej elementem wzmacniającym według wynalazku, w rzucie bocznym, 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 według wynalazku o innej konfiguracji, w rzucie pionowym, fig. 10 - element wzmacniający o innej konfiguracji z kołkiem ustalającym, w rzucie pionowym, fig. 11 - strukturę pokazaną na fig. 1, ale bez rdzenia na bazie żywicy, w rzucie głównym i fig. 12 przedstawia element wzmacniający w jeszcze innej konfiguracji, w rzucie pionowym.

Na figurze 1 pokazano element konstrukcyjny 18 wzmocniony elementem wzmacniającym 32 według wynalazku z wydrążonym elementem strukturalnym 20 z płytką górną lub zamykającą 22 (pokazanąjako przezroczystą). Element strukturalny 20 ma przeciwległe ścianki boczne 24 i 26 oraz powierzchnię dolną lub denną28, a więc w praktyce jest elementem w kształcie kanału. Pomiędzy przeciwległymi ściankami bocznymi 24 i 26 biegnie pręt lub kolek 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 figurze 2 pokazano częściowo usuniętą ściankę boczną24 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 18 wzmocniony elementem wzmacniającym 32 jest belką lub szyną do pojazdu samochodowego.

Pokazany na figurze 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 najlepiej widać na fig. 4 i 8, ścianki te wyznaczają komorę mającąkształt 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.

182 181

Rozumie się samo przez się, że częścią nośną 33 mogą być elementy o różnych geometriach, oraz że konfiguracja w kształcie litery „w” będąc zalecaną, jest tylko jedna 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. Może również okazać się korzystna całkowita rezygnacja z części nośnej 33 i 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 jestjeśli, część nośna 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 częściąnośną33 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, żeby ewentualny prześwit pomiędzy elementem ustalającym w postaci kołka 30 a szczeliną 60 był na tyle mały, żeby element wzmacniający 32 nie przemieszczał się znacząco nawet przed ekspansją materiału wzmacniająco-spajającego 36 na bazie żywicy. Skład materiału wzmacniająco-spajającego 36 na bazie żywicy oraz sposób montażu elementu konstrukcyjnego wzmocnionego 18 przedstawiono szczegółowo w dalszej części opisu.

W jeszcze innym przykładzie wykonania elementu wzmacniającego według wynalazku, pokazanym na fig. 6 i 7, element wzmacniający 32' ma wiele kanałów lub otworów 62, którymi materiał 36' na bazie żywicy płynie podczas ekspansji w trakcie procesu montażu. Dzięki temu powstają 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 widocznego wszystkie inne cechy elementu konstrukcyjnego wzmocnionego 18 sątakie same jak opisane w odniesieniu do przykładu wykonania widocznego na fig. 1 do 5.

Do wytwarzania materiału wzmacniająco-spajającego 36 można stosować wiele różnych materiałów. Odpowiednie do tego materiały powinny mieć odpowiednie właściwości w stanie nie utwardzonym lub utwardzonym częściowo tak, żeby materiał nie wypływał w znaczący sposób poza część nośną33 już po uformowaniu, a przed wprowadzeniem w kanał 34. Zatem, należy oczekiwać, że 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, żeby 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 3 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 na6

182 181 dawać znakomitą wytrzymałość mechaniczną elementowi wzmacniającemu 32, 32', a zatem i elementowi konstrukcyjnemu wzmocnionemu takim elementem.

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 103-10⁵ Pa 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 dłuższe 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. 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 benzeno sulfonylowy) stanowiący od około 0,1% wagowych do około 10% wagowych, a korzystniej 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 termoutwardzalne lub termoplastyczne, i które są w stanie nieekspandowanym do czasu ogrzania elementu wzmacniającego 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, stano wiąone 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.

182 181

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 wzmacniająco-spajający 36, a zatem również element wzmacniający 32, może 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, wjednym z zalecanych przykładów wykonania, materiał wzmacniająco-spajający 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, sproszkowanąkrzemionkę, mikrokulki szklane o wysokiej wytrzymałości oraz od około 0% do około 10% środka porotwórczego, takiego jak azodikarbonamid lub P, F-oksybis (hydrazyd benzenosulfonylowy).

Ponadto materiał wzmacniająco-spajający 36 zawiera również od około 2% do 10% środka utwardzającego, takiego jak dicyjanamid lub cyjanoguanidyna. Stwierdzono, że wielkość cząstek środka utwardzającego jest istotną cechą zalecanego składu materiału wzmacniaj ąco-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, takiegojak zmodyfikowane moczniki lub borotrój chlorek. 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 około 400 mikrometrów. Kulki o wysokiej wytrzymałości powinny mieć twardość (wytrzymałość na zgniatanie) co najmniej 34,5-10⁵Pa.

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

Najbardziej zalecanym elastomerem jest kauczuk akrylonitrylobutadienowy, 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 ofPennsylvania) oraz CELOGEN OT (Uniroyal Company of Connecticut).

W najbardziej zalecanym przykładzie wykonania, sporządzany materiał wzmacniającospajający 36 (nieutwardzony) powinien mieć konsystencję przypominającą ciasto. Materiał

182 181 wzmacniająco-spajający 36 można sporządzać technikami konwencjonalnymi, takimi jak mieszanie ze sobą różnych składników.

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

Tabela 1

Żywica epoksydowa

Kauczuk akrylonitrylobutadienowy

Węglan wapnia

Sadza

Sproszkowana krzemionka

Kulki szklane o wysokiej wytrzymałości Środek utwardzający Środek przyspieszający Środek porotwórczy % wagowy

50,45

4.33 5,81 0,13 3,55

22,40

4.33 1,29 0,71

W celu zamontowania elementu konstrukcyjnego wzmocnionego 18 zawierającego element wzmacniający 32 co można zobaczyć na fig. 1 i 3, sporządza się materiał wzmacniającospajający 36 na bazie żywicy i umieszcza go w części nośnej 33, jakjuż 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 taką, że 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 w kanale 34 oraz, że istnieje również możliwość stosowania, albo jest pożądane stosowanie, w innych zastosowaniach innych środków mocujących, takich jak 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, że biegnie on w poprzek kanału 34, co najlepiej widać na fig. 5, i nadaje elementowi konstrukcyjnemu wzmocnionemu 18 wytrzymałość mechaniczną.

Element wzmacniający 32 wpuszcza się w kanał 34 tak, że element ustalający 30 w postaci kółka 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 wykonania, umieszcza się następnie gómąpłytkę 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-spajający 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, element trzonowy 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 wzmacniająco-spajającego 36 na bazie żywicy, uwzględniając zalecany skład podany powyżej w tabelach, ale materiał wzmacniająco-spajający 36 powinno ogrzewać się do temperatury odpowiednio wysokiej, w zależności od ilości środka przyspieszającego, środka utwardzającego i masy.

182 181

Element konstrukcyjny wzmocniony 18 z elementem wzmacniającym 32 według wynalazku 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, żeby część nośna 33 zajmowała mniej niż połowę objętości elementu strukturalnego 20, tj. komory 34. Rozumie się również samo przez się, że zalecana konfiguracja części nośnej 33 wiąże się z powstawaniem szeregu (trzech w zalecanych konstrukcjach w kształcie litery „w”) struktur w kształcie litery „u” lub kolumnowych, które biegnąpomiędzy ściankami bocznymi 24 i 26. Kołek ma znacznąwytrzymałość na siły ściskające i moment skrętny wzdłuż osi przechodzącej przez ścianki boczne 24 i 26, a tym samym wzdłuż kolumn.

Widać również, że części 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 znacznie tam, gdzie trzonowy element 58 z żywicy jest głównym elementem nośnym. Z kolei element 58 z żywicy stabilizuje część nośną 33 tak, że nie wybrzusza się ona zanim element trzonowy 58 z żywicy nie przejmie roli struktury nośnej.

W niniejszym opisie przedstawiono konkretny przykład wykonania elementu wzmacniającego według wynalazku i elementu konstrukcyjnego, który zawiera taki element wzmacniający, ale rozumie się samo przez się, że 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, że niniejszy wynalazek obejmuje wszelkie takie modyfikacje, jakie mieszczą się w jego istocie i zakresie.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Element wzmacniający do umieszczania w przestrzeni elementu konstrukcyjnego, zawierający część nośną i części ekspandowane, znamienny tym, że część nośna (33) ma co najmniej dwie położone w odległości od siebie części zbiornikowe (52, 54) podzielone szczeliną (60) i połączone z sobą częścią łączącą (50), przy czym części ekspandowane są z materiału wzmacniająco-spajającego (36) umieszczonego w części nośnej (33), wypełniającego po utwardzeniu obie części zbiornikowe (52,54) i rozciągającego się ponad częściąłączącą(50) jako sztywna pianka strukturalna.
2. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że część nośną (33) stanowi metalowy arkusz w kształcie litery „w” mająca dwie części zbiornikowe (52, 54), przy czym jedna z części zbiornikowych (52,54) znajduje się zjedhej strony szczeliny a druga z części zbiornikowych (52,54) znajduje się z drugiej strony szczeliny (60).
3. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że część ekspandowanajest z materiału ekspandowanego termicznie na bazie żywicy.
4. Element według zastrz. 3, znamienny tym, że część ekspandowana zawiera żywicę epoksydową, elastomer, sproszkowaną krzemionkę, mikrokulki szklane o wysokiej wytrzymałości, środek porotwórczy i środek utwardzający.
5. Element według zastrz. 4, znamienny tym, że część ekspandowana zawiera wypełniacz i środek przyspieszający.
6. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że część nośna tego elementu (70) ma kształt pofalowany i zawiera więcej niż dwie części zbiornikowe.