CN1206085A - 经过增强的结构件 - Google Patents

Abstract

一槽形件具有薄的局部增强壳,它通过一层结构泡沫与该槽形件相分离。在增强部件处使用了拱形结构。该拱形结构沿与上述部件所受力的方向相反的方向延伸。所述拱形结构可以作为上述槽形件、增强壳或者槽形件和增强壳出现。所述增强壳的一部分与槽形件相接触并且通过点焊或其它连接方法与该槽形件相连接。

Description

经过增强的结构件

本申请书以1997年7月21日提交的临时申请书第60／053053为基础。

本发明在总体上涉及到用于增强结构件的方法和设备，具体地说，本发明涉及到对易于弯曲的槽形部件进行局部增强。

在许多应用中，特别是在汽车制造业中，需要有轻重量高强度的结构件。虽然用诸如钛合金和类似合金之类的多种金属合金能很容易地获得具有上述特性的结构件，但轻重量高强度的合金一般在重量减轻与材料成本完全相反的汽车应用中成本过高。而且，需要这样的增强技术，这种技术能很容易地适合于结构部件的现有几何形状。从而能消除基本结构有所改变的要求并且能提供一种可改善标准设计性能的方法。也就是说，在许多情况下，在车辆设计业已达到不再可能有根本性的改变这样的阶段以后，会发现设计缺陷。

此外，重点放在会遇到产生弯曲的力的槽形结构组件的性能特征上。例如，许多为机动车门设计的侧面防撞梁均有槽形凹腔。另外，许多功能性保险杠呈槽形。这些槽形部件最易受始于或集中于防撞梁中间跨距的弯曲力的影响。尽管用塑料泡沫来填充上述整个部件会显著地增加部件硬度(至少在使用高密度泡沫时)，但这种技术会显著地增加质量从而增加部件的重量，而这种重量正如所说的那样在大多数应用中是不希望有的。此外，完全用泡沫来填充部件会显著地影响成本。最后，大的泡沫填料常常会形成一多余的散热装置。而且，尽管增加部件的金属尺寸或增加局部的金属增强物会提高硬度，但是，由于金属厚度增加，故会因金属成形机的限制而更难以形成所说的部件。

作为高成本合金，厚金属部件和大泡沫填料的替代方案，业已提出了多种方法去解决增强易于弯曲的槽形部件的问题。例如，业已提出了一种用于车门的侧面防撞梁，它包括一开放的槽形金属件，此件带有一纵向凹腔，该凹腔中填充有以热凝或热塑树脂为基质的填料。这种填料置于上述防撞梁的中间跨距内。上述填料可包括中空的玻璃微球，以便减少密度从而减少重量。

业已提出了一种增强***件，它包括一预制的增强部分。该增强部分由多个包含有热凝树脂和发泡剂的颗粒构成。上述预制件膨胀并固化在结构件的适当位置处。本技术中还说明了一种复合的管状门梁，它用定位在所述管的中间跨距处的合成泡沫填料来加以增强。以树脂为基质的填料占据不超过管的孔径的三分之一。

还提出了具有高硬度-质量比的管中管结构，在这种结构中，两个相嵌套的管带有一层泡沫，该层泡沫放置在管间的环形空间内。还说明了一种局部增强部分，它具有发泡树脂的性质并设置在***式承载件上。所述承载件设置在中空结构件的凹槽内，所述树脂可沿该凹槽膨胀。

因此，应该提供一种低成本技术，以便在不显著增加质量的情况下增强易于弯曲的槽形部件。还应该提供能增强现有槽形部件并且不需对部件作任何基本结构改变的方法。本发明提供了中空部件，这种中空部件在适度增加质量但不使用大量膨胀树脂的情况下具有增加了的强度。本发明还提供了一种在不对部件的几何形状进行重新设计的情况下来增强现有结构部件的方法。业已发现，本发明能高效地提高槽形部件的部件硬度和强度。

在一个方面中，本发明提供了一种经过增强的槽形件，它带有一薄的局部增强壳，此壳通过一层结构泡沫与该槽形件相间隔。在经过增强的部分处，一拱形结构沿与所述部件所受的力的方向相反的方向延伸，也就是说，该拱形结构沿槽形件的受压面的方向突出。所述拱形结构可以作为槽形件、增强壳或者槽形件和增强壳出现。所述增强壳的一部分最好与槽形部件相接触并通过点焊或其它连接方法与该槽形件相连。上述拱形结构与结构泡沫的组合体支承着负载、使槽形件的壁面稳定化并且使力分布于离开焊接处集中点的广泛区域上。在一个方面中，增强壳和结构泡沫最好限于不超过槽形件长度的约三分之一并且基本上设置在槽形件的中间跨距处。在一个方面中，增强壳设置在槽形件的开槽内，在另一个方面中，增强壳构成了位于槽形件外部处的罩帽。增强壳最好是高强度钢，它允许将低强度钢用作结构件。另外，在主结构件是高强度钢的应用中，所述增强壳可包括低碳钢或铝。

在又一个方面中，本发明提供了增强结构部件的方法，该方法包括这样的步骤即：在槽形结构件上的局部增强部位处形成一层结构泡沫。一增强壳设置在槽形件的中间跨距处并且最好延伸不超过槽形件的长度的三分之一。所述结构泡沫设置在增强壳的一个表面上，该表面与槽形件相接触并粘合于该槽形件。

以下参照附图详细说明本发明的上述和其它优点及目的。

图1是一经过增强的保险杠的透视图，它说明了一拱形中间跨弯的增强壳；

图2是沿图1中2-2线的剖面图；

图3是本发明另一个实施例的剖面图，它说明了一D形增强壳，此增强壳设置在中空保险杠部件的凹腔内并且通过一层结构泡沫与该保险杠部件相间隔；

图4是本发明又一个实施例的剖面图，它说明了一具有D形结构的增强壳，该增强壳设置在一中空保险杠部件的凹腔内，所述中空保险杠部件具有一双拱形结构以及由结构泡沫构成的中间层；

图5是本发明再一个实施例的剖面图，它说明了一局部的拱形增强部分，它设置在一保险杠部件的开槽内，而所述保险杠部件则具有由结构泡沫构成的中间层；

图6是本发明还一个实施例的剖面图，它说明了一D形增强壳，它设置在一矩形保险杠部分内并被结构泡沫所构成的分段区域所分开；

图7是本发明又一个实施例的剖面图，它说明了一拱形保险杠，此保险杠带有一矩形增强壳以及由结构泡沫构成的中间层，所述增强壳作为一罩帽设置在保险杠上；

图8是一双拱保险杠部的剖面图，所述保险杠部件带有一拱形增强罩帽；

图9是一经过增强的门梁的透视图，它说明了矩形中间跨弯的增强壳的一部分；

图10是沿图9中10-10线的剖面图；

图11是本发明再一个实施例的剖面图，它说明了一拱形门梁，此门梁带有一拱形增强壳以及一由结构泡沫构成的中间层。

参照附图中的图1，示出了经过增强的汽车保险杠20，它带有保险杠部件22，此保险杠部件呈纵向的凹槽结构，该结构具有基本上大于宽度的长度。垂直平壁24的各个边缘由侧面26所限定。每个侧面26都带有一凸缘28，它在开槽30上延伸。壁面24限定了一外表面或受压面32以及一开槽侧的表面或内表面34。本技术的专家将会注意到，受压面32接收碰撞中的冲击从而是导致弯曲的区域。

增强壳组件40定位在保险杠部件22的中间跨距即通常居中地位于端部36与38之间，可以看出，增强壳组件40带有拱形增强壳42和中间泡沫层44。如果最大变形的位置不在中心位置处，则增强壳组件应在最大变形的位置处适当地偏离中心。拱形壳42带有一对凸缘45，它们与保险杠部件22的凸缘28相重叠并且相接触。拱形壳具有拱形部分46，它沿保险杠部件22的壁面38的方向延伸。就本申请书而言，术语“拱形”和“拱形结构”不仅包括传统的U形而且包括D形。以下会详细说明它们的实例。拱形还包括M或V或W形。

上述结构件和增强壳可以是金属冲压件或者是辊轧成形的金属件。

参照附图中的图2，它更清楚地示出了拱形壳子组件40与保险杠部分22的关系。拱形壳具有表面48，它与泡沫层44相接触并粘合于该泡沫层。还有，增强壳42的拱形部分46沿壁面38的方向延伸从而朝保险杠部分22的受压面32延伸。泡沫层44还与壁面38的表面34相接触并相粘合而且与侧壁的内表面50相粘合，从而，将增强壳42以刚性的方式连接到保险杠部件22上。由此形成一个三层结构。此外，尽管诸如机械连接件或高强度粘合剂之类的连接装置会适于特定的应用，但用金属焊条惰性气体保护焊将凸缘45连接于凸缘28。

拱形壳子组件40的长度L最好等于或小于保险杠部件22的长度L的三分之一。增强壳42的拱形部分46所限定的槽52的宽度W最好至少是保险杠部件22的槽30的宽度W的75％。增强壳42延伸进槽30内的深度D最好至少是槽30的深度D＇的75％。具有高跨比为5∶1．0至1．0∶1．0的钟形高拱或D形是最佳的。

如附图的图2所示，与保险杠部件22的金属相比。增强壳42是较薄的金属。用于形成增强壳42和保险杠部件22的金属一般是钢或铝。例如，最好将0．8至1．4mm之间的DI-型140钢用于增强壳42。(请注意，尽管金属是最佳的，但诸如塑料之类的其它材料也可适用于给定的应用)。本发明的优点之一是能将较低强度的钢用于保险杠部件22，同时用轻重量，薄且高强度的钢壳42来增强其结构。通过沿受压面32的方向提供一拱形结构46、提供粘合于增强壳42和保险杠部件22的由粘合剂泡沫44构成的中间层并将增强壳42点焊(或以其它方式连接)到保险杠部件22上，经过增强的保险杠20会以最小的重量和成本最大程度地抗弯曲。拱形结构46和泡沫44的组合体在受压时能增强保险杠部件22以便显著地减少弯曲。应该认识到，泡沫层44基本上盖住了增强壳42的所有表面48。

泡沫44最好是以树脂为基质的材料，它包括中空的玻璃微球以减少密度。就泡沫层44的成分而言，材料的密度最好是约每立方英尺20磅至约每立方英尺40磅，以使重量最小化。其溶点、热变形温度以及出现化学分解的温度也必须足够大，因此，泡沫层44会在一般于上漆炉和类似装置中所遇到的高温下保持其结构。所以，泡沫44应能短时间地抗住超过200℃最好是175℃的温度。泡沫层44在所述拱形结构周围有最好约2至8mm的厚度。

在一个最佳实施例中，泡沫层44包括合成树脂、玻璃微球、发泡剂和填料。泡沫44最好在增强壳42与保险杠部件22之间的适当位置处膨胀并通过将下列材料混合到一起而制成。合成树脂按重量计占约50％至约80％，最好按用来形成泡沫44的混合物的重量计占约60％至约75％。玻璃微球按重量计占约10％至40％，最好按混合物的重量计占约15％至25％。发泡剂按重量计占约1％至约10％，最好按混合物重量计占约2％至6％。

泡沫层44在开始时以未膨胀的形式涂在增强壳42或保险杠部件22上，然后膨胀成与其它部件完全接触，从而粘合于部件22和42。在所述泡沫可热膨胀且所述结构件是车辆部件的情况下，不需要独立的加热步骤，用上漆炉就可使泡沫膨胀。

可包括多种填加物(如熔凝硅石，研磨的玻璃纤维以及碎玻璃绳)。填加物按重量计占约1％至约10％，最好按用于形成泡沫44的混合物的重量计占约3％至约8％。

本发明所用的最佳合成树脂包括诸如环氧树脂、乙烯酯树脂、热凝性聚酯树脂以及尿烷树脂之类的热凝树脂。本发明的范围并不受树脂分子量的限制，本技术的专家应根据本公开的内容来理解适当的重量。在所述树脂是热凝性树脂的情况下，还可以包括诸如咪唑和DMP 30以及固化剂最好是二氰胺之类的多种催化剂以提高固化速度。在相应减少树脂、微球或填加物的情况下，催化剂的起作用的数量一般为树脂重量的约1％至约3％。与此相似，在相应减少树脂、微球或填加物的情况下，所使用的固化剂的数量一般为树脂重量的约2％至8％。泡沫层内还可包括有效数量的辅助处理剂、稳定剂、着色剂、UV吸收剂或类似物质。热塑塑料也可适用于某些应用。

下表说明了用于形成泡沫44的最佳配比。除非另有说明，本公开的所有百分比均为按重量计的百分比。

成分    按重量计百分比

配比Ⅰ

一部分    双酚A环氧树脂    70％

          Nipol液态橡胶    8％

          Di-Cy固化剂      7％

          EMI-24催化剂     1％

          B38微球          14％

配比Ⅱ

两部分    树脂A            固化剂B

          环氧树脂74％     脂族胺65％

          Celogen发泡剂6％ 触变胶8％

          触变胶4％        K20微球27％

          K20微球16％

除附图中图1和图2所示结构以外，本发明还提供了多种其它结构，它们体现了作为汽车保险杠的本发明的发明思想。具体地说，参照附图中的图3，示出了结构件或主保险杠部件54带有凸缘56，它们焊在局部增强壳58上。示出了结构泡沫60将增强壳58粘合在保险杠部件54所限定的槽内的适当位置处。在图4中，保险杠部件62具有一双拱形部分64。它有成对的拱66和68。结构泡沫层70设置在保险杠部件62所限定的槽内。在图4所示结构的情况下，增强壳72为D形并连接于凸缘74。在图5中，用具有高拱结构的增强壳76与双拱主保险杠部件78相配合。增强壳76带有一对凸缘80，它们与保险杠部件78的相应凸缘82相连。图6是图3所示结构的改进形式，泡沫层是分段的，也就是说，泡沫层被设置为独立的相间隔的线性行或带84。

参照附图中的图7，增强壳86构成了保险杠部件88上的外部罩帽。保险杠部件88具有高拱结构并配备有凸缘90，它们连接于增强壳86的端部92。可以看出，泡沫层94位于增强壳86所限定的槽内。在图8中，保险杠部件94具有双拱结构并且通过泡沫层100与拱形增强壳或罩帽98相分离。

除了经过增强的保险杠，本发明还可用于增强门的侧梁。参照附图中的图9，显示出了门的侧防撞梁102通常带有限定拱106的梁部104。如图9和图10所示，设置有增强帽或壳108，它(最好通过点焊)在凸缘110和112处与梁部104相连。由泡沫构成的中间层设置在罩帽108的内表面与梁104的外表面之间。另外，也可以将罩帽与梁部相颠倒，也就是说，部件108可以是梁，部件104可以是内部罩帽。应该认识到，可以在所有的最佳结构包括就保险杠所述的结构中实现上述颠倒。附图的图11中示出了另一种结构，在该结构中，两个辅助拱彼此嵌套在一起。部件118构成了所说的罩帽或主梁体，部件120构成了相应的壳或梁。示出了泡沫122按前述方式设置在部件118与120之间。

在又一个方面中，本发明提供了一种增强结构件的方法，它包括下列步骤即：在槽形结构件的局部增强部位处形成一层结构泡沫。一增强壳放置在槽形件的中间跨距处并且最好延伸不超过槽形件长度的三分之一。结构泡沫放置在增强壳的一个表面上，然后，增强壳与槽形件相接触并相粘合。

尽管主要就车辆部件说明了本发明，但应该认识到，可作为诸如飞行器、船只、自行车或任何需要运动能量的实际装置的一部分来实施本发明。与此相似，本发明可用于诸如建筑物之类的固定或静止结构，以便在遭受诸如来自地震的震动时提供刚性支承或者仅为承受负荷的结构提供轻重量的支承。此外，尽管主要就可热膨胀的泡沫和诸如结构件及壳之类的金属部件说明了本发明，但也可以使用其它材料。例如，所说泡沫可以是任何适当的周知膨胀泡沫。这种泡沫能以化学方式膨胀并形成刚性的结构泡沫。所述增强壳可以是除金属以外的诸如各种塑料或聚合材料或各种具有足够刚度以便用作泡沫背景或支承的木质纤维材料之类的材料制成。在使用可热膨胀泡沫的情况下，所说的支承或背景应能抗住热凝固过程中所遇到的热量。但是，在使用其它类型的泡沫材料的情况下，不需要支承部件能抗住高温。相反，对支承部件的基本要求是它有足够的硬度以便以预定的方式起作用。例如，也可以将本身在凝固或作进一步处理时***的材料用作增强壳。在结构件是由除金属以外的材料制成的情况下，也可以实施本发明。但是，最好为结构件和增强壳以及泡沫选择材料。因此，膨胀时不膨胀的薄泡沫会形成与上述部件的稳固粘合，从而会形成一种结构性组合。

Claims (35)

1．一种经过增强的结构件，该部件包括：

一结构件，它限定了一个凹槽；

一增强壳，它具有一定的长度，该长度小于上述凹槽的长度；

所述增强壳和结构件相互连接；

一层结构泡沫材料，它设置在上述结构件的一部分与上述增强壳的一部分之间以限定一个三层区域，所述结构泡沫层粘合于上述结构件和增强壳上；以及

所述三层区域具有拱形表面。

2．如权利要求1的经过增强的结构件，其特征在于，所述增强壳呈拱形。

3．如权利要求1的经过增强的结构件，其特征在于，所述结构件呈拱形。

4．如权利要求1的经过增强的结构件，其特征在于，所述增强壳呈拱形，并且，所述结构部件呈拱形。

5．如权利要求1的经过增强的结构件，其特征在于，所述增强壳嵌在前述结构件的凹槽内。

6．如权利要求1的经过增强的结构件，其特征在于，所述结构件具有位于凹槽处的内表面以及一外表面，并且，所述结构泡沫层设置在上述增强壳与前述外表面之间。

7．如权利要求1的经过增强的结构件，其特征在于，所述增强壳位于前述结构件的最大变形的位置处。

8．如权利要求7的经过增强的结构件，其特征在于，所述增强壳位于前述结构件的中间跨距处并具有一定的长度，该长度不大于前述结构件的长度的约三分之一。

9．如权利要求1的经过增强的结构件，其特征在于，所述结构泡沫包含有玻璃微球。

10．如权利要求2的经过增强的结构件，其特征在于，所述增强壳具有双拱形形状。

11．如权利要求3的经过增强的结构件，其特征在于，所述结构件具有双拱形形状。

12．如权利要求1的经过增强的结构件，其特征在于，所述结构泡沫层具有约2至约10mm的厚度。

13．如权利要求1的经过增强的结构件，其特征在于，所述结构件和增强壳是金属冲压件或辊轧成形的金属件。

14．如权利要求1的经过增强的结构件，其特征在于，所述增强壳是由高强度钢或铝构成的。

15．如权利要求1的经过增强的结构件，其特征在于，所述泡沫层是至少两个独立的段。

16．如权利要求1的经过增强的结构件，其特征在于，所述结构泡沫包含按重量计约为60％至78％的聚合物，按重量计约为10％至30％的玻璃微球，按重量计约为3％至10％的填加物以及按重量计约为2％至8％的发泡剂。

17．如权利要求1的经过增强的结构件，其特征在于，所述泡沫是可膨胀的。

18．如权利要求17的经过增强的结构件，其特征在于，所述泡沫是可热膨胀的。

19．如权利要求1的经过增强的结构件，其特征在于，所述结构件是车辆保险杠。

20．如权利要求1的经过增强的结构件，其特征在于，所述结构件是车门侧梁。

21．一种经过增强的结构件，该部件包括：

一结构件，它限定了一开槽；

一增强壳，它由高强度钢构成并具有一定的长度，该长度不大于上述开槽长度的三分之一；

所述增强壳和结构部件相互连接，因此，所述增强壳会位于前述结构件的中间跨距处，从而限定了一接触面；

一层结构泡沫材料，它设置在基本是整个结构件接触面与增强壳之间并限定了一个三层区域，所述结构泡沫层粘合于上述结构件和增强壳上；以及

所述三层区域具有拱形表面。

22．如权利要求21的经过增强的结构件，其特征在于，所述增强壳呈拱形。

23．如权利要求21的经过增强的结构件，其特征在于，所述结构件呈拱形。

24．如权利要求21的经过增强的结构件，其特征在于，所述泡沫是可膨胀的。

25．如权利要求24的经过增强的结构件，其特征在于，所述泡沫是可热膨胀的。

26．如权利要求21的经过增强的结构件，其特征在于，所述结构件是车辆保险杠。

27．如权利要求21的经过增强的结构件，其特征在于，所述结构件是车门侧梁。

28．一种增强结构件的方法，它包括下列步骤：在槽形件的局部增强部位处形成一层结构泡沫材料；将一增强壳放置到上述槽形件的大致中间跨距处；使上述结构泡沫层紧贴并粘合于前述槽形件和增强壳中的一个；以及，将结构泡沫粘合于前述槽形件和增强壳中的另一个，以形成一具有拱形表面的三层区域。

29．如权利要求28的方法，其特征在于，它包括将所述增强壳嵌到前述槽形件内。

30．如权利要求29的方法，其特征在于，它包括将所述增强壳安装到前述槽形件的外侧和该槽形件的周围。

31．如权利要求28的方法，其特征在于，所述结构件是车辆保险杠。

32．如权利要求28的方法，其特征在于，所述结构件是车门侧梁。

33．如权利要求28的方法，其特征在于，所述泡沫是可膨胀的泡沫，并且，在所述泡沫膨胀时将该泡沫粘合于上述槽形部件和增强壳中的前述另一个上。

34．如权利要求33的方法，其特征在于，所述结构件是车辆部件，并且，所述泡沫会因热作用而膨胀。

35．如权利要求34的方法，其特征在于，所述热作用出现在喷漆炉内。

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