ES2222984T3 - Manguito de refuerzo activado por calor. - Google Patents

Manguito de refuerzo activado por calor.

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ES2222984T3 ES01913258T ES01913258T ES2222984T3 ES 2222984 T3 ES2222984 T3 ES 2222984T3 ES 01913258 T ES01913258 T ES 01913258T ES 01913258 T ES01913258 T ES 01913258T ES 2222984 T3 ES2222984 T3 ES 2222984T3
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Abstract

Manguito reforzado (20), que comprende: un soporte alargado (22) y un medio de refuerzo (24) soportado por el soporte (22), en el cual el medio de refuerzo (24) se extiende a lo largo de al menos una parte de la longitud del soporte (22), caracterizado por que el soporte (22) es hueco y tiene nervios (38) que se extienden axialmente en una pared interior.

Description

Manguito de refuerzo activado por calor.
Campo de la invención
Esta invención hace referencia a un manguito reforzado acoplado a un conjunto de bastidor con el fin de incrementar la resistencia estructural y la rigidez del bastidor en ubicaciones seleccionadas. Más concretamente, la invención hace referencia a un manguito acoplado a la parte del pilar de un bastidor de automóvil, en la cual el manguito soporta un medio de refuerzo que se hace químicamente activo y se expande en respuesta a un cambio predeterminado en las condiciones ambientales.
Antecedentes de la invención
Durante muchos años, la industria del automóvil se ha preocupado por diseñar estructuras de carrocería mejoradas que absorban o desvíen las cargas impulsivas impuestas en el vehículo en o cerca del compartimiento del pasajero. Si bien se practica desde hace tiempo en la industria del automóvil el refuerzo de las superficies que rodean el compartimiento del pasajero del vehículo, a menudo dichas estructuras utilizadas para reforzar el bastidor que rodea al compartimiento del pasajero incluyen componentes de metal. Estos elementos de refuerzo de metal tienden a añadir un peso no deseado al automóvil. En otros casos, los elementos de refuerzo incluyen configuraciones complejas que requieren soldadura o sujetadores mecánicos para fijar el elemento de refuerzo al bastidor.
En consecuencia, se necesita un aparato ligero y de fácil instalación para reforzar la estructura del bastidor del automóvil, en particular en el área del compartimiento del pasajero.
La patente WO 97/43501 describe un elemento de refuerzo estructural que consiste en un soporte alargado y un medio de refuerzo soportado en el soporte, extendiéndose el medio de refuerzo a lo largo de la longitud del soporte. La patente WO 97/43501 constituye el estado anterior de la técnica más cercano según el preámbulo de la reivindicación 1.
Características de la invención
Un objetivo de la presente invención consiste en definir un manguito de refuerzo que mejora la capacidad de un conjunto de bastidor de automóvil de disipar la energía de una carga impulsiva impuesta sobre el bastidor del vehículo, a fin de evitar la deformación del bastidor en localizaciones especiales.
Para conseguir éste y otros objetivos, se proporciona un manguito que incluye un soporte y un medio de refuerzo soportado por el soporte. El soporte se fabrica de un material polimérico, e incluye una superficie interior y otra exterior.
El medio de refuerzo se extiende a lo largo al menos de una parte de la longitud del exterior del soporte. El medio de refuerzo es una resina de base epoxi. El medio de refuerzo es preferentemente una espuma estructural activada por calor que se expande al calentarse, típicamente mediante una reacción de formación de espuma. Los materiales de refuerzo preferentes son espumas estructurales disponibles en la compañía L&L Products de Romeo, Michigan, bajo las designaciones L5206, L5207, L5208 y L5209.
El manguito se forma (I) disponiendo un soporte; (II) reforzando el soporte mediante la aplicación de un medio de refuerzo al mismo; y (III) calentando el medio de refuerzo hasta una temperatura suficiente como para provocar que el medio de refuerzo se expanda y se adhiera a las superficies adyacentes, ya sea mediante una formulación adherente en el propio medio de refuerzo o a través de una capa adhesiva independiente.
Un método general para instalar el manguito en un elemento de bastidor incluye (I) disponer un soporte con una porción hueca; (II) acoplar el manguito al soporte; y (III) calentar el medio de absorción de energía hasta una temperatura suficiente como para provocar que el medio de refuerzo se expanda, por ejemplo mediante la activación de un agente soplador.
En una realización, el manguito se acopla a una parte de un pilar de un bastidor de automóvil. El manguito se aloja en la parte hueca de la estructura del pilar, incluyendo el manguito un soporte y un medio de refuerzo soportado por el soporte. El medio de refuerzo se extiende a lo largo al menos de una parte de la longitud del soporte, y se activa químicamente al calentar la espuma hasta su temperatura de activación térmica.
Breve descripción de los dibujos
Las características y aspectos innovadores de la presente invención resultarán más evidentes tras la lectura de la siguiente descripción detallada, reivindicaciones y dibujos, de los cuales lo que sigue es solamente una breve descripción:
La figura 1 es una vista en alzado de un típico conjunto de bastidor de automóvil.
La figura 2 muestra una vista en perspectiva de un manguito reforzado realizado de acuerdo con lo expuesto en la invención.
La figura 3 muestra una vista en corte del manguito de la figura 2 a lo largo de la línea 3-3.
La figura 4 muestra el manguito de la figura 2 en el estado no curado, instalado en un bastidor de automóvil en la parte del pilar B del bastidor.
La figura 5 muestra una vista en corte del manguito de la figura 2 en el estado curado instalado en un bastidor de automóvil en la parte del pilar B del bastidor.
Descripción detallada de las realizaciones preferentes
La figura 2 muestra un manguito reforzado (20) formado de acuerdo con lo expuesto en esta invención. El manguito (20) incluye un soporte (22) y un medio de refuerzo (24) soportado por el soporte (22).
El soporte (22) es un elemento alargado con extremos abiertos (26), (28). En el extremo (26), el soporte (22) incluye una muesca (36) en forma de U y una abertura alargada (32), cada una de las cuales se alinea con componentes correspondientes de un bastidor de automóvil, o que alternativamente permiten la ventilación del manguito (20). En el extremo opuesto (28), el soporte (22) define una abertura (no mostrada) que también se alinea con componentes correspondientes de un bastidor de automóvil, o que alternativamente permiten la ventilación del manguito (20). La superficie exterior del soporte (22) soporta una ménsula (30) en forma de C proyectada hacia el exterior entre los extremos (26), (28).
Internamente, el soporte (22) se halla reforzado por una placa interior (40), como se observa mejor en la figura 3. La placa (40) se halla situada aproximadamente en la parte central del soporte (22), e incluye dos aberturas (42), (44) para permitir el paso de componentes a través del soporte (22). Se apreciará que las aberturas (42), (44) también pueden permitir la ventilación del soporte (22) si fuera necesario.
La superficie interior del soporte (22) también soporta nervios de refuerzo (38). Los nervios (38) se extienden axialmente a lo largo del soporte (20) comenzando en cada uno de los extremos (26), (28) y extendiéndose hacia el interior en dirección a la placa (40). Los nervios (38) terminan en las respectivas caras de la placa (40).
Preferentemente, el soporte (22) se halla fabricado con un material moldeable. Un material polimérico preferente es el nylon reforzado con vidrio. El soporte (22) puede realizarse usando técnicas conocidas tales como el moldeo por inyección, el moldeo por inserción, el moldeo mecánico a presión o el moldeo por soplado. Una de las ventajas de fabricar el soporte (22) con un material moldeable es la posibilidad de moldear el soporte (22) con diversas configuraciones. Específicamente, puede fabricarse el soporte (22) usando un molde con prácticamente la misma configuración que el componente al que se acoplará o en el que se introducirá el soporte (22). Esto facilita el ensamblaje del soporte (22) con el componente correspondiente sin necesidad de sujetadores mecánicos o soldaduras.
Volviendo ahora a tratar el medio de refuerzo (24), tal y como se presenta en las figuras 2, 4 y 5, el soporte (22) soporta el medio de refuerzo (24) a lo largo al menos de una parte de su superficie exterior. El propósito principal del medio de refuerzo (24) es incrementar la resistencia estructural y la rigidez del manguito (20). En la realización preferente, el medio de refuerzo (24) es una espuma estructural. La espuma estructural (24) incrementa la resistencia a la compresión y la rigidez estructural del manguito (20) sin contribuir significativamente al peso total del manguito (20).
Típicamente, la espuma estructural (24) se aplica al soporte (22) en las áreas en las que se necesita contacto adhesivo y transferencia de carga. Se apreciará que la espuma estructural (24) puede encapsular el soporte completo (22) o bien puede aplicarse únicamente en localizaciones preseleccionadas. La espuma estructural (24) cubre sustancialmente el soporte completo (22) mostrado en la figura 2. Nótese, no obstante, que no es necesario cubrir sustancialmente la superficie completa del soporte (22) en todas las aplicaciones en las que su usará el manguito. En su lugar, la espuma estructural (24) puede aplicarse a áreas seleccionadas del soporte (22), dejando otras partes del soporte (22) sin recubrir. En el ejemplo mostrado en la figura 2, solamente los extremos (26), (28) y el área de la ménsula (30) en forma de C permanecen sin recubrir.
La espuma estructural (24) se aplica generalmente al soporte (22) en un estado sólido o semisólido. La espuma estructural (24) se aplica al perímetro exterior del soporte (22) en un estado semisólido usando técnicas de inyección comúnmente conocidas. Durante el proceso de aplicación, la espuma estructural (24) se calienta hasta una temperatura que permite que la espuma estructural (24) fluya levemente. No obstante, la temperatura no es suficiente como para provocar que la espuma (24) se expanda o cure Al enfriarse, la espuma estructural (24) se endurece y se adhiere a la superficie exterior del soporte (22). Si el soporte (22) está hecho de un polímero, por ejemplo, es posible inyectar la espuma estructural (24) en el molde del soporte (22) durante el proceso de moldeado del soporte (22). Esta disposición permite a la espuma estructural (24) encapsular sustancialmente la periferia exterior del soporte (22).
Alternativamente, la espuma estructural (24) puede aplicarse al soporte (22) en forma de pastillas premoldeadas, que se calientan levemente para permitir que dichas pastillas se adhieran a la superficie exterior del soporte (22). En este punto, la espuma estructural (24) se calienta justo lo suficiente como para provocar que la espuma estructural (22) fluya levemente, pero no lo suficiente como para que la espuma estructural (24) se expanda térmicamente. Nótese que pueden usarse otros materiales con capacidad de expansión, incluyendo pero no limitándose a una mezcla encapsulada de materiales que, al ser activada por la temperatura, la presión, químicamente o por otras condiciones ambientales, se expande.
La espuma estructural (24) es un material de base epoxi quepuede incluir un copolímero o terpolímero de etileno. Un copolímero o terpolímero está compuesto por dos o tres monómeros diferentes respectivamente, es decir, pequeñas moléculas con una reactividad química muy alta capaces de crear enlaces con moléculas similares para crear un polímero.
Son conocidas diversas espumas de refuerzo estructural de base epoxi, que también pueden emplearse para la espuma estructural (24). Una espuma estructural típica incluye un material de base polimérico, como por ejemplo una resina epoxi o un polímero de base etileno que, al ser juntado con los ingredientes apropiados (típicamente un agente soplador, una masilla, un agente de endurecimiento, etc.), se expande y se endurece de un modo fiable y predecible al aplicarle calor u otro estímulo de activación. El material resultante tiene una densidad suficiente como para transmitir la rigidez deseada a un elemento soportado. Desde el punto de vista químico, para un material activado por calor, la espuma estructural (24) normalmente se procesa inicialmente como un material termoplástico antes de su endurecimiento. Tras el endurecimiento, la espuma estructural (24) se convierte típicamente en un material termoestable.
Un ejemplo de una formulación preferente de la espuma estructural (24) es un material de base epoxi que puede incluir un copolímero o terpolímero de etileno disponible comercialmente en la compañía L&L Products de Romeo, Michigan, bajo las designaciones L5206, L5207, L5208 y L5209. Una ventaja de estos materiales preferentes de la espuma estructural (24) en relación con los materiales del estado anterior de la técnica consiste en que los materiales preferentes pueden ser procesados de diversas maneras. Los materiales preferentes pueden ser procesados mediante moldeo por inyección, extrusión o con un extrusor del tipo de aplicado mínimo. Esto permite la formulación y creación de diseños de piezas que superan las posibilidades de la mayoría de los materiales del estado anterior de la técnica.
Si bien se han dado a conocer los materiales preferentes para la fabricación de la espuma estructural (24), la espuma estructural (24) puede estar formada por otros materiales siempre que el material seleccionado se active por calor o bien por una condición ambiental (por ejemplo, la humedad, la presión, el tiempo o similares) y se expanda de una manera predecible y fiable en condiciones apropiadas para la aplicación seleccionada. Uno de estos materiales es la resina de base epoxi dada a conocer en la patente USA 6263635 A. Otros posibles materiales incluyen, aunque no se limitan a, materiales poliolefínicos, copolímeros y terpolímeros con al menos un monómero de tipo alfa olefina, materiales fenol/formaldehído, materiales fenoxi y poliuretanos con temperaturas de transición vítrea elevadas. En general, las características deseadas de la espuma estructural (24) incluyen una alta rigidez, una alta resistencia, una alta temperatura de transición vítrea (habitualmente superior a 70 grados Celsius) y buenas propiedades de resistencia a la corrosión.
En las aplicaciones en las que se emplea un material expandible térmicamente activado por calor, una importante consideración implicada en la selección y formulación del material que conforma la espuma estructural (24) es la temperatura a la que tendrá lugar la reacción o expansión y, posiblemente, el endurecimiento del material. Por ejemplo, en la mayoría de aplicaciones, no resulta deseable que el material se active a una temperatura ambiente normal o a la temperatura ambiente de un entorno de línea de producción. Con mayor frecuencia, la espuma estructural (24) se hace reactiva a temperaturas de procesado superiores, como por ejemplo las encontradas en una planta de ensamblaje de automóviles, donde la espuma (16) se procesa junto con los componentes del automóvil a elevadas temperaturas o con niveles de energía aplicada mayores. Si bien las temperaturas encontradas en una operación de ensamblaje del automóvil pueden estar en el intervalo de 148,89ºC a 204,44ºC (300ºF a 400ºF), las aplicaciones en los talleres de chapa y pintura se encuentran habitualmente en torno a los 121ºC (250ºF) o algo más bajas. Si fuera necesario, los agentes sopladores se pueden alterar mediante activación para provocar la expansión a diferentes temperaturas fuera de los intervalos mencionados anteriormente.
En general, las espumas expandibles del estado anterior de la técnica tienen un intervalo de expansión que va desde aproximadamente 0 hasta más del 1000 por ciento. El nivel de expansión de la espuma estructural (24) puede aumentarse hasta llegar al 1500 por ciento o más.
Instalación
La figura 1 muestra un automóvil (1) con una abertura para la puerta delantera (2), una porción del techo (3), un pilar A (4) y un pilar B (5). La abertura de la puerta delantera (2) está limitada en la dirección longitudinal del vehículo por el frontal o pilar A (4) y por el fondo o pilar B (5). En la parte inferior, la abertura de la puerta (2) está limitada por un larguero (6), y en la parte superior, por la porción del techo (3). El pilar A (4), el pilar B (5), la porción del techo (2) y el larguero (6) conforman una estructura (7) que rodea al compartimiento del pasajero que es internamente adyacente a la abertura de la puerta (2).
Convencionalmente, los pilares (4), (5) son vigas huecas con un perfil cerrado. De acuerdo con la presente invención, cada uno de los centros huecos de los pilares (4), (5) recibe el manguito (20) como se observa más claramente en las figuras 1, 2, 4 y 5. El manguito (20) se configura de tal manera que la ménsula (30) en forma de C, la abertura (32) así como otras aberturas no mostradas en las figuras y la porción (36) en forma de U, se alinean con los componentes correspondientes formados o soportados por los pilares (4), (5).
Tal y como se ve en la figura 4, cuando el manguito (20) se instala en el pilar (5), se da un pequeño margen entre el interior del pilar B (5) y el manguito (20). Esto es así porque la espuma estructural (24) se encuentra en el estado no curado y permite que la espuma estructural (24) se adhiera a un metal imprimado con revestimiento galvanoplástico, en lugar de un metal no imprimado. Más concretamente, el margen permite el drenaje del revestimiento galvanoplástico, permitiendo de esta manera que la imprimación cubra todas las superficies metálicas para facilitar la adhesión de la espuma estructural y prevenir la corrosión del metal.
La figura 5 muestra la posición de la espuma estructural (24) en el conjunto de bastidor de automóvil después del ciclo de curado. Tal y como se muestra, la espuma estructural (24) se adhiere a la superficie interior del conjunto de bastidor de automóvil, llenando sustancialmente el hueco entre la superficie interna del pilar (5) y el manguito (20).
La espuma estructural (24) se endurece completamente sometiendo la espuma estructural (24) a temperaturas en el intervalo de las generadas por un horno de pintura del tipo usado para endurecer la pintura o la imprimación de la chapa del automóvil. Se aprecia que, según es conocido, los hornos de pintura alcanzan temperaturas como mínimo de 121ºC (250ºF) o superiores. Así, se aprecia que la espuma estructural puede endurecerse simplemente calentando el manguito a una temperatura de 121ºC (250ºF) o superior.
Las altas temperaturas usadas para endurecer la espuma estructural (24) también provocan la activación de las propiedades de expansión térmica de la espuma estructural (24). La aplicación de la espuma estructural (24) al soporte (22) incrementa la resistencia estructural y rigidez del soporte (22). Como resultado, se incrementa la resistencia estructural y rigidez general del manguito (20).
Debe entenderse que se pueden emplear diversas alternativas a las realizaciones de la invención aquí descrita para poner en práctica la invención. Se pretende que las siguientes reivindicaciones definan el alcance de la invención y que el método y aparato dentro del alcance de estas reivindicaciones y sus equivalentes queden cubiertos por las mismas.

Claims (13)

1. Manguito reforzado (20), que comprende:
un soporte alargado (22) y un medio de refuerzo (24) soportado por el soporte (22), en el cual el medio de refuerzo (24) se extiende a lo largo de al menos una parte de la longitud del soporte (22), caracterizado porque el soporte (22) es hueco y tiene nervios (38) que se extienden axialmente en una pared interior.
2. Manguito reforzado, según la reivindicación 1, en el cual el soporte (22) está hecho de un compuesto polimérico.
3. Manguito reforzado, según la reivindicación 2, en el cual el compuesto polimérico es uno seleccionado del grupo que consta de un compuesto de láminas moldeadas, polímero reforzado con fibra metálica y polímero reforzado con minerales.
4. Manguito reforzado, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual el soporte (22) se acopla a un sistema de bastidor de automóvil (7).
5. Manguito reforzado, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual el medio de refuerzo (24) es una resina de base epoxi.
6. Manguito reforzado, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual el medio de refuerzo (24) es una espuma estructural activada por calor que se expande al calentarla.
7. Manguito reforzado, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el cual el soporte (22) tiene una porción excéntrica que crea un margen entre el manguito (20) y una superficie de un bastidor de automóvil (7) cuando el manguito se acopla al bastidor de automóvil (7).
8. Manguito reforzado, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que además incluye una ménsula (30) montada sobre el citado soporte alargado.
9. Pilar de automóvil (4, 5), comprendiendo:
una viga hueca alargada que contiene un manguito reforzado (20) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.
10. Método para reforzar un elemento de bastidor que comprende disponer una viga hueca, acoplar un manguito, (20) según la reivindicación 6 o la reivindicación 7, a la viga hueca, y calentar para provocar que el medio de refuerzo (24) se expanda.
11. Método, según la reivindicación 10, en el que el elemento del bastidor es una porción de un pilar (4, 5) de un bastidor de automóvil.
12. Método, según la reivindicación 10 o la reivindicación 11, en el que se aplica calor por encima de los 121ºC.
13. Método, según la reivindicación 12, en el que se aplica calor entre 149ºC y 205ºC.
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