自動車輛連接部的三維複合增強元件的製作方法
2023-06-11 10:51:46 1
專利名稱：自動車輛連接部的三維複合增強元件的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及空心結構元件的增強，特別涉及自動車輛空心結構的增強，這些空心結構在裝配後通常是無法進入的。
背景技術：
抗衝擊、燃油經濟標準和結構剛度是在自動車輛結構設計中所關心的重要基本問題。燃油經濟標準要求使用更輕的材料。這一要求通常轉換為減小材料厚度或使用重量更輕的材料。抗衝擊要求至少在局部區域使用更厚的材料。
複合材料的使用一些年來已日益增加，這種材料比其金屬對應物通常是更堅固和更輕。本發明人已發明一種新穎的方法，該方法使用微球充填(microsphere-filled)可熱膨脹樹脂對關鍵區域進行局部增強，以實現結構部件的增強，例如一種複合門梁，該複合門梁具有基於樹脂的芯部，此芯部佔金屬管孔的三分之一；一種空心疊層梁，其特徵在於其高剛度-質量比，和具有一外部，該外部被一種結構性泡沫材料薄層與內管分離；一種W型支架插入增強件，該增強件攜帶一種用於增強空心梁的泡沫材料體；一種隔板，該隔板使用一種可熱膨脹泡沫材料用於對安裝引擎託架或類似部件的軌道進行局部增強。
自動車輛的連接部是結構的最薄弱部分。增強連接部的剛性可提高車輛行駛特性中的整體剛度。在製成自動車輛的車體中，幾個結構板／車體板元件被焊接或粘接在一起。其連接部由於其自身特點一般是空心的。這種空心結構允許防腐塗層塗料(E-coat)流過這些結構元件以增加其抗腐蝕能力。自動車輛製造商已經使用各種技術來增加車輛連接部的剛度。一般解決的方法本質上是增加連接部的尺寸大小和／或連接部的複雜性以提高剛度。通過增加連接部的尺寸大小，已使得寶貴的裝配空間減小。再者，結構重量由於連接部加大而增大。
發明概述因此，本發明的目的之一在於增強自動車輛連接部而並不增加連接部所需要的金屬板量。
一方面，本發明提供一種具有外表面的託架部。外表面具有數個與連接部相符的延伸部，連接增強部將放置在該相符部。粘接層被設置在託架部的外表面。外表面本質上被粘接層所覆蓋。粘接層由可熱膨脹樹脂製成。
另一方面，本發明提供一種製造增強元件的方法。此方法包括提供一託架部的如下步驟將一層粘接材料施加在託架部；加熱託架部和粘接層部；使粘接層部粘接在結構元件上。
在另一方面，本發明提供一種製造自動車輛車體的方法，該車體具有至少兩車體元件。車體元件的裝配在車體元件之間限定一空心空間。此方法包括如下步驟將一層粘接材料施加在託架部以製成增強元件；將增強元件插入空心空間；加熱車體元件和帶粘接層的託架部，從而使粘接材料粘接在車體元件上。
本發明的優點之一在於可為車體元件提供一減小的裝配空間。這部分是由於較低規格尺寸的金屬板材可用於所有車體元件，因為，結構連接部已經得到增強。這樣的結果就可望全面減小自動車輛的重量。
附圖簡介本發明的其它特點和優點，從結合附圖閱讀詳細說明後將變得一目了然，其中
圖1為具有結構增強元件的自動車輛局部透視圖；圖2A和2B為託架元件兩部分的透視圖；圖3為纏繞以粘接層的託架的透視圖；圖4為將施加於託架上粘接材料片的平面視圖；圖5為在模具內的託架的橫截面圖；圖6為在一自動車輛空心結構內增強元件的橫截面圖；和圖7為另一替換增強元件的橫截面，該自動車輛空心結構的增強元件具有泡沫材料的內芯部。
對推薦實施例的詳細說明在下列附圖中，相同的字符將用於表示相同的部分。附解說明一具有特定形狀的託架元件。不過，託架元件的其它形狀尺寸，基於本技術，對於本領域技術人員而言是顯而易見的。
現在參看圖1，自動車輛10，如圖所示具有連接部12。連接部12為一空心結構，該空心結構由內後垂直壁板14、外後垂直壁板16、內門壁板18和外門壁板20所限定。增強元件22插入空心結構13內以增強連接部12。儘管增強元件22如圖所示是設置在一特定的連接部，本發明已用於自動車輛的許多連接部。如圖所示，增強元件在頂24和門的柱狀物(D-pillar)26間延伸。增強元件特別適合於增強三個空心溝槽28相交的區域。不過，經過修改的增強元件22也可適用於增強兩個溝槽的交匯區。增強元件22具有體部30和三個延伸部32。每一延伸部32具有縱向軸線34。縱向軸線34最好與每一溝槽28的延伸軸線一致。即，增強元件22可製成縱向軸線34彼此成各種角度。縱向軸線34可製成彼此垂直而與溝槽28一致，或對應於自動車輛設計的各種角度。
延伸部32從體部30的延伸長度是擬增強連接部12大小的函數。根據增強元件22所設置處車體結構不同，可在溝槽28內增強各種延伸距離。在絕大多數應用中，延伸部32可從體部30延伸幾英寸。
如圖所示，延伸部32通常具有矩形截面。不過推薦延伸部32的形狀與溝槽28的形狀相似。這樣，可使增強元件與溝槽28間獲得更好的配合。
現參看圖2A，2B和圖3，增強元件22最好是由纏繞粘接層38的託架36製成。託架36最好用可支承粘接層38的薄材料製成。由託架36提供的支承大小，足以使增強元件22在製造過程中，加工和裝配入自動車輛時沒有變形。託架36例如可用金屬材料諸如鋁板、鋼板或鋁薄片製成。這些材料的適當厚度，例如可分別為0．007-0．015英寸厚、0．006-0．025英寸厚和0．002-0．006英寸厚。其它適於做託架的材料有厚度為0．062-0．25英寸的噴塑模製玻璃纖維充填尼龍；厚度為0．06-0．25英寸的吹模法或旋轉模法製造的高溫塑料(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(abs或聚苯乙烯)或厚度為0．25-0．5的澆注膠接泡沫材料(cast cement foam)。自然，各種厚度可根據具體情況改變。
根據所用託架材料不同，可使用幾種方法製造託架36。如圖2A和2B所示，兩鋁片或鋼片可衝製成託架36的兩半部40和42。然後，半部40和42可焊接或搭鎖在一起以製成託架36。如圖所示，半部40沿每一延伸部32具有端部44。在此推薦實施例中，託架36既沒有端部44，也沒有在端部44設置孔，以允許在製造過程中防腐塗層塗料(E-coat)流過以提高防腐能力。不過，增加端部44進一步提高了託架36的強度。
託架36還可以通過將加薄片貼面(foil backed)的板設置在三維泡沫材料芯上製成。託架36還可以用下列方法製成吹模法；噴射模製法；環繞泡沫聚苯乙烯(Styrofoam)芯澆注膠接泡沫材料；或利用「鋁罐」或殼作為內託架，其中使用基於製造鋁質飲料罐的技術。託架36還可用油液擠壓成形將金屬製成三維形狀。
在託架36成型後或成型過程中，金屬延伸部諸如銷釘46或金屬接片可添加在託架36上。銷釘46對準在連接部12內或接近該連接部的孔。銷釘46的數量可根據每一應用情況改變。在車輛裝配時，這些銷釘將增強元件22定位在溝槽28內。溝槽28可具有孔，這些孔與銷釘46對準。
用於製造粘接層38的聚合物是基於樹脂的可熱膨脹材料。許多基於樹脂的成分可用於製成本發明的粘接層38。推薦的成分賦予極好的強度和剛度特性而僅僅略微增加重量。關於粘接層38的成分的具體標準，材料的密度最好從大約每立方英尺20磅至大約每立方英尺50磅，以使重量最小。熔點、熱破壞溫度、發生化學分解的溫度必須足夠高，使得粘接層38能在高溫保持其結構，特別是在碰上噴漆爐或其它在自動車輛裝配操作的時候。因此，粘接層38必須能經受超過320°F的溫度，最好短時間能超過350°F。此外，粘接層38必須能經受90°F至200°F的最終壽命試驗加熱經過長的時間周期而本質上不出現熱致破壞或降解。
更詳細地說，在一具體實施例中，粘接層38的熱膨脹結構性泡沫材料包括合成樹脂、微孔形成劑和填料。合成樹脂重量佔粘接層38重量的百分比，從大約40％至大約80％，最好從大約45％至大約75％，特別推薦從大約50％至大約70％。最為推薦一部分樹脂包括柔性環氧樹脂。在此所使用的術語「微孔形成劑」一般是指在粘接層38內生成氣泡、細孔和空腔的添加劑。這就是說，粘接層38具有一種在其整個物質中存在大量微孔的多孔結構。微孔結構提供了一種低密度、高強度的材料，這就保證了一種堅固而重量輕的結構。與本發明兼容的微孔形成劑包括增強「空心」微球或微氣泡，該微球或微氣泡由塑料或玻璃構成。特別推薦玻璃微球。此外，微孔形成劑可包括起泡劑(blowingagent)，這種起泡劑可為化學起泡劑或物理起泡劑。在微孔形成劑包括微球或大球的情況下，微孔形成劑的重量佔粘接層38材料重量的百分比大約從10％至50％，推薦從大約15％至大約40％，特別推薦從20％至大約40％。在微孔形成劑包括起泡劑的情況下，微孔形成劑的重量佔粘接層38材料重量的百分比從大約0．5％至大約5．0％，最好從大約1％至大約4％，特別推薦從大約1％至3％。適合的填料包括玻璃或塑料微球、熱解法二氧化矽、碳酸cathium、磨碎的玻璃纖維和斬碎的玻璃繩。特別推薦一種觸變的(thixotropic)填料。其它材料可能也適用。填料的重量佔粘接層38重量的百分比從大約1％至大約15％，最好從大約2％至大約10％，特別推薦從大約3％至大約8％。
推薦用於本發明的合成樹脂包括各種熱固化樹脂，諸如環氧樹脂、酚脂(phenol ester)樹脂、熱固聚脂(polyester)和尿脘(urethane)樹脂。不打算將本發明的範圍被樹脂分子量所限制，而合適的重量對於本領域技術人員而言，基於本說明將會理解。當液體填料的樹脂成分是熱固化樹脂時，可添加各種加速劑諸如imidizoles和固化劑以加速固化速度，推薦添加雙氰胺(dicyandiamide)。從使用觀點設計的加速劑的量一般為樹脂重量的大約0．5％至大約2．0％，具體百分比值隨樹脂、微孔形成劑或填料三種成分之一的減少而變化。與此類似，固化劑的含量一般為樹脂重量的大約1％至大約8％，具體百分比值隨樹脂、微孔形成劑或填料三種成分之一的減少而變化。有效劑量的處理輔助劑(processing aids)、穩定劑、著色劑、UV吸收劑(UV-absorbs)以及類似的添加劑也可包括在粘接層中。熱塑塑料也可能適用。
在下表中介紹了粘接層38的推薦配方。已經發現此配方提供了一種在大約320°F充分膨脹和固化，並保證極好結構特性的材料。在此公開的全部百分比除特別註明者外均為重量百分比。成分重量百分比範圍(％)推薦百分比(％)EPON 828(環氧樹脂)30-4036．96DER 331(柔性環氧樹脂) 10-2015．06AMICURE CGNA(固化劑) 3．5-4．6 4．12AMICURE VR(加速劑) 0．4-1．2 0．80TS720(觸變填料) 0．5-1，5 1．1CELOGEN AZ 199 0．7-1．8 1．21(偶氮二醯胺起泡劑)B38 MICROS(玻璃微球) 30．0-45．0 37．16WINNOFIL碳酸鈣 0．1-1．1 0．6(CaCO3填料)或碳黑NIPOL 1312(液體橡膠) 2．0-4．0 3．01此外，著色劑和其它添加劑諸如酞花青(Phthalocyanine)藍、和KR55也可包括在內。
粘接層38在絕大多數應用中是環繞或本質上環繞託架36整個外表面延伸的一層。粘接層38在未膨脹狀態最好是厚度比較均勻，從大約2mm至6mm。
現在參看圖4，粘接層38可用模具將樹脂板48切成所需要的幾何形狀。模具切下部50然後被纏繞在三維託架36上。此外，其它形式的覆蓋託架36也可使用。例如，粘接層38可用噴射(spraying)或模壓(compression molding)施加。
現在參看圖5，另一種施加粘接層38於託架36上的方法是使用模具52。託架36被放在模具52內。模具52與託架36間的間隙54最好均勻，間隙尺寸按粘接層38所希望的厚度確定。開口56設置成穿過模具52，於是融化的粘接劑可噴射入間隙54以環繞託架36。
最好模具52是經過拋光並給予冷卻以便容易取出零件。這可通過幾種方式進行，例如使冷卻液流經模具體52。通過冷卻模具52，將粘接層38從模具52分離就簡單。
現在參看圖6，該圖示出了根據圖3、4或5製成的增強元件的橫截面。粘接層38環繞託架36均勻地施加。託架36最好是空心的並一般與溝槽28相符合。粘接層38具有這樣的特點，當自動車輛經受噴漆烘烤時，粘接層38膨脹並粘接在溝槽28上。於是，在粘接層38冷卻後，粘接層38粘接在溝槽28上以增強連接部12。由於車輛的連接部是結構增強的，車輛的剛度和行駛特性得到改善，這就允許通過減小製造車輛車體板的規格尺寸減小車輛的重量。
現在參看圖7，該圖示出了製造增強元件22另一種方法的橫截面。取代圖6所示的空心殼，託架製成具有泡沫材料芯58。用薄片或金屬層製成託架36。例如，鋁薄片可纏繞在泡沫材料芯58上。使用泡沫材料芯58，粘接層38可使用上述任一具體方式施加。泡沫材料芯58最好用被熱激活的(thermally activated)或短效(fugitive)材料製成。這就是說，當泡沫材料芯受熱時，泡沫材料芯分解以離開空心託架36。使泡沫材料芯分解的推薦溫度為車輛在噴漆烘烤工序所經受的最高溫度。藉助於使用泡沫材料芯58，可獲得一種剛度略高的增強元件22，於是增強元件22在車輛裝配時更容易處理，特別是在使用薄片託架時。
在操作過程中，上述增強元件22由自動車輛裝配廠供給似乎更合適。增強元件可根據上述任一方法製造。裝配車輛車體時，在焊接或粘接各車體壁板之前，將增強元件放在車輛的各連接部。最好，任一連接部和粘接層38與車輛車體上的任一縫對齊。增強元件22插入連接部後車體壁板被連接在一起。通常，車輛車體一經焊接在一起就接受防腐塗層塗料(E-coat)。在接受防腐塗層塗料時車體被浸入防腐塗層塗料池中。防腐塗層塗料流經空心的增強元件22以覆蓋車體包括溝槽28的內部。
隨後，對車體壁板進行噴漆。車體壁板經過噴漆後對噴漆進行烘烤。在烘烤過程中，車體的溫度本質上上升。通常車體溫度超過325°F。溝槽28內部的溫度也上升至這一溫度。這一溫度於是激活粘接層28，從而膨脹並粘接在車體壁板內部的溝槽28內。當冷卻後，增強元件22被粘接在車體面板上，連接部因此得以增強。
儘管對於實施本發明的最佳方式已做了詳細說明，對於熟悉與本發明相關技術的人員將了解各種替換設計和實施例，以實施本發明，本發明由下列權利要求所限定。
權利要求
1．一種連接部增強元件，用於自動車輛的空心結構，該增強元件包括託架部，具有外表面，所述託架部具有基部，該基部具有第一延伸部，具有從基部延伸的第一縱向軸線；第二延伸部，具有從基部延伸的第二縱向軸線；所述第一縱向軸線和所述第二縱向軸線對應於所述空心結構，和粘接層，可熱膨脹，設置在所述外表面並本質上覆蓋所述外表面。
2．如權利要求1所述的連接部增強元件，其中，所述第一縱向軸線垂直於第二縱向軸線。
3．如權利要求1所述的連接部增強元件，其中，所述託架部包括第三延伸部，從所述基部延伸，所述第三延伸部具有第三縱向軸線。
4．如權利要求3所述的連接部增強元件，其中，所述第三縱向軸線本質上垂直於所述第一和第二縱向軸線。
5．如權利要求1所述的連接部增強元件，其中，所述託架部是空心的。理，特別是在使用薄片託架時。
6．如權利要求1所述的連接部增強元件，其中，所述外表面具有一金屬層。
7．如權利要求1所述的連接部增強元件，其中，所述託架具有從託架延伸的金屬延伸部。
8．如權利要求1所述的連接部增強元件，其中，所述託架具有通孔。
9．如權利要求1所述的連接部增強元件，其中，所述託架部包括兩個連接在一起的衝壓成的金屬溝槽。
10．如權利要求1所述的連接部增強元件，其中，所述託架部包括覆蓋以泡沫材料元件的薄片，所述薄片構成所述外表面。
11．如權利要求10所述的連接部增強元件，其中，所述泡沫材料元件是熱激活過的。
12．如權利要求1所述的連接部增強元件，其中，所述粘接層按重量百分比包括環氧樹脂大約30％至大約40％之間柔性環氧樹脂大約10％至大約20％之間固化劑 大約3．5％至大約4．6％之間加速劑 大約0．4％至大約1．2％之間觸變填料大約0．5％至大約1．5％之間起泡劑 大約0．7％至大約1．8％之間玻璃微球大約30．0％至大約45．0％之間填料大約0．1％至大約1．1％之間液體橡膠大約2．0％至大約4．0％之間
13．一種製造增強元件的方法，該增強元件設置在自動車輛空心結構元件內，該方法包括設置一託架部，該託架部具有數個對應於空心結構而從基部延伸的延伸部；施加一層可熱膨脹的粘接材料於所述託架部；加熱託架部和粘接層；激活粘接層；使粘接層粘接在結構元件上；和冷卻結構元件和粘接層。
14．如權利要求13所述的製造增強元件的方法，還包括從粘接材料板切割粘接層的步驟。
15．如權利要求13所述的製造增強元件的方法，其中，施加粘接材料層的步驟還包括下列子步驟將託架部放入模具；在託架部和模具間噴注粘接材料層；和，從模具中移去具有粘接層的託架部。
16．如權利要求15所述的製造增強元件的方法，還包括冷卻模具的步驟。
17．一種製造自動車輛車體的方法，該車體具有至少兩細長的空心車體元件，在車體元件間限定一空心空間的所述車體元件的裝配，包括下列步驟將增強元件插入空心空間，此增強元件具有一外表面和一基部，該基部具有第一延伸部，具有從基部延伸的第一縱向軸線；第二延伸部，具有從基部延伸的第二縱向軸線；託架的外表面設有可熱膨脹的粘接材料層；將第一延伸部對準空心車體元件之一；將第二延伸部對準其它空心車體元件；加熱車體元件、託架部和粘接層；使粘接材料粘接在空心車體元件內；和冷卻結構元件和粘接層。
18．如權利要求17所述的製造自動車輛車體的方法，還包括從粘接材料板切割粘接層的步驟。
19．如權利要求18所述的製造自動車輛車體的方法，還包括施加粘接材料層於託架上的步驟。
20．如權利要求17所述的製造自動車輛車體的方法，其中，施加粘接材料層於託架上包括下列子步驟將託架部放入模具；在託架部和模具間噴注粘接材料層；和，從模具中移去具有粘接層的託架部。
全文摘要
連接部增強元件(30),用於自動車輛(13)的一種空心結構元件,該增強元件具有一帶外表面的託架部(22)。託架部具有:基部(30);第一延伸部,具有第一縱向軸線;第二延伸部,具有第二縱向軸線。第一縱向軸線和第二縱向軸線對應於空心結構。一種可熱膨脹的粘接層(38),設置在託架部的外表面且本質上覆蓋此外表面。一種製造連接部元件的方法包括:設置一種託架,該託架具有數個延伸部,該延伸部對應於空心結構從基部向外延伸;施加一層可熱膨脹粘接材料於託架部。將託架部加熱以激活粘接層。將粘接層冷卻,從而使粘接層粘接在結構元件上。
文檔編號B62D25/06GK1290203SQ99802708
公開日2001年4月4日 申請日期1999年2月3日 優先權日1998年2月4日
發明者約瑟夫·S·威策徹 申請人:亨凱爾公司