加强结构构件的方法

专利名称：加强结构构件的方法
本申请根据的是1997年7月21日登记的临时申请系列号No．60／053264。
本发明一般地涉及空心结构构件的加强，更具体一些，则涉及具有封闭区的结构的加强，该封闭区存在特殊的接近问题。
近年来，许多因素迫使在汽车结构设计的方法方面作根本的改变。它们包括，必须满足不断提高的冲击强度和燃料节约标准，和生产在全球市场中其价格具有竞争力的车辆。这些要求常常看起来彼此有矛盾。例如，冲击强度多数情况下可以简单地通过加大钢的厚度或通过使用高强度钢达到。但是，这种方法通常要增加车辆的重量和／或成本。虽然重量轻的树脂现在可以用于填充结构构件的整个空腔，以提供更大的强度，但是这些材料都昂贵，因此大量使用它们就会不合要求地加大车辆的成本。
本发明首先采用一个新的方法，它通过采用微球体填充的热膨胀树脂局部加强重要的区域来加强结构部件，例如具有树脂基芯子的复合门梁，该芯子所占据的地方不超过金属管的芯子的三分之一；空心叠层梁，其特征为它具有高的刚度与质量之比并具有用薄的结构泡沫塑料层与一内管隔开的外部，一W形载体插入增强物，该载体插入增强物载有用于加强空心梁的泡沫塑料体；隔板，它利用热膨胀泡沫塑料提供轨道的局部加强，该轨道用于固定发动机托架或其类似物。
虽然这些技术都很适合许多应用，但是仍然需要局部加强具有特殊的接近问题的区域。更具体一些，在许多空心结构部件中，构件有一封闭的空间区域，它的位置离开空间的开口有某些距离，并且由于构件中的曲度或弯曲而难于够到。在某些情况下，构件及其所确定的通道有不规则的几何形状，使之难于接近特殊的内部区域。当然，在某些情况下，也有可能简单地用以后固化的液态树脂填充整个结构，但是，如上所述，这种方法在许多应用中可能过分费钱。因此，需要有另一种提供这种部件的局部加强的方法。本发明提供了对此问题的答案。
本发明的一个目的为提供一种方法，它在用传统技术难于到达的空心结构部件的区域中提供局部加强物。
本发明的另一目的为提供一种在结构部件中加入局部的树脂加强物的方法，在该部件中，被加强的区域在通道中的弯曲部分的另一边。
本发明的又一目的为提供一种方法，它在空心结构部件中在难于接近的区域集中树脂加强物。
本发明的一个方面为提供一种在局部区域加强部件的方法。该方法包括下列步骤提供一柔性构件，其长度基本上大于其宽度；用热膨胀树脂包住柔性构件的至少一部分；将柔性构件插入空心结构部分的空腔中。插入步骤包括这样一个步骤，即弯曲柔性构件，使之适应部件的空腔的几何形状。然后使树脂热膨胀，以使树脂粘结在结构部件上。这样，对于许多其内部几何形状使之难于或不能用传统技术加强的部件都可以达到局部加强。
在一个方面，柔性构件是一管子，树脂绕其施加，成为一个层或涂层。以后将涂有树脂的管子插入结构部件中并且在有压力作用时将其弯曲，以使其能被送入部件空腔中，即当其被插入部件中时与所要求的形状一致。
在一个方面，树脂包括发泡剂和玻璃微球。当柔性构件在部件中就位以后，例如在装入机动车辆以后，将部件加热至足以使发泡剂活化并使树脂热膨胀的温度。当树脂膨胀时，它粘结至部件的内壁上，形成具有高强度特性的管子对管子式的结构。
在一个方面，按重量比，热膨胀树脂包括约40％～80％的树脂，约10％～50％的微球，约0．5％～5％的发泡剂，约1％～15％的填充剂，约0．5％～2％的加速剂和约1％～8％的固化剂。
在另一个方面，柔性构件包括一个或更多的间隔器，它将柔性构件与结构部件的内壁隔开。
在本发明的优选实施例的下列详细说明中将参考附图更完全地描述本发明的这些和其它方面、特色和目的。


图1示出了在本发明的方法中所用的树脂支承管。
图2为一局部剖开的立面侧视图，它示出了未膨胀的树脂在树脂支承管上的位置。
图3示出了另一树脂支承管，它具有未膨胀的树脂的外套。
图4示出了弯曲的结构构件的剖视图，它示出了树脂支承管在树脂膨胀前的位置。
图5示出了图4的弯曲的结构构件的剖视图，它示出了形成内部加强的膨胀的树脂。
图6是树脂支承管的正视图，该支承管具有在本发明中使用的径向间隔器。
图7是图6的支承管沿箭头7-7方向的端视图。
图8示出了弯曲的结构构件的剖视图，示出了未膨胀的树脂和间隔器的放置。
参看图1和2，图中示出了用作未膨胀的树脂外壳22的支承的柔性构件或管20。柔性构件20最好是与用作电线23的导管相似的空心管。熟悉本技术的人都知道有各种不同的柔性导管。一种特殊的优选的柔性导管为金属螺旋管，它可以由于其螺旋形结构而在弯曲时无金属变形。当然，管20的截面不一定必须是圆形，其它构形如正方形或卵圆形也是合适的。当柔性构件20为空心金属管时，它通常用铝做成并且最好有约0．5～1．2mm的壁厚。管20的直径可根据用途而变化，但通常约为8～40mm并且在多数汽车应用中通常具有50～800左右最好为200mm的长度。在某些应用中，管子在放入被加强的结构中时将变形，超过其弹性限。此外，在某些应用中，可以用弹性较大的管子或棒料，它们在结构空腔中基本上靠弹性偏压就位。虽然空心管20是最优选的，尤其是因为它提供重量轻的结构，但是也可以用实心棒料。最理想的是像在某些应用中的管20那样使用塑料棒或管，而不是金属管或棒。
管20的长度是从空腔开口至被加强的地方的距离的函数。管20的长度大于其直径或宽度，并且在许多应用中，管20的长度最好比其截面直径至少大4倍或大19倍，而更经常的则是大99倍。在许多应用中，管20具有50～200mm左右的长度。还有，在某些应用中，最理想的是如图3中的螺旋导管所示用树脂外壳22a基本包住整个管20a。
树脂外壳22在多数应用中是一绕管20的整个外表面延伸的层，并且在未膨胀状态具有比较均匀的例如2～6mm左右的厚度。树脂外壳22的制备为用冲模将树脂片切割成所需要的几何形状，并且将预先切割好的薄片绕管20包围。另一种方案为将涂层模制在载体上，虽然也可以用其它形式的涂层例如通过喷涂等等。
用于形成树脂外壳22的聚合物是树脂基的材料，它最好是可以热膨胀的。在本发明中可以用许多树脂基复合物形成树脂外壳22。优选的复合物赋予卓越的强度和刚度特性，同时又仅仅少量地加大重量。现在专门论证外壳22的组成，材料的密度最好为20～50磅每立方英尺，以使重量为最小。熔点，热变形温度和产生化学分解的温度都必须足够高，以使外壳22在油漆炉等中经常遇到的高温下保持其结构。因此，外壳22应当能短时耐高于320°F最好350°F的高温。还有，外壳22应当能长期耐90～200°F左右的热而不显示大的由热引起的变形或降解。
更详细一些，在一个特别优选的实施例中，外壳22的热膨胀结构泡沫塑料包括合成树脂、成孔剂和填充剂，合成树脂包括外壳重量的40％～80％左右，更好一些为45％～75％左右，最好为50％～70％左右。最好是，一部分树脂包括柔性环氧树脂。此处所用的术语“成孔剂”一般地指能在外壳22中产生气泡、小孔或空穴的物体。也就是说，外壳22具有微孔结构，具有许多在其整个质量中遍布的微孔。微孔结构提供一种低密度的高强度材料，它提供一结实的但是重量轻的结构。适用于本发明的成孔剂包括可以用玻璃或塑料做成的加强的“空心”微球或微泡。特别优选的是玻璃微球。还有，成孔剂可包括发泡剂，它可以是化学发泡剂或物理发泡剂。当成孔剂包括微球或大球时，它的组成按形成外壳22的材料的重量为10％～50％左右，较好一些为15％～45％左右，最好为20％～40％左右。在成孔剂中包括发泡剂时，它的组成按外壳22的重量为0．5％～5％左右，较好一些为1％～4％左右，最好为1％～2％左右。适用的填充剂包括玻璃或塑料微球，薰制的硅石、碳酸钙，磨碎的玻璃纤维和切断的玻璃丝。特别优选的是触变性填充剂。其它材料也可适用。填充剂按外壳的重量包括1％～15％左右，较好一些为2％～10％左右，最好为3％～8％左右。
用于本发明的优选的合成树脂包括热固性树脂如环氧树脂、乙烯酯树脂、热固性聚酯树脂和尿烷树脂。不希望本发明的范围受到树脂的分子量的限制，而合适的重量将根据本公开内容为熟悉本技术的人所理解。当液态填充剂材料的树脂成份为热固性树脂时，还可以包括各种加速剂(如咪唑)和固化剂(最好为双氰胺)，以加强固化速度。加速剂的起作用的量通常为树脂重量的0．5％～2％左右，并相应地减少树脂、成孔剂或填充剂等三种组分中的一种的量。同样，所用的固化剂的量通常为树脂重量的1％～8％左右，并相应地减少树脂、成孔剂或填充剂等三种组分中的一种的量。在层中还可以包括有效量的操作助剂、稳定剂、着色剂、紫外线吸收剂等。也可以用热塑性塑料。
下表规定了外壳22的优选的配方。已经发现，此配方提供一种能充分膨胀并在320°F左右时固化的材料并提供了卓越的结构性能。本公开内容中的所有百分数均按重量，除非另外专有所指。
组分 按重量的百分数EPON 828(环氧树脂)37．0DER 331(柔性环氧树脂) 18．0DI-cy(双氰胺固化剂) 4．0IMIDILOLE(加速剂) 0．8薰制硅石(触变性填充剂)1．1GELOGEN AZ199(偶氮二酰胺发泡剂) 1．2838 MICROS(玻璃微球) 37．0WINNOFIL碳酸钙(CaCO3填充剂)0．9现在参看图4，图中用剖面示出结构部件24，构件划出空腔26。由于其目的只是为了说明，故结构部件24在此处作为汽车辗杆的一部分示出。其它优选的应用为用于加强顶部的A柱接头和座椅框架。结构部件24有一弧形或弯曲的部分28，它划出了空腔26的弧形部分30。与空腔26相似的各种空腔也就是难于接近之处是本发明的焦点。所示柔性管20在树脂热膨胀之前就在空腔26中就位。管20被弯曲成与空腔26的形状一致。此成形工序最好就地进行。易言之，具有树脂外壳22的柔性管20被插入空腔26中，该外壳22相对于管20的端部位于预先选定的位置。当在管20上作用有力时，管20经过通道往前移动。当柔性管20遇到来自内壁32的阻力时，它就弯曲，从而穿过空腔26“蜿蜒”前进，该空腔包括越过弧形部分30的部分。另一种方案为，可以在某些应用中在插入空腔26中以前将管20弯曲成相配的几何形状。柔性管20所插入的距离要足以使树脂外壳22在弧形部分28中处于应有位置上。一旦就位，如果有需要，就用夹子(未示出)将外端34或管20相对于管20夹紧就位或用其它方法固定就位。
空腔26是非直线几何形状的，它可以比具有图4所示的只有一个弯曲的弧形部分更复杂。当有多个弯曲或不规则部分时，也可以对这些不规则部分的某些或全部提供树脂外壳22，它可以这样做，即设置单个的互相隔开的树脂段或提供一个或更多的位于两个或更多的弯曲处的连续的树脂段。
现在参看图5，所示树脂22处于膨胀状态。也就是说，一旦20与树脂22在结构部件24中就位，将整个组件加热至使发泡剂活化以膨胀和固化树脂外壳22的温度，使树脂膨胀。这一过程在汽车的应用中通常在车辆经过油漆炉移动时完成。树脂膨胀成原有体积的若干倍，最好至少为其原有体积的两倍。膨胀的树脂与周围的结构部件24的壁32接触并牢固地粘结在其上。它还固化而在部件24中形成刚性的加强物。这样，就可在需要加强的精确的地方用最少量的树脂。
现在参看图6和7，管20设有经向的支脚组件36，它有脚38，其数量一般为两个至四个。从图8可以看出，支脚组件36起着将管20在结构部件24中大体地定心的作用。最好使脚38多少有些弹性，即希望脚38在管20被插入空腔26中时向内挠曲。
虽然本发明主要是联系汽车或车辆部件描述的，但是应当理解，本发明可以作为其它产品诸如飞机、船舶、自行车或实际上需要用能量移动的任何物体的部件来实施。同样，本发明也可用于固定的或静止的结构例如楼房中，以在受到例如来自地震的振动时提供刚性支承或单纯对受到载荷的结构提供重量轻的支承。此外，虽然本发明主要是根据热膨胀泡沫塑料和根据金属部件如结构部件和柔性构件进行描述的，但是也可以用其它材料。例如，泡沫塑料可以是任何一种已知的合适的可膨胀的泡沫塑料，它用化学活化而膨胀并形成刚性的结构泡沫塑料。柔性构件可以用金属以外的材料制造，诸如各种塑料或聚合物材料或各种木材型纤维材料，它们具有足够的刚性，以起着泡沫塑料的衬背或支承的作用。在采用热膨胀泡沫塑料时，柔性构件应当能耐在热固化时所遇到的热。不过，在采用其它类型的泡沫型材料时，柔性构件不一定需要能耐高温。反之，柔性构件的基本要求为它要有足够的刚度，以按所要求的方式起作用。例如，它也可以作为这样一种柔性构件材料来使用，即它本身在固化或进一步处理时成为刚性。本发明也可以在结构部件不是用金属制造时予以实施。不过，最好是把结构部件和柔性构件的材料选成和泡沫塑料一样的，以使薄的未膨胀的泡沫塑料在膨胀时与结构部件和柔性构件形成结实的连接，以致能得到一结构复合物。
虽然此处示出了并描述了本发明的特殊的实施例，但是，应当了解，本发明并不限于此，这是因为，根据本公开内容，可以作出许多改进，特别是熟悉本技术的人。因此，根据所附权利要求书，意图复盖任何一种这类改进，只要它属于本发明的实际精神与范围。
权利要求
1．加强部件的方法，它包括下列步骤提供一柔性构件，其长度大于其宽度；用可膨胀树脂包住柔性构件的至少一部分；将柔性构件插入空心部件的空腔中，插入步骤包括这样一个步骤，即弯曲柔性构件，使之适应空腔的几何形状；以及使可膨胀的树脂膨胀，以使树脂粘接在上述部件上。
2．如权利要求1的加强部件的方法，其特征为，柔性构件是一空心管。
3．如权利要求1的加强部件的方法，其特征为，柔性构件是一实心棒料。
4．如权利要求1的加强部件的方法，其特征为，树脂是可热膨胀的并含有空心的微球。
5．如权利要求1的加强部件的方法，其特征为，部件从由用于机动车辆的A柱接头，座椅框架或横摇稳定杆组成的组中选取。
6．如权利要求1的加强部件的方法，其特征为，柔性构件有一附设的间隔器，它用于在膨胀步骤之前将柔性构件与部件的内壁隔开。
7．如权利要求1的加强部件的方法，其特征为，柔性管的长度至少为其直径的五倍。
8．如权利要求1的加强部件的方法，其特征为，柔性管的直径约为8～40mm，其长度约为50～200mm。
9．如权利要求1的加强部件的方法，其特征为，可膨胀的树脂形成一包围并封闭至少柔性构件的一部分的层。
10．如权利要求1的加强部件的方法，其特征为，层有一均匀的2～8mm左右的厚度。
11．如权利要求1的加强部件的方法，其特征为，柔性构件是空心的并具有0．5～1．2mm左右的壁厚。
12．如权利要求1的加强部件的方法，其特征为，柔性管用金属做成。
13．如权利要求12的加强部件的方法，其特征为，金属为铝。
14．如权利要求1的加强部件的方法，其特征为，柔性构件在插入之前要无弹性地变形，其变形要如此，以使柔性构件与空腔的几何形状一致。
15．如权利要求1的加强部件的方法，其特征为，柔性构件在插入步骤中通过与部件接触成形。
16．如权利要求1的加强部件的方法，其特征为，柔性构件在膨胀步骤之前固定在部件上。
17．如权利要求1的加强部件的方法，其特征为，柔性构件的长度至少为其宽度的五倍。
18．如权利要求1的加强部件的方法，其特征为，柔性管基本全部被可膨胀的树脂包住。
19．如权利要求1的加强部件的方法，其特征为，树脂可以热膨胀，并按重量包括40％～80％左右的树脂，10％～50％左右的微球，0．5％～5％左右的发泡剂，1％～15％左右的填充剂，0．5％～2％左右的加速剂和1％～8％左右的固化剂。
20．如权利要求1的加强部件的方法，其特征为，树脂可以热膨胀并按重量包括55％的环氧树脂，4％的双氰联酰胺(dicyandiamide)固化剂，0．8％的咪唑加速剂。1．1％的薰制硅石，1．2％的偶氮二酰胺发泡剂，37％的玻璃微球和0．9％的碳酸钙填充剂。
21．如权利要求1的加强部件的方法，其特征为，柔性构件是一空心管，它具有从其中纵向延伸的电线。
22．如权利要求1的加强部件的方法，其特征为，空腔是非直线的几何形状，它具有至少一个弯曲部分并使柔性构件蜿蜒穿过空腔，直至树脂位于弯曲部分。
23．如权利要求1的加强部件的方法，其特征为，有多个弯曲部分并将树脂放在一个以上的弯曲部分处。
24．如权利要求1的加强部件的方法，其特征为，树脂一围绕柔性构件包裹的用冲模切割的薄片或模制在柔性构件上的涂层。
25．如权利要求1的加强部件的方法，其特征为，柔性构件是一螺旋形缠绕管。
26．如权利要求1的加强部件的方法，其特征为，部件是车辆部件，树脂可以热膨胀，并在油漆步骤中在车辆油漆炉中膨胀树脂。
27．用权利要求1所规定的方法制造的加强部件。
28．加强结构部件的方法，该部件具有由于部件的几何形状而难于接近的空间，方法包括下列步骤提供一中空的柔性构件，其长度至少为其宽度的五倍；用可膨胀的树脂涂复至少一部分柔性构件；将柔性构件插入空心结构部件的空腔中，插入步骤包括这样一个步骤，即弯曲柔性构件，使之适应上述空腔的几何形状。将柔性构件固定在结构部件中；以及膨胀可膨胀的树脂，以使可膨胀的树脂粘接在上述结构部件上。
29．一包括一刚性部分的加强的结构部件，它具有至少有一弯曲部分的非直线几何形状的长形空腔，一柔性构件沿纵向位于上述空腔中并穿过上述弯曲部分，在上述柔性构件上的树脂层位于上述弯曲部分，上述树脂层用在活化时膨胀的结构泡沫材料制造，上述树脂层膨胀成在上述弯曲部分与上述部件紧密接触并与之粘接在一起。
30．如权利要求29的部件，其特征为，部件为从由横摇稳定杆、A柱接头和座椅框架组成的组中选取的车辆部件。
31．如权利要求29的部件，其特征为，上述柔性构件是空心的，电线沿纵向穿过上述柔性构件延伸。
32．如权利要求29的部件，它包括至少一个绕上述柔性构件安装的支脚组件，其位置在上述树脂层的外面，上述支脚组件具有多个向外伸出的脚，它们在上述空腔中与上述部件的内表面弹性接触。
全文摘要
用于加强结构部件的所选择部分的方法,它利用了具有未膨胀的最好是能热膨胀的树脂外壳的柔性管。外壳可以沿柔性管的长度被限制在所选择的区中。柔性管经过弯曲的通道被插入并与被加强的部件的几何形状一致。在管的具有外壳的部分到达所要求的地方以后,将管子就地固定。在加热时,树脂膨胀至为其原有体积的若干倍并只在该区域充满结构部件。
文档编号B21D49/00GK1205923SQ9811630
公开日1999年1月27日 申请日期1998年7月17日 优先权日1998年7月17日
发明者约瑟夫·S·威奇伊 申请人:亨凯尔公司