专利名称：重量轻的增强多层腹板的制作方法
技术领域：
本发明在总体上涉及增强结构部件的方法和装置，具体涉及空心结构部件的增强腹板。
背景技术：
在汽车工业中需要重量轻的高强度结构部件。汽车构件例如横梁、支柱等通常是空心的，以便减小质量而同时又保持较高的强度。虽然利用各种奇特的金属合金可以容易地获得结构部件的这些要求的特征，但在汽车上应用，高强度合金的价格太高。
虽然用泡塑充满整个截面(section)的确可以显著增加截面的刚性(至少在应用高密度泡塑时)，但这种方法也显著增大了质量，因而增加了部件重量，如前所述，在大多数应用中，这是不希望有的特征。另外，用泡塑充满整个截面也显著增加费用，而且常常产生不希望有的热沉(heat sink)。虽然增加截面的金属规格或附加局部的金属增强件可以增加刚性，但当金属厚度增加时，由于金属加工机器的限制，很难形成部件。
现在已提出许多方法来克服增强承受折断负载的空心截面所遇到的问题，以期用这种增强的空心截面来代替价格高的合金、厚规格的金属和大的塑料心。例如，已提出用于结构部件的包含预制增强件的增强嵌入件，其中该增强件由包含热固树脂和起泡剂的许多片粒构成。该预制增强件可在结构部件中就地膨胀和凝固。在这种技术中还说明一种复合的管形门梁，该梁用位于管子中段的合成泡沫心增强。该树脂基泡沫心占据的空间不超过管心的三分之一。
还提出了具有高刚性-质量比的管中管结构，在这种结构中，两个嵌套的管具有一层形成在管之间环形区内的泡塑层。还说明一种具有可起泡树脂特性的局部增强件，该起泡树脂配置在装入的支承件(drop-incarrier)上。该支承件置于空心结构件的沟槽内，然后使树脂膨胀。
因此，十分需要一种低成本的方法来增强空心截面而又不显著增加质量。另外，还需要提供一种可以增强现有空心截面的方法，该方法不要求对部件作基本设计变更。本发明提供一种空心截面，该截面具有增加的强度，但质量只适当增加，完全不用大体积的昂贵树脂。本发明还提供一种用于增强现有结构部件的方法，该方法无需重新设计部件的几何尺寸或在内壁上附加层板。
发明概述在一个方面，本发明提供一种用于结构部件的增强腹板。该增强腹板为矩形板，具有一对端部分和中间部件。一层未膨胀的可膨胀泡塑配置在端部分的一个侧面上和中间部分的一个侧面上。一块薄金属板放在位于矩形板中间部分上的该泡塑层上。在一方面，中间部分具有一对相对的边缘，该边缘具有伸离矩形板表面的凸出部。
在另一方面，本发明提供一种增强的空心部件。该空心部件具有分开一定间隙的一对局部腹板，各个局部腹板具有增强腹板接收表面。增强腹板跨越该一定间隙，固定于各个局部腹板的增强腹板接收表面上。该增强腹板为矩形板，该矩形板具有一对端部分和中间部分。一层可膨胀的泡塑配置在两个端部分和中间部分的一个表面上。在覆盖中间部分的泡塑层上配置一块薄金属板，该薄金属板放置在矩形板中间部分的上面。该中间部分具有一对相对边缘，该边缘具有偏离矩形板表面凸出的凸出部，该凸出部与矩形板的表面形成约45°角。
在再一方面，本发明提供一种增强结构部件的方法，该结构部件具有一对间隔开的局部腹板部分。该方法包括形成结构部件的增强腹板的步骤。该增强腹板为矩形板，具有一对端部分和中间部分。在两个端部分的一个表面上和中间部分的表面上放置一层可膨胀的泡塑。在覆盖中间部分的泡塑层上放置一块薄金属板。该增强腹板放置在结构部件的局部腹板之间的分开距离或间隙上，使得端部分上的可膨胀泡塑可与局部腹板部分接触并粘接在上面。
下面参考附图更详细说明本发明的这些以及其它的优点和目的。
对附图的简要说明
图1是具有局部腹板的汽车结构部件的端视图；图2和3分别是沿图1的2-2线和3-3线截取的横截面图；图4是本发明的多层增强腹板插入部件的部分切去的侧视图；图5是沿图4的5-5线截取的横截面图；图6是类似于图4的侧视图，但示出已安装就位的增强单元；图7是图6所示构件的顶视平面图；图8是沿图6的8-8线截取的横截面图；图9类似于图8，示出泡塑已膨胀的状态；图10～12类似于图9，示出本发明的其它变型例。
详细说明本发明涉及通过形成一种可装入的插入部件(drop in insert)提供一种重量轻的多层增强腹板加强板，该加强板可劲化和加强围成空心的横截面(hollow built up cross-section)，该可装入的插入部件具体用在汽车工业上时可以是烤漆固化部件。在本发明的优选实施例中，该多层腹板包括例如用铝作的薄金属板，该薄金属板上具有可膨胀的聚合物层，由此构成可装入的插入部件。该金属板和固化的聚合物形成重量轻的加劲腹板，该加劲腹板可防止横截面受到负载时发生形变。装入的重量轻的增强插入部件不需焊接，因为可膨胀的聚合物可起结构粘合剂的作用，而且它比加上负载时可能折断的薄金属腹板更具刚性和强固性。
图1～3示出两片结构部件10、10，该结构部件可由多层增强腹板12增强。该多层增强腹板12清楚地示于图4～5。如图1～3所示，一对局部腹板或腹板部分34伸入到由结构部件10形成的空心空间内。这些不同的结构部件构件由结构部件的凸缘32、32固定在一起。腹板部分34间隔开，形成间隙35。如下面说明的，增强腹板或插入部件12配置成桥接该间隙，并在提供增强的同时有效地将各种构件固定在一起。下面还将说明，在腹板部分34上形成孔30，以确保将增强腹板12配置和固定在结构部件上。
如图4～5所示，多层增强腹板12包括多片装入的插入部件，该插入部件包括具有中间部分16和两个端部分18、18的底腹板或支承部件腹板14。该端部分18、18通过切口20而与中间部分14分开。结构泡塑层22配置在各个部分上，或者形成连接层覆盖腹板14的表面，或者形成三个间隔开的层覆盖该表面。在聚合物的结构泡塑层22上配置盖层24。该盖层24最好只配置在中间部分16上。中间部分16的侧边弯离中间部分16的主表面，形成凸出部26，同时盖层24的侧边向相反方向弯曲，形成凸出部28。该切口20有助于凸出部26的弯曲。
如图4所示，可以在腹板14的适当位置例如在端部分18上形成孔31，使得在以后可以准直腹板部分34上的孔30。孔或开口30和31配置成可穿过销钉36，以确保一开始便正确地固定部件，如图7所示。
图6～9示出安装就位于结构部件10内的可装入的插入部件或增强腹板12。如图所示，端部18固定在腹板部分34、34上，方法是使推压销钉36穿过泡塑层22，通过端部分18上的相应孔以及局部腹板34上的孔30。腹板12的中间部分16跨越敞开的空间或间隙35。盖板24起着在此敞开区域提供附加增强件的作用。因为应使泡塑层24直接接触局部腹板34，所以在端部分18上不配置盖部件24。在插入部件12中间部分上的凸出部26、26和28、28配置成斜接于结构部件10、10的内表面。
在实践中，装入的插入部件或增强腹板12要插入到结构部件10中的一个部件的空心空间中。将孔30和31对正，然后如前所述插入推压销钉36，这样便正确地固定腹板12。因为未膨胀的泡塑层具有粘性，所以装入的插入部件可配置在局部腹板34的顶侧和下侧。将腹板装在一个结构部件上以后，再使另一结构部件安装就位，然后将这些结构部件用其凸缘32、32固定在一起。随后使聚合物泡塑层22膨胀，从而形成结构泡塑，使各种结构部件紧密地粘合在一起。
图8示出泡塑层22膨胀前的最后组装件。如图所示，倾斜凸出部26、26和28、28与结构部件10、10的内表面相接触。当泡塑层是热膨胀泡塑时，可以在结构部件的正常装配线作业期间例如在汽车装配线上通常用的常规烤漆炉中使泡塑膨胀。由此可激发热膨胀泡塑，使其向外膨胀，膨胀时，它可以流动，并与支承部件14、盖部件24和其凸出部26、28紧密接触，并与结构部件10、10的内表面接触，如图9所示，还可与局部腹板34、34接触。这些凸出部起着形成导向表面的作用，以便使泡塑膨胀并将泡塑引向与结构部件接触。结果，泡塑不仅起增强件的作用、而且还使所有构件即两个结构部件10、10、它们的局部腹板34、34以及装入的插入部件的支承部件14和盖部件24系结在一起。
如由预定的最终应用所确定的，可以用各种材料和尺寸实施本发明。支承部件14最好是薄金属板，而且最好是厚度例如为0．010英寸的铝板。虽然图中所示端部分18、18具有同样大小，但一个端部分可以长于另一端部分。在本发明的一个实施例中，一个端部分18的长度为8英寸，而相对端部分18的长度为4英寸。支承部件14的宽度例如为4英寸，而中间部分16的长度为9英寸，因此支承部件14的总长度为21英寸。上述临时申请是对比文件，该临时申请的所有细节包括在本文中。该临时申请公开了应用本发明时所用的特定尺寸、形状和材料。如本文说明的，泡塑层22在未膨胀状态下为3／16英寸厚。凸出部26和28配置在30°～60°之间的角度，最好在45°角。推压销钉所用的孔30、31其直径例如为3／16英寸。支承部件14和盖部件24为薄金属板例如铝板或钢板，其厚度约为0．003～0．050英寸或约为0．005～0．028英寸。
该结构部件可以是例如汽车横梁等，它们通常用钢或铝制作。
该结构部件也可以是挡风玻璃立柱或例如位于车门下面的隔壁支承件。这些部件是应用本发明的简单例示性部件。支承部件14一般为平板，其形状为长方形，端部分18、18配置在两侧面，并且在其中部分16上可以轻微压痕。支承板14的尺寸被定为可以匹配待增强的构件，但其长度典型为约10～30英寸，其宽度约3～6英寸。凸出部26、28提供附加的结构强度，并形成聚合物膨胀的预定空间，使得聚合物可以膨胀和固定于结构部件10、10的横截面的顶壁和底壁。
如图7所示，聚合物层22可以是不连续的层，其中在支承部件14上的中间部分16和端部分18、18的结合处没有聚合物。或者可以在整个支承部件14覆盖一层连续层22。在支承部件14的其它供选择部分例如纵向边缘上也可以不覆盖聚合物层。泡塑层或聚合物层22其厚度最好约为0．125～0．25英寸，而且最好是为降低密度含有空心玻璃微球的树脂基材料。为尽量减少重量，材料的密度最好为约20～约40英磅／英尺3。熔点热形变温度和发生化学分解的温度还必须充分高，以使泡塑22在烤漆炉等中遇到的典型高温下可以保持其结构。因此泡塑层22应当能够承受125℃以上的高温，最好在短时间内可以承受160℃的温度。可以参考美国专利No．5，575，526，该专利的所有细节已作为参考文献包含在本文中，该专利已公开适用的泡塑材料，该材料包括热膨胀或加热膨胀泡塑。还可参考1997年8月19日提交的待审查申请No．08／914，481，该专利的细节已作为参考文件包含在本文中。该申请已公开可以用于实施本发明的适用的材料。虽然可以应用化学方法激发的泡塑，但在汽车组装线上用热膨胀泡塑是特别有利的，因为在使插入部分12上具有泡塑的结构部件在炉子中加热时例如在汽车制造中进行常规烤漆作业时便可使泡塑膨胀。因此不需单独的加热步骤来使泡塑膨胀。但是应当明白，尽管热膨胀泡塑是最好的，但是本发明可以采用其它的泡塑例如化学反应激发的泡塑来实施本发明。因此，在本发明的更广泛实践中可以应用任何合适的可膨胀泡塑材料或树脂泡塑。
泡塑层22可以形成为预成形片，该预成形片具有充分大的粘性，可以粘接在支承部件14、盖板24和局部腹板34上。这些片可以被冲切或挤压。覆盖部分18、18的上片可以形成与孔30、31准直的孔，该孔30、31起定位孔作用，使得可利用推压销钉等将支承板14固定在结构部件10上。
为了获得最大强度和最小重量，本发明使泡塑和重量轻的金属相结合。通过在中间部分16上具体在中间部分的未膨胀泡塑层22上设置薄金属板或盖板24形成腹板增强件，这种腹板增强件便体现了这种思想。薄金属板24最好是高强钢或高强铝，其规格号在约0．028～约0．050之间。即该薄金属板其厚度最好在约0．003～约0．015英寸之间，而且大体覆盖中间部分16的主要部分。
如图3所示以及如前所述，结构部件10包括局部腹板34、34以及该局部腹板之间的敞开间隙35。装入的插入部件12横过该间隙，跨接在局部腹板34、34上。端部分18、18贴着局部腹板34、34，并用推压销钉36、36固定就位。因此装入的插入部件12跨越该间隙。泡塑层22配置在局部腹板34和端部分18之间，从图7可以清楚看出。因此装入的插入部件12起着增强件的作用，该插入部件本质上起着局部腹板34、34之间搭接件的作用，形成跨接结构部件10的完全腹板。当结构部件10受热时，例如当汽车通过烤漆炉时，泡塑层22通过起泡剂的作用便膨胀。这种膨胀使得泡塑层22可以充满该泡塑层结合处的任何空隙并形成其强度大于单一薄金属板的重量轻的腹板。
本发明采用跨接腹板的方法可以特别有效地在一对彼此分开的腹板之间形成连接，从而可以有效增强具有该腹板的结构部件。
尽管是针对作为汽车构件的结构部件对本发明进行具体说明，但本发明可应用于其它需要提供增强腹板的结构部件，该腹板可跨接空心结构部件的局部腹板并稳定横截面的壁。
图10～12示出本发明可选择的实施例，其中可采用各种多层隔壁或腹板来实施本发明，图中示出膨胀后状态。如图10所示，具有敞开顶部的空心结构部件50具有装入的插入部件52，该插入部件包括一对间隔开的金属U形板54、56，该U形板可认为是类似于先前实施例中的支承部件14和盖部件24。该板54、56具有平行的中间部分和成镜像的凸出部55、57。泡塑层58加在支承部件54、56之间，该泡塑层在其相对端部分60、62上露出。端部分60可直接放在结构部件50的中间壁64上。将装入的插入部件52定位在结构部件50内后，将盖子或其它结构部件66装在由结构部件60形成的沟槽上并封闭该沟槽。当泡塑膨胀时盖子66便直接接触泡塑58的部分62。在膨胀时泡塑紧密固接于结构部件50的盖子66，同时形成结构部件的增强件。如果需要，还可在结构部件50和盖子66的向外延伸凸缘上进一步固定构件68，例如用焊接进行固定。
图11示出图10所示实施例的变型，其中，前面所述的支承部件54由平板式的支承部件74取代。在图12所示的实施例中，支承部件76、78大体为平板，但具有向外伸出的成镜像的凸出部80、82，使得泡塑可定位在支承板76、78和凸出部80、82之间。
因此，图10～12所示实施例的共同之处是，一个支承件配置在泡塑层的一侧，该支承件具有特殊端部，该端部偏离中间部分的主表面。盖子部件配置在支承部件的相对侧，从而将泡塑层限制在其间。这种配合使泡塑层暴露在支承部件两个端部分外侧的两个相对端表面上。在图10中该端部分是垂直壁55或57。在图11中该端部分是垂直壁57。而图12中该端部分是凸出部80或82。
图10～12的实施例示出本发明的用于增强结构部件的不包括局部腹板的实施例。
权利要求
1．一种空心结构部件的增强腹板，包括具有一对端部分的板；上述板具有位于上述端部分之间的中间部分；上述板的上述中间部分和上述端部分分别具有主表面，上述主表面是共平面的；可膨胀泡塑层配置在各个上述端部分的上述主表面上；可膨胀泡塑层配置在上述中间部分的上述主表面上；薄盖板配置在覆盖上述中间部分的上述泡塑层上。
2．如权利要求1所述的结构部件的增强腹板，其特征在于，上述中间部分具有一对相对边缘；各个上述边缘具有偏离上述主表面凸出的凸出部。
3．如权利要求1所述的结构部件的增强腹板，其特征在于，上述主表面整个基本上由上述可膨胀泡塑覆盖。
4．如权利要求2所述的结构部件的增强腹板，其特征在于，上述凸出部相对于沿上述中间部分的上述主表面的轴线向约45°角方向凸出。
5．如权利要求1所述的结构部件的增强腹板，其特征在于，上述板和上述薄板是金属。
6．如权利要求1所述的结构部件的增强腹板，其特征在于，上述可膨胀泡塑是包含起泡剂的树脂基材料。
7．如权利要求1所述的结构部件的增强腹板，其特征在于，上述端部分和上述端部分上的上述可膨胀泡塑层具有适合于接收紧固件的孔。
8．如权利要求1所述的结构部件的增强腹板，其特征在于，上述板为矩形，而上述泡塑在上述板上是不连续的，在上述端部分和上述中间部分的结合处该板上没有上述泡塑。
9．如权利要求2所述的结构部件的增强腹板，其特征在于，上述盖板具有两个相对边缘，各个边缘结束于凸出部，该凸出部偏离上述主表面凸出。
10．一种增强的空心部件，包括空心部件，该空心部件具有一对分开一个间隙的局部腹板，各个上述局部腹板具有增强腹板接收表面；增强腹板跨越上述间隙，并连接于各个上述局部腹板的上述增强腹板接收表面；上述增强腹板包括具有一对端部分的板；上述板具有位于上述端部分之间的中间部分；上述板的中间部分和上述端部分分别具有主表面，上述主表面是共平面的；结构泡塑层配置在各个上述端部分的上述主表面上，并且上述端部分的上述结构泡塑接触上述局部腹板的上述增强腹板接收表面；结构泡塑层配置在上述中间部分的上述主表面上；薄板配置在覆盖上述中间部分的上述结构泡塑层上。
11．如权利要求10所述的结构部件的增强腹板，其特征在于，上述中间部分具有一对相对边缘；各个上述边缘具有偏离上述主表面凸出的凸出部。
12．如权利要求11所述的结构部件的增强腹板，其特征在于，上述凸出部相对于沿上述中间部分的上述主表面延伸的轴线向约45°角的方向凸出。
13．如权利要求10所述的结构部件的增强腹板，其特征在于，上述主表面整个基本上由上述可膨胀泡塑层覆盖。
14．如权利要求10所述的结构部件的增强腹板，其特征在于，上述板和上述薄板是金属，而且上述板为矩形。
15．如权利要求10所述的结构部件的增强腹板，其特征在于，上述可膨胀泡塑是包含起泡剂的树脂基材料。
16．如权利要求8所述的结构部件的增强腹板，其特征在于，上述端部分和上述端部分上的可膨胀泡塑层具有适合接收紧固件的孔。
17．一种增强空心结构部件的方法，该结构部件具有一对间隔开的局部腹板部分，该方法包括如下步骤形成结构部件的增强腹板；上述增强腹板包括具有一对端部分的板；上述板具有位于上述端部分之间的中间部分；上述板的上述中间部分和上述端部分分别具有主表面，上述主表面是共平面的；可膨胀泡塑层配置在各个上述端部分的上述主表面上；可膨胀的泡塑层配置在上述中间部分的上述主表面上；薄板配置在覆盖上述中间部分的上述泡塑层上；将上述增强腹板配置在上述间隙上，使得上述端部分的上述可膨胀泡塑层接触上述局部腹板部分并固接在该部分上；加热上述可膨胀泡塑，以形成结构泡塑。
18．如权利要求17所述的增强结构部件的方法，其特征在于，上述中间部分具有一对相对边缘；各个上述边缘具有偏离上述主表面凸出的凸出部。
19．如权利要求18所述的增强结构部件的方法，其特征在于，上述薄板具有一对相对边缘，各个边缘具有偏离上述主表面沿相反于上述中间部分的上述凸出部的方向凸出的凸出部。
20．如权利要求17所述的增强结构部件的方法，其特征在于，上述整个主表面基本由上述可膨胀泡塑层覆盖。
21．如权利要求19所述的增强结构部件的方法，其特征在于，上述凸出部相对于沿上述中间部分的上述主表面延伸的轴线向约45°角的方向凸出。
22．如权利要求17所述的增强结构部件的方法，其特征在于，上述板和上述薄板是金属，而且上述板为矩形。
23．如权利要求17所述的增强结构部件的方法，其特征在于，上述可膨胀泡塑是包含起泡剂的树脂基材料。
24．如权利要求17所述的增强结构部件的方法，其特征在于，上述端部分和上述端部分上的上述可膨胀泡塑层具有适合于接收紧固件的孔。
25．一种增强的结构组件，包括空心结构部件，上述结构部件为沟槽形，具有敞开的顶端和远离上述敞开顶端的与该顶端相对的相对端部，上述结构组件还包括插入到上述结构部件沟槽中的增强插入部件，上述增强插入部件包括具有主表面的支承部件、可膨胀的结构泡塑层和盖部件，上述支承部件具有端部分，上述端部分在上述主表面的两个相对边缘偏离上述主表面，上述结构泡塑层配置在上述支承部件的上述主表面和上述端部分上，而上述盖部件配置在平行于上述主表面的上述泡塑层上，上述结构组件还包括盖子，上述盖子装在上述沟槽的上述敞开顶端上，上述泡塑配置成当使上述泡塑膨胀时可紧密接触上述结构部件的上述盖子和上述远端，这样，泡塑便紧密固接在上述盖子、上述结构部件、上述支承部件和上述盖部件上，由此形成增强件。
26．如权利要求25所述的结构组件，其特征在于，上述盖部件包括端部分，该端部分沿相反于上述支承部件的上述端部分的方向偏离上述主表面延伸，形成上述支承部件的上述端部分的镜对称像，上述泡塑位于上述盖部件的上述端部分上。
27．如权利要求26所述的结构组件，其特征在于，上述支承部件的和上述盖部件的上述端部分在总体上垂直于上述主表面。
28．如权利要求26所述的结构组件，其特征在于，上述支承部件和上述盖部件的上述端部分相对于上述主表面呈30°～60°之间的角度。
29．如权利要求25所述的结构组件，其特征在于，上述支承部件的上述端部分在总体上垂直于上述主表面，而上述盖部件则只位于平行于上述主表面的一个平面上。
全文摘要
重量轻的结构增强件(12)跨越结构部件(10)上的间隙。该增强件(12)起腹板的作用,具有金属板(14)、泡塑层(22)和选择性配置在增强件(12)中间部分上的薄金属增强板(24)。在板(14)端部分(18)上的未膨胀泡塑(22)可起粘合剂的作用,可使增强件(12)固接在要增强的结构部件(10)上。
文档编号B32B15/08GK1290319SQ99802907
公开日2001年4月4日 申请日期1999年2月9日 优先权日1998年2月13日
发明者约瑟夫·S·威克奇 申请人:亨凯尔公司