带有带状设备的冲击吸收设备的制作方法

专利名称：带有带状设备的冲击吸收设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于制造冲击吸收设备(例如车辆保险杠杆和车辆车门横梁)的方法。本发明还涉及由此获得的冲击吸收设备。
背景技术：
在现有技术中，公知例如冲击吸收保险杠或车门横粱的冲击吸收设备。
目前，这种冲击吸收设备可由金属例如钢或铝的基体制成。这种金属冲击吸收设备的缺点在于比较重，这在用于机动车或运输装置的场合时是非常不利的。由于其制造方法，这种金属冲击吸收设备的功能集成性不够灵活。重量使得油耗增加，因为车辆要一直携带该重量。
这种重的冲击吸收设备的替代形式出现在将合成材料用作复合材料时，该复合材料通常为玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、高模量PET纤维或碳纤维加强聚合体。这种复合材料的缺点在于在它们受到相当大的冲击的情况下，它们有可能散开成小片。尽管在这种相当大的冲击下，车辆可能保持不受损坏，但是从破裂的冲击吸收设备散开的聚合体材料的部分可能会对位于该冲击吸收设备后方的车辆零件造成损坏，例如在油箱上穿孔或者损坏发动机体。
而且，在纤维加强复合材料承受一些负载的情况下，可能会出现小的裂缝，这些裂缝在很大程度上降低了该冲击吸收设备的安全性和吸收特性。通常，在受到一些力的情况下，出于安全原因，将要替换整个冲击吸收设备。
还已知使用细长金属元件，例如金属丝或金属绳，例如钢丝或钢绳等或者例如US-A-5290079中的纺织网栅，作为由聚合体基体和玻璃或碳纤维制成的复合体基体的额外加强件。
然而，这种金属丝或者金属绳加强的冲击吸收装置的设计和制造遇到了一些问题。例如，在设备的挤制模压期间，该设备中的细长金属元件的固定可能存在困难。而且，该梁可能设计为没有底切，以使其可以模制，这种没有底切强烈地限制了这种增强梁的设计自由度。
而且，当人们想要由金属加强的复合冲击吸收设备替换已有的由金属或复合材料制成的冲击吸收设备时，这种更换使得需要重新设计该冲击吸收设备的基体体积，使得需要设计并制造新的挤制模具，并引起了许多技术和经济上的问题。

发明内容
本发明的目的是避免现有技术的问题。
本发明的另一目的是增强冲击吸收设备的耐冲击性，而不需要重新设计该冲击吸收设备的基体体积。
本发明的一个目的是部分地恢复已经承受冲击力的该冲击吸收设备并增强该冲击吸收设备的耐冲击性，这不会使得整个设备裂开。
本发明的另一目的是提供一种避免已有的复合材料冲击吸收设备的基体体积散开的方法，该冲击吸收设备例如为玻璃或碳纤维加强的聚合体冲击吸收设备。
本发明的另一目的是增强冲击吸收设备在承受冲击力时的零件整体性。
本发明的另一目的是提供一种能量吸收能力提高的冲击吸收设备。
本发明的另一目的是提供一种能量吸收能力提高的冲击吸收设备，而不需要重新设计冲击吸收设备的基体体积。
最后，本发明的一个目的是提供一种方法，其使得在制造加强梁时具有更大的设计自由度。
根据本发明的第一方面，提供一种用于制造冲击吸收设备的方法，正如权利要求1中所声明的那样。
两步骤方法-即首先挤制模压该基体体积然后连接带状设备，允许实现由单个挤制模压操作所不能实现的更为复杂的结构。
形成例如金属钢丝或者金属绳以及例如金属钢丝和金属钢绳的细长金属元件，为冲击吸收设备的已有基体体积提供了额外的冲击吸收力。然而，避免了重新设计整个冲击吸收设备。
需要理解的是，基体体积等其自身用作冲击吸收设备。将带状设备连接到基体体积，增强了该基体体积的抗冲击性，并且增强了该基体体积的冲击吸收能力。在基体体积用作冲击吸收设备等的情况下，并且在基体体积承受冲击力并在该基体上产生微小的裂纹的情况下，带状设备的连接可恢复该冲击吸收能力和所需水平的抗冲击性。也就是说，至少将该基体体积的冲击吸收特性恢复到其初始水平。可以理解的是，带状设备可连接到基体体积，于是在使用冲击梁之前，增强该基体体积的抗冲击性并提高该基体体积的冲击吸收能力，例如在由于改变立法或者改变期望值时而提高所需的冲击吸收能力的情况下。
通过选择细长金属元件的机械特性，例如杨氏模量、在特定负载下的伸长率、在带状设备中的细长元件的数目、所使用的金属合金的特定强度、可能会影响该元件和聚合体基体之间粘附性的涂层类型、机械锚定、柔性等，这些选项可能会提供抗冲击性的增长，而不会被迫改变冲击吸收设备的基体体积的设计尺寸。在基体体积的制造期间，不考虑冲击吸收设备的基体体积与细长金属元件之间的互相作用。
此外，通过在制造阶段的单独步骤中将带状设备连接到冲击吸收设备，可以使得冲击吸收设备具有复杂结构，例如所谓的底切结构。例如，冲击吸收设备的U形基体体积是能够预见到的，带状设备被连接到U形的两个端部上，从而提供大致中空的矩形冲击吸收设备。这种设备不能通过单个的挤制模压过程形成。
基体体积可由不同的可行基体形成，例如铝或者聚合体基体，例如聚烯烃、聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚缩醛、聚砜、聚醚酮、聚酰亚胺和聚醚酰亚胺的热塑聚合体，或者例如聚酯的热固聚合体。冲击吸收设备的这种聚合体基体可还包括加强材料，例如玻璃纤维、碳纤维或任何其它加强纤维，人造纤维或天然纤维，任意取向或取向固定的纺织物或其它片。例如，可使用LFT和GMT聚合体基体。
由于存在包括细长金属元件的带状设备，为了使得大多数冲击得到改进，细长金属元件优选地大致平行于冲击吸收设备的冲击表面。
冲击吸收的冲击表面应该理解为冲击吸收设备的表面，在设备使用期间，冲击力将施加在该表面上。
优选地，带状设备和冲击吸收设备的基体体积之间的剪切强度大于冲击吸收设备的基体体积的结合强度。这在冲击吸收设备承受过高的冲击负载时提供额外的优点，基体体积中可能会从冲击吸收设备散开的部分可能仍然粘附到带状设备。可以在很大程度上避免各部分散开。
注意到，这样的冲击吸收设备是失效系统，即当这些冲击吸收设备承受三点弯曲测试时，带状设备和冲击吸收设备的基体体积之间的剪切强度大于冲击吸收设备的基体体积的结合强度。
冲击吸收设备布置在两个支撑点上，杆具有30mm的半径，并且这些杆的轴线彼此之间相距900mm。冲击吸收设备的冲击表面指向为背离支撑杆。在这两个杆之间的距离的中间通过半径为135mm的管状弯曲表面施加力。施加该力，直到冲击吸收设备失效。注意到，在带状设备和冲击吸收设备的基体体积之间的剪切强度大于冲击吸收设备的基体体积的结合强度的情况下，失效系统是基体体积破裂或断裂，使得冲击吸收设备失效，而带状设备和基体体积的连接仍然完整无缺。
由于在失效瞬间，还未达到剪切强度，带状设备和冲击吸收设备的各部分仍然粘附在一起，使得没有或者很少部分散开。将会实现部件的完整性，将在很大程度上避免各部分散开。
在剪切强度超过结合强度的情况下，带状设备在冲击吸收设备破裂之前将不会散开。
可以通过例如WO-A1-01/44549(其全文在此引入以供参考)中的纺织织物设置细长金属元件。可以理解的是，细长金属元件可以在经线方向或纬线方向上。用于本发明的方法中的带状产品优选地包括额外的聚合体基体材料，其基本上包封该细长金属元件。这可通过多种方式获得，例如通过挤制在细长金属元件周围的聚合体基体涂层，或者将细长金属材料层压在两层或多层聚合体层之间而实现，或者通过热浸方法、通过共同挤制或拉制实现。
对于聚合体基体材料，所有的热塑聚合体都是合适的，例如聚烯烃、聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚缩醛、聚砜、聚醚酮、聚酰亚胺和聚醚酰亚胺。
带状设备可以还包括玻璃纤维或碳纤维，作为短纤维，或者作为单向或多向纺织或无织毡制品。这种纤维可还作为短纤维出现在聚合体基体材料中。
冲击吸收设备和带状设备之间的连接可由多种方式实现。带状设备可通过例如接触胶、热熔胶、胶带、双成分胶水、环氧胶粘剂、多功能硅烷或其它类型的胶粘合到冲击吸收设备的表面。替代地，带状设备和冲击吸收设备的基体体积可通过超声波焊接或高频焊接彼此连接。带状设备可通过螺栓、螺母或螺钉、钉子、铆钉或其它类似装置连接到冲击吸收设备的基体体积。
替代地，在带状设备包括热塑聚合体基体材料的情况下，可通过下列步骤实现连接首先加热聚合体材料以使聚合体基体部分熔化或软化，随后将部分熔化或软化的聚合体基体材料与冲击吸收设备的基体体积的表面接触，其中聚合体基体材料冷却，从而固化并连接到冲击吸收装置的基体体积的表面。优选地，在此步骤中施加一些压力。替代地，在冲击吸收设备的基体体积由能够熔化的材料制成的情况下，其上要连接带状设备的基体体积的表面可经受加热，以部分地熔化或软化冲击吸收装置的基体。随后，带状设备接触到部分地熔化或软化的冲击吸收设备的基体。优选地，在此步骤中施加一些压力。
例如，可使用火焰、激光或等离子加热。
在例如通过加热或胶合而连接之前，冲击吸收设备的基体体积的表面和/或带状设备可以变得更为粗糙以获得更好的连接。这可例如通过机械或化学磨损实现，例如由硫磺酸或铬酸蚀刻，或者例如通过电晕或等离子蚀刻。
根据本发明，细长金属元件可以是金属丝或包括金属丝的金属绳。
金属丝的直径即金属元件的径向横截面的直径可大于或等于100μm，优选地大于125μm，例如大于150μm或者甚至大于175μm。所有可能的金属合金可用于提供金属丝。油淬硬钢是可以使用的。
更优选地，金属绳用在用于冲击吸收设备的带状设备中。更优选地，金属绳是一种能够吸收较高量的冲击能量的类型。然而，也可使用其它金属绳。
这里的实施例是-多股金属绳，例如m×n类型，例如金属绳，包括每股具有n根丝的m股，例如4×7×0.10或3×3×0.18；最后的数字是每根丝的直径，以mm表示。
-紧凑的绳，例如1×n类型，包括n根金属丝，n大于8，在仅一个方向上由单个步骤扭转，以使横截面紧凑，例如1×9×0.18或1×12×0.18；最后的数字是每根丝的直径，以mm表示。
-分层的金属绳，例如具有l+m(+n)类型的，例如具有l根丝的芯体，由m股丝的一层环绕，并且还可由n股丝的另一层环绕，例如2+4×0.18；最后的数字是每根丝的直径，以mm表示。其它实施例是0.20+18×0.175，0.365+6×0.35或3×0.24+9×0.225。
-单股金属丝，例如具有1×m类型，金属绳包括在单个步骤中扭转的m股金属丝，m的范围为2-6，例如1×4×0.25；最后的数字是每根丝的直径，以mm表示。
-敞开的金属绳，例如为m+n类型的，例如具有由n根金属丝环绕的m层平行金属丝，例如在US-A-4408444中披露的，例如金属绳2+2×0.25；最后的数字是每根丝的直径，以mm表示。
上述所有绳可装备有一个或多个螺旋缠绕丝，以提高作为带状设备的一部分的聚合体材料的聚合体基质中的绳的机械结合力，并且/或者若该线是通过使用这种平行丝而提供的，则将这n根单个平行波状或者非波状但塑性变形的丝捆扎起来。
然而，优选地，用于本发明中的金属绳可以是具有断口的高延伸率的金属绳，例如延伸率超过4％，例如延伸率介于5％～10％之间。高延伸率的金属绳具有更高的吸收能量的能力。
这种金属绳是-高延伸率或延伸的金属绳(HE绳)，即高度扭转的多股或单股金属绳(在多股金属绳的情形下，股中的扭转方向也就是绳中股的扭转方向SS或ZZ，这就是所谓的同向捻法)，以获得具有所需程度的弹性势能的弹性绳；例子是3×7×0.22的高延伸率金属绳，在SS方向上的捻距为4.5mm和8mm；-或者是已经经过应力减轻处理的金属绳，例如如EP-A1-0790349中公开的那样；例子是2×0.33+6×0.33的SS绳。
-作为替代或者除了高延伸率金属绳外，金属绳可由一根或多根已经弹性变形的丝组成，从而其是波浪的。其波浪特性额外地增加了延伸率。波状特征的例子是例如在WO-A1-99/28547中公开的螺旋线或空间卷曲。
-高冲击绳(high impact cord)，例如5×0.38。
关于带状设备所需的特性，所有金属绳可以是相同的，或者替代地，不同金属绳可用于构成带状设备。
用于提供这种金属绳的金属丝的直径即金属丝的径向截面的直径大于或者等于100μm，更优选地大于125μm，例如大于150μm或者甚至大于175μm。金属绳的所有金属丝可具有相同的直径，或者金属丝的直径可彼此不同。优选地，金属绳的光学直径(optical diameter)大于200μm，或者大于250μm，例如大于300μm或更大。金属绳的光学直径应该理解为环绕金属绳的径向横截面的最小假想圆的直径。
最优选地，钢绳用于本发明中。目前已知的钢合金可可用于提供钢绳。优选地，钢绳经过应力减轻热处理，例如在该钢绳上通过高频或中频感应线圈，线圈的长度适于在制造期间钢绳的速度。已经观察到在一段时间内将温度升高到高于400℃，钢绳的拉伸强度降低(减小约10％)，但是同时绳在断裂之前的塑性延伸率可获得6％的增加。这种钢绳此后将称为应力减轻钢绳。
有可能，细长金属元件可涂以聚合体涂层，该聚合体涂层由例如聚烯烃、聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、热塑聚酯、聚碳酸酯、聚缩醛、聚砜、聚醚酮、聚酰亚胺或聚醚酰亚胺组成。
带状设备以此种方式连接到冲击吸收设备，使得细长金属元件基本上平行于冲击吸收设备的冲击表面。
术语“冲击表面”应该理解为在使用冲击吸收设备时冲击力将要作用在其上的表面。
带状产品可连接到冲击表面。然而，优选地，带状产品连接到冲击吸收设备与冲击表面相对的表面。由于这种情况，当冲击力作用在冲击表面上时，细长金属元件将处于张力下。在此情形下，细长金属元件将向冲击吸收装置提供抗冲击性能的最大增加。在可能的实施方式中，带布置在该冲击吸收设备的两侧(三明治式的结构)。带可以是相同的或者包含另一种绳组成成分。这在压缩和拉伸区域提供了所需的特性。
带状设备还可设置在冲击吸收设备的另一表面上。
在一个实施方式中，带在冲击吸收设备的基体体积的整个长度上布置。带例如能够借助螺栓固定在碰撞锥面上。在另一实施方式中，带能够在冲击吸收设备的基体体积的一部分长度上布置。这起到所需要求以及重量限制的特性的作用。
具有加强的抗冲击性的冲击吸收设备特征在于基体体积以及在基体体积的外表面处连接到该基体体积的带状设备。
基体体积可由不同材料形成。带状设备在基体体积的至少一个外侧连接到基体体积，从而在基体体积和带状设备之间提供交界面。该交界面可包括连接基体体积和带状设备的胶。该交界面的特征在于包括一层熔化并重新凝固的聚合体，或者是由于基体体积的熔化和凝固，或者是由于带状设备的聚合体基体的熔化和凝固。
抗冲击性提高的冲击吸收设备可用于多种场合。例如，车辆保险杠杆或车辆车门横梁是冲击吸收设备，其抗冲击性可由本发明的方法而提高。可选的使用例如车辆中的十字汽车梁、A柱、B柱或C柱。


现在将参照附图更详细地描述本发明，其中-图1a和图1b示意性地示出U形GMT冲击吸收装置，其包括聚合体基体体积和连接到聚合体基体体积的带状设备。
-图2示出冲击吸收装置的测试装备。
-图3示出图1的GMT冲击吸收装置在具有和不具有连接的带状设备的情况下的载荷曲线。
-图4a示出了现有技术的冲击吸收设备的横截面，图4b和4c示出本发明的冲击吸收设备的横截面。
具体实施例方式
如图1a和1b所示，设置冲击吸收装置100，其基体体积101由包括聚丙烯和40％重量的随机玻璃纤维的GMT制成，并且具有U形截面，该U形截面具有为5mm的厚度104、为45mm的高度103、为90mm的宽度102和为1480mm的长度116。冲击吸收装置100具有标为105的冲击表面。
在U形基体体积101的末端106，包括金属绳108的带状设备107连接到基体体积101和带状设备107相遇的地方109，从而提供冲击吸收设备。
用于提供带状设备107的金属绳108为3×0.26+9×0.245的钢绳。彼此之间等间距的89根绳用于提供等于所述冲击吸收设备102的宽度的宽度，为90mm。在这些绳周围，通过在绳周围层压两层聚丙烯而形成厚度113为2mm的聚丙烯层。这些绳设置为大致位于厚度113的中间。
带状设备107和冲击吸收设备100的基体体积101通过以下方式彼此连接，即，使带状设备107的聚丙烯软化，将带状设备107层压到U形基体体积101的底脚的末端，其中带状设备107和基体体积101连接到一起。
可选地，带状设备107和冲击吸收设备100的基体体积101可通过热熔粘合剂Plastoflex9065而彼此连接，该粘合剂施加在带状设备和冲击吸收设备之间。
如图2所示，带有带状设备的冲击吸收装置100经受变形测试。力202通过使用半径R为135mm的管状压模203施加到所述冲击吸收设备的冲击表面105。冲击吸收设备由两个支撑杆201支撑，所述支撑杆的轴线之间的距离204为900mm，并且半径r为30mm。
图3示意性地示出了随着带有带状设备的冲击吸收设备100的变形(曲线303)以及与冲击吸收设备100相同但不带有带状设备的冲击吸收设备的变形(曲线304)(在横坐标302上为mm)而变化的力(在纵坐标301上为牛顿)，该带状设备通过将带状设备的聚合体材料软化并将其层压到基体体积上。
带有带状设备的冲击吸收设备100的测试(曲线303)的点331处所见到的失效是冲击吸收设备的GMT的裂开。带状设备没有从冲击吸收设备的聚合体上松开。发现带状设备和冲击吸收设备之间的剪切强度高于GMT的结合强度。
不带有带状设备的冲击吸收设备(曲线304)在较小的变形处并在施加较小力时出现失效。该失效是基体体积的点341处的破裂。
很明显的是与不具有带状设备的相比较，具有带状设备的冲击吸收设备基本上吸收更多的能量(曲线和横坐标之间的表面)，而且，该冲击吸收设备所能够承受的最大力明显地高于不带有带状设备的冲击吸收设备。
如前所述，首先挤制模压基体体积及此后连接有加强的带状设备的分离步骤使得在冲击吸收设备的设计中有更大的自由度，并允许获得具有单个挤制模压步骤所不可能获得的几何形状的冲击吸收设备。这在图4a、4b和4c中示出。
图4a示出现有技术的实施方式。基体体积402已经包含由钢绳406加强的带404。具有带404的基体体积402由模具挤制模压。仅示出了上模408。上模408在箭头410的方向上进行作用，从而在现有技术的冲击吸收设备的横截面中形成凹陷部分。该横截面未示出所谓的底切(undercut)。这意味着在与上模408的作用410相对的方向412上，没有遇到冲击吸收设备的横截面材料。
图4b，与图1a的横截面类似，示出了根据本发明的第一类实施方式。挤制模压具有或不具有加强带或单独的增强元件的基体材料402，使得其具有U型形状。在此挤制模压后，由钢绳406加强的带414连接到基体材料402的U形上。横截面示出封闭腔体416，其不是现有技术的实施方式的情形。在与上模408的作用410相对的方向412上遇到冲击吸收设备的横截面材料，更具体地是带414。
图4c示出了根据本发明的第二类实施方式。再次，挤制模压具有或不具有增强元件或增强带的基体材料402，使得其具有U形形状。具有钢绳或钢丝元件406的两条带418’和418”连接到U形的两个底脚。与图4b的实施方式不同，这里没有封闭的腔体。然而，该实施方式示出了所谓的底切，这意味着尽管未出现总体上密封的腔体，在与上模408的作用410相对的方向412上，形成有冲击吸收设备的横截面材料，更具体地是带418’或418”的材料。
权利要求
1.一种制造冲击吸收设备的方法，所述方法包括下列步骤a)提供基体体积；b)提供包括细长金属元件的带状设备；c)挤制模压所述基体体积；d)将所述带状设备连接到所述基体体积。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述基体体积是聚合体基体体积。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述聚合体基体体积是聚烯烃、聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚缩醛、聚砜、聚醚酮、聚酰亚胺和聚醚酰亚胺或聚酯。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述带状设备和所述基体体积之间的剪切强度大于该基体体积的结合强度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述带状设备是纺织织物，其在经线和/或纬线方向包括所述细长金属元件。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述带状设备还包括大致包封所述细长金属元件的聚合体基体材料。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述带状设备粘合到所述基体体积。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述连接步骤通过部分地熔化或软化所述带状设备的所述聚合体基体材料并使所述部分熔化的聚合体基体材料接触到所述基体体积而完成。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述连接步骤通过部分地熔化或软化所述基体体积的至少一个表面并使所述带状设备接触到所述冲击吸收设备的所述基体体积的部分熔化的表面而完成。
10.一种冲击吸收设备，包括基体体积和带状设备，其特征在于，所述基体体积是挤制模压的，并且所述带状设备连接到该挤制模压的基体体积上。
11.根据权利要求10所述的冲击吸收设备，其中所述基体体积和所述带状设备之间有交界面，所述交界面包括用于将所述带状设备连接到所述基体体积的胶。
12.根据权利要求10或11所述的冲击吸收设备，其中所述带状设备和所述基体体积之间的剪切强度大于所述基体体积的结合强度。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的冲击吸收设备，其中所述带状设备是纺织织物，其在经线和/或纬线方向包括所述细长金属元件。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的冲击吸收设备，其中所述冲击吸收设备是车辆保险杠杆。
15.根据权利要求10-14中任一项所述的冲击吸收设备，其中所述冲击吸收设备是车辆车门横梁。
全文摘要
一种制造冲击吸收设备的方法，所述方法包括下列步骤a)提供基体体积(101)；b)提供具有细长金属元件的带状设备(107)；c)挤制模压所述基体体积(101)；d)将所述带状设备(107)连接到所述基体体积(101)。两个步骤方法允许更为自由地设计冲击吸收设备并能够获得更为复杂的结构。
文档编号B60R19/18GK101052548SQ200580037405
公开日2007年10月10日 申请日期2005年9月29日 优先权日2004年11月3日
发明者W·德凯泽, E·洛克雷, J·加朗斯 申请人:贝卡尔特股份有限公司