用于汽車裝配的結(jié)構(gòu)加固部件的制作方法

專利名稱：用于汽車裝配的結(jié)構(gòu)加固部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在汽車應(yīng)用中有益的結(jié)構(gòu)加固部件。
在保持安全和結(jié)構(gòu)性能要求的同時(shí)減輕機(jī)動(dòng)車重量，這是汽車工程師們面臨的關(guān)鍵的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。使車量質(zhì)量最小化對(duì)于滿足日益嚴(yán)峻的燃料經(jīng)濟(jì)要求、CAFE(Corporate Average Fuel Economy)要求和排放要求也是必要的。工程師們必須找到新的方法、工藝和技術(shù)，在不犧牲工程設(shè)計(jì)要求的情況下使車量重量最小化。
傳統(tǒng)的改進(jìn)車身結(jié)構(gòu)性能的方法包括改變金屬板厚度、改變結(jié)構(gòu)截面尺寸以及添加附加的加固物和金屬板片。
U.S.5,194,199中公開了一種結(jié)構(gòu)部件，例如，用于車輛結(jié)構(gòu)的梁，由中空的金屬構(gòu)件和預(yù)制的輕重量材料的加固芯構(gòu)成。通過為芯提供熱發(fā)泡材料的殼，該配件經(jīng)過熱浸涂操作使熱發(fā)泡材料膨脹制成該部件。然而此工藝需要發(fā)泡外殼，該發(fā)泡外殼使得外殼在外形和尺寸方面不確定。
WO 01/55523中公開了一種用于結(jié)構(gòu)組件的加固構(gòu)件，其包括一個(gè)支架和可熱膨脹的結(jié)構(gòu)加固材料元件。該熱膨脹的加固材料是一種合成樹脂，能在汽車制造過程的高溫烘烤期間(例如涂漆和粉末涂膜烘烤階段)發(fā)泡。然而，由于難于控制芯泡沫的膨脹路徑和方向，并且難于使芯內(nèi)泡沫材料的使用率和重量最小，所以導(dǎo)致這些發(fā)泡在現(xiàn)場(chǎng)過程中不為優(yōu)選。
WO 01/58741中公開了一種汽車的結(jié)構(gòu)加固系統(tǒng)，其包括一個(gè)骨架構(gòu)件和沉積其上的用于將加固系統(tǒng)結(jié)合在汽車框架上的膨脹材料。WO 01/68394中公開了一種熱激活的加固套筒，其包括一個(gè)聚合物支架和一個(gè)熱激活結(jié)構(gòu)的泡沫材料加固介質(zhì)，例如環(huán)氧基樹脂。然而，這些系統(tǒng)需要具有多個(gè)加固肋板的復(fù)雜的框架。
因此，對(duì)用在汽車框架和車身結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的高性能、輕重量、有成本效益、容易處理的結(jié)構(gòu)加固部件有著不斷的需求。
一方面，本發(fā)明是一種用在汽車應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)加固部件，其包括1)一種結(jié)構(gòu)填充材料；2)一個(gè)具有外表面的聚合外殼，該外殼包含該結(jié)構(gòu)填充材料以使該填充材料基本上占據(jù)該外殼的腔體；以及3)一種熱激活的可膨脹黏合劑，與該聚合外殼的外表面接觸；其中該結(jié)構(gòu)填充材料在部件安裝之后或汽車裝配期間沒有經(jīng)過或不要求任何的化學(xué)反應(yīng)或膨脹。
在另一方面，本發(fā)明是一種用于生產(chǎn)權(quán)利要求1的汽車裝配的結(jié)構(gòu)加固部件的方法，其包括1)形成一個(gè)模制的聚合外殼，具有空腔和外表面；2)將結(jié)構(gòu)填充材料或其組成物注入到所述的空腔，使該空腔基本上被填充，以及3)使可膨脹黏合劑與聚合外殼的外表面接觸。其中該結(jié)構(gòu)填充材料在部件安裝之后或汽車裝配期間沒有經(jīng)過任何的化學(xué)反應(yīng)或膨脹。
為了提供有效的設(shè)計(jì)靈活性，可利用和修改上述材料成分的具體特點(diǎn)和特征，以使每個(gè)部件能滿足其最小的可能部件重量的具體應(yīng)用性能要求。該模制外殼在材料類型、外形、厚度以及整合的設(shè)計(jì)特點(diǎn)的數(shù)量方面能夠變化。也能夠改變?cè)摻Y(jié)構(gòu)填充材料類型和密度以提供最佳的性能水平。包括在該部件中的所有材料的組合性能導(dǎo)致了關(guān)于強(qiáng)度、硬度和能量吸收特性的超級(jí)結(jié)構(gòu)性能。
在幾種不同的部件實(shí)施方式中能夠表明所述的部件組成物。可由密度較輕的泡沫材料圍成厚壁的外殼，以使周圍的外殼容器提供大部分的部件強(qiáng)度。另一種實(shí)施方式包括一個(gè)填充了較高密度結(jié)構(gòu)的填充材料的較薄的、半結(jié)構(gòu)的外殼，以使兩種材料共同分擔(dān)結(jié)構(gòu)的要求。另一種實(shí)施方式使用一個(gè)薄壁的模制外殼，其主要功能是作為支架以及高強(qiáng)度和高能量吸收的芯填充材料的傳送工具。各種部件實(shí)施方式也能實(shí)現(xiàn)雙重目的，既作為聲音密封也作為結(jié)構(gòu)加固。
此簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)加固部件不需要像現(xiàn)有技術(shù)那樣的結(jié)構(gòu)填充材料的現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡，并且在汽車裝配過程中得到堅(jiān)固的輕重量的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，該結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠通過可膨脹的黏合劑依靠加熱附著在汽車框架上。由于不需要整體系統(tǒng)、泵或額外的設(shè)備，所以此結(jié)構(gòu)加固部件易于安裝。
圖A是一個(gè)結(jié)構(gòu)加固部件的剖面圖，其中I是汽車框架的周圍結(jié)構(gòu)，II是可膨脹的粘合劑，III是模制外殼，IV是結(jié)構(gòu)填充材料。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)加固部件包括一個(gè)具有規(guī)定的外形和尺寸的模制外殼，其中該外殼包括一個(gè)具有內(nèi)表面和外表面的聚合物壁，以及由所述的內(nèi)表面限定的空間。該模制外殼能夠由任何的耐高溫性能的塑料制成，該塑料能夠經(jīng)受工藝環(huán)境條件和汽車裝配車間的烤爐溫度而在性能上不出現(xiàn)明顯的下降。也就是說，在汽車裝配過程中該模制外殼經(jīng)歷這樣的溫度將保持其尺寸和形狀，沒有任何有害的變形。典型的塑料材料包括半晶體或無定形材料，但不限于此，包括聚酰胺，例如尼龍6、尼龍6/6、尼龍6/6/6；聚烯烴，例如聚乙烯或聚丙烯；間同立構(gòu)乙烯基芳烴聚合物，例如間同立構(gòu)聚苯乙烯(SPS)及其一些混合物。其它可能的聚合物包括聚酯、聚酰胺酯、多芳基化合物、聚氨酯、聚脲、聚亞苯基硫化物和聚醚酰亞胺。
該模制外殼能通過任何能生產(chǎn)具有規(guī)定的外形和尺寸的外殼、具有內(nèi)表面和外表面的聚合物壁，以及由內(nèi)部聚合物壁表面或外殼的內(nèi)邊緣限定的空間的制模技術(shù)生產(chǎn)。典型的制模技術(shù)包括公知的工藝，例如吹塑法、注模法、旋轉(zhuǎn)模塑成形、壓力成形等，但不限于此。
為了平衡強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和質(zhì)量目標(biāo)，該模制外殼能夠根據(jù)預(yù)期的空腔尺寸和應(yīng)用要求改變外形、尺寸和厚度。優(yōu)選的模制外殼是矩形或方形的，具有由外殼的內(nèi)表面限定的單個(gè)空間，將在其中填充結(jié)構(gòu)上容許的可膨脹材料。為了優(yōu)化功能部件的性能，模制外殼的幾何結(jié)構(gòu)也可以結(jié)合其它的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，例如肋板、局部輪廓和去處粘性(tack-offs)。典型地，聚合物壁的厚度應(yīng)該能保藏材料并減輕重量。根據(jù)所用的材料和具體應(yīng)用要求，該壁厚典型的變化范圍是從1.5mm到10mm。
結(jié)構(gòu)填充材料可以是能夠?yàn)樵撃Ｖ仆鈿ぬ峁┙Y(jié)構(gòu)加固的任何材料?？筛鶕?jù)具體應(yīng)用中所要求的性質(zhì)來選擇該材料。
典型地，該模制外殼包住泡沫材料的結(jié)構(gòu)填充材料，該材料在部件安裝前被膨脹和固化。換言之，該泡沫材料與聚合物壁的內(nèi)表面基本上連續(xù)接觸。一旦完全膨脹，該泡沫材料典型的密度為5磅每立方英尺(80Kg/m3)到25磅每立方英尺(400Kg/m3)。在模制外殼裝入汽車車身空腔之前，將該泡沫材料注入該模制外殼，膨脹并完全固化。
在一種實(shí)施方式中，該結(jié)構(gòu)填充材料是一種聚氨酯熱固聚合物泡沫材料。然而，也能夠使用其它的結(jié)構(gòu)填充材料類型，例如其它的熱固樹脂和熱塑性填充物，包括環(huán)氧化物、聚氨酯混合物、聚烯烴、間同立構(gòu)物質(zhì)、組合物以及其它的剛性泡沫材料。還能夠使用非塑性的填充材料，例如鋁泡沫材料、有機(jī)的和無機(jī)的(陶瓷的和金屬的)泡沫材料。
引入到模制外殼中的任何方法都能夠用于該結(jié)構(gòu)填充材料的放置。典型地，在插入到汽車車體結(jié)構(gòu)空腔之前，將填充材料放置或注入到模制外殼空腔中并完全反應(yīng)。能夠使用泵裝置或其它適當(dāng)?shù)淖⑷爰夹g(shù)將填充材料注入到該模制外殼中。
典型地，在汽車裝配過程中放置部件之前，結(jié)構(gòu)填充材料被注入到該模制外殼中。該模制外殼有一些引入結(jié)構(gòu)填充材料的裝置，例如插入孔。該裝置能夠是任何的具體裝置，以允許結(jié)構(gòu)填充材料或其組成物的注入或插入。典型地，組成物將包括聚合物或單體物和發(fā)泡劑。在一些情況下，該材料由在周圍條件下固化的“A面”和“B面”組成的組合物生產(chǎn)。例如，A面可以包括異氰酸酯預(yù)聚合物或聚合的亞甲二苯基異氰酸酯(MDI)，而B面名義上由多元醇化合物混合物構(gòu)成，包括多種多元醇、表面活性劑、催化劑和水。該填充材料也能含有填充物，例如玻璃珠、觸變添加劑和其它的合成纖維。發(fā)泡劑包括任何能與被選為結(jié)構(gòu)填充材料的材料共同使用的發(fā)泡劑，可以是化學(xué)的、物理的發(fā)泡劑或者是其組合物。該發(fā)泡劑能夠在預(yù)先混合狀態(tài)下與聚合物結(jié)合被注入到該模制外殼中，或者與聚合物或聚合物組份同時(shí)添加?？梢允褂脝我坏慕M成物泡沫材料和系統(tǒng)，例如美國(guó)專利4,923,902和4,995,545中所說明的那些，美國(guó)專利4,923,902和4,995,545以參考方式被并入此處。
除了該模制外殼和結(jié)構(gòu)填充材料之外，該結(jié)構(gòu)加固部件還包括與該模制外殼的外表面接觸的可膨脹黏合劑。該可膨脹粘合劑可以是任何如下的有機(jī)材料，其在汽車車體處置過程，例如電子涂層、涂漆和密封爐中經(jīng)歷的溫度，即110℃或更高溫度下能夠激活該材料，膨脹并黏附在周圍結(jié)構(gòu)上。典型的可膨脹黏合劑包括可聚合的基本材料，例如環(huán)氧基樹脂或乙烯基聚合物，當(dāng)混合了適當(dāng)?shù)某煞輹r(shí)(典型的是發(fā)泡和固化劑)，該材料以可靠和可預(yù)測(cè)的方式依靠熱應(yīng)用膨脹并固化。該可膨脹黏合劑還將交聯(lián)固化或達(dá)到其最終形狀，致使該材料不能夠再流動(dòng)或改變形狀。在滿足結(jié)構(gòu)要求的同時(shí)，對(duì)于所選擇的應(yīng)用能夠使用任何材料，該材料在適當(dāng)?shù)臈l件下能以可預(yù)測(cè)和可靠的方式被熱激活、膨脹及固化。其它可使用的材料包括聚烯烴、共聚物和具有至少一種α-烯烴型單體的三元共聚物、苯酚/甲醛材料、含苯氧基的材料和具有高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的聚氨酯材料，例如在U.S.5,766,719、U.S.5,755,486、U.S.5,575526、U.S.5,932,680中所述。
易流動(dòng)的可膨脹粘合劑可以如下任何方式用于殼壁的外表面，包括浸漬、層壓、刷涂、滾動(dòng)、共同壓模。此外，可將可膨脹粘合劑預(yù)制成或者模切成能夠放置或黏附在殼壁外表面上的片。在一種實(shí)施方式中，可膨脹黏合劑基本上連續(xù)地遍及外表面的周圍。
只要生產(chǎn)了該加固結(jié)構(gòu)部件，就可在汽車產(chǎn)品裝配期間將該結(jié)構(gòu)部件放置在預(yù)定的腔體中。暴露在110攝氏度或以上的溫度下，在殼的外表面上的可膨脹粘合劑將發(fā)泡并額外地附著在應(yīng)用框架上，在此條件下結(jié)構(gòu)的發(fā)泡材料將不再反應(yīng)或膨脹?？赡茉摻Y(jié)構(gòu)部件需要某種臨時(shí)的機(jī)械緊固件或黏合劑來保持在適當(dāng)?shù)奈恢弥钡皆撜澈蟿┍患せ?。此外，該黏合劑將膨脹來填充外部可膨脹材料和周圍框架或結(jié)構(gòu)之間的縫隙。
由于在模制外殼和結(jié)構(gòu)填充材料的材料選擇上的自由度，所以本發(fā)明使得結(jié)構(gòu)加固部件的設(shè)計(jì)具有最大的靈活性。其在重量上很輕，并且通過增加或減小泡沫材料的密度、外殼厚度、外殼材料類型、外殼設(shè)計(jì)特點(diǎn)或者全面的外殼幾何結(jié)構(gòu)，能夠優(yōu)化部件材料的強(qiáng)度。
在一種實(shí)施方式中，模制外殼可由包括尼龍聚合物的組合物生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)填充物是聚氨酯泡沫材料，而可膨脹黏合劑是熱激活的可膨脹泡沫材料。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明是一種用于汽車應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)加固部件，其包括1)一種結(jié)構(gòu)填充材料；2)一個(gè)具有外表面的聚合外殼，該外殼包含該結(jié)構(gòu)填充材料以使該填充材料基本上占據(jù)該外殼的腔體；以及3)一種熱激活的可膨脹黏合劑，與該聚合外殼的外表面接觸；其中該結(jié)構(gòu)填充材料在部件安裝之后或汽車裝配期間沒有經(jīng)過或不要求任何的化學(xué)反應(yīng)或膨脹。
2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)加固部件，其中該模制外殼由聚酰胺、聚烯烴、間同立構(gòu)乙烯基芳烴聚合物或其混合物生產(chǎn)。
3.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)加固部件，其中該模制外殼由聚酰胺生產(chǎn)。
4.如權(quán)利要求1至3任一所述的結(jié)構(gòu)加固部件，其中該結(jié)構(gòu)填充材料是聚氨酯泡沫材料或鋁泡沫材料。
5.如權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)加固部件，其中該結(jié)構(gòu)填充材料是聚氨酯泡沫材料。
6.如權(quán)利要求1至5任一所述的結(jié)構(gòu)加固部件，其中該可膨脹黏合劑是可膨脹環(huán)氧樹脂、聚烯烴或熱塑性聚氨酯。
7.一種生產(chǎn)如權(quán)利要求1所述的用于汽車裝配的結(jié)構(gòu)加固部件的方法，其包括1)形成一個(gè)模制的聚合外殼，具有空腔和外表面；2)將結(jié)構(gòu)填充材料或其組成物注入到所述的空腔，使該空腔基本上被填充，以及3)使可膨脹黏合劑與聚合外殼的外表面與接觸；其中該結(jié)構(gòu)填充材料在部件安裝之后或汽車裝配期間沒有經(jīng)過任何的化學(xué)反應(yīng)或膨脹。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中該模制外殼是吹塑成形、旋轉(zhuǎn)模塑成形或注模成形的。
9.如權(quán)利要求7或8所述的方法，其中該可膨脹黏合劑被涂覆在該聚合物壁的外表面上。
10.如權(quán)利要求7或8所述的方法，其中該可膨脹粘合劑被預(yù)成形或者模切成并被黏附在該聚合物壁的外表面上。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于汽車裝配中的結(jié)構(gòu)加固部件，其包括一個(gè)基本上填充了結(jié)構(gòu)填充材料的模制外殼，以及與該模制外殼的外部接觸的可膨脹黏合劑；其中該結(jié)構(gòu)填充材料在部件安裝之后或汽車裝配期間沒有經(jīng)過或不需要任何的化學(xué)反應(yīng)或膨脹。這種簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)加固部件不需要現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡過程，并且能在汽車裝配過程中制造出堅(jiān)固的輕重量的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，該結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠經(jīng)過可膨脹黏合劑依靠加熱附著在汽車框架上。由于不需要整體系統(tǒng)、泵或額外的設(shè)備，所以此結(jié)構(gòu)加固部件易于安裝。
文檔編號(hào)B62D29/04GK1592697SQ02823289
公開日2005年3月9日 申請(qǐng)日期2002年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月29日
發(fā)明者P·E·尤拉斯, K·賽義德, G·勞拉, D·G·麥克勞德 申請(qǐng)人:陶氏環(huán)球技術(shù)公司