分層構造的隔壁的制作方法

專利名稱：分層構造的隔壁的制作方法
本申請是基于1997年7月18日提出的臨時申請序號No．60／053118。
特別在機動車中應用的箱形截面件例如主車架縱梁(rail)，在橫梁固定于縱梁的地方將要承受相當大的應力。例如當發動機架固定在主車架縱梁上時，它們之間將產生連接點，這些連接點易于在時間過程中因疲勞而破裂。另外，將這種部件固定就位的螺栓可能由于在接點處的振動而松開。而且常規結構會形成“噪聲道”，該噪聲道經車架從車輪和發動機伸入車箱。
如技術人員可以理解的，為了將很重的部件用螺栓固定在縱梁部分的側面，必須在螺栓固定位置形成一個增強區域或支承結構。在先有技術中所用的一種方法是設置一個支承金屬套筒的沖壓隔壁。該隔壁一般具有三個點焊在縱梁C形部分的法蘭。具體是，沖壓的隔壁具有一個壁部分，該壁部分從縱梁部分的一個壁伸到相對的壁或蓋板。因此隔壁在縱梁構成的槽或腔中構成一個隔板。為將此壁部分固定就位，該隔壁具有三個垂直于隔壁部分的表面或法蘭，即隔壁本質上是一個在一側開口的淺的矩形箱。這三個表面與縱梁內表面相結合，并點焊就位。
為利用隔壁作固定于該隔壁上的橫向構件的支承件，該隔壁被設計成配置一個金屬套筒，該金屬套筒被點焊在隔壁沖壓件上。然后將螺栓穿過套筒，并將橫向構件固定于縱梁的隔壁增強區域上。這種常規方法下面將用圖說明。
盡管常規的隔壁設計的確可以在橫向構件的固定位置增強縱梁部分，但它一般要求大口口徑的套筒和沖壓件，這實際上增加了不需要的振動和噪聲。另外，貫穿螺栓、套筒、金屬沖壓件和縱梁部分基本上以分立的部件運行，而不是一個單一的整體增強構件。這不僅造成上述振動和噪聲的增加，而且還不能使縱梁得到充分的增強，造成連接點具體是焊接點的金屬疲勞。
本發明人已提出許多方法來增強空心金屬部件例如車門的增強梁，它包括一個開口的槽形金屬件，該金屬件具有充滿熱固性或熱塑性樹脂基的材料；空心扭轉桿，切成一定長度，填入樹脂基材料；結構件的預鑄增強插件，該插件由許多包含熱固性樹脂及起泡劑的顆粒組成，使該預鑄件在結構件內膨脹并固化就位；復合門梁，該梁具有樹脂基的芯，該芯不超過金屬管心的三分之一；空心的分層梁，其特征在于剛性質量比較高，并具有外部分，該外部分由薄層的結構性泡沫與內管分開；工形梁增強件，該增強件包括預成形的具有外部泡沫的結構插件，該插件然后插入空心結構件；金屬的W形的支架，該支架用作可膨脹樹脂的托架，該樹脂在空心部分發泡就位。
但是，這些先有方法中沒有一種方法具體用于解決與縱梁部分的橫向部件連接位置上的常規增強隔壁有關的問題。本發明解決很多先有技術中固有的問題。
本發明的目的是提供一種增強的空心金屬構件，該構件使套筒和沖壓件組合成隔壁構件，組合的方式是使得隔壁的部件與被增強構件一起形成為一個整體單元。
本發明的另一目的是提供一種被增強的金屬箱形截面件，使該箱形截面件具有較大的強度而又不顯著增加振動和噪聲的傳送量。
本發明的再一目的是提供一種被增強的車架縱梁部分，以固定橫向部件例如發動機架，使得應力分布在增強的縱梁區域上而不是分布在分立的焊接點上，而且可以緩沖噪聲和振動。
通過本發明優選實施例和附圖的詳細說明，可以更充分地理解本發明的這些和其它的目的與優點。
在一個方面，本發明提供一種被增強構件。該增強構件包括空心的結構件和配置在結構件中的增強件。增強件具有一對相對的壁。在該一對相對的壁之間配置一層已加熱膨脹的聚合物，該聚合物粘接于該相對壁上。該層聚合物也直接粘接在結構件上。一個套管伸過聚合物，該導管平行于相對的壁，并位于相對的壁之間。聚合物粘接在該套管上，該套管形成通過聚合物的通道。被增強構件具有與套管的端部對齊的孔。然后用螺栓將部件固定在結構件上。因此在本發明中可以利用增強件局部地在該位置增強空心結構件。在組裝之后加熱整個構件可使聚合物膨脹定位，其中聚合物經膨脹而充滿增強構件和結構件之間的間隙，并將增強構件粘接到結構件上。
在另一方面，本發明的被增強構件是汽車縱梁例如前部縱梁，其中需要局部增強，以固定部件例如發動機架。在這一方面，本發明減小了振動和噪聲傳送，同時增加了在增強部位的那部分強度。
在又一個方面，套管是薄壁金屬套筒，相對的壁是金屬沖壓件，該沖壓件具有焊接在結構件上的法蘭，聚合物是已加熱膨脹的環氧樹脂，該樹脂包括空心微球，以便減小密度。
在又一方面，本發明提供一種增強具有縱向槽的結構件的方法。在這一方面，分層構件具有兩個由一層可加熱膨脹的聚合物分開的相對的壁，該分層構件配置在縱梁部分等的槽中。該分層構件具有配置在該層可加熱膨脹聚合物層中的套管。該導管形成垂直于該相對壁的通道。該分層構件還具有一對端部法蘭。該分層構件放置在縱向槽中，使得上述套管通道垂直于縱向槽。然后通過法蘭將分層構件焊接在結構件上。然后將整個構件加熱到可以有效使聚合物發泡劑激活的溫度，因而使聚合物熱膨脹，使得聚合物將分層構件粘接于結構件。


圖1是常規先有技術隔壁增強構件的示意分解透視圖；圖2是圖1構件的示意前視圖，其中蓋板被除去；圖3本發明的被增強縱梁部分的示意分解透視圖，示出增強的分層隔壁的結構；圖4是圖3所示構件的示意前視圖，其中蓋板被除去；圖5是圖3和4的隔壁部分的示意后視圖。
現在參考附圖的圖1和圖2，先有技術的前部縱梁部分20具有C形部分22，該部分形成槽23并接收蓋板24。隔板沖壓件26具有垂直壁28和法蘭30。套筒32焊接在壁28的弧形彎曲部分33上。螺栓36穿過蓋板24、套筒32和部分22的垂直壁37，然后穿過待固定于縱梁20的部件38。隨后將螺母擰緊于螺栓36，使部件38固定就位。這是先有技術的代表，并具有上述缺點，即具有增強不充分以及噪聲和振動的減弱欠佳的問題。
下面轉到附圖的圖3，圖中示出的被增強構件50是汽車車架的被增強前部縱梁的一個實施例，它包括車架縱梁的C形部分52，該部分由蓋板54封閉，使得在被增強構件50中形成槽或腔56。換言之，車架縱梁是空心的。C形部分52包括垂直壁部分58和相對的壁部分60、62。各個相對的壁部分60、62具有法蘭部分64，利用焊接等方法可將蓋板54固定在法蘭區域。增強件或隔壁68配置在C形部分52的槽56中，并具有第一壁或側壁70和第二壁或側壁72。壁70、72彼此平行，由聚合物層74分開，即聚合物層74配置在壁70和72之間。
如附圖的圖4和5清楚示出的那樣，各個壁70、72具有有關的弧形部分(在壁72上的76，在壁70上的78)，該弧形部分被設計成可以接納套筒81，其方式下面將詳細說明。各個弧形部分76、78約位于各個壁70、72的長度的中間，并可以看作為彎曲的內表面。套管81是金屬的套筒等，并在焊接點83和85點焊在壁70和72上，如附圖的圖4清楚示出的那樣。聚合物層74基本上包圍套管81，如圖4所示。
隔壁68通過安裝法蘭80和82固定就位于槽56中，該法蘭80和82從壁70和72偏轉90°延伸。即各個壁70、72的各個端部具有彎曲部分，該彎曲部分與相對壁上的同樣彎曲部分相配合，形成分別焊接在側壁60、62上的連接法蘭80、82。
壁70、72的寬度(垂直壁58和蓋板54之間的距離)是使得隔壁68與垂直壁58和蓋板54相接觸。螺栓84穿過蓋板54上的孔66、套管81和垂直壁58上的對應孔(未示出)。然后使螺栓穿過橫向部件例如發動機架86上的孔，該發動機架在圖中以虛線表示為片段86。然后將螺母86擰在螺栓84上，從而將發動機架86固定于被增強件56。
隔壁68對于在車架縱梁上增加的強度量而言是重量相當輕的構件。壁70和72可以由薄鋼沖壓件構成，鋼的厚度例如為0．02～0．08英寸。具體是，低碳鋼到中等強度的鋼是最好的。套管81最好是金屬套筒，其壁厚是0．08～0．2英寸的薄壁，而且最好用低碳鋼制作。當然這些尺寸僅僅是例示性的，無意限制在權利要求書中確定的本發明的完全范圍。各個連接法蘭80、82一般約為壁70、72長度的15％～30％。套管81的外直徑通常為約1／2～1英寸。聚合物層74的寬度是壁或板70和72之間距離的函數，一般約為0．1～0．4英寸。應當明白，隔壁68的整個深度完全充滿聚合物層74，即如附圖的圖5所示，聚合物層從隔壁68的前部延伸到后部。
用來形成聚合物層74的聚合物是可加熱膨脹的樹脂基材料。本發明可以應用許多樹酯基合劑來形成加熱膨脹的層74。優選的合劑將提供極好的強度和剛度特性，同時重量只有稍許增加。現在具體說明層74的成分，為盡量減小重量，材料的密度最好應在約20～50磅／英尺3的范圍內。熔點、加熱變形溫度和發生化學分解的溫度也必須足夠高，使得層74可以在烤漆箱等裝置內的通常操作的高溫下保持其結構。因此層74應當能夠承受超過320°F的溫度，最好在短時間內可以承受350°F的溫度。另外，層74應當能夠承受約90～200°F的長時間的加熱而不會表現出明顯的受熱形變或分解。
泡沫74可以先涂在一個或兩個壁70、72上，然后膨脹到與兩個壁和套管81緊密接觸。在需要加熱膨脹時，最好利用烤漆箱的熱量來使泡沫74膨脹。
更詳細地講，在一個特別優選的實施例中、層74的加熱膨脹的結構性泡沫包括合成樹脂、氣囊形成劑和填料。合成樹脂占層74重量的約40％～80％，更好為占45％～75％，最好占50％～70％。樹脂部分最好包括柔性環氧樹脂。按照本文的應用，術語“氣囊形成劑”一般是指在層74中產生氣泡、孔或腔的物質。即層74具有多孔結構，在其整個聚合物塊中分布許多汽泡。這種多孔結構形成低密度高強度的材料，它可以形成很強的然而重量輕的構件。適合于本發明的氣囊形成劑包括增強的“空心”微球或可以用玻璃或塑料作微泡。另外，氣囊形成劑可以包括起泡劑，該起泡劑可以是化學起泡劑或物理起泡劑。玻璃微球是特別優選的。它占層74的組成材料重量的約10％～50％，更好為占15％～45％，最好占20％～40％。在氣囊形成劑包括起泡劑時，該形成劑占加熱膨脹的結構性泡沫層74的重量的約0．5％～5．0％，更好為約占1．0％～4．0％，最好約占1％～2％。適合的填料包括玻璃或塑料微球、煅制二氧化硅、碳酸鈣、研磨的玻璃纖維和切碎的玻璃絲。觸變性填料是最好的。其它材料也是適用的。填料占層74重量的約1％～15％，更好為約占2％～10％，最好約占3％～8％。
本發明所用的優選合成樹脂包括熱固性樹脂例如環氧樹脂、乙烯基酯樹脂、熱固性聚酯樹脂和氨基甲酸乙酯樹脂。無意使本發明的范圍受樹脂分子量的限制，而且根據本文的說明本專業的技術人員可以理解適用的重量。在液體填料的樹脂成分是熱固性樹脂時，還可以包括各種加速劑例如咪唑(imidizoles)和固化劑，最好為雙氰聯酰氨(dicyandiamide)，以提高固化速度。加速劑的起作用的量，按三種成分中的一種成分樹脂、氣囊形成劑或填料進行相應換算，一般約占樹脂重量的0．5％～2．0％。同樣，固化劑的量，按照三種成分中的一種成分樹脂、氣囊形成劑或填料進行相應換算，一般約占樹脂重量的1％～8％。該層還可以包括有效量的處理酸、穩定劑、顏料、紫外吸收劑等。熱塑性材料也是適用的。
在下表中列出層74的優選配方。已經發現，此配合方提供了一種材料，該材料可以完全膨脹，在約320°F的溫度下固化，并具有極好的結構特性。除非另有說明，在該表中所指的所有百分數均為重量百分數。成分重量百分數EPON 828(環氧樹脂)37．0DER 331(柔性環氧樹脂) 18．0DI-CY(雙氰聯酰胺(dicyandiamide)固化劑)4．0IMIDIZOLE(加速劑) 0．8FUMED SILICA(觸變性填料) 1．1GELOGEN AZ199(偶氮二酰胺起泡劑) 1．283 MICROS(玻璃微球) 37．0WINNOFIL CALCIUM CARBONATE(CaCO3填料) 0．9盡管主要地是針對汽車部件說明了本發明，但是應當明白，本發明可以實施為其它產品例如飛行器、船舶、自行車或實際上需要能量進行運動的任何裝置的部件。同樣，本發明還可以與固定的或靜止的結構例如建筑物配合使用，以便在承受振動例如由地震引起的振動時提供剛性支承，或簡單地對承受負載的構件形成一個重量輕的支承件。另外，盡管主要針對可加熱膨脹的泡沫和針對金屬部件例如內管16、58和76說明了本發明，但可以應用其它材料。例如，泡沫可以是任何適用的已知的可膨脹泡沫，該泡沫可以用化學方法引發膨脹并形成剛性的結構泡沫。隔壁70、70和套管81可以用不是金屬的材料制作，例如各種塑料或聚合物材料，或各種對泡沫可以起背襯作用或支承作用的具有足夠剛性的木質纖維材料。當應用可加熱膨脹的泡沫時，隔壁和套管應當能夠承受在加熱固化期間所遇到的熱量。然而在應用其它類型的泡沫材料時，則隔壁和套管不一定要能夠承受高溫。此時，對隔壁和套管的基本要求代之以是它應具有充分的剛性，以便按預定的方式起作用。例如，還可以應用在固化或進一步處理之后本身便變成剛性的材料作隔壁和套管的材料。當采用不是金屬的材料制造隔壁和套管時，本發明也是實用的。然而最好這樣選擇材料，使得薄的未膨脹的泡沫在膨脹時牢固地粘接于隔壁和套管，從而形成復合結構。
盡管在文中示出和說明本發明的特別實施例，但是應當明白，本發明不限于這些實施例，因為特別是本專業的技術人員可以根據本文公開的內容進行許多改變。因此，應注意到，所附權利要求書可以包括所有屬于本發明精神和范圍內的這些改變。
權利要求
1．一種被增強構件，包括形成一個空間的結構件和配置在上述空間中的增強件，上述增強件具有第一和第二相對壁；一層已膨脹的聚合物，配置在上述第一和第二相對壁之間并粘接在該相對壁上，上述已膨脹的聚合物還粘接在上述結構件上；穿過上述已膨脹聚合物的套管，上述套管配置在上述第一和第二相對壁之間，上述已膨脹的聚合物粘接在上述套管上；上述套管形成適合于接收螺栓的通道。
2．如權利要求1所述的被增強構件，還包括螺栓，該螺栓延伸穿過上述結構件和上述套管。
3．如權利要求1所述的被增強構件，其特征在于，上述被增強構件是汽車的縱梁部分。
4．如權利要求3所述的被增強構件，其特征在于，上述汽車縱梁部分是前部縱梁。
5．如權利要求4所述的被增強構件，其特征在于，上述縱梁部分是U形，具有向外伸出的法蘭，一個蓋板固定在上述法蘭上。
6．如權利要求1所述的被增強構件，其特征在于，上述相對壁焊接在上述結構件上。
7．如權利要求1所述的被增強構件，其特征在于，上述套管焊接在上述第一和第二壁中的至少一個壁上。
8．如權利要求1所述的被增強構件，其特征在于，上述被增強結構件具有一對與上述套管的上述螺栓接收通道對齊的通孔。
9．如權利要求1所述的被增強構件，其特征在于，上述膨脹的聚合物層是環氧樹脂。
10．如權利要求1所述的被增強構件，其特征在于，上述套管基本上平行于上述第一和第二相對壁。
11．如權利要求1所述的被增強構件，其特征在于，上述膨脹的聚合物層可加熱膨脹，它由以下重量百分數的物質構成約40％～60％的樹脂；約10％～50％的微球；約0．5％～5％的起泡劑；約1％～15％的填料；約0．5％～2．0％的加速劑；和約1％～8％的固化劑。
12．一種被增強的結構件，包括具有相對側壁和形成縱向槽的縱梁，上述縱向槽沿著縱向軸；配置在上述槽中垂直于上述縱向槽的分層的增強件，上述分層的增強件具有兩個相對的由一層已膨脹的聚合物分開的固定壁；配置在上述相對固定壁之間的套管，該導管形成一個通道；上述已膨脹的聚合物層粘接在上述縱梁的相對壁上和上述套管上；延伸穿過上述縱梁和上述套管的螺栓。
13．如權利要求12所述的被增強結構件，其特征在于，上述縱梁用鋼制作，上述壁具有焊接在上述鋼縱梁上的法蘭。
14．如權利要求12所述的被增強結構件，其特征在于，上述相對的固定壁在上述套管的位置分別包括一個內部凸表面。
15．如權利要求12所述的被增強結構件，其特征在于，上述套管焊接在上述相對壁中的至少一個壁上。
16．如權利要求12所述的被增強結構件，其特征在于，上述一層已膨脹的聚合物是環氧樹脂。
17．如權利要求16所述的被增強結構件，其特征在于，上述環氧樹脂可加熱膨脹，該樹脂還包括減小上述環氧樹脂密度的微球。
18．如權利要求12所述的被增強結構件，其特征在于，上述分層的增強件在其各個端部具有法蘭部分。
19．一種增強結構件的方法，該結構件具有連通的縱向槽，該方法包括以下步驟提供一形成了一縱向槽的構件；形成分層的構件，該構件具有由一層可膨脹聚合物分開的兩個相對壁；上述分層構件具有配置在上述可膨脹聚合物層中的套管，上述套管在上述相對壁之間形成通道；將上述分層構件放置在縱向槽中，使上述套管通道基本上垂直于上述縱向槽；將上述分層構件焊接在上述結構件上；激活上述聚合物，使其膨脹到與上述壁和上述套管緊密接觸。
20．如權利要求19所述的方法，其特征在于，該聚合物是可加熱膨脹的，并加熱上述結構件，加熱到足以使上述可熱膨脹的聚合物層膨脹的溫度，從而使上述聚合物將上述分層構件粘接到上述構件上。
21．如權利要求19所述的方法，其特征在于，上述結構件是汽車縱梁。
22．如權利要求20所述的方法，其特征在于，上述環氧樹脂還包括減小上述環氧樹脂密度的微球。
23．一種利用權利要求19所述方法形成的被增強結構件。
24．一種被增強結構件，包括形成一個空間的結構件；和配置在上述空間中的增強件，上述增強件具有第一和第二相對壁；一層配置在上述第一和第二相對壁之間并粘接在該壁上的可加熱膨脹的聚合物，上述可加熱膨脹的聚合物還粘接在上述結構件上；上述一層可加熱膨脹的聚合物包括以下百分重量的物質37％環氧樹脂；18％柔性環氧樹脂；4％雙氰聯酰胺(dicyandiamide)固化劑；0．8％咪唑(imidizole)加速劑；1．1％煅制二氧化硅；1．2％偶氮二酰胺起泡劑；37％玻璃微球；和0．9％碳酸鈣；套管穿過上述可加熱膨脹的聚合物，上述套管配置在上述第一和第二相對壁之間，上述可加熱膨脹的聚合物粘接于上述套管上；上述套管形成適合于接收一個螺栓的通道。
全文摘要
一種空心的被增強構件,具有隔壁,該隔壁具有一層配置在相對側壁之間的已熱膨脹的樹脂。一個套管固定在樹脂層中并垂直于被增強結構件的縱軸。該套管與增強構件兩個相對側面上的螺栓對齊,使得可以穿過螺栓。因而在增強位置可以用螺栓將部件固定在被增強構件上。本發明不僅增加了該部分的強度,而且還減小了振動和噪聲的傳送。
文檔編號F16S1/00GK1206084SQ9811630
公開日1999年1月27日 申請日期1998年7月17日 優先權日1998年7月17日
發明者約瑟夫·S·威奇伊 申請人:亨凱爾公司