減震元件及其制造方法

專利名稱：減震元件及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種減震元件以及制造該減震元件的方法。具體來說，本發明涉及一種柔性減震元件，該減震元件可應用于多種需要消震的表面，這些減震元件包括用于醫療上的插塞、包裝材料、運動防護插塞、鞋靴制品、訓練器材插塞、座椅、工業防護插塞、練習墊席和硬表面彈性蒙皮等等。
目前對吸震材料的改進工作已集中在減輕其質量、提高其減震性、柔軟性和堅固性等幾個方面。而應用在鞋靴制品和運動器材場合的減震材料則尤其致力于改善其沖擊分散性能。此外，現代的吸震材料設計還要考慮某些具體活動形式對填襯和插塞的特定要求。雖然吸震材料的功能特性重要性是第一位的，但為了使消費者完全滿意，其他一些因素例如價格、外觀等也必須加以考慮。
通常，鞋靴制品和運動器材中所用的吸震材料是發泡塑料，這些材料可用很多方法來形成適合應用需求的形狀。在某些應用場合，由于在材料的外面還加上一層橡膠或其它的材料，因而需要在其進行粘接的兩個面上設置一層粘合劑，然后對所要處理的表面進行加熱來使其活化。但將表面粘接在一起的方法有造價、重量和外觀方面的缺點。
減震元件還通過用一個熱塑性彈性材料制成的殼罩封裝一些人工合成的泡沫材料來制成，這些泡沫材料例如是聚醚、聚氨脂或聚脂聚氨脂。其他類型的減震元件一般包括一個內部以合適壓力充漲了氣體或流體的氣墊或氣膽。
本發明中的柔性減震元件是由柔性高聚樹脂材料制成的。該減震元件的特征在于其包括兩個相對的板件，從而形成了元件的上面板和底面板。該減震元件最好不進行充氣、加壓，但卻在兩個面板間設置內部支撐構件。減震元件的內部支撐件是由上面板和底面板這兩個構件或其中之一上的多個凹坑實現的。至少有部分凹坑是半球形的。半球形的凹坑在上、底面板間相對延伸并相互分離，或可以和相對的元件面板上延伸出的其它半球形凹坑接觸或聯結。在柔性減震元件中由半球狀凹坑所形成的支撐構件對作用在元件上的擠壓力產生柔性的阻抗作用。減震元件還可包括一個和上、底面板共同延展的側壁構件。本發明的減震元件可應用于很多場合，尤其適用于運動器械的插塞、鞋靴制品、包裝材料、醫療插塞、墊板以及其它的相關物體上。
該減震元件可通過將塑性樹脂板在一個模具中進行模壓來制造，其中該模具的結構適于形成對應具體運動器械、填墊或包裝件的形狀。模具中設置了在材料中形成凹坑形式支撐構件的突起部位。用于形成本發明減震元件的一個機理是熱成型。一般來說，熱成型工藝對塑性樹脂材料的成型是這樣完成的通過將樹脂板材加熱到一個某一溫度而使樹脂具有足夠的柔性，該柔性足以使材料變形成任何所要求的形狀，然后將材料壓入到一個單面模具中。本發明的減震元件最好是由以下幾步制成(1)將第一片熱塑性材料加熱到其造型溫度；(2)將第二片熱塑性材料加熱到其造型溫度；(3)將第一片熱塑性材料壓入到一個第一模具中，該模具的結構可形成元件的上半部分，并將第二片熱塑性材料壓入到一個第二模具中，該模具的結構可形成元件的下半部分；以及(4)將兩個模壓形成的半元件通過粘接、膠接、焊接、熔接、聯接等類似方法連接到一塊。兩個模具半邊結構適于在上、底面板中的任一個或兩個上的選定點處設置內陷以形成內部支撐構件。一種特別優選的制造方法是當材料還在其造型溫度時就將兩個模具半邊合在一起，從而使得半減震元件上的多個凹坑在其接觸點處可熔合在一起。
作為可選方案，該減震元件還可通過中空注模法進行制造。中空注模工藝一般用于制造熱塑性材料的中空結構。該工藝一般可被分成兩類擠壓中空注模和噴射中空注模。擠壓中空注模適用于制造本發明的減震元件。在擠壓中空注模生產本減震結構的過程中，一個稱為型坯的澆鑄的塑料管從一個擠壓機中降下或向下延伸出。兩個半模具將型坯夾住合攏，該型坯然后在噴射氣流作用下發生膨脹從而將相對的上、底面板擠靠在模具相對的上下腔壁上。在中空注模工藝中，型坯是由一種氣體通常是空氣來充脹的，直到使塑性材料緊貼在模腔中，在模腔中材料被冷卻保型。和成對板件熱成型工藝相同的是，在半模具中設置了突起以在型坯相對兩面的選定點處進行刻印來形成內部支撐構件。
支撐構件是由一些內陷的凹坑構成，這些凹坑可被設計成多種形狀和尺寸，從而使不同的區域具有不同的柔性以提高堅固性和減震性能。內陷的凹坑最好是采用半球形狀，它從吸震結構的相對面板向腔的內部延伸。在此處采用了“半球”和“半球形”這兩個詞匯，對本領域技術人員來說顯而易見的是，本發明范圍內的凹坑只是大致的半球形形狀。例如，具有橢球狀的凹坑以及其它和真正的半球形有較小差別的形狀均應被認為是在本發明的范圍內。減震元件在使用時，受力最大的區域需要有更大的阻抗作用，在這些區域的半球狀凹坑將以更密集的間隔成組設置，或在承重區設置尺寸更大的球凹來增加緩沖性。上面板的凹坑可和底面板上的對應凹坑接觸或分隔設置。那些對應的凹坑可在熱成型工藝過程中熔接或焊接在一起，以形成搭橋連接了減震元件的上、底面板的內部支撐構件。
由兩片熱塑性樹脂來形成減震元件的方法有一個好處這可以允許用兩種不同性質的材料來構成元件，從而形成只使用一種材料難以取得的多個功能響應。例如，底面板可由較厚的熱塑性材料制成，從而相應地具有更大的剛性，而上面板則由薄的熱塑性材料制成，從而較柔軟。此外，從由不同材料制得的上、底面板延伸的凹坑可形成具有雙特性的支撐構件。例如，支撐構件的下半部分可由剛硬的熱塑性材料制成，來形成支撐部分的剛性部分，從而對作用在減震元件底部的力具有更大的阻抗。而支撐構件的上部則由較薄的柔性材料制成的凹坑來形成，從而表現出較高的柔曲性，因而對作用在減震元件上面板的壓力具有更好的緩沖作用。通過改變支撐構件的形狀、尺寸以及所采用熱塑性材料的特性，設計者可控制整個減震元件的緩沖性能。
本發明的減震元件還可用具有網格格式、或在材料中有孔洞或切口的熱塑性板材進行制造。這樣制造的優點是減輕了重量并能允許介質在面板間傳送。減震元件中的凹坑還在其中具有孔洞，或由網格材料制成，這可減低凹坑部位的平均剛度。其它用于改變減震結構剛度的措施包括在安裝到凹坑內的插塞外壁上模壓成型一些溝槽。其它的方案還包括使凹坑和／或插塞具有不均勻的壁厚，從而使結構隨位移的變化有不同的剛度。


圖1是根據本發明一優選實施例的減震元件的上面板和底面板的一立體圖；圖2是圖1中的上、底面板的一立體圖，圖中的上面板中的半球形凹坑對抵著底面板的半球形凹坑；圖3是根據一優選實施例的上、底面板的一剖視圖，圖中上面板中的半球形凹坑對抵著底面板的半球形凹坑；圖4是上、底面板的一個立體圖，其中一側壁構件沿周邊部位設置；圖5表示了用網格材料制成面板的一優選實施例中的上、底面板的一立體圖；圖6是圖5所示的上、底面板的一立體視圖；圖7示意表示了成對板熱成型工藝過程；圖8是根據一優選實施例的減震元件的一立體圖，該元件某一面板的一個或多個凹坑中設置了插塞；圖9是根據一種優選實施例在一凹坑中的一球形插塞的剖視圖；圖10是用一個孔板結構連接在一起的多個插塞的一立體圖；圖11是一對其中具有開孔或孔洞的相對的半球形凹坑的一立體圖；圖12是一對其中是有切口的相對半球形凹坑的一立體圖；圖13是一對在其表面設置了縱向溝槽的相對半球形凹坑的一立體圖；圖14是在其表面上刻有圓環溝槽的一對相對半球形凹坑的一立體圖15是一對壁厚不均勻的相對半球形凹坑的一立體圖；圖16是根據本發明的另一種實施例的一對相對凹坑和插塞的局部剖視圖；圖17中的圖線表示本發明減震結構的力-位移關系曲線；圖18是根據本發明一優選實施例的用于在底面板上形成凹坑的模具的俯視圖以及一對用于在上、底面板形成凹坑的模具的剖視圖；圖19是根據本發明一優選實施例用一個垂直側壁連接起來的一對上、底面板的后視剖視圖。
本發明是一種由柔性高聚物塑性樹脂制成的減震元件。該元件的形狀一般取決于該元件應用在什么樣的裝置中。例如，該減震元件可結合其它材料來形成一個插塞或墊板的一部分，這些材料包括普通的乙烯基醋酸纖維素共聚物(EVA)泡沫或其它材料。
減震元件一般包括一種或多種高聚合物，這些高聚合物一般是人工合成的，并可通過加熱或加壓進行成型。高聚物最好是熱塑性聚合物或者是那些在成型后轉變成熱固性聚合物的熱塑性聚合物。用該聚合物形成減震元件的一個構架部件。不論減震元件的具體作用是什么，構架部件一般包括兩個相對的面板，我們稱之為一個上面板和一個相對的底面板。其中底面板和上面板至少是部分共同延展的。上、底面板間的共同延展關系在這兩個面板間限定了相互對應的部位。上、底面板最好能設置成至少在部分區域有相互間隔。上、底面板可以是大致的平行平面關系，或兩面板斜向相對并最終相交。如果兩相對面板有至少部分區域是相互間隔開的，則該間隔就在兩面板間形成了一個隔腔。
在上、底面板間設置了多個支撐構件。這些支撐構件是由上、底面板中的一個或兩個板上的一些內陷凹坑形成的。在一個面板上延伸向某一點的凹坑和相對面板上的對應凹坑相鄰接。在本發明的描述中，“鄰接”一詞意味著凹坑延伸到至少靠近相對面板上對應部分的某一點處，并可能和相對的凹坑相互抵接上。該接合關系可以是固定的也可以是非固定的。在本發明的一個實施例中，一個或多個支撐構件被固定地連接或接合到相對支撐構件的對應部分上，來使上、底面板保持共同延展以及間隔關系。在本發明的另一個實施例中，上面板中的凹坑可和底面板中的凹坑間隔開，但在作用于減震元件的外力作用下可發生對抵。
在本發明的另一種實施例中，構架元件還包括一個側壁構件，該構件和上、底面板的至少部分周邊是共同延展的。在該實施例中，側壁構件可將上、底面板連接起來以保持上、底面板處于間隔開的共同延展關系。此外，如果側壁構件和上、底面板的周邊連續設置，它就形成了一個具有內部支撐構件的殼罩，其中的內部支撐件是由內陷延伸到殼罩內的凹坑形成的。
如上所述，支撐構件是減震元件的有機部分，該減震元件在構成其上、底面板的聚合材料上設置了內陷的凹坑。支撐構件使材料實現了有限度的塌陷，來形成減震元件中的緩沖區并保證了元件的堅固性。支撐構件被設置成在上、底面板之間延伸，且相對面板上的對應部分相互鄰近。凹坑部分可設置在上、底面板的其中之一上，也可設置在兩個面板上。上、底面板的對應凹坑應至少相互靠近，并能以固定或非固定的關系相互接合。上、底面板上的凹坑部分在任何情況下都應能完全支撐上、底面板的其余非凹坑區域，從而為減震元件提供足夠支撐的作用，例如在元件具有50％凹坑部分的情況下。
參照圖1，在一優選實施例中，減震元件1包括一個上面板2和一個底面板3，上、底面板基本處于彼此平行平面的關系狀態，或是一種相互坡斜狀態而直到在某一點處二者相交。上、底面板為共同延展關系并保持部分區域相互分離，從而在上、底面板間形成一個間隔或隔腔。在上、底面板上設置了多個內陷的半球狀凹坑4、5，這些凹坑延伸向所相對的面板，從而形成了減震元件結構中的內部支撐。
圖2和圖3表示了內陷延伸的凹坑在上下板間抵觸。如圖所示，用于形成內部支撐構件的凹坑可以有多種形狀。在一個優選實施例中，每個凹坑都是一個半球形的結構，它延伸到上、底面板間的空間間隔內。
如圖所示，通過減震元件上下兩面板上對應凹坑間的接觸，支撐構件能一起發揮作用。圖2和圖3表示了根據本發明的一種實施方式減震元件的上下兩半被連接到一起時，對應的凹坑間的接觸點形成了協作的支撐構件。形成于上半減震元件2上的上半球形凹坑4和形成于下半減震元件3上的下半球形凹坑5相接觸。接觸點可以是固定的也可以是非固定的。如果是固定的，可在其接觸點處通過粘接、熔接或其它的類似手段將凹坑連接在一起。
在一些實施例中，雖然內陷的凹坑接觸或頂靠在所對的減震元件部件上或相對面板的對應凹坑上，但并不連接或固接到相對面板的對應凹坑上。在其它一些實施例的設計方案中，平時凹坑并不和相對的面板接觸，直到有足夠大的壓力作用在減震元件的上、底面板上，才使得凹坑和其相對面的對應凹坑發生接觸。
在考慮了所采用的熱塑性材料的一般物理特性之后，支撐構件的尺寸、類型以及設置個數就是由所制減震結構的功能要求來決定了。因而，通過對材料、支撐構件和支撐構件位置的選擇可使減震結構的某些區域具有更好的緩沖性和堅固性。類似地，減震結構中需要較大剛度的區域可采用那些可產生較大剛性或剛度的材料和具有大剛性的支撐構件和支撐構件位置設置。例如，在上、底面板預計將受最大壓力從而需要較大阻抗的區域上，可設置較密的凹坑；通過增加沿上、底面板的周邊延伸的側壁可增強橫向堅固性。
如上所述，可被選來制成本發明元件的聚合物必須具有足夠的柔性，以滿足多用途減震元件的要求。一般來講，“柔性”一詞意味著成型后固化狀態的聚合物元件在外力的作用下可發生撓曲而不會折斷或斷裂。特別適用于本發明使用的最佳聚合物是具有很高延展性的彈性材料。一般來講，減震元件的延展性越好其柔性壽命越長、阻抗越大。良好的延展性還是減震結構具有足夠的緩沖行程所需的。例如，按照ASTM(美國材料試驗學會)D 638測試規程測試的延伸斷裂率在250％或300％左右或更高的聚合材料是本發明所希望的典型材料。減震元件最好能具有至少50000次左右的彎曲疲勞壽命。該所需疲勞壽命值例如可通過用一臺折彎試驗機來測得，其中的彎曲機例如是由英格蘭北安普敦郡的凱特靈Satra鞋靴制品技術中心制造的Ross Flex設備和Satra／Bata帶彎折機。
此外，材料的硬度對減震元件所需的諸如整體性、橫向堅固性等特性也是很重要的。較硬的材料允許用較薄的材料來構成減震元件，從而減小了元件的重量。一般來說，理想的聚合物應具有的硬度應當是在肖氏A級硬度70到肖氏D級硬度55的范圍左右(ASTM D2240測試規程)。減震元件材料的其它應具有的特性包括(1)成型性，即材料經模壓形成所需部件形狀的能力；(2)耐磨性；(3)透明度；(4)良好的抗扯強度；(5)低密度；(6)良好的拉伸強度；(7)材料和現有生產工藝的兼容能力；(8)材料的染色能力；以及(9)價格。在大強度使用時，還需要高的拉伸強度來應付所受到的大剪切力。此外，高拉伸強度允許模壓的底板可設計得更薄。清亮性對實現色彩的明艷對比非常重要，在某些應用場合，這一點對能否達到可以接受的美學效果是致關重要的。在減震結構的外觀設計中，如果元件包括一個透明的部分，則透明度是材料另一個需要考慮的方面。和現有技術工藝的兼容能力包括元件和其它材料的結合難易程度等一些因素。附著力和濕附著力也是制造本發明減震元件的材料的關鍵指標。
如上述，減震元件最好是由一種熱塑性樹脂制成的。該材料最好是那些易于通過熱成型來加工成所需的柔性部件結構的材料。這些優選的熱成型材料包括那些應用在本發明減震元件中、在模壓后發生熱固化并能保持柔性特性的材料。熱固性樹脂在加熱時，由于在聚合鏈之間發生了交聯，從而發生不可逆轉的固化或定形。交聯過程可通過使用成核劑或用高于材料造型溫度的模壓溫度以及輻射手段等來實現。熱固型樹脂一旦發生固化或硬化則不能再通過加熱的方法來進行軟化。熱固性樹脂一般的特性是具有較高的熱穩定性、高的幾何尺寸穩定性和高的剛性和硬度，該種樹脂包括例如聚脂和聚氨基脂等類型。
熱塑性樹脂可以是結晶體或非晶體，并可通過加熱來重復軟化。非晶熱塑性樹脂包括丙烯氰-丁二烯-苯乙烯(ABS)聚合物，聚苯乙烯、纖維素塑料以及聚氨脂等材料。結晶熱塑性樹脂包括尼龍、聚乙烯、聚丙烯和聚氨脂等材料，應用在本發明中的特別理想的材料例如是熱塑性聚氨脂、尼龍、聚脂纖維、聚乙烯、聚酰胺等。
下文的描述進一步說明了用于本發明的理想材料。熱塑性的聚氨脂具有良好的彎曲壽命，特別是在較高硬度條件下，還具有良好的耐磨性、粘接容易、良好的延展性和透明度。熱塑性聚氨脂中特別推薦的類型例如為新澤西州Parsippany地方的BASF公司生產的Elastollan_1100系列材料，下表給出了Elastollan(R)聚合物的典型參數指標
尼龍材料具有高的拉伸強度，從而可模壓得較薄。此外，它們的密度低，因而很輕，并具有良好的彎曲疲勞壽命。適于本發明使用的推薦尼龍聚合物是由特拉華州Wilmington地方的E．I．DuPont deNemours公司生產的Zytel 714材料，典型的Zytel 714材料的參數表示在下表中
聚脂纖維具有理想的低密度、粘接容易性、拉伸強度和延展性。最佳的一種聚脂纖維聚合物例如是由E．I．DuPont de Nemours公司生產的Whittler系列多種熱塑性彈性材料，Hytrel聚合物是聚合丁烯、對苯二酸脂和長鏈乙二醇的塊狀共聚物。典型幾種Hytrel聚合物的指標參數表示在下表中
聚酰胺具有很好的抗扯強度、高的彈性、低的密度、長的柔性壽命和透明度。推薦的聚酰酸類型是由法國巴黎的Atochem生產的Pebax聚酰酸，它是一種聚醚嵌段酰胺熱塑性彈性材料。典型Pebax聚酰胺聚合物的指標參數表示在下表中
另一種推薦的聚合物是由E．I．DuPont de Nemours公司生產的Surlyn，Surlyn是一種由鐵離子對乙烯和甲基丙酸烯酸性共聚物交聯而形成的熱塑性聚合物(即離子鍵共聚物)，它具有良好的抗扯強度、低密度、長的柔性壽命，典型Surlyn聚合物的指標參數表示在下表中
如上所述，對幾種特定聚合物指標參數的描述是為了說明哪幾種聚合物具有適用于本發明減震元件的理想性能。其它許多具有類似性質的聚合物也適用于本發明。此外，上述的數據只是基于可以獲得的資料，當需要進行直接的聚合物比較或進行精確的規格設計時，這些數據是不能直接應用的。例如，ASTM測試規程也允許用其它的測試方法來擴充材料的性能數據。另外，聚合物中添加的其它成分，例如填料、增強劑、著色劑等都能使性能參數發生一定的變化。
制造本發明的減震元件的優選方法是將柔性高聚物塑性樹脂模壓成元件的上下兩面板，然后將兩面板接合起來以制成整個減震元件。如上所述，最好采用那些可加熱模壓形成減震元件所需形狀的柔性熱塑性樹脂板材。尤其理想的熱塑性板料例如是硬度為肖氏A級94的聚氨脂板，該種聚氨脂板可從馬里蘭州Greenfield地方的Argotec公司購得，這些板材一般為0．010英寸厚。板材厚度是根據設計標準來選定的，但一般可根據具體的材料參數大致在0．040英寸到0．010英寸之間進行變動。例如，對于肖氏A級硬度為94的熱塑性聚氨脂板最佳厚度應大約是在0．060英寸到0．080英寸之間。
在本發明的一個實施例中，將第一片柔性熱成型材料加熱到其造型溫度，然后在一個對應的第一模具中進行模壓，其中該模具的結構可將材料壓成減震元件的上半面板。將第二片柔性熱成型材料加熱到其造型溫度，然后在一個對應的第二模具中進行模壓，該模具的結構可用材料形成減震元件的下半面板。在這兩個模具的一個或兩個中設置了用于在上、底面板的一個或兩個面上形成凹坑的對應突起部分。一旦模壓完成，完全冷卻之后減震元件的上下兩面就可從模具中取出，然后接合到一起。
采用成對熱成型板件來制成減震元件有一個好處，即可采用具有不同性能的兩種材料來實現用一種材料不可能達到的性能指標。例如，減震元件可由具有不同厚度的材料制成。此外，在模壓過程中還可將用于產生吸震功能的凹坑全部都連接起來，這樣，在制造需要足夠的緩沖性和堅固性的減震元件時，由于不需要再增加使成本增加的其它工作步驟，所以也是一個非常有利的特點。舉例來說，特別推薦的用于制造本發明減震元件的方法就是通過采用具體設計的成對熱成型模具及其工藝來實現的。
一般來講，熱成型工藝就是一個通過將熱塑性樹脂板件加熱到足夠的溫度而使樹脂具有足夠的延展性來變形成所需形狀的過程。通常來說，整個材料被均勻地加熱到其正常造型溫度，其中的正常造型溫度是這樣確定的將材料加熱到某一最高溫度，在該溫度材料仍然具有足夠的高溫強度以便進行工藝處理，但該溫度低于使材料變性劣化的溫度。材料最好具有足夠的高溫拉伸強度，以使得材料可以均勻一致地在模具中延展盤曲。然后在邊緣部位鉗夾住處于其造型溫度的材料，并壓入到一個通常為可調溫的鋁質單面模具中，并用在材料向著模具那一側的真空作用將材料吸入到模具中，通常在材料背對模具的那一側的表面上還施加一個正的氣壓來促使材料緊密地貼入到模具中。當板材處于其造型溫度時，材料實際上是在進行退火(即消除應力狀態)。為了避免產生內應力，高溫板材應盡可能地在真空和氣壓作用下緊固地貼擠在模具中。一旦模壓完成，就將部件冷卻到其固化溫度，其中在固化溫度下部件具有足夠的硬化程度以使得在不損壞成型部件外形的條件可將部件從模具中取出。然后對模壓后的部件進行剪邊以除去通常出現在模壓工件邊緣處的多余材料，因為部件是在此部位進行鉗夾的。如果需要，這些多余的材料可進行回收利用。
具體來講，雙板成型方法使用了兩塊被加熱到其造型溫度的材料板，上板被壓入到一個上半模具中，下板被擠入到一個對應的下半模具中。這兩個半模具被擠壓到一起，而且兩個半模具的擠壓力將處于造型溫度的板件碾壓在一起，從而有效地使兩塊材料在它們的接觸點處聯成了一體。接觸點位于上下減震元件半部的周邊位置，并位于凹坑和相對部件上的對應部分之間。此外，相觸點還可設置在對應的兩個凹坑之間。如所述的那樣，在兩板件之間可施加氣壓來促使材料緊固地貼入到模具中。用于雙板熱成型方法的材料尤其要有理想的比熱，也就是說，在工藝過程中熱的板件可將其溫度保持足夠的一段時間，以便容易地將兩個面板在它們的接觸點處接合起來。例如熱塑性聚氨脂就具有理想的比熱系數。
本發明中減震元件的熱成型方法大致可參照圖7所示。參見圖7，從滾筒32和33引出的原料板30和31通過滾筒34引到料板加熱器35中，以將料板基本加熱到其正常造型溫度。然后將料板輸送到成型工作臺36中，該工作臺具有一個上模具部件37和一個下模具部件38。作為選擇方案，也可以采用分隔開的熱塑性板材，而不是連續的料板滾筒。在這樣的工藝中，板件從一個工作臺輸送到另一個工作臺(即從加熱過程流向成型過程)。將半模具封合在一起，并在半模具中抽成真空以促使上料板陷入到上模具37中，而下模具陷入到下模具38中。還可在兩板件間通入壓縮空氣來將材料更緊密地壓入到模具中。半模具保持封合狀態一段足夠長的時間來將上下材料板在接觸點處粘合在一起。舉例來講，對于厚度為0．060英寸到0．080英寸之間的肖氏A級硬度為94的熱塑性聚氨脂，板件的成型溫度大約為華氏400度，一個工作行程的時間大約為20秒。然后回縮半模具，經過一段足夠長的冷卻時間后，將成型的減震元件39從模具中取出，并沿生產線流向下一步的切邊工藝。
在本發明減震元件的制造過程中，發現在兩個半模具間的空腔進行加壓有利于防止相對的面板坍塌在一起而形成其它不必要的粘接點。最好是在脫模過程中在兩模具間加壓來防止類似的坍塌和不希望的粘接。此外，在兩半模具件的空間內加壓還有助于促使相對的兩個面板擠靠到半模具上，從而每個板件的形狀都能和模具表面完全精確地一致，并有助于使面板上的凹坑和模具中的插塞相結合。
如上所述，上下減震元件的面板可由不同的熱塑性材料制得。相應地，這樣的元件就可實現很多優點。舉例來講，上面板可由較厚較重的熱塑性材料制成，而底面板則由較薄較輕的熱塑性材料制成。類似地，用不同的材料來制成相對應的支撐構件也增加了設計者在使減震元件的不同部位具有不同柔性程度或阻抗時的選擇余地。通過采用具有不同指標參數諸如拉伸強度、材料厚度和延展率的材料，以及通過改變構成支撐構件的凹坑部位的結構，就可以穩定地成批制出滿足具體要求、部分區域具有希望的阻抗和柔性的減震元件。例如，可采用一種又厚又硬的材料來制造上面板，而采用既薄又柔的材料來做底面板。由硬材料制成的、從上面板向下陷入的凹坑將形成一個更剛性的上支撐部分，而從底面板延伸出的凹坑則形成了更柔、更軟的下部支撐構件。相應地，組合起來的支撐構件具有雙特性，使支撐構件的力學響應特性更精確的。此外，如果元件中還包括一個側壁構件的，該側壁構件也可以由兩種材料形成，即側壁也可以按照減震元件面板的上、底面板來分成兩部分。
作為選擇方案，減震元件也可以通過中空注模法、特別是擠壓中空注模法來制造。在擠壓中空注模法中，先由熔融的熱塑性樹脂擠壓形成一個型坯(或一個圓的中空管)。然后再將該型坯攏閉在兩個半模具中，該型坯在氣壓的作用下發生膨脹而擠靠在模具間的型腔中，從而形成了減震結構相對的兩個面板。在型坯成型、并在相對的面板上形成了凹坑之后就將減震結構進行冷卻，然后從模具中取出。
在一優選實施例中，相對面板上的一個或多個內陷的凹坑是半球形的。如圖4所示，上部件2和下部件3連接在一起，且最好是由位于它們周邊位置的側壁部件8將它們連接起來。在上下部件間的空隔內有多個頂起的內陷凹坑4、5形成了減震元件的內部支撐。如上文所述，一個或多個凹坑部分是半球形的。在此優選實施例中，每個半球形凹坑的直徑可以是1／8英寸到1／2英寸左右的任何數值。上下部件上的半球形凹坑可以相互鄰近和／或通過粘接或其它的措施而連接在一起。
上下部件上的半球形凹坑最好是由柔性高聚物塑性樹脂板制成的，對這些樹脂板加熱模壓而形成了減震元件。作為其它的選擇方案，半球形的凹坑也可以通過對熱塑性樹脂的中空注模來形成。這些半球形的凹坑是每個減震元件的一個有機部分，從而實現材料的可控凹陷，由此產生了具有理想緩沖性的區域和理想的堅固性。
設置減震結構的凹坑成半球形具有一個顯著的優點，即改善了結構的抗疲勞壽命。當受到擠壓時，半球形狀比其它形狀的凹坑具有更好的抗斷裂能力。半球形凹坑的其它優點包括在整個受力變形循環中均具有很好的性能表現；減小了上下部件的材料中的應力和應變、并易于模壓成型。在該場合下所述的“半球形”一詞包括的含義是指基本為半球形狀，而并不僅限定于那些具有精確球形的形狀，還包括半橢球形。
半球形的優點是具有平滑的載荷限界曲線，從而增加了消震系統可達到的工作效能。此外，半球形狀減小了形成凹坑部分的材料中的結構誘發應力和應變。相應地，使用半球形設計的凹坑比由同種材料用其它設計方法設計的緩沖部件具有更長的壽命。半球形凹坑的應力分布增強了吸震結構的壽命，并無需在上、底面板間插入泡沫或其它填料、或在上下面間的空隔內充入空氣或其它氣體或流體的前提下、控制了緩沖性和舒適性。半球形凹坑可和上、底面板上的其它凹坑配合來滿足不同工作條件所需的緩沖特性。
在一優選實施例中，至少在減震結構的一個或兩個面板上穿通了一個通道，該通道為結構內外的氣體或其它介質的流通提供了通道。因而，在上下減震部件間的內部空腔最好不封閉空氣或其它任何的氣體、流體，而是在擠壓過程中允許它們從內部流出，從而不影響元件的緩沖性。如果需要，還可在上、底面板上設置其它的氣流通道，從而提供了另外的氣體通道。
如圖8和圖9所示，還可在上面板106或底面板107上的一個或多個凹坑109中設置插塞117、118。舉例來說，每個插塞都可以是一個半球形的橡膠塞117，它可和每個半球形的凹坑相配合。這些半球形的橡膠襯套最好是中空的。插塞被用來調節減震元件的緩沖性能。
如圖10所示，作為其它的選擇方案，所有的半球形插塞116可通過一個孔板110來安裝在一起。該孔板結構產生了一種類似彈簧蹦床的效果，該孔板結構可由制造上下部件的同種材料制成，或根據需要由一種比那種材料更軟的材料制成。
最好是，每個插塞117、118都由諸如SBR橡膠、或肖氏A級硬度大約在35到95之間的橡膠材料制得。在一個優選實施方式中，插塞是中空的橡膠塞。每個插塞最好在其內部有一個空腔。然而，插塞也可以是實心橡膠塞或按照需要設置其它形式的內部結構來滿足特定的需求。插塞的形狀應能和基底結構上多種類型的凹坑相匹配，這些凹坑例如是半球形、錐形或其它形狀。插塞可通過膠接安裝到每個凹坑中，或如上文討論的那樣，在減震結構的熱成型過程中將插塞連接到每個凹坑上。
在優選實施例中，插塞通過下述的方法連接到上、底面板上第一步，通過噴沙法或其它的工藝對橡膠插塞的外表面進行預處理。然后，在要和凹坑接觸的橡膠表面上涂覆底劑和粘接劑，底劑最好是一種氯基底劑，而粘接劑是一種脲脂基熱活化粘接劑。下一步，將插塞放置在有切口部位的模具中，其結構對應于插塞的形狀。如圖7所示，熱塑性的成對板件被加熱到理想的溫度(最好是從350度到400度范圍)并置于上下模具中，每個插塞最好都具有一個貫通的氣體通道，而且，如說明書中上面部分所討論的那樣，模具也包括一個貫通其間的氣體通道，當插塞被放置在模具中時，模具中的通道就和插塞中的通道連通了。這樣真空負壓作用就可通過模具和插塞中連通的氣體通道來施加了，以促進加熱的熱塑性板緊貼在模具中，從而使熱塑性板的形狀和模具中的各種凹陷的形狀一致，并將插塞擠靠定位在模具中。在上下部件的一個或多個氣體通道中還可穿過一個針，這樣就可在兩半模具間通入正壓的壓縮空氣來促進上下部件上的凹坑緊貼在模具中的插塞上。這也提供了一種在每個凹坑中固定插塞的方法。
如上所述，已經發現通過在模具和插塞中的連通通道施加負壓有助于將插塞緊固地連接到熱塑性板上。此外，在插塞的外表面使用熱活化粘接劑也有助于將插塞連接到板件上。
凹坑和插塞可適于使減震結構其中一個部件比另一個部件具有更大的抗壓剛度。有很多種方法可形成這樣不同的抗壓剛度。在結構的某一部件上可采用半徑較小的半球形凹坑，也可在結構某一部件的凹坑中使用由較大彈性模量的材料制成的插塞，還可選擇在某一部件的凹坑中的插塞有較大的壁厚的方案。
如圖5、6所示，在另外的一個的實施例中，用于制造減震元件的熱塑性材料可以是一種網格材料，或者在模壓成型凹坑之后或之前在減震元件上穿出一些孔洞或切口。通過采用網格材料或在熱塑性材料上穿孔或切口的方案，減震結構中的介質能以一個可控的節率和／或方向在其中進行流通，從而對結構的緩沖性或其它關鍵功能參數有所貢獻。介質的傳輸率可通過對孔洞大小、網格尺寸的設計來進行控制。同樣，減震結構的重量也可比不采用網格結構獲得減小或降低。可在在模壓形成凹坑之前在熱塑性材料上形成網格格式或穿孔、切口，但在用模具模壓之后再形成網格格式或穿孔、切口的方案也是可以考慮的。
可在制造減震結構的所有或部分熱塑性樹脂上形成網格格式或穿孔、切口。舉例來講，可以只在某一特定的區域設置網格結構，從而只在減震結構的某一部件中介質可發生傳輸流動。網格格式或穿孔、切口的尺寸最好是這樣設置的使得諸如空氣、氣體、其它流體或顆粒的介質可在整個結構中以可控的節率和／或方向進行流動。同樣，網格格式或穿孔、切口的設置還可使得溫度、濕度、以及其它結構環境參數可在結構中進行傳導。
本發明的減震結構還可以由例如熱塑性脲脂的透明層壓片材來制成。還可以在熱塑性樹脂中設置纖維束來有助于防止板件或型坯在模壓過程中發生松弛。最好是，纖維束是由尼龍或其它比板件或型坯具有較高熔點的其它材料制成。
還可以考慮這樣的技術方案在減震結構的凹坑中還設置了孔眼。舉例來講，如圖11、12所示的那樣，在一優選實施例中的半球形凹坑的半球表面上可設置一些孔眼或切槽。這些孔眼的效果是減小了凹坑的平均剛度并改變了其受力-位移關系曲線的形狀。每個結構最好都應保持半球形或半橢球形形狀，并比其中的開口空間具有更多的實體材料。在另一種實施例中，一個或多個半球形的凹坑在其上具有網格格式。類似于半球上的孔眼，網眼的采用也減小了凹坑的平均剛度。
在另一種實施例中，一個或多個插塞是由網格材料形成的，或者是在插塞上制出了一些孔洞或切口，插塞被設計得適于裝配到減震結構的一個或兩個相對面板的凹坑中。通過用網格材料制造插塞，或采用板件上制出穿孔或切口的材料，可改變減震結構的剛性。
如圖13、14所示，在本發明的另一個實施例中，每個插塞在其外壁上都模壓出一個或多個溝槽。對應的凹坑在熱成型過程中也在其側壁上模壓出一個或多個溝槽。每個溝槽都具有增加減震結構的平均剛度的效果，并改變了力-位移關系圖線的形狀。所有溝槽的方向可以是從半球形凹坑的頂部引向其底部，或環繞半球體設置。也可以定向在其它的方向，例如螺旋形地環繞每個半球形進行設置，或組合使用幾種具有不同定向的溝槽都是可以的。
在圖15所示的另一種實施例中，凹坑或插塞具有不均勻的壁厚。舉例來說，半球形底部的厚度大于、或小于頂冠部的厚度。設置不均衡的壁厚使結構具有特定的非線性載荷位移特性。圖16表示了安裝在半球形凹坑85中的梢部或冠部被切去的一對中空插塞84，或者用更薄的一層橡膠來構成插塞的梢部或冠部。這樣設計的插塞具有的優點是減震結構在小載荷時表現得較軟，而受力增大時則剛性增大。
在設計中通過改動結構部件，就可能控制減震結構的載荷-位移特性，這包括控制減震結構的非線性特征。非線性意味著減震結構在小位移時有一個剛度系數，而在大位移時則為另一個不同的剛度系數，或更一般地說剛度系數本身就是位移的函數。圖17表示了載荷位移曲線的幾個示例。圖線A的線性關系可用線性方程F=kx來說明，其中的k是直線的斜率或“剛度”。圖線B是一個非線性關系，在該圖線中，剛度隨位移的增大而增大。該圖線是泡沫材料或其它緩沖材料的典型受力特性，這些材料當應變大于0．5時(即超出其原始厚度的一半時)，位移量就到底了。圖線B的缺點在于它對沖擊能量的吸收能力有限。這是由于沖擊能量的大部分是在大作用力水平階段吸收的(而該階段位移有限)。其優點在于沖擊過程中的峰值載荷相對較低。圖線C也表示了一種非線性關系，其中的剛度隨減震裝置位移的增加而減少。一個具有類似該特性曲線的減震結構的優點是沖擊能量的吸收發生在受力相對較小的區間。在此情況下，其缺點在于峰值載荷發生在沖擊起始時刻且數值較高。
圖18是根據本發明一優選實施例在底面板形成凹坑的模具的俯視圖。下半模具50具有多個半球形的突起52，這些突起在橫豎方向成組排列以在壓到其上的熱塑性材料底面板上形成凹坑。下半模具50還包括多個沿一條第一軸線設置的直條狀突起54，和沿垂直于第一軸線的一條第二軸線設置的直條狀突起55。每個直線狀突起54和55的相交部位56最好具有圓弧的拐角。當熱塑性材料被壓入到模具中時，直線突起54、55被用來在面板上形成直線狀的凹坑。最好是下半模具50可在底面板上形成半球形和直線形的凹坑，而上半模具51則可在上面板上形成半球形的凹坑。直線狀的凹坑在底面板上隆起了溝槽。這些頂部對著相對面板的內陷直線形凹槽最好具有足夠的高度來接觸或靠近相對的面板。如剖視圖所示，在一優選實施例中直線狀的凹坑和半球形的凹坑相間設置，從而使得每個半球形的凹坑都位于相鄰的兩個直線形凹槽之間。直線形的凹坑最好能設計得用橫豎方向的多個相交部位形成兩面板間的支撐構件。底面板上的半球形凹坑52最好能對抵著上面板的半球形凹坑53。在一個或兩個相對的面板上設置內陷的直線凹坑的優點在于凹坑構成了柔性的溝槽，它可增加減震結構的撓曲性。在該實施例中，最好使每個線形凹坑的頂部和底面板位于同一平面。這樣，在底面板上的每個半球形凹坑都可由橫向凹槽和豎向凹槽間相交處的一個凹陷所圍繞。
圖19表示了上板61和下板62間的一個垂直側壁的一個優選實施例的后視剖視圖。下板62的邊板64在半模具中形成，并使其由下板垂直向上伸出，上板的邊板63也用類似的方法模壓成型，其也伸向上方，但卻和垂直方向有一個銳角，從而使得其可向外延伸而和下板的邊板64相接觸。下板邊板64的尺寸最好略大于上板的邊板63。兩塊邊板相對接而形成一個連接了上下部件邊緣的垂直側壁65。
上述的描述只是為了解釋說明本發明，對本領域的普通技術人員來說還可以有很多種變型，但所有這些變型都包括在本發明的范圍內。
權利要求
1．一種減震元件，該元件包括(a)一個由柔性高聚物樹脂構成的上面板；(b)一個由柔性高聚物樹脂構成的底面板，其和所述上面板至少是部分的共同延展關系，所述的共同延展關系在所述的上、底面板間形成了的相對的對應部分；(c)多個支撐構件，這些支撐構件包括所述的上、底面板上的內陷凹坑，上、底面板上的多個凹坑具有半球形的形狀，所述上面板上的所述凹坑對抵著底面板上的所述凹坑；以及(d)在至少上、底面板之一中有至少一個半球形插塞粘接到多個凹坑中的一個上。
2．根據權利要求1所述的減震元件，其特征在于還包括一個通過上、底面板的至少之一的通道。
3．根據權利要求1所述的減震元件，其特征在于該元件還包括一個和所述的上、底面板的至少部分周邊共同延展的一個側壁部件。
4．根據權利要求1所述的減震元件，其特征在于半球形插塞是中空的。
5．根據權利要求4所述的減震元件，其特征在于至少一個半球形插塞具有不均勻的壁厚。
6．根據權利要求1所述的減震元件，其特征在于該元件還包括至少一個在至少一個凹坑的外表面中設置的溝槽。
7．根據權利要求1所述的減震元件，其特征在于所述的上、底面板是由不同的聚合物制成的。
8．根據權利要求1所述的減震元件，其特征在于所述上面板的厚度和底面板不同。
9．根據權利要求1所述的減震元件，其特征在于形成上、底面板至少一個的柔性高聚物樹脂包括一種其中具有多個開孔的材料，以足以使流體通過其流動。
10．根據權利要求1所述的減震元件，其特征在于上、底面板至少之一中的凹坑具有孔洞。
11．根據權利要求1所述的減震元件，其特征在于至少一個凹坑在凹坑的頂部和底部具有不同的壁厚。
12．一種減震元件，該元件包括(a)一個由柔性高聚物樹脂構成的上面板；(b)一個由柔性高聚物樹脂構成的底面板，其和所述上面板至少是部分的共同延展關系，所述的共同延展關系在所述的上、底面板間形成了的相對的對應部分，上、底面板中至少之一具有多個貫通其的通道；(c)一個和所述的上、底面板的至少部分周邊共同延展的一個側壁部件，所述的側壁部件連接了所述的上、底面板；以及(d)多個內部支撐構件，這些支撐構件包括在所述的上、底面板兩板或其中之一中的內陷凹坑，這些凹坑具有半球形的形狀，構造成在上、底面板間延伸。
13．根據權利要求12所述的減震元件，其特征在于該元件還包括多個半球形的插塞，每個插塞粘接到一個凹坑上。
14．根據權利要求13所述的減震元件，其特征在于該元件還包括一個孔板，孔板將至少兩個半球形的插塞連接起來。
15．根據權利要求12所述的減震元件，其特征在于每個半球形插塞都至少具有一個貫通其的通道。
16．根據權利要求13所述的減震元件，其特征在于至少一個半球形的插塞在其外表面上有至少一個溝槽。
17．一種減震結構，包括(a)基本為平面的第一和第二熱塑性面板，每個熱塑性面板上都具有多個半球形的凹坑，第一熱塑性面板上的每個半球形凹坑的頂部都和第二熱塑性面板上的每個半球形凹坑頂部相頂觸；以及(b)在第一熱塑性面板上有多個線性的凹槽，這些線性凹槽和第二熱塑性面板相接觸。
18．根據權利要求17所述的減震結構，其特征在于線性凹坑以行、列的形式成組設置。
19．根據權利要求18所述的減震結構，其特征在于一行中每個線性凹坑和一列中的一個線性凹坑相交，且相交點處具有圓弧的拐角。
20．根據權利要求17所述的減震結構，其特征在于每個半球形凹坑位于鄰近一線性凹坑。
全文摘要
一種具有一對面板的減震元件,這對面板的上、底面板有多個內陷的凹坑。這些凹坑在面板間相對延伸而形成減震元件的支撐構件。至少部分凹坑是半球形的,所述面板可由網格材料制成,以允許氣體或流體在其間流動。在凹坑中可設置一個或多個插塞。該減震元件可這樣制成:在適于在上、底面板上形成凹坑的模具中模壓形成減震元件的上下半邊,然后將上下半邊結合在一起而完成整個減震元件。
文檔編號F16F9/30GK1291263SQ98813957
公開日2001年4月11日 申請日期1998年10月21日 優先權日1997年10月24日
發明者馬丁·R·肖特恩, 約瑟夫·J·斯卡加 申請人:雷塔馬技術公司