專利名稱：加強結構構件的方法
本申請根據的是1997年7月21日登記的臨時申請系列號No．60／053264。
本發明一般地涉及空心結構構件的加強，更具體一些，則涉及具有封閉區的結構的加強，該封閉區存在特殊的接近問題。
近年來，許多因素迫使在汽車結構設計的方法方面作根本的改變。它們包括，必須滿足不斷提高的沖擊強度和燃料節約標準，和生產在全球市場中其價格具有競爭力的車輛。這些要求常常看起來彼此有矛盾。例如，沖擊強度多數情況下可以簡單地通過加大鋼的厚度或通過使用高強度鋼達到。但是，這種方法通常要增加車輛的重量和／或成本。雖然重量輕的樹脂現在可以用于填充結構構件的整個空腔，以提供更大的強度，但是這些材料都昂貴，因此大量使用它們就會不合要求地加大車輛的成本。
本發明首先采用一個新的方法，它通過采用微球體填充的熱膨脹樹脂局部加強重要的區域來加強結構部件，例如具有樹脂基芯子的復合門梁，該芯子所占據的地方不超過金屬管的芯子的三分之一；空心疊層梁，其特征為它具有高的剛度與質量之比并具有用薄的結構泡沫塑料層與一內管隔開的外部，一W形載體插入增強物，該載體插入增強物載有用于加強空心梁的泡沫塑料體；隔板，它利用熱膨脹泡沫塑料提供軌道的局部加強，該軌道用于固定發動機托架或其類似物。
雖然這些技術都很適合許多應用，但是仍然需要局部加強具有特殊的接近問題的區域。更具體一些，在許多空心結構部件中，構件有一封閉的空間區域，它的位置離開空間的開口有某些距離，并且由于構件中的曲度或彎曲而難于夠到。在某些情況下，構件及其所確定的通道有不規則的幾何形狀，使之難于接近特殊的內部區域。當然，在某些情況下，也有可能簡單地用以后固化的液態樹脂填充整個結構，但是，如上所述，這種方法在許多應用中可能過分費錢。因此，需要有另一種提供這種部件的局部加強的方法。本發明提供了對此問題的答案。
本發明的一個目的為提供一種方法，它在用傳統技術難于到達的空心結構部件的區域中提供局部加強物。
本發明的另一目的為提供一種在結構部件中加入局部的樹脂加強物的方法，在該部件中，被加強的區域在通道中的彎曲部分的另一邊。
本發明的又一目的為提供一種方法，它在空心結構部件中在難于接近的區域集中樹脂加強物。
本發明的一個方面為提供一種在局部區域加強部件的方法。該方法包括下列步驟提供一柔性構件，其長度基本上大于其寬度；用熱膨脹樹脂包住柔性構件的至少一部分；將柔性構件插入空心結構部分的空腔中。插入步驟包括這樣一個步驟，即彎曲柔性構件，使之適應部件的空腔的幾何形狀。然后使樹脂熱膨脹，以使樹脂粘結在結構部件上。這樣，對于許多其內部幾何形狀使之難于或不能用傳統技術加強的部件都可以達到局部加強。
在一個方面，柔性構件是一管子，樹脂繞其施加，成為一個層或涂層。以后將涂有樹脂的管子插入結構部件中并且在有壓力作用時將其彎曲，以使其能被送入部件空腔中，即當其被插入部件中時與所要求的形狀一致。
在一個方面，樹脂包括發泡劑和玻璃微球。當柔性構件在部件中就位以后，例如在裝入機動車輛以后，將部件加熱至足以使發泡劑活化并使樹脂熱膨脹的溫度。當樹脂膨脹時，它粘結至部件的內壁上，形成具有高強度特性的管子對管子式的結構。
在一個方面，按重量比，熱膨脹樹脂包括約40％～80％的樹脂，約10％～50％的微球，約0．5％～5％的發泡劑，約1％～15％的填充劑，約0．5％～2％的加速劑和約1％～8％的固化劑。
在另一個方面，柔性構件包括一個或更多的間隔器，它將柔性構件與結構部件的內壁隔開。
在本發明的優選實施例的下列詳細說明中將參考附圖更完全地描述本發明的這些和其它方面、特色和目的。


圖1示出了在本發明的方法中所用的樹脂支承管。
圖2為一局部剖開的立面側視圖，它示出了未膨脹的樹脂在樹脂支承管上的位置。
圖3示出了另一樹脂支承管，它具有未膨脹的樹脂的外套。
圖4示出了彎曲的結構構件的剖視圖，它示出了樹脂支承管在樹脂膨脹前的位置。
圖5示出了圖4的彎曲的結構構件的剖視圖，它示出了形成內部加強的膨脹的樹脂。
圖6是樹脂支承管的正視圖，該支承管具有在本發明中使用的徑向間隔器。
圖7是圖6的支承管沿箭頭7-7方向的端視圖。
圖8示出了彎曲的結構構件的剖視圖，示出了未膨脹的樹脂和間隔器的放置。
參看圖1和2，圖中示出了用作未膨脹的樹脂外殼22的支承的柔性構件或管20。柔性構件20最好是與用作電線23的導管相似的空心管。熟悉本技術的人都知道有各種不同的柔性導管。一種特殊的優選的柔性導管為金屬螺旋管，它可以由于其螺旋形結構而在彎曲時無金屬變形。當然，管20的截面不一定必須是圓形，其它構形如正方形或卵圓形也是合適的。當柔性構件20為空心金屬管時，它通常用鋁做成并且最好有約0．5～1．2mm的壁厚。管20的直徑可根據用途而變化，但通常約為8～40mm并且在多數汽車應用中通常具有50～800左右最好為200mm的長度。在某些應用中，管子在放入被加強的結構中時將變形，超過其彈性限。此外，在某些應用中，可以用彈性較大的管子或棒料，它們在結構空腔中基本上靠彈性偏壓就位。雖然空心管20是最優選的，尤其是因為它提供重量輕的結構，但是也可以用實心棒料。最理想的是像在某些應用中的管20那樣使用塑料棒或管，而不是金屬管或棒。
管20的長度是從空腔開口至被加強的地方的距離的函數。管20的長度大于其直徑或寬度，并且在許多應用中，管20的長度最好比其截面直徑至少大4倍或大19倍，而更經常的則是大99倍。在許多應用中，管20具有50～200mm左右的長度。還有，在某些應用中，最理想的是如圖3中的螺旋導管所示用樹脂外殼22a基本包住整個管20a。
樹脂外殼22在多數應用中是一繞管20的整個外表面延伸的層，并且在未膨脹狀態具有比較均勻的例如2～6mm左右的厚度。樹脂外殼22的制備為用沖模將樹脂片切割成所需要的幾何形狀，并且將預先切割好的薄片繞管20包圍。另一種方案為將涂層模制在載體上，雖然也可以用其它形式的涂層例如通過噴涂等等。
用于形成樹脂外殼22的聚合物是樹脂基的材料，它最好是可以熱膨脹的。在本發明中可以用許多樹脂基復合物形成樹脂外殼22。優選的復合物賦予卓越的強度和剛度特性，同時又僅僅少量地加大重量。現在專門論證外殼22的組成，材料的密度最好為20～50磅每立方英尺，以使重量為最小。熔點，熱變形溫度和產生化學分解的溫度都必須足夠高，以使外殼22在油漆爐等中經常遇到的高溫下保持其結構。因此，外殼22應當能短時耐高于320°F最好350°F的高溫。還有，外殼22應當能長期耐90～200°F左右的熱而不顯示大的由熱引起的變形或降解。
更詳細一些，在一個特別優選的實施例中，外殼22的熱膨脹結構泡沫塑料包括合成樹脂、成孔劑和填充劑，合成樹脂包括外殼重量的40％～80％左右，更好一些為45％～75％左右，最好為50％～70％左右。最好是，一部分樹脂包括柔性環氧樹脂。此處所用的術語“成孔劑”一般地指能在外殼22中產生氣泡、小孔或空穴的物體。也就是說，外殼22具有微孔結構，具有許多在其整個質量中遍布的微孔。微孔結構提供一種低密度的高強度材料，它提供一結實的但是重量輕的結構。適用于本發明的成孔劑包括可以用玻璃或塑料做成的加強的“空心”微球或微泡。特別優選的是玻璃微球。還有，成孔劑可包括發泡劑，它可以是化學發泡劑或物理發泡劑。當成孔劑包括微球或大球時，它的組成按形成外殼22的材料的重量為10％～50％左右，較好一些為15％～45％左右，最好為20％～40％左右。在成孔劑中包括發泡劑時，它的組成按外殼22的重量為0．5％～5％左右，較好一些為1％～4％左右，最好為1％～2％左右。適用的填充劑包括玻璃或塑料微球，薰制的硅石、碳酸鈣，磨碎的玻璃纖維和切斷的玻璃絲。特別優選的是觸變性填充劑。其它材料也可適用。填充劑按外殼的重量包括1％～15％左右，較好一些為2％～10％左右，最好為3％～8％左右。
用于本發明的優選的合成樹脂包括熱固性樹脂如環氧樹脂、乙烯酯樹脂、熱固性聚酯樹脂和尿烷樹脂。不希望本發明的范圍受到樹脂的分子量的限制，而合適的重量將根據本公開內容為熟悉本技術的人所理解。當液態填充劑材料的樹脂成份為熱固性樹脂時，還可以包括各種加速劑(如咪唑)和固化劑(最好為雙氰胺)，以加強固化速度。加速劑的起作用的量通常為樹脂重量的0．5％～2％左右，并相應地減少樹脂、成孔劑或填充劑等三種組分中的一種的量。同樣，所用的固化劑的量通常為樹脂重量的1％～8％左右，并相應地減少樹脂、成孔劑或填充劑等三種組分中的一種的量。在層中還可以包括有效量的操作助劑、穩定劑、著色劑、紫外線吸收劑等。也可以用熱塑性塑料。
下表規定了外殼22的優選的配方。已經發現，此配方提供一種能充分膨脹并在320°F左右時固化的材料并提供了卓越的結構性能。本公開內容中的所有百分數均按重量，除非另外專有所指。
組分 按重量的百分數EPON 828(環氧樹脂)37．0DER 331(柔性環氧樹脂) 18．0DI-cy(雙氰胺固化劑) 4．0IMIDILOLE(加速劑) 0．8薰制硅石(觸變性填充劑)1．1GELOGEN AZ199(偶氮二酰胺發泡劑) 1．2838 MICROS(玻璃微球) 37．0WINNOFIL碳酸鈣(CaCO3填充劑)0．9現在參看圖4，圖中用剖面示出結構部件24，構件劃出空腔26。由于其目的只是為了說明，故結構部件24在此處作為汽車輾桿的一部分示出。其它優選的應用為用于加強頂部的A柱接頭和座椅框架。結構部件24有一弧形或彎曲的部分28，它劃出了空腔26的弧形部分30。與空腔26相似的各種空腔也就是難于接近之處是本發明的焦點。所示柔性管20在樹脂熱膨脹之前就在空腔26中就位。管20被彎曲成與空腔26的形狀一致。此成形工序最好就地進行。易言之，具有樹脂外殼22的柔性管20被插入空腔26中，該外殼22相對于管20的端部位于預先選定的位置。當在管20上作用有力時，管20經過通道往前移動。當柔性管20遇到來自內壁32的阻力時，它就彎曲，從而穿過空腔26“蜿蜒”前進，該空腔包括越過弧形部分30的部分。另一種方案為，可以在某些應用中在插入空腔26中以前將管20彎曲成相配的幾何形狀。柔性管20所插入的距離要足以使樹脂外殼22在弧形部分28中處于應有位置上。一旦就位，如果有需要，就用夾子(未示出)將外端34或管20相對于管20夾緊就位或用其它方法固定就位。
空腔26是非直線幾何形狀的，它可以比具有圖4所示的只有一個彎曲的弧形部分更復雜。當有多個彎曲或不規則部分時，也可以對這些不規則部分的某些或全部提供樹脂外殼22，它可以這樣做，即設置單個的互相隔開的樹脂段或提供一個或更多的位于兩個或更多的彎曲處的連續的樹脂段。
現在參看圖5，所示樹脂22處于膨脹狀態。也就是說，一旦20與樹脂22在結構部件24中就位，將整個組件加熱至使發泡劑活化以膨脹和固化樹脂外殼22的溫度，使樹脂膨脹。這一過程在汽車的應用中通常在車輛經過油漆爐移動時完成。樹脂膨脹成原有體積的若干倍，最好至少為其原有體積的兩倍。膨脹的樹脂與周圍的結構部件24的壁32接觸并牢固地粘結在其上。它還固化而在部件24中形成剛性的加強物。這樣，就可在需要加強的精確的地方用最少量的樹脂。
現在參看圖6和7，管20設有經向的支腳組件36，它有腳38，其數量一般為兩個至四個。從圖8可以看出，支腳組件36起著將管20在結構部件24中大體地定心的作用。最好使腳38多少有些彈性，即希望腳38在管20被插入空腔26中時向內撓曲。
雖然本發明主要是聯系汽車或車輛部件描述的，但是應當理解，本發明可以作為其它產品諸如飛機、船舶、自行車或實際上需要用能量移動的任何物體的部件來實施。同樣，本發明也可用于固定的或靜止的結構例如樓房中，以在受到例如來自地震的振動時提供剛性支承或單純對受到載荷的結構提供重量輕的支承。此外，雖然本發明主要是根據熱膨脹泡沫塑料和根據金屬部件如結構部件和柔性構件進行描述的，但是也可以用其它材料。例如，泡沫塑料可以是任何一種已知的合適的可膨脹的泡沫塑料，它用化學活化而膨脹并形成剛性的結構泡沫塑料。柔性構件可以用金屬以外的材料制造，諸如各種塑料或聚合物材料或各種木材型纖維材料，它們具有足夠的剛性，以起著泡沫塑料的襯背或支承的作用。在采用熱膨脹泡沫塑料時，柔性構件應當能耐在熱固化時所遇到的熱。不過，在采用其它類型的泡沫型材料時，柔性構件不一定需要能耐高溫。反之，柔性構件的基本要求為它要有足夠的剛度，以按所要求的方式起作用。例如，它也可以作為這樣一種柔性構件材料來使用，即它本身在固化或進一步處理時成為剛性。本發明也可以在結構部件不是用金屬制造時予以實施。不過，最好是把結構部件和柔性構件的材料選成和泡沫塑料一樣的，以使薄的未膨脹的泡沫塑料在膨脹時與結構部件和柔性構件形成結實的連接，以致能得到一結構復合物。
雖然此處示出了并描述了本發明的特殊的實施例，但是，應當了解，本發明并不限于此，這是因為，根據本公開內容，可以作出許多改進，特別是熟悉本技術的人。因此，根據所附權利要求書，意圖復蓋任何一種這類改進，只要它屬于本發明的實際精神與范圍。
權利要求
1．加強部件的方法，它包括下列步驟提供一柔性構件，其長度大于其寬度；用可膨脹樹脂包住柔性構件的至少一部分；將柔性構件插入空心部件的空腔中，插入步驟包括這樣一個步驟，即彎曲柔性構件，使之適應空腔的幾何形狀；以及使可膨脹的樹脂膨脹，以使樹脂粘接在上述部件上。
2．如權利要求1的加強部件的方法，其特征為，柔性構件是一空心管。
3．如權利要求1的加強部件的方法，其特征為，柔性構件是一實心棒料。
4．如權利要求1的加強部件的方法，其特征為，樹脂是可熱膨脹的并含有空心的微球。
5．如權利要求1的加強部件的方法，其特征為，部件從由用于機動車輛的A柱接頭，座椅框架或橫搖穩定桿組成的組中選取。
6．如權利要求1的加強部件的方法，其特征為，柔性構件有一附設的間隔器，它用于在膨脹步驟之前將柔性構件與部件的內壁隔開。
7．如權利要求1的加強部件的方法，其特征為，柔性管的長度至少為其直徑的五倍。
8．如權利要求1的加強部件的方法，其特征為，柔性管的直徑約為8～40mm，其長度約為50～200mm。
9．如權利要求1的加強部件的方法，其特征為，可膨脹的樹脂形成一包圍并封閉至少柔性構件的一部分的層。
10．如權利要求1的加強部件的方法，其特征為，層有一均勻的2～8mm左右的厚度。
11．如權利要求1的加強部件的方法，其特征為，柔性構件是空心的并具有0．5～1．2mm左右的壁厚。
12．如權利要求1的加強部件的方法，其特征為，柔性管用金屬做成。
13．如權利要求12的加強部件的方法，其特征為，金屬為鋁。
14．如權利要求1的加強部件的方法，其特征為，柔性構件在插入之前要無彈性地變形，其變形要如此，以使柔性構件與空腔的幾何形狀一致。
15．如權利要求1的加強部件的方法，其特征為，柔性構件在插入步驟中通過與部件接觸成形。
16．如權利要求1的加強部件的方法，其特征為，柔性構件在膨脹步驟之前固定在部件上。
17．如權利要求1的加強部件的方法，其特征為，柔性構件的長度至少為其寬度的五倍。
18．如權利要求1的加強部件的方法，其特征為，柔性管基本全部被可膨脹的樹脂包住。
19．如權利要求1的加強部件的方法，其特征為，樹脂可以熱膨脹，并按重量包括40％～80％左右的樹脂，10％～50％左右的微球，0．5％～5％左右的發泡劑，1％～15％左右的填充劑，0．5％～2％左右的加速劑和1％～8％左右的固化劑。
20．如權利要求1的加強部件的方法，其特征為，樹脂可以熱膨脹并按重量包括55％的環氧樹脂，4％的雙氰聯酰胺(dicyandiamide)固化劑，0．8％的咪唑加速劑。1．1％的薰制硅石，1．2％的偶氮二酰胺發泡劑，37％的玻璃微球和0．9％的碳酸鈣填充劑。
21．如權利要求1的加強部件的方法，其特征為，柔性構件是一空心管，它具有從其中縱向延伸的電線。
22．如權利要求1的加強部件的方法，其特征為，空腔是非直線的幾何形狀，它具有至少一個彎曲部分并使柔性構件蜿蜒穿過空腔，直至樹脂位于彎曲部分。
23．如權利要求1的加強部件的方法，其特征為，有多個彎曲部分并將樹脂放在一個以上的彎曲部分處。
24．如權利要求1的加強部件的方法，其特征為，樹脂一圍繞柔性構件包裹的用沖模切割的薄片或模制在柔性構件上的涂層。
25．如權利要求1的加強部件的方法，其特征為，柔性構件是一螺旋形纏繞管。
26．如權利要求1的加強部件的方法，其特征為，部件是車輛部件，樹脂可以熱膨脹，并在油漆步驟中在車輛油漆爐中膨脹樹脂。
27．用權利要求1所規定的方法制造的加強部件。
28．加強結構部件的方法，該部件具有由于部件的幾何形狀而難于接近的空間，方法包括下列步驟提供一中空的柔性構件，其長度至少為其寬度的五倍；用可膨脹的樹脂涂復至少一部分柔性構件；將柔性構件插入空心結構部件的空腔中，插入步驟包括這樣一個步驟，即彎曲柔性構件，使之適應上述空腔的幾何形狀。將柔性構件固定在結構部件中；以及膨脹可膨脹的樹脂，以使可膨脹的樹脂粘接在上述結構部件上。
29．一包括一剛性部分的加強的結構部件，它具有至少有一彎曲部分的非直線幾何形狀的長形空腔，一柔性構件沿縱向位于上述空腔中并穿過上述彎曲部分，在上述柔性構件上的樹脂層位于上述彎曲部分，上述樹脂層用在活化時膨脹的結構泡沫材料制造，上述樹脂層膨脹成在上述彎曲部分與上述部件緊密接觸并與之粘接在一起。
30．如權利要求29的部件，其特征為，部件為從由橫搖穩定桿、A柱接頭和座椅框架組成的組中選取的車輛部件。
31．如權利要求29的部件，其特征為，上述柔性構件是空心的，電線沿縱向穿過上述柔性構件延伸。
32．如權利要求29的部件，它包括至少一個繞上述柔性構件安裝的支腳組件，其位置在上述樹脂層的外面，上述支腳組件具有多個向外伸出的腳，它們在上述空腔中與上述部件的內表面彈性接觸。
全文摘要
用于加強結構部件的所選擇部分的方法,它利用了具有未膨脹的最好是能熱膨脹的樹脂外殼的柔性管。外殼可以沿柔性管的長度被限制在所選擇的區中。柔性管經過彎曲的通道被插入并與被加強的部件的幾何形狀一致。在管的具有外殼的部分到達所要求的地方以后,將管子就地固定。在加熱時,樹脂膨脹至為其原有體積的若干倍并只在該區域充滿結構部件。
文檔編號B21D49/00GK1205923SQ9811630
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