分层构造的隔壁 本申请是基于1997年7月18日提出的临时申请序号No．60／053118。
特别在机动车中应用的箱形截面件例如主车架纵梁(rail)，在横梁固定于纵梁的地方将要承受相当大的应力。例如当发动机架固定在主车架纵梁上时，它们之间将产生连接点，这些连接点易于在时间过程中因疲劳而破裂。另外，将这种部件固定就位的螺栓可能由于在接点处的振动而松开。而且常规结构会形成“噪声道”，该噪声道经车架从车轮和发动机伸入车箱。
如技术人员可以理解的，为了将很重的部件用螺栓固定在纵梁部分的侧面，必须在螺栓固定位置形成一个增强区域或支承结构。在先有技术中所用的一种方法是设置一个支承金属套筒的冲压隔壁。该隔壁一般具有三个点焊在纵梁C形部分的法兰。具体是，冲压的隔壁具有一个壁部分，该壁部分从纵梁部分的一个壁伸到相对的壁或盖板。因此隔壁在纵梁构成的槽或腔中构成一个隔板。为将此壁部分固定就位，该隔壁具有三个垂直于隔壁部分的表面或法兰，即隔壁本质上是一个在一侧开口的浅的矩形箱。这三个表面与纵梁内表面相结合，并点焊就位。
为利用隔壁作固定于该隔壁上地横向构件的支承件，该隔壁被设计成配置一个金属套筒，该金属套筒被点焊在隔壁冲压件上。然后将螺栓穿过套筒，并将横向构件固定于纵梁的隔壁增强区域上。这种常规方法下面将用图说明。
尽管常规的隔壁设计的确可以在横向构件的固定位置增强纵梁部分，但它一般要求大口口径的套筒和冲压件，这实际上增加了不需要的振动和噪声。另外，贯穿螺栓、套筒、金属冲压件和纵梁部分基本上以分立的部件运行，而不是一个单一的整体增强构件。这不仅造成上述振动和噪声的增加，而且还不能使纵梁得到充分的增强，造成连接点具体是焊接点的金属疲劳。
本发明人已提出许多方法来增强空心金属部件例如：车门的增强梁，它包括一个开口的槽形金属件，该金属件具有充满热固性或热塑性树脂基的材料；空心扭转杆，切成一定长度，填入树脂基材料；结构件的预铸增强插件，该插件由许多包含热固性树脂及起泡剂的颗粒组成，使该预铸件在结构件内膨胀并固化就位；复合门梁，该梁具有树脂基的芯，该芯不超过金属管心的三分之一；空心的分层梁，其特征在于刚性质量比较高，并具有外部分，该外部分由薄层的结构性泡沫与内管分开；工形梁增强件，该增强件包括预成形的具有外部泡沫的结构插件，该插件然后插入空心结构件；金属的W形的支架，该支架用作可膨胀树脂的托架，该树脂在空心部分发泡就位。
但是，这些先有方法中没有一种方法具体用于解决与纵梁部分的横向部件连接位置上的常规增强隔壁有关的问题。本发明解决很多先有技术中固有的问题。
本发明的目的是提供一种增强的空心金属构件，该构件使套筒和冲压件组合成隔壁构件，组合的方式是使得隔壁的部件与被增强构件一起形成为一个整体单元。
本发明的另一目的是提供一种被增强的金属箱形截面件，使该箱形截面件具有较大的强度而又不显著增加振动和噪声的传送量。
本发明的再一目的是提供一种被增强的车架纵梁部分，以固定横向部件例如发动机架，使得应力分布在增强的纵梁区域上而不是分布在分立的焊接点上，而且可以缓冲噪声和振动。
通过本发明优选实施例和附图的详细说明，可以更充分地理解本发明的这些和其它的目的与优点。
在一个方面，本发明提供一种被增强构件。该增强构件包括空心的结构件和配置在结构件中的增强件。增强件具有一对相对的壁。在该一对相对的壁之间配置一层已加热膨胀的聚合物，该聚合物粘接于该相对壁上。该层聚合物也直接粘接在结构件上。一个套管伸过聚合物，该导管平行于相对的壁，并位于相对的壁之间。聚合物粘接在该套管上，该套管形成通过聚合物的通道。被增强构件具有与套管的端部对齐的孔。然后用螺栓将部件固定在结构件上。因此在本发明中可以利用增强件局部地在该位置增强空心结构件。在组装之后加热整个构件可使聚合物膨胀定位，其中聚合物经膨胀而充满增强构件和结构件之间的间隙，并将增强构件粘接到结构件上。
在另一方面，本发明的被增强构件是汽车纵梁例如前部纵梁，其中需要局部增强，以固定部件例如发动机架。在这一方面，本发明减小了振动和噪声传送，同时增加了在增强部位的那部分强度。
在又一个方面，套管是薄壁金属套筒，相对的壁是金属冲压件，该冲压件具有焊接在结构件上的法兰，聚合物是已加热膨胀的环氧树脂，该树脂包括空心微球，以便减小密度。
在又一方面，本发明提供一种增强具有纵向槽的结构件的方法。在这一方面，分层构件具有两个由一层可加热膨胀的聚合物分开的相对的壁，该分层构件配置在纵梁部分等的槽中。该分层构件具有配置在该层可加热膨胀聚合物层中的套管。该导管形成垂直于该相对壁的通道。该分层构件还具有一对端部法兰。该分层构件放置在纵向槽中，使得上述套管通道垂直于纵向槽。然后通过法兰将分层构件焊接在结构件上。然后将整个构件加热到可以有效使聚合物发泡剂激活的温度，因而使聚合物热膨胀，使得聚合物将分层构件粘接于结构件。
图1是常规先有技术隔壁增强构件的示意分解透视图；
图2是图1构件的示意前视图，其中盖板被除去；
图3本发明的被增强纵梁部分的示意分解透视图，示出增强的分层隔壁的结构；
图4是图3所示构件的示意前视图，其中盖板被除去；
图5是图3和4的隔壁部分的示意后视图。
现在参考附图的图1和图2，先有技术的前部纵梁部分20具有C形部分22，该部分形成槽23并接收盖板24。隔板冲压件26具有垂直壁28和法兰30。套筒32焊接在壁28的弧形弯曲部分33上。螺栓36穿过盖板24、套筒32和部分22的垂直壁37，然后穿过待固定于纵梁20的部件38。随后将螺母拧紧于螺栓36，使部件38固定就位。这是先有技术的代表，并具有上述缺点，即具有增强不充分以及噪声和振动的减弱欠佳的问题。
下面转到附图的图3，图中示出的被增强构件50是汽车车架的被增强前部纵梁的一个实施例，它包括车架纵梁的C形部分52，该部分由盖板54封闭，使得在被增强构件50中形成槽或腔56。换言之，车架纵梁是空心的。C形部分52包括垂直壁部分58和相对的壁部分60、62。各个相对的壁部分60、62具有法兰部分64，利用焊接等方法可将盖板54固定在法兰区域。增强件或隔壁68配置在C形部分52的槽56中，并具有第一壁或侧壁70和第二壁或侧壁72。壁70、72彼此平行，由聚合物层74分开，即聚合物层74配置在壁70和72之间。
如附图的图4和5清楚示出的那样，各个壁70、72具有有关的弧形部分(在壁72上的76，在壁70上的78)，该弧形部分被设计成可以接纳套筒81，其方式下面将详细说明。各个弧形部分76、78约位于各个壁70、72的长度的中间，并可以看作为弯曲的内表面。套管81是金属的套筒等，并在焊接点83和85点焊在壁70和72上，如附图的图4清楚示出的那样。聚合物层74基本上包围套管81，如图4所示。
隔壁68通过安装法兰80和82固定就位于槽56中，该法兰80和82从壁70和72偏转90°延伸。即各个壁70、72的各个端部具有弯曲部分，该弯曲部分与相对壁上的同样弯曲部分相配合，形成分别焊接在侧壁60、62上的连接法兰80、82。
壁70、72的宽度(垂直壁58和盖板54之间的距离)是使得隔壁68与垂直壁58和盖板54相接触。螺栓84穿过盖板54上的孔66、套管81和垂直壁58上的对应孔(未示出)。然后使螺栓穿过横向部件例如发动机架86上的孔，该发动机架在图中以虚线表示为片段86。然后将螺母86拧在螺栓84上，从而将发动机架86固定于被增强件56。
隔壁68对于在车架纵梁上增加的强度量而言是重量相当轻的构件。壁70和72可以由薄钢冲压件构成，钢的厚度例如为0．02～0．08英寸。具体是，低碳钢到中等强度的钢是最好的。套管81最好是金属套筒，其壁厚是0．08～0．2英寸的薄壁，而且最好用低碳钢制作。当然这些尺寸仅仅是例示性的，无意限制在权利要求书中确定的本发明的完全范围。各个连接法兰80、82一般约为壁70、72长度的15％～30％。套管81的外直径通常为约1／2～1英寸。聚合物层74的宽度是壁或板70和72之间距离的函数，一般约为0．1～0．4英寸。应当明白，隔壁68的整个深度完全充满聚合物层74，即如附图的图5所示，聚合物层从隔壁68的前部延伸到后部。
用来形成聚合物层74的聚合物是可加热膨胀的树脂基材料。本发明可以应用许多树酯基合剂来形成加热膨胀的层74。优选的合剂将提供极好的强度和刚度特性，同时重量只有稍许增加。现在具体说明层74的成分，为尽量减小重量，材料的密度最好应在约20～50磅／英尺3的范围内。熔点、加热变形温度和发生化学分解的温度也必须足够高，使得层74可以在烤漆箱等装置内的通常操作的高温下保持其结构。因此层74应当能够承受超过320°F的温度，最好在短时间内可以承受350°F的温度。另外，层74应当能够承受约90～200°F的长时间的加热而不会表现出明显的受热形变或分解。
泡沫74可以先涂在一个或两个壁70、72上，然后膨胀到与两个壁和套管81紧密接触。在需要加热膨胀时，最好利用烤漆箱的热量来使泡沫74膨胀。
更详细地讲，在一个特别优选的实施例中、层74的加热膨胀的结构性泡沫包括合成树脂、气囊形成剂和填料。合成树脂占层74重量的约40％～80％，更好为占45％～75％，最好占50％～70％。树脂部分最好包括柔性环氧树脂。按照本文的应用，术语“气囊形成剂”一般是指在层74中产生气泡、孔或腔的物质。即层74具有多孔结构，在其整个聚合物块中分布许多汽泡。这种多孔结构形成低密度高强度的材料，它可以形成很强的然而重量轻的构件。适合于本发明的气囊形成剂包括增强的“空心”微球或可以用玻璃或塑料作微泡。另外，气囊形成剂可以包括起泡剂，该起泡剂可以是化学起泡剂或物理起泡剂。玻璃微球是特别优选的。它占层74的组成材料重量的约10％～50％，更好为占15％～45％，最好占20％～40％。在气囊形成剂包括起泡剂时，该形成剂占加热膨胀的结构性泡沫层74的重量的约0．5％～5．0％，更好为约占1．0％～4．0％，最好约占1％～2％。适合的填料包括玻璃或塑料微球、煅制二氧化硅、碳酸钙、研磨的玻璃纤维和切碎的玻璃丝。触变性填料是最好的。其它材料也是适用的。填料占层74重量的约1％～15％，更好为约占2％～10％，最好约占3％～8％。
本发明所用的优选合成树脂包括热固性树脂例如环氧树脂、乙烯基酯树脂、热固性聚酯树脂和氨基甲酸乙酯树脂。无意使本发明的范围受树脂分子量的限制，而且根据本文的说明本专业的技术人员可以理解适用的重量。在液体填料的树脂成分是热固性树脂时，还可以包括各种加速剂例如咪唑(imidizoles)和固化剂，最好为双氰联酰氨(dicyandiamide)，以提高固化速度。加速剂的起作用的量，按三种成分中的一种成分树脂、气囊形成剂或填料进行相应换算，一般约占树脂重量的0．5％～2．0％。同样，固化剂的量，按照三种成分中的一种成分树脂、气囊形成剂或填料进行相应换算，一般约占树脂重量的1％～8％。该层还可以包括有效量的处理酸、稳定剂、颜料、紫外吸收剂等。热塑性材料也是适用的。
在下表中列出层74的优选配方。已经发现，此配合方提供了一种材料，该材料可以完全膨胀，在约320°F的温度下固化，并具有极好的结构特性。除非另有说明，在该表中所指的所有百分数均为重量百分数。成分 重量百分数EPON 828(环氧树脂) 37．0DER 331(柔性环氧树脂) 18．0DI-CY(双氰联酰胺(dicyandiamide)固化剂) 4．0IMIDIZOLE(加速剂) 0．8FUMED SILICA(触变性填料) 1．1GELOGEN AZ199(偶氮二酰胺起泡剂) 1．283 MICROS(玻璃微球) 37．0WINNOFIL CALCIUM CARBONATE(CaCO3填料) 0．9
尽管主要地是针对汽车部件说明了本发明，但是应当明白，本发明可以实施为其它产品例如飞行器、船舶、自行车或实际上需要能量进行运动的任何装置的部件。同样，本发明还可以与固定的或静止的结构例如建筑物配合使用，以便在承受振动例如由地震引起的振动时提供刚性支承，或简单地对承受负载的构件形成一个重量轻的支承件。另外，尽管主要针对可加热膨胀的泡沫和针对金属部件例如内管16、58和76说明了本发明，但可以应用其它材料。例如，泡沫可以是任何适用的已知的可膨胀泡沫，该泡沫可以用化学方法引发膨胀并形成刚性的结构泡沫。隔壁70、70和套管81可以用不是金属的材料制作，例如各种塑料或聚合物材料，或各种对泡沫可以起背衬作用或支承作用的具有足够刚性的木质纤维材料。当应用可加热膨胀的泡沫时，隔壁和套管应当能够承受在加热固化期间所遇到的热量。然而在应用其它类型的泡沫材料时，则隔壁和套管不一定要能够承受高温。此时，对隔壁和套管的基本要求代之以是它应具有充分的刚性，以便按预定的方式起作用。例如，还可以应用在固化或进一步处理之后本身便变成刚性的材料作隔壁和套管的材料。当采用不是金属的材料制造隔壁和套管时，本发明也是实用的。然而最好这样选择材料，使得薄的未膨胀的泡沫在膨胀时牢固地粘接于隔壁和套管，从而形成复合结构。
尽管在文中示出和说明本发明的特别实施例，但是应当明白，本发明不限于这些实施例，因为特别是本专业的技术人员可以根据本文公开的内容进行许多改变。因此，应注意到，所附权利要求书可以包括所有属于本发明精神和范围内的这些改变。