未锚固帘线与基体非化学结合的防撞梁 |
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| 申请号 | CN201280045960.9 | 申请日 | 2012-06-21 | 公开(公告)号 | CN103813944A | 公开(公告)日 | 2014-05-21 |
| 申请人 | 贝卡尔特公司; 奥钢联多元标准尼夫特里克有限公司; 巴斯夫欧洲公司; | 发明人 | E·洛克雷; J·加朗斯; V·范瓦森霍夫; H·罗梅尔; | ||||
| 摘要 | 防撞梁（40），包括 聚合物 基体和增强结构，增强结构包括多个金属增强帘线（22）和设在金属增强帘线之间用于将金属增强帘线保持到一起的非金属细长束缚元件（26）或者涂覆非金属的细长束缚元件。每个金属帘线具有金属横截面积Ametal，且金属横截面积Ametal与外接圆面积（πdcord2/4）的比值为至少0.60。金属帘线与基体之间为非化学结合，并且非金属细长束缚元件或者涂覆非金属的细长束缚元件与所述聚合物基体之间为化学键联。因金属帘线与基体之间不具有机械互联以及非化学结合，故整个金属帘线受应 力 ，而非局部点受 应力 ，在后一种情况中，金属帘线将由于非常高的撞击力而局部断裂。因此，可以显著地提高作为 发明 主题的防撞梁在撞击期间和之后的结构完整性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种防撞梁，包括聚合物基体和增强结构，所述增强结构包括多个金属增强帘线和设置在金属增强帘线之间用于将金属增强帘线保持在一起的非金属细长束缚元件或者涂覆有非金属的细长束缚元件，每个所述金属帘线具有金属横截面积Ametal，金属横截面积 |
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| 说明书全文 | 未锚固帘线与基体非化学结合的防撞梁技术领域背景技术[0003] 防撞梁还可包括金属部分，该金属部分通常设置在撞击期间防撞梁承受压缩载荷的部位。 [0004] 例如，EP-B1-1483137公开了一种具有聚合物基体和金属增强结构的防撞梁，该金属增强结构包括优选嵌入条带中的金属帘线。金属帘线是可以吸收相当高数量撞击能的类型。这种防撞梁对由碰撞引起的冲击具有提高的抗性,并且在撞击期间和之后具有提高的完整性。然而，当通过注射成型工艺来制造防撞梁时，会发生不同性质的问题。例如，已经发现，很难通过注射成型来获得在撞击期间避免防撞梁脆性行为的增强结构。得到的是具有良好准静态特性的刚性材料，并且该材料在撞击时显示出脆性失效。当使用例如PP（聚丙烯）材料时，上述静态特性是不充分的。 [0005] 还已知由包含纺织品的半成品片材构造成的防撞梁。纺织品包括非金属纤维构成的单个织物层以及多个金属帘线。例如，US2006/013990公开了一种具有半成品片材的防撞梁，该半成品片材包括聚合物基体和包含金属帘线的纺织品，金属帘线优选被缝合到所述单个织物层中。金属帘线是可以吸收相当高数量撞击能的类型。这种防撞梁减轻或解决了帘线在挤压期间的迁移问题。然而，该已知的防撞梁具有一些缺点。由于通过缝合将金属帘线结合到非金属纤维层中，因此与常规纺织品仅需一个制造步骤相比，在生产过程中将包含一个或多个步骤。此外，由于单独的织物层以及缝合的钢帘线很好地机械锚固和化学锚固到聚合物基体，因此钢帘线不可能在基体内有一定的移动。因此，当发生撞击时，金属帘线极可能由于非常高的冲击力而局部断裂。然而，已证明，对由碰撞引起撞击的断裂抗性处于高风险，并且在撞击期间和之后的结构完整性显著地减小。 发明内容[0006] 本发明的目的是提供一种改进的防撞梁，其中，避免了至少一个上述现有技术的缺点。 [0007] 本发明的另一目的是提供一种用于防撞梁的增强结构，其表现出更好的韧性和对撞击的断裂抗性提高。 [0008] 本发明的又一目的是提供一种防撞梁，其中，金属帘线保持等距离，无需另外的加工步骤。 [0009] 本发明的再一目的是提供一种用于制造具有上述增强结构的防撞梁的方法。 [0010] 作为发明主题的防撞梁包括聚合物基体和增强结构。根据本发明，增强结构包括多个细长的金属增强帘线和设置在金属增强帘线之间用于将金属增强帘线保持在一起的非金属的细长束缚元件或者涂覆有非金属的细长束缚元件。金属帘线和非金属的细长束缚元件或涂覆有非金属的细长束缚元件形成了混合结构，例如混合织物，其中，术语“混合”是指金属元件和非金属元件的组合。 [0011] 用来增强防撞梁的每个金属帘线必须遵从一简单关系： [0012] [0013] 其中，符号具有以下意义： [0014] 是金属填充系数，即，帘线中丝的金属面积与帘线外接圆面积的比值。取各丝的垂直横截面积的总和作为金属面积Ametal（根据DIN3051，第3章）。 [0015] dcord是帘线外接圆的直径。 [0016] π/4是几何系数，因为钢帘线被认为是圆的。 [0017] 金属面积Ametal与外接圆面积（πdcord2/4）的比值（或者说如以上所限定的 ）必须至少为0.60。这是帘线“开放”程度的指标。数越大，则可进入到帘线中的聚合物越少；并且，如果可以进入帘线中的聚合物越少，则越好地允许帘线与基体之间的一定移动。因此，所使用的金属帘线类型应当是其与基体材料之间不具有很好机械锚固性的类型。缺乏锚固有助于制出韧性复合材料并且增大可由防撞梁吸收的撞击量。此外，因为金属帘线与基体之间为非化学结合，而非金属的细长束缚元件或者涂覆有非金属的细长束缚元件与所述聚合物基体之间为化学键联，所以还很大程度有助于金属帘线在基体内的韧性，这对可由防撞梁吸收的撞击量来说也具有正面效果。在撞击时，金属帘线将首先通过接收少量能量而从基体中松脱从而起到能量吸收器的作用，然后由于在基体内部移动而整体发挥强度作用，这是因为金属帘线与基体之间具有非化学结合。因与基体之间不具有机械互联或者良好的化学粘附，所以整个帘线长度受应力，而非局部点受应力，在后一种情况中，金属帘线将由于非常高的撞击力而局部断裂。因此，可以显著地提高作为发明主题的防撞梁在撞击期间和之后的结构完整性。 [0018] 如所阐述的，要避免金属帘线与基体之间的锚固太好，并且也要避免金属帘线与基体之间化学键联太好。然而，非金属的细长束缚元件或者涂覆有非金属的细长束缚元件与基体之间很好的化学键联已经证明是有益的。 [0019] 为了确保非金属的细长束缚元件或者涂覆有非金属的细长束缚元件与聚合物材料之间的良好粘附，可以在非金属的细长束缚元件或者涂覆有非金属的细长束缚元件上施加增粘剂。可用的增粘剂是双功能偶联剂，例如硅烷化合物。偶联剂的一个官能团是负责与非金属的细长束缚元件或者涂覆有非金属的细长束缚元件的结合，另一个官能团是与聚合物起反应。也就是说，非金属的细长束缚元件或者涂覆有非金属的细长束缚元件与所述聚合物基体之间为化学键联。 [0020] 在可选的清理操作之后，利用选自于有机功能性硅烷、有机功能性钛酸盐和有机功能性锆酸盐的底料来涂覆非金属的细长束缚元件或者涂覆有非金属的细长束缚元件（现有技术中已知用于所述用途的。优选但非排他地，有机功能性硅烷底料选自于具有以下通式的化合物： [0021] Y-(CH2)n-SiX3 [0022] 其中： [0024] X表示选自于-OR、-OC（=O）R'、-Cl的硅官能团，其中，R和R'各自独立选自于C1到C4烷基，优选-CH3和-C2H5；以及 [0025] n是0到10之间的整数，优选从0到10，并且最优选从0到3。 [0026] 上述有机功能性硅烷是市场上可买到的产品。可以在PCT申请WO-A-9920682中找到关于这些偶联剂的更多细节。除非明确说明，以下提到的制成聚合物基体的所有类型材料都与一种可用的增粘剂混合；将以下提到的非金属的细长束缚元件或者涂覆有非金属的细长束缚元件涂覆上一层另一种可用的增粘剂。更可能的是，这两种可用的增粘剂是双功能偶联剂。 [0027] 作为发明主题的防撞梁包括热塑性聚合物材料。 [0028] 聚合物基体可包括聚合物材料，其为热塑性弹性体聚合物材料或者热塑性弹性体材料聚合物材料。更优选是，聚合物材料选自于由聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚碳酸酯、聚苯醚以及这些材料的混合物组成的组；或者热塑性弹性体，例如聚酰胺基热塑性弹性体或者聚烯烃基热塑性弹性体，如聚酯酰胺、聚醚酯酰胺、聚碳酸酯-酯酰胺或聚醚嵌段酰胺。 [0029] 聚合物基体还可包括玻璃纤维或者碳纤维、聚合物纤维和/或矿物填料，以增强聚合物基体。纤维可以是无规的、单向的、机织的；缝编的、短切的，或者它们的组合。 [0030] 防撞梁的特征在于预计作用在防撞梁上的撞击力的方向。该方向在下文中被称为“撞击方向”。防撞梁的特征在于撞击平面，其是垂直于撞击方向的平面。该平面的一个尺寸通常比较大，并且在下文被称为防撞梁的长度。防撞梁在该撞击平面中的第二尺寸通常比长度小很多。该方向在下文被称为防撞梁的高度。垂直于撞击平面的防撞梁尺寸被称为防撞梁的厚度。 [0031] 作为发明主题的防撞梁的金属帘线可以沿一个方向或者两个方向设置。 [0032] 优选是，金属帘线沿垂直于防撞梁高度布置的防撞梁长度方向设置。多个相互平行的金属增强帘线之间设有非金属的细长束缚元件或者涂覆有非金属的细长束缚元件，以用于将金属增强帘线保持到一起。每个非金属元件或者涂覆有非金属的细长束缚元件顺着/沿着金属帘线以一定路径延伸，以在模制作为发明主题的防撞梁之前提供混合织物。然后，在防撞梁的模制期间，可以使混合织物具有曲线形状。曲面围绕由防撞梁的长度和高度限定的平面“下垂”，并且朝由防撞梁的长度和厚度限定的方向弯曲。在厚度方向上的弯曲部分优选延伸至预计撞击力将要作用的防撞梁侧面。 [0033] 更优选是，防撞梁长度方向上的相邻金属帘线之间的距离基本上彼此相等。如果距离相互不同，则撞击能量的吸收量是不均匀的，这不能确保撞击能量的平均分布。遭受最多撞击能量的位置趋向于首先断裂，这将进一步引起整个防撞梁以及其他物体的损坏。显然，相邻金属帘线之间的均一距离不但对提高防撞梁的完整性有另外的贡献，而且显著地增大了在撞击期间和之后的抗撞击性。 [0034] 然而，优选是金属帘线沿两个方向设置，其中，经向和纬向基本上相互垂直。 [0036] 根据本发明，多个相互平行的金属增强帘线沿经向设置，并且另外多个金属增强帘线设计成沿纬向设置并与经向上的金属增强帘线相互附连到一起。每个非金属元件或者涂覆有非金属的细长束缚元件不但在经向而且在纬向上沿着金属帘线以一定路径延伸，以提供混合织物。并且，在模制作为发明主题的防撞梁之前，将混合织物固定到垂直于撞击方向的平面中，纬向或者经向平行于防撞梁长度。在防撞梁的模制期间也使该混合织物具有段中所描述的曲线形状。 [0037] 更优选是，所述经向的相邻金属帘线之间的距离和所述纬向的相邻金属帘线之间的距离是基本上一致的。具有如第段中所描述的相同优点。 [0038] 最优选是，钢帘线用于提供作为发明主题的防撞梁。可以使用目前已知的合金钢来提供钢帘线。可选地是，对钢帘线进行应力消除热处理，例如，在生产期间使钢帘线穿过长度与钢帘线速度相适的一段高频或者中频电感线圈。观察到，使温度升高到超过400°C保持一段时间，钢帘线的抗拉强度下降（减小大约10%），但是同时帘线在断裂前的塑性伸长率增加了超过6%。 [0039] 优选用于作为发明主题的防撞梁的钢帘线是能够满足如第段中所定义的公式?c≥0.6的类型。本文的实例为： [0040] -紧密帘线，例如1×n型，即，包括n个钢丝的钢帘线，n大于3，通过一个步骤仅沿一个方向扭捻成紧密横截面，例如1×9×0.385mm或者1×12×0.265mm或者1×27×0.175mm；最后的数字是以mm表示的每根丝的直径；紧密帘线的所有钢丝可具有如上所述的相同直径，或者钢丝的直径可以相互不同，例如，3×0.265mm+9×0.245mm或者 1×0.225mm+18×0.175mm，每个被乘数后面的数字是以mm表示的钢丝直径。 [0041] -分层金属帘线，例如，l＋m（＋n）型的，即这样的金属帘线：芯为l根丝，芯被一层m根丝包围，并且还可选地被另一层n根丝包围，例如4＋10×0.30mm，最后面的数字是以mm表示的每根丝的直径。 [0042] 在基体聚合物中钢帘线每单位长度的锚固力fa大体上小于18N/mm，例如，小于15N/mm，例如，小于10N/mm。 [0043] 对于聚酰胺基体，锚固力fa小于18N/mm。对于聚丙烯基体，锚固力fa小于10N/mm。 [0044] 一种用于提供作为发明主题的防撞梁的方法，包括以下步骤： [0045] -提供金属帘线和非金属的细长束缚元件或者涂覆有非金属的细长束缚元件； [0046] -提供混合织物； [0048] -将聚合物材料注入到所述混合织物上，以提供防撞梁； [0049] -冷却防撞梁。 [0050] 根据本发明，术语“防撞梁”是指与抗冲击性相关的车辆轻质结构件。“防撞梁”可以是前保险杠、后保险杠、前门中的一或两个梁、后门中的一或两个梁、A柱或A立柱、B柱或B立柱、C柱或C立柱和D柱或D立柱；备轮舱；或者电池仓（对于混合车或者电动车）。附图说明 [0051] 图1a示意性地示出了作为发明主题的防撞梁的横截面视图； [0052] 图1b示意性地示出了作为发明主题的防撞梁的前视图； [0053] 图1c示意性地示出了用于作为发明主题的防撞梁增强件的混合织物的前视图； [0054] 图2和图3示意性地示出了作为发明主题的备选防撞梁的横截面视图。 [0055] 图4a示意性地显示了采用作为发明主题的防撞梁来支承车辆保险杠的用途（在撞击之前）。 [0056] 图4b示意性地显示了采用作为发明主题的防撞梁来支承车辆保险杠的用途（在撞击之后）。 [0057] 图5显示了两种梁的力-位移曲线。 具体实施方式[0058] 图1a和图1b中示意性地示出了作为发明主题的防撞梁。 [0059] 防撞梁40具有长度10，其显著大于防撞梁40的高度12和厚度14。如图1a中所示的实施例具有由一对支腿16和一主体18提供的厚度。支腿16可以用来将防撞梁固定到安装对象的其他部分上，而且有助于梁的撞击强度，而主体18（具有厚度20）将吸收由沿箭头50表示方向的撞击提供的大部分撞击能量。 [0060] 在图1a中，主体18和支腿16包括聚合物基体。并且，在主体18和支腿16两者中，存在混合织物22。如前面所述，弯曲部分面朝撞击方向，并且因此在最初撞击时首先参与撞击吸收，支腿16将弯曲到与以箭头50表示的撞击方向垂直的平面中并且与主体18一起吸收撞击。 [0061] 在图1b中，支腿的面朝撞击方向的弯曲部分不那么重要，因为在这里是主体18对梁的撞击强度做贡献。 [0062] 用于提供如图1c中所示混合织物22的金属帘线24为3+9的帘线，芯股为0.24mm的丝，芯股周围有用一个步骤仅沿一个方向扭捻成紧密横截面的9根0.225mm的丝。沿两个方向提供金属帘线24，其中，经向和纬向彼此基本上垂直，并且所述经向上的相邻金属帘线之间的距离与所述纬向上的相邻金属帘线之间的距离相同。然后，非金属元件26沿金属帘线24以一定路径延伸，以在模制作为发明主题的防撞梁之前提供混合织物22。 [0063] 基体是聚酰胺基热塑性弹性体材料。也可以在PCT申请WO-A-9920682中找到关于所选偶联剂的更多细节，一个是对非金属元件26起作用，并且另一个是与主体18和一对支腿16的聚合物起反应。 [0064] 图2和图3中示出了备选实施例。 [0065] 图2显示了作为发明主题的防撞梁，其包括具有另一种金属帘线的混合织物30。用于提供混合织物的金属帘线为1×19的紧密帘线，芯为0.34mm的丝，围绕该芯扭捻18根 0.30mm的丝。基体的聚合物材料种类为聚丙烯基热塑性弹性体材料。 [0066] 图3显示了作为发明主题的防撞梁的另一备选实施例。混合织物32仅包括沿防撞梁长度方向的金属帘线，相邻金属帘线之间具有相同距离。然后，非金属元件沿金属帘线以另一路径延伸，以将所有金属帘线束缚到一起。用于提供混合织物的金属帘线为4+10的帘线，所有丝都为0.38mm。4+10×0.38的结构是以一定捻向和捻距捻到一起的4根丝组成的。在随后的操作中，以与芯捻向相反的捻向并以不同于芯捻距的捻距围绕芯扭捻10根丝。基体是聚酰胺基热塑性弹性体材料。 [0067] 表1列举了多种帘线，对它们在用于增强防撞梁的混合织物中的适用性已经进行了研究。（A）栏到（F）栏包含以下内容： [0068] (A)区别帘线的数字 [0069] (B)简要的帘线种类说明。式子后面的两个字母代码是对用于帘线结构的丝的断裂强度的分类： [0070] NT普通抗拉强度 [0071] HT高抗拉强度 [0072] ST超级抗拉强度 [0073] 当d为丝的直径（mm）时，对于目标抗拉强度（N/mm2）的定义： [0074] NT=3250-2000×d [0075] HT=3800–2000×d [0076] ST=3980–2000×d [0077] 注意：在每个强度等级内，抗拉强度随着丝直径的增大而减小。 [0078] (C)帘线直径dcord。借助于光学断面观测镜确定直径，其中，在两条平行线之间精确地匹配帘线的直部分（涵盖帘线的大于十个捻距）的轮廓。两条平行线之间的距离为光学直径。 [0079] (D)为帘线的断裂载荷Fb。 [0080] (E)为如先前限定的帘线的填充系数φc。 [0081] (F)帘线每单位长度的锚固力fa。通过在25.4mm长度上将金属帘线嵌入聚合物基体材料块中来确定fa。在适当冷却之后，纵向地抽出钢帘线并且记录最大的作用力，fa则等于所述作用力除以嵌入长度，并且以N/mm来表示。可以在PCT申请WO-A-5103545中找到关于所述试验的更多细节。只有以下一些结构适合于解决如下所说明的防撞梁增强结构的未锚固问题。 [0082] 表1 [0083] [0084] 编号1：“7×3×0.15”为由围绕中心股扭捻的6个股组成的多股结构。所有的股是由丝直径0.15mm的3根丝以与缆线中的股捻向相反的捻向捻到一起组成的。 [0085] 编号5：“(4)＋(6)×0.30”是由以一定帘线捻距相互捻到一起的两个股组成的。两个股的特性完全不同。包含4根丝的股具有非常长的捻距；包含6根丝的股具有与帘线的捻向和捻距接近或者相同的捻向和捻距。所有丝的直径等于0.30mm。 [0086] 考虑到上述所有的内容，对所属领域技术人员来说很清楚的是，编号2到编号4类型的结构最适合于增强用于防撞梁增强的混合织物。编号1和编号5类型的帘线相对于其断裂强度而言具有与基体材料锚固的过好锚固力（由于与基体机械锁定）。在撞击时，仅帘线的各单个元件经受部分载荷，并且该作用力将高于钢元件的强度。编号2到编号4的其他类型帘线与其抗拉强度相比具有较低的锚固力，并且从而在撞击时，在克服了该锚固力之后帘线总体上将承受（并传递）载荷。 [0087] 现在将描述提供作为发明主题的防撞梁的方法。通过将非金属的细长束缚元件与金属帘线机织到一起或者通过将非金属的细长束缚元件与金属帘线经编来制造出混合织物。当借助于结合在工具的两个工具部分之一中的磁体将如此形成的混合织物放置到注射成型模具的相对侧上并且然后注入热塑性材料时，热塑性材料将包封住混合织物，并且当模具闭合时，混合织物将因大的压力强度而弯曲成曲线形状。曲面围绕由防撞梁的长度和高度限定的平面“下垂”，并且朝由防撞梁的长度和厚度限定的方向弯曲。在厚度方向上的弯曲部分优选延伸至预计撞击力将作用的防撞梁侧面。图1a中示意性示出了作为发明主题的防撞梁的横截面。 [0089] 如此提供了防撞梁，可以被用作支撑车辆软性保险杠的支撑件，如图4a中所示。 [0091] 如图4b中所示，存在于防撞梁61中的混合织物的金属帘线将因金属绳帘线与聚合物基体之间的未锚固而在很大程度上吸收了撞击能。此外，由于金属帘线在处于高应力下的基体内部从基体松开，以及由于防撞梁的聚合物材料在很大程度上粘附到混合织物的非金属元件上的这种特性，就避免了聚合物材料的颗粒进一步朝位于防撞梁后面的车辆部件投射。 [0092] 图5还显示了两种防撞梁的作用力-位移曲线。基准的防撞梁包括聚合物基体和结构为7×4×0.12mm的锚固钢帘线的增强结构（曲线80）；并且根据本发明的防撞梁包括相同的聚合物基体和结构为3×0.265＋9×0.245mm的非锚固钢帘线的增强结构（曲线90）。从图5中可以明显地看出，一旦达到最大作用力，曲线80就有很大下降，并且在第二下降处，整个部件断裂成两个，并且不能再承受载荷。这意味着基准的防撞梁具有脆性特性。 而在曲线90中显示出，由于最初基体的破裂，在该曲线中更早地有非常小的下降，但是发生位移所需的作用力仍增大了。此外，在最大作用力之后，承受载荷能力仅有逐渐的减小，并且梁显示出韧性。根据本发明的防撞梁保持了完整性并且仍能传递载荷。因此，曲线90中使梁弯曲所需的功高于曲线80中的，但更重要的是，根据本发明的防撞梁在试验之后仍具有完整性。 |
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