粘接的混合结构

粘接的混合结构优先权要求[OOOl]本申请要求于2005年2月25日提交的美国临时申请第 60/656,528号的权益，将该临时申请合并于此作为参考。技术领域[0002]概括地说，本发明涉及对具有混合结构的车辆元件进行改善。 背景技术[0003]考虑到社会对于节能的关注的不断加强，运输工业，具体地说 也就是汽车工业，在保持或增强结构完整性的同时， 一直致力于使得 车辆元件的尺寸和质量减小和/或最小化。在这些努力尝试中，业界在 期待可选择的设计和材料，来达到这些目标。[0004]在一个具体的方面，运输业界在期待可选择的材料的使用，以 取代或补充某些典型地由以金属为例的更为致密的材料制成的车辆元 件。例如，用于支撑车辆的元件的某些结构构件可以被包括混合结构 元件所取代，传统地前者可能包括一个或者多个金属元件，而后者具 有加强塑料元件和相应的邻接金属元件。然而，这样在制造中造成了 困难，特别是对于塑料元件的制造而言，因为必须使得塑料元件适合 于与相应的金属元件相匹配，并且提供所需要的结构特征。 [0005] —个这样的制造困难出现于复合模制（over-molding)塑料元件 中。正如本领域技术人员所意识到的那样，复合模制要比传统的注射 模制（injection-molding)工艺要昂贵得多，因为复合模制需要额外的 元件和另外的模制步骤。另一个困难在于，由于模制品为开放结构， 复合模制的混合元件的实质部分通常沿一轴线开放，从而产生具有强 度和刚度都减小的构件。[0006]因此，需要一种方法来利用更有效率的技术形成重量轻的结构 构件，该技术可以产生以降低成本和减轻重量为目的的最佳性能。此

外，还需要车辆结构构件，这种构件比传统结构构件轻，生产该构件 的成本实质上也不会增加。发明内容[0007]本发明包括用于形成运输工具和汽车的结构元件的设备和方 法，其中汽车为优选情况。本发明包括混合结构，优选地该结构由两 个或更多元件形成，这些元件使用粘合剂粘接在一起形成结构元件。 优选地，该混合结构的重量比传统元件结构的重量轻，并且还不需要 通过复合模制工艺流程来制造。[0008] —方面，该方法包括通过形成具有或不具有肋和一个或多个接合特征的第一塑料元件来形成车辆的结构元件。该方法还包括形成适 合于与第一元件接合的第二金属元件。第一和第二元件用粘合剂粘合在一起。 一个或多个接合特征，例如扣合紧固件或类似物，可以用来 使得元件相对于彼此对齐以及/或者确定元件相对于彼此的三维（空间） 位置。优选地，形成第一和第二元件实质上不需要复合模制工艺过程。附图说明[0009]图1描述了通过本发明所教授的内容形成的结构元件的一个实 施方案的分解立体图。[0010]图2描述了图1中所示实施方案的分解的横截面剖视图。 [0011]图3描述了图1中所示实施方案的装配后的横截面剖视图。 [0012]图4描述了本发明的结构元件的另一个实施方案的分解立体图。具体实施方式[0013]本发明基于在减小结构元件的总体质量的同时保持或改善该元 件的强度的设备和方法。还可以实现对包装空间的需求的降低以及成 本的降低。本发明包括具有两个或更多元件的混合结构，这些元件粘 接并结合在一起，不需要使用复合模制工艺过程。 [0014]以图1到图3为参考，描述了一种根据本发明所教授的内容制 成的混合结构10。概括地说，混合结构的形成包括使用粘合材料16 沿第一和第二元件的两个、三个或更多粘接表面将第一元件12和第二

元件14结合起来。优选地，第一和第二元件的粘接表面的结合导致形 成两个、三个或更多接合点。可选择地，该方法进一步包括使用一个 或多个连接特征18来调校以及保持第一和第二元件的三维（空间）关 系，特别是在混合结构的装配过程中或在粘合剂的固化过程中。[0015]从图1到图3中可以看出，第一元件12可以包括具有第一粘接 表面22和第二粘接表面24的基座部分20 ，其中第一粘接表面和第二 粘接表面设置于相对的位置，并且大致位于同一空间平面上。优选地， 第一和第二粘接表面适合于接纳粘合剂并与第二元件形成第一和第二 粘接。可选择地，第一和第二粘接表面相对于基座部分的其余部分可 以是凹进去的，从而有助于放置粘合剂并有助于增强其间形成的任何 接合点的强度。[0016]从基座部分延伸的第一元件进一步包括位于第一和第二粘接表 面之间的一个或多个中间部分26。中间部分适合于为结构元件提供额 外的强度，并且/或者为与第二元件的结合提供一个或多个额外的粘接 表面。从图1到图3中可以看出，中间部分为一个至少延伸过第一元 件的长度的一部分的脊状物，并且可以包括第三粘接表面28。优选地， 第三粘接表面位于与第一和第二粘接表面不同的平面上。 [0017]可选择地，第一元件可以包括一个或多个用于改善元件的刚性 和/或强度的加强特征。该加强特征可以使得在第一元件的一个或多个 部分上产生凹陷、脊、凹槽或其它表面特征。这种特征可以包括一个 或数个加强肋30，优选地包括多个加强肋。 一方面，加强特征将第一 元件的基座部分连接或整合至中间部分，因此提供额外的刚性。另一 方面，加强特征可以与中间部分的不同部分连接或整合，例如内部部 分，该部分可以额外与基座部分连接或整合，或者也可以不与基座部 分连接或整合。又一方面，加强特征限定出一个具有轮廓的形状，该 形状大致与其它元件的形状互补。这种配置方式可以为结构元件提供 增强的耐挤压特性和刚度。任何达到一个、两个或其它目标的加强特 征都是合适的。[0018]中间部分可以进一步包括一个或多个表面特征以改善肋或其它 特征的强度和刚性，并改善结构元件固有的强度和刚性。这种表面特 征可以包括凹痕、隆起部分、凹进部分或其它特征。例如， 一个或多 个加强肋的部分或整个表面上可以通过一种形式或通过随机选择的形 式形成一个或多个表面特征。表面特征的形成可以在第一元件的形成 过程中实现。或者，表面特征的形成可以在后来的操作中实现。当然， 以下情况应该是满足要求的，即表面特征还可以在第一元件和/或第二 元件的其它部分上形成。[0019]概括地说，加强特征的定向用来在构件的临界负载条件下对性能进行优化，并且满足其它功能需求（例如另外的元件的定位或固定）。在一个优选实施方案中，如图1到图3所示，加强特征可以是大致垂直于基座部分并且将基座和中间部分连接起来的肋。另外，肋可以沿 第一元件以长度方向、宽度方向或其它们的组合方向延伸。此外，加 强肋可以以直线布局、弓形布局或它们的组合方式延伸。例如，加强 肋可以包括从模制元件延伸出来的圆形部分。另外，加强肋可以以一 种采用上述任何组合方式或类似方式的形式延伸。以下情况也应该是 满足要求的，即肋可以以任何数量的方向延伸并且可以与其它肋接合在一起形成矩阵（matrix)、阵列（array)或其它形式。 [0020]如附图所示，第二元件可以包括基座部分38，该基座部分具有 向外延伸的弹性凸伸件40和从凸伸件上延伸出来的法兰42。第二元件 包括位于法兰42上的第一和第二粘接表面44、 46。第二元件还包括位 于基座部分上的第三粘接表面48。第一、第二和第三粘接表面44、 46 和48与第一元件的第一、第二和第三粘接表面22、 24和28互补，这 种情况是有益的。[0021]元件进一步包括一个或多个附属特征18，该附属特征在保持元 件相对于彼此的空间朝向的同时保证元件的适当连接。可以使用任何 合适的机械紧固件，优选地使用扣合紧固件。在一个使用扣合紧固件 的优选实施方案中，如图1到图3所示，附属特征包括从第一元件延 伸出来的一个或多个凸形部分52。在一个优选实施方案中，凸形部分 位于加强肋中的一个或多个加强肋上。附属特征还包括形成于第二元 件上的一个或多个凹形部分54。在第二元件14移动到第一元件12上 方的位置的时候，凸形部分52以弹性方式向外引导并推动元件10的 侧边，并且使得侧边沿设定的轨迹弹回至最终位置，通过这样来挤压 粘合剂并推动粘合剂成形而不需要对粘合剂进行涂抹。在第一元件的

弹回过程中，粘合剂可以被推向第一元件的中间部分，这就改善了粘合剂沿第一和第二粘接表面22、 24的宽度的应用。凸形和凹形部分相 互匹配，从而在保持两个元件的空间朝向的同时以需要的排列方式将 元件支持在一起。例如，可以阻止第一和第二元件在它们的粘接表面 处邻接。保持空间朝向使得粘合剂沿粘接表面具有一致的厚度，这就 导致了更好的粘接强度。[0022]还可以使用其它附属特征来保证元件的适当排列方式或空间朝 向。例如，沿粘接表面的长度可以周期性地设置间隔肋，该肋的高度 被选择为最终形成的粘合点的所需的最小厚度。这种附属特征可以防 止在固化前或固化中由于对接合点的过度挤压而形成弱化的粘性粘 接。[0023]为了将元件连接至其它元件、框架构件或其它结构，例如车辆 框架，元件可以包括安装特征。典型地，安装特征会包括（或有助于 使用）机械紧固件，例如扣合设备、螺母和螺栓、螺钉、铆钉或类似 物件。优选地，安装特征被整合于元件的设计中。然而，这些安装特 征也可以单独形成并与元件连接。[0024]元件可以包括其它特征以完成各种目标。可以对元件采取的方 式包括表面处理、涂底漆、涂涂层或包括额外的材料层、以上方式的 组合形式或类似方式。合适的表面处理方式包括改变元件中聚合物的 分子状态的若干技术中的任何技术、将具有所需表面特征的材料粘接 至元件或者以上技术的组合技术。通过具体的例子，可以采用以下处 理方式的其中一种方式或者采用以下方式的组合方式：合适的电晕处 理、火焰喷涂处理或者表面镀膜处理。合适的表面镀膜包括对金属进 行电泳处理。合适的底漆可以基于所选择的粘合剂进行选择。在一个 实施方案中，元件中至少一个进行了表面处理，以达到所需的表面能。 在另一个实施方案中，元件中仅有一个进行了表面处理。优选地，以 底漆为例的附着力促进剂不使用在塑料制成的元件上。 [0025]第一元件可以采用普通模制技术形成。这种模制技术包括吹塑 模制、旋转注塑模制、传递模制、压縮模制、注射模制、夹物模压模 制或类似技术。在一个优选方法中，第一元件的形成包括注射模制工 艺过程，实质上不需要复合模制。优选地，在第一元件的模制过程中，

形成三个或更多配合表面。此外，优选地，模制工艺进一步包括多个 加强肋的模制。[0026]元件可以非限制性地由以下材料制成：塑料（例如，热塑性塑 料、热固塑料、其组合材料或类似材料）、金属（例如，钢、铝、其组 合材料或类似材料）、玻璃、陶瓷、上述材料的组合或者类似材料。[0027]优选地，第一元件的材料具有较高的强度重量比。因此，优选地，第一元件由聚合材料制成。在一个具体优选实施方案中，元件中 的至少一个由高强度热塑性塑料和/或热固塑料构成，该材料从以下材料中选出：苯乙烯、聚酰胺、聚烯烃、聚碳酸酯、聚酯、聚乙烯酯、 其混合物或类似材料。更加优选地，材料从以下材料组成的一组中选出：丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚合物（ABS)、聚碳酸酯/丙烯腈/丁二烯苯乙烯、聚碳酸酯、聚氧化二甲苯/聚苯乙烯，聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚氧化二甲苯、聚苯醚、间规聚苯乙烯、乙烯a烯烃、聚对 苯二甲酸丁二醇酯/聚碳酸酯、聚酰胺（例如，尼龙）、聚酯、聚亚安 酯、片状模塑料（SMC)(例如，聚酯、聚乙烯酯）、热固聚氨酯、 聚丙烯、聚乙烯（例如，高密度聚乙烯（HDPE))、聚丙烯酸化物、 其混合物或类似材料。更加优选地，元件中的至少一个由聚丙烯制成。 [0028]还能够预期的是，上述所有聚合材料可以采用纤维来加强或者 另外采用陶瓷、玻璃、聚合物、自然合成或其它纤维来加强。根据一 个优选实施方案，为了加强，聚合材料包括长度在大约0.1mm和大约 30.0mm之间的相对较长的玻璃纤维。更加优选地，纤维长度在大约 0.5mm和大约20.0mm之间。最优选地，纤维长度在大约0.7mm和大 约15.0mm之间。还能够预期的是，聚合材料可以包括一个或多个填充 物。[0029]第二元件可以由任何适合于与第一元件形成混合结构的材料制 成。能够预期的是，第一和第二元件的材料可以是相同的，但优选地 它们的材料不同。第二元件的材料可以选择比第一元件具有较低的强 度重量比的材料。典型地，这种材料比第一元件使用的材料密度大。 优选地，第二元件的材料为金属，更加优选地为钢。优选地，第一元 件可以包括最终获得的结构元件的实质部分。在另一个实施方案中， 预期第二元件包括额外结构层，该额外结构层应用于第一模制元件以

提供额外结构支撑或提供如对第二元件进行的讨论所述的其它有益的 特性。在一个优选实施方案中，第二元件由刚性结构元件形成，该元 件在形状上至少适合第一元件的一部分。[0030]第二元件可以通过针对第二元件的材料使用合适的技术来形成。例如，金属元件可以通过适当的方式进行浇铸或冲压。[0031]本发明进一步期望使用一个或多个额外元件（例如，三个或更 多元件）来形成结构构件。这种元件可以包括这里讨论的任何元件。 例如，根据第一元件、第二元件或其它元件所教授的，本发明可以包 括第三元件。因此，第一和第二元件可以包括额外的表面或特征以与 第三元件或其他元件结合。[0032]因此，以图2和图3为具体参考，在第一元件连接至第二元件 的时候，在第一第二粘接表面和第三粘接表面之间可以形成一个或多 个空腔。[0033]使用粘合剂来将第一元件粘合至第二元件。在一个优选实施方 案中，通过将粘合剂应用于元件上的一个或另一个粘接表面，在第一 和第二元件之间形成至少三个粘合接合点。沿粘接表面，粘合剂可以 是连续的或者断续的。粘合剂可以通过喷射、浸渍或其它方式应用于 第一和第二元件的两个相应粘接表面中的一个表面或两个表面。 [0034]可选择地，本发明的粘合剂可以是结构型粘合剂、按需求固化 的材料或者包括以上两种材料。粘合剂需要能够在粘接物品所需要的 制造环境中实现可流动状态。粘合剂在低蒸气压力溶剂（例如，酒精、 乙醚、丙酮、苯、甲烷、乙垸、其组合材料或类似材料）中是可溶的， 优选地在大约100。C (212°F)和240。C (464°F)之间的温度下在熔化 状态是可流动的（例如，在熔化状态可流动的、在室温下可流动以及 类似状态），是可起泡沫的，是以上性质的组合或具有类似性质。优 选地，粘合剂处于从大约-2(TC到大约240'C之间的温度时是可流动的； 更优选地，在大约-5'C到大约160'C之间；最优选地在大约l(TC到60°C 之间。熔化可流动粘合剂应该具有实质上低于待粘接元件失去结构完 整性的温度的熔化温度（例如，在5"C到3(TC之间）。 [0035]优选的粘合剂包括那些固化后能够承受汽车运行条件的粘合 剂。优选地，这样的粘合剂在高至大约140°C (284°F)的温度下不会

分解或者分层，更加优选地高至大约150°C G02。F)，进一步更加优 选地高于大约160。C G20。F)，最优选地高至大约200°C (392°F)。 尽管这一点并不关键，在一个实施方案中，这里应用在一个接头上的 粘合剂具有至少大约500kPa (大约70psi)的最终拉伸强度，更加优选 地，大约lMPa (大约145psi)，进一步更加优选地，大约3MPa (大 约435psi)。在一些应用中，例如使用结构型粘合剂的场合，最终拉 伸强度可以高达大约30Mpa (大约4350psi)，更加优选地至少大约 45MPa (大约6350psi)，进一步更加优选地至少大约60MPa (大约 8700psi)。[0036]此外，优选的粘合剂能够承受长时间暴露于粘接物品的周围运 行条件。例如，优选的粘合剂包括那些在周围条件下或者在上述温度 和压力下能够承受长时间暴露于碳氢化合物材料、氯化钠、氯化转、 其它盐类、制动液、传动液、乙二醇冷却液、挡风玻璃清洗剂、清洁 剂以及类似材料的粘合剂。[0037]粘合剂可以由任意数量的成分构成；但优选地由两种成分构成。 尽管也期望采用其它粘合剂系列（例如，氨基甲酸乙酯、硅垸、或者 类似材料），优选的粘合剂由一种或多种基于聚亚安酯的粘合剂、环 氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺、高科技育成（hi-bred)聚酰亚胺/环氧 树脂粘合剂、丙烯酸树脂、或环氧酚醛/腈橡胶粘合剂构成。优选地， 粘合剂在室温下是可流动的，能够粘接低能衬底；更加优选地，粘合 剂由基于聚亚安酯或丙烯酸的粘合剂构成；最优选地，粘合剂是 Betamate低能表面粘合剂（Betamate LESA)，例如美国专利US 6,710,145， 6,713,579， 6,713,578, 6,730,759， 6,949,603， 6,806,330以及美 国专利公布文本2005-0004332和2005-0137370所揭示的那些粘合剂， 这些文件合并作为参考。其它合适的粘合剂包括在美国专利5,539,070; 6,630,555; 6,632,908; 6,706,831中所揭示的那些粘合剂，这些文件合并 作为参考。[0038]在一份专利申请中揭示了可用的粘合剂的成分，该专利名称为 "胺有机硼化复合聚合引发剂和可聚合的成分（Amine Organoborane Complex Polymerization Initiators and Polymerizable Compositions )"， PCT公布号为WO 01/44311 Al，美国序列号为09/466,321，合并于此作为参考。