專利名稱：一種低應力的組合結構件的制作方法
根據(jù)美國法典第35條119(a)到(d)款，本專利要求享有2001年1月7日申請的德國專利第101 01 772.3號的優(yōu)先權。
組合結構件包括由互鎖連接件裝配在一起的不同材料的零件，互鎖接合可以允許不同零件間有至少一個自由度的相對運動。
本發(fā)明尤其涉及一種帶有互鎖連接件的塑料-金屬混合結構件，互鎖連接件可以使由于各種材料的不同熱膨脹而在構件內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)應力最小，或者防止內(nèi)應力的發(fā)生。
組合結構件包括一混合結構部件，其由多個不同材料，例如塑料和金屬材料的零件形成。各個零件通過特殊的連接件連接起來，此連接件設計成可在最多兩個空間方向上實現(xiàn)互鎖接合。
這些傳統(tǒng)上使用的組合結構件的缺點是，由于是通過注塑生產(chǎn)，因此組合結構件具有較高的內(nèi)應力。熔融狀態(tài)的熱塑性材料噴射或注射到作為芯體的金屬板上，然后冷卻。由于在冷卻過程中熱塑性材料具有較大的收縮率，因而構件內(nèi)產(chǎn)生的應力在熱塑性零件的馳豫過程中只能部分地釋放。在使用時構件的不同零件的不同熱膨脹還會進一步地強化這些應力。為此，在這種組合結構件中只能采用部分結晶的熱塑性材料。迄今為止只有聚酰胺可以應用。這種熱塑性材料具有自然的、相對較大的潮濕吸收能力，其和材料的膨脹一起有助于減小應力。另一方面，由于非晶體的熱塑性材料在應力腐蝕裂紋下容易失效，因此不適合用在這種組合結構中。
根據(jù)本發(fā)明，此目的可以通過一種帶有互鎖連接件的構件來實現(xiàn)，其中至少在一個方向上取消了互鎖接合，而代之以摩擦接合(或力鎖合)。
根據(jù)本發(fā)明提供了一種組合結構件，其包括(a)由高強度材料制成的芯體，所述芯體具有多個穿孔；和(b)與所述芯體的表面的至少一部分相接的熱塑性材料制成的塑料體，其特征在于，所述芯體通過在至少一些所述穿孔內(nèi)延伸的連接件連接到所述塑料體上，所述連接件在所述芯體和正交于所述芯體平面的所述塑料體之間形成互鎖接合，所述連接件和所述穿孔的相互間尺寸允許所述芯體和所述塑料體沿所述芯體和所述塑料體平面的X和Y方向的至少一個作可逆的摩擦運動。
在本文和權利要求中，用語“相互間尺寸”是指芯體的穿孔在X和Y方向的至少一個上的尺寸比在穿孔內(nèi)延伸的連接件的X和Y方向的至少一個上的尺寸大。這樣，芯體和塑料體之間沿芯體和塑料體平面的X和Y方向的至少一個上可以發(fā)生可逆的摩擦運動。
在本發(fā)明所附的作為本申請的一部分的權利要求中對本發(fā)明的特征進行了介紹。通過下文中對本發(fā)明的優(yōu)選實施例的具體介紹和附圖，可以更好地理解本發(fā)明的這些和其它特征、操作優(yōu)點及所能達到的特定目的。
在說明書和權利要求中除了在操作示例中或特別指出的情況，所有數(shù)據(jù)和表達，例如那些結構尺寸、注塑條件等，都采用了用語“約”來表示其在所有示例中都可以進行修改。
除非另有說明，在

圖1到9中相同的標號和字符均指同一零件和結構特征。
在本發(fā)明的一個特別優(yōu)選實施例中，在芯體平面內(nèi)的穿孔在X和Y方向上的尺寸均比穿過這些穿孔的塑料體的各個連接件(例如塑料柱或鉚釘)的尺寸大。
在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中，塑料體上形成有多個交叉肋條的肋條結構，塑料體的連接件及連接位置主要設于肋條交叉點處。
根據(jù)本發(fā)明還提供了一種組合結構件，可用做機器、車輛尤其是機動車輛、電子器件、家用電器或建筑場所的結構件。
用于芯體的高強度材料可以是鋼、鋁、鎂、陶瓷、熱固性材料、纖維增強的熱塑性塑料，或者是這些材料的復合物。
用于塑料體的熱塑性材料可以是選自聚酰胺、聚酯、聚烯烴、苯乙烯共聚物、聚碳酸酯、聚苯醚、聚苯硫、聚酰亞胺、聚氯乙烯、聚氨基甲酸酯、聚氧化苯乙烯(PSO)和聚醚酮(PEEK)中的至少一種的未增強、增強或填充的熱塑性材料。
芯體和塑料體可以分別為片、板、平面的、成型的(開口和封閉的成型部分)和中空腔的形式。材料的種類和零件的數(shù)目及形式都可以變化。在一個優(yōu)選實施例中，二維部件例如金屬板上可設有肋條結構或塑料材料的蓋板。為此，在連接件(例如熱塑性連接件)上設有鉚釘，這樣在正交于塑料體的主要膨脹方向上(在此是兩維平面內(nèi)的平面結構部分的膨脹方向)形成了互鎖連接，在平行于主要膨脹方向上形成了和高強度部件的摩擦連接。在此實施例中，涉及桿形還是平面結構件很重要。桿形構件主要只在縱向上膨脹，而對于二維結構件，在其角部區(qū)域必須考慮到有兩個膨脹方向。
在此方式中，多個芯體也可以直接地相互連接。在此情況下塑料材料的功能就被限制為通過鉚釘?shù)男问綄⑿倔w固定在一起。芯體也可以通過互鎖方式在熱塑性零件的主要膨脹方向上進行連接。由于存在互鎖接合，作用力就可以直接地從一個芯體傳遞到另一芯體。塑料鉚釘將組合體簡單地夾持在一起并固定住此材料組合結構件。鉚釘設計成可允許主要膨脹方向上的摩擦接合，以及正交于主要膨脹方向上的互鎖接合。
也可以提供這樣一種構件，其包括直接相互連接的多個高強度部件，并通過塑料鉚釘固定住。然而，塑料零件還具有其它一些功能，可以是例如整體的平面或板。
本發(fā)明的范圍還包括了一種組合結構件，其包括至少一個固定的連接件，此連接件可以在芯體和塑料體之間沿芯體和塑料體平面的X和Y方向提供不可逆的摩擦運動。固定的連接件在芯體和塑料體之間相對于芯體平面在所有三個坐標方向(即X、Y、Z坐標)上形成了基本上不可逆的互鎖接合。
本發(fā)明的組合結構件可以通過各種方法進行生產(chǎn)。在此方面，在芯體和塑料體之間可以有不止一個連接方式，如下文中所述。1.通過注塑連接在這種生產(chǎn)工藝中芯體上設有穿孔(例如帶有開孔的金屬板)，在正交于主要膨脹方向上形成互鎖連接的連接件通過這些穿孔和塑料體相連。
在通過注塑的連接中，首先將例如為金屬板的芯體置于注塑模具中，然后注塑模具閉合并進行注塑。由于塑料材料是以液態(tài)或熔融狀態(tài)注射到注塑模具中，它可以流經(jīng)金屬板的穿孔，并在其中形成一鉚釘桿，在后側或另一側形成鉚釘頭。為了防止在塑料部件的主要膨脹方向上也產(chǎn)生互鎖接合，注塑模具通常都具有型芯。這些型芯設置成使得在芯體和鉚釘之間在芯體的開孔內(nèi)形成了凹腔，可以允許在塑料體和芯體之間沿主要膨脹方向上的相對運動?？蓜有托灸芊乐怪辽僖徊糠执┛走吘壡对诖┛字醒由斓乃⑸涞臒崴苄圆牧现?。
通過示例，這里所提及的連接件允許可在一個方向(即X或Y方向)上的相對運動。在此方面，芯體板一般都具有細長孔。在注塑工藝中，細長孔的左、右側的空間都被可動型芯所占據(jù)，因此在細長孔的中間就形成了作為塑料鉚釘組成部分的鉚釘柱或鉚釘桿。型芯能防止細長孔的邊緣嵌入在鉚釘桿的熱塑性材料中。在芯體板和塑料體的相對運動過程中，此鉚釘桿可以移動到細長孔的左邊和右邊。
通過注塑，各種金屬和復合材料部件也可以在熱塑性材料區(qū)域在一道工序內(nèi)直接或間接地連接。而且，通過注塑工藝，所生產(chǎn)的組合構件的熱塑性件可以形成例如平板的形狀，同時連接在金屬板上。2.通過模制后形成的塑料鉚釘來連接也可以通過塑料鉚釘來將塑料體連接到高強度的芯體上。在這種情況下，先單獨地注塑出不帶有金屬板卻形成有多個連接柱或連接桿的熱塑性部件。然后再將金屬板置于塑料體上，使得連接桿穿過金屬板上的穿孔。
穿孔和鉚釘桿的相互間尺寸使得它們之間存在有間隙，可以允許在芯體和塑料體之間的需要方向上發(fā)生摩擦運動。然后連接鉚釘桿通過成形工藝(例如超聲波焊接)形成鉚釘頭。另外，可以采用單獨的金屬件(例如栓柱焊接所用的)通過摩擦焊接，或超聲波焊接來形成焊接接頭，或用連接件將兩個熱塑性零件(板、成型部分等)連接在一起。3.通過插入、卡扣或螺釘將塑料體互鎖連接到芯體上在此工藝中首先生產(chǎn)出帶有必要的插入件、卡扣件、或螺紋的塑料體。為此可以使用例如具有鉚釘或螺帽的注塑塑料部件，其中鉚釘或螺帽插入到芯體的自由穿孔(細長孔或方形凹腔)中。然后通過卡扣或螺釘連接其配對部分，從而形成互鎖接合。4.用不同方法的組合將芯體連接到塑料體上其它將組合結構件的各零件連接起來的方法包括采用上述方法1，2和3的不同組合。因此，通過在各部分上設置相同的卷邊可以在高強度的芯體(例如高強度板)之間形成互鎖連接。在塑料體和金屬板之間的鉚釘連接件插入到相同的另外自由穿孔中。在此方式中，可以在主要膨脹方向上實現(xiàn)板的互鎖連接以及板和塑料體之間的摩擦連接。
所有的連接工藝也可以將多個高強度的零件例如板相互連接在一起。
本發(fā)明的組合結構件具有以下優(yōu)點。本發(fā)明可以生產(chǎn)出由具有不同材料特性，尤其是具有不同熱膨脹特性的材料制成的組合結構件，而基本上沒有內(nèi)應力。本發(fā)明使得可以采用對應力裂紋敏感的非晶體塑料材料來制造大型平面塑料/金屬組合結構件。本發(fā)明可以從便宜和/或低密度的塑料材料中生產(chǎn)出成本優(yōu)化重量優(yōu)化的組合結構件。本發(fā)明允許從較廣的連接工藝范圍內(nèi)選擇和其它構件連接的方法。本發(fā)明的組合結構件可以在一個工藝步驟中完成。
在下文中將結合附圖1到9對本發(fā)明進行詳細地介紹，但本發(fā)明并不局限于這些具體介紹。
此組合結構件可以用各種方法生產(chǎn)。如果塑料板1通過注塑生產(chǎn)，則塑料板1可以直接地在金屬板2上注塑出。在此情況下鉚釘連接件3，4和5可以同時在板上形成。應注意的是，連接件4和5可以通過具有細長孔14和15的開口位置形狀的開孔在相應的方向上可逆地移動。這些開孔是通過注塑模具上的可動型芯制出的，在注塑過程中，可動型芯穿過并堵住金屬板2上的穿孔14和15。
也可以先單獨地生產(chǎn)出塑料板1，然后再將其連接到金屬板2上。如果塑料板1同樣地通過注塑生產(chǎn)，鉚釘連接件3，4和5的柱或桿或者螺紋連接的螺帽可以和板1一體地形成。如果塑料板1是從半成品中取下的，那么連接件通常通過焊接、粘結、螺紋連接、金屬鉚接和/或夾緊連接到板上。然后連接件插入到板2的穿孔中，金屬板2通過連接件的配對部分夾在塑料板1上。
圖2是圖1沿線A-A的剖視圖，從圖中可看到處于中央的連接件3和圖1所示板組件的兩個角部間的邊緣區(qū)域中的連接件4之間的部分。對于連接件3，金屬板2上的圓孔13完全被鉚釘桿7所填滿，孔13的周邊和鉚釘桿7嵌接在一起。這樣，在這個特別的位置上金屬板2和塑料板1之間不可能發(fā)生相對運動。在帶有對稱穿孔的板的中央是不需要這種相對運動的。在Z方向上連接件3由鉚釘頭16固定住。連接件4可以允許鉚釘桿7在金屬板2的細長孔14中相對于金屬板2沿X方向運動。
圖3是圖1所示板組件沿通過右側連接件4的線B-B的剖視圖，顯示了通過連接件4并橫向于沿X方向的膨脹方向的部分。鉚釘桿7在金屬板2和塑料板1之間在Y方向上形成互鎖接合，鉚釘頭16在Z方向上形成了相似的接合。實施例2下面將參考圖4到6介紹具有兩個自由度的互鎖連接件。
圖4到6顯示了在兩維平面內(nèi)具有兩個自由度的連接件的不同視圖。圖4是從下方看去的平面圖，從圖中可以看到通過圖示連接件(圖4到6)連接到塑料板6上的塑料板1。在兩塊板間設置了金屬板2。在圖5進一步地顯示了塑料板1、金屬板2和塑料板6。圖5是沿圖4中線C-C的連接件的剖視圖。圖6是從上方看去的平面圖。
三個零件，即塑料板1和6及金屬板2的連接是通過鉚釘桿7來實現(xiàn)的，鉚釘桿7固定地連接到塑料板1和6上。鉚釘桿7可以在兩維平面內(nèi)相對于金屬板2在開孔9中移動，開孔9的形狀如同由鉚釘桿7和金屬板2的方孔17形成的截面為矩形的有方形環(huán)紋的間隙。為了加工出開孔9，出于方便制造原因應在塑料板1和6上設有開孔8。通過設置圖4到6所示的開孔8，鉚釘桿7必須固定連接到塑料板1和6上，以便在Z方向上形成互鎖接合。因此，在塑料板6的X方向上和在塑料板1的Y方向上應設有開孔8。也可以采用其它設置，例如在塑料板1的X方向上和在塑料板6的Y方向上設置開孔8，或者是重疊地設置開孔。實施例3下面將參考圖7和8介紹包括金屬板和塑料材料的肋條結構并帶有具有兩個自由度的互鎖連接件的組合結構件。
如圖7所示，金屬板2的下表面覆蓋有塑料板1，而其上表面由肋條結構10支撐。圖8顯示了從上方看去的組件的平面圖。
三個零件，即塑料板1、金屬板2以及熱塑性材料的肋條結構10的連接是通過具有中心孔18的鉚釘桿7來實現(xiàn)的，鉚釘桿7固定地連接到塑料板1和肋條結構10上。鉚釘桿7通過各個肋條10相互連接在一起，形成了在Z方向上的互鎖接合。由于存在開孔9，鉚釘桿7可以相對于金屬板2在兩維平面內(nèi)移動。開孔9設置在肋條10之下，槽8之上。
此組合結構件可以通過注塑工藝生產(chǎn)。在注塑過程中，先將金屬板2置于注塑模具中，并用熱塑性材料來形成塑料板1，然后再在板2上注塑出肋條結構10及肋條凸臺7。實施例4下面將結合圖9介紹位于兩個車輛橫支架之間的擋泥板。
圖9顯示了用作位于橫支架2和11之間的擋泥板的塑料板1。橫支架2由熱塑性材料的肋條結構10所增強的U形鋼板組成。肋條結構10通過鉚釘桿7連接到塑料板1和橫支架2上。通過將開孔9設置在開孔8上，鉚釘桿7可以相對于橫支架2的金屬板在橫支架2的縱向方向(Y方向)上移動。橫支架2和塑料板1通過位于橫支架2中央的連接件3以互鎖方式連接在一起，并且在所有三個空間平面上均不具有自由度。由于溫度引起的塑料板1在X方向上的縱向變化可以被橫支架11和端板12之間的塑料板1的摩擦夾緊所抵消。
雖然在上文中詳細地介紹了本發(fā)明的實施例，但可以理解這些詳細介紹只是為了說明實施例，對于本領域的技術人員來說，在不違背由權利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以對本發(fā)明進行許多修改。
權利要求
1.一種組合結構件，包括(a)由高強度材料制成的芯體，所述芯體具有多個穿孔；和(b)至少和所述芯體表面的一部分相接的熱塑性材料的塑料體；其特征在于，所述芯體通過在至少一些所述穿孔內(nèi)延伸的連接件連接到所述塑料體上，所述連接件在所述芯體和正交于所述芯體平面的所述塑料體之間形成了互鎖接合，所述連接件和所述穿孔的相互間尺寸加工成允許所述芯體和所述塑料體沿所述芯體和所述塑料體平面的X和Y方向的至少一個上作可逆的摩擦運動。
2.根據(jù)權利要求1所述組合結構件，其特征在于，所述穿孔為細長孔，可允許所述塑料體相對于所述芯體沿所述細長孔的縱軸方向上進行主要膨脹。
3.根據(jù)權利要求1所述組合結構件，其特征在于，所述穿孔的X和Y方向上的尺寸均比在所述穿孔內(nèi)延伸的所述連接件的X和Y方向上的尺寸大。
4.根據(jù)權利要求1所述組合結構件，其特征在于，所述塑料體上設有具有多個交叉肋條的肋條結構，所述連接件位于所述肋條的交叉位置。
5.根據(jù)權利要求1所述組合結構件，其特征在于，所述塑料體的熱塑性材料選自聚酰胺、聚酯、聚烯烴、苯乙烯共聚物、聚碳酸酯、聚苯醚、聚苯硫、聚酰亞胺、聚氧化苯乙烯(PSO)和聚醚酮(PEEK)中的至少一種。
6.根據(jù)權利要求1所述組合結構件，其特征在于，所述芯體的高強度材料選自纖維增強的熱塑性塑料、熱固性塑料和金屬中的至少一種。
7.根據(jù)權利要求1所述組合結構件，其特征在于，所述連接件選自與所述塑料體一體形成的熱塑性鉚釘、卡扣連接件和螺釘中的至少一種。
8.根據(jù)權利要求1所述組合結構件，其特征在于，所述組合結構件還包括至少一個固定的連接件，其允許所述芯體和所述塑料體沿所述芯體和所述塑料體平面的X和Y方向作不可逆的摩擦運動。
9.根據(jù)權利要求1所述組合結構件，其特征在于，所述塑料體由在所述芯體表面的至少一部分上的注塑熱塑性材料形成，所述連接件通過使注塑熱塑性塑料的一部分在至少一些所述穿孔內(nèi)延伸而同時形成。
10.根據(jù)權利要求9所述組合結構件，其特征在于，在注塑前將可動型芯置于所述穿孔內(nèi)，所述型芯可以防止所述穿孔的至少一部分邊緣嵌在注射的熱塑性材料中，所述型芯在注塑后取出，使得所述穿孔和在其內(nèi)延伸的所述連接件的相互間尺寸允許所述芯體和所述塑料體在沿所述芯體和所述塑料體平面的X和Y方向中的一個作可逆的摩擦運動。
11.根據(jù)權利要求9所述組合結構件，其特征在于，所述連接件是一具有鉚釘桿和鉚釘頭的塑料鉚釘，所述塑料鉚釘和塑料體形成一體，所述鉚釘桿在所述穿孔內(nèi)延伸，所述鉚釘頭在所述芯體和正交于所述芯體平面的所述塑料體之間形成了互鎖接合。
12.根據(jù)權利要求9所述組合結構件，其特征在于，所述組合結構件還包括從卡扣連接件和螺釘中選擇的至少一個另外的連接件。
13.包括根據(jù)權利要求1所述組合結構件的制品。
14.根據(jù)權利要求13所述制品，其特征在于，所述制品為機動車輛零件和電子器件。
全文摘要
本文介紹了一種組合結構件,其包括:(a)由高強度材料制成的芯體,所述芯體具有多個穿孔;和(b)至少和所述芯體表面的一部分相接的熱塑性材料的塑料體。芯體通過在芯體板上的至少一些所述穿孔內(nèi)延伸的連接件連接到所述塑料體上。所述連接件在所述芯體和正交于所述芯體平面的所述塑料體之間形成了互鎖接合。連接件和穿孔的相互間尺寸加工成允許芯體和塑料體在沿芯體和塑料體平面的X和Y方向上的至少一個作可逆的摩擦運動。
文檔編號B29C45/14GK1386630SQ0210237
公開日2002年12月25日 申請日期2002年1月17日 優(yōu)先權日2001年1月17日
發(fā)明者J·瓦根布拉斯特, H·戈德巴赫 申請人:拜爾公司