CN103010321A - 一种轻量化平板半挂车车体及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平板半挂车车体，包括承重壳体、底板和支撑梁，所述壳体粘接在所述底板的下表面与所述底板形成盒状结构，所述支撑梁位于所述盒状结构内连接所述壳体和底板。本发明还涉及了制备所述平板半挂车车体的方法。本发明所述车体从结构和材料上均有效减轻车体重量，由于车体采用一体化成型制备，各个部分连接性好，可以明显减少维修次数增加使用寿命，车体采用高分子复合材料，能够有效耐受腐蚀，对酸、碱、盐、大部分有机物和微生物的作用都有很好的抵抗能力。本发明所述车体的制备方法可采用现有的成型工艺，工艺条件简便，适宜大规模工业化应用。

Description

一种轻量化平板半挂车车体及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种平板半挂车车体及其制造方法，具体涉及一种轻量化平板半挂车车体及其制造方法。

背景技术

现有的平板半挂车，一般都是钢制的，由底板、车架、悬架和车轮总成等部件组成。其中车架是由两根大于底板总长的大号工字钢纵梁和数根横梁构成的框架结构，提供整车所需要的承载能力和刚度，如图1所示。其缺点是车架自身重量很大，耗钢材多要占到整车重量的25％。

纤维增强复合材料是近年来发展迅速的一种新型材料，通常由基体树脂和纤维增强物组成，制备的方法也是多种，如真空辅助树脂传递模塑工艺(VARTM)、等。由于纤维增强复合材料的高比强度和比刚度，已经被广泛应用于工程领域，也被应用于轻量化汽车的制造领域，如中国专利ZL 200510029570.4公开了一种使用纤维复合材料制造汽车覆盖件的方法，该汽车覆盖件虽然具有轻量化的效果，但是该复合材料板只能作为覆盖件不能作为承力结构件，且内外板与芯材采用胶接的形式，增加了制造环节，生产周期长。

发明内容

为克服现有平板半挂车车体过重、燃料消耗严重的缺陷，本发明的目的是提供一种轻量化的平板半挂车车体。

所述平板半挂车车体，包括承重壳体、底板和支撑梁，所述壳体粘接在所述底板的下表面与所述底板形成盒状结构，所述支撑梁位于所述盒装结构内连接所述壳体和底板。

所述支撑梁沿所述车体长度方向设置，位于所述盒状结构的中心，其两端面与所述壳体的端面相贴合。

所述车体采用纤维增强复合材料，其厚度为5～50mm，优选5～20mm。

所述车体的盒状结构为长方体形，为了适应车头的形状，靠近车头的车体端面也可以进行相应的变化，通常为斜面。也就是说，沿车体长度方向的截面形状可以为长方形，也可以为梯形，如图2所示。

所述车体省去传统车体车架的两根纵梁，降低了车重，依靠承重壳体及其中的支撑梁来承担整车的承载能力。所述壳体的深度和支撑梁的高度直接决定了车身抵抗受力变形的能力，也就是刚度的大小。

现有技术中常通过对SME(单位质量所具有的刚度值)的分析来判定轻量化的效果(刘晓东，大客车车身结构轻量化分析，长安大学，硕士学位论文)。SME值越大，满足相同刚度所需要的材料越轻，轻量化的效果越好。截面特性对弯曲刚度和扭转刚度具有影响。由矩形薄壁杆件的弯曲SME计算公式得出：轻量化设计时，增加壁厚，弯曲刚度和质量均增加，但SME无明显变化；增加截面高度h，弯曲刚度明显增加，SME值增大，轻量化效果比较好；增加截面宽度，SME无明显变化，轻量化时不予考虑。由矩形薄壁杆件的扭转SME计算公式得出：增加高度h和宽度b，扭转SME值都会明显增大，与壁厚没有关系。从满足扭转刚度来轻量化时，增大截面的高度和宽度即可，不需考虑壁厚。综合考虑，增加h，能显著提高部件的弯曲刚度和扭转刚度。

本发明所述技术方案中，增加壳体高度h，能显著提高其弯曲刚度和扭转刚度。确定本发明所述承重壳体的高度时，可先利用有限元分析软件分析同等载重量的钢制车体，得出应力应变云图，再根据轻量化材质的性能，依据钢制车体的应力应变云图反推确定承重壳体的高度h，通常略高于钢制车体车梁的高度。如常见的13.6米、载重40吨平板车的平板厚度为2mm，大号工字钢纵梁高度为490mm，对应的复合材料壳体半挂车，壳体高度略高于490mm，约在550-600mm左右。

所述纤维增强复合材料包括树脂基体和纤维织物，所述纤维织物为高强度碳纤维、玻璃纤维或混杂纤维，优选大丝束碳纤维，进一步优选大于等于48K的大丝束碳纤维；所述树脂为不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂、酚醛树脂或丙烯酸酯树脂。

大丝束碳纤维具有价格低、来源容易、抗拉强度一般都在3500Mpa以上，抗拉弹性模量为200-230GPa，性能与12K碳纤维相当。但碳纤维通常价格昂贵，若考虑生产成本控制，则可采用玻璃纤维或玻璃纤维掺杂大丝束碳纤维。

用于所述底板的纤维增强复合材料板上部粘附有耐磨层，所述耐磨层为聚双环戊二烯、芳纶增强复合材料、超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料中的一种或多种。所述耐磨层的厚度可根据所需要的耐磨、耐冲击性能来确定其厚度，通常为5-10mm。

用于所述底板的纤维增强复合材料下部沿车体横向和/或纵向方向设置有多根加强筋；优选所述加强筋沿车体横向或纵向方向均匀设置，相邻两加强筋的间距为100～1000mm。

具体来说，所述加强筋可以是沿底板同一方向呈均匀阵列型排列的，也可以是将加强筋在底板上围成一层或多层逐层包围的矩形框，最外围的矩形框与底板边缘重合，还可以将上述两种方式进行结合，例如在底板边缘设置一加强筋组成的矩形框，在矩形框内均匀排列若干根加强筋等等。

所述加强筋为纤维增强复合材料经拉挤或拉缠工艺成型制得；所述加强筋的截面为“工”型、“X”型、“口”型或“O”型。此处的纤维增强复合材料可以和车体的材料一致，也可以使用现有技术中任一种刚度高、承重性好的纤维增强复合材料。

所述车体中承重壳体和底板中的纤维增强复合材料的纤维形式为单轴向、双轴向、多轴向、平纹、斜纹、缎纹织物或所述织物的预浸料。

所述车体中支撑梁中的纤维形式为短切纤维。

所述支撑梁的横截面形状为“I”型、“X”型、“W”型或“Y”型。支撑梁的高度随壳体的高度变化而变化。

上述任一项技术方案所述的车体外表面还包覆有一层0.5～1.0mm厚的纤维增强复合材料；所述纤维为碳纤维、玻璃纤维或混杂纤维，优选大丝束碳纤维，进一步优选大于等于48K的大丝束纤维。

车体外部在成型以后再包覆一层纤维增强复合材料，可以弥补单靠树脂粘结可能带来的粘结强度不足的缺点，在各个部件的结合处起到加强粘结的作用，同时，还能明显降低车体磨损的速度。

本发明还提供了上述任一项技术方案中所述平板半挂车车体的制备方法，首先单独制备承重壳体、底板和支撑梁；然后用树脂进行粘接形成车体结构；再在所述车体结构表面包覆浸润树脂后的纤维织物，加热固化成型，或在所述车体结构表面包覆纤维织物预浸料，加热固化成型得所述车体。

所述车体成型采用常见的手糊工艺、VARTM、RTM或模压工艺。

所述承重壳体和底板的制备采用真空袋成型、VARTM、RTM或模压工艺；所述支撑梁的制备采用浇注成型工艺。

所述承重壳体的制备方法为：先铺设纤维于模具中，再加入树脂加热固化成型制得。

所述底板的制备方法为：先制备聚双环戊二烯树脂板，再将其放入模具中，然后在所述树脂板上铺设纤维及加强筋，最后加入树脂加热固化成型制得。

所述支撑梁的制备方法为：将纤维填充至模具中，浇注树脂加热固化成型制得。

上述成型工艺均可采用现有工艺，根据纤维材料和树脂基体的不同适当调整成型压力、温度等工艺条件即得。

本发明所述轻量化平板半挂车车体的结构采用盒状一体化结构，改变了现有平板半挂车的车体结构，省掉了原有的车架结构，使其具有更高的抗扭转、抗弯和承载能力。车体材料采用更加轻量的纤维增强复合材料，其刚度及承重能力与钢质半挂车相当甚至更优。底板上部增加了聚双环戊二烯、芳纶纤维复合材料等耐磨、耐冲击的材料层，相对于一般的车用纤维增强复合材料来说，能够在车体承重部位使用，扩大了纤维增强复合材料在车体上的应用，使车体全部可以实现轻量化，有效地降低了车体重量。

本发明所述车体从结构和材料上均有效减轻车体重量，一般情况下可减重30％-50％，节省8～15％的燃料消耗，需要的牵引力随之降低15～40％，增加了续航里程。另外，由于车体采用一体化方法成型，制造工艺简便，车体各个部分的连接性好，可以明显减少维修次数增加使用寿命，车体采用高分子复合材料，相比于金属材质能够有效耐受腐蚀，对酸、碱、盐、大部分有机物和微生物的作用都有很好的抵抗能力。本发明所述车体的制备方法可采用现有的成型工艺，工艺条件简便，适宜大规模工业化应用。

附图说明

图1是现有技术中平板半挂车车体的结构示意图；

图2是本发明所述平板半挂车车体的结构示意图；

图3是本发明所述平板半挂车车体的结构透视图；

图4是本发明所述平板半挂车车体各组成部分的分解图；

图5是本发明所述平板半挂车车体底板的横断面示意图；

图中：1、承重壳体；2、底板；3、支撑梁；21、底板的复合材料层合板；22、加强筋。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，而以下实施例也用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

以13.6米长、2.6米宽，载重为40吨的平板半挂车为模型，本发明所述的轻量化平板半挂车车体与如图1所示传统的平板半挂车车体结构不同，省去了大号工字钢车架。

如图3所示的轻量化平板半挂车车体，包括承重壳体1、底板2和支撑梁3。其中，底板2为平板结构，承重壳体1为长方体结构，沿车体横向的截面为一等腰梯形。为增加承重壳体1和底板2之间粘结的稳定性，承重壳体1设置约车体宽度的十分之一至五分之一的边沿区域，用于和底板2进行粘结。承重壳体1沿车体纵向的两个端面中，靠近车头的端面设置成斜面形式，倾斜的角度以适应车头的形状为准，靠近车尾的端面设置为垂直于底板2的直面形式，壳体1沿车体纵向的截面为一直角梯形。

形成车体时，壳体1粘接在底板2的下表面并与所述底板2形成一长方体的盒状结构，支撑梁3设置在盒状结构内部，上部粘接底板2，下部粘结壳体1，支撑梁3为纵梁，沿车体的长度方向设置，支撑梁的两端面与壳体1的端面粘接贴合。

实施例1

以13.6米长、2.6米宽，载重为40吨的平板半挂车为模型，现有的钢制平板半挂车重量为4吨左右。

纤维增强复合材料板中的纤维材料采用大丝束碳纤维(≥48K)，树脂为环氧树脂。

(1)采用VARTM工艺成型壳体1，具体制备方法为：设置带有加热装置的金属模具，喷涂HD-918-V脱模剂(上海东恒化工有限公司生产)，分别以0°、+45°、-45°、90°的角度循环铺设大丝束碳纤维单向织物，铺设约8-10mm厚，用真空袋包裹整个模具，在模具边沿镶嵌密封条，模具的一端抽真空，0.05～0.07MPa下保压3-5分钟，再从另一端导入环氧树脂胶液，加热固化，固化的条件为：温度，170℃；时间，2h。固化结束后，降至室温，脱模取出即制得壳体1，壳体的高度为600mm。

(2)底板2如图5所示，先采用大丝束碳纤维和环氧树脂通过拉挤工艺制得截面为“口”型的7mm×7mm×1mm(长×宽×壁厚)方管加强筋22，并切割成底板纵向的长度13.6米，然后使用RIM工艺成型出6mm厚的聚双环戊二烯板材，再在聚双环戊二烯板上分别铺设1mm厚的芳纶斜纹织物和1mm厚的大丝束碳纤维单向织物形成层合板21，最后在其未经固化的层合板21上沿车体纵向铺设一层加强筋22至15mm厚，相邻加强筋间隔700mm，采用模压工艺，将其放置于热压机上进行热压固化，固化的条件为：压力，0.6MPa；温度，170℃；时间，2h。固化结束后，降至室温，脱模取出即得到底板2。

(3)支撑梁3选用“工”型，将环氧树脂浇注到填充有短切大丝束碳纤维的“工”型变截面组合模具中，加热固化，固化的条件为：温度，170℃；时间，2h。固化结束后，降至室温，开模取出得到支撑梁3，支撑梁的壁厚约10mm。

(4)将成型好的壳体1、底板2和支撑梁3使用环氧树脂粘结形成车体结构，再在车体四周包裹0.5mm厚的大丝束碳纤维预浸布，然后用真空袋包裹，抽真空，加热固化成盒状的整体结构。固化的条件为：温度170℃；时间2.5h。

环氧树脂增强大丝束碳纤维复合材料的密度为1.6-1.8g/cm³，约为钢密度的1/4，抗拉强度达到1600～2100MPa，为钢抗拉强度(720Mpa)的2-3倍，然而弹性模量为110～120GPa，约为钢弹性模量(210Gpa)的一半。与同类型钢制半挂车相比，在相同的载重、装载面积和刚度下，实施例1车体结构和材料的选择可以减重1.8吨，节省15％的燃料，需要的牵引力随之降低35％。

实施例2

以13.6米长、2.6米宽，载重为40吨的平板半挂车为模型，现有的钢制平板半挂车重量为4吨左右。

纤维增强复合材料板中的纤维材料采用大丝束碳纤维(≥48K)和玻璃纤维，树脂为不饱和聚酯。

(1)采用真空袋工艺成型壳体1，设置带有加热装置的，金属模具，喷涂HD-918-V脱模剂，分别以0°、+30°、-30°、90°的角度交替循环铺设大丝束碳纤维单向预浸织物和玻璃纤维单向预浸织物，铺设约12-15mm厚，用真空袋包裹整个模具，在模具边沿镶嵌密封条，抽真空，0.05～0.09MPa下保压3-5分钟，加热固化，固化的条件为：温度110℃；时间1.5h。固化结束后，降至室温，脱模取出即制得壳体1，壳体的高度为550mm。

(2)底板2如图5所示，先采用大丝束碳纤维和不饱和聚酯通过拉挤工艺制得截面为“工”型、高10mm腿宽8mm腹厚2mm的加强筋22，并切割成13600mm和2584mm长，然后使用RIM工艺成型出6mm厚的聚双环戊二烯板材，然后在聚双环戊二烯板上分别铺设2mm厚的多轴向芳纶织物和2mm厚的大丝束碳纤维单向织物，最后在其未经固化的层合板21上沿车体纵向和横向方向均匀铺设一层加强筋22至20mm厚，所述加强筋形成一矩形框，与底板的边缘重合，采用模压工艺，将其放置于热压机上进行热压固化。固化条件为：压力，0.3MPa；温度110℃；时间1.5h。固化结束后，降至室温，脱模取出即得到底板2。

(3)支撑梁3选用“X”型，将不饱和聚酯浇注到填充有短切大丝束碳纤维和短切玻璃纤维的“X”型变截面组合模具中，加热固化，固化的条件为：温度110℃；时间1.5h。固化结束后，降至室温，开模取出得到支撑梁3，支撑梁3的壁厚约12mm。

(4)将成型好的壳体1、底板2和支撑梁3使用不饱和聚酯粘结起来形成车体结构，再在车体四周包裹0.5mm厚的玻璃纤维斜纹布在不饱和聚酯中的预浸料，然后用真空袋包裹，抽真空，加热固化成盒状的整体结构。固化的条件为：温度110℃；时间3h。

不饱和聚酯增强大丝束碳纤维、玻璃纤维混杂复合材料的密度为1.7-1.9g/cm³，约为钢密度的1/4，抗拉强度达到1400～1800MPa，为钢抗拉强度(720Mpa)的2-2.5倍，然而弹性模量为80～100GPa，约为钢弹性模量(210Gpa)的一半。

与同类型钢制半挂车相比，在相同的载重、装载面积和刚度下，这种全复合材料车身结构和材料的选择可以减重1.6吨，节省12％的燃料，需要的牵引力随之降低25％。

实施例3

以13.6米长、2.6米宽，载重为40吨的平板半挂车为模型，现有的钢制平板半挂车重量为4吨左右。

纤维增强复合材料板中的纤维材料采用玻璃纤维，树脂为乙烯基树脂。

(1)采用RTM工艺成型壳体1，设置带有加热装置的金属模具，喷涂HD-918-V脱模剂，铺设多层玻璃纤维斜纹织物，铺设约15-20mm厚，在阴模边沿镶嵌密封条，将阴、阳模合模密封，将其模腔内抽真空(0.05～0.09MPa)，负压下保压3-5分钟，再从另一端导入乙烯基树脂胶液，固化的条件为：温度，130℃；时间，1h。固化结束后，降至室温，开模取出即制得壳体1，壳体的高度为560mm。

(2)底板如图5所示，先采用大丝束碳纤维和乙烯基树脂通过常规拉挤工艺制得截面为“X”型、高12mm宽10mm腹厚3mm加强筋22，并切割成2.6米长，然后使用RIM工艺成型出8mm厚的聚双环戊二烯板材，然后在聚双环戊二烯板上分别铺设3mm厚的芳纶斜纹织物和2mm厚的玻璃纤维斜纹织物，最后在其未经固化的层合板21上沿车体横向方向均匀铺设一层加强筋22至25mm厚，相邻加强筋间隔500mm，加强筋沿车宽方向排列设置，组后采用模压工艺，放置于热压机上进行热压固化。固化条件为：压力，0.4MPa；温度，130℃；时间，1h。固化结束后，降至室温，脱模取出即得到底板2。

(3)支撑梁3选用“W”型，将乙烯基树脂浇注到填充有短切玻璃纤维的“W”型变截面组合模具中，加热固化，固化的条件为：温度，130℃；时间，1h。固化结束后，降至室温，开模取出得到支撑梁3，支撑梁3的壁厚约15mm。

(4)将成型好的壳体1、底板2和支撑梁3使用乙烯基树脂粘结起来形成车体结构，再在车体四周包裹1.0mm厚的玻璃纤维斜纹预浸布，然后用真空袋包裹，抽真空，加热固化成盒状的整体结构。固化的条件为：温度，130℃；时间，2h。

乙烯基树脂增强玻璃纤维复合材料的密度为1.8-2.0g/cm³，约为钢密度的1/4，抗拉强度达到1200～1600MPa，为钢抗拉强度(720Mpa)的1.6-2.3倍，然而弹性模量为50～80GPa，约为钢弹性模量(210Gpa)的1/3。

与同类型钢制半挂车相比，在相同的载重、装载面积和刚度下，这种全复合材料车身结构和材料的选择可以减重1.3吨，节省9％的燃料，需要的牵引力随之降低18％。

虽然上文中已经用一般性说明、具体实施方式及实验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种平板半挂车车体，其特征在于，包括承重壳体(1)、底板(2)和支撑梁(3)，所述壳体(1)粘接在所述底板(2)的下表面与所述底板(2)形成盒状结构，所述支撑梁(3)位于所述盒状结构内连接所述壳体(1)和底板(2)。

2.根据权利要求1所述的平板半挂车车体，其特征在于，所述支撑梁(3)沿所述车体长度方向设置，位于所述盒状结构的中心，其两端面与所述壳体(1)的端面相贴合。

3.根据权利要求2所述的平板半挂车车体，其特征在于，所述车体采用纤维增强复合材料，其厚度为5～50mm，优选5～20mm；所述纤维增强复合材料包括树脂基体和纤维织物；所述纤维织物为碳纤维、玻璃纤维或混杂纤维，优选大丝束碳纤维，进一步优选大于等于48K的大丝束碳纤维；所述树脂为不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂、酚醛树脂或丙烯酸酯树脂。

4.根据权利要求3所述的平板半挂车车体，其特征在于，用于所述底板(2)的纤维增强复合材料板上部粘附有耐磨层，所述耐磨层为聚双环戊二烯、芳纶纤维增强复合材料、超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料中的一种或多种。

5.根据权利要求5所述的平板半挂车车体，其特征在于，用于所述底板(2)的纤维增强复合材料板下部沿车体横向和/或纵向方向设置有多根加强筋；优选所述加强筋沿车体横向或纵向方向均匀设置；相邻两加强筋的间距为100～1000mm；所述加强筋为纤维增强复合材料经拉挤或拉缠工艺成型制得，其截面为“工”型、“X”型、“口”型或“O”型。

6.根据权利要求3所述的平板半挂车车体，其特征在于，所述车体中承重壳体和底板中的纤维形式为单轴向、双轴向、多轴向、平纹、斜纹或缎纹织物；所述车体中支撑梁中的纤维形式为短切纤维。

7.根据权利要求3所述的平板半挂车车体，其特征在于，所述支撑梁的横截面形状为“I”型、“X”型、“W”型或“Y”型。

8.根据权利要求1-7任一项所述的平板半挂车车体，其特征在于，所述车体外表面包覆有一层0.5～1.0mm厚的纤维增强复合材料。

9.权利要求1-8任一项所述平板半挂车车体的制备方法，其特征在于，首先单独制备承重壳体、底板和支撑梁；然后用树脂进行粘接形成车体结构；再在所述车体结构表面包覆浸润树脂后的纤维织物，加热固化成型，或在所述车体结构表面包覆纤维织物预浸料，加热固化成型制得所述车体。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述承重壳体和底板的制备采用真空袋成型、VARTM、RTM或模压工艺；所述支撑梁的制备采用浇注成型工艺；所述底板的制备方法优选为：先制备聚双环戊二烯树脂板，再将其放入模具中，然后在所述树脂板上铺设纤维及加强筋，最后加入树脂加热固化成型制得。

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