CN103523094B - 碳纤维复合材料汽车水箱上横梁及其制作方法 - Google Patents

碳纤维复合材料汽车水箱上横梁及其制作方法 Download PDF

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本发明公开了一种碳纤维复合材料汽车水箱上横梁及其制作方法,属于复合材料和汽车零部件领域。该水箱上横梁结构至少包括:梁体、梁翼、第一翼翅、第二翼翅、侧边、梁冠;在真空状态下,树脂浸润碳纤维织物后压力成型。以多层多铺层方向的碳纤维织物材料为增强体,以环氧树脂为基体的复合材料制作水箱上横梁,提高了其整体刚度,经CAE计算分析,其Z向刚度可达到424N/mm,不但可满足高强度,高模量及载荷条件,同时水箱上横梁减轻质量可达60%以上;使用碳纤维材料可以大幅度降低水箱上横梁重量,可显著提高燃料效率;由于碳纤维材质水箱上横梁的结构大大简化,便于一次加工成型,有效降低制作成本。

Description

碳纤维复合材料汽车水箱上横梁及其制作方法
技术领域
[0001]本发明涉及复合材料和汽车零部件领域,特别涉及一种碳纤维复合材料汽车水箱上横梁及其制作方法。
背景技术
[0002]由于对轿车的造型和性能要求的越来越高,受造型的影响,轿车前部造型的分缝线高低不一,再加上发动机舱本身空间的限制,零部件布置方式种类的增多,很多零部件安装点或多或少的布置在水箱横梁上,再加上引擎盖总成的连接装置锁体安装件,使水箱横梁的负荷将越来越重。水箱横梁作为重要的车身结构件,考虑到对车身结构的轻量化要求,以及结构强度高和碰撞安全性能的要求,如何合理的设计高承载,高强度,轻质的水箱上横梁成为车身发展的挑战。
[0003]以现有技术金属钣金件汽车水箱上横梁为例,其结构如图1、图2所示,采用的材料为B2 1Pl,厚度约为1.5mm,重量约为1.1 kg;在上横梁I的梁体1.1中部设置有U型凹槽1.2,而且两侧边1.9较短,俯视看,在两个对称设置的梁翼1.3上对称设置有第一翼翅1.5、第二翼翅1.7、第一凹槽1.4、第二凹槽1.8及通孔1.6,仰视看,在两个对称设置的梁翼1.3上设置有圆弧凹槽1.10,圆弧凹槽1.10位于梁冠1.11的边缘。
[0004]在实现本发明的过程中,发明人发现现有技术金属钣金件汽车水箱上横梁至少存在以下问题:
[0005] 1.从车身结构强度要求高的方面考虑:水箱横梁固定着引擎盖总成的连接装置锁体安装件关键零部件。水箱上横梁主要承受着来自于引擎盖总成闭合时瞬间冲击载荷的冲撞和轿车行驶时引擎盖的上下波动,直接致使水箱上横梁与引擎盖总成的连接装置锁体安装件处为应力集中的区域,现有技术加强结构设计不合理,强度不够,水箱横梁刚度不均,目前金属钣金件水箱上横梁的Z向刚度目标值为400N/mm,因而会直接导致应力集中区域发生开裂现象。
[0006] 2.从车身轻量化角度来考虑:车身轻量化同时也要求水箱横梁轻量化,高度承载的水箱横梁钣金件的轻量化是未来汽车工业发展的方向。
发明内容
[0007]为了解决现有技术的问题,本发明实施例提供了一种碳纤维复合材料汽车水箱上横梁及其制作方法。通过对水箱上横梁结构进行优化设计,使水箱上横梁在获得高强度,高刚度的基础上,实现轻量化。所述技术方案如下:
[0008] —方面,提供了一种碳纤维复合材料汽车水箱上横梁,该水箱上横梁结构至少包括:梁体、梁翼、第一翼翅、第二翼翅、侧边、梁冠;在真空状态下,树脂浸润碳纤维织物后压力成型。
[0009]具体地,所述水箱上横梁材质为碳纤维T300+5028树脂复合材料,厚度为3.0mm,重量为0.4kg。
[0010]具体地,所述上横梁的梁体顶面中部为平整面结构,所述梁体的两侧边加长4-8mm ο
[0011 ]具体地,所述梁体两侧对称设置有梁翼,在两个所述梁翼上对称设置有圆滑过渡的所述第一翼翅、所述第二翼翅,所述第一翼翅、所述第二翼翅为连贯的圆弧棱线。
[0012]具体地,所述梁翼上设置有平整面梁冠。
[0013]另一方面,提供了一种碳纤维复合材料汽车水箱上横梁的制作方法,制作包括所述梁体、所述梁翼、所述第一翼翅、所述第二翼翅、所述侧边、所述梁冠的水箱上横梁结构的方法至少包括:I)选材;2)铺层;3)密封;4)抽真空;5)树脂导入;6)固化及脱模工艺步骤;其中
[0014] 步骤I)选材;
[0015]所述碳纤维材料选用日本东丽T300碳纤维织物,所述树脂选用中低温的快速固化5028环氧树脂体系为原材料,其中碳纤维织物的含量(重量百分比)为50-60%,环氧树脂材料的含量为40-50%。
[0016]具体地,为实现上述水箱上横梁结构,所述制作方法至少还包括以下步骤:
[0017]步骤2)铺层;
[0018]选取十层3K碳纤维织物布,在已清洁和涂覆脱模剂的水箱上横梁模具中先进行碳纤维织物铺层平整铺设,选择标准铺层角度0°、45°、-45°和90° ;
[0019]第一层碳纤维织物对应于上横梁的外表面,在第一层0°铺层上面进行90°方向的第二层铺层,然后自下而上依次是第三层为45°方向的铺层,第四层为-45°方向铺层,第五层为0°铺层,第六层为0°铺层,第七层为-45°方向铺层,第八层为45°方向铺层,第九层为90°方向铺层,第十层为0°铺层,将碳纤维织物在模具上压紧;每一铺层单层厚度为0.3mm。
[0020]具体地,为实现上述水箱上横梁结构,所述制作方法至少还包括以下步骤:所述步骤2)铺层之后进行
[0021] 步骤3)密封;
[0022]按次序在铺好后的碳纤维织物上依次铺设脱模布、导流网、导流管,在模具的边缘打密封胶带,布置抽真空抽气导管、树脂进料口导入管,然后在真空袋边缘处使用真空膜、胶带密封好,确保整个系统不漏气;
[0023]步骤4)抽真空;
[0024]将抽气导管与真空栗连接,将真空袋内空气抽空,使真空膜密实紧贴模具,检测模具及真空膜体系内的真空度,观察15min,检查是否漏气,保证气密性:真空栗压力表“O”刻度处的真空度可维持1min以上。
[0025]具体地,为实现上述水箱上横梁结构,所述制作方法至少还包括以下步骤:所述步骤4)抽真空之后进行
[0026]步骤5)树脂导入;
[0027]配置相应的固化剂比例份数:环氧树脂为10份,固化剂为2-4份,并充分混合;将环氧树脂导入进料口并被抽入真空袋中,待环氧树脂将纤维织物浸润完全后,关闭树脂进料口导入管口,继续维持真空状态保压0.5-8h,直到环氧树脂固化。
[0028]具体地,为实现上述水箱上横梁结构,所述制作方法至少还包括以下步骤:所述步骤5)树脂导入之后进行
[0029]步骤6)固化及脱模;
[0030]视情况采用加热灯或者在光照条件下加热,加速环氧树脂的固化,待环氧树脂固化后,脱模得到碳纤维复合材料水箱上横梁。
[0031]本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
[0032]采用高强轻质的碳纤维复合材料,合理设计以多层多铺层方向的碳纤维织物材料为增强体,以环氧树脂为基体的复合材料水箱上横梁,该水箱上横梁取消了中部U型凹槽、两翼凹槽、圆弧凹槽及通孔,采用平整面结构,并增长了梁体侧边,因而提高了水箱上横梁整体刚度,经计算机辅助工程(CAE)计算分析,碳纤维复合材料水箱上横梁的Z向刚度可达至lj424N/mm,不但可满足高强度,高模量及载荷条件,同时汽车水箱上横梁减轻质量可达60%以上,使汽车的轻量化取得突破性进展;由于使用碳纤维材料可以大幅度降低水箱上横梁结构重量,故可显著提高燃料效率;由于碳纤维材质水箱上横梁的结构大大简化,所以便于一次加工成型,有效降低制作成本。
附图说明
[0033]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]图1是现有技术金属钣金件汽车水箱上横梁结构示意图;
[00;35]图2是图1的仰视图;
[0036]图3是本发明实施例提供的碳纤维复合材料汽车水箱上横梁结构示意图;
[0037 ] 图4是图3的仰视图。
[0038]图中各符号表示含义如下:
[0039] I上横梁,
[0040] 1.1梁体,1.2U型凹槽,1.3梁翼,1.4第一凹槽,1.5第一翼翅,1.6通孔,1.7第二翼翅,1.8第二凹槽,1.9侧边,1.10圆弧凹槽,1.11梁冠。
具体实施方式
[0041]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0042] 实施例一
[0043]参见图3、图4所示,本发明实施例提供了一种碳纤维复合材料汽车水箱上横梁,对水箱上横梁结构进行了优化设计,具体地,该水箱上横梁I结构至少包括:梁体1.1、梁翼1.3、第一翼翅1.5、第二翼翅1.7、侧边1.9、梁冠1.11;选用材料为碳纤维T300+5028树脂复合材料,厚度约为3.0mm,重量约为0.4kg;所述碳纤维(CF)是纤维状的碳素材料,含碳量在90%以上,既有碳材料的固有特征,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,而且具有耐腐蚀、耐热好、质量轻、高强度、高弹性模量、低密度及十分优异的力学性能,依据纤维等级和方向性,甚至可以达到钢材类似的强度。
[0044]所述碳纤维复合材料在真空状态下,树脂浸润碳纤维织物后压力整体成型上横梁I,具体地,作为优选,所述上横梁I的梁体1.1顶面中部为平整面结构,无凹槽,而且梁体1.1的两侧边1.9加长4-8mm;俯视看,梁体1.1两侧对称设置有梁翼1.3,在两个梁翼1.3上对称设置有圆滑过渡的第一翼翅1.5、第二翼翅1.7,所述第一翼翅1.5、第二翼翅1.7上无凹槽,为连贯的圆弧棱线;仰视看,在两个对称设置的梁翼1.3上设置有平整面梁冠1.11,无凹槽;该水箱上横梁取消了中部凹槽、两翼凹槽、圆弧凹槽及通孔,采用平整面结构,并增长了梁体侧边,因而提高了水箱上横梁的整体刚度和强度。
[0045] 实施例二
[0046]为实现上述结构设计,本发明实施例提供了一种碳纤维复合材料汽车水箱上横梁的制作方法。具体地,作为优选,所述制作方法至少包括:I)选材;2)铺层;3)密封;4)抽真空;5)树脂导入;6)固化及脱模等工艺步骤;其中
[0047] 步骤I)选材;
[0048]碳纤维复合材料由以多层碳纤维材料为增强体与以树脂为基体复合而成,所述多层碳纤维材料选用日本东丽T300碳纤维织物,所述树脂选用中低温的快速固化5028环氧树脂体系为原材料,其中碳纤维织物的含量(重量百分比,下同)为50-60%,环氧树脂材料的含量为40-50%;
[0049]所述碳纤维复合材料的制作方法为:在模具上分别采用树脂传递模塑成型(RTM)工艺或真空辅助树脂注射(VARI)工艺方法进行成型,以VARI成型工艺为例,至少包括以下步骤:
[0050]步骤2)铺层;
[0051]在已清洁和涂覆脱模剂的汽车水箱上横梁模具中先进行碳纤维织物铺层平整铺设,具体地,可选取十层3K碳纤维织物布,铺层角度选择标准铺层角度0°、45°、-45°和90°,从结构稳定性、减少泊松比和热应力及避免树脂直接受载考虑,铺层角度0°和90°主要承受轴向和纵向应力,45°和-45°主要承受剪切力;
[0052]铺设时,第一层碳纤维织物对应于上横梁的外表面,故第一层碳纤维织物铺层的时候要注意碳纤维纹路方向的平整,同时要保证第一层碳纤维织物布紧密贴紧模具的表面,不能有缝隙存在,以免形成树脂的富集;在第一层0°铺层上面进行90°方向的第二层铺层,然后自下而上依次是第三层为45°方向的铺层,第四层为-45°方向铺层,第五层为0°铺层,第六层为0°铺层,第七层为-45°方向铺层,第八层为45°方向铺层,第九层为90°方向铺层,第十层为0°铺层;一共平整铺设十层东丽T300碳纤维织物,每一铺层单层厚度为0.3mm,直到铺完,总厚度为3.0mm,最后将碳纤维织物在模具上压紧;
[0053] 步骤3)密封;
[0054]按次序在铺好后的碳纤维织物上依次铺设脱模布、导流网、导流管,在模具的边缘打密封胶带,布置抽真空抽气导管、树脂进料口导入管,最后在真空袋边缘处使用真空膜、胶带密封好,确保整个系统不漏气;
[0055] 步骤4)抽真空;
[0056]将抽气导管与真空栗连接,进料口导入管密封,开启真空栗,将真空袋内空气抽空,使真空膜密实紧贴模具,检测模具及真空膜体系内的真空度,观察15min,检查是否漏气,保证气密性:真空栗压力表“O”刻度处的真空度可维持1min以上;
[0057]步骤5)树脂导入;
[0058]按照树脂厂家推荐的固化剂含量,如环氧树脂,配置相应的固化剂比例份数:按照环氧树脂为10份,固化剂为2-4份左右比例配置,并充分混合;气密性合格后可进行环氧树脂的导入,将环氧树脂导入进料口,并被抽入真空袋中,待环氧树脂将纤维织物浸润完全后,关闭树脂进料口导入管口,继续维持真空状态保压0.5-8h,直到环氧树脂固化;
[0059]步骤6)固化及脱模;
[0060]环氧树脂固化,视情况可采用加热灯或者在光照条件下加热,以加速环氧树脂的固化,待环氧树脂固化后,脱模得到碳纤维复合材料水箱上横梁。
[0061 ]上述本发明实施例序号仅仅为了描述,不代表实施例的优劣。
[0062]以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳纤维复合材料汽车水箱上横梁,其特征在于,该水箱上横梁结构至少包括:梁体、梁翼、第一翼翅、第二翼翅、侧边及梁冠;采用高强轻质的碳纤维复合材料,以多层多铺层方向的碳纤维织物材料为增强体,以环氧树脂为基体的复合材料水箱上横梁,在真空状态下,树脂浸润碳纤维织物后压力整体成型;所述梁体顶面中部无凹槽,所述第一翼翅、第二翼翅上无第一凹槽、第二凹槽,所述梁翼上无圆弧凹槽。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料汽车水箱上横梁,其特征在于,所述水箱上横梁材质为碳纤维T300+5028树脂复合材料,厚度为3.0mm,重量为0.4kg。
3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料汽车水箱上横梁,其特征在于,所述上横梁的梁体顶面中部为平整面结构,所述梁体的两侧边加长4-8mm。
4.根据权利要求3所述的碳纤维复合材料汽车水箱上横梁,其特征在于,所述梁体两侧对称设置有梁翼,在两个所述梁翼上对称设置有圆滑过渡的所述第一翼翅、所述第二翼翅,所述第一翼翅、所述第二翼翅为连贯的圆弧棱线。
5.根据权利要求4所述的碳纤维复合材料汽车水箱上横梁,其特征在于,所述梁翼上设置有平整面梁冠。
6.一种碳纤维复合材料汽车水箱上横梁的制作方法,其特征在于,制作至少包括梁体、梁翼、第一翼翅、第二翼翅、侧边及梁冠的水箱上横梁结构,其制作方法至少包括:I)选材;2)铺层;3)密封;4)抽真空;5)树脂导入;6)固化及脱模工艺步骤;其中 步骤I)选材; 所述碳纤维材料选用日本东丽T300碳纤维织物,所述树脂选用中低温的快速固化5028环氧树脂体系为原材料,其中碳纤维织物的重量百分比为50-60%,环氧树脂材料的重量百分比为40-50 %。
7.根据权利要求6所述的碳纤维复合材料汽车水箱上横梁的制作方法,其特征在于,为实现上述水箱上横梁结构,所述制作方法至少还包括以下步骤: 步骤2)铺层; 选取十层3K东丽T300碳纤维织物布,在已清洁和涂覆脱模剂的水箱上横梁模具中先进行碳纤维织物铺层平整铺设,选择标准铺层角度为0°、45°、-45°和90° ; 第一层碳纤维织物对应于上横梁的外表面,在第一层0°铺层上面进行90°方向的第二层铺层,然后自下而上依次是第三层为45°方向的铺层,第四层为-45°方向铺层,第五层为0°铺层,第六层为0°铺层,第七层为-45°方向铺层,第八层为45°方向铺层,第九层为90°方向铺层,第十层为0°铺层,将碳纤维织物在模具上压紧;每一铺层单层厚度为0.3mm。
8.根据权利要求7所述的碳纤维复合材料汽车水箱上横梁的制作方法,其特征在于,为实现上述水箱上横梁结构,所述制作方法至少还包括以下步骤:所述步骤2)铺层之后进行 步骤3)密封; 按次序在铺好后的碳纤维织物上依次铺设脱模布、导流网、导流管,在模具的边缘打密封胶带,布置抽真空抽气导管、树脂进料口导入管,然后在真空袋边缘处使用真空膜、胶带密封好,确保整个系统不漏气; 步骤4)抽真空; 将抽气导管与真空栗连接,将真空袋内空气抽空,使真空膜密实紧贴模具,检测模具及真空膜体系内的真空度,观察15min,检查是否漏气,保证气密性:真空栗压力表“O”刻度处的真空度维持1min以上。
9.根据权利要求8所述的碳纤维复合材料汽车水箱上横梁的制作方法,其特征在于,为实现上述水箱上横梁结构,所述制作方法至少还包括以下步骤:所述步骤4)抽真空之后进行 步骤5)树脂导入; 配置相应的固化剂比例份数:环氧树脂为10份,固化剂为2-4份,并充分混合;将环氧树脂导入进料口并被抽入真空袋中,待环氧树脂将纤维织物浸润完全后,关闭树脂进料口导入管口,继续维持真空状态保压0.5-8h,直到环氧树脂固化。
10.根据权利要求9所述的碳纤维复合材料汽车水箱上横梁的制作方法,其特征在于,为实现上述水箱上横梁结构,所述制作方法至少还包括以下步骤:所述步骤5)树脂导入之后进行 步骤6)固化及脱模; 采用加热灯或者在光照条件下加热,加速环氧树脂的固化,待环氧树脂固化后,脱模得到碳纤维复合材料水箱上横梁。
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