CN105666892A - 一种用碳纤维复合材料制造汽车车身的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用碳纤维复合材料制造汽车车身的方法。该方法的步骤如下：将用于制造汽车车身相符合的柔性内模充气呈汽车车身形状，再将预涂胶的碳纤维材料按照设计的角度和层数要求敷设于柔性内模外表面，即为该汽车车身；将敷设好的碳纤维材料的柔性内模放置于外模内固定和充气加压后，置于固化炉内固化；碳纤维复合材料固化后自然冷却，将柔性内模放气泄压，打开外模，将固化成型后的复合材料汽车车身取出。由于本发明采用碳纤维树脂复合材料的车身，与传统金属材料汽车车身相比，重量减轻60%以上，耐腐蚀性能得到提高，车身吸能更加好，运行能耗得到降低。

Description

一种用碳纤维复合材料制造汽车车身的方法
技术领域
本发明涉及汽车车身的制造方法，尤其是涉及一种用碳纤维复合材料制造汽车车身的方法。
背景技术
高强度碳纤维复合材料以其轻质、高强度、材料性能具有可设计性、易于加工成型而大量应用于航空航天、飞机、赛车等结构上，碳纤维及其复合材料制品是目前世界上发展最为迅猛的高科技材料之一。随着碳纤维价格的下降和产量的增大，目前碳纤维复合材料已经逐步走向民用市场，如风力发电机叶轮、比赛用自行车、F1赛车、高尔夫球杆等越来越多地采用碳纤维复合材料，随着新能源汽车和电动汽车的快速发展，碳纤维复合材料汽车车架已经在一些电动车得到应用，如宝马公司的I3和I8均采用了碳纤维复合材料车架，其优点是汽车车架重量减轻60%左右，而电池装车容量得到了增加，因此增加了行驶里程。
国内外对碳纤维复合材料车身的研究较多，国内如东华大学的丁小马、韩克清等对碳纤维复合材料汽车前地板成型工艺及性能进行了研究；如中南大学的薛娇、杨世文等对碳纤维复合材料汽车B柱结构进行简化结构参数设计；如北汽集团与康得新复合材料有限公司开始对电动汽车车身进行了开发研究，预计于2017年投放二款碳纤维复合材料汽车车身；还有如烟台鼎立新能源汽车动力系统有限公司研发了碳纤维复合材料大巴汽车车身。美国专利HartmutAlbers等提出的US6382649B1“WheelSuspensioninaMotorVehicle”，是一种采用碳纤维复合材料制成的车轮悬架机构。美国专利RonaldCraigFish提出的US2010/0288569A1“CarbonfiberCompositeBody,Multi-FuelEngineChargingSystem,ElectricallyDrivenCar”，采用碳纤维复合材料车身、多燃料电池充电系统驱动的电动汽车，该复合材料车身已经被应用于F1方程式赛车上。以上技术都是采用碳纤维作为增强材料、各类树脂作为基体的复合材料汽车车身，由于设计方法的差异，导致复合工艺和最后的性能均有差异，没有一种复合制造工艺得到大规模推广应用，到目前为止，除了国外有批量碳纤维复合材料汽车车身上市以外，国内尚没有碳纤维复合材料汽车车身批量上市。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用碳纤维复合材料制造汽车车身的方法，充分考虑汽车行驶过程中的各种动、静载荷，根据这个载荷特点，利用复合材料强度的可设计性，通过优化复合材料的敷设方法使汽车车身的应力分布最合理、重量最轻、材料最省。
本发明采用的技术方案的步骤如下：
步骤1)将用于制造汽车车身相符合的柔性内模充气，使其呈汽车车身形状，将预涂胶的碳纤维材料按照设计的角度和层数要求敷设于柔性内模外表面，该敷设的碳纤维材料即为该汽车车身；
步骤2）将敷设好的碳纤维材料的柔性内模放置于外模内固定和充气加压后，置于固化炉内在100-150℃温度下进行固化；
步骤3）碳纤维复合材料固化后自然冷却，将柔性内模放气泄压，打开外模，将固化成型后的碳纤维复合材料汽车车身取出；
步骤4）对汽车车身进一步机械加工，去毛刺、毛边，修正外形，达到需要的尺寸。
所述柔性内模是由耐高温的尼龙或者硅橡胶制作而成，柔性内模是一个封闭的腔体，腔体设有一个供气体进出的接口，接口穿过柔性内模，并与压紧垫片密封连接，通过该接口能使柔性内模充气和放气。
所述外模为钢质外模，由上外模和下外模组成，在汽车横截面最大的截面作为上下外模的结合面，上外模和下外模结合面由密封垫片密封，上外模和下外模能沿该结合面分别拆开，上外模和下外模通过快装螺钉和快装螺母快速连接，快装螺钉通过销轴固定于下外模上。
所述碳纤维材料按照设计的角度和层数，对于车身不同部位均有所不同，对于车顶部分采用单向纤维层合的形式，对于A柱、B柱、C柱采用多边形棱柱形弯卷而成，或者采用编织纤维间注入树脂加压固化成型，对于底部承力梁采用单向纤维模压成型。
所述单向纤维层，每一层内碳纤维沿同一个方向排列，不同层内的纤维角度根据汽车车身的整体强度计算而确定，所需单向纤维层数总数根据汽车车身的整体强度计算而确定。
所述编织纤维，该碳纤维在同一层内以平纹、斜纹或花纹的织纹编织而成；在A柱、B柱、C柱位置，碳纤维编织物是多边形截面的棱柱状物。
所述碳纤维复合材料汽车车身根据树脂基体的不同，选择不同的固化工艺，对于环氧树脂基体，采用120℃以上高温固化。
所述碳纤维复合材料汽车车身与其他金属零部件的连接，是采用粘结、铆接，或粘结、螺钉和螺母结合的方法，将待连接面打磨、清洗干净，汽车车身与其他金属部件先用粘结剂粘结，再用铆钉，或螺钉和螺母紧固汽车车身与其他金属零部件。
所述碳纤维复合材料汽车车身与其他非金属零部件的连接，是采用粘结连接的方法，将待连接面打磨、清洗干净，并以粘结剂固化连接，在常温或高温固化后，即具有很高的连接强度。
本发明具有的有益效果是：
本发明根据汽车车身受到的各种动、静载荷，通过对动、静载荷的受力分析，利用复合材料强度的可设计性，通过对碳纤维敷设角度和复合层数的优化组合设计，使汽车车身上的应力分布最合理、重量最轻、材料最省；由于采用碳纤维树脂复合材料车身，与传统金属材料汽车车身相比，重量减轻60%以上，耐腐蚀性能得到提高，车身吸能更加好，运行能耗得到降低。
附图说明
图1是双人座位的紧凑型小汽车的碳纤维复合材料模具图。
图2是图1的俯视图。
图3是内模接口连接结构示意图。
图4是汽车车身与零部件的连接。
图5是加强筋布置结构图。
图中：1、销钉，2、密封垫片，3、内、外模之间构成的间隙，4、上外模，5、快装螺钉，6、快装螺母，7、柔性内模，8、下外模，9、接口，10、压紧垫片，11、螺钉，12、螺母，13、粘结剂，14、汽车车身，15、其他金属零部件，16、加强筋。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图1、图2所示，本发明的方法步骤如下：
步骤1)将用于制造汽车车身相符合的柔性内模7充气，使其呈汽车车身形状，将预涂胶的碳纤维材料按照设计的角度和层数要求敷设于柔性内模7外表面，该敷设的碳纤维材料即为该汽车车身，并满足强度要求；
步骤2）将敷设好的碳纤维材料的柔性内模7放置于外模内固定和充气加压后，置于固化炉内在100-150℃温度下进行固化；
步骤3）碳纤维复合材料固化后自然冷却，将柔性内模放气泄压，打开外模，将固化成型后的碳纤维复合材料汽车车身取出；汽车车身上少量无法一体化成型的零部件则可通过粘结、铆接，或粘结、螺钉和螺母结合的方法连接到汽车车身上；
步骤4）对汽车车身进步机械加工，去毛刺、毛边，修正外形，达到需要的尺寸。
如图1、图3所示，所述柔性内模是由耐高温的尼龙或者硅橡胶制作而成，柔性内模7是一个封闭的腔体，腔体设有一个供气体进出的接口9，接口9穿过柔性内模7，并与压紧垫片10密封连接，通过该接口9能使柔性内模7充气和放气。柔性内模7的大小与汽车车身的内壁尺寸一致；当纤维敷设完成后，安装就位于内、外模后，在需要固化时对柔性内模7进行充气加压；当固化完成后，需要脱模时，放气使柔性内模7脱离汽车车身，并收缩柔性内模7，取出柔性内模7以备下一次使用。
所述外模为钢质外模，由上外模4和下外模8组成，在汽车横截面最大的截面作为上下外模的结合面，上外模4和下外模8结合面由密封垫片2密封，上外模4和下外模8能沿该结合面分别拆开，上外模4和下外模8通过快装螺钉5和快装螺母6快速连接，快装螺钉5通过销轴1固定于下外模8上；汽车车身固化成型后，上外模4和下外模8，取出复合材料汽车车身。
所述碳纤维材料按照设计的角度和层数，对于车身不同部位均有所不同，对于车顶部分采用单向纤维层合的形式，对于A柱、B柱、C柱采用多边形柱形弯卷而成，或者采用编织纤维注入树脂加压固化成型，对于底部承力梁采用单向纤维模压成型。
所述单向纤维层，每一层内碳纤维沿同一个方向排列，不同层内的纤维角度根据汽车车身的整体强度计算而确定，所需单向纤维层数总数根据汽车车身的整体强度计算而确定。
所述编织纤维，该碳纤维在同一层内以平纹、斜纹、花纹或者以其他形式的织纹编织而成；在A柱、B柱、C柱位置，碳纤维编织物还可以是多边形截面的棱柱状物。
所述碳纤维复合材料汽车车身根据树脂基体的不同，选择不同的固化工艺，对于环氧树脂基体，采用120℃以上高温快速固化。
本发明的碳纤维复合材料汽车车身结构，包括一体固化成型的车身和少量无法一体成型的金属零部件或者非金属零部件，经过对汽车车身结构件的简化设计，将数百个构成汽车车身的零部件简化为一个一体化成型的汽车车身和若干个零部件。
如图4所示，所述碳纤维复合材料汽车车身14与其他金属零部件15的连接，是采用粘结、铆接，或粘结、螺钉11和螺母12结合的方法，将待连接面打磨、清洗干净，汽车车身14与其他金属部15件先用粘结剂13粘结，再用铆钉、或螺钉11和螺母12紧固汽车车身14与其他金属零部件15。
所述碳纤维复合材料汽车车身14与其他非金属零部件的连接，是采用粘结连接的方法，将待连接面打磨、清洗干净，并以粘结剂固化连接，在常温或高温固化后即具有很高的连接强度。
所述碳纤维复合材料汽车车身，在车顶和车底、侧面等部位，采用4-8层碳纤维平面层状单向敷设而成，碳纤维层为对称复合，碳纤维层数和每一层内的纤维方向根据汽车车身受到的动、静载荷决定，根据该载荷的大小，通过碳纤维敷设角度和碳纤维敷设层数的优化计算，在保证强度足够的前提下使汽车车身重量最轻。
本发明的实施例：
如图1、图2所示，是双人座位的紧凑型小汽车的碳纤维复合材料模具图，车顶采用单向层合纤维，（0，+45，-45）S对称复合；A柱、C柱采用（0，90）4s对称复合的三角形截面；无B柱；汽车车身侧面采用单向层合纤维，（45，-45）2S对称复合，底部采用平面层合纤维（0，+45，-45）S对称复合，沿汽车长度方向根据设计要求，如图5所示，设置1～5个矩形加强筋16，前后挡板采用平面层合纤维，（0，+45，-45）S对称复合，采用T300碳纤维/环氧树脂复合材料一体在100-150℃温度下进行高温固化成型。
如图2所示，如果是四门的小汽车的碳纤维复合材料模具，则在A柱和C柱间增设B柱，B柱采用（0，90）4s对称复合矩形截面。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用碳纤维复合材料制造汽车车身的方法，其特征在于，该方法的步骤如下：
步骤1)将用于制造汽车车身相符合的柔性内模充气，使其呈汽车车身形状，将预涂胶的碳纤维材料按照设计的角度和层数要求敷设于柔性内模外表面，该敷设的碳纤维材料即为该汽车车身；
步骤2)将敷设好的碳纤维材料的柔性内模放置于外模内固定和充气加压后，置于固化炉内在100-150℃温度下进行固化；
步骤3)碳纤维复合材料固化后自然冷却，将柔性内模放气泄压，打开外模，将固化成型后的碳纤维复合材料汽车车身取出；
步骤4)对汽车车身进一步机械加工，去毛刺、毛边，修正外形，达到需要的尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种用碳纤维复合材料制造汽车车身的方法，其特征在于：所述柔性内模是由耐高温的尼龙或者硅橡胶制作而成，柔性内模是一个封闭的腔体，腔体设有一个供气体进出的接口，接口穿过柔性内模，并与压紧垫片密封连接，通过该接口能使柔性内模充气和放气。
3.根据权利要求1所述的一种用碳纤维复合材料制造汽车车身的方法，其特征在于：所述外模为钢质外模，由上外模和下外模组成，在汽车横截面最大的截面作为上下外模的结合面，上外模和下外模结合面由密封垫片密封，上外模和下外模能沿该结合面分别拆开，上外模和下外模通过快装螺钉和快装螺母快速连接，快装螺钉通过销轴固定于下外模上。
4.根据权利要求1所述的一种用碳纤维复合材料制造汽车车身的方法，其特征在于：所述碳纤维材料按照设计的角度和层数，对于车身不同部位均有所不同，对于车顶部分采用单向纤维层合的形式，对于A柱、B柱、C柱采用多边形棱柱形弯卷而成，或者采用编织纤维间注入树脂加压固化成型，对于底部承力梁采用单向纤维模压成型。
5.根据权利要求4所述的一种用碳纤维复合材料制造汽车车身的方法，其特征在于：所述单向纤维层，每一层内碳纤维沿同一个方向排列，不同层内的纤维角度根据汽车车身的整体强度计算而确定，所需单向纤维层数总数根据汽车车身的整体强度计算而确定。
6.根据权利要求4所述的一种用碳纤维复合材料制造汽车车身的方法，其特征在于：所述编织纤维，该碳纤维在同一层内以平纹、斜纹或花纹的织纹编织而成；在A柱、B柱、C柱位置，碳纤维编织物是多边形截面的棱柱状物。
7.根据权利要求1所述的一种用碳纤维复合材料制造汽车车身的方法，其特征在于：所述碳纤维复合材料汽车车身根据树脂基体的不同，选择不同的固化工艺，对于环氧树脂基体，采用120℃以上高温固化。
8.根据权利要求1所述的一种用碳纤维复合材料制造汽车车身的方法，其特征在于：所述碳纤维复合材料汽车车身与其他金属零部件的连接，是采用粘结、铆接，或粘结、螺钉和螺母结合的方法，将待连接面打磨、清洗干净，汽车车身与其他金属部件先用粘结剂粘结，再用铆钉，或螺钉和螺母紧固汽车车身与其他金属零部件。
9.根据权利要求1所述的一种用碳纤维复合材料制造汽车车身的方法，其特征在于：所述碳纤维复合材料汽车车身与其他非金属零部件的连接，是采用粘结连接的方法，将待连接面打磨、清洗干净，并以粘结剂固化连接，在常温或高温固化后，即具有很高的连接强度。
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