CN106114429B - 复合结构汽车保险杠防撞梁及制造方法 - Google Patents

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Abstract

复合结构汽车保险杠防撞梁及制造方法，涉及车辆工程领域，解决现有汽车保险杠防撞梁采用金属材料存在质量大，能加工成形的断面形状受限，采用非金属材料存在成本高、制造效率低等问题，该汽车保险杠防撞梁结构包括外板和内板，所述外板是由钢板制成,所述内板是由碳纤维复合材料制成，将两者粘接在一起构成复合结构。本发明还同时提供了一种该复合结构汽车保险杠防撞梁低成本、高效率制造方法,本发明将钢板的低成本特性与复合材料高碰撞性能特性相结合，既有效提升了保险杠防撞梁的碰撞性能，又可大幅度降低了其结构重量；碳纤维复合材料内板可借助于钢板外层的结构形状成型，节省了模具成本，提高了成型效率。

Description

复合结构汽车保险杠防撞梁及制造方法
技术领域
本发明涉及车辆工程领域,具体涉及一种车用复合结构汽车保险杠防撞梁及制造方法。
背景技术
随着汽车技术的不断发展，汽车保险杠防撞梁作为在汽车正面碰撞中的重要安全吸能部件，是汽车正面和偏置碰撞时最先与碰撞对象接触的受力元件，要承受碰撞冲击载荷，通过塑性变形吸收碰撞能量，并将剩余冲击能量传递给吸能盒和前纵梁等零部件。同时，汽车保险杠防撞梁又是白车身前端结构重量的组成部分，其结构刚度、抗撞性和吸能性直接影响整车正碰和偏置碰撞的被动安全性，汽车保险杠防撞梁在汽车研发过程中受到越来越多的重视。因此设计开发出质量轻、并满足结构刚度、抗撞吸能性的新型汽车保险杠防撞梁，一直是汽车工程领域追求的目标之一。
按汽车保险杠防撞梁用材来分，目前主要有金属保险杠防撞梁和非金属保险杠防撞梁两类。
一、传统的汽车保险杠防撞梁，由金属材料制造而成，有铝合金保险杠防撞梁和高强度钢保险杠防撞梁；铝合金保险杠防撞梁质量轻，与同尺寸性能的高强钢保险杠相比可减重40％以上，并可以通过挤压成形制造出不同断面形状、具有优异抗撞吸能特性的结构形状；高强钢保险杠防撞梁比铝合金保险杠防撞梁成本低，加工制造技术成熟，能够满足汽车碰撞性能要求，缺点是质量大，能加工成形的断面形状受限。比吸能、比强度较小。
二、工程塑料和玻纤增强复合材料汽车保险杠防撞梁，因其质轻、成本低且能满足汽车被动安全性要求而备受行业关注。但其结构刚度和冲击吸能性比金属保险杠防撞梁差，可回收利用性差，使其推广应用受到一定限制。碳纤维增强复合材料保险杠防撞梁，因其刚度高，抗冲击吸能性优异而备受关注；但因其成本高、制造效率低限制了其应用。
发明内容
本发明为解决现有汽车保险杠防撞梁采用金属材料存在质量大，能加工成形的断面形状受限，采用非金属材料存在成本高、制造效率低等问题，提供一种复合结构汽车保险杠防撞梁及制造方法。
复合结构汽车保险杠防撞梁，包括外板和内板，所述外板由钢板制成，内板由碳纤维复合材料制成，所述内板和外板通过粘接构成复合结构的防撞梁。
复合结构汽车保险杠防撞梁的制造方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、采用抗拉强度为240MPa至1800MPa的钢板通过冷冲压成形、辊压折弯成形或热成形制造，获得外板；
步骤二、对步骤一获得的外板的内侧采用清洗剂清洗，然后在所述外板的内侧涂刷粘接剂；
步骤三、将所述碳纤维复合材料作为预浸料，按照设定的预浸料的铺层层数和方向将预浸料进行铺叠；
步骤四、将外板放入阴模模具中，将步骤三铺叠的预浸料放置于外板的内侧；将阳模模具放置于预浸料的上表面；采用阴模和阳模进行合模，获得复合结构汽车保险杠防撞梁。
本发明的有益效果：
一、本发明所述的保险杠防撞梁，由钢板和碳纤维复合材料制成即提高了钢制汽车保险杠防撞梁刚度和抗撞吸能性，又大幅降低了碳纤维复合材料汽车保险杠防撞梁的成本，提高了其加工制造效率，具有广阔的应用前景。
二、本发明的复合结构汽车保险杠防撞梁，将钢板与碳纤维复合材料相结合，能优化保险杠防撞梁的刚度、碰撞性能，提高其吸能量，减小碰撞加速度和冲击力的峰值，使汽车具有更高的正碰和偏置碰撞安全性；
三、本发明通过控制所用钢材的种类钢板，外板的厚度(1mm-2mm)，碳纤维内板的厚度(1mm-4mm)，灵活地控制复合结构汽车保险杠防撞梁的制造成本和产品性能；能大幅度地降低汽车保险杠防撞梁的结构重量，实现其轻量化。
四、本发明采用热塑性复合材料以及压模成型的生产工艺，固化周期短，提高生产效率，便于回收利用；
五、本发明采用粘接方式连接复合结构汽车保险杠防撞梁碳纤维复合材料内板和钢制外板，既利用了碳纤维复合材料的高性能又避免了机械连接造成的对钢板与复合材料开孔、开槽等成本高、工艺复杂、影响其性能的工序。
六、本发明的复合结构保险杠防撞梁结构简单、成本低、制造成形效率高。
附图说明
图1为本发明所述的复合结构汽车保险杠防撞梁的结构示意图；
图2为本发明所述的复合结构汽车保险杠防撞梁中外板与碳纤维复合材料内板模压成形工艺过程示意图；
图3为本发明所述的复合结构汽车保险杠防撞梁的横截面图。
图中：1、外板，2、内板，3、阳模，4、阴模。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，复合结构汽车保险杠防撞梁，包括钢板外板1和铺设于钢板内表面的碳纤维复合材料内板2。所述内板2和外板1通过粘接构成复合结构的防撞梁；所述外板1的厚度可以为1mm-2mm，内板2的厚度可以为1mm-4mm，具体厚度值可以根据对防撞梁的性能要求，成本要求等进行调节，内板2的厚度越大会有更好碰撞性能和轻量化特性，但其零件成本会增加。
本实施方式所述的外板由抗拉强度240MPa至1800MPa的钢板通过冷冲压成形、辊压折弯成形或热成形制造。优选的可以采用抗拉强度为450MPa到1180MPa的，牌号为HC250到HC820的双相钢(DP)、马氏体钢(MS)、相变诱导塑性钢(TR)、复相钢(CP)或淬火延性钢(QP)等各种钢材的钢板，经冷冲压成形、辊压和折弯成形或热成形制成。
本实施方式所述的内板2的拉伸强度为3530Mpa到5490Mpa，由编号为T300-T700的碳纤维与热固性树脂或热塑性树脂组成的碳纤维复合材料制造。
按质量百分比计，热固性树脂或热塑性树脂的含量为20-30％，碳纤维的含量为70-80％。所述热固性树脂为酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂或丙烯酸树脂；热塑性树脂为聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)或聚碳酸酯(PC)或聚苯醚。最后将外板和内板粘接构成复合材料汽车保险杠防撞梁。
本实施方式中，可以优选设置外板1为厚1mm的由HC420/780TR的相变诱导塑性钢制成，内板设置为3mm的由T700碳纤维与热固性环氧树脂组成的复合材料制成，会具有极好的碰撞性能，但也会使制造成本相对较贵，可以进行类似调整来控制成本。
在本实施方式中，碳纤维复合材料的内板2设置于钢板外板1的内表面上。在制作外板1和内板2以后，需要使用溶剂清洗外板1的内表面后再进行粘接，以使内板2和外板1的粘接更加牢固。
具体实施方式二、本实施方式为具体实施方式一所述的复合结构汽车保险杠防撞梁的制造方法，该方法由以下步骤实现：
一、先采用采用不同强度级别的钢板经冷冲压形成形、辊压和折弯成形或热成形制造出复合结构汽车保险杠防撞梁外板1；
二、使用丙酮或丁酮溶剂清洗外板1的内侧，彻底去除外板1内侧的油污；
三、在复合结构汽车保险杠防撞梁外板1的内侧涂刷粘接剂；
四、采用T300-T700的碳纤维与热固性树脂(如酚醛、环氧、聚氨酯树脂、丙烯酸树脂等)或热塑性树脂(如：聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)或聚碳酸酯(PC)、聚苯醚等)组成的预浸料，预浸料中的树脂基体的质量百分比含量为20-30％，碳纤维的质量百分比含量为70-80％。将预浸料作为原材料，按照汽车保险杠防撞梁性能设计要求，确定复合材料层的铺层层数，可以为10层、20层或30层，方向和顺序，可以为0°、±45°或90°，并将碳纤维复合材料预浸料进行铺叠。
五、将外板1放入阴模4中，将铺层好的碳纤维复合材料预浸料放于外板1的内侧；
六、采用阳模3，在阳模3未接触物料前低压20-30Mpa快速合模，接触物料后高压35-40Mpa低速合模，加热温度控制在80℃-100℃，合模后保持压力30s到2分钟，使碳纤维复合材料迅速固化成形，并与外板1进行有效粘接，再经过裁边等处理工序，制成复合结构汽车保险杠防撞梁。
本实施方式中，外板选用抗拉强度为240MPa-1800MPa不同种类的钢材，内板选用各种碳纤维复合材料、钢板外板厚度、复合材料内板的厚度，灵活地匹配来控制复合结构汽车保险杠防撞梁的制造成本和产品性能；能大幅度地降低汽车保险杠防撞梁的结构重量，实现其轻量化。

Claims (9)

1.复合结构汽车保险杠防撞梁，包括外板(1)和内板(2)；其特征是，所述外板(1)由钢板制成，内板(2)由碳纤维复合材料制成，所述内板(2)和外板(1)通过粘接构成复合结构的防撞梁；
所述外板(1)由抗拉强度240MPa至1800MPa的钢板通过冷冲压成形、辊压折弯成形或热成形制造，
所述的复合结构汽车保险杠防撞梁的制造方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、采用抗拉强度为240MPa至1800MPa的钢板通过冷冲压成形、辊压折弯成形或热成形制造，获得外板(1)；
步骤二、对步骤一获得的外板(1)的内侧采用清洗剂清洗，然后在所述外板(1)的内侧涂刷粘接剂；
步骤三、将所述碳纤维复合材料作为预浸料，按照设定的预浸料的铺层层数和方向将预浸料进行铺叠；
步骤四、将外板(1)放入阴模(4)模具中，将步骤三铺叠的预浸料放置于外板(1)的内侧；将阳模(3)模具放置于预浸料的上表面；采用阴模(4)和阳模(3)进行合模，获得复合结构汽车保险杠防撞梁。
2.根据权利要求1所述的复合结构汽车保险杠防撞梁，其特征在于，所述外板(1)的厚度为1mm至2mm，内板(2)的厚度为1mm至4mm。
3.根据权利要求1所述的复合结构汽车保险杠防撞梁，其特征在于，所述内板(2)由T300-T700的碳纤维与热固性树脂或热塑性树脂组成的碳纤维复合材料制造，其中，热固性树脂或热塑性树脂的质量百分比含量为20-30％，碳纤维质量百分比含量为70-80％；
所述热固性树脂包括酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂或丙烯酸树脂；所述热塑性树脂包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯或聚苯醚。
4.根据权利要求1所述的复合结构汽车保险杠防撞梁的制造方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：
步骤一、采用抗拉强度为240MPa至1800MPa的钢板通过冷冲压成形、辊压折弯成形或热成形制造，获得外板(1)；
步骤二、对步骤一获得的外板(1)的内侧采用清洗剂清洗，然后在所述外板(1)的内侧涂刷粘接剂；
步骤三、将所述碳纤维复合材料作为预浸料，按照设定的预浸料的铺层层数和方向将预浸料进行铺叠；
步骤四、将外板(1)放入阴模(4)模具中，将步骤三铺叠的预浸料放置于外板(1)的内侧；将阳模(3)模具放置于预浸料的上表面；采用阴模(4)和阳模(3)进行合模，获得复合结构汽车保险杠防撞梁。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，步骤四中合模的具体过程为：在阳模(3)模具未接触预浸料前采用压力为20-30Mpa进合模，在阳模(3)模具接触预浸料后，采用高压为35-40Mpa进行合模，且将加热温度控制在80℃-100℃，合模后，保持压力时间在30s至2分钟，使碳纤维复合材料的预浸料固化成形，形成内板(2)，将所述外板(1)和内板(2)通过粘接剂连接固定，组成复合结构汽车保险杠防撞梁。
6.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，步骤三中碳纤维复合材料的铺层层数和铺层方向根据设计要求而定。
7.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，步骤二中的清洗剂采用丙酮或丁酮溶剂对外板内侧进行清洗。
8.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述外板(1)的厚度为1mm至2mm，所述内板(2)的厚度为1mm至4mm。
9.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述内板(2)由T300-T700的碳纤维与热固性树脂或热塑性树脂组成的碳纤维复合材料制造，其中，热固性树脂或热塑性树脂的质量百分比含量为20-30％，碳纤维质量百分比含量为70-80％；
所述热固性树脂包括酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂或丙烯酸树脂；所述热塑性树脂包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯或聚苯醚。
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