CN106564197A - 复合材料汽车连接杆的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合材料汽车连接杆的制备方法，所述复合材料汽车连接杆包括承力的悬臂梁；所述悬臂梁采用纤维缠绕或预浸料卷管工艺制备。本发明中复合材料汽车连接杆充分发挥了复合材料比钢制连接杆的固有频率高的优势，具有极高的耐疲劳性和扭性强等特点，可以满足汽车在运动中对承力悬臂梁上下震动和无规则晃摆弯曲的变化要求，可以应用于乘务车、商务车、越野车和跑车等各种路况的车型；本发明中从轻量化效果方面来看可以达到减重30～50％的目标，同时刚性、抗震、耐疲劳性不会降低，有利于节能减排。

Description

复合材料汽车连接杆的制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体地，涉及一种复合材料汽车连接杆的制备方法。

背景技术

复合材料连接杆是工程上常用的一种结构件，杆件制品的特点是中空、环向封闭、轴向具有一定的长度，具有较高的轴向和环向力学性能，可以承受轴向拉压、弯曲、扭转和震动，具有较高的结构效率，是各种结构中常见的结构零部件形式之一。常见的杆件制品有飞机、车船、航天器中受力杆件、缓冲吸能装置中的吸能管等。在材料轻量化的今天，抗弯、抗扭、抗振动强度高的更轻的复合材料杆件成为现今结构件的必要选择。目前一般采用厚度较大的铺层提高复合材料的抗弯、抗扭和抗振疲劳性能。有报道采用石膏模具制备具有竹节结构增强的复合材料杆件，抗弯刚度、抗扭、抗振疲劳性能差，且制备方法复杂，不能实现快速批量化生产。

目前用于大多数汽车连接杆的材质为钢质，复合材料汽车连接杆具有重量轻、强度高，适用于悬臂梁、大扭矩、无规律振动和高加速度应用，热膨胀系数低、可隔绝噪声与振动等优点，可以满足不同的工程应用。未见报道复合材料汽车连接杆且可承受无规律振动、大扭矩和悬臂梁抗弯的文献，本发明可以实现高强复合材料汽车连接杆的制备，解决在实际应用中汽车连接笨重的难题。可以根据不同的应用性能要求制备重量轻、大扭矩、高抗振的汽车复合材料连接杆。该连接杆可以提高燃油效率，实现汽车轻量，在汽车行业有很大应用前景。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种复合材料汽车连接杆的制备方法。

本发明提供的复合材料汽车连接杆的制备方法，所述复合材料汽车连接杆包括承力的悬臂梁；

所述悬臂梁采用纤维缠绕或预浸料卷管工艺制备。

优选地，当采用纤维缠绕工艺制备悬臂梁时，包括如下步骤：

步骤X1：将浸渍有树脂基体的增强材料缠绕至悬臂梁模具上，所述悬臂梁模具包括按照悬臂梁的内腔制造的芯模和外模，首先将浸渍过树脂的增强材料在芯模上缠绕一层；

步骤X2：然后按照准各向同性将浸渍树脂基体的增强材料在设定张力下缠绕至设定的循环数结束，形成复合材料管；

步骤X3：将所述复合材料管装入外模中，进行加热加压固化定型后，拆除悬臂梁模具，得到悬臂梁。

优选地，当采用预浸料卷管工艺制备悬臂梁时，包括如下步骤：

步骤Y1：将按照悬臂梁尺寸裁剪的预浸料铺贴在悬臂梁模具上，所述悬臂梁模具为按照悬臂梁内腔制造的芯模；

步骤Y2：将铺贴有预浸料的悬臂梁模具放置在卷管设备的下板上，且悬臂梁模具的铺贴预浸料口和卷管设备上板呈水平状态，通过卷管设备卷管成型，形成复合材料的悬臂梁卷管毛坯；

步骤Y3：将热缩带缠绕到复合材料的悬臂梁卷管毛坯外表面，进行加热固化定型后，撕去热缩带，得到悬臂梁。

优选地，所述增强材料采用碳纤维和碳纤维织物、玻璃纤维和玻璃纤维织物、芳纶纤维和芳纶纤维织物、高模量聚乙烯纤维和高模量聚乙烯纤维织物、玄武岩纤维和玄武岩纤维织物中任两种或者两种以上组合。

优选地，所述树脂基体为热固性树脂，包括环氧树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、双马来酰亚胺树脂中的任一种。

优选地，所述步骤X2具体为当按照准各向同性将浸渍树脂基体的增强材料在设定张力下缠绕时，缠绕张力为0～10N，缠绕角度为0～90°，缠绕循环数为5～20个循环；选择不同的缠绕张力，可以消除缠绕过程中内松外紧固化时起皱损失强度和刚度；选择不同的缠绕角度和不同的缠绕循环数，可以得到抵抗不同的扭摆力矩、振动频率以及弯曲刚度的汽车连接杆。

优选地，当采用纤维缠绕工艺制备悬臂梁时，在固化脱模前，通过压机加压、机械加压或者热压罐加压，再对悬臂梁模具加热升温，在设定的温度和时间下固化后脱模；通过压机加压、机械加压或者热压罐加压，排出一定的树脂得到纤维体积含量和致密度高的悬臂梁制品；通过对树脂的研究，分两段加热，可以控制交联速度，消除反应过程产生的内应力。

优选地，当采用预浸料卷管工艺制备悬臂梁时，在固化前，通过控制缠绕张力为0～20N，缠绕一层热缩带，热缩带宽度为5～20mm，热缩带单层厚度为0.03～0.10mm，热缩带耐温温度不低于150℃；通过控制缠绕张力缠绕一层热缩带，在固化过程中热缩带收缩勒紧悬臂梁，提高其致密度，排出层间气泡。

根据本发明提供的复合材料汽车连接杆的制备方法，所述复合材料汽车连接杆包括固定底座；

所述固定底座采用RTM工艺或预浸料碎布模压工艺制备。

优选地，当采用RTM工艺制备固定底座时，包括如下步骤：

步骤A1：将一层增强材料铺放在RTM模具上，所述RTM模具为根据固定底座尺寸制造的成型模具，首先根据RTM模具型腔面裁剪相应尺寸的增强材料，然后将一层增强材料铺放到RTM模具上；

步骤A2：在当前层增强材料上按照准各向同性的原则依次铺放多层增强材料,直到铺设至第一设定层增强材料；其中，相邻层增强材料之间喷涂固定胶；

步骤A3：将金属预埋件固定在外层的第一设定层增强材料上；

步骤A4：在第一设定层增强材料上按照准各向同性的原则再次依次铺放多层增强材料,直到铺层至第二设定层增强材料后，将RTM模具的型腔铺满形成固定底座；

步骤A5：合上RTM模具的外模到设定的位置，然后采用RTM注胶设备将RTM模具的型腔注入树脂基体材料，充分浸渍增强材料；

步骤A6：对所述的固定底座施加压力挤出一定的树脂基体，然后按照设定的固化制度使所述固定底座固化定型后，拆除RTM模具，得到具有金属预埋件的固定底座。

优选地，当采用碎布预浸料模压工艺制备固定底座时，包括如下步骤：

步骤B1：将碎布预浸料装填到模压成型模具的模腔中，所述模压成型模具为根据固定底座尺寸制造的成型模具，首先根据固定底座的结构将金属预埋件固定在模腔中，然后将的碎布预浸料装填到模腔中并压实；

步骤B2：采用压机进行压制升温固化定型后，拆除模压成型模具，得到具有金属预埋件的固定底座。

优选地，所述第一设定层为5层；

所述第二设定层为15～20层。

优选地，所述增强材料采用碳纤维和碳纤维织物、玻璃纤维和玻璃纤维织物、芳纶纤维和芳纶纤维织物、高模量聚乙烯纤维和高模量聚乙烯纤维织物、玄武岩纤维和玄武岩纤维织物中的任两种或者两种以上组合；

所述增加材料为高性能纤维或者高性能纤维布，在轻量化方面选择碳纤维，在低成本高强度可以选择玻璃纤维，而对韧性方面要求较高可以选择无机纤维和有机纤维组合。

优选地，所述碎布预浸料采用碳纤维预浸料或碳纤维布预浸料、玻璃纤维预浸料或玻璃纤维布预浸料、芳纶纤维预浸料或芳纶布预浸料、高模量聚乙烯纤维预浸料或高模量聚乙烯纤维布预浸料、玄武岩纤维预浸料或玄武岩纤维布预浸料中的任两种或者两种以上组合制成；所述预浸料为高性能纤维布预浸料或织物预浸料；织物预浸料为宽度10～1000mm的布带。

优选地，所述RTM模具的型腔成型注入的树脂基体为热固性树脂，包括环氧树脂、不饱和树脂、双马来酰亚胺树脂的任一种。综合力学性能、成型工艺、耐疲劳性方面的特点，选择了以上五种树脂。

优选地，所述固定底座在通过RTM模具成型的脱模前通过在压机加压或机械锁紧，再在设定的温度和时间下固化、脱模；通过压机加压或者机械锁紧，可以控制固定底座的含胶量和产品的致密度；通过对树脂基的研究，分两段加热，可以控制交联速度，消除反应过程产生的内应力。

优选地，所述固定底座在通过模压成型模具成型时，脱模前通过在压机加压合模，再通过对模压成型模具加热升温，在设定的温度和时间下固化、脱模。

优选地，所述固定底座的金属预埋件部分镶嵌凹陷，凹陷主体直径为5～0mm，凹陷深度为固定底座的1/5～1/3；

所述金属预埋件为铝合金、镁合金、钛合金或钢材制成，保证了连接的刚度。

所述悬臂梁与固定底座连接通过机械连接、胶接连接；对于无规律扭摆、单点支撑振动和高速运行的汽车连接杆使用机械连接、胶接以及以上两种组合比较合适。

所述机械连接包括铆接、螺纹连接、锥螺纹连接。所述胶接为通过胶粘剂粘接。所述胶粘剂为环氧类、不饱和树脂类；综合胶接力学性能、批量化工艺性和耐温方面的特点，选择了以上两种类型的胶粘剂。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明中复合材料汽车连接杆充分发挥了复合材料比钢制连接杆的固有频率高的优势，具有极高的耐疲劳性和扭性强等特点，可以满足汽车在运动中对承力悬臂梁上下震动和无规则晃摆弯曲的变化要求，可以应用于乘务车、商务车、越野车和跑车等各种路况的车型；

2、本发明中从轻量化效果方面来看可以达到减重30～50％的目标，同时刚性、抗震、耐疲劳性不会降低，有利于节能减排。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1、图2示出了本发明中固定底座与悬臂梁连接结构示意图；

图3、图4示出了本发明中固定底座的结构示意图；

图5为本发明中悬臂的梁结构示意图。

图中：

1为悬臂梁；

2为固定底座。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本发明提供的复合材料汽车连接杆制备方法，如图1所示，复合材料汽车连接杆包括固定底座和承力的悬臂梁，所述固定底座与汽车框架连接，所述承力的悬臂梁与固定底座连接，所述悬臂梁与固定底座采用胶接、铆接相结合的形式连接，所述制备方法包括以下步骤：

固定底座采用RTM工艺制备，具体为：

步骤1：将按照模具尺寸裁剪的无碱玻璃纤维方格布铺放在RTM模具上，方格布的单层厚度为0.4mm，裁剪时允许将方格布的尺寸适当放大；

步骤2：方格布之间喷涂少量的3M固定胶，起始布的经向方向与模具上规定的0°方向一致，然后按照0°/+45°/-45°/90°铺4层，将与汽车框架连接的金属预埋件固定在相应位置；

步骤3：重复步骤2，铺层角度按照90°/-45°/+45°/0°/0°/+45°/-45°/90°铺8层，将金属预埋件位置的无碱玻纤布裁剪掉，局部加强筋采用插层的方式填补无碱玻璃纤维方格布；

步骤4：将与悬臂梁连接的金属预埋件模具的外层的增强材料上的相应位置上，重复步骤2，铺层角度按照/90°/-45°/+45°/0°铺4层，将金属预埋件位置的无碱玻纤布裁剪掉，局部加强筋采用插层的方式填补无碱玻璃纤维方格布直至将型腔铺满；

步骤5：合上外模，RTM模具间隙控制在1～1.5mm，采用RTM注胶设备注入环氧树脂，待所有出胶口溢出的树脂中没有气泡时，关闭所有的出胶口和进胶口；

步骤6：采用压机对RTM模具进行加压至完全合模，挤出一定量的树脂，然后加热升温至收到的温度和时间下固化，最后脱模外模，得到带金属预埋件的固定底座2，如图2所示。

当采用纤维缠绕工艺制备悬臂梁时，具体为：

步骤1：先将无碱玻璃纤维进行环氧树脂浸渍，然后缠绕到悬臂梁模具上，无碱玻璃纤维与悬臂梁模具轴向角度为4°、+45°、-45°、90°交替缠绕，在缠绕张力为10N缠绕11层结束，形成复合材料管材；

步骤2：将缠绕成型的复合材料管材，装入外模框中，采用压机或者热压罐对外模框进行加压，将复合材料管材进一步挤压密实，排出缠绕过程中夹裹的空气和多余的树脂，然后在设定的温度和时间下固化。最后脱外模，得到复合材料悬臂梁2，如图3所示。

步骤3：将步骤2制得的悬臂梁料通过胶接、铆接相结合连接到固定底座上，即制得复合材料汽车连接杆，如图1所示。胶接所用的胶粘剂为环氧胶，胶层厚度控制在0.2～0.3mm。

实施例2

本发明提供的复合材料汽车连接杆制备方法，如图1所示，复合材料汽车连接杆包括固定底座和承力的悬臂梁，所述固定底座与汽车框架连接，所述承力的悬臂梁与固定底座连接，所述悬臂梁与固定底座采用铆接形式连接，所述制备方法包括以下步骤：

固定底座采用预浸料模压制备，具体为：

步骤1：首先将无碱玻璃纤维布/环氧树脂预浸料分切为单片尺寸为20mm×20mm的碎布预浸料；

步骤2：将金属预埋件固定在模压成型模具的模腔中；

步骤3：将模压成型模具预热至30～40℃，然后将碎布预浸料装填到模腔中，边添加边进行预压实，直至密实的充满整个模腔；

步骤4：装上外模，并采用压机将其充分合模，然后加热升温至设定的温度和时间下固化，最后脱模外模，得到带金属预埋件的固定底座2，如图2。

悬臂梁采用卷管工艺制备，具体为：

步骤1：按照目标产品尺寸裁剪的无碱玻璃纤维布/环氧树脂预浸料铺贴在悬臂梁模具上，预浸料经向与模具轴向角度为0°/+45°/-45°/90°交替铺贴4层，且每次错开拼接缝。

步骤2：将铺贴有预浸料的悬臂梁模具按标准角度放置在卷管设备的下板上，且悬臂梁模具的铺贴预浸料口和卷管设备的上板呈水平状态，按下卷管设备开关卷管成型，形成复合材料悬臂梁卷管毛坯。

步骤3：重复步骤1和2反复卷管11层；

步骤4：将复合材料悬臂梁卷管毛坯外表面缠绕一层耐温180℃、宽度为10mm、厚度为0.05mm的热缩带，缠绕张力为20N，形成复合材料管材；

步骤5：所述复合材料管材，在设定的温度和时间下固化，撕去热缩带，得到复合材料的悬臂梁，如图3所示。

将制得的悬臂梁通过胶接连接到制得的固定底座上，即制得复合材料汽车连接杆，如图1所示。胶接所用的胶粘剂为环氧胶，胶层厚度控制在0.2～0.3mm。

实施例3

本发明提供的复合材料汽车连接杆制备方法，如图1所示，复合材料汽车连接杆包括固定底座和承力的悬臂梁，所述固定底座与汽车框架连接，所述承力的悬臂梁与固定底座连接，所述悬臂梁与固定底座采用胶接形式连接，所述制备方法包括以下步骤：

固定底座采用预浸料模压制备，具体为：

步骤1：首先将无碱玻璃纤维布/环氧树脂预浸料分切为单片尺寸为20mm×20mm的碎布预浸料；

步骤2：将金属预埋件固定在模压成型模具的模腔中；

步骤3：将模压成型模具预热至30～40℃，然后将碎布预浸料装填到模腔中，边添加边进行预压实，直至密实的充满整个模腔；

步骤4：装上外模，并采用压机将其充分合模，然后加热升温至设定的温度和时间下固化，最后脱模外模，得到带金属预埋件的固定底座2，如图2。

当采用纤维缠绕制备悬臂梁时，具体为：

步骤1：先将无碱玻璃纤维进行钡酚醛树脂浸渍，然后缠绕到悬臂梁模具上，无碱玻璃纤维与悬臂梁模具轴向角度为4°缠绕，在缠绕张力为10N；

步骤2：将碳纤维(T700-6K)进行钡酚醛树脂浸渍，然后缠绕到悬臂梁模具上，碳纤维(T700-6K)与悬臂梁模具轴向角度为+45°、-45°缠绕，在缠绕张力为5N；

步骤3：将无碱玻璃纤维进行钡酚醛树脂浸渍，然后缠绕到悬臂梁模具上，无碱玻璃纤维与悬臂梁模具轴向角度为90°缠绕，缠绕张力为10N；

步骤4：重复步骤1、2、3反复缠绕，重复次序为：步骤2/步骤1/步骤3/步骤1/步骤2/步骤3/步骤2/步骤1，总共缠绕11层。

步骤5：将缠绕成型的复合材料管材，装入外模框中，采用压机或者热压罐对外模框进行加压，将复合材料管材进一步挤压密实，排出缠绕过程中夹裹的空气和多余的树脂，然后在设定的温度和时间下固化。最后脱模外模，得到复合材料悬臂梁2，如图3所示。

将制得的悬臂梁通过胶接相结合连接制得的固定底座上，即可。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种复合材料汽车连接杆的制备方法，其特征在于，所述复合材料汽车连接杆包括承力的悬臂梁；

所述悬臂梁采用纤维缠绕或预浸料卷管工艺制备。

2.根据权利要求1所述的复合材料汽车连接杆的制备方法，其特征在于，当采用纤维缠绕工艺制备悬臂梁时，包括如下步骤：

步骤X1：将浸渍有树脂基体的增强材料缠绕至悬臂梁模具上，所述悬臂梁模具包括按照悬臂梁的内腔制造的芯模和外模，首先将浸渍过树脂的增强材料在芯模上缠绕一层；

步骤X2：然后按照准各向同性将浸渍树脂基体的增强材料在设定张力下缠绕至设定的循环数结束，形成复合材料管；

步骤X3：将所述复合材料管装入外模中，进行加热加压固化定型后，拆除悬臂梁模具，得到悬臂梁。

3.根据权利要求1所述的复合材料汽车连接杆的制备方法，其特征在于，当采用预浸料卷管工艺制备悬臂梁时，包括如下步骤：

步骤Y1：将按照悬臂梁尺寸裁剪的预浸料铺贴在悬臂梁模具上，所述悬臂梁模具为按照悬臂梁内腔制造的芯模；

步骤Y2：将铺贴有预浸料的悬臂梁模具放置在卷管设备的下板上，且悬臂梁模具的铺贴预浸料口和卷管设备上板呈水平状态，通过卷管设备卷管成型，形成复合材料的悬臂梁卷管毛坯；

步骤Y3：将热缩带缠绕到复合材料的悬臂梁卷管毛坯外表面，进行加热固化定型后，撕去热缩带，得到悬臂梁。

4.根据权利要求2所述的复合材料汽车连接杆的制备方法，其特征在于，所述增强材料采用碳纤维和碳纤维织物、玻璃纤维和玻璃纤维织物、芳纶纤维和芳纶纤维织物、高模量聚乙烯纤维和高模量聚乙烯纤维织物、玄武岩纤维和玄武岩纤维织物中任两种或者两种以上组合。

5.根据权利要求2所述的复合材料汽车连接杆的制备方法，其特征在于，所述树脂基体为热固性树脂，包括环氧树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、双马来酰亚胺树脂中的任一种。

6.根据权利要求2所述的复合材料汽车连接杆的制备方法，其特征在于，所述步骤X2具体为当按照准各向同性将浸渍树脂基体的增强材料在设定张力下缠绕时，缠绕张力为0～10N，缠绕角度为0～90°，缠绕循环数为5～20个循环。

7.根据权利要求2所述的复合材料汽车连接杆的制备方法，其特征在于，当采用纤维缠绕工艺制备悬臂梁时，在固化脱模前，通过压机加压、机械加压或者热压罐加压，再对悬臂梁模具加热升温，在设定的温度和时间下固化后脱模。

8.根据权利要求2所述的复合材料汽车连接杆的制备方法，其特征在于，当采用预浸料卷管工艺制备悬臂梁时，在固化前，通过控制缠绕张力为0～20N，缠绕一层热缩带，热缩带宽度为5～20mm，热缩带单层厚度为0.03～0.10mm，热缩带耐温温度不低于150℃。