CN107685775A - 碳纤维复合材料汽车水箱上横梁加强板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提出一种碳纤维复合材料汽车水箱上横梁加强板及其制备方法，在满足高强度、高刚度要求的前提下，实现减重。本发明的碳纤维复合材料汽车水箱上横梁加强板包括由碳纤维复合材料制成的截面为矩形的柱状本体，所述本体前侧的中央顶部位置设有凸部，所述本体除凸部外的位置均为平面结构；所述本体仅设有贯穿前、后侧面的安装孔，所述凸部仅设有贯穿凸部顶面和底面的安装孔。本发明的制造方法包括铺层、密封、抽真空、树脂导入及固化、脱模等步骤。本发明以多层多铺层方向的碳纤维织物材料为增强体，树脂为基体制成复合材料水箱上横梁加强板，不仅强度不降低，刚度和模量都被提高，轻量化效果更加显著，完全可以替代现有的金属钣金件。

Description

碳纤维复合材料汽车水箱上横梁加强板及其制造方法

技术领域

本发明属于复合材料和汽车零部件领域，具体涉及到碳纤维复合材料汽车水箱上横梁加强板及其制造方法。

背景技术

人们对轿车的造型和性能的要求越来越高，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，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。

1、从车身结构强度要求高的方面考虑：水箱上横梁固定着引擎盖总成的连接装置以及锁体安装件等关键零部件，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，此处加强结构设计不合理，强度不够，水箱横梁刚度不均，会直接导致应力集中区域发生开裂现象。

同时水箱横梁也发挥连接着左右纵梁总成形成前部横梁系统结构的作用。合理的设计水箱横梁的加强结构，会直接提高水箱横梁的结构刚度，而且也会提高发动机舱前横梁系统总成的刚度。传统的层叠加强板来实现高强度的加强方式对刚度的提高效果不明显，无法很好的提高前横梁系统总成的扭转刚度；如果轿车经常行驶的路况很差，路面产生的振动给车身，水箱横梁由于刚度和强度不足直接会引起疲劳变形以及开裂等问题，也会导致引擎盖总成锁体与锁钩闭合位置偏移，导致开启闭合困难。某些时候当发动机高速和低速运转时的激励，引擎盖总成锁固定点处钣金结构变形引起的引擎盖总成固定不良而产生的异响和抖动现象，NVH效果直线下降，从而影响了整车驾驶的舒适性，降低了顾客满意度。由此可见，水箱横梁的结构设计及优化是影响整车乘坐舒适性的间接因素。

2、从碰撞安全性能优的角度考虑：水箱横梁在整车发生碰撞的情况下，发挥着不可忽视的作用。当轿车发生偏置冲撞的时候，连接着左右纵梁总成的水箱横梁总成，是一个尤为重要的引擎盖支撑结构，支撑引擎盖总成在X向的弯曲刚度，吸收冲击动能，均衡引擎盖总成左右端受力变形情况，缓解动力总成在碰撞过程中往座舱内的位移量，减少了前挡板因碰撞后的侵入量。

3、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也值得重点关注。

从上述角度考虑，目前的汽车水箱上横梁加强板已无法同时满足轻量化、强度和刚度的要求，因此有必要设计新的汽车水箱上横梁加强板。

发明内容

本发明的目的是提出一种碳纤维复合材料汽车水箱上横梁加强板及其制备方法，在满足高强度、高刚度要求的前提下，实现减重。

本发明的碳纤维复合材料汽车水箱上横梁加强板包括由碳纤维复合材料制成的截面为矩形的柱状本体，所述本体前侧的中央顶部位置设有凸部，所述本体除凸部外的位置均为平面结构；所述本体仅设有贯穿前、后侧面的安装孔，所述凸部仅设有贯穿凸部顶面和底面的安装孔。

进一步地，所述碳纤维复合材料由碳纤维织物和树脂复合而成，其中碳纤维织物的重量百分比为50~60%，树脂材料的重量百分比为40~50%，以保证足够的强度，并尽量轻量化。具体来说，所述碳纤维织物为东丽T300纤维织物，所述树脂为快速固化环氧树脂5028。

进一步地，所述碳纤维织物的铺层角度为标准铺层角度0°、45°、-45°和90°，以简化设计、分析与工艺，并保证结构稳定性、减少泊松比和热应力及避免树脂直接受载。

上述的碳纤维复合材料汽车水箱上横梁加强板的制造方法包括如下步骤：

A：铺层：在已清洁和涂覆脱模剂的水箱上横梁加强板模具中进行碳纤维织物铺层，平整铺设预定层数的碳纤维织物；

B：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，再布置抽真空管和树脂导入管，最后用真空膜密封；

C：抽真空：开启真空泵抽真空，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，保证气密性符合预定要求；

D：树脂导入及固化：按照预定配比来配置树脂和固化剂，并使树脂和固化剂充分混合，然后将树脂和固化剂的混合物导入至模具内，待树脂浸润完成后关闭树脂导入管，继续维持模具的真空状态直到树脂固化；

E：脱模：待树脂固化后，脱模得到碳纤维复合材料水箱上横梁加强板。

进一步地，所述A步骤中的铺层角度为标准铺层角度0°、45°、-45°和90°。具体来说，所述A步骤中铺设七层东丽T300纤维织物，每层的厚度均为0.3 mm，隔层的铺设角度依次为45°、-45°、90°、0°、90°、-45°、45°。铺层角度选择标准铺层角度0°、45°、-45°和90°，这样可以简化设计、分析与工艺，同时从结构稳定性、减少泊松比和热应力及避免树脂直接受载考虑，0°和90°主要承受轴向和纵向应力，45°和-45°主要承受剪切力，足以满足上述要求。

进一步地，所述D步骤中，采用加热灯或者光照条件下加热模具，以加速树脂的固化。

本发明以多层多铺层方向的碳纤维织物材料为增强体，树脂为基体制成复合材料水箱上横梁加强板，不仅强度不降低，刚度和模量都被提高；同时密度比碳纤维复合材料小很多，轻量化效果更加显著，达60%以上，完全可以替代现有的金属钣金制作的水箱上横梁加强板。

附图说明

图1是本发明的复合材料水箱上横梁加强板的前视图。

图2是本发明的复合材料水箱上横梁加强板的后视图。

图3是本发明的复合材料水箱上横梁加强板的俯视图。

图4是本发明的复合材料水箱上横梁加强板的仰视图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施实例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明。

实施例1：

如图1～4所示，本实施例的碳纤维复合材料汽车水箱上横梁加强板包括由碳纤维复合材料制成的截面为矩形的柱状本体1，所述本体1前侧的中央顶部位置设有顶面略向后倾斜的凸部2，所述本体1除凸部2外的位置均为平面结构；所述本体1仅设有贯穿本体1前、后侧面的安装孔3，所述凸部2仅设有贯穿凸部2顶面和底面的安装孔4。

进一步地，所述碳纤维复合材料由东丽T300纤维织物和中低温的快速固化环氧树脂5028复合而成，其中东丽T300纤维织物的重量百分比为60%，快速固化环氧树脂5028的重量百分比为40%。

上述的碳纤维复合材料汽车水箱上横梁加强板的制造方法包括如下步骤：

A：铺层：在已清洁和涂覆脱模剂的水箱上横梁加强板模具中铺设七层东丽T300纤维织物，每层的厚度均为0.3 mm，隔层的铺设角度依次为45°、-45°、90°、0°、90°、-45°、45°，即第一层碳纤维织物对应于零部件的外表面，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45°方向上面进行-45°方向的铺层为第二层，第三层为90°方向的铺层，以此类推，直到将七层碳纤维织物铺完，将碳纤维织物在模具上压紧；

B：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，再布置抽真空管和树脂导入管，最后用真空膜密封，确保整个系统不漏气；

C：抽真空：将抽真空管与真空泵连接，将树脂导入管密封，打开真空泵，将真空膜内空气抽空，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，观察一段时间，检查是否漏气，保证气密性（真空泵压力表“0”刻度处的真空度可维持10 min以上）

D：树脂导入及固化：按照10:2~4的配比来配置树脂和固化剂，并使树脂和固化剂充分混合，然后将树脂和固化剂的混合物通过树脂导入管导入至模具内，待树脂浸润完成后关闭树脂导入管，继续维持模具的真空状态直到树脂固化，上述固化剂采用普通的固化剂即可，在固化过程中可视情况采用加热灯或者光照条件下加热模具，以加速树脂的固化；

E：脱模：待树脂固化后，脱模得到碳纤维复合材料水箱上横梁加强板。

目前金属钣金件水箱上横梁的Z向刚度目标值为400N/mm。本实施例的碳纤维复合材料水箱上横梁加强板的Z向刚度可达到424 N/mm，满足设计要求。本实施例的碳纤维复合材料水箱上横梁加强板的厚度为2.1 mm，重量为0.18 kg，比传统的金属钣金件水箱上横梁实现减重61%。

当然，上述碳纤维复合材料水箱上横梁加强板的制备方法还可采用RTM工艺，此处不再赘述。

Claims (8)

1.一种碳纤维复合材料汽车水箱上横梁加强板，其特征在于包括由碳纤维复合材料制成的截面为矩形的柱状本体，所述本体前侧的中央顶部位置设有凸部，所述本体除凸部外的位置均为平面结构；所述本体仅设有贯穿前、后侧面的安装孔，所述凸部仅设有贯穿凸部顶面和底面的安装孔。

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加强板，其特征在于所述碳纤维复合材料由碳纤维织物和树脂复合而成，其中碳纤维织物的重量百分比为50~60%，树脂材料的重量百分比为40~50%。

3.根据权利要求2所述的碳纤维复合材料汽车水箱上横梁加强板，其特征在于所述碳纤维织物为东丽T300纤维织物，所述树脂为快速固化环氧树脂5028。

4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料汽车水箱上横梁加强板，其特征在于所述碳纤维织物的铺层角度为标准铺层角度0°、45°、-45°和90°。

5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料汽车水箱上横梁加强板的制造方法，其特征在于包括如下步骤：

A：铺层：在已清洁和涂覆脱模剂的水箱上横梁加强板模具中进行碳纤维织物铺层，平整铺设预定层数的碳纤维织物；

B：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，再布置抽真空管和树脂导入管，最后用真空膜密封；

C：抽真空：开启真空泵抽真空，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，保证气密性符合预定要求；

D：树脂导入及固化：按照预定配比来配置树脂和固化剂，并使树脂和固化剂充分混合，然后将树脂和固化剂的混合物导入至模具内，待树脂浸润完成后关闭树脂导入管，继续维持模具的真空状态直到树脂固化；

E：脱模：待树脂固化后，脱模得到碳纤维复合材料水箱上横梁加强板。

6.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料汽车水箱上横梁加强板的制造方法，其特征在于所述A步骤中的铺层角度为标准铺层角度0°、45°、-45°和90°。

7.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料汽车水箱上横梁加强板的制造方法，其特征在于所述A步骤中铺设七层东丽T300纤维织物，每层的厚度均为0.3 mm，隔层的铺设角度依次为45°、-45°、90°、0°、90°、-45°、45°。

8.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料汽车水箱上横梁加强板的制造方法，其特征在于所述D步骤中，采用加热灯或者光照条件下加热模具，以加速树脂的固化。