CN109397720B - 一种汽车用碳纤维复合材料后流水槽的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种汽车用碳纤维复合材料后流水槽，其特征在于：后流水槽为一整体部件，复合材料作为铺层铺装成后流水槽，后流水槽的结构功能区包括包裹架后横梁区、左侧导水区、右侧导水区；后流水槽的模具面由下至上铺设复合材料,复合材料由碳纤维织物作为增强体，环氧树脂作为灌注在增强体之间的介质，在真空压力下一体成型。其轻量化效果达55%以上；一体成型大大减少了零件的焊接成型工序与成本；白车身扭转刚度由6528 N•m/°提高为6703 N•m/°；具备防锈蚀的特点。

Description

一种汽车用碳纤维复合材料后流水槽的制备方法
技术领域
本发明涉及一种汽车用碳纤维复合材料后流水槽的制备方法，属于一种由轻质高强度复合材料制备而成的汽车车身零部件。
背景技术
汽车零部件中后流水槽是汽车排水系统中的重要组成部件，其保证雨水不从顶部，线束过孔及尾灯安装孔等处进入汽车车体内部，保证汽车内部乘坐空间的干燥与舒适，且对其外观及配合有一定要求。同时后流水槽与包裹架组成封闭的腔体与左右侧围连接，形成车身骨架的一根加强横梁，对整车车身的整体扭转刚度贡献巨大。目前轿车中后流水槽结构与材料分布一般为：1）包裹架后横梁，厚度0.7 mm的St14高强钢；2）左右导水槽，厚度0.7 mm的St17低碳钢，通过冲压和焊接工艺制备，总质量约为1.37 kg。现有后流水槽方案存在重量大、成型工序复杂、易锈蚀，且焊接过程中存在焊枪操作空间不足导致焊接精度下降等缺点。因此，有必要开发一种新型的汽车后流水槽。
相比于传统金属材料，复合材料在材料疲劳特性、比强度、吸能效果、震动阻尼特性等方面都具备极大的优势，且复合材料具有设计灵活、可集成能力强等特点。通过将复合材料创新利用于汽车零部件之中，赋予当前零部件所缺少的功能属性，是当前复合材料汽车零部件创新设计过程中的重要工作。现有后流水槽中重量大、成型工序复杂、易锈蚀，且焊接过程中存在焊枪操作空间不足导致焊接精度下降等缺点等技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种汽车用碳纤维复合材料后流水槽的制备方法，其通过对后流水槽结构进行零件集成整合，使用纤维/树脂增强体系，通过将包裹架后横梁、左导水槽、右导水槽三个金属零件集成为一个复合材料零件，由原有3块金属部件，变为1块复材，集成化设计、材料替代实现轻量化；复材设计中，包含材料铺层设计，从而提高零件工艺操作性、提高零件刚度、降低零件质量，且避免锈蚀风险；从而获得具有成型工艺简单、轻量化优势明显、刚度高、防锈蚀的后流水槽零件。
本发明的技术方案是这样实现的：一种汽车用碳纤维复合材料后流水槽，其特征在于：后流水槽为一整体部件，复合材料作为铺层铺装成后流水槽，后流水槽的结构功能区包括包裹架后横梁区、左侧导水区、右侧导水区；后流水槽的模具面由下至上铺设复合材料,复合材料由碳纤维织物作为增强体，环氧树脂作为灌注在增强体之间的介质，在真空压力下一体成型。
所述的碳纤维为碳纤维T300和碳纤维T700中的一种或两种，其具备拉伸模量高、受热尺寸变化率低等特点。
所述的环氧树脂为亨斯迈1564环氧树脂。
所述的碳纤维复合材料后流水槽左右两侧具有结构对称的导水区，两个导水区内侧设置有挡水翻边，挡水翻边外侧具备与相邻后围板的粘接面。
所述的包裹架后横梁区位于后流水槽中部，其上部设置有行李箱盖铰链座加强板安装孔，其下表面设置有与相邻零件包裹架的粘接区。
所述的碳纤维复合材料后流水槽粘接区域宽度为10-20 mm，以保证碳纤维复合材料后流水槽与相邻的零件包裹架、后围板的粘接强度。
所述的碳纤维复合材料后流水槽包裹架后横梁区、左侧导水区、右侧导水区共设计有铺层区1和铺层区2，铺层区1和铺层区2之间形成铺层重叠区。
所述的铺层区1为左侧导水区和右侧导水区铺层，铺层角度为[±45/0/±45/
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]s；所述的铺层区2为包裹架后横梁区，铺层角度为[±45/0/±45/
Figure 562398DEST_PATH_IMAGE001
]s；所述的铺层重叠区为包裹架后横梁区与左侧导水区和右侧导水区铺层重叠区域，铺层角度为[±45/0/±45/0/±45/±45/0/±45/0/±45/0/±45/0/±45]；铺层基准0°方向为汽车宽度方向。铺层区1与铺层区2保证了纤维复合材料后流水槽的整体抗扭刚度，并提高了面外载荷承载能力；铺层重叠区通过铺层厚度及方向设计，避免了零件在该区域局部应力导致零件失效的风险。
所述的碳纤维复合材料后流水槽制备方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）铺层：在模具表面依次铺放不同规格的碳纤维织物，首层碳纤维织物铺放时根据贴服程度选择是否喷涂胶粘剂以保证型面贴合；
（2）安置吸树脂和透气材料：在增强纤维织物外层，依次铺设脱模布、导流网；
（3）铺设真空袋并检查密封性：在外表面铺放真空袋，真空袋面积略大于模具面积，真空袋边缘与模具边缘用丁基密封胶粘接密封，在合理位置安置真空抽气管与树脂进胶管，启动真空泵检查密封性；
（4）零件固化：将模具与零件放入固化炉中，灌注热固性环氧树脂，在制定温度下固化4-8 h；
（5）后处理：根据碳纤维复合材料后流水槽零件模具线切割外围裁切边，打磨表面及喷涂清漆层。
在步骤（1）操作之前，需对模具表面进行检查，确保模具表面无杂质且表面光滑，并均匀涂抹脱模剂。
所述的步骤（4）中的灌注为真空导入灌注，在真空袋表面形成0.08~0.1 MPa的均匀压力。
本发明的积极效果是将原有钣金冲压制汽车包裹架后横梁与钣金冲压制左右导水槽集成为一个整体式后流水槽零部件，减少了后续零件的焊接工艺操作。采用增强纤维和热固性树脂的复合材料设计，并根据零件不同区域的受力要求进行了材料铺层优化设计，大大降低了后流水槽的重量，有效提高了燃料使用效率。同时，增加了后流水槽的零件刚度并提高了对整车扭转刚度的贡献值，且避免了后流水槽的长时间使用后的锈蚀风险。
采用碳纤维-环氧树脂体系的复合材料，通过碳纤维织物的铺层角度优化设计，以及环氧树脂作为碳纤维增强体间连接介质，所制备的碳纤维复合材料后流水槽相比于现有技术，具备如下优点：
1）轻量化：原钣金结构采用St14高强钢、St17低碳钢，总质量约为1.37 kg，现有结构质量为0.63 kg，减重55%以上。
2）一体化成型：将原左导水槽、右导水槽和包裹架后横梁，三个钣金冲压零件集成整合为一个单独的复合材料零件，通过一体成型，大大减少了零件的焊接成型工序与成本。
3）通过计算机辅助工程（CAE）计算分析，原有钣金制后流水槽的白车身扭转刚度为6528 N•m/°，搭载碳纤维复合材料后流水槽的白车身扭转刚度提高为6703 N•m/°。
4）相比于原有钣金制后流水槽，碳纤维复合材料后流水槽具备防锈蚀的特点。
附图说明
图1为本发明实施例中汽车用碳纤维复合材料后流水槽结构示意图。
图2为本发明实施例中汽车用碳纤维复合材料后流水槽俯视图。
图3为本发明实施例中汽车用碳纤维复合材料后流水槽仰视图。
图4为本发明实施例中汽车用碳纤维复合材料后流水槽正视图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案更为清楚，下面结合附图对本发明作进一步说明和描述。
如图1所示，一种汽车用碳纤维复合材料后流水槽，其特征在于：后流水槽为一整体部件，复合材料作为铺层铺装成后流水槽，后流水槽的结构功能区包括包裹架后横梁区、左侧导水区、右侧导水区；后流水槽的模具面由下至上铺设复合材料,复合材料由碳纤维织物作为增强体，环氧树脂作为灌注在增强体之间的介质，在真空压力下一体成型。
所述的碳纤维为碳纤维T300和碳纤维T700中的一种或两种，其具备拉伸模量高、受热尺寸变化率低等特点。
所述的环氧树脂为亨斯迈1564环氧树脂。
所述的碳纤维复合材料后流水槽左右两侧具有结构对称的导水区，两个导水区内侧设置有挡水翻边，挡水翻边外侧具备与相邻后围板的粘接面。
所述的包裹架后横梁区位于后流水槽中部，其上部设置有行李箱盖铰链座加强板安装孔，其下表面设置有与相邻零件包裹架的粘接区。
所述的碳纤维复合材料后流水槽粘接区域宽度为10-20 mm，以保证碳纤维复合材料后流水槽与相邻的零件包裹架、后围板的粘接强度。
所述的碳纤维复合材料后流水槽包裹架后横梁区、左侧导水区、右侧导水区共设计有铺层区1和铺层区2，铺层区1和铺层区2之间形成铺层重叠区。
所述的铺层区1为左侧导水区和右侧导水区铺层，铺层角度为[±45/0/±45/
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]s；所述的铺层区2为包裹架后横梁区，铺层角度为[±45/0/±45/
Figure 378837DEST_PATH_IMAGE001
]s；所述的铺层重叠区为包裹架后横梁区与左侧导水区和右侧导水区铺层重叠区域，铺层角度为[±45/0/±45/0/±45/±45/0/±45/0/±45/0/±45/0/±45]；铺层基准0°方向为汽车宽度方向。铺层区1与铺层区2保证了纤维复合材料后流水槽的整体抗扭刚度，并提高了面外载荷承载能力；铺层重叠区通过铺层厚度及方向设计，避免了零件在该区域局部应力导致零件失效的风险。
如图2所示碳纤维复合材料后流水槽区域划分，碳纤维复合材料后流水槽的结构包括包裹架后横梁区110、左侧导水区120、右侧导水区130；铺层重叠A区121为包裹架后横梁区110与左侧导水区120的重叠区域，铺层重叠B区131为包裹架后横梁区110与右侧导水区130铺层间重叠区。
所述的包裹架后横梁区110、左侧导水区120、右侧导水区130所用的碳纤维为碳纤维T300和碳纤维T700中的一种或两种，其具备拉伸模量高、受热尺寸变化率低等特点；所述的环氧树脂为亨斯迈1564环氧树脂。以此形成的碳纤维-环氧树脂体系的复合材料具有密度小，刚度大、无锈蚀等优点。
所述的碳纤维复合材料后流水槽包裹架后横梁区、左侧导水区、右侧导水区共设计有铺层区1和铺层区2，铺层区1和铺层区2之间形成铺层重叠区。
所述的碳纤维复合材料后流水槽，自模具面由下至上铺设碳纤维织物。
所述的包裹架后横梁区110按照铺层区1进行铺设，铺层角度选择依次为±45/0/±45/0/±45/0/±45；左侧导水区120和右侧导水区130按照铺层区2进行铺设，铺层角度选择依次为±45/0/±45/0/±45/0/±45；铺层重叠A区121和铺层重叠B区131按照铺层重叠区铺设，铺层角度选择依次为±45/0/±45/0/±45/±45/0/±45/0/±45/0/±45/0/±45。
图3为实施例中碳纤维复合材料后流水槽仰视图，其上粘接区111和下粘接区112为宽度10-20 mm的粘接区，作为碳纤维复合材料后流水槽与包裹架装配的粘接面，同时提供了足够的粘接强度作用面；圆孔113为行李箱盖铰链座加强版安装孔。.
如图4所示，后流水槽两侧对称结构导水槽的左挡水翻边122和右挡水翻边132，翻边高度10-20 mm，并且作为碳纤维复合材料后流水槽与后围板粘接装配作用，同时提供了足够的粘接强度作用面。
本实施例中提供了一种汽车用碳纤维复合材料后流水槽其制备方法，包括如下步骤：
（1）铺层：对模具表面进行检查，确保模具表面无杂质且表面光滑，并均匀涂抹脱模剂，而后在模具表面依次铺放不同规格的碳纤维织物，首层碳纤维织物铺放时根据贴服程度选择是否喷涂胶粘剂以保证型面贴合；
（2）安置吸树脂和透气材料：在增强纤维织物外层，依次铺设脱模布、导流网；
（3）铺设真空袋并检查密封性：在外表面铺放真空袋，真空袋面积略大于模具面积，真空袋边缘与模具边缘用丁基密封胶粘接密封，在合理位置安置真空抽气管与树脂进胶管，启动真空泵检查密封性；
（4）零件固化：将模具与零件放入固化炉中，真空导入灌注热固性环氧树脂，使真空袋表面形成0.08~0.1 MPa的均匀压力，在指定温度下固化4-8 h；
（5）后处理：根据碳纤维复合材料后流水槽零件模具线切割外围裁切边，将零件置于干燥室温环境。
（6）根据零件表面质量，选择是否打磨表面及喷涂清漆层。
采用上述实施例所制备的碳纤维复合材料后流水槽相比于现有技术，具备如下优点：（1）较原有1.37 kg钣金制后流水槽，质量减少0.74 kg，轻量化效果达55%以上；（2）将原左导水槽、右导水槽和包裹架后横梁，三个钣金冲压零件集成整合为一个单独的复合材料零件，通过一体成型，大大减少了零件的焊接成型工序与成本；（3）相比于原有搭载钣金制后流水槽白车身，搭载碳纤维复合材料后流水槽的白车身扭转刚度由6528 N•m/°提高为6703 N•m/°；（4）相比于原有钣金制后流水槽，碳纤维复合材料后流水槽具备防锈蚀的特点。
以上所述的实施例近视本发明的较佳实施例中的一种，并非作为本发明的任何形式上的限制，任何在本发明的技术方案上做出的简单变形、修饰及其他等同变化的等效实施例，但凡未脱离本发明技术方案内容，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (1)

1.一种汽车用碳纤维复合材料后流水槽，后流水槽为一整体部件，复合材料作为铺层铺装成后流水槽，后流水槽的结构功能区包括包裹架后横梁区、左侧导水区、右侧导水区；后流水槽的模具面由下至上铺设复合材料,复合材料由碳纤维织物作为增强体，环氧树脂作为灌注在增强体之间的介质，在真空压力下一体成型；碳纤维为碳纤维T300和碳纤维T700中的一种或两种，环氧树脂为亨斯迈1564环氧树脂；碳纤维复合材料后流水槽左右两侧具有结构对称的导水区，两个导水区内侧设置有挡水翻边，挡水翻边外侧具备与相邻后围板的粘接面；包裹架后横梁区位于后流水槽中部，其上部设置有行李箱盖铰链座加强板安装孔，其下表面设置有与相邻零件包裹架的粘接区；碳纤维复合材料后流水槽粘接区域宽度为10-20 mm，后流水槽与相邻的零件包裹架、后围板的粘接强度；碳纤维复合材料后流水槽包裹架后横梁区、左侧导水区、右侧导水区共设计有铺层区1和铺层区2，铺层区1和铺层区2之间形成铺层重叠区；其特征在于：铺层区1为左侧导水区和右侧导水区铺层，铺层角度为[±45/0/±45/]s；所述的铺层区2为包裹架后横梁区，铺层角度为[±45/0/±45/ ]s；所述的铺层重叠区为包裹架后横梁区与左侧导水区和右侧导水区铺层重叠区域，铺层角度为[±45/0/±45/0/±45/±45/0/±45/0/±45/0/±45/0/±45]；铺层基准0°方向为汽车宽度方向。
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