CN110386094A - 一种复合材料成型的汽车防撞梁吸能盒及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种复合材料成型的汽车防撞梁吸能盒，由长纤维增强热塑性复合材料的盒体和连续纤维增强热塑性复合材料的前安装板、后安装板构成，盒体由紧密排列的数个空心六棱柱构成近似的立方体，前安装板、后安装板分别固定在盒体的前后两端，各空心六棱柱的轴向与后安装板垂直。本发明还提供了所述吸能盒的制备方法。本发明的有益效果为：1、在保证吸能盒性能的前提下吸能盒整体以非金属复合材料替代金属材料，轻量化效果显著；2、全部采用热塑性树脂基复合材料，可以实现废料和瑕疵制品的100％回收利用；3所有热模压、挤出和焊接工序均可实现自动化成型，且成型效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车安全部件，特别是纤维增强热塑性复合材料成型的汽车防撞梁吸能盒及所述吸能盒的制备方法。
背景技术
汽车的防撞梁吸能盒包括盒体和前后安装板。吸能盒一般是固定在防撞梁的两端与汽车前纵梁通过螺栓连接，其作用为在汽车发生低速碰撞的过程中，能够溃缩吸收碰撞能量，保护纵梁不参与溃缩，降低维修成本；在高速碰撞的过程中，能够将多余的能量传递至汽车纵梁，并通过纵梁传递至汽车车身，最大限度保护驾驶舱不变形，对乘员形成保护。因此吸能盒的材料和设计需要既保持较低的刚度，能够在碰撞发生时，最先变形吸能；同时又要保持一定的强度，能够在溃缩后，将多余的能量传递至纵梁。传统的吸能盒多采用钢制冲压拼焊或铝型材挤出拼焊而成，需要多步加工工序，且产品重量较高。随着环保的压力和汽车的排放要求越来越严格，汽车轻量化的重要性越来越凸显。纤维增强热塑性复合材料的密度为1.1-1.6g/cm3，具有超高的比强度、耐腐蚀、易加工成型和可回收性等优点，越来越多被应用于汽车部件中。纤维增强复合材料可以依据材料中纤维的长度分为短纤维增强复合材料、长纤维增强复合材料和连续纤维增强复合材料。随着复合材料内纤维长度的变化，材料的成型性能和力学性能表现为此消彼长的态势。连续纤维增强复合材料的力学性能最佳，但成型性能差；长纤维或短纤维增强复合材料的成型性好，成型效率高，但力学性能较低。目前有选用纤维增强复合材料与金属件结合制作汽车安全部件的报道，但是这种金属-纤维增强热塑性复合材料存在的问题是：不利于吸能盒的回收处理、减重特性不明显、金属件嵌入结构制作成本高工序复杂等问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种可满足吸能要求、减重效果好、生产效率高、便于整体回收处理的复合材料成型的汽车防撞梁吸能盒及制备方法。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
一种复合材料成型的汽车防撞梁吸能盒，由长纤维增强热塑性复合材料的盒体和连续纤维增强热塑性复合材料的前安装板、后安装板构成，所述盒体由紧密排列的数个空心六棱柱构成近似的立方体，前安装板、后安装板分别固定在盒体的前后两端，各空心六棱柱的轴向与后安装板垂直。
上述复合材料成型的汽车防撞梁吸能盒，所述前安装板、后安装板与盒体的接触面设有焊接层，焊接层为纯树脂层或短纤维增强复合材料层，焊接层的厚度为0.1-0.5毫米。
上述复合材料成型的汽车防撞梁吸能盒，所述前安装板、后安装板的焊接层上设有加强筋，加强筋的高度为1-2毫米，加强筋的形状分布与盒体的横截面形状匹配贴合。
上述复合材料成型的汽车防撞梁吸能盒，构成盒体的各空心六棱柱的壁厚为1-3毫米。
上述复合材料成型的汽车防撞梁吸能盒，前安装板、后安装板的厚度为3-5毫米，后安装板为平板，前安装板的轮廓与所连接防撞梁接合面匹配贴合，前安装板、后安装板上分别设有安装孔。
上述复合材料成型的汽车防撞梁吸能盒，所述连续纤维增强热塑性塑料为单向纤维的预浸带或多轴向纤维编织物的预浸带，或者为两种以上的预浸织物，纤维质量含量为30％-70％，所述连续纤维包括玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维等高强纤维中的一种或多种；热塑性树脂基体包括聚丙烯、尼龙、聚酯、聚苯醚热塑性树脂。
上述复合材料成型的汽车防撞梁吸能盒，所述长纤维增强热塑性复合材料的纤维长度为2-30mm，纤维质量含量为20％-60％，纤维的种类为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维中的一种或多种组合；热塑性树脂基体为聚丙烯、尼龙、聚酯或聚苯醚热塑性树脂。
一种复合材料成型的汽车防撞梁吸能盒的制备方法，包括下述步骤：
a、盒体制作：将选用的热塑性树脂材料喂入塑料挤出机内加热塑化，并在纤维喂料口喂入纤维，共同塑化为长玻纤混合热塑性树脂流体；混合物料经挤出机前端口模内挤出，通过冷却定型，由牵引装置牵引至切断机切断为设计所需长度的盒体；
b、前、后安装板制作：将选用的连续纤维预浸带按照所需形状裁剪，并根据所需厚度进行铺叠，并且在铺叠材料的最外层铺叠一层0.1-0.5mm厚的纯树脂层、或短纤维增强复合材料层(短纤维层的树脂含量不低于50％)；将铺叠好的材料放置于170-280℃的烘箱内，预热至树脂基体软化；将上述材料从烘箱内取出，迅速铺放于40-80℃模具内，模压成型，保压20-80s，开模取出，模压过程压出前、后安装板上的加强筋；在加工设备上加工出上、下安装板的安装孔；
c、前、后安装板与盒体焊接：将前、后安装板与吸能盒体采用焊接工艺连接，盒体上下两端与前、后安装板的加强筋部位对合，采用超声焊接或热板牢固焊接。
上述复合材料成型的汽车防撞梁吸能盒的制备方法，b步骤中，连续纤维预浸带裁剪片按照纤维方向以相邻层相互正交的方式进行铺叠，连续纤维预浸带的厚度为0.1-0.6毫米。
本发明根据不同纤维增强复合材料的特点及吸能盒的性能要求，设计一种纤维增强复合材料制作的吸能盒。根据吸能盒前、后安装板力学性能较高，且结构简单的特点选用连续纤维复合材料制作；根据盒体在碰撞过程中需要首先溃缩吸能，结构较为复杂的特点，采用非连续长纤维增强复合材料制作，最后再将安装板与吸能盒体通过塑料焊接连接起来，获得一种全部采用纤维增强热塑性复合材料的吸能盒。本发明的有益效果为：1、在保证吸能盒性能的前提下吸能盒整体以非金属复合材料替代金属材料，轻量化效果显著；2、全部采用热塑性树脂基复合材料，可以实现废料和瑕疵制品的100％回收利用；3所有热模压、挤出和焊接工序均可实现自动化成型，且成型效率高。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明所述吸能盒的结构示意图；
图2是盒体的结构示意图；
图3是前安装板的结构示意图；
图4是后安装板的结构示意图；
图5是前、后安装板的截面示意图；
图6所述吸能盒安装在防撞梁上的示意图。
图中各标号为：1、前安装板，2、盒体，3、下安装板，4、空心六棱柱，5、加强筋，6、焊接层，7、连续纤维增强热塑性复合材料层，8、防撞梁。
具体实施方式
参看图1、图6，本发明所述吸能盒全部采用纤维增强热塑性复合材料制备。所述吸能盒由前安装板1、后安装板3和盒体2构成。前安装板与防撞梁8连接，后安装板与汽车纵梁连接。本发明针对前、后安装板强度要求高、形状简单的特点，前、后安装板采用连续纤维增强热塑性复合材料为基体经模压成型制备。本发明针对盒体需要保持较低的刚度，能够在碰撞发生时最先变形吸能；同时又要保持一定的强度，能够在溃缩后，将多余的能量传递至纵梁的性能要求，盒体采用长纤维增强热塑性复合材料经挤出成型制备，前后安装板和吸能盒体通过塑料焊接连接。
参看图2，盒体由紧密排列的数个空心六棱柱4构成近似的立方体，各空心六棱柱的壁厚为1-3毫米。基于材料的易成型特性，相比于钢制冲压吸能盒和铝型材挤出吸能盒截面设计灵活性更大。本发明盒体截面为复杂的多六边棱形，使吸能盒具备较高的碰撞峰值力和较小的溃缩距离。可通过调节空心六棱柱的壁厚来获得所需的碰撞峰值力。该结构在保证盒体一定强度和稳定性的同时又保留了材料溃缩的空间。盒体的长度根据需要截取。
参看图3-图5，为保证盒体与前后安装板的可靠连接，前安装板、后安装与盒体接触的表面设有焊接层6，焊接层为紧密贴合在连续纤维增强热塑性复合材料基体7表面的纯树脂层或短纤维增强复合材料层，焊接层的厚度为0.1-0.5毫米。在前安装板、后安装板的焊接层上设有凸起的加强筋5，加强筋的高度为1-2毫米，加强筋的形状分布与盒体的横截面形状匹配贴合。加强筋用于提供焊接连接时的熔融料，使焊接部位的连接更加牢，避免盒体在与安装板连接的部位方式断裂。前安装板的厚度为3-5毫米，前安装板的轮廓与所连接防撞梁接合面匹配贴合，前安装板上设有安装孔。后安装板为平板，后安装板的厚度为3-5毫米，后安装板与盒体的轴向垂直，后安装板上设有安装孔。
用于制作前后安装板的连续纤维增强热塑性塑料为单向纤维的预浸带或多轴向纤维编织物的预浸带，或者为两种以上的预浸织物。纤维质量含量为30％-70％。连续纤维包括玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维等高强纤维中的一种或多种。连续纤维增强热塑性塑料的热塑性树脂基体为聚丙烯、尼龙、聚酯、聚苯醚等热塑性树脂。
用于制作盒体的长纤维增强热塑性复合材料，纤维长度为2-30mm，纤维质量含量为20％-60％。增强纤维的种类包括玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维等高强纤维中的一种或多种；长纤维增强热塑性复合材料的热塑性树脂基体包括聚丙烯、尼龙、聚酯、聚苯醚等热塑性树脂。
用于制备焊接层的纯树脂层或短纤维增强复合材料层选用与吸能盒体相同种类的树脂基体及增强纤维。
本发明所述吸能盒的制备方法包括如下步骤：
盒体制作：将选用的热塑性树脂材料喂入塑料挤出机内加热塑化，并在纤维喂料口喂入纤维，共同塑化为长玻纤混合热塑性树脂流体；混合物料经挤出机前端口模内挤出，通过冷却定型，由牵引装置牵引至切断机切断为设计所需长度的盒体；
前、后安装板制作：将选用的连续纤维预浸带按照所需形状裁剪，并根据所需厚度进行铺叠，连续纤维预浸带裁剪片按照纤维方向以相邻层相互正交的方式进行铺叠，连续纤维预浸带的厚度为0.1-0.6毫米。在铺叠材料的最外层铺叠一层0.1-0.5mm厚的纯树脂层、或短纤维增强复合材料的焊接层(短纤维层的树脂含量不低于50％)。将铺叠好的材料放置于170-280℃的烘箱内，预热至树脂基体软化；将上述材料从烘箱内取出，迅速铺放于40-80℃模具内，模压成型，保压20-80s，开模取出。模压模具的凸模上设有压制加强筋的沟槽，在模压过程中，随前、后安装板的成型，在焊接层压制出加强筋。然后在加工设备上加工出上、下安装板的安装孔。
将制作好的前、后安装板及盒体采用焊接工艺连接，盒体的上下两端与前、后安装板的加强筋部位对合，采用超声焊接或热板牢固焊接。
以下给出一个具体的实施例：
前、后安装板的基体材料采用连续玻纤增强聚丙烯的单向预浸带，盒体采用长玻纤增强聚丙烯粒料。后安装板为平板结构，厚度为4mm，前安装板的厚度为4mm。后安装板、前安装板与盒体的接触面设有1.5mm宽，1mm高、截面为三角形的凸起加强筋，加强筋的分布与盒体的横截面形状相匹配。前安装板的安装位置上开有四个直径8mm的通孔，前安装板的安装部位为与防撞梁安装面匹配的曲面。后安装板上开有一个直径11mm的通孔和三个11×15mm的腰形孔，用于与汽车纵梁连接。
盒体长度为140mm，盒体由18个紧密排列为五排的空心六棱柱构成，相邻排之间空心六棱柱的位置交错，空心六棱柱的壁厚为1mm。为保证与前安装板的随形安装，盒体与上安装板连接的端面与盒体轴向呈85°夹角，盒体与下安装板连接的端面与盒体轴向呈90°夹角。
吸能盒的制备过程如下：
1、选用面密度为510g/㎡，玻纤含量为60％、厚度为0.3毫米的连续玻纤增强聚丙烯单向带，裁剪为上、下安装板的展开图形状，相邻层以相互正交的方式进行铺叠，共铺叠14层。
2、裁剪一片厚度0.3mm的纯PP树脂薄膜。
3、将纯PP树脂薄膜覆盖在连续玻纤增强聚丙烯单向带表面，然后置于220℃的烘箱内，加热至树脂软化。
4、将上述连续纤维预浸料从烘箱内取出，迅速铺放于60℃模具内，合模保压30s后，开模取出制品。
5、选用配备有玻纤喂入口的双螺杆挤出机，将聚丙烯粒料、滑石粉、硅烷偶联剂、抗氧剂、润滑剂按照100：10：0.01：0.01：0.15的比例分别由塑料挤出机的粒料投料口和助剂投料口喂入，在玻纤投料口喂入玻纤，玻纤与聚丙烯的质量比为35:100，玻纤长度10-15毫米。挤出机的温度设定从加料口依次设置为170℃、185℃、195℃、205℃、200℃，加料区温度较低，防止物料架桥，中间区域温度较高，保证塑化均匀，挤出口模温度较低，防止物料流延，螺杆转速设定为70r/min。挤出料通过口模后，通过5米长的风冷区域，由牵引装置牵引至切割机。采用两台同步切割机，一台切割面设置与牵引方向垂直，另一台切割机切割面与牵引方向夹角85°，将制品同步切割为140mm长度。
6、采用超声波熔接法分别将前、后安装板与吸能盒体焊接起来。用焊接夹具将前、后安装板焊接面的凸起筋与吸能盒体的截面压紧，选用谐振频率20kHz的超声波焊机，调整振幅、熔接时间及保压时间，保证焊接牢固可靠。
本发明吸能盒相比类似性能的钢制吸能盒减重率可达60％以上。采用本发明方法制备某车型的全塑复合材料吸能盒总重量为0.315kg，与原钢制吸能盒重量1.01kg相比，减重效果达到67％。采用原钢制吸能盒防撞梁和本发明制备吸能盒防撞梁在RCAR的低速碰撞试验(速度15+1km/h，40％尾部碰撞，车辆与碰撞台夹角10°)，获得的最终测试结果均满足客户要求。
| 钢制吸能盒防撞梁 | 本发明吸能盒防撞梁 | 目标值 | |
| 总吸能/kJ | 10.5 | 9.3 | ≥8.5 |
| 单位质量吸能kJ/kg | 10.4 | 29.5 | --- |
| 侵入量/mm | 75 | 100 | ≤120 |
Claims (9)
1.一种复合材料成型的汽车防撞梁吸能盒，其特征在于：由长纤维增强热塑性复合材料的盒体(2)和连续纤维增强热塑性复合材料的前安装板(1)、后安装板(3)构成，所述盒体由紧密排列的数个空心六棱柱(4)构成近似的立方体，前安装板、后安装板分别固定在盒体的前后两端，各空心六棱柱的轴向与后安装板垂直。
2.根据权利要求1所述的复合材料成型的汽车防撞梁吸能盒，其特征在于：所述前安装板、后安装板与盒体的接触面设有焊接层(7)，焊接层为纯树脂层或短纤维增强复合材料层，焊接层的厚度为0.1-0.5毫米。
3.根据权利要求2所述的复合材料成型的汽车防撞梁吸能盒，其特征在于：所述前安装板、后安装板的焊接层上设有加强筋(5)，加强筋的高度为1-2毫米，加强筋的形状分布与盒体的横截面形状匹配贴合。
4.根据权利要求3所述的复合材料成型的汽车防撞梁吸能盒，其特征在于：构成盒体的各空心六棱柱的壁厚为1-3毫米。
5.根据权利要求4所述的复合材料成型的汽车防撞梁吸能盒，其特征在于：前安装板、后安装板的厚度为3-5毫米，后安装板为平板，前安装板的轮廓与所连接防撞梁接合面匹配贴合，前安装板、后安装板上分别设有安装孔。
6.根据权利要求5所述的复合材料成型的汽车防撞梁吸能盒，其特征在于：所述连续纤维增强热塑性塑料为单向纤维的预浸带或多轴向纤维编织物的预浸带，或者为两种以上的预浸织物，纤维质量含量为30％-70％，所述连续纤维包括玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维等高强纤维中的一种或多种；热塑性树脂基体包括聚丙烯、尼龙、聚酯、聚苯醚热塑性树脂。
7.根据权利要求6所述的复合材料成型的汽车防撞梁吸能盒，其特征在于：所述长纤维增强热塑性复合材料的纤维长度为2-30mm，纤维质量含量为20％-60％，纤维的种类为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维中的一种或多种组合；热塑性树脂基体为聚丙烯、尼龙、聚酯或聚苯醚热塑性树脂。
8.一种复合材料成型的汽车防撞梁吸能盒的制备方法，其特征在于：包括下述步骤：
a、盒体制作：将选用的热塑性树脂材料喂入塑料挤出机内加热塑化，并在纤维喂料口喂入纤维，共同塑化为长玻纤混合热塑性树脂流体；混合物料经挤出机前端口模内挤出，通过冷却定型，由牵引装置牵引至切断机切断为设计所需长度的盒体；
b、前、后安装板制作：将选用的连续纤维预浸带按照所需形状裁剪，并根据所需厚度进行铺叠，并且在铺叠材料的最外层铺叠一层0.1-0.5mm厚的纯树脂层、或短纤维增强复合材料层(短纤维层的树脂含量不低于50％)；将铺叠好的材料放置于170-280℃的烘箱内，预热至树脂基体软化；将上述材料从烘箱内取出，迅速铺放于40-80℃模具内，模压成型，保压20-80s，开模取出，模压过程压出前、后安装板上的加强筋；在加工设备上加工出上、下安装板的安装孔；
c、前、后安装板与盒体焊接：将前、后安装板与吸能盒体采用焊接工艺连接，盒体上下两端与前、后安装板的加强筋部位对合，采用超声焊接或热板牢固焊接。
9.根据权利要求8所述的复合材料成型的汽车防撞梁吸能盒的制备方法，其特征在于：b步骤中，连续纤维预浸带裁剪片按照纤维方向以相邻层相互正交的方式进行铺叠，连续纤维预浸带的厚度为0.1-0.6毫米。
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