CN111438969A - 一种可变刚度的复合车架制备方法及其制得的车架 - Google Patents

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Abstract

本发明主要涉及一种可变刚度的复合车架制备方法，包括如下步骤：（1）按照纵梁总体长度、U型截面的展开宽度及纵梁总体厚度裁切若干层纤维布预浸润料，所述纤维布预浸润料的铺层角度根据强度校核结果确定，包括0°、45°、90°的铺层角度；（2）按照刚度驱动器所需尺寸，通过三维编织机制备好拟植入复合材料纵梁的刚度驱动器，所述刚度驱动器为含有形状记忆合金丝的三维编织体；所述三维编织体的经纱为形状记忆合金丝，纬纱及捆绑纱为增强纤维；该方法设计的车架具有刚度主动控制功能，能够针对不同的载荷工况实现对车架关键刚度特性的主动控制，不但提升了整车轻量化、舒适性的水平，而且对整车的安全性得到极大提升。

Description

一种可变刚度的复合车架制备方法及其制得的车架
技术领域
本发明属于汽车车架领域，具体涉及一种可变刚度的复合车架制备方法及其制得的车架。
背景技术
采用纤维增强树脂基复合材料制造汽车零部件不但可显著减轻汽车重量、降低油耗、提高汽车的舒适性，而且能够起到很好的节能减排作用，并显著提升新能源汽车的续航里程。车架是汽车底盘系统中广泛应用的重要承载元件。对于商用车及客车等采用非承载式车身结构的车型而言，车架重量在整车重量中的占比很大，而且直接影响整车刚度及承载能力，进而影响整车安全性及舒适性。复合材料车架是采用纤维增强树脂基复合材料制作的车架。由于复合材料的比强度及比模量明显高于金属材料，因此，在承载能力相同的前提下，复合材料车架的重量不到金属车架的一半。同时，由于复合材料具有良好的疲劳可靠性及比金属材料高得多的阻尼，因此复合材料车架的疲劳寿命及减振性能也高于金属车架。因此，复合材料车架在轻量化、疲劳可靠性及减振方面明显优于金属车架，具有良好的应用价值。
目前公开的复合材料车架在固化成型后刚度均为定值。然而，汽车实际载荷工况非常复杂。以商用车为例，在空载及满载情况下，整车载重的差别可高达数十吨，而且往往会有超载的情况。在车架刚度一定的前提下，若满载的货物偏置，不但会导致悬架弹性元件变形过大，导致车身侧倾，进而引发商用车或客车侧翻，而且会使车架异常变形，引发车架异常振动甚至断裂，进而诱发振动噪声问题或安全事故。此外，车架与车身、悬架、发动机等重要系统都有连接，是主要的振动传递路径，很多异常振动及噪声问题都与车架刚度有关。因此，针对不同的载荷工况来实现对车架关键刚度特性的主动控制，不但对提升整车舒轻量化水平有重要意义，而且对提升整车的安全性及舒适性有重要意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种可变刚度的复合车架制备方法及其制得的车架，该方法设计的车架具有刚度主动控制功能，能够针对不同的载荷工况实现对车架关键刚度特性的主动控制，不但提升了整车轻量化、舒适性的水平，而且对整车的安全性得到极大提升。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种可变刚度的复合车架制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）按照纵梁总体长度、U型截面的展开宽度及纵梁总体厚度裁切若干层纤维布预浸润料，所述纤维布预浸润料的铺层角度根据强度校核结果确定，包括0°、45°、90°的铺层角度；
（2）按照刚度驱动器所需尺寸，通过三维编织机制备好拟植入复合材料纵梁的刚度驱动器，所述刚度驱动器为含有形状记忆合金丝的三维编织体；所述三维编织体的经纱为形状记忆合金丝，纬纱及捆绑纱为增强纤维；
（3）将裁切制得的纤维布预浸润料按顺序顺次铺放在模具中，铺放到刚度驱动器的铺层区域时，按照模具对应标记及设计位置平整放置预先制备的刚度驱动器；然后，再顺次铺放剩余纤维布预浸润料；放置刚度驱动器时，需从刚度驱动器两端延伸引出与形状记忆合金丝连接的导线，用于通电；
（4）在铺层铺放完毕后，合模并加热固化，固化温度为90℃，固化时长30分钟；
（5）脱模并进行对复合材料纵梁粗坯进行清理、去毛刺、打磨处理，并按照设计尺寸规格对复合材料纵梁粗坯进行切割机械加工，制得复合材料纵梁结构件；
（6）在复合材料纵梁结构件上进行钻孔；
（7）通过三维编织机制备连接衬板的碳纤维预成型体，采用聚氨酯基体，通过树脂传递模塑成型工艺使纵梁与横梁之间的连接衬板固化成型；
（8）将连接衬板与复合材料纵梁及对应的横梁通过螺旋连接或粘接实现固定，使变刚度车架整体装配完成；
（9）将刚度驱动器两端延伸引出的导线分别与车载电源接口连接，构成导电回路，至此，所述可变刚度的复合车架制备完成。
所述的在复合材料纵梁结构件上钻孔时，需先用小直径的钻头钻出小孔，再在小孔基础上磨削扩孔，使孔径达到设计尺寸；在磨削扩孔时，应对磨削处喷水；在完成磨削扩孔后，在孔壁上涂抹高强度粘接剂。
一种可变刚度的复合车架，包括两根平行设置的纵梁，纵梁之间连接有若干横梁，横梁端部与纵梁之间安装有连接衬板，连接衬板用于将纵梁与横梁完全固定；纵梁横截面为U形结构，纵梁的两翼内分别植入有刚度驱动器，刚度驱动器是含有形状记忆合金丝的三维编织物，刚度驱动器两端与车载电源连接通电。
所述的刚度驱动器是形状记忆合金丝与增强纤维通过编织得到的三维编织物，其经纱为形状记忆合金丝，纬纱及捆绑纱为增强纤维，增强纤维包括为玻璃纤维、碳纤维或玄武岩纤维。
所述的刚度驱动器中的形状记忆合金丝为连续的长纤维，形状记忆合金丝两端从纵梁内部延伸引出有导线，导线用于与车载电源连接通电。
所述的纵梁的两翼内分别对称设有至少两组刚度驱动器。
所述的纵梁上设有若干圆孔。
所述的纵梁采用连续纤维增强树脂基复合材料，纤维包括为碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维中的一种或多种组合，树脂基体包括环氧树脂或聚氨酯。
所述的横梁设有5根。
所述的连接衬板采用三维编织的碳纤维增强聚氨酯基复合材料。
本发明具有如下有益效果：
1、包括两根平行设置的纵梁，纵梁之间连接有若干横梁，横梁端部与纵梁之间安装有连接衬板，连接衬板用于将纵梁与横梁完全固定；纵梁横截面为U形结构，纵梁的两翼内分别植入有刚度驱动器，刚度驱动器是含有形状记忆合金丝的三维编织物，刚度驱动器两端与车载电源连接通电；该设计的车架具有刚度主动控制功能，能够针对不同的载荷工况实现对车架关键刚度特性的主动控制，不但提升了整车轻量化、舒适性的水平，而且对整车的安全性得到极大提升。
2、连接衬板采用壁厚较大的三维编织碳纤维增强聚氨酯基复合材料制作；由于金属材料的模量远大于复合材料，因此复合材料相对金属材料显得很“软”；若纵梁与横梁之间的连接衬板仍采用原有金属材料，在车架受载变形后，金属连接衬板会对复合材料纵梁产生“锯切”效应，严重威胁车架的整体可靠性；因此，为了协调纵梁与横梁之间变形并保证载荷的可靠传递，所述连接衬板采用壁厚较大的三维编织碳纤维增强聚氨酯基复合材料制作。
3、在复合材料纵梁结构件上进行钻孔，（包括用于机械固定刚度驱动器两端的螺栓的安装孔）满足汽车其他零部件的安装及引线工作；需注意为控制钻孔带来的损伤，需先用较小直径的钻头钻出小孔，再在小孔基础上磨削扩孔，使孔径达到设计尺寸；在磨削扩孔时，应对磨削处喷水，以防止树脂基体过热影响力学性能；在完成磨削扩孔后，在孔壁上涂抹高强度粘接剂，进一步控制开孔损伤。
附图说明
图1为本发明的立体图；
图2为本发明纵梁的立体图；
图3为本发明纵梁的剖视图；
图4为本发明纵梁的侧视图。
图中标号：1、纵梁；2、横梁；3、连接衬板；4、刚度驱动器；5、导线；6、螺栓；7、圆孔。
具体实施方式
如图1、2、3、4所示，一种可变刚度的复合车架，包括两根平行设置的纵梁1，纵梁1之间连接有若干横梁2，横梁2端部与纵梁1之间安装有连接衬板3，连接衬板3用于将纵梁1与横梁2完全固定；纵梁1横截面为U形结构，纵梁1的两翼内分别植入有刚度驱动器4，刚度驱动器4是含有形状记忆合金丝的三维编织物，刚度驱动器4两端与车载电源连接通电；该设计的车架具有刚度主动控制功能，能够针对不同的载荷工况实现对车架关键刚度特性的主动控制，不但提升了整车轻量化、舒适性的水平，而且对整车的安全性得到极大提升；
U形纵梁1的两翼刚度对纵梁1的弯曲刚度及扭转刚度有最灵敏的影响，由于形状记忆合金具有形状记忆效应及模量随温度变化的敏感特性，即形状记忆合金的弹性模量随温度的变化，具体规律如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，式中E为形状记忆合金在温度改变后的弹性模量，E0为形状记忆合金的初始弹性模量，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为线胀系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为材料特性参数，由材料性能试验获取；因此，当形状记忆合金丝通入合适的电流并发热后，形状记忆合金丝的模量随即发生改变，并驱动所述三维编织物的刚度发生对应的改变，进而刚度驱动器4驱动U形纵梁1的两翼产生对应的刚度变化。
刚度驱动器4是形状记忆合金丝与增强纤维通过编织得到的三维编织物，其经纱为形状记忆合金丝，纬纱及捆绑纱为增强纤维。
增强纤维包括玻璃纤维、碳纤维或玄武岩纤维等。
刚度驱动器4中的形状记忆合金丝为连续的长纤维，形状记忆合金丝两端从纵梁1内部延伸引出导线5，用于与车载电源连接通电，且两端设有螺栓6，实现机械固定。
纵梁1的两翼内分别对称设有至少两组刚度驱动器4，实现对复合材料车架的整体弯曲刚度及扭转刚度进行多维控制。
纵梁1上设有若干圆孔7，满足汽车其他零部件的安装及引线工作。
纵梁1采用连续纤维增强树脂基复合材料制作，增强纤维包括玻璃纤维、碳纤维和玄武岩纤维等力学性能满足应用要求的，树脂基体包括环氧树脂、聚氨酯的一种。
横梁2设有5根，根据成本等实际情况，横梁2也可采用与纵梁1相同的连续纤维增强树脂基复合材料制作。
连接衬板3采用壁厚较大的三维编织碳纤维增强聚氨酯基复合材料制作；由于金属材料的模量远大于复合材料，因此复合材料相对金属材料显得很“软”；若纵梁1与横梁2之间的连接衬板3仍采用原有金属材料，在车架受载变形后，金属连接衬板3会对复合材料纵梁1产生“锯切”效应，严重威胁车架的整体可靠性；因此，为了协调纵梁1与横梁2之间变形并保证载荷的可靠传递，所述连接衬板3采用壁厚较大的三维编织碳纤维增强聚氨酯基复合材料制作。
具体工作过程：可变刚度的复合车架装车后（形状记忆合金丝与车载电源构成导电通路），受汽车自身重力作用，所述可变刚度复合材料车架发生一定程度的初始变形，使得上文所述形状记忆合金丝产生预应力场；在汽车装载及行驶过程中，车载控制系统根据车载传感系统监控得到的汽车行驶状态及载荷分布状态，按照预定的控制策略对车载电源输出相应指令；车载电源根据指令对刚度驱动器4通电加热，使形状记忆合金的弹性模量按照预定要求变化，刚度驱动器4驱动，进而使复合材料车架的弯曲刚度及扭转刚度按照预定要求发生变化，最终实现复合材料车架刚度在具体车况下的匹配控制；相关的控制策略包括频域控制、天棚控制、模糊PID控制等常用的悬架控制策略，具体的控制策略可根据车型具体特点针对性地选用。
一种可变刚度的复合车架制备方法，具体步骤如下：
（1）按照纵梁1总体长度、U型截面的展开宽度及纵梁1总体厚度裁切若干层纤维布预浸润料（层数根据车架刚度匹配设计结果确定，纤维布包括为碳纤维布、玄武岩纤维布、玻璃纤维布等），所述纤维布预浸润料的铺层角度根据强度校核结果确定，包括0°、45°、90°铺层角度，各角度设置及铺层顺序统筹考虑车架的整体变形工况；
（2）按照刚度驱动器4所需尺寸，通过三维编织机制备好拟植入复合材料纵梁1的刚度驱动器4，所述刚度驱动器4为含有形状记忆合金丝的三维编织体；所述三维编织体的经纱为形状记忆合金纤维，纬纱及捆绑纱为传统增强纤维（玻璃纤维、碳纤维等）。
（3）将裁切制得的纤维布预浸润料按顺序顺次铺放在模具中，铺放到刚度驱动器4的铺层区域时，按照模具对应标记及设计位置平整放置预先制备的刚度驱动器4；然后，再顺次铺放剩余纤维布预浸润料；放置刚度驱动器4时，需从刚度驱动器4两端延伸引出形状记忆合金丝的导线5，用于通电；
（4）在铺层铺放完毕后，合模并加热固化，固化温度为90℃，固化时长30分钟；
（5）脱模并进行对复合材料纵梁1粗坯进行清理、去毛刺、打磨处理，并按照设计尺寸规格对复合材料纵梁1粗坯进行切割等机械加工，制得复合材料纵梁1结构件；
（6）在复合材料纵梁1结构件上进行钻孔，（包括用于机械固定刚度驱动器4两端的螺栓6的安装孔）满足汽车其他零部件的安装及引线工作；需注意为控制钻孔带来的损伤，需先用较小直径的钻头钻出小孔，再在小孔基础上磨削扩孔，使孔径达到设计尺寸；在磨削扩孔时，应对磨削处喷水，以防止树脂基体过热影响力学性能；在完成磨削扩孔后，在孔壁上涂抹高强度粘接剂，进一步控制开孔损伤；
（7）通过三维编织机制备连接衬板3的碳纤维预成型体，采用聚氨酯基体，通过树脂传递模塑成型工艺使纵梁1与横梁2之间的连接衬板3固化成型；
（8）将连接衬板3与复合材料纵梁1及对应的横梁2通过螺旋连接或粘接实现固定，使变刚度车架整体装配完成；
（9）将刚度驱动器4两端延伸引出与形状记忆合金丝连接的导线分别与车载电源接口连接，构成导电回路；所述车载电源具有电流控制模块，能根据车载传感系统采集的工况信号，按照预定的控制策略分别对各个刚度驱动器4的导入电流进行控制，进而对车架的弯曲刚度及扭转刚度进行主动控制。
至此，所述可变刚度复合材料车架制备完成。
本发明所述的复合材料车架具有刚度主动控制功能，当汽车受载不均导致车身异常变形时，可分别调节车架两侧纵梁1的弯曲刚度，使车身整体变形恢复正常，进而显著提高汽车的抗侧翻能力；当汽车有个别零部件在部分工况中有共振趋势时，针对性地增加车架相应区域的刚度，进而调整车架的模态频率或模态振型，最终避免共振及异响的产生。因此，变刚度复合材料车架也能显著提高整车的舒适性及动力学性能。此外，由于变刚度复合材料车架本身即是材料又是具有特定功能的执行器，因此可使复合材料车架具有结构与功能一体化、材料与器件集成化的特征，提高汽车的轻量化及智能化水平。

Claims (10)

1.一种可变刚度的复合车架制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)按照纵梁总体长度、U型截面的展开宽度及纵梁总体厚度裁切若干层纤维布预浸润料，所述纤维布预浸润料的铺层角度根据强度校核结果确定，包括0°、45°、90°的铺层角度；
(2)按照刚度驱动器所需尺寸，通过三维编织机制备好拟植入复合材料纵梁的刚度驱动器，所述刚度驱动器为含有形状记忆合金丝的三维编织体；所述三维编织体的经纱为形状记忆合金丝，纬纱及捆绑纱为增强纤维；
(3)将裁切制得的纤维布预浸润料按顺序顺次铺放在模具中，铺放到刚度驱动器的铺层区域时，按照模具对应标记及设计位置平整放置预先制备的刚度驱动器；然后，再顺次铺放剩余纤维布预浸润料；放置刚度驱动器时，需从刚度驱动器两端延伸引出与形状记忆合金丝连接的导线，用于通电；
(4)在铺层铺放完毕后，合模并加热固化，固化温度为90℃，固化时长30分钟；
(5)脱模并进行对复合材料纵梁粗坯进行清理、去毛刺、打磨处理，并按照设计尺寸规格对复合材料纵梁粗坯进行切割机械加工，制得复合材料纵梁结构件；
(6)在复合材料纵梁结构件上进行钻孔；
(7)通过三维编织机制备连接衬板的碳纤维预成型体，采用聚氨酯基体，通过树脂传递模塑成型工艺使纵梁与横梁之间的连接衬板固化成型；
(8)将连接衬板与复合材料纵梁及对应的横梁通过螺旋连接或粘接实现固定，使变刚度车架整体装配完成；
(9)将刚度驱动器两端延伸引出的导线分别与车载电源接口连接，构成导电回路，至此，所述可变刚度的复合车架制备完成。
2.根据权利要求1所述的一种可变刚度的复合车架制备方法，其特征在于：在复合材料纵梁结构件上钻孔时，需先用小直径的钻头钻出小孔，再在小孔基础上磨削扩孔，使孔径达到设计尺寸；在磨削扩孔时，应对磨削处喷水；在完成磨削扩孔后，在孔壁上涂抹高强度粘接剂。
3.一种可变刚度的复合车架，其特征在于：包括两根平行设置的纵梁，纵梁之间连接有若干横梁，横梁端部与纵梁之间安装有连接衬板，连接衬板用于将纵梁与横梁完全固定；纵梁横截面为U形结构，纵梁的两翼内分别植入有刚度驱动器，刚度驱动器是含有形状记忆合金丝的三维编织物，刚度驱动器两端与车载电源连接通电。
4.根据权利要求3所述的一种可变刚度的复合车架，其特征在于：刚度驱动器是形状记忆合金丝与增强纤维通过编织得到的三维编织物，其经纱为形状记忆合金丝，纬纱及捆绑纱为增强纤维，增强纤维包括为玻璃纤维、碳纤维或玄武岩纤维。
5.根据权利要求3或4所述的一种可变刚度的复合车架，其特征在于：刚度驱动器中的形状记忆合金丝为连续的长纤维，形状记忆合金丝两端从纵梁内部延伸引出有导线，导线用于与车载电源连接通电。
6.根据权利要求3所述的一种可变刚度的复合车架，其特征在于：纵梁的两翼内分别对称设有至少两组刚度驱动器。
7.根据权利要求3所述的一种可变刚度的复合车架，其特征在于：纵梁上设有若干圆孔。
8.根据权利要求3所述的一种可变刚度的复合车架，其特征在于：纵梁采用连续纤维增强树脂基复合材料，纤维包括为碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维中的一种或多种组合，树脂基体包括环氧树脂或聚氨酯。
9.根据权利要求3所述的一种可变刚度的复合车架，其特征在于：横梁设有5根。
10.根据权利要求3所述的一种可变刚度的复合车架，其特征在于：连接衬板采用三维编织的碳纤维增强聚氨酯基复合材料。
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