CN111823799B - 一种复合材料控制臂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于汽车的轻量化悬架技术领域，具体的说是一种复合材料控制臂及其制备方法。该控制臂包括本体、第一衬套、第二衬套和球销，所述第一衬套、第二衬套和球销均通过螺栓与本体固定连接，所述本体的内部镶嵌有第一加强条、第二加强条和第三加强条；所述本体的中间位置设有腹板。本体由短切纤维增强片状模塑料制成，第一加强条、第二加强条和第三加强条均由连续纤维预浸料制成。本发明中本体与加强条的组合方案类似骨骼和肌肉的仿生学原理，使其具有优异的刚度和强度性能，能够有效地传递载荷，同时保证连接点处的强度，相比现有的控制臂，在提升性能的同时极大程度地实现轻量化。

Description

一种复合材料控制臂及其制备方法
技术领域
本发明属于汽车的轻量化悬架技术领域，具体的说是一种复合材料控制臂及其制备方法。
背景技术
随着国家汽车油耗以及排放法规日益严苛，汽车轻量化的工作愈发地迫切。在汽车轻量化方面，以复合材料代替金属的解决案例也在不断地被探索、研究与应用。控制臂作为汽车悬架系统的导向和传力元件，将作用在车轮上的各种力传递给车身，同时保证车轮按一定轨迹运动，对汽车运行的平稳性有重要影响。目前传统的汽车控制臂有锻造式、双片式钢板焊接式、单片钢板冲压式等，但传统的金属材料使得控制臂的轻量化减重空间非常有限。
近年来随着复合材料的发展，逐步出现复合材料往控制臂方面的技术探索，但是受限于控制臂的复杂结构，其工艺方法和连接方案一直是技术难点。
发明内容
本发明提供了一种复合材料控制臂及其制备方法，能实现控制臂具有较好的力学性能，同时具有良好的轻量化效果，解决了现有控制臂存在的上述问题。
本发明技术方案结合附图说明如下：
一种复合材料控制臂，包括本体1、第一衬套2、第二衬套3和球销4，所述第一衬套2、第二衬套3和球销4均通过螺栓7与本体1固定连接，所述本体1的内部镶嵌有第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53；所述本体1的中间位置设有腹板14。
所述本体1上设有第一连接端11、第二连接端12和第三连接端13；所述第一连接端11上设有第一连接孔111和第二连接孔112；所述第二连接端12上设有第三连接孔121和第四连接孔122；所述第三连接端13上设有第五连接孔131和第六连接孔132；所述第一连接孔111、第二连接孔112、第三连接孔121、第四连接孔122、第五连接孔131和第六连接孔132内均设有金属衬套6；所述第一连接孔111、第二连接孔112、第三连接孔121、第四连接孔122、第五连接孔131和第六连接孔132的两端设有凸台16；所述金属衬套6的上表面和凸台16的上表面平齐；所述第一连接端11与第一衬套2连接；所述第二连接端12和第二衬套3连接；所述第三连接端13和球销4连接。
所述第一加强条51和第二加强条52为直线形结构；所述第三加强条53为弧形结构；所述第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53的两端均设有圆环54，中间截面为矩形；所述圆环54的内径尺寸等于金属衬套6外径的尺寸；所述第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53的高度小于金属衬套6的高度；所述第一加强条51的圆环54的位置与第一连接孔111和第六连接孔132的位置对应；所述第二加强条52的圆环54的位置与第二连接孔112和第三连接孔121的位置对应；所述第三加强条53的圆环54的位置与第四连接孔122和第五连接孔131位置对应。
所述本体1的上表面和下表面均设有一圈封闭的加强筋10；所述加强筋10和第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53的布置路径一致；所述加强筋10包裹住第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53的非圆环部位；所述加强筋10在第一连接端11、第二连接端12和第三连接端13的位置均设有让位结构101；所述腹板14的中间开有工艺孔15；所述加强筋10与腹板14形成的截面呈“H”型。
所述第一衬套2上设有第一连接支架21；所述第二衬套3上设有第二连接支架31；所述球销4上设有第三连接支架41；所述第一连接支架21、第二连接支架31和第三连接支架41上均设有C形豁口，并且设有安装过孔；所述安装过孔的位置与第一连接孔111、第二连接孔112、第三连接孔121、第四连接孔122、第五连接孔131和第六连接孔132的位置对应；所述第一连接支架21、第二连接支架31和第三连接支架41通过C形豁口与第一连接端11、第二连接端12和第三连接端13呈夹持状态，并且通过螺栓7连接。
所述本体1由短切纤维增强片状模塑料制成；所述第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53均由连续纤维预浸料制成。
一种复合材料控制臂的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、制作第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53；
步骤二、制作本体1；
步骤三、连接装配制成复合材料控制臂。
所述步骤一的具体方法如下：
首先将两个金属衬套6放置于缠绕固定位B，然后将连续纤维预浸料8以确定的环绕方向对两个金属衬套6进行缠绕，然后整体转移到第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53的加工模具9中，金属衬套6放置于模压固定位C，进行模压成型，按照以上方法分别制得带有金属衬套的第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53；缠绕固定位B中两个金属衬套6的间距需要根据产品的尺寸进行反向换算。
所述步骤二的具体方法如下：
首先将带有金属衬套的第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53放置于本体加工模具内的预设位置，然后按照计算的用量铺放短切纤维增强片状模塑料，最后模压成型，制得本体1，同时第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53和金属衬套6被镶嵌于本体1内部。
所述步骤三的具体方法如下：
将第一衬套2、第二衬套3和球销4与本体1通过螺栓7连接。
本发明的有益效果：
1)本发明提出的复合材料控制臂，本体采用短切纤维增强片状模塑料制成，在模压成型时具有良好的流动性，能够形成各种复杂结构，保证刚度和强度，同时降低应力集中现象，相比现有的金属材料控制臂，在保证性能的同时大幅降低了重量。本体内部采用加强条进行补强，加强条采用连续纤维预浸料制成，拥有极高的强度。加强条的两端设有圆环结构，保证了连接点的强度，同时当本体与第一衬套、第二衬套、球销进行装配后，第一加强条、第二加强条和第三加强条实现两两连接，形成稳定的三角形结构，能够有效地传递载荷。另外，加强条包裹在加强筋的位置，同时提供了刚度。本体与加强条的组合方案类似骨骼和肌肉的仿生学原理，使得控制臂具有优异的性能；
2)本发明提出的复合材料控制臂的制备方法，采用缠绕的方式制作加强条，纤维连续完整，使得加强条的强度不受损失，特别保证了连接点处的强度。在缠绕过程中，金属衬套作为缠绕辅具；在加强条加工模具中，金属衬套与加强条固化为一体，作为后期产品连接点的补强结构。短切纤维增强片状模塑料具有良好的流动性，在本体加工模具中，随着压力作用，能够紧密包裹加强条以及金属衬套的部分区域，固化后的本体与加强条以及金属衬套将拥有良好的界面性能。
图1是本发明提供的控制臂的结构示意图；
图2是本发明提供的控制臂的拆解示意图；
图3是本发明提供的本体的剖切示意图；
图4是本发明提供的加强条的内部连接关系图；
图5是图1在A-A处的截面图；
图6a和图6b是本发明提供的加强条的制作工艺图。
图中：1、本体；2、第一衬套；3、第二衬套；4、球销；6、金属衬套；7、螺栓；8、连续纤维预浸料；9、加工模具；10、加强筋；11、第一连接端；12、第二连接端；13、第三连接端；14、腹板；15、工艺孔；16、凸台；21、第一连接支架；31、第二连接支架；41、第三连接支架；51、第一加强条；52、第二加强条；53、第三加强条；54、圆环；101、让位结构；111、第一连接孔；112、第二连接孔；121、第三连接孔；122、第四连接孔；131、第五连接孔；132、第六连接孔。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
参阅图1和图2，一种复合材料控制臂，包括本体1、第一衬套2、第二衬套3和球销4，所述第一衬套2、第二衬套3和球销4均通过螺栓7与本体1固定连接；所述第一衬套2和第二衬套3均用于连接汽车的副车架；所述球销4用于连接汽车的转向节。所述本体1的内部镶嵌有第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53；所述本体1的中间位置设有腹板14。
参阅图2和图3，所述本体1上设有第一连接端11、第二连接端12和第三连接端13；所述第一连接端11上设有第一连接孔111和第二连接孔112；所述第二连接端12上设有第三连接孔121和第四连接孔122；所述第三连接端13上设有第五连接孔131和第六连接孔132；所述第一连接孔111、第二连接孔112、第三连接孔121、第四连接孔122、第五连接孔131和第六连接孔132内均设有金属衬套6；所述第一连接孔111、第二连接孔112、第三连接孔121、第四连接孔122、第五连接孔131和第六连接孔132的两端设有凸台16；所述金属衬套6的上表面和凸台16的上表面平齐；所述第一连接端11与第一衬套2连接；所述第二连接端12和第二衬套3连接；所述第三连接端13和球销4连接。
参阅图2和图3，所述第一加强条51和第二加强条52为直线形结构；所述第三加强条53为弧形结构，此结构是为了匹配本体1的结构；所述第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53的两端均设有圆环54，中间截面为矩形，壁厚为6mm，圆环54处的壁厚为中间截面处壁厚的1/2，当然壁厚也可以根据具体需要进行设置。第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53是通过连续纤维预浸料缠绕在金属衬套6上然后一体成型获得，因此圆环54的内径尺寸等于金属衬套6的外径尺寸。第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53均被整体镶嵌于本体1当中，而金属衬套16的表面和凸台16的表面平齐，因此第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53的高度小于金属衬套6的高度。第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53制作完成之后将其放置于本体加工模具的指定位置，短切纤维增强片状模塑料包裹加强条一体成型，从而实现第一加强条51的圆环54的位置与第一连接孔111和第六号连接孔132对应，第二加强条52的圆环54的位置与第二连接孔112和第三连接孔121对应，第三加强条53的圆环54的位置与第四号连接孔122和第五连接孔131对应。参阅图4，当本体1与第一衬套2、第二衬套3、球销4进行装配后，第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53实现两两连接，形成稳定的三角形结构，能够有效地传递载荷。
参阅图2和图3，所述本体1的上表面和下表面均设有一圈封闭的加强筋10；所述加强筋10和第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53的布置路径一致；所述加强筋10包裹住第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53的非圆环部位；所述加强筋10在第一连接端11、第二连接端12和第三连接端13的位置均设有让位结构101；所述腹板14的中间开有工艺孔15；所述加强筋10与腹板14形成的截面呈“H”型。第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53包裹在加强筋10的位置，既提供了强度，又提供了刚度。本体1与第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53的组合方案类似骨骼和肌肉的仿生学原理，使得控制臂具有优异的性能。
参阅图2，所述第一衬套2上设有第一连接支架21；所述第二衬套3上设有第二连接支架31；所述球销4上设有第三连接支架41；所述第一连接支架21、第二连接支架31和第三连接支架41上均设有C形豁口，并且设有安装过孔；所述安装过孔的位置与第一连接孔111、第二连接孔112、第三连接孔121、第四连接孔122、第五连接孔131和第六连接孔132的位置对应；所述第一连接支架21、第二连接支架31和第三连接支架41通过C形豁口与第一连接端11、第二连接端12和第三连接端13呈夹持状态，并且通过螺栓7连接。
所述本体1由短切纤维增强片状模塑料制成，短切纤维增强片状模塑料所用的树脂基体可以是不饱和树脂、乙烯基树脂或者环氧树脂。
所述第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53均由连续纤维预浸料制成，连续纤维预浸料所用的树脂基体可以是不饱和树脂、乙烯基树脂或者环氧树脂。
其中，短切纤维和连续纤维可以是碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维，对于控制臂这类承载较大的底盘部件，为了获得更好的轻量化效果，优选碳纤维。
综上，本发明提供的复合材料控制臂，本体1采用短切纤维增强片状模塑料制成，在模压成型时具有良好的流动性，能够形成各种复杂结构，保证刚度和强度，同时降低应力集中现象，相比现有的金属材料控制臂，在保证性能的同时大幅降低了重量。本体1内部采用加强条进行补强，加强条采用连续纤维预浸料制成，拥有极高的强度。所述第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53的两端设有圆环54结构，保证了连接点的强度，同时当本体1与第一衬套2、第二衬套3、球销4进行装配后，第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53实现两两连接，形成稳定的三角形结构，能够有效地传递载荷。另外，所述第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53包裹在加强筋10的位置，同时提供了刚度。本体1与所述第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53的组合方案类似骨骼和肌肉的仿生学原理，使得控制臂具有优异的性能。
一种复合材料控制臂的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、制作第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53；
参阅图6a和图6b，首先将两个金属衬套6放置于缠绕固定位B，然后将连续纤维预浸料8以确定的环绕方向对两个金属衬套6进行缠绕，然后整体转移到第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53的加工模具9中，金属衬套6放置于模压固定位C，进行模压成型，按照以上方法分别制得带有金属衬套的第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53；缠绕固定位B中两个金属衬套6的间距需要根据产品的尺寸进行反向换算。
步骤二、制作本体1；
首先将带有金属衬套的第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53放置于本体加工模具内的预设位置，然后按照计算的用量铺放短切纤维增强片状模塑料，最后模压成型，制得本体1，同时第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53和金属衬套6被镶嵌于本体1内部。
步骤三、连接装配制成复合材料控制臂。
将第一衬套2、第二衬套3和球销4与本体1通过螺栓7连接。
该方法采用缠绕的方式制作第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53，纤维连续完整，使得加强条的强度不受损失，特别是保证了连接点处的强度。在缠绕过程中，金属衬套6作为缠绕辅具；在加强条的加工模具9中，金属衬套6与第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53固化为一体，作为后期产品连接点的补强结构。短切纤维增强片状模塑料具有良好的流动性，在本体加工模具中，随着压力作用，能够紧密包裹加强条以及金属衬套6的部分区域，固化后的本体1与第一加强条51、第二加强条52和第三加强条53以及金属衬套6将拥有良好的界面性能。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种复合材料控制臂，包括本体(1)、第一衬套(2)、第二衬套(3)和球销(4)，所述第一衬套(2)、第二衬套(3)和球销(4)均通过螺栓(7)与本体(1)固定连接，其特征在于，所述本体(1)的内部镶嵌有第一加强条(51)、第二加强条(52)和第三加强条(53)；所述本体(1)的中间位置设有腹板(14)；所述本体(1)上设有第一连接端(11)、第二连接端(12)和第三连接端(13)；所述第一连接端(11)上设有第一连接孔(111)和第二连接孔(112)；所述第二连接端(12)上设有第三连接孔(121)和第四连接孔(122)；所述第三连接端(13)上设有第五连接孔(131)和第六连接孔(132)；所述第一连接孔(111)、第二连接孔(112)、第三连接孔(121)、第四连接孔(122)、第五连接孔(131)和第六连接孔(132)内均设有金属衬套(6)；所述第一连接孔(111)、第二连接孔(112)、第三连接孔(121)、第四连接孔(122)、第五连接孔(131)和第六连接孔(132)的两端设有凸台(16)；所述金属衬套(6)的上表面和凸台(16)的上表面平齐；所述第一连接端(11)与第一衬套(2)连接；所述第二连接端(12)和第二衬套(3)连接；所述第三连接端(13)和球销(4)连接；所述第一加强条(51)和第二加强条(52)为直线形结构；所述第三加强条(53)为弧形结构；所述第一加强条(51)、第二加强条(52)和第三加强条(53)的两端均设有圆环(54)，中间截面为矩形；所述圆环(54)的内径尺寸等于金属衬套(6)外径的尺寸；所述第一加强条(51)、第二加强条(52)和第三加强条(53)的高度小于金属衬套(6)的高度；所述第一加强条(51)的圆环(54)的位置与第一连接孔(111)和第六连接孔(132)的位置对应；所述第二加强条(52)的圆环(54)的位置与第二连接孔(112)和第三连接孔(121)的位置对应；所述第三加强条(53)的圆环(54)的位置与第四连接孔(122)和第五连接孔(131)位置对应；所述本体(1)的上表面和下表面均设有一圈封闭的加强筋(10)；所述加强筋(10)和第一加强条(51)、第二加强条(52)和第三加强条(53)的布置路径一致；所述加强筋(10)包裹住第一加强条(51)、第二加强条(52)和第三加强条(53)的非圆环部位；所述加强筋(10)在第一连接端(11)、第二连接端(12)和第三连接端(13)的位置均设有让位结构(101)；所述腹板(14)的中间开有工艺孔(15)；所述加强筋(10)与腹板(14)形成的截面呈“H”型；所述第一衬套(2)上设有第一连接支架(21)；所述第二衬套(3)上设有第二连接支架(31)；所述球销(4)上设有第三连接支架(41)；所述第一连接支架(21)、第二连接支架(31)和第三连接支架(41)上均设有C形豁口，并且设有安装过孔；所述安装过孔的位置与第一连接孔(111)、第二连接孔(112)、第三连接孔(121)、第四连接孔(122)、第五连接孔(131)和第六连接孔(132)的位置对应；所述第一连接支架(21)、第二连接支架(31)和第三连接支架(41)通过C形豁口与第一连接端(11)、第二连接端(12)和第三连接端(13)呈夹持状态，并且通过螺栓(7)连接；所述本体(1)由短切纤维增强片状模塑料制成；所述第一加强条(51)、第二加强条(52)和第三加强条(53)均由连续纤维预浸料制成。
2.一种复合材料控制臂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、制作第一加强条(51)、第二加强条(52)和第三加强条(53)；
步骤二、制作本体(1)；
步骤三、连接装配制成复合材料控制臂；
所述步骤一的具体方法如下：
首先将两个金属衬套(6)放置于缠绕固定位B，然后将连续纤维预浸料(8)以确定的环绕方向对两个金属衬套(6)进行缠绕，然后整体转移到第一加强条(51)、第二加强条(52)和第三加强条(53)的加工模具(9)中，金属衬套(6)放置于模压固定位C，进行模压成型，按照以上方法分别制得带有金属衬套的第一加强条(51)、第二加强条(52)和第三加强条(53)；缠绕固定位B中两个金属衬套(6)的间距需要根据产品的尺寸进行反向换算；
所述步骤二的具体方法如下：
首先将带有金属衬套的第一加强条(51)、第二加强条(52)和第三加强条(53)放置于本体加工模具内的预设位置，然后按照计算的用量铺放短切纤维增强片状模塑料，最后模压成型，制得本体(1)，同时第一加强条(51)、第二加强条(52)和第三加强条(53)和金属衬套(6)被镶嵌于本体(1)内部；
所述步骤三的具体方法如下：
将第一衬套(2)、第二衬套(3)和球销(4)与本体(1)通过螺栓(7)连接。
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