CN115958820A - 一种重卡用轻量化复合材料汽车导向臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种重卡用轻量化复合材料汽车导向臂，属于汽车导向臂制造技术领域，包括导向臂本体及内部的Z型金属增强芯、金属套筒等。导向臂本体由复合材料加工而成，在导向臂本体的前端成Z型结构中预埋Z型的金属增强芯，装配孔处内置金属套筒。本申请的重卡用轻量化复合材料汽车导向臂具有轻量化、强度高、成本相对于单纯采用碳纤维复合材料的制备成本低。

Description

一种重卡用轻量化复合材料汽车导向臂

技术领域

本发明涉及一种重卡用轻量化复合材料汽车导向臂，属于汽车导向臂制造技术领域。

背景技术

导向臂是空气悬架系统中导向机构重要的组成部分。导向机构是空气悬挂系统的支柱，车辆行驶过程中纵向力、横向力以及力矩的传递都由导向机构承担。随着汽车行业对节能减排的要求越来越高，汽车各部件的减重也势在必行。因此，如何采用轻质高强的碳纤维复合材料代替原来的钢制材料去设计、制备导向臂，是亟需研究和实现的一个迫切问题。在复杂的受力工况下，对于其性能为各向异性的复合材料来说，导向臂的结构设计难度更大，也更灵活，需要完全理解导向臂受力状态和复合材料性能的前提下，进行合理的结构设计，同时还要考虑制备工艺对产品性能的不利影响，优化工艺方法和参数，才能满足导向臂的应用要求。

发明内容

为了能够实现对重卡用的汽车导向臂的轻量化，本发明提供了一种重卡用轻量化复合材料汽车导向臂的设计和制备方法。

一种重卡用轻量化复合材料汽车导向臂，包括导向臂本体，导向臂本体的前端成Z字形，其特征在于，所述导向臂本体前端的Z字形结构内预埋Z型的金属增强芯，在导向臂的装配孔处设置有金属套筒，金属套筒穿过导向臂本体及其内部的金属增强芯；所述导向臂本体由复合材料加工而成；所述复合材料包括碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料。

上述技术方案的优点是：本方案设计的碳纤维复合材料导向臂，其装配尺寸均与原钢制导向臂一致，能够直接代替原导向臂装车应用，避免了对车体结构需要重新设计的问题。同时与原钢制导向臂相比，其性能在不降低的情况下，能够减重40％以上。另外本方案采用了碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、金属材料混合使用的方式，在挤压或剪切应力较大的部位采用金属材料，压应力或应变较大的部位采用玻璃纤维复合材料，拉应力较大的部位采用碳纤维复合材料，充分发挥了各种材料的性能优势，保证了复合材料导向臂的综合性能，也避免了单纯采用碳纤维复合材料，制备成本较高的问题。

为了更好的实现本发明的目的，对上述技术方案做出如下完善及改进：

进一步，所述玻璃纤维复合材料位于导向臂底部，其总厚度不超过导向臂复合材料总厚度的30％，所述碳纤维复合材料位于导向臂顶部，其总厚度不低于导向臂复合材料总厚度的60％，所述Z型金属增强芯位于玻璃纤维与碳纤维复合材料之间的Z型位置，其厚度不低于该处导向臂总厚度的20％，所用材料优选弹簧钢。

上述的技术特征在本申请中的有益效果是：导向臂底部装配处主要承受挤压应力，且导向臂两端的底部应变较大，因此采用强度适中、但断裂伸长率较高的玻璃纤维复合材料满足此处应力应变需求；导向臂的顶部主要承受拉应力且是应力较大位置，因此采用拉伸强度最高的碳纤维复合材料满足此处应力要求；而位于中间的Z型位置处的剪切应力最大，采用层间强度不高的复合材料不合适，因此采用高强度的弹簧钢能满足此处受力要求。

进一步，所述金属增强芯的一侧板面上或者两侧板面上设置有多个增强倒刺。所述增强倒刺向导向臂的前端倾斜，增强倒刺的倾斜角度为30°～50°。

上述的技术特征在本申请中的有益效果是：倒刺能够增加金属增强芯与碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料的胶接面积，提高界面粘接强度，同时能够增加金属增强芯与复合材料的咬合能力，提高结合强度。

进一步，所述金属增强芯的厚度由中间向两端逐渐变薄，端部最薄处不大于5mm。

上述的技术特征在本申请中的有益效果是：金属增强芯两端是以楔子形式嵌入复合材料内部，能够增加上、下面的压应力，使结合更牢固，且能避免预浸料在增强芯端部铺层时出现架桥、铺贴不到位的问题，减少缺陷。

本发明复合材料汽车导向臂的制备方法如下：

第一步，准备导向臂模具，包括仿形的导向臂本体底模，在导向臂本体底模的尾部安装卷耳定位销，用于形成导向臂装配孔的金属套筒，Z字形的金属增强芯，以及安装底板；导向臂本体底模和卷耳定位销固定在安装底板上，金属套筒安装在导向臂本体底模前端；

第二步，根据铺层设计裁剪玻璃纤维预浸料、碳纤维预浸料；

第三步，先铺设裁剪好的玻璃纤维预浸料，再铺贴碳纤维预浸料直至两种预浸料分别达到设计厚度，并在预浸料上开孔使将金属套筒露出；

第四步，铺设过程中，将金属增强芯安装到位，其中增强芯表面的增强倒刺要穿进预浸料内；

第五步，继续铺设碳纤维预浸料直至达到设计厚度，并在预浸料上开孔使将金属套筒露出，增强芯表面的增强倒刺要穿进预浸料内；

第六步，将铺设完毕后的导向臂用真空袋包装后，放入热压罐中固化成型。

第七步，脱模，取出导向臂成品。

附图说明

图1为本申请的重卡用轻量化复合材料汽车导向臂的立体结构示意图；

图2为图1的剖视图；

图3为Z型金属增强芯结构示意图；

图4为带有倒刺的Z型金属增强芯结构示意图；

图5为导向臂参考模具的安装状态示意图。

附图标记记录如下：导向臂本体-1，卷耳-2，金属增强芯-3，装配孔-3.1，增强倒刺-4，金属套筒-5，导向臂本体底模-10，卷耳定位销-11，安装底板-12。

具体实施方式

以下实施例结合附图，仅是为了对权利要求书中所记载的技术方案加以说明，并非是对权利要求保护范围的限制。

实施例1

结合附图1-4，一种重卡用轻量化复合材料汽车导向臂，包括导向臂本体1，导向臂本体1的前端成Z字形，导向臂本体1前端的Z字形结构内预埋Z型的金属增强芯3，在导向臂的装配孔处设置有金属套筒5，金属套筒5穿过导向臂本体1及其内部的金属增强芯3，导向臂本体由复合材料加工而成，复合材料包括碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料，金属增强芯3上设置有相应的用于安装金属套筒5的装配孔3.1。

上述导向臂还可以做出如下的改进和完善：

其中，玻璃纤维复合材料位于导向臂底部，其总厚度不超过导向臂复合材料总厚度的30％，在加工过程中的第三步，先铺设玻璃纤维，再铺设碳纤维，并没有说交替进行铺层。因为金属增强芯下面可以只是玻璃纤维，也可以是玻璃纤维和玻璃纤维的组合，不是交替构成，但必须是先铺贴玻璃纤维，再铺贴碳纤维，以上所有的构成都要满足玻璃纤维厚度不超过导向臂总厚度的30％。碳纤维复合材料位于导向臂顶部，其总厚度不低于导向臂复合材料总厚度的60％，Z型金属增强芯位于玻璃纤维与碳纤维复合材料之间的Z型位置，其厚度不低于该处导向臂总厚度的20％。

金属增强芯3的一侧板面上或者两侧板面上设置有多个增强倒刺4；金属增强芯3的厚度由中间向两端逐渐变薄，端部最薄处不大于5mm。

复合材料中的装配孔内置金属套筒5，金属套筒5内径满足装配要求，且所述金属增强芯3两端也有装配孔3.1，并与复合材料装配孔一致，金属套筒5安装在装配孔内贯穿复合材料和金属增强芯3，复合材料装配孔内置金属套筒能够在导向臂成型时容易脱模，在导向臂装配应用时保护复合材料，防止复合材料磨损及层间裂纹延伸，金属增强芯设有的装配孔能够通过金属套筒将增强芯与上、下复合材料牢固连接在一起，起到提高三者粘接面抗剪能力的作用。

实施例2

在实施例1的基础上，结合附图5，实施例1的金属增强芯通过如下的步骤进行加工：

第一步，准备导向臂模具，包括仿形的导向臂本体底模10，在导向臂本体底模10的尾部安装卷耳定位销11，用于形成导向臂装配孔的金属套筒5，Z字形的金属增强芯3，以及安装底板12，导向臂本体底模10和卷耳定位销11固定在安装底板12上，金属套筒5安装在导向臂本体底模10前端，在安装底板12上，卷耳定位销11和导向臂本体底模10之间留有间隙，这样在复合材料在包裹卷耳定位销11后，可以形成一个粘贴的过渡，保证成型后的导向臂的强度，金属增强芯3的表面需要除油、糙化处理，如喷砂，阳极化处理，提高金属增强芯的表面吸附能，增加与复合材料之间的粘接面积，从而提高增强芯与复合材料之间的粘接强度；

第二步，根据铺层设计裁剪玻璃纤维预浸料、碳纤维预浸料；

第三步，先铺设裁剪好的玻璃纤维预浸料，再铺贴碳纤维预浸料直至两种预浸料分别达到设计厚度，并在预浸料上开孔使将金属套筒露出，其中玻璃纤维预浸料厚度占导向臂复合材料总厚度的20％，碳纤维预浸料占导向臂复合材料总厚度的80％，这样在铺设的时候，形成玻璃纤维复合材料铺设在导向臂的底部；

第四步，将金属增强芯安装到位，其中增强芯表面的增强倒刺要穿进预浸料内；安装金属增强芯时的铺设厚度达到设计厚度的1/2，放置金属增强芯的时候，金属套管5穿过金属增强芯上相应位置的装配孔3.1；

第五步，金属增强芯3放置好后，继续铺设碳纤维预浸料直至达到设计厚度，并在预浸料上开孔使将金属套筒5露出，金属增强芯3表面设置有倒刺时，金属增强芯3上的倒刺要穿进预浸料内，金属增强芯为弹簧钢增强芯，在金属增强芯3的表面喷砂处理，继续铺贴纤维预浸料直至达到设计厚度，其中金属增强芯3上表面及端部的预浸料铺层时采用错层铺贴法，保证增强芯中心部位和端部的预浸料平滑过渡，尽量保证厚度一致；

第六步，将铺设完毕后的导向臂用真空袋包装后，放入热压罐中固化成型；此时的安装底板是与导向臂本体底模和卷耳定位销分离；固化温度：室温～300℃，固化压力：0.3MPa～1.2MPa，升降温速率不大于5℃/min；

第七步，脱模，取出导向臂成品；对导向臂成品进行打磨、喷漆。

步骤3～步骤5中，每铺贴5～10mm后进行一次室温压实，压实工艺为真空度不低于0.090MPa，保压时间不少于10min，每铺贴20～25mm时进行加温加压压实，压实工艺为真空度不低于0.080MPa，外压不低于0.3MPa，温度不低于50℃，保压时间不少于30min，若室温压实与加温加压压实的厚度重合，则只进行加温加压压实工艺，并且放入弹簧钢增强芯后要进行一次加温加压压实。

表1为本发明所得碳纤维导向臂与原金属导向臂的对比，可以看出，本发明碳纤维导向臂在测试要求相同的情况下自重明显低于原金属导向臂。

表1.碳纤维导向臂与原金属导向臂的对比

项目	重量	静载测试	疲劳次数
				原金属导向臂	25kg	12吨，合格	12吨，10万次
碳纤维导向臂	14kg	12吨，合格	12吨，10万次

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任碳纤维导向臂何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种重卡用轻量化复合材料汽车导向臂，包括导向臂本体(1)，导向臂本体(1)的前端成Z字形，其特征在于，所述导向臂本体(1)前端的Z字形结构内预埋Z型的金属增强芯(3)，在导向臂的装配孔处设置有金属套筒(5)，金属套筒穿过导向臂本体(1)及其内部的金属增强芯(3)；所述导向臂本体由复合材料加工而成；所述复合材料包括碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料。

2.根据权利要求1所述的重卡用轻量化复合材料汽车导向臂，其特征在于，所述玻璃纤维复合材料位于导向臂底部，其总厚度不超过导向臂复合材料总厚度的30％，所述碳纤维复合材料位于导向臂顶部，其总厚度不低于导向臂复合材料总厚度的60％，所述Z型金属增强芯位于玻璃纤维与碳纤维复合材料之间的Z型位置，其厚度不低于该处导向臂总厚度的20％。

3.根据权利要求1所述的重卡用轻量化复合材料汽车导向臂，其特征在于，所述金属增强芯(3)的一侧板面上或者两侧板面上设置有多个增强倒刺(4)。

4.根据权利要求1所述的重卡用轻量化复合材料汽车导向臂，其特征在于，所述金属增强芯的厚度由中间向两端逐渐变薄，端部最薄处不大于5mm。

5.根据权利要求1所述的重卡用轻量化复合材料汽车导向臂，其特征在于，所述复合材料汽车导向臂的制备方法为：

第一步，准备导向臂模具，包括仿形的导向臂本体底模(10)，在导向臂本体底模(10)的尾部安装卷耳定位销(11)，用于形成导向臂装配孔的金属套筒(5)，Z字形的金属增强芯(3)，以及安装底板(12)，导向臂本体底模(10)和卷耳定位销(11)固定在安装底板(12)上，金属套筒(5)安装在导向臂本体底模(10)前端；

第二步，根据铺层设计裁剪玻璃纤维预浸料、碳纤维预浸料；

第三步，先铺设裁剪好的玻璃纤维预浸料，再铺贴碳纤维预浸料直至两种预浸料分别达到设计厚度，并在预浸料上开孔使将金属套筒露出；

第四步，铺设过程中，将金属增强芯(3)安装到位，其中增强芯表面的增强倒刺要穿进预浸料内；

第五步，继续铺设碳纤维预浸料直至达到设计厚度，并在预浸料上开孔使将金属套筒露出，增强芯表面的增强倒刺要穿进预浸料内；

第六步，将铺设完毕后的导向臂用真空袋包装后，放入热压罐中固化成型；

第七步，脱模，取出导向臂成品。

Images