CN116198266A - 一种汽车用复合材料控制臂结构及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

本申请涉及汽车控制臂领域，尤其是涉及一种汽车用复合材料控制臂结构及其加工工艺，包括控制臂本体，控制臂本体由碳纤维层以及玻纤预浸料层复合而成，玻纤预浸料层包覆在碳纤维层内,控制臂本体上设有球销安装部、连接销安装部、立边、轴孔，轴孔内安装有轴套，本申请改善了传统方式中控制臂上增加了加强板之后，本体板与加强板存在分离的风险、本体板与加强板连接处存在断裂的风险的问题，能够达到减轻控制臂本体的重量的同时，增加控制臂的强度的效果。

Description

一种汽车用复合材料控制臂结构及其加工工艺

技术领域

本申请涉及汽车控制臂领域，尤其是涉及一种汽车用复合材料控制臂结构及其加工工艺。

背景技术

控制臂是汽车底盘中的重要组成部分，通常包括控制臂本体和轴套组成，控制臂本体的两端分别安装有用于与其他部件相连的连接件，轴套安装在控制臂本体上，并且用于安装轴类零件。

基于目前环保和节能的需求，汽车轻量化设计成为发展趋势。而控制臂作为底盘轻量化的重要组成部分，也在向着减重方向发展。在传统方式中，控制臂通常采用锻造、双片焊接或单片焊接等工艺进行加工生产，减重效果不明显。而碳纤维作为一种高强度、高模量的材料，越来越多的被应用到汽车上。

现有技术中公开了一种复合材料汽车控制臂及其制作方法，包括控制臂本体、衬套结构以及球头结构，所述控制臂本体包括本体中间钢板和设在本体中间钢板两侧的本体碳纤维，所述衬套结构和球头结构均设在本体中间钢板对应端部上。该发明中控制臂主体仍然采用钢板，其减重效果有限。

现有技术中公开了一种热固性碳纤维玻璃纤维混合设计的复合材料控制臂及制作方法，该控制臂本体上设置有玻璃纤维制成的加强板，控制臂本体和加强板通过模压复合成型。该发明中，虽然控制臂主体有碳纤维和玻璃纤维复合而成，但是由于汽车行驶环境比较复杂，控制臂受力复杂，长期使用后产生：（1）本体板与加强板分离的风险；（2）本体板与加强板连接处断裂的风险。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种既能实现控制臂减重，同时又能够提高控制臂本体的强度的一种汽车用复合材料控制臂结构。

第一方面，本申请提供一种汽车用复合材料控制臂结构，采用如下技术方案：

一种汽车用复合材料控制臂结构，包括控制臂本体，所述控制臂本体由碳纤维层以及玻纤预浸料层复合而成，所述玻纤预浸料层包覆在碳纤维层内,所述控制臂本体上设有球销安装部、连接销安装部、立边、轴孔，所述轴孔内安装有轴套。

通过采用上述技术方案，利用碳纤维层以及玻纤预浸料层复合形成，从而便于减轻控制臂的重量，同时，将玻纤预浸料层完全包覆在碳纤维层内，从而消除不同材料之间的分层风险，便于减少层间开裂的现象，从而便于保持控制臂本体的强度。

在一个具体的可实施方案中，所述碳纤维层包括第一碳纤维预浸料层和第三碳纤维预浸料层,所述玻纤预浸料层包覆在第一碳纤维预浸料层和第三碳纤维预浸料层之间。

通过采用上述技术方案，将玻纤预浸料层完全包覆在第一碳纤维预浸料层和第三碳纤维预浸料层之间，从而减少了玻纤层出现开裂的现象，以及减少了玻纤和碳纤出现分层的情况，从而增加了控制臂本体的强度。

在一个具体的可实施方案中，所述碳纤维层还包括第二碳纤维预浸料层，所述第二碳纤维预浸料层包括上段、弧形段和下段；所述弧形段包覆在轴套外壁；所述上段和下段设置在玻纤预浸料层间。

通过采用上述技术方案，采用第二碳纤维预浸料层包裹轴套外壁，上段和下段插入玻纤预浸料层间，保证了控制臂上轴套与复合材料层的连接强度。

在一个具体的可实施方案中，靠近轴套区域，所述玻纤预浸料层包括第一玻纤增强体、第二玻纤增强体和第三玻纤增强体，所述第一玻纤增强体铺设在第一碳纤维层上；所述第二碳纤维预浸料层的下段铺设在第一玻纤增强体的顶壁上，所述第二玻纤增强体铺设在下段的顶壁上，所述弧形段包覆在控制臂本体的轴套的外壁上，所述上段铺设在第二玻纤增强体的顶壁上，且所述上段与下段之间的距离为10mm至30mm，所述第三玻纤增强体铺设在上段的顶壁上，所述第三碳纤维预浸料层铺设在第三玻纤增强体上。

通过采用上述技术方案，通过第一玻纤增强体、第二玻纤增强体、第三玻纤增强体，以及将第二碳纤维预浸料层的上段和下段之间的间距设置成10mm至30mm之间，形成玻碳混合铺层，从而消除层间开裂，以及轴套与碳纤之间剥离强度不足的情况。

在一个具体的可实施方案中，所述球销安装部以及立边的玻纤预浸料层全部做丢层设计，形成全碳结构；所述连接销安装部的玻纤预浸料层做加厚设计；位于靠近球销安装部和连接销安装部处厚度变化的圆角处还设置有玻纤SMC加强体，所述玻纤SMC加强体设置于玻纤预浸料层与第一碳纤维预浸料层、第三碳纤维预浸料层围成的区域内。

通过采用上述技术方案，在进一步轻量化的同时，可以解决靠近球销安装部和连接销安装部的大圆角处由于厚度变化引起的应力集中的问题，通过设置玻纤SMC加强体，从而减小该处的应力集中，并提高产品的强度。

在一个具体的可实施方案中，所述控制臂本体上还开设有让位孔。

通过采用上述技术方案，在控制臂本体上开设让位孔，从而便于其他轴类零件穿过控制臂本体。

在一个具体的可实施方案中中，所述控制臂还设置有减重凹部，其底部厚度方向上的玻纤预浸料层全部做丢层设计，形成全碳结构。

通过采用上述技术方案，可以进一步加大控制臂的轻量化，同时使得产品强度更高。

在一个具体的可实施方案中，所述轴套的两端设有翻边，所述翻边与轴孔的侧壁抵触。

通过采用上述技术方案，通过在轴套的两端设置翻边，从而减少了轴套安装在控制臂本体上时出现轴向滑动的情况，从而便于提高控制臂本体安装的稳定性。

在一个具体的可实施方案中，所述轴套外圈的侧壁上开设有螺旋槽。

通过采用上述技术方案，通过在轴套外圈的侧壁上设置螺旋槽，以便于增加轴套与轴孔内壁之间的摩擦力，从而减少轴套出现滑动的情况。

在一个具体的可实施方案中，所述轴套外圈的侧壁上开设有环槽。

通过采用上述技术方案，通过在轴套的外圈的侧壁上设置环槽，以便于提高轴套的外壁与轴孔内壁之间的摩擦力，从而减少轴套出现滑动的情况。

第二方面，本申请提供一种汽车用复合材料控制臂加工工艺，采用如下技术方案：

铺设第一碳纤维预浸料层铺设在模具中，并预留一段悬空；

铺设加强层，将第一玻纤增强体铺设在第一碳纤维预浸料层上，将第二碳纤维预浸料层铺设在第一玻纤增强体上，并预留一段悬空，将第二玻纤增强体铺设在第二碳纤维预浸料层上，将第二碳纤维预浸料层悬空的一端沿轴套外侧弯曲包覆第二玻纤增强体上，将第三玻纤增强体铺设在位于第二玻纤增强体上方的第二碳纤维预浸料层上，将第一碳纤维预浸料层的悬空段向上弯曲包覆第二碳纤维预浸料层弧形段外侧以及第三玻纤增强体上，将玻纤SMC加强体铺设在玻纤预浸料层上，具体位置靠近球销安装部和连接销安装部处的大圆角处，将第一碳纤维预浸料层的悬空段向上弯曲并铺贴在第三玻纤增强体上；

将第三碳纤维预浸料层铺设于第三玻纤增强体上方的第一碳纤维预浸料层的上方；

合模热固，将模具合模，对模具中的控制臂结构进行加热固化；

出料，对经过加热固化的控制臂进行下料处理。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益效果：

本申请通过设置加强组件，方便通过加强组件增加控制臂本体的强度，从而减少控制臂本体出现损坏的情况，以提高汽车使用中的安全性。

本申请通过设置第一玻纤增强体、第二玻纤增强体和第三玻纤增强体，方便通过采用玻纤和碳纤混合的方式，减少层间开裂，从而出现分层的现象，并在轴套外壁包覆第三碳纤维预浸料层，从而减少轴套与碳纤之间的剥离强度不足的问题。

本申请通过在位于玻纤预浸料上靠近连接销安装处和球销安装处的沉槽圆角位置，铺设玻纤SMC加强体，从而解决厚度变化位置处应力过大的问题。

附图说明

图1是本申请控制臂结构的结构示意图。

图2是本申请实施例一中连接销安装部和球销安装部的位置示意图。

图3是本申请实施例一中轴套的爆炸图。

图4是本申请实施例一中控制臂结构位于轴套处的剖视图。

图5是本申请实施例二中轴套的爆炸图。

图6是本申请实施例三中玻纤SMC加强体的结构示意图。

图7是图6中A-A处的剖视图。

附图标记说明：

1、控制臂本体；11、让位孔；13、立边；14、连接销安装部；15、球销安装部；16、减重凹部；2、轴套；21、螺旋槽；22、环槽；23、翻边；3、碳纤维层；31、第一碳纤维预浸料层；311、延伸段；32、第二碳纤维预浸料层；321、上段；322、弧形段；323、下段；33、第三碳纤维预浸料层；4、玻纤预浸料层；41、第一玻纤增强体；42、第二玻纤增强体；43、第三玻纤增强体；5、连接组件；51、球销；52、垫片；53、球销衬套；54、连接销；55、安装板；6、玻纤SMC加强体。

具体实施方式

以下结合附图对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种汽车用复合材料控制臂结构。

实施例1

参照图1-图3，包括控制臂本体1，控制臂本体1由表层的碳纤维层3和包覆在碳纤维层3内的玻纤预浸料层4复合而成，控制臂本体1上还设有球销安装部15、连接销安装部14、立边13和轴孔12，球销安装部15和连接销安装部14分别位于控制臂本体1的两端，立边13位于控制臂本体1的三条侧边上，且立边13、连接销安装部14和球销安装部15与控制臂本体1一体成型，连接销安装部14和球销安装部15处还安装有连接组件5，控制臂本体1上设有让位孔11；轴孔12内固定安装轴套2。

参照图1和图2，控制臂本体1通过连接组件5与汽车中的气体部件进行相连，并通过轴孔12内的轴套2安装轴类零件。

由于控制臂本体1由碳纤维层3和玻纤预浸料层4复合而成，从而在减轻控制臂本体1的重量的同时增加了控制臂本体1的强度。

参照图2和图3，所述轴套2的两端均设置有翻边23，翻边23与轴孔12的侧壁抵触。轴套2通过翻边23进行限位，从而减少轴套2在轴孔12内滑动脱出。

参照图3，轴套2的外圈的侧壁上开设有螺旋槽21，通过螺旋槽21增加轴套2的外壁与轴孔12内壁之间的摩擦力，从而进一步减少轴套2出现滑动。

实施例2

本申请实施例与实施例1区别之处在于，参照图4，控制臂本体包括第一碳纤维预浸料层31和第三碳纤维预浸料层33，以及包覆在第一碳纤维预浸料层31和第三预浸料层33之间的玻纤预浸料层4。

此外，还包括第二碳纤维预浸料32，第二碳纤维预浸料层32包括一体连续的上段321、弧形段322和下段323，并且第二碳纤维预浸料层32的弧形段322包覆在轴套2的外壁上，上段321和下段323设置在玻纤预浸料层4中。

参照图4，在靠近轴套2附近，玻纤预浸料层4包括第一玻纤增强体41、第二玻纤增强体42、第三玻纤增强体43；所述第一玻纤增强体41铺设在第一碳纤维预浸料层31顶壁上，所述第二碳纤维预浸料层32的下段323铺设在第一玻纤增强体41顶壁上，所述第二玻纤增强体42铺设在下段323和上段321之间，上段和下段距离控制在10mm至30mm,第三玻纤增强体43铺设在上段321的顶壁上。

参照图4，靠近轴套2位置处，第一碳纤维预浸料层31设置有一段延伸段311，延伸段311与第一碳纤维预浸料层31一体成型，延伸段311包覆在第二碳纤维预浸料层32的弧形段322的外壁上和第三玻纤增强体43的顶壁上，第三碳纤维预浸料层33铺设在第一碳纤维预浸料层31的延伸段311的顶壁上，并且第三碳纤维预浸料层33还沿轴套2的弧形进一步包覆该段的第一碳纤维预浸料层31，通过第一碳纤维预浸料层31和第三碳纤维预浸料层33在轴套2一端的大面积搭接，以及第二碳纤维预浸料层32包覆轴套2后两端插接在玻纤预浸料层4中，整体提高控制臂本体1的强度。

本实施例中，所述第一碳纤维预浸料层31、第二碳纤维预浸料层32、第三碳纤维预浸料层33为碳纤UD带。

参照图1，连接组件5包括连接销54和球销51，控制臂本体1上的球销安装部15通过定位螺栓固定安装有垫片52，垫片52上固定安装有球销衬套53，球销51安装在球销衬套53内。控制臂本体1上的连接销安装部14通过限位螺栓固定安装有安装板55，连接销54固定安装在安装板55的侧壁上。

本申请实施例的工作原理为：将第一碳纤维预浸料层31放置控制臂本体1的模具中，然后将第一玻纤增强体41铺设在第一碳纤维预浸料层31的表面，然后将第二碳纤维预浸料层32的下段323铺设在第一玻纤增强体41的顶壁上，剩余部分悬空，将轴套2放置在模具中，并且位于控制臂本体1的轴套2处，将第二玻纤增强体42铺设在第二碳纤维预浸料层32的下段323的顶壁上，使第二碳纤维预浸料层32的弧形段322包覆于轴套2的外壁，并且将上段321铺设在第二玻纤增强体42的顶壁上，使得上段321与下段323之间的距离范围为28mm。接着将第三玻纤增强体43铺设在上段321的顶壁上，然后将第一碳纤维预浸料层31的延伸段311包覆在弧形段322的外壁和第三玻纤增强体43的顶壁上，然后在第一玻纤增强体41的表面铺设第三碳纤维预浸料层33，并使得第三碳纤维预浸料层33将位于第三玻纤增强体43上的延伸段311和位于弧形段的第一碳纤维预浸料层31包覆住，最后将模具内的产品进行加压加温固化，从而加工出产品。在使用控制臂本体1时，通过控制臂两端的球销51和连接销54实现控制臂本体1的机械连接，通过轴套2将控制臂本体1与轴类零件相连。

实施例3

本申请实施例与实施例1的区别之处在于，参照图5，轴套2的外圈的侧壁上开设有若干条环槽22，通过环槽22实现增大轴套2与轴孔12内壁之间的摩擦力，从而减少轴套2在轴向上滑动。

实施例4

本申请实施例与实施例2的区别之处在于，参照附图2，对连接销安装部14的玻纤预浸料层4做加厚设计；球销安装部15和立边13的玻纤预浸料层4全部做丢层设计，形成全碳结构；参照图6和图7,位于连接销安装部14和球销安装部15厚度变化的圆角处，设置有玻纤SMC加强体6，具体设置于玻纤预浸料层4与第一碳纤维预浸料层31、第三碳纤维预浸料层33围成的区域内。

本申请实施例的工作原理为：当第三玻纤增强体43铺设在上段321的顶壁上之后，在靠近球销安装部15和连接销安装部14厚度变化过渡位置的大圆角处铺设玻纤SMC加强体6，然后再利用第三碳纤维预浸料层33配合第一碳纤维预浸料层31，完成对玻纤预浸料层4和玻纤SMC加强体6的全包覆。最后进行加压加温固化，从而完成产品的加工生产。

实施例5

本申请实施例与实施例2的区别之处在于，参看附图1和附图2，所述控制臂本体还包括减重凹部16，所述减重凹部16的底部，玻纤预浸料层4全部做丢层设计，形成全碳结构。可同时减重并提高控制臂整体强度。

本申请实施例还公开了一种汽车复合材料控制臂加工工艺，参照图4和图6，包括如下步骤：

铺设控制臂本体1的基层材料，将第一碳纤维预浸料层31铺设在模具中，并预留一段延伸段311悬空。

铺设加强层，将第一玻纤增强体41铺设在第一碳纤维预浸料层31上；将第二碳纤维预浸料层32铺设在第一玻纤增强体41上靠近轴孔12位置处，并预留一段悬空，从而使得下段323与第一玻纤增强体41的顶壁贴合，弧形段322和上段321悬空；将轴套2放置在模具中对应轴孔12的位置处；将第二玻纤增强体42铺设在第二碳纤维预浸料层32的下端的顶壁上，将第二碳纤维预浸料32的上段321铺设在第二玻纤增强体42的顶壁上，并使得弧形段322包覆在轴套2的外壁上，使得上段321与下段323之间的距离为28mm；将第三玻纤增强体43铺设在上段321的顶壁上，将第一碳纤维预浸料层31悬空的延伸段311铺设在第三玻纤增强体43的顶壁上，在靠近球销安装部15和连接销安装部14处的大圆角处，将玻纤SMC加强体6铺设在玻纤预浸料层4的顶壁上，将第三碳纤维预浸料层33铺设在第一碳纤维预浸料层31的延伸段311的顶壁上，并使得第三碳纤维预浸料层33将第一玻纤增强体41远离轴孔12处的顶壁包覆住。

合模热固，将模具合模，对模具中的控制臂结构进行加热固化；

出料，对经过加热固化的控制臂进行下料处理。

以上为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种汽车用复合材料控制臂结构，包括控制臂本体(1)，其特征在于：所述控制臂本体(1)由碳纤维层(3)以及玻纤预浸料层(4)复合而成，所述玻纤预浸料层(4)包覆在碳纤维层(3)内,所述控制臂本体(1)上设有球销安装部(15)、连接销安装部(14)、立边(13)、轴孔（12），所述轴孔（12）内安装有轴套(2)。

2.根据权利要求1所述的一种汽车用复合材料控制臂结构，其特征在于：所述碳纤维层(3)包括第一碳纤维预浸料层(31)和第三碳纤维预浸料层(33),所述玻纤预浸料层(4)包覆在第一碳纤维预浸料层(31)和第三碳纤维预浸料层(33)之间。

3.根据权利要求2所述的一种汽车用复合材料控制臂结构，其特征在于：所述碳纤维层（3）还包括第二碳纤维预浸料层（32），所述第二碳纤维预浸料层(32)包括整体连续的上段（321）、弧形段（322）和下段（323）；所述弧形段（322）包覆在轴套（2）外侧，所述上段（321）和下段（323）插入玻纤预浸料层（4）之间。

4.根据权利要求3所述的一种汽车用复合材料控制臂结构，其特征在于靠近轴套（2）区域：

所述玻纤预浸料层(4)包括第一玻纤增强体（41）、第二玻纤增强体(42)和第三玻纤增强体(43)；

所述第一玻纤增强体（41）铺设在第一碳纤维预浸料层（31）上；所述第二碳纤维预浸料层(32)的下段(323)的铺设在第一玻纤增强体(41)的上，所述第二玻纤增强体(42)铺设在下段(323)的顶壁上，所述弧形段(322)包覆在控制臂本体(1)的轴套(2)的外壁上，所述上段(321)铺设在第二玻纤增强体(42)的顶壁上，所述第三玻纤增强体(43)设置在上段（321）的顶壁上。

5.根据权利要求3所述的一种汽车用复合材料控制臂结构，其特征在于所述第二碳纤维预浸料层（32）的上段(321)与下段(323)之间的距离为10mm至30mm。

6.根据权利要求3所述的一种汽车用复合材料控制臂结构，其特征在于：所述控制臂本体（1）还包括玻纤SMC加强体(6)，所述玻纤SMC加强体(6)铺设在玻纤预浸料层(4)与第一碳纤维预浸料层（31）之间，具体位于靠近球销安装部(15)和连接销安装部(14)处的圆角上。

7.根据权利要求1所述的一种汽车用复合材料控制臂结构，其特征在于：所述控制臂本体(1)上还开设有让位孔(11)。

8.根据权利要求1所述的一种汽车用复合材料控制臂结构，其特征在于：所述轴套(2)的两端设有翻边(23)，所述翻边(23)与轴孔（12）的侧壁抵触。

9.根据权利要求8所述的一种汽车用复合材料控制臂结构，其特征在于：所述轴套(2)外圈的侧壁上开设有螺旋槽(21)或环槽（22）。

10.一种汽车用复合材料控制臂加工工艺，基于权利要求1-9中任一项所述的一种汽车用复合材料控制臂结构，其特征在于，包括如下步骤：

铺设第一碳纤维预浸料层(31)铺设在模具中，并预留一段悬空；

铺设加强层，将第一玻纤增强体(41)铺设在第一碳纤维预浸料层(31)上，将第二碳纤维预浸料层(32)的下段（323）铺设在第一玻纤增强体(41)上，弧形段（322）和上段（321）悬空，将第二玻纤增强体(42)铺设在第二碳纤维预浸料层(32)的下段（323）上，将第二碳纤维预浸料层（32）的悬空部分包覆轴套（2）外侧和第二玻纤增强体(42)上，将第三玻纤增强体(43)铺设在位于第二玻纤增强体(42)上方的第二碳纤维预浸料层(32)上，将第一碳纤维预浸料层(31)的悬空段包覆在第三玻纤增强体(43)上，将玻纤SMC加强体(6)铺设在靠近球销安装部(15)和连接销安装部(14)处的大圆角处的玻纤预浸料层（4）上；

铺设第三碳纤维预浸料层(33)于第三玻纤增强体(43)上方，完成对玻纤预浸料层（4）和玻纤SMC加强体（6）的包裹；

合模热固，将模具合模，对模具中的控制臂结构进行加热固化；

出料，对经过加热固化的控制臂进行下料处理。

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