碳纖維複合材料汽車水箱上橫梁及其製作方法
2023-06-01 20:36:06
碳纖維複合材料汽車水箱上橫梁及其製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種碳纖維複合材料汽車水箱上橫梁及其製作方法，屬於複合材料和汽車零部件領域。該水箱上橫梁結構至少包括：梁體、梁翼、第一翼翅、第二翼翅、側邊、梁冠；在真空狀態下，樹脂浸潤碳纖維織物後壓力成型。以多層多鋪層方向的碳纖維織物材料為增強體，以環氧樹脂為基體的複合材料製作水箱上橫梁，提高了其整體剛度，經CAE計算分析，其Z向剛度可達到424N/mm，不但可滿足高強度，高模量及載荷條件，同時水箱上橫梁減輕質量可達60%以上；使用碳纖維材料可以大幅度降低水箱上橫梁重量，可顯著提高燃料效率；由於碳纖維材質水箱上橫梁的結構大大簡化，便於一次加工成型，有效降低製作成本。
【專利說明】碳纖維複合材料汽車水箱上橫梁及其製作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及複合材料和汽車零部件領域，特別涉及一種碳纖維複合材料汽車水箱上橫梁及其製作方法。
【背景技術】
[0002]由於對轎車的造型和性能要求的越來越高，受造型的影響，轎車前部造型的分縫線高低不一，再加上發動機艙本身空間的限制，零部件布置方式種類的增多，很多零部件安裝點或多或少的布置在水箱橫梁上，再加上引擎蓋總成的連接裝置鎖體安裝件，使水箱橫梁的負荷將越來越重。水箱橫梁作為重要的車身結構件，考慮到對車身結構的輕量化要求，以及結構強度高和碰撞安全性能的要求，如何合理的設計高承載，高強度，輕質的水箱上橫梁成為車身發展的挑戰。
[0003]以現有技術金屬鈑金件汽車水箱上橫梁為例，其結構如圖1、圖2所示，採用的材料為B210P1，厚度約為1.5mm，重量約為1.1kg ;在上橫梁I的梁體1.1中部設置有U型凹槽1.2，而且兩側邊1.9較短，俯視看，在兩個對稱設置的梁翼1.3上對稱設置有第一翼翅1.5、第二翼翅1.7、第一凹槽1.4、第二凹槽1.8及通孔1.6，仰視看，在兩個對稱設置的梁翼1.3上設置有圓弧凹槽1.10，圓弧凹槽1.10位於梁冠1.11的邊緣。
[0004]在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術金屬鈑金件汽車水箱上橫梁至少存在以下問題:
[0005]1.從車身結構強度要求高的方面考慮:水箱橫梁固定著引擎蓋總成的連接裝置鎖體安裝件關鍵零部件。水箱上橫梁主要承受著來自於引擎蓋總成閉合時瞬間衝擊載荷的衝撞和轎車行駛時引擎蓋的上下波動，直接致使水箱上橫梁與引擎蓋總成的連接裝置鎖體安裝件處為應力集中的區域，現有技術加強結構設計不合理，強度不夠，水箱橫梁剛度不均，目前金屬鈑金件水箱上橫梁的Z向剛度目標值為400N/mm，因而會直接導致應力集中區域發生開裂現象。
[0006]2.從車身輕量化角度來考慮:車身輕量化同時也要求水箱橫梁輕量化，高度承載的水箱橫梁鈑金件的輕量化是未來汽車工業發展的方向。
【發明內容】
[0007]為了解決現有技術的問題，本發明實施例提供了一種碳纖維複合材料汽車水箱上橫梁及其製作方法。通過對水箱上橫梁結構進行優化設計，使水箱上橫梁在獲得高強度，高剛度的基礎上，實現輕量化。所述技術方案如下:
[0008]一方面，提供了一種碳纖維複合材料汽車水箱上橫梁，該水箱上橫梁結構至少包括:梁體、梁翼、第一翼翅、第二翼翅、側邊、梁冠；在真空狀態下，樹脂浸潤碳纖維織物後壓力成型。
[0009]具體地，所述水箱上橫梁材質為碳纖維T300+5028樹脂複合材料，厚度為3.0mm,
重量為0.4kgο[0010]具體地，所述上橫梁的梁體頂面中部為平整面結構，所述梁體的兩側邊加長4-8mm。
[0011]具體地，所述梁體兩側對稱設置有梁翼，在兩個所述梁翼上對稱設置有圓滑過渡的所述第一翼翅、所述第二翼翅，所述第一翼翅、所述第二翼翅為連貫的圓弧稜線。
[0012]具體地，所述梁翼上設置有平整面梁冠。
[0013]另一方面，提供了一種碳纖維複合材料汽車水箱上橫梁的製作方法，製作包括所述梁體、所述梁翼、所述第一翼翅、所述第二翼翅、所述側邊、所述梁冠的水箱上橫梁結構的方法至少包括:1)選材；2)鋪層；3)密封；4)抽真空；5)樹脂導入；6)固化及脫模工藝步驟；其中
[0014]步驟I)選材；
[0015]所述碳纖維材料選用日本東麗T300碳纖維織物，所述樹脂選用中低溫的快速固化5028環氧樹脂體系為原材料，其中碳纖維織物的含量(重量百分比)為50-60%，環氧樹脂材料的含量為40-50%。
[0016]具體地，為實現上述水箱上橫梁結構，所述製作方法至少還包括以下步驟:
[0017]步驟2)鋪層；
[0018]選取十層3K碳纖維織物布，在已清潔和塗覆脫模劑的水箱上橫梁模具中先進行碳纖維織物鋪層平整鋪設，選擇標準鋪層角度0°、45°、-45°和90° ;
[0019]第一層碳纖維織物對應於上橫梁的外表面，在第一層0°鋪層上面進行90°方向的第二層鋪層，然後自下而上依次是第三層為45°方向的鋪層，第四層為-45°方向鋪層，第五層為0°鋪層，第六層為0°鋪層，第七層為-45°方向鋪層，第八層為45°方向鋪層，第九層為90°方向鋪層，第十層為0°鋪層，將碳纖維織物在模具上壓緊；每一鋪層單層厚度為0.3_。
[0020]具體地，為實現上述水箱上橫梁結構，所述製作方法至少還包括以下步驟:所述步驟2)鋪層之後進行
[0021]步驟3)密封；
[0022]按次序在鋪好後的碳纖維織物上依次鋪設脫模布、導流網、導流管，在模具的邊緣打密封膠帶，布置抽真空抽氣導管、樹脂進料口導入管，然後在真空袋邊緣處使用真空膜、膠帶密封好，確保整個系統不漏氣；
[0023]步驟4)抽真空；
[0024]將抽氣導管與真空泵連接，將真空袋內空氣抽空，使真空膜密實緊貼模具，檢測模具及真空膜體系內的真空度，觀察15min，檢查是否漏氣，保證氣密性:真空泵壓力表「O」刻度處的真空度可維持IOmin以上。
[0025]具體地，為實現上述水箱上橫梁結構，所述製作方法至少還包括以下步驟:所述步驟4)抽真空之後進行
[0026]步驟5)樹脂導入；
[0027]配置相應的固化劑比例份數:環氧樹脂為10份，固化劑為2-4份，並充分混合；將環氧樹脂導入進料口並被抽入真空袋中，待環氧樹脂將纖維織物浸潤完全後，關閉樹脂進料口導入管口，繼續維持真空狀態保壓0.5-8h，直到環氧樹脂固化。
[0028]具體地，為實現上述水箱上橫梁結構，所述製作方法至少還包括以下步驟:所述步驟5)樹脂導入之後進行
[0029]步驟6)固化及脫模；
[0030]視情況採用加熱燈或者在光照條件下加熱，加速環氧樹脂的固化，待環氧樹脂固化後，脫模得到碳纖維複合材料水箱上橫梁。
[0031]本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是:
[0032]採用高強輕質的碳纖維複合材料，合理設計以多層多鋪層方向的碳纖維織物材料為增強體，以環氧樹脂為基體的複合材料水箱上橫梁，該水箱上橫梁取消了中部U型凹槽、兩翼凹槽、圓弧凹槽及通孔，採用平整面結構，並增長了梁體側邊，因而提高了水箱上橫梁整體剛度，經計算機輔助工程(CAE)計算分析，碳纖維複合材料水箱上橫梁的Z向剛度可達到424N/mm，不但可滿足高強度，高模量及載荷條件，同時汽車水箱上橫梁減輕質量可達60%以上，使汽車的輕量化取得突破性進展；由於使用碳纖維材料可以大幅度降低水箱上橫梁結構重量，故可顯著提高燃料效率；由於碳纖維材質水箱上橫梁的結構大大簡化，所以便於一次加工成型，有效降低製作成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0034]圖1是現有技術金屬鈑金件汽車水箱上橫梁結構示意圖；
[0035]圖2是圖1的仰視圖；
[0036]圖3是本發明實施例提供的碳纖維複合材料汽車水箱上橫梁結構示意圖；
[0037]圖4是圖3的仰視圖。
[0038]圖中各符號表示含義如下:
[0039]I上橫梁，
[0040]1.1梁體，1.2U型凹槽，1.3梁翼，1.4第一凹槽，1.5第一翼翅，1.6通孔，1.7第二翼翅，1.8第二凹槽，1.9側邊，1.10圓弧凹槽，1.11梁冠。
【具體實施方式】
[0041]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。
[0042]實施例一
[0043]參見圖3、圖4所示，本發明實施例提供了一種碳纖維複合材料汽車水箱上橫梁，對水箱上橫梁結構進行了優化設計，具體地，該水箱上橫梁I結構至少包括:梁體1.1、梁翼1.3、第一翼翅1.5、第二翼翅1.7、側邊1.9、梁冠1.11 ;選用材料為碳纖維T300+5028樹脂複合材料，厚度約為3.0mm，重量約為0.4kg ;所述碳纖維(CF)是纖維狀的碳素材料，含碳量在90%以上，既有碳材料的固有特徵，又兼備紡織纖維的柔軟可加工性，而且具有耐腐蝕、耐熱好、質量輕、高強度、高彈性模量、低密度及十分優異的力學性能，依據纖維等級和方向性，甚至可以達到鋼材類似的強度。[0044]所述碳纖維複合材料在真空狀態下，樹脂浸潤碳纖維織物後壓力整體成型上橫梁1，具體地，作為優選，所述上橫梁I的梁體1.1頂面中部為平整面結構，無凹槽，而且梁體1.1的兩側邊1.9加長4-8mm ;俯視看，梁體1.1兩側對稱設置有梁翼1.3，在兩個梁翼1.3上對稱設置有圓滑過渡的第一翼翅1.5、第二翼翅1.7,所述第一翼翅1.5、第二翼翅
1.7上無凹槽，為連貫的圓弧稜線；仰視看，在兩個對稱設置的梁翼1.3上設置有平整面梁冠1.11，無凹槽；該水箱上橫梁取消了中部凹槽、兩翼凹槽、圓弧凹槽及通孔，採用平整面結構，並增長了梁體側邊，因而提高了水箱上橫梁的整體剛度和強度。
[0045]實施例二
[0046]為實現上述結構設計，本發明實施例提供了一種碳纖維複合材料汽車水箱上橫梁的製作方法。具體地，作為優選，所述製作方法至少包括:1)選材；2)鋪層；3)密封；4)抽真空；5)樹脂導入；6)固化及脫模等工藝步驟；其中
[0047]步驟I)選材；
[0048]碳纖維複合材料由以多層碳纖維材料為增強體與以樹脂為基體複合而成，所述多層碳纖維材料選用日本東麗T300碳纖維織物，所述樹脂選用中低溫的快速固化5028環氧樹脂體系為原材料，其中碳纖維織物的含量(重量百分比，下同)為50-60%，環氧樹脂材料的含量為40-50% ；
[0049]所述碳纖維複合材料的製作方法為:在模具上分別採用樹脂傳遞模塑成型(RTM)工藝或真空輔助樹脂注射(VARI)工藝方法進行成型，以VARI成型工藝為例，至少包括以下步驟:
[0050]步驟2)鋪層；
[0051]在已清潔和塗覆脫模劑的汽車水箱上橫梁模具中先進行碳纖維織物鋪層平整鋪設，具體地，可選取十層3K碳纖維織物布，鋪層角度選擇標準鋪層角度0°、45°、-45°和90°，從結構穩定性、減少泊松比和熱應力及避免樹脂直接受載考慮，鋪層角度0°和90°主要承受軸向和縱向應力，45°和-45°主要承受剪切力；
[0052]鋪設時，第一層碳纖維織物對應於上橫梁的外表面，故第一層碳纖維織物鋪層的時候要注意碳纖維紋路方向的平整，同時要保證第一層碳纖維織物布緊密貼緊模具的表面，不能有縫隙存在，以免形成樹脂的富集；在第一層0°鋪層上面進行90°方向的第二層鋪層，然後自下而上依次是第三層為45°方向的鋪層，第四層為-45°方向鋪層，第五層為0°鋪層，第六層為0°鋪層，第七層為-45°方向鋪層，第八層為45°方向鋪層，第九層為90°方向鋪層，第十層為0°鋪層；一共平整鋪設十層東麗T300碳纖維織物，每一鋪層單層厚度為0.3mm，直到鋪完，總厚度為3.0mm，最後將碳纖維織物在模具上壓緊；
[0053]步驟3)密封；
[0054]按次序在鋪好後的碳纖維織物上依次鋪設脫模布、導流網、導流管，在模具的邊緣打密封膠帶，布置抽真空抽氣導管、樹脂進料口導入管，最後在真空袋邊緣處使用真空膜、膠帶密封好，確保整個系統不漏氣；
[0055]步驟4)抽真空；
[0056]將抽氣導管與真空泵連接，進料口導入管密封，開啟真空泵，將真空袋內空氣抽空，使真空膜密實緊貼模具，檢測模具及真空膜體系內的真空度，觀察15min，檢查是否漏氣，保證氣密性:真空泵壓力表「O」刻度處的真空度可維持IOmin以上；[0057]步驟5)樹脂導入；
[0058]按照樹脂廠家推薦的固化劑含量，如環氧樹脂，配置相應的固化劑比例份數:按照環氧樹脂為10份，固化劑為2-4份左右比例配置，並充分混合；氣密性合格後可進行環氧樹脂的導入，將環氧樹脂導入進料口，並被抽入真空袋中，待環氧樹脂將纖維織物浸潤完全後，關閉樹脂進料口導入管口，繼續維持真空狀態保壓0.5-8h，直到環氧樹脂固化；
[0059]步驟6)固化及脫模；
[0060]環氧樹脂固化，視情況可採用加熱燈或者在光照條件下加熱，以加速環氧樹脂的固化，待環氧樹脂固化後，脫模得到碳纖維複合材料水箱上橫梁。
[0061 ] 上述本發明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。
[0062]以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種碳纖維複合材料汽車水箱上橫梁，其特徵在於，該水箱上橫梁結構至少包括:梁體、梁翼、第一翼翅、第二翼翅、側邊、梁冠；在真空狀態下，樹脂浸潤碳纖維織物後壓力成型。
2.根據權利要求1所述的碳纖維複合材料汽車水箱上橫梁，其特徵在於，所述水箱上橫梁材質為碳纖維T300+5028樹脂複合材料，厚度為3.0mm,重量為0.4kg。
3.根據權利要求1所述的碳纖維複合材料汽車水箱上橫梁，其特徵在於，所述上橫梁的梁體頂面中部為平整面結構，所述梁體的兩側邊加長4-8mm。
4.根據權利要求3所述的碳纖維複合材料汽車水箱上橫梁，其特徵在於，所述梁體兩側對稱設置有梁翼，在兩個所述梁翼上對稱設置有圓滑過渡的所述第一翼翅、所述第二翼翅，所述第一翼翅、所述第二翼翅為連貫的圓弧稜線。
5.根據權利要求4所述的碳纖維複合材料汽車水箱上橫梁，其特徵在於，所述梁翼上設置有平整面梁冠。
6.一種碳纖維複合材料汽車水箱上橫梁的製作方法，其特徵在於，製作至少包括所述梁體、所述梁翼、所述第一翼翅、所述第二翼翅、所述側邊、所述梁冠的水箱上橫梁結構，其製作方法至少包括:1)選材；2)鋪層；3)密封；4)抽真空；5)樹脂導入；6)固化及脫模工藝步驟；其中 步驟I)選材； 所述碳纖維材料選用日本東麗T300碳纖維織物，所述樹脂選用中低溫的快速固化5028環氧樹脂體系為原材料，其中碳纖維織物的含量(重量百分比)為50-60%，環氧樹脂材料的含量為40-50%。
7.根據權利要求6所述的碳纖維複合材料汽車水箱上橫梁的製作方法，其特徵在於，為實現上述水箱上橫梁結構，所述製作方法至少還包括以下步驟: 步驟2)鋪層； 選取十層3K東麗T300碳纖維織物布，在已清潔和塗覆脫模劑的水箱上橫梁模具中先進行碳纖維織物鋪層平整鋪設，選擇標準鋪層角度為0°、45°、-45°和90° ; 第一層碳纖維織物對應於上橫梁的外表面，在第一層0°鋪層上面進行90°方向的第二層鋪層，然後自下而上依次是第三層為45°方向的鋪層，第四層為-45°方向鋪層，第五層為0°鋪層，第六層為0°鋪層，第七層為-45°方向鋪層，第八層為45°方向鋪層，第九層為90°方向鋪層，第十層為0°鋪層，將碳纖維織物在模具上壓緊；每一鋪層單層厚度為0.3mmο
8.根據權利要求7所述的碳纖維複合材料汽車水箱上橫梁的製作方法，其特徵在於，為實現上述水箱上橫梁結構，所述製作方法至少還包括以下步驟:所述步驟2)鋪層之後進行 步驟3)密封； 按次序在鋪好後的碳纖維織物上依次鋪設脫模布、導流網、導流管，在模具的邊緣打密封膠帶，布置抽真空抽氣導管、樹脂進料口導入管，然後在真空袋邊緣處使用真空膜、膠帶密封好，確保整個系統不漏氣； 步驟4)抽真空； 將抽氣導管與真空泵連接，將真空袋內空氣抽空，使真空膜密實緊貼模具，檢測模具及真空膜體系內的真空度，觀察15min，檢查是否漏氣，保證氣密性:真空泵壓力表「O」刻度處的真空度可維持IOmin以上。
9.根據權利要求8所述的碳纖維複合材料汽車水箱上橫梁的製作方法，其特徵在於，為實現上述水箱上橫梁結構，所述製作方法至少還包括以下步驟:所述步驟4)抽真空之後進行 步驟5)樹脂導入； 配置相應的固化劑比例份數:環氧樹脂為10份，固化劑為2-4份，並充分混合；將環氧樹脂導入進料口並被抽入真空袋中，待環氧樹脂將纖維織物浸潤完全後，關閉樹脂進料口導入管口，繼續維持真空狀態保壓0.5-8h，直到環氧樹脂固化。
10.根據權利要求9所述的碳纖維複合材料汽車水箱上橫梁的製作方法，其特徵在於，為實現上述水箱上橫梁結構，所述製作方法至少還包括以下步驟:所述步驟5)樹脂導入之後進行 步驟6)固化及脫模； 視情況採用加熱燈或者在光照條件下加熱，加速環氧樹脂的固化，待環氧樹脂固化後，脫模得到碳纖維複合材料水箱上橫梁。
【文檔編號】B62D25/08GK103523094SQ201310454329
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月27日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】方舟, 張道理, 宣善勇 申請人:奇瑞汽車股份有限公司