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发表于 2020-3-18 09:02:28 | 显示全部楼层 |阅读模式

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碳纤维复合材料车壳及一体化车体的制作

刘东强,成俊秀,张泽东,马创创,李启航
(太原科技大学 机械工程学院,山西 太原 030024)
【中国汽车材料网】摘要:针对节能车轻量化和稳定性的要求,提出了一种一体化车体制作方案,该方案在保证车体力学性能的情况下可有效减轻节能车的重量。从总体方案、温度环境、力学性能优化、碳纤维真空导入工艺、表面处理工艺等几方面入手详细介绍了一体化车体及车壳制作方法。通过实验论证,证明采用该方法可满足设计要求。
关键词:碳纤维;一体化车体;复合材料;车壳

随着经济的快速发展,我国汽车保有量持续增加,使得交通耗能成为我国社会主要能源消耗之一,并且汽车尾气也已成为大中城市温室气体的首要来源。HONDA节能竞技大赛旨在提高能源利用率,倡导节能环保的生活理念。目前参赛车辆多为铝制车架配合复合材料车壳,整体较重。本文以轻量化为目标,对车体设计进行创新性改进,改变传统的车体和车架分体设计制造的思路;经过多项实验测试,总结出一套较为完善的制备车壳和一体化车体的流程,改进后的车体在轻量化、安全性等方面有很大提升。


1 总体方案

整车由上车壳与一体化车体组成,上车壳使用碳纤维复合材料制作,一体化车体使用较轻的聚氨酯复合泡沫板作为不取出阳模,在该泡沫板搭制的框架上铺设碳纤维布并采用真空导入树脂的工艺进行制作。之后在车体上加装驱动装置、转向装置、刹车系统、行走系统等功能系统,完成一体化车体的制作。本文通过以下实验对总体方案部分关键技术进行探索论证。


2 温度环境

所使用树脂为常州桦立柯新材料有限公司生产的型号为A02+B02的环氧树脂AB胶。常温下,该型号树脂为透明粘稠液体,黏度为9×106 Pa·s~1.1×107 Pa·s,操作开始50 min~60 min后混合胶液黏度开始增加1倍,5 h~7 h基本固化,24 h达到最佳强度。使用时A、B配比为2∶1。以下实验均在此条件下进行。


3 力学性能优化
3.1 铺层对力学性能的影响

铺层对一体化车体力学性能会起到决定性作用。选用3K斜纹碳纤维布与2 mm厚蜂窝增强强芯毡做铺层,依照控制变量法设计并进行真空导入实验。实验结果表明:等面积的强芯毡铺层重量达到了碳纤维铺层的2倍~3倍,刚度为碳纤维铺层的2倍,强度却远远低于两层碳纤维铺层。根据实验结果,决定采用3层碳纤维布铺层制备一体化车体。


3.2 应力集中处力学性能优化

在一体化车体制作过程中,因结构需求导致的安装孔与直角处为明显的应力集中部位,在受载情况下易出现局部应力增高现象,进而产生疲劳裂纹甚至断裂。

在安装孔处,若直接打孔,会将树脂打碎,导致力学性能下降。经过多种方案试验,最终选择预先埋入法兰轴套,随后真空导入树脂,待固化后测试,符合工况要求。法兰轴套结构如图1所示,法兰轴套的实际应用如图2所示。

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图1 法兰轴套结构

直角处,在复合泡沫板上开挖定位槽并放置三角形肋板,装配完毕后再铺设碳纤维布,直角处铺设5层。整体真空导入树脂,使用特制直角夹具保证其垂直度,如图3所示。经此番处理后,其力学性能得到了优化。


4 碳纤维真空导入工艺

4.1 上车壳工艺

(1)根据模具形状,对碳纤维布、导流网、脱模布、密封袋等进行预剪裁。

(2)在模具上喷涂脱模剂,待脱模剂完全干后,再涂抹两到三层脱模蜡,脱膜蜡要涂抹均匀,棱角处要特别注意,要多次涂抹。

(3)使用兼容环氧树脂的产品胶衣,用高压喷枪均匀喷洒在涂有脱模蜡的模具上,待其有一定黏性但未完全固化时(此时可用一种简单有效的方法来测试,用手指轻触胶衣表面,胶衣未被带离且留下指纹)开始铺设碳纤维布,这样可以利用产品胶衣的黏性将初层碳纤维布与模具表面完美贴合。在棱角处喷涂定型喷雾,以增强黏性,减小产品胶衣层和碳布层缝隙。

(4)在铺第二层碳纤维布前,须在初层碳纤维布表面喷涂定型喷雾。定型喷雾可将两层碳纤维布贴合在一起,从而保证成品强度。使用定型喷雾时,若整面喷涂后再整体贴,碳布往往在还没铺好时已经粘住,不便于后续操作,应喷一部分贴一部分。之后的铺层工艺同第二层。注意在碳纤维布铺设的过程中,应从内到外有序压紧,若顺序有误则会导致中间部分因碳布不足而产生空腔。

(5)在碳纤维布上铺设脱模布。在铺设过程中,可适当喷涂定型喷雾,以使脱模布与碳纤维层紧密贴合,保证产品质量。产品上的脱模布一定要全覆盖,否则未覆盖区域留有树脂,而表面残留树脂无法顺利脱离。

(6)在脱模布上铺设导流网,一定要确保导流网全覆盖。导流网可用少量胶带固定到脱模布上,导流网边缘处要注意做适当处理,不然可能会扎破真空袋,破坏真空环境,进而导致真空导入失败。

(7)在导流网上放置进出口胶座及导流管。可以根据实际情况,适当安排进出口胶座的位置和数量,在保证真空环境的情况下可适当增多进出口胶座。胶座不能直接放在脱模布上(这样在真空导入过程中脱模布把胶座堵住),而应放在导流网上面,保证胶座底面与脱模布间有一定空隙。胶座也不能放在棱角或折弯处,否则会导致脱模不顺利,树脂积存固化在折弯处无法取出,如图4所示。胶座的安放还应考虑到树脂流动的方向、真空袋内的空间和不同方向树脂流动的速度。导流管可以使树脂以它为中心分散,故应对其灵活使用。

(8)用密封胶将真空袋与模具粘连密封,并测试真空度。在保证真空环境的条件下,开始真空导入环氧树脂。注意真空袋应适当大于模具表面,过小会导致成品数脂积存,无意义增加产品重量,违背轻量化要求。导入过程中可以通过控制树脂进口处胶管的开合来控制流量。

(9)进行表面处理。


4.2 车体碳纤维工艺

同上车壳工艺(1)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8),在第(4)步中,可将碳纤维布通过定型喷雾直接铺设在聚氨酯复合泡沫板搭制的框架上。由于一体化车体棱角较多,应在棱角处适当布置导流管。


5 表面处理工艺

表面处理工艺仅针对上车壳进行探索论证,工艺流程包括喷涂胶衣、打磨、抛光、喷漆或贴膜。经过多次试验,确定具体工艺如下:

(1)使用兼容环氧树脂的产品胶衣,以有效提高车壳的表面质量。

(2)用多种规格水磨砂纸由粗到精依次打磨,将表面颗粒打磨平整并使表面有一定光洁度后进行抛光处理。

(3)采用汽车贴膜技术,将高分子聚合材料贴附于车漆表面,以提高车壳表面光滑度,减小风阻。

(4)采用高品质的漆,如金属漆、珠光漆、透明漆等,提高了车壳的表面质量。

图5为制作出的成品。

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图2 法兰轴套实际应用 图3 直角处优化

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图4 胶座位置不合理实例 图5 制作出的成品
6 结语

本文针对节能车轻量化和稳定性进行研究,提出了一种以碳纤维复合材料为主的一体式车体设计方案。该方案可有效减轻节能车重量,并能保证良好的力学性能。该技术亦可改进应用于其他领域复合材料产品的制作,如玻璃纤维船体、碳纤维汽车配件等。




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