一種基于內(nèi)嵌碳纖維的方錐形鋁合金汽車(chē)前縱梁的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種基于內(nèi)嵌碳纖維的方錐形鋁合金汽車(chē)前縱梁，其特點(diǎn)在于：前縱梁的截面由兩部分組成，分別是鋁合金外壁和碳纖維加強(qiáng)板，鋁合金外板具有彈性模量小和良好的變形模式，且碳纖維加強(qiáng)板很強(qiáng)的碰撞吸能能力。利用這兩種新材料組合在一起，再加上一種方錐形結(jié)構(gòu)就能夠滿(mǎn)意地協(xié)調(diào)在碰撞安全設(shè)計(jì)過(guò)程中高吸能、低碰撞加速度峰值和良好的壓潰模式三者之間的矛盾，對(duì)于提高碰撞性能和輕量化有重要的促進(jìn)意義。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于內(nèi)嵌碳纖維的方錐形鋁合金汽車(chē)前縱梁
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及汽車(chē)制造中的前縱梁設(shè)計(jì)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于內(nèi)嵌碳纖維的方錐形鋁合金汽車(chē)前縱梁。
【背景技術(shù)】
[0002]前縱梁是汽車(chē)碰撞安全設(shè)計(jì)的重要部件。在汽車(chē)正面碰撞過(guò)程中，前縱梁的吸能占總能量的50%?70%，在偏置碰撞中占總能量的30%?50%。前縱梁在所有車(chē)身部件中吸收的碰撞能量最多，而且其吸能特性和變形模式?jīng)Q定了碰撞過(guò)程中的加速度響應(yīng)和力的傳遞路徑，因此各大汽車(chē)企業(yè)把前縱梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)作為車(chē)身安全和輕量化設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的汽車(chē)前縱梁設(shè)計(jì)采用高強(qiáng)鋼板作為材料，來(lái)抵抗碰撞過(guò)程中的結(jié)構(gòu)大變形。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和碰撞試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，若前縱梁板太薄，則潰縮模式不理想，若太厚又容易使得前縱梁在碰撞過(guò)程中發(fā)生彎折現(xiàn)象。傳統(tǒng)的基于高強(qiáng)鋼材質(zhì)的前縱梁設(shè)計(jì)，無(wú)法滿(mǎn)意地協(xié)調(diào)在碰撞安全設(shè)計(jì)過(guò)程中高吸能、低碰撞加速度峰值和良好的壓潰模式三者之間的矛盾。圖2顯示出電動(dòng)汽車(chē)骨架及前縱梁位置圖，其中2-1表示前縱梁的位置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]基于上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于內(nèi)嵌碳纖維的方錐形鋁合金汽車(chē)前縱梁，在實(shí)現(xiàn)比目前主流的高強(qiáng)鋼前縱梁結(jié)構(gòu)具備更高的吸能能力、更低乘員碰撞加速度峰值和良好的壓潰模式，解決前縱梁設(shè)計(jì)過(guò)程中的難題，達(dá)到三方面指標(biāo)的平衡。
[0004]概況來(lái)說(shuō)，對(duì)于本發(fā)明的技術(shù)方案，從材料的角度看，首先選取鋁合金和碳纖維輕量化高性能材料作為前縱梁設(shè)計(jì)的材料。從結(jié)構(gòu)的角度看，利用方錐形的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，此結(jié)構(gòu)使兩種材料在碰撞中越擠越緊，從而達(dá)到前縱梁最大化吸能和良好壓潰模式的目的。從裝配方式上看，鋁合金外壁和碳纖維的裝配表面具有相同的錐度，裝配簡(jiǎn)單，可以自動(dòng)定位，只需把碳纖維從鋁合金前縱梁后端裝入即可。
[0005]解決上述技術(shù)問(wèn)題采取的技術(shù)構(gòu)思為:為了減少碰撞加速度峰值，采取方錐形結(jié)構(gòu)，利用新結(jié)構(gòu)和新材料組合能夠滿(mǎn)意地協(xié)調(diào)在碰撞安全設(shè)計(jì)過(guò)程中高吸能和良好的壓潰模式之間的矛盾。在新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鋁合金外壁引導(dǎo)變形模式，碳纖維吸收更多的碰撞能量，兩者從碰撞變形模式和碰撞吸能上達(dá)到互補(bǔ)，從而獲得這種先進(jìn)的前縱梁。
[0006]一種基于內(nèi)嵌碳纖維的方錐形鋁合金汽車(chē)前縱梁，包括鋁合金外壁、碳纖維加強(qiáng)板和鋁合金尾板三個(gè)組成部分，在生產(chǎn)時(shí)，先生產(chǎn)鋁合金外壁、碳纖維加強(qiáng)板和鋁合金尾板；然后進(jìn)行鋁合金外壁和碳纖維加強(qiáng)板的裝配，由于鋁合金外壁和碳纖維加強(qiáng)板的裝配表面具有相同的錐度，所以可以把碳纖維加強(qiáng)板從鋁合金外壁的尾端直接裝入；然后把尾板焊接到鋁合金外壁的尾部，最后把所形成的前縱梁焊接到車(chē)身上。其特征在于，鋁合金外壁的制造工藝為由鑄造工藝完成或者由其四個(gè)組成部分焊接而成或者由沖壓變形后的兩塊沖壓板焊接而成；碳纖維加強(qiáng)板的制造工藝為按照碳纖維尾端的截面尺寸制造等截面叉形碳纖維加強(qiáng)板，然后用剪切工具按照前縱梁外壁的錐度剪切而成；鋁合金尾板是一塊方形薄板，可以剪切而成。
[0007]采用本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來(lái)的技術(shù)效果是:該前縱梁結(jié)構(gòu)采用鋁合金和碳纖維等具有優(yōu)良力學(xué)性能的材料，結(jié)合方錐形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以很好的協(xié)調(diào)壓潰碰撞模式、高吸能和最小碰撞加速度峰值三者之間的矛盾，使汽車(chē)具備更好地碰撞安全性能；使用輕質(zhì)材料，使得前縱梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量相比普通高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)下降很多，有利于汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)，降低油耗；同時(shí)具有良好的裝配方式，由于前縱梁采用的是方錐形結(jié)構(gòu)，鋁合金外壁和碳纖維的裝配表面具有相同的錐度，所以只需要把生產(chǎn)好的碳纖維從前縱梁后端裝入即可，可以自動(dòng)定位。前縱梁自身裝配簡(jiǎn)單，相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)講無(wú)需焊接，成本較低。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]現(xiàn)在將描述如本發(fā)明的優(yōu)選但非限制性的實(shí)施例，本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點(diǎn)在參考附圖閱讀如下詳細(xì)描述時(shí)將變得顯而易見(jiàn)，其中:
[0009]圖1是前縱梁的不同截面圖；
[0010]圖2是電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身骨架及前縱梁位置圖；
[0011]圖3是前縱梁的爆炸圖；
[0012]圖4是鋁合金外壁零件圖；
[0013]圖5是碳纖維加強(qiáng)板零件圖；
[0014]圖6是鋁合金尾板零件圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]以下的說(shuō)明本質(zhì)上僅僅是示例性的而并不是為了限制本公開(kāi)、應(yīng)用或用途。
[0016]參考圖4-6，本專(zhuān)利方錐形鋁合金汽車(chē)前縱梁的結(jié)構(gòu)有三個(gè)部分組成:鋁合金外壁1、碳纖維加強(qiáng)板2和鋁合金尾板3。其裝配工藝過(guò)程是:先生產(chǎn)鋁合金外壁1、碳纖維加強(qiáng)板2和鋁合金尾板3，然后把碳纖維加強(qiáng)板2從形成為方形環(huán)繞的鋁合金外壁I尾端裝入，最后把尾板3焊接到鋁合金外壁I的尾部，從而完成前縱梁的制造。
[0017]以下是關(guān)于三個(gè)零件的制造工藝:
[0018]鋁合金外壁I的制造工藝:由于國(guó)內(nèi)對(duì)于變截面的鋁合金方管應(yīng)用不是很多，所以可以采用拼接的方式制造變截面的鋁合金外壁。例如鋁合金外壁可以由鑄造工藝完成或者由其四個(gè)組成部分焊接而成，也可以由沖壓變形后的兩塊沖壓板焊接而成(如圖4)。
[0019]碳纖維加強(qiáng)板2的制造工藝:按照碳纖維尾端的截面尺寸制造等截面叉形碳纖維加強(qiáng)板，然后用剪切工具按照前縱梁外壁的錐度剪切而成(如圖5)。
[0020]鋁合金尾板3是一塊方形薄板，其制造工藝非常簡(jiǎn)單，可以剪切而成(如圖6)。
[0021]在某款自主設(shè)計(jì)的電動(dòng)車(chē)中，由于有輕量化和碰撞壓縮空間較小的限制，傳統(tǒng)的高強(qiáng)鋼前縱梁難以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，而本專(zhuān)利設(shè)計(jì)的基于內(nèi)嵌碳纖維的方錐形鋁合金汽車(chē)前縱梁可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
[0022]對(duì)于有類(lèi)似要求的車(chē)身也可以根據(jù)自身的實(shí)際情況選擇如圖1截面的前縱梁，前縱梁截面主要有鋁合金外壁截面和碳纖維加強(qiáng)板截面組成，兩者在性能上的側(cè)重點(diǎn)是不一樣的，鋁合金外壁側(cè)重于引導(dǎo)良好的變形模式，碳纖維側(cè)重于更大的吸能。圖1中有兩排前縱梁截面，上面一排的結(jié)構(gòu)相對(duì)于第二排簡(jiǎn)單，側(cè)重于優(yōu)良的變形模式，而下面一排側(cè)重于更多的碰撞吸能。根據(jù)實(shí)際情況的分析，本文提到的電動(dòng)車(chē)選擇的是如圖3的前縱梁，這種結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，制造工藝容易實(shí)現(xiàn)，成本也不高。
[0023]這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于:通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，才能最大化發(fā)揮材料的力學(xué)特性和得到良好的壓潰模式。首先，采用方錐形結(jié)構(gòu)，使得前縱梁的前端比后端軟，可以有效地降低碰撞初始加速度峰值。其次，兩種材料在方錐結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)下越擠越緊，達(dá)到最大吸能效果。這種結(jié)構(gòu)裝配簡(jiǎn)單，裝配成本較低。把圖5的碳纖維結(jié)構(gòu)從圖4的鋁合金外壁尾端裝入，然后用圖6的鋁合金尾板焊接在圖4鋁合金外壁的尾端，完成整個(gè)前縱梁的制造，最后把整個(gè)前縱梁焊接到車(chē)身上即可。在碰撞過(guò)程中，碰撞能量傳遞到前橫梁上，橫梁的能量迅速傳遞到前大梁上，本專(zhuān)利設(shè)計(jì)的前縱梁在保證良好的變形模式的情況下，最大量地吸收碰撞能量，從而保護(hù)好乘員的安全。
[0024]選擇這種前縱梁的原因在于:鋁合金具有良好的塑性，很容易沖壓成各種復(fù)雜的零件，在碰撞中有良好的壓潰模式，可以引導(dǎo)整個(gè)前縱梁的碰撞變形。鋁合金彈性模量小，可很好的吸收沖擊能量，可以減小碰撞時(shí)的碰撞力峰值，在發(fā)生事故時(shí)有利于保證碰撞車(chē)輛和乘員的安全，而且其密度小，是較好的前縱梁材料。但是鋁合金吸收的能力有限，如果前縱梁全部使用鋁合金材料，會(huì)導(dǎo)致前縱梁的厚度過(guò)厚，或者導(dǎo)致前縱梁過(guò)長(zhǎng)。碳纖維作為復(fù)合材料，其具有比吸能大的特點(diǎn)，但是復(fù)合材料是脆性材料，只有通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)形式才能充分發(fā)揮其比吸能大的優(yōu)勢(shì)。綜合這兩種材料的特點(diǎn)，利用鋁合金良好的壓潰模式和碳纖維高比吸能兩種材料各自的優(yōu)勢(shì)，提出一種在鋁合金前縱梁內(nèi)填充高性能的碳纖維材料的設(shè)計(jì)方法。
【權(quán)利要求】
1.一種基于內(nèi)嵌碳纖維的方錐形鋁合金汽車(chē)前縱梁，包括鋁合金外壁(I)、碳纖維加強(qiáng)板(2)和鋁合金尾板(3)三個(gè)組成部分，在生產(chǎn)時(shí)，先生產(chǎn)鋁合金外壁(I)、碳纖維加強(qiáng)板(2 )和鋁合金尾板(3 );然后進(jìn)行鋁合金外壁(I)和碳纖維加強(qiáng)板(2 )的裝配，由于鋁合金外壁(I)和碳纖維加強(qiáng)板(2)的裝配表面具有相同的錐度，所以可以把碳纖維加強(qiáng)板(2)從鋁合金外壁(I)的尾端直接裝入；然后把尾板(3)焊接到鋁合金外壁(I)的尾部，最后把所形成的前縱梁焊接到車(chē)身上，其特征在于，鋁合金外壁(I)的制造工藝為由鑄造工藝完成或者由其四個(gè)組成部分焊接而成或者由沖壓變形后的兩塊沖壓板焊接而成；碳纖維加強(qiáng)板(2)的制造工藝為按照碳纖維尾端的截面尺寸制造等截面叉形碳纖維加強(qiáng)板，然后用剪切工具按照前縱梁外壁的錐度剪切而成；鋁合金尾板(3)是一塊方形薄板，可以剪切而成。
【文檔編號(hào)】B62D21/02GK103625553SQ201310610550
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月26日
【發(fā)明者】宋凱, 陽(yáng)均, 姚威, 成艾國(guó) 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)