一种车用复合材料控制臂及其成型方法与流程

1.本发明涉及车辆配件领域，特别是涉及一种车用复合材料控制臂及其成型方法。


背景技术：

2.汽车控制臂是汽车悬架系统的导向和传力元件，其用途是：分别通过球铰或者衬套把车轮和车身弹性地连接在一起，并将作用在车轮上的各种力传递给车身，同时保证车轮按一定轨迹运动。为满足上述功能，汽车控制臂需要具有足够的刚度、强度和使用寿命。
3.传统的汽车控制臂多采用金属材质，重量大，能耗高，不符合节能减排的要求。随着碳纤维复合材料的发展，以及其在汽车领域的应用，业界也尝试采用碳纤维复合材料来制备汽车控制臂。
4.但是现有的复合材料控制臂大都以热固性材料为原料，通过smc模压或预浸料模压的工艺成型。如中国专利cn 108032696 a公开了一种乘用车复合材料控制臂，其以碳纤维织物层合板作为控制臂本体，以pmi泡沫芯材作为内部填充层，以金属件作为嵌件，其成型方法是：先在预制模具内分别制备前衬套预制件、后衬套预制件和连接头预制件，然后将制备好的前衬套预制件、后衬套预制件和连接头预制件与碳纤维织物层合板、pmi泡沫芯材铺层固定，最后往模具内注入热固性树脂，采用hp-rtm工艺固化成一体。由于热固性树脂需要完全渗透进纤维中才能加压固化，渗透过程较慢，而且树脂在渗透过程中，还需要保证树脂不会发生距离反应，以免造成渗透不充分。由此可见，现有的采用热固性树脂以模压工艺成型的控制臂，存在如下缺点：一、前期铺层工艺复杂，耗时时间长，再加上由于热固性树脂的有效渗透所需时间较长，导致生产周期长；二、产品按照模具结构模压成型，不具有设计性，成品抗变形性能差。


技术实现要素：

5.本发明主要解决的技术问题是提供一种车用复合材料控制臂及其成型方法，能够解决现有控制臂在成型工艺和产品性能方面存在的上述不足之处。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种车用复合材料控制臂，包括控制臂本体和位于所述控制臂本体两个端部的第一衬套和第二衬套；所述控制器本体为热塑性碳纤维复合材料模压板，其上固定连接有注塑成型的塑料件；所述第一衬套和第二衬套嵌置固定在所述热塑性碳纤维复合材料模压板和塑料件之间。
7.在本发明一个较佳实施例中，所述塑料件包括外框架、增强网格和衬套连接头；其中，所述增强网格一体连接在所述外框架内，所述衬套连接头与所述外框架和增强网格一体连接，用于包覆固定所述第一衬套和第二衬套。
8.在本发明一个较佳实施例中，所述车用复合材料控制臂还包括球头，所述球头与所述控制臂本体的另一个端部铆接或螺纹连接。
9.为解决上述技术问题，本发明还采用一个技术方案：
一种车用复合材料控制臂的成型方法，包括如下步骤：（1）制备热塑性碳纤维复合板：以热塑性碳纤维单向带为原料，并进行铺层，然后对铺层好的热塑性碳纤维单向带先后进行加热和冷却固化，得到热塑性碳纤维复合板；所述热塑性碳纤维单向带的铺层方向为0
°
、90
°
、45
°
和-45
°
交替铺层，其中各个铺层方向所占的比例为4:4:1:1；（2）裁剪入模：将步骤（1）制备的热塑性碳纤维复合板按照控制臂的尺寸进行裁剪、100～240℃下预热，然后将其与所述第一衬套和第二衬套一同放入到成型模具内，固定、合模；其中，所述模具包括上模和下模，其中，所述上模上带有注塑口，所述上模朝向所述下模的一侧加工有与所述塑料件的形状、尺寸相匹配的凹槽，所述注塑口与所述凹槽连通。
10.（3）模压及注塑成型：对步骤（2）中合模后的模具进行加热加压处理，待模具升温至模压温度后，将熔融有塑料颗粒的注塑机运行至所述模具的注塑口处进行注塑，注塑结束后，继续模压，模压结束后冷却开模，安装球头，得到所述车用复合材料控制臂；所述模压处理的工艺条件为：模压温度240～260℃，压力1～1.5mpa，时间2～3min；所述注塑的工艺条件为：注塑头温度250～260℃，注塑时间30～45s。
11.进一步地，所述热塑性碳纤维单向带为碳纤维/聚酰胺单向带；所述塑料颗粒为玻璃纤维/聚酰胺塑料颗粒。
12.本发明的有益效果是：本发明一种车用复合材料控制臂及其成型工艺，以热塑性碳纤维单向带和热塑性塑料颗粒为原料，采用模压和注塑相结合的成型方式，避免热固性树脂的注入，实现快速制备热塑性复合材料控制臂，有效缩短成型周期，提高生产效率，且由于增加热塑性注塑工艺在控制臂本体上同步成型了塑料件，提高了控制臂的结构强度和抗变形性能，从而有助于提高控制臂的使用寿命。
附图说明
13.图1是本发明一种车用复合材料控制臂一较佳实施例的立体结构示意图；图2是所示控制臂本体的结构示意图；图3是所示塑料件的结构示意图；图4是本发明一种车用复合材料控制臂的成型工艺的工艺流程图；附图中各部件的标记如下：1.控制臂本体，2.第一衬套，3.第二衬套，4.球头，5.塑料件，11.连接孔，51.外框架，52.增强网格，53.衬套连接头,531.第一衬套连接头，532.第二衬套连接头。
具体实施方式
14.下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
15.请参阅图1-4，本发明实施例包括：实施例1本发明公开了一种集金属嵌件、热塑性碳纤维复合材料和塑料材料为一体的车用复合材料控制臂，包括控制臂本体1，所述控制臂本体1为热塑性碳纤维复合材料模压板，为
平面板。控制臂本体1的形状、结构与现有控制臂本体相同，包括三个端部，如图1所示，其中两个端部分别嵌置有金属嵌件，即第一衬套2和第二衬套3，具体地，所述第一衬套2水平放置，所述第二衬套3竖直放置，控制臂本体1的第三个端部带有三个连接孔11，用于铆接或螺纹连接有球头4，即所述球头4是在控制臂本体1成型以后安装的。所述控制臂本体1上还注塑成型有塑料件5。
16.具体地，所述塑料件5包括外框架51、增强网格52和衬套连接头53；其中，所述外框架51位于所述控制臂本体1的边缘上，与控制臂本体1的外形结构相同，所述增强网格52一体连接在所述外框架51内，有助于提高控制臂本体1的结构强度和抗变形性能，从而提高整个控制臂的使用寿命；所述衬套连接头53与所述外框架和增强网格一体连接，并包覆固定所述第一衬套2和第二衬套3，使得在控制臂成型的过程中，将金属嵌件第一衬套2和第二衬套3与控制臂本体1和塑料件5一体粘结成型，避免后续再采用胶结的工序粘结第一衬套2和第二衬套3，有助于提高生产效率。具体地，包覆所述第一衬套2的为第一衬套连接头531，包覆所述第二衬套3的为第二衬套连接头532，上述集金属嵌件（第一衬套2、第二衬套3）、热塑性碳纤维复合材料（控制臂本体1）和塑料材料为一体的车用复合材料控制臂采用模压和注塑结合的方式一次成型，具体成型方法步骤如下：（1）原料选择及准备：对于热塑性碳纤维复合材料，以热塑性碳纤维单向带为原料，该单向带为碳纤维/聚酰胺（cf/pa6）单向带，其中，碳纤维和聚酰胺的质量百分比为1：1；对于金属嵌件，第一衬套2和第二衬套3选用不锈钢材质。
17.对于塑料材料，以玻璃纤维/聚酰胺（gf/pa66）塑料粒子为原料，其中，玻璃纤维和聚酰胺的质量百分比为3:7。
18.将所述塑料粒子加入到注塑机的料筒中，并使其熔融，具体地，注塑机自料筒加料端到注射头的熔融区段分为五个加热区段，各区段温度依次为240℃、250℃、250℃、260℃、260℃；塑料粒子在注塑机内加热熔融备用；成型所用模具包括上模和下模，其中上模上开设有注塑口，所述上模朝向所述下模的一侧加工有与所述塑料件5的形状、尺寸相匹配的凹槽，用于塑料件5的注塑成型，所述注塑口与所述凹槽相连通；（2）制备热塑性碳纤维复合板：将上述热塑性碳纤维单向带按照0
°
、90
°
、45
°
和-45
°
的铺层方向交替铺层，其中各个铺层方向所占的比例为4:4:1:1，然后将铺层好的单向带层加热至260℃，并恒温保持2min，使单向带中的热塑性树脂熔融，并渗透各层，将各层粘结，最后再冷却降温及真空加压处理，得到厚度为6mm的热塑性碳纤维复合板；（3）热塑性碳纤维复合板和金属嵌件入模：将步骤（2）制备的热塑性碳纤维复合板放入到240℃的红外加热炉中加热软化，并将所述第一衬套2和第二衬套3以及加热软化后的热塑性碳纤维复合板放入到预热的模具内，固定，合模，并使所述第一衬套2和第二衬套3位于所述热塑性碳纤维复合板的对应位置处；（4）模压及注塑成型：通过压机将步骤（3）中的模具完全闭合，并快速加热升温至240℃，加压至1mpa，进行模压处理，待模具升温至模压温度时，将注塑机运行至模具上的注胶口处，使注塑机料桶内熔融的塑料材料从所述模具的注塑口注入，并形成所述塑料件5，
注射时间为45s，注塑结束后，冷却至80℃以下开模，得到所述车用复合材料控制臂；（5）将步骤（5）中开模后的制品去除毛边，并在对应位置安装所述球头4，得到所述车用复合材料控制臂。
19.对现有钢结构的控制臂和上述实施例制备得到的控制臂进行性能测试。
20.安全系数测试：参照qct 1127-2019测试标准进行。
21.测试结果如下表所示： 重量（kg）安全系数钢结构控制臂2.521.3实施例11.531.8由上述测试结果可知，本发明的复合材料控制臂与金属（钢结构）控制臂相比，实现了40%的减重效果。
22.依据等刚度近似理论ec*ic=es*is；其中，ec为复合材料等效模量，ic为复合材料结构横截面惯性矩，es为钢结构等效模量，is为钢结构横截面惯性矩；本发明在满足等刚度替换的前提下，复合材料控制臂安全性能比金属（钢结构）控制臂提高了38%，具有优异的结构强度和抗变形性能。
23.本发明具有如下有益效果：1、以热塑性材料为原料，采用模压和注塑结合的成型工艺，模压工艺的周期在3min以内，注塑工艺在模压工艺过程中完成，省去了热固性树脂注入及均匀渗透的时间，大大提高了生产效率；2、通过注塑工艺在控制臂本体上增加塑料件，并通过注塑件的结构设计，提高控制臂本体的结构强度和抗变形性能，从而提高了整个控制臂的安全性能和使用寿命。
24.前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。