專利名稱：復合材料底盤框架及其制造方法
技術領域：
本發明涉及復合材料底盤框架以及制造該底盤框架的方法。更具體地，本發明涉及復合材料底盤框架以及制造該底盤框架的方法，所述底盤框架防止鋼質芯部材料的熱變形并具有充分的剛度和硬度。
背景技術：
在電動車輛或混合動力車輛的情況下，這些車輛需要降低重量以改進燃料效率。然而，因為由金屬形成的組件占據了總重量的約70%，所以在對設計進行修改以降低車輛重量上存在限制。因此，為了采用作為輕質材料的復合材料來替換金屬材料，正在進行許多研究。然而，在使用復合材料來制造小型到中型尺寸的公共汽車的框架時存在困難。關于強度，如碳纖維增強塑料的復合材料的屈服強度與鋼質框架的屈服強度相似。然而，因為該復合材料的楊氏模量(E)(其為硬度方面的材料特性之一)達到鋼質框架的楊氏模量的約20%至約30%，所以不得不增加該復合材料的厚度或截面尺寸，以使硬度維持在與鋼質框架的硬度相等。另一方面，裝有懸架的商業化車輛框架需要滿足以下兩個要求。第一，由于車軸負荷造成的變形須輕微。當硬度越大時，由于給定負荷造成的框架變形就越小，并且操作穩定性會由于懸架的硬點不會移動而得以改進。第二，懸架安裝支架和框架裝有如螺栓的五金件。當直接在復合材料框架上生成螺栓的螺紋以進行緊固時，該螺紋可能被磨耗，使其保證螺栓緊固強度。因此，當商業化車輛框架被配置成使用復合材料時，該商業化車輛框架僅在將一些鋼質材料插入框架中以提高硬度效率和螺栓聯接強度時才能發揮其功能。然而，在將復合材料用作為外部皮層并將鋼或泡沫材料插入內部以經受高溫成形時，可能發生鋼的變形，導致在調節該復合材料框架的尺寸上的困難。在下文中，將更加詳細地描述典型的復合材料。如圖1所示，用于低地板式公共汽車的框架由金屬形成，以用作車輛的骨架，并支撐諸如板簧的懸架。同時，因為所述低地板式公共汽車的框架并不具有前側連接至后側的整體結構，而是具有前框架100和后框架200連接至中間地板300的結構，所以懸架通常通過螺栓聯接至前框架和后框架。相應的，該鋼質框架將不受限于螺栓安裝。圖2為圖示說明低地板式公共汽車的后框架的視圖。后框架200包括地板連接部202、懸架連接部201和車身上部連接部。當該后框架由復合材料形成時，用作皮層的碳纖維增強塑料(CFRP)或玻璃纖維增強塑料(GFRP)和用作芯部的鋼和泡沫材料層壓于框架模具(未顯示)的內部，并在約100° C至約150° C的溫度下硬化，從而制造復合材料后框架。
在制造懸架連接部201的框架時，將所述復合材料皮層以及鋼和內部芯部材料層壓并立即在高溫下固化。在此情況下，各種材料的硬度差異可能導致芯部材料變形，降低產
品質量。因此，如圖3所示，因為與泡沫材料212層壓在一起的鋼質芯部材料210由于用作芯部材料的泡沫材料變形而無法豎直，所以無法滿足安裝懸架的要求。在典型的產品(其中將泡沫材料和鋼質材料直接結合，并將外部復合材料層壓從而在高溫下固化)的情況下，存在如下的限制:其中所述鋼質材料隨著所述泡沫材料的變形而偏離其豎直位置，所述變形是由于所述泡沫材料與所述鋼質材料之間的硬度差異。公開于該發明背景技術部分的信息僅僅旨在加深對本發明的一般背景技術的理解，而不應當被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已為本領域技術人員所公知的現有技術。
發明內容
本發明的各個方面致力于提供一種復合材料底盤框架以及制造所述底盤框架的方法，通過避免泡沫材料與鋼之間的直接接觸，所述底盤框架能夠防止鋼質材料的熱變形并且具有充分的剛度和硬度，其中內部復合材料堆疊在鋼質芯部材料上以進行初步固化，并隨后將經過初步固化的產品堆疊在泡沫材料上，并且后續地在其外側上形成外部復合材料皮層。在本發明的一個方面中，復合材料底盤框架可包括:初步形成的芯部材料，其具有鋼質芯部材料和層壓在所述鋼質芯部材料的兩個表面上的內部復合材料；內部芯部材料，其置于所述初步形成的芯部材料之間，其中所述初步形成的芯部材料層壓于所述內部芯部材料的兩個表面上；和后續形成的外部復合材料，其作為皮層材料覆蓋所述初步形成的芯部材料和所述內部芯部材料的外表面。層壓在所述鋼質芯部材料的一個表面上的內部復合材料的數量與層壓在所述鋼質芯部材料的另一個表面上的內部復合材料的數量相等。所述初步形成的芯部材料和所述內部芯部材料相互層壓成多層。所述內部復合材料和所述外部復合材料由碳纖維增強塑料或玻璃纖維增強塑料形成。所述內部芯部材料可包括聚氯乙烯泡沫或巴耳薩(Balsa)材料。在本發明的另一個方面中，一種制造復合材料底盤框架的方法可包括:將內部復合材料層壓在鋼質芯部材料的兩個表面上，并隨后進行初步成形和固化，以形成初步形成的芯部材料；將所述初步形成的芯部材料層壓在內部芯部材料的兩個表面上；和將外部復合材料覆蓋在所述初步形成的芯部材料和所述內部芯部材料的整個外部表面上，并隨后進行后續成形和固化。所述內部復合材料和所述外部復合材料由碳纖維增強塑料或玻璃纖維增強塑料形成。所述內部芯部材料可包括聚氯乙烯泡沫或巴耳薩材料。層壓在所述鋼質芯部材料的一個表面上的內部復合材料的數量與層壓在所述鋼質芯部材料的另一個表面上的內部復合材料的數量相等。
下面討論本發明的其他方面和示例性具體實施方案。下面討論本發明的上述特征及其他特征。通過納入本文的附圖以及隨后與附圖一起用于說明本發明的某些原理的具體實施方案，本發明的方法和裝置所具有的其他特征和優點將更為具體地變得清楚或得以闡明。
圖1為圖示說明低地板式公共汽車的框架結構的視圖。圖2為圖示說明低地板式公共汽車的后框架的視圖。圖3為圖示說明對典型的復合材料框架中的泡沫材料所進行的修改的視圖。圖4和圖5為圖示說明根據本發明的示例性具體實施方案的底盤框架及其制造方法的視圖，其中圖4的(a)部分為初步形成的視圖，圖4的(b)部分為后續形成的視圖。圖6為圖示說明根據本發明的另一個具體實施方案的底盤框架的結構的視圖。在附圖中描述的附圖標記包括如將在下文中進一步討論的如下元件的附圖標記:應當了解，所附附圖不一定是按比例的，其顯示了本發明的基本原理的說明性的各種優選特征的略微簡化的畫法。本文所公開的本發明的具體設計特征包括例如具體尺寸、方向、位置和外形將部分地由具體預期應用和使用的環境來確定。在這些圖形中，貫穿附圖的多幅圖形，附圖標記引用本發明的同樣的或等同的部分。
具體實施例方式接下來將對本發明的不同實施方案詳細地作出引用，實施方案的實例被顯示在所附附圖中被描述如下。雖然本發明與示例性的實施方案相結合進行描述，但是應當了解，本說明書不是要將本發明限制為那些示例性的實施方案。相反，本發明旨在不但覆蓋這些示例性實施方案，而且覆蓋可以被包括在由所附權利要求所限定的本發明的精神和范圍之內的各種替換、修改、等同和其他具體實施方案。應當理解，此處所使用的術語“車輛”或“車輛的”或其他類似術語一般包括機動車輛，例如包括運動型多用途車輛(SUV)、公共汽車、卡車、各種商用車輛的乘用汽車，包括各種舟艇和船舶的船只，航空器等等，并且包括混合動力車輛、電動車輛、可插式混合動力電動車輛、氫動力車輛以及其他替代性燃料車輛(例如源于非汽油的能源的燃料)。正如此處所提到的，混合動力車輛是具有兩種或更多動力源的車輛，例如汽油動力和電力動力兩者的車輛。下面將參考附圖對本發明的示例性具體實施方案進行具體描述。如圖4和圖5所示，根據本發明的示例性具體實施方案的底盤框架(亦即后框架的懸架連接部201)可具有如下的結構:其中內部復合材料233和234初步地層壓在鋼質芯部材料230的兩側，而隨后可將所述初步形成的產品后續地層壓在內部芯部材料231的兩側，從而完全地被外部復合材料皮層覆蓋。為了制造具有這種截面結構的底盤框架，可將如碳纖維增強塑料(CFRP)或玻璃纖維增強塑料(GFRP)的內部復合材料層壓在鋼質芯部材料230上，并且隨后可將其置于模具中從而進行初步固化。特別地，可將內部復合材料233和234層壓在鋼質芯部材料230的兩側上，并隨后可將所述層壓材料置于模具中。其后，可在約100° C至約150° C的溫度下將所述層壓材料加熱，從而使得纖維中經過滲碳構成內部復合材料233和234的熱固性樹脂整體地結合至鋼質芯部材料230并利用鋼質芯部材料230而得以硬化。在此情況下，層壓在鋼質芯部材料230的一側上的內部復合材料233的數量與層壓在鋼質芯部材料230的另一側上的內部復合材料234的數量可彼此相等。如果內部復合材料233和234的數量彼此不同，則在鋼質芯部材料230中可能發生熱變形。可將初步形成的芯部材料250 (亦即具有層壓在鋼質芯部材料230的兩側上的內部復合材料233和234的芯部材料250)層壓在內部芯部材料231的兩側上。其后，可利用皮層材料(亦即外部復合材料232)來覆蓋曝露于外側的初步形成的芯部材料250的表面和內部芯部材料231的表面，并且隨后可將其置于模具中，從而進行后續的固化。由此，可完成根據本發明的示例性具體實施方案的底盤框架產品。在此情況下，所述內部芯部材料231可由PVC泡沫或者巴耳薩材料形成，并且可起到在置于初步形成的芯部材料250之間的同時擴大截面模量的作用。制造所述底盤框架的方法可具有的預浸潰方法的特征。在所述預浸潰方法中，當用作芯部材料和皮層材料的內部和外部復合材料具有一層或多層的層壓結構(其中在熱固性樹脂中纖維進行了滲碳)時，所述經滲碳的樹脂在大約100°c至大約150°c的高溫下熔融，從而使得纖維固化而具有高的強度。在另一個方面，為了提高所述底盤框架(亦即如圖6所示的后框架的懸架連接部201)的硬度，可將初步形成的芯部材料250在多層中層壓在內部芯部材料231的兩側，并且隨后可將外部復合材料232覆蓋由初步形成的芯部材料250和內部芯部材料231構成的整個層壓材料。其后，可將所述層壓材料插入至模具中以進行后續的成形，從而獲得具有更加提高的硬度的底盤框架產品。根據本發明的示例性具體實施方案，因為將具有與鋼的剛度相似的剛度的內部復合材料置于用作芯部材料的鋼質材料與泡沫材料之間，所以可防止所述鋼質材料的熱變形，由此達到了作為整體的底盤框架的充分的剛度和硬度。相應地，可以克服因為泡沫材料變形和鋼質材料偏離(由于相互接觸的所述泡沫材料與所述鋼質材料之間的剛度差異)而造成的典型產品無法維持豎直狀態的限制。為了方便解釋和精確限定所附權利要求，術語“內”和“外”被用于參考附圖中所顯示的特征的位置來描述示例性具體實施方式
的這些特征。前面對本發明具體示例性實施方案所呈現的描述是出于說明和描述的目的。前面的描述并不想要成為毫無遺漏的，也不是想要把本發明限制為所公開的精確形式，顯然，根據上述教導很多改變和變化都是可能的。選擇示例性實施方案并進行描述是為了解釋本發明的特定原理及其實際應用，從而使得本領域的其他技術人員能夠實現并利用本發明的各種示例性實施方案及其不同選擇形式和修改形式。本發明的范圍意在由所附權利要求書及其等同形式所限定。
權利要求
1.一種復合材料底盤框架，其包括: 初步形成的芯部材料，其具有鋼質芯部材料和層壓在所述鋼質芯部材料的兩個表面上的內部復合材料； 內部芯部材料，其置于多個所述初步形成的芯部材料之間，其中所述多個初步形成的芯部材料層壓于所述內部芯部材料的兩個表面上；和 后續形成的外部復合材料，其作為皮層材料覆蓋所述初步形成的芯部材料和所述內部芯部材料的外表面。
2.根據權利要求1所述的復合材料底盤框架，其中層壓在所述鋼質芯部材料的一個表面上的內部復合材料的數量與層壓在所述鋼質芯部材料的另一個表面上的內部復合材料的數量相等。
3.根據權利要求1所述的復合材料底盤框架,其中所述初步形成的芯部材料和所述內部芯部材料相互層壓成多層。
4.根據權利要求1所述的復合材料底盤框架，其中所述內部復合材料和所述外部復合材料由碳纖維增強塑料或玻璃纖維增強塑料形成。
5.根據權利要求1所述的復合材料底盤框架,其中所述內部芯部材料包括聚氯乙烯泡沫或巴耳薩材料。
6.—種制造復合材料底盤框架的方法，其包括: 將內部復合材料層壓在鋼質芯部材料的兩個表面上，并隨后進行初步成形和固化，以形成初步形成的芯部材料； 將所述初步形成的芯部材料層壓在內部芯部材料的兩個表面上；和 將外部復合材料覆蓋在所述初步形成的芯部材料和所述內部芯部材料上，并隨后進行后續成形和固化。
7.根據權利要求6所述的制造復合材料底盤框架的方法，其中所述內部復合材料和所述外部復合材料由碳纖維增強塑料或玻璃纖維增強塑料形成。
8.根據權利要求6所述的制造復合材料底盤框架的方法，其中所述內部芯部材料包括聚氯乙烯泡沫或巴耳薩材料。
9.根據權利要求6所述的制造復合材料底盤框架的方法，其中層壓在所述鋼質芯部材料的一個表面上的內部復合材料的數量與層壓在所述鋼質芯部材料的另一個表面上的內部復合材料的數量相等。
全文摘要
本發明公開了一種復合材料底盤框架及其制造方法。所述復合材料底盤框架可包括初步形成的芯部材料，其具有鋼質芯部材料和層壓在所述鋼質芯部材料的兩個表面上的內部復合材料；內部芯部材料，其位于所述初步形成的芯部材料之間，其中可將所述初步形成的芯部材料層壓于所述內部芯部材料的兩個表面上；和后續形成的外部復合材料，其作為皮層材料覆蓋所述初步形成的芯部材料和所述內部芯部材料的外表面。
文檔編號B32B15/08GK103158768SQ201210195030
公開日2013年6月19日 申請日期2012年6月13日 優先權日2011年12月14日
發明者柳承勛 申請人:現代自動車株式會社