专利名称：复合材料底盘框架及其制造方法
技术领域：
本发明涉及复合材料底盘框架以及制造该底盘框架的方法。更具体地，本发明涉及复合材料底盘框架以及制造该底盘框架的方法，所述底盘框架防止钢质芯部材料的热变形并具有充分的刚度和硬度。
背景技术：
在电动车辆或混合动力车辆的情况下，这些车辆需要降低重量以改进燃料效率。然而，因为由金属形成的组件占据了总重量的约70%，所以在对设计进行修改以降低车辆重量上存在限制。因此，为了采用作为轻质材料的复合材料来替换金属材料，正在进行许多研究。然而，在使用复合材料来制造小型到中型尺寸的公共汽车的框架时存在困难。关于强度，如碳纤维增强塑料的复合材料的屈服强度与钢质框架的屈服强度相似。然而，因为该复合材料的杨氏模量(E)(其为硬度方面的材料特性之一)达到钢质框架的杨氏模量的约20%至约30%，所以不得不增加该复合材料的厚度或截面尺寸，以使硬度维持在与钢质框架的硬度相等。另一方面，装有悬架的商业化车辆框架需要满足以下两个要求。第一，由于车轴负荷造成的变形须轻微。当硬度越大时，由于给定负荷造成的框架变形就越小，并且操作稳定性会由于悬架的硬点不会移动而得以改进。第二，悬架安装支架和框架装有如螺栓的五金件。当直接在复合材料框架上生成螺栓的螺纹以进行紧固时，该螺纹可能被磨耗，使其保证螺栓紧固强度。因此，当商业化车辆框架被配置成使用复合材料时，该商业化车辆框架仅在将一些钢质材料插入框架中以提高硬度效率和螺栓联接强度时才能发挥其功能。然而，在将复合材料用作为外部皮层并将钢或泡沫材料插入内部以经受高温成形时，可能发生钢的变形，导致在调节该复合材料框架的尺寸上的困难。在下文中，将更加详细地描述典型的复合材料。如图1所示，用于低地板式公共汽车的框架由金属形成，以用作车辆的骨架，并支撑诸如板簧的悬架。同时，因为所述低地板式公共汽车的框架并不具有前侧连接至后侧的整体结构，而是具有前框架100和后框架200连接至中间地板300的结构，所以悬架通常通过螺栓联接至前框架和后框架。相应的，该钢质框架将不受限于螺栓安装。图2为图示说明低地板式公共汽车的后框架的视图。后框架200包括地板连接部202、悬架连接部201和车身上部连接部。当该后框架由复合材料形成时，用作皮层的碳纤维增强塑料(CFRP)或玻璃纤维增强塑料(GFRP)和用作芯部的钢和泡沫材料层压于框架模具(未显示)的内部，并在约100° C至约150° C的温度下硬化，从而制造复合材料后框架。
在制造悬架连接部201的框架时，将所述复合材料皮层以及钢和内部芯部材料层压并立即在高温下固化。在此情况下，各种材料的硬度差异可能导致芯部材料变形，降低产
品质量。因此，如图3所示，因为与泡沫材料212层压在一起的钢质芯部材料210由于用作芯部材料的泡沫材料变形而无法竖直，所以无法满足安装悬架的要求。在典型的产品(其中将泡沫材料和钢质材料直接结合，并将外部复合材料层压从而在高温下固化)的情况下，存在如下的限制:其中所述钢质材料随着所述泡沫材料的变形而偏离其竖直位置，所述变形是由于所述泡沫材料与所述钢质材料之间的硬度差异。公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的各个方面致力于提供一种复合材料底盘框架以及制造所述底盘框架的方法，通过避免泡沫材料与钢之间的直接接触，所述底盘框架能够防止钢质材料的热变形并且具有充分的刚度和硬度，其中内部复合材料堆叠在钢质芯部材料上以进行初步固化，并随后将经过初步固化的产品堆叠在泡沫材料上，并且后续地在其外侧上形成外部复合材料皮层。在本发明的一个方面中，复合材料底盘框架可包括:初步形成的芯部材料，其具有钢质芯部材料和层压在所述钢质芯部材料的两个表面上的内部复合材料；内部芯部材料，其置于所述初步形成的芯部材料之间，其中所述初步形成的芯部材料层压于所述内部芯部材料的两个表面上；和后续形成的外部复合材料，其作为皮层材料覆盖所述初步形成的芯部材料和所述内部芯部材料的外表面。层压在所述钢质芯部材料的一个表面上的内部复合材料的数量与层压在所述钢质芯部材料的另一个表面上的内部复合材料的数量相等。所述初步形成的芯部材料和所述内部芯部材料相互层压成多层。所述内部复合材料和所述外部复合材料由碳纤维增强塑料或玻璃纤维增强塑料形成。所述内部芯部材料可包括聚氯乙烯泡沫或巴耳萨(Balsa)材料。在本发明的另一个方面中，一种制造复合材料底盘框架的方法可包括:将内部复合材料层压在钢质芯部材料的两个表面上，并随后进行初步成形和固化，以形成初步形成的芯部材料；将所述初步形成的芯部材料层压在内部芯部材料的两个表面上；和将外部复合材料覆盖在所述初步形成的芯部材料和所述内部芯部材料的整个外部表面上，并随后进行后续成形和固化。所述内部复合材料和所述外部复合材料由碳纤维增强塑料或玻璃纤维增强塑料形成。所述内部芯部材料可包括聚氯乙烯泡沫或巴耳萨材料。层压在所述钢质芯部材料的一个表面上的内部复合材料的数量与层压在所述钢质芯部材料的另一个表面上的内部复合材料的数量相等。
下面讨论本发明的其他方面和示例性具体实施方案。下面讨论本发明的上述特征及其他特征。通过纳入本文的附图以及随后与附图一起用于说明本发明的某些原理的具体实施方案，本发明的方法和装置所具有的其他特征和优点将更为具体地变得清楚或得以阐明。
图1为图示说明低地板式公共汽车的框架结构的视图。图2为图示说明低地板式公共汽车的后框架的视图。图3为图示说明对典型的复合材料框架中的泡沫材料所进行的修改的视图。图4和图5为图示说明根据本发明的示例性具体实施方案的底盘框架及其制造方法的视图，其中图4的(a)部分为初步形成的视图，图4的(b)部分为后续形成的视图。图6为图示说明根据本发明的另一个具体实施方案的底盘框架的结构的视图。在附图中描述的附图标记包括如将在下文中进一步讨论的如下元件的附图标记:应当了解，所附附图不一定是按比例的，其显示了本发明的基本原理的说明性的各种优选特征的略微简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体预期应用和使用的环境来确定。在这些图形中，贯穿附图的多幅图形，附图标记引用本发明的同样的或等同的部分。
具体实施例方式接下来将对本发明的不同实施方案详细地作出引用，实施方案的实例被显示在所附附图中被描述如下。虽然本发明与示例性的实施方案相结合进行描述，但是应当了解，本说明书不是要将本发明限制为那些示例性的实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种替换、修改、等同和其他具体实施方案。应当理解，此处所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其他类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇和船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、可插式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其他替代性燃料车辆(例如源于非汽油的能源的燃料)。正如此处所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力两者的车辆。下面将参考附图对本发明的示例性具体实施方案进行具体描述。如图4和图5所示，根据本发明的示例性具体实施方案的底盘框架(亦即后框架的悬架连接部201)可具有如下的结构:其中内部复合材料233和234初步地层压在钢质芯部材料230的两侧，而随后可将所述初步形成的产品后续地层压在内部芯部材料231的两侧，从而完全地被外部复合材料皮层覆盖。为了制造具有这种截面结构的底盘框架，可将如碳纤维增强塑料(CFRP)或玻璃纤维增强塑料(GFRP)的内部复合材料层压在钢质芯部材料230上，并且随后可将其置于模具中从而进行初步固化。特别地，可将内部复合材料233和234层压在钢质芯部材料230的两侧上，并随后可将所述层压材料置于模具中。其后，可在约100° C至约150° C的温度下将所述层压材料加热，从而使得纤维中经过渗碳构成内部复合材料233和234的热固性树脂整体地结合至钢质芯部材料230并利用钢质芯部材料230而得以硬化。在此情况下，层压在钢质芯部材料230的一侧上的内部复合材料233的数量与层压在钢质芯部材料230的另一侧上的内部复合材料234的数量可彼此相等。如果内部复合材料233和234的数量彼此不同，则在钢质芯部材料230中可能发生热变形。可将初步形成的芯部材料250 (亦即具有层压在钢质芯部材料230的两侧上的内部复合材料233和234的芯部材料250)层压在内部芯部材料231的两侧上。其后，可利用皮层材料(亦即外部复合材料232)来覆盖曝露于外侧的初步形成的芯部材料250的表面和内部芯部材料231的表面，并且随后可将其置于模具中，从而进行后续的固化。由此，可完成根据本发明的示例性具体实施方案的底盘框架产品。在此情况下，所述内部芯部材料231可由PVC泡沫或者巴耳萨材料形成，并且可起到在置于初步形成的芯部材料250之间的同时扩大截面模量的作用。制造所述底盘框架的方法可具有的预浸溃方法的特征。在所述预浸溃方法中，当用作芯部材料和皮层材料的内部和外部复合材料具有一层或多层的层压结构(其中在热固性树脂中纤维进行了渗碳)时，所述经渗碳的树脂在大约100°c至大约150°c的高温下熔融，从而使得纤维固化而具有高的强度。在另一个方面，为了提高所述底盘框架(亦即如图6所示的后框架的悬架连接部201)的硬度，可将初步形成的芯部材料250在多层中层压在内部芯部材料231的两侧，并且随后可将外部复合材料232覆盖由初步形成的芯部材料250和内部芯部材料231构成的整个层压材料。其后，可将所述层压材料插入至模具中以进行后续的成形，从而获得具有更加提高的硬度的底盘框架产品。根据本发明的示例性具体实施方案，因为将具有与钢的刚度相似的刚度的内部复合材料置于用作芯部材料的钢质材料与泡沫材料之间，所以可防止所述钢质材料的热变形，由此达到了作为整体的底盘框架的充分的刚度和硬度。相应地，可以克服因为泡沫材料变形和钢质材料偏离(由于相互接触的所述泡沫材料与所述钢质材料之间的刚度差异)而造成的典型产品无法维持竖直状态的限制。为了方便解释和精确限定所附权利要求，术语“内”和“外”被用于参考附图中所显示的特征的位置来描述示例性具体实施方式
的这些特征。前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其他技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围意在由所附权利要求书及其等同形式所限定。
权利要求
1.一种复合材料底盘框架，其包括: 初步形成的芯部材料，其具有钢质芯部材料和层压在所述钢质芯部材料的两个表面上的内部复合材料； 内部芯部材料，其置于多个所述初步形成的芯部材料之间，其中所述多个初步形成的芯部材料层压于所述内部芯部材料的两个表面上；和 后续形成的外部复合材料，其作为皮层材料覆盖所述初步形成的芯部材料和所述内部芯部材料的外表面。
2.根据权利要求1所述的复合材料底盘框架，其中层压在所述钢质芯部材料的一个表面上的内部复合材料的数量与层压在所述钢质芯部材料的另一个表面上的内部复合材料的数量相等。
3.根据权利要求1所述的复合材料底盘框架,其中所述初步形成的芯部材料和所述内部芯部材料相互层压成多层。
4.根据权利要求1所述的复合材料底盘框架，其中所述内部复合材料和所述外部复合材料由碳纤维增强塑料或玻璃纤维增强塑料形成。
5.根据权利要求1所述的复合材料底盘框架,其中所述内部芯部材料包括聚氯乙烯泡沫或巴耳萨材料。
6.—种制造复合材料底盘框架的方法，其包括: 将内部复合材料层压在钢质芯部材料的两个表面上，并随后进行初步成形和固化，以形成初步形成的芯部材料； 将所述初步形成的芯部材料层压在内部芯部材料的两个表面上；和 将外部复合材料覆盖在所述初步形成的芯部材料和所述内部芯部材料上，并随后进行后续成形和固化。
7.根据权利要求6所述的制造复合材料底盘框架的方法，其中所述内部复合材料和所述外部复合材料由碳纤维增强塑料或玻璃纤维增强塑料形成。
8.根据权利要求6所述的制造复合材料底盘框架的方法，其中所述内部芯部材料包括聚氯乙烯泡沫或巴耳萨材料。
9.根据权利要求6所述的制造复合材料底盘框架的方法，其中层压在所述钢质芯部材料的一个表面上的内部复合材料的数量与层压在所述钢质芯部材料的另一个表面上的内部复合材料的数量相等。
全文摘要
本发明公开了一种复合材料底盘框架及其制造方法。所述复合材料底盘框架可包括初步形成的芯部材料，其具有钢质芯部材料和层压在所述钢质芯部材料的两个表面上的内部复合材料；内部芯部材料，其位于所述初步形成的芯部材料之间，其中可将所述初步形成的芯部材料层压于所述内部芯部材料的两个表面上；和后续形成的外部复合材料，其作为皮层材料覆盖所述初步形成的芯部材料和所述内部芯部材料的外表面。
文档编号B32B15/08GK103158768SQ201210195030
公开日2013年6月19日 申请日期2012年6月13日 优先权日2011年12月14日
发明者柳承勋 申请人:现代自动车株式会社