CN105691334A - 一种金属/复合材料一体化成型的保险杠装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属/复合材料一体化成型的保险杠装置，属于汽车轻量化与碰撞安全技术领域。该保险杠装置包括保险杠横梁金属外板、保险杠横梁复合材料内板、吸能盒、复合材料内板加强筋和复合材料锁扣。本发明基于汽车轻量化和模块化的设计理念，综合利用了金属承载能力强和复合材料比强度高、碰撞吸能性好和可成型复杂几何的特点，采用了先进的直接注塑粘附一体化成型工艺制成。这种一体化成型的汽车保险杠装置，集成度高，缩短了装配流程，经济效益好，易于推广。复合材料的使用减轻了保险杠的重量，实现了轻量化，降低汽车燃油消耗，减少尾气排放，设计并制造了承载能力好的加强筋结构，提高汽车保险杠的碰撞安全性。

Description

一种金属/复合材料一体化成型的保险杠装置

技术领域

本发明涉及一种在汽车碰撞中变形吸能的保险杠装置，尤其涉及一种金属/复合材料一体化成型的保险杠装置，它采用了直接注塑粘附一体化成型工艺，综合了金属承载能力强、刚度好和复合材料重量轻、可成型复杂几何的优点，从而形成了一种轻量化和集成化的金属与复合材料混合保险杠结构，属于汽车轻量化与碰撞安全技术领域。

背景技术

在全球范围内，环境保护和能源危机日益受到关注，汽车减重和节能减排势在必行，汽车轻量化成为汽车行业的重要发展方向。但是，需要注意的是，汽车轻量化并不是单纯地减重，而是需要在保证汽车安全性的前提下实现重量降低。其中，汽车尤其是乘用车的碰撞安全性关系到乘员和行人的人身安全，在汽车轻量化过程中必须重视。汽车保险杠是保证汽车碰撞安全性的重要承载件。因此，汽车保险杠的轻量化研究和设计具有很强的挑战性和难度。

目前，高强度钢、铝合金等金属是汽车保险杠横梁常用的材料，高强度钢承载能力强、耐碰撞性好，但是密度大，铝合金密度小，但是强度低、易氧化且成本高。有的汽车企业尝试采用塑料制作保险杠横梁，但是其抗碰撞冲击性能差，存在一定的安全隐患。复合材料，特别是碳纤维增强复合材料和玻璃纤维增强复合材料，具有密度小，比强度、比刚度高，可设计性强，耐腐蚀性好等优点，是应用前景很广阔的轻量化材料。但是，复合材料特别是碳纤维增强复合材料的成本较高、原材料有限，还无法在汽车工业中大面积应用。因此，可以综合利用金属和复合材料的优点，将金属与复合材料成型为一个整体，二者取长补短，开发出重量轻且安全的汽车保险杠结构。同时，可以减少零件数量，缩短装配路线，实现模块化和集成化生产，避免焊接，提高保险杠安全性。

发明内容

1、发明目的：

本发明的目的在于提供一种金属/复合材料一体化成型的保险杠装置，采用直接注塑粘附工艺实现金属与热塑性复合材料一体化成型，综合利用热塑性复合材料密度小、可成型复杂几何的特点和金属承载能力强的优点，既可以提高汽车的碰撞安全性，又能减轻汽车保险杠的重量，减少汽车尾气排放，同时还能大幅度减少汽车保险杠的零部件数量，降低生产装配成本。

2、技术方案：

基于汽车轻量化、高安全性和模块化的设计理念，降低汽车保险杠中金属特别是高强度钢的厚度和使用量，增加密度小、比强度、比刚度高、回收利用性好且可成型复杂几何的热塑性复合材料，综合利用二者的优点，取长补短，采用在金属表面直接注塑粘附工艺制成的一种金属/复合材料一体化成型的保险杠装置，见附图，该结构包括保险杠横梁金属外板、保险杠横梁复合材料内板、吸能盒、复合材料内板加强筋和复合材料锁扣。它们之间的位置连接关系是：保险杠横梁金属外板与保险杠横梁复合材料内板通过注塑工艺粘附在一起；保险杠横梁复合材料内板与吸能盒固连在一起，为注塑一体化成型；吸能盒位于保险杠横梁复合材料内板的两端；复合材料内板加强筋位于保险杠横梁复合材料内板的内部，与保险杠横梁复合材料内板和吸能盒固连，为注塑一体化成型；复合材料锁扣位于复合材料内板加强筋的筋板交叉处，通过注塑生成，插入保险杠横梁金属外板的外弧部的孔中，与保险杠横梁金属外板固连；保险杠横梁复合材料内板、吸能盒、复合材料内板加强筋和复合材料锁扣共同组成了本发明的复合材料模块，通过直接在保险杠横梁金属外板上注塑实现一体化成型。这种一体化成型的汽车保险杠装置，零件数量少，接合牢固，生产速度快，省掉了焊接等装配流程，可以实现碰撞过程中的多级吸能，提高了汽车的碰撞安全性，同时实现了减重。

所述保险杠横梁金属外板是自制件，采用屈服强度大于400MPa的高强度钢，钢板厚度0.6～1mm，经过冲压工艺制造而成，前端部弧形处有直径10mm的孔，上下端部有翻边，内部表面采用铬酸刻蚀的表面处理工艺，增加内表面的粗糙度，以提高金属外板与注塑复合材料的粘附力，其功能是作为复合材料注塑成型的载体和支撑，并通过自身的变形和断裂来吸收碰撞能量。

所述保险杠横梁复合材料内板是自制件，由热塑性复合材料，特别是热塑性玻璃纤维增强复合材料(GFRP)，在保险杠横梁金属外板内表面注塑成型，厚度为2～4mm，其功能是实现复合材料模块与金属板件粘附接合，提高结构的强度和碰撞吸能性。

所述吸能盒是自制件，由热塑性复合材料，特别是热塑性玻璃纤维增强复合材料(GFRP)注塑制成，厚度为3～5mm，与保险杠横梁复合材料内板一体成型，两个吸能盒以弧形保险杠横梁金属外板的圆周角的角平分线成轴对称布置，通过端部的安装孔位实现与车架前纵梁的螺栓连接，安装孔的具体尺寸根据其应用的汽车前部结构而定，其功能是把保险杠横梁安装于车架上，并通过自身变形和破坏来吸收碰撞能量。

所述复合材料内板加强筋是自制件，由热塑性复合材料，特别是热塑性玻璃纤维增强复合材料(GFRP)注塑制成，厚度2～4mm，与保险杠横梁复合材料内板一体成型，布置形式为十字交叉型，在实际生产中还可以为其他形状，筋板的数量和布置间距可以根据保险杠的外形尺寸和碰撞安全性需求而定，其功能是增强保险杠的强度和刚度。

所述复合材料锁扣是自制件，由热塑性复合材料，特别是热塑性玻璃纤维增强复合材料(GFRP)注塑制成，与复合材料内板加强筋一体成型，插入保险杠横梁金属外板外弧部的孔中，其功能是提高复合材料模块与金属板的接合强度。

3、本发明“一种金属/复合材料一体化成型的保险杠装置”，其优点如下：

(1).本发明零件数量少，集成度高，可以实现一体化成型，不需要焊接等装配工艺，节约人力和物力，经济效益好。

(2).本发明重量轻，回收利用性好，有助于汽车节能和减少尾气排放，采用金属和复合材料的混合结构，可以实现碰撞过程中的多级吸能，提高了汽车的碰撞安全性。而且，本发明的复合材料模块能够设计和注塑制造成复杂几何形状，能够进一步提高保险杆的安全性能。

(3).本发明可使用现有汽车工业的冲压和注塑工艺设备，生产兼容性好，加工速度快，可满足汽车工业大批量、快节拍的生产要求。

总之，该结构可以提高汽车的碰撞安全性，减轻汽车保险杠的重量，减少汽车尾气排放，提高汽车零部件的集成化程度，节约资源和人力，而且适合汽车工业大批量快速的生产节拍要求，具有非常广阔的应用前景。

附图说明

结合附图，通过对下述非限定性优选实施例的描述，可以更好地理解本发明；

图1本发明的金属-复合材料一体化成型保险杠的立体示意图；

图2本发明的金属-复合材料一体化成型保险杠的左视图；

图3本发明的金属-复合材料一体化成型保险杠的爆炸图；

图中符号说明如下：1-保险杠横梁金属外板、2-保险杠横梁复合材料内板、3-吸能盒、4-复合材料内板加强筋、5-复合材料锁扣。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步详细说明：

如附图所示，本发明一种金属/复合材料一体化成型的保险杠装置，包括以下部件：保险杠横梁金属外板1、保险杠横梁复合材料内板2、吸能盒3、复合材料内板加强筋4、复合材料锁扣5。它们之间的位置连接关系是：保险杠横梁金属外板1与保险杠横梁复合材料内板2通过注塑工艺粘附在一起；保险杠横梁复合材料内板2与吸能盒3固连在一起，为注塑一体化成型；吸能盒3位于保险杠横梁复合材料内板2的两端；复合材料内板加强筋4位于保险杠横梁复合材料内板2的内部，与保险杠横梁复合材料内板2和吸能盒3固连，为注塑一体化成型；复合材料锁扣5位于复合材料内板加强筋4的筋板交叉处，通过注塑生成，插入保险杠横梁金属外板1的外弧部的孔中，与保险杠横梁金属外板1固连，提高保险杠横梁金属外板1与保险杠横梁复合材料内板2的接合强度；保险杠横梁复合材料内板2、吸能盒3、复合材料内板加强筋4和复合材料锁扣5共同组成了本发明的复合材料模块，通过直接在保险杠横梁金属外板1上注塑实现一体化成型。

所述保险杠横梁金属外板1是自制件，采用屈服强度大于400MPa的高强度钢，钢板厚度0.6～1mm，经过冲压工艺制造而成，前端部弧形处有直径10mm的孔，上下端部有翻边，内部表面采用铬酸刻蚀的表面处理工艺，以增加内表面的粗糙度，提高保险杠横梁金属外板1与保险杠横梁复合材料内板2的粘附力。

所述保险杠横梁复合材料内板2是自制件，由热塑性复合材料，特别是热塑性玻璃纤维增强复合材料(GFRP)，在保险杠横梁金属外板1内表面注塑成型，厚度为2～4mm。

所述吸能盒3是自制件，由热塑性复合材料，特别是热塑性玻璃纤维增强复合材料(GFRP)注塑制成，厚度为3～5mm，与保险杠横梁复合材料内板2一体成型，两个吸能盒3以弧形保险杠横梁金属外板1的圆周角的角平分线成轴对称布置，通过端部的安装孔位实现与车架前纵梁的螺栓连接，安装孔的具体尺寸根据其应用的汽车车架前部结构而定。

所述复合材料内板加强筋4是自制件，由热塑性复合材料，特别是热塑性玻璃纤维增强复合材料(GFRP)注塑制成，厚度2～4mm，与保险杠横梁复合材料内板2一体成型，布置形式为十字交叉型，在实际生产中还可以为其他形状，筋板的数量和布置间距可以根据保险杠的外形尺寸和碰撞安全性需求而定。

所述复合材料锁扣5是自制件，由热塑性复合材料，特别是热塑性玻璃纤维增强复合材料(GFRP)注塑制成，与复合材料内板加强筋4一体成型，插入保险杠横梁金属外板1外弧部的孔中。

如附图所示，本发明所涉及的金属/复合材料一体化成型的保险杠装置，基于汽车轻量化、高安全性和模块化设计理念，通过冲压获得保险杠横梁金属外板1，将其放入热的注塑模具中，在保险杠横梁金属外板1的内表面注塑，可以一次性获得由保险杠横梁复合材料内板2、吸能盒3、复合材料内板加强筋4和复合材料锁扣5共同组成的复合材料模块，并完成复合材料模块与金属板件的粘附接合，工艺简单，生产速度快，与汽车制造工艺兼容性好，避免了焊接等装配流程，节约成本，易于在汽车工业中大批量推广。复合材料的使用大大降低了保险杠的重量，实现了轻量化，同时充分利用复合材料可成型复杂几何的特点，设计并制造了承载能力好的加强筋结构，提高了汽车保险杠的碰撞安全性。吸能盒3与保险杠横梁一体化成型，减少了吸能盒装配流程，同时提高了吸能盒3与保险杠的接合强度，抗冲击能力更强。在工程设计和生产中，吸能盒3和复合材料内板加强筋4的形状不局限于上述优选方案，还可以为其他形状，如：加强筋为矩形格栅形状，吸能盒中增加十字加强筋等，本发明对此不做限制。由于本发明采用了金属和复合材料的混合结构，配合巧妙的结构设计，可以实现碰撞过程中的多级吸能，提高了汽车的碰撞安全性。

本发明按照设想实施特例进行了说明，但不局限于上述实例，凡是符合本发明的思路，采用相似结构及材料替换的方法所获得的技术方案，都属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种金属/复合材料一体化成型的保险杠装置，其特征在于：该结构包括保险杠横梁金属外板、保险杠横梁复合材料内板、吸能盒、复合材料内板加强筋和复合材料锁扣。它们之间的位置连接关系是：保险杠横梁金属外板与保险杠横梁复合材料内板通过注塑工艺粘附在一起；保险杠横梁复合材料内板与吸能盒固连在一起，为注塑一体化成型；吸能盒位于保险杠横梁复合材料内板的两端；复合材料内板加强筋位于保险杠横梁复合材料内板的内部，与保险杠横梁复合材料内板和吸能盒固连，为注塑一体化成型；复合材料锁扣位于复合材料内板加强筋的筋板交叉处，通过注塑生成，插入保险杠横梁金属外板的外弧部的孔中，与保险杠横梁金属外板固连；保险杠横梁复合材料内板、吸能盒、复合材料内板加强筋和复合材料锁扣共同组成了本发明的复合材料模块，通过直接在保险杠横梁金属外板上注塑实现一体化成型。这种一体化成型的汽车保险杠装置，零件数量少，接合牢固，生产速度快，省掉了焊接等装配流程，可以实现碰撞过程中的多级吸能，提高了汽车的碰撞安全性，同时实现了减重。

所述保险杠横梁金属外板是自制件，采用屈服强度大于400MPa的高强度钢，钢板厚度0.6～1mm，经过冲压工艺制造而成，前端部弧形处有直径10mm的孔，上下端部有翻边，内部表面采用铬酸刻蚀的表面处理工艺，增加内表面的粗糙度，以提高金属外板与注塑复合材料的粘附力，其功能是作为复合材料注塑成型的载体和支撑，并通过自身的变形和断裂来吸收碰撞能量。

所述保险杠横梁复合材料内板是自制件，由热塑性复合材料，特别是热塑性玻璃纤维增强复合材料(GFRP)，在保险杠横梁金属外板内表面注塑成型，厚度为2～4mm，其功能是实现复合材料模块与金属板件粘附接合，提高结构的强度和碰撞吸能性。

所述吸能盒是自制件，由热塑性复合材料，特别是热塑性玻璃纤维增强复合材料(GFRP)注塑制成，厚度为3～5mm，与保险杠横梁复合材料内板一体成型，两个吸能盒以弧形保险杠横梁金属外板的圆周角的角平分线成轴对称布置，通过端部的安装孔位实现与车架前纵梁的螺栓连接，安装孔的具体尺寸根据其应用的汽车前部结构而定，其功能是把保险杠横梁安装于车架上，并通过自身变形和破坏来吸收碰撞能量。

所述复合材料内板加强筋是自制件，由热塑性复合材料，特别是热塑性玻璃纤维增强复合材料(GFRP)注塑制成，厚度2～4mm，与保险杠横梁复合材料内板一体成型，布置形式为十字交叉型，在实际生产中还可以为其他形状，筋板的数量和布置间距可以根据保险杠的外形尺寸和碰撞安全性需求而定，其功能是增强保险杠的强度和刚度。

所述复合材料锁扣是自制件，由热塑性复合材料，特别是热塑性玻璃纤维增强复合材料(GFRP)注塑制成，与复合材料内板加强筋一体成型，插入保险杠横梁金属外板外弧部的孔中，其功能是提高复合材料模块与金属板的接合强度。