1、引言

汽車輕量化技術(shù)是節(jié)省能源、提高車輛行駛性能的有效方法之一，也是國內(nèi)外汽車制造商追求的關(guān)鍵技術(shù)目標(biāo)之一，復(fù)合材料在汽車輕量化中的地位舉足輕重。由于其成型工藝相較于金屬成型工藝的特殊性，考慮到在設(shè)計(jì)、工藝、維修、運(yùn)輸?shù)确矫娴男枨?，并從制造、裝配、使用和維護(hù)的實(shí)際需要出發(fā)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)還保留著大量的設(shè)計(jì)分離面和工藝分離面，這些分離面需要在裝配階段與其他復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件或金屬結(jié)構(gòu)件進(jìn)行裝配連接。與金屬結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合材料具有層間剪切強(qiáng)度低、抗沖擊能力差等弱點(diǎn)，決定了其結(jié)構(gòu)的裝配連接難度大、技術(shù)要求高的特點(diǎn)。合理選擇并運(yùn)用復(fù)合材料的連接方式，是提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度、減輕結(jié)構(gòu)重量、充分發(fā)揮復(fù)合材料優(yōu)異特性的重要條件之一。

本文通過對(duì)汽車局部結(jié)構(gòu)的典型實(shí)例進(jìn)行描述分析，總結(jié)出幾種適用于汽車連續(xù)碳纖維復(fù)合材料零部件裝配連接的設(shè)計(jì)技術(shù)，即機(jī)械連接、膠粘連接和兩種方式的混合連接3種方法。

2、連接方式選擇

在復(fù)合材料連接設(shè)計(jì)技術(shù)中，選用何種連接方法，主要根據(jù)實(shí)際使用要求而定。一般來說，除了考慮到傳遞載荷的大小、連接部位的重要程度、被連接件的材料特性等因素外，還要從環(huán)境狀況、可檢測(cè)性、可拆卸性及可修理性以及工藝性和制造成本等方面進(jìn)行考慮。下面列出了機(jī)械連接、膠接及混合連接的應(yīng)用特點(diǎn)及范圍，如

 不同連接方式應(yīng)用特點(diǎn)及使用范圍

3、連接設(shè)計(jì)

3.1機(jī)械連接

復(fù)合材料的機(jī)械連接是指將復(fù)合材料被連接件局部開孔，然后用鉚釘、銷釘、螺栓等將其緊固連接成整體。在復(fù)合材料的連接中，機(jī)械連接仍是主要的連接方法。機(jī)械連接設(shè)計(jì)除了要考慮選擇何種緊固件及連接形式外，還要對(duì)連接幾何參數(shù)、連接區(qū)的鋪層、防電偶腐蝕等方面進(jìn)行詳細(xì)分析設(shè)計(jì)。

機(jī)械連接中幾何參數(shù)的定義

圖3.1機(jī)械連接幾何參數(shù)

為防止復(fù)合材料機(jī)械連接出現(xiàn)低強(qiáng)度破壞模式，并具有較高的強(qiáng)度，被連接板的幾何參數(shù)一般應(yīng)按表3.1進(jìn)行選取。

表3.1機(jī)械連接中幾何參數(shù)的選擇

連接區(qū)的鋪層設(shè)計(jì)需考慮孔周有較大的應(yīng)力集中，這將明顯降低機(jī)械連接的承載能力。為提高復(fù)合材料機(jī)械連接的強(qiáng)度和柔性，連接區(qū)的鋪層設(shè)計(jì)一般應(yīng)遵循以下原則：

a) 采用均衡對(duì)稱鋪層。采用均衡對(duì)稱鋪層可以消除由復(fù)合材料沿纖維方向和垂直纖維方向的熱膨脹系數(shù)不同而在加溫固化時(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力及由此而產(chǎn)生的翹曲；

b) ±45°層比例不低于40%，0°層比例不低于25%，90°層比例10～25%；

c) 相同方向的鋪層，沿層壓板厚度方向應(yīng)盡可能地均勻散開，使相鄰層纖維間夾角最小；

d) 連接區(qū)局部加厚，保證連接區(qū)有足夠的強(qiáng)度；

e) 層壓板表面鋪設(shè)±45°層，可以改善層壓板的抗壓和抗沖擊性能，表面鋪設(shè)0°層有利于傳遞載荷；

f) 應(yīng)避免在連接區(qū)拼接纖維；

g) 在載荷過渡區(qū)，中面兩側(cè)應(yīng)有等量的+45°和-45°層。

在機(jī)械連接設(shè)計(jì)中，應(yīng)采用可靠的防電偶腐蝕措施。應(yīng)該重視濕裝配的作用，因?yàn)闈裱b配不僅可以防腐，尤其對(duì)鉚接中難以完全避免的工藝損傷有彌補(bǔ)作用。常用的防護(hù)措施是在復(fù)合材料與金屬構(gòu)件的接觸部位鋪覆一層玻璃布，涂膠或涂漆等，如圖3.2所示。重要或易腐部位，應(yīng)該采取接頭全密封的方法來防腐。此種連接方式也屬混合連接。

圖3.2 緊固件防電偶腐蝕設(shè)計(jì)

3.2膠粘連接

復(fù)合材料的膠接是指借助膠粘劑將零件連接成不可拆卸的整體，是一種較實(shí)用、有效的連接工藝技術(shù)，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接中應(yīng)用較普遍。膠粘連接除了要考慮選擇何種膠粘劑與結(jié)構(gòu)連接形式外，粘接接頭的設(shè)計(jì)好壞同樣將直接影響到粘接性能和強(qiáng)度。

汽車復(fù)合材料結(jié)構(gòu)膠粘劑通常使用環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂和丙烯酸酯樹脂為基礎(chǔ)的三大類粘結(jié)劑，該三大類粘結(jié)劑在使用中也各具特點(diǎn)，應(yīng)該針對(duì)不同的材料和使用要求進(jìn)行不同的選擇。

膠粘連接接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式也是多種多樣的，根據(jù)被粘物形狀可分為平面搭接、角形搭接、T形粘接和管、棒形粘接等形式；根據(jù)材料的粘接方式又可分為對(duì)接、搭接、插接、階梯搭接等等。從接頭形式看，一般認(rèn)為插接結(jié)構(gòu)比較理想，其次是搭接和斜搭接。但在實(shí)際應(yīng)用中，主要根據(jù)被粘接制品的結(jié)構(gòu)和需粘接的部位而具體確定。

膠接連接幾何參數(shù)的定義，以承受拉伸載荷P的等厚度單搭接連接為例，其連接幾何參數(shù)是：被膠接件厚度t、膠層厚度h和搭接長度L。

圖3.3膠粘連接幾何參數(shù)

被膠接件厚度t通常由需傳遞的載荷P來確定。膠層厚度h對(duì)連接強(qiáng)度有一定影響。增加膠層厚度，可以減小應(yīng)力集中，提高連接強(qiáng)度；但厚度過大易產(chǎn)生氣泡等缺陷，反使強(qiáng)度下降，膠層薄則要求被膠接件間貼合度高，因而也不宜過薄，一般以0.2～0.5mm為宜。膠粘區(qū)域搭接長度L一般以15～20mm為宜。

3.3混合連接

將膠接與機(jī)械連接結(jié)合起來，從工藝技術(shù)上嚴(yán)格保證兩者變形一致、 同時(shí)受載，其承載能力和耐久性將會(huì)大幅度提高，可以排除2種連接方法各自的固有缺點(diǎn)?；旌线B接主要用于提高破損安全性、膠接連接的維修、改善膠接剝離性能等。

選用韌性膠粘劑，以便膠接的變形與機(jī)械連接的變形相協(xié)調(diào)。通常機(jī)械連接的變形總是大于膠接的變形（指面內(nèi)變形），要滿足這一要求相當(dāng)困難。

緊固件與孔的配合精度要高。如果膠層很脆，且緊固件與孔的配合又不夠精密，那么連接試件的剪切變形就較大，將先引起膠層的剪切破壞，繼而引起緊固件的剪切破壞或孔的擠壓破壞，達(dá)不到預(yù)期的效果。

金屬-復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)一般按照全復(fù)合材料連接設(shè)計(jì)的要求。全復(fù)合材料一般不推薦采用干涉配合。但在金屬-復(fù)合材料-金屬混合結(jié)構(gòu)中，可以采用適當(dāng)?shù)母缮媾浜蟻硖岣呓饘俚钠谛阅堋?/span>

4 工程設(shè)計(jì)實(shí)例

下面將舉例介紹汽車典型結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計(jì)應(yīng)用。

在某車型復(fù)合材料后側(cè)圍外板與門檻縱梁的連接設(shè)計(jì)中，考慮到連接處為車體主承力結(jié)構(gòu),承載較大，并可拆卸，故采用螺栓連接方式，如圖4.1所示。螺栓及螺母下面放置墊圈，減少孔邊周圍的損傷，防止過大的擰緊力矩造成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)凹坑和裂紋等缺陷。

圖4.2是為某整車廠進(jìn)行復(fù)合材料前后蓋的開發(fā)項(xiàng)目實(shí)例，由于車身外覆蓋件承載較小且厚度較薄，采用膠粘連接方式即可滿足強(qiáng)度要求，前引擎蓋及后行李箱蓋內(nèi)外板間采用邊緣膠粘密封連接設(shè)計(jì)，內(nèi)板加強(qiáng)筋條翻邊與外板也進(jìn)行粘接處理。

在某車型復(fù)合材料后行李箱蓋內(nèi)板加強(qiáng)板的連接設(shè)計(jì)中，考慮到局部膠粘連接失效，并保證破損安全，采用膠螺混合連接的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖4.3所示。加強(qiáng)板與內(nèi)板局部貼合面先采用膠粘連接，在膠粘劑未固化時(shí)立即進(jìn)行螺栓連接，節(jié)省裝配時(shí)間，實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

5、結(jié)論

通過大量相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，以上所述三種連接設(shè)計(jì)技術(shù)可以滿足當(dāng)前碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)及開發(fā)需求，對(duì)于不同連接方式的選擇需要根據(jù)構(gòu)件的具體使用情況和設(shè)計(jì)要求來確定。隨著汽車復(fù)合材料產(chǎn)品的輕量化指標(biāo)及批量化生產(chǎn)進(jìn)程的發(fā)展，復(fù)合材料連接設(shè)計(jì)技術(shù)還有很多地方需要不斷進(jìn)行更新和完善，對(duì)推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)化具有重大的意義。