碳纤维增强树脂基热塑性复合材料汽车轮毂

1、碳纤维增强(树脂基)热塑性复合材料汽车轮毂方鲲1顾轶卓2 (1北京纳盛通新材料科技有限公司，北京热塑性复合材料制备与成型工程技术中心2北京航空航天大学材料科学与工程学院，教育部复合材料重点实验室)摘要：碳纤维增强(树脂基)热塑性复合材料(Carbon fiber reinforced thermoplastics， CFRT)属于高性能的碳纤维工程塑料复合材料，具有高比强度、高比模量、抗冲击性好、模 收缩率低、耐热性好、易回收、环保可循环重复使用等优势，属于“高性能化、工程化、环 保化”的新材料，可以替代部分价格贵的工程塑料和金属材料，并且可以根据汽车轮毂使用 要求进行复合材料设计与制造。碳纤

2、维增强(树脂基)热塑性复合材料汽车轮毂研究表明，注 塑成型工艺制品具有强度高、刚度大、耐冲击、尺寸稳定、翘曲度低、抗疲劳性好、耐蠕变 等显著优点，同时又具有减少生产工艺步骤、降低能耗、节约生产成本，实现汽车复合材料 零部件生产与集成的高度自动化、大规模化，提高了生产效率，具有突出的性价比优势，在 汽车轻量化应用领域将获得巨大发展。 关键词：碳纤维增强热塑性复合材料，汽车轮毂，注塑制品，性价比，汽车轻量化1前言汽车轮彀是高速旋转的主承力结构件，和车身结构件相比，它的减重效益更 为突出。同时，车轮减重还会带来汽车动力性能的跃升，如制动、加速、转向以 及降低回旋效应等，从整车角度来综合考量，这些性能

3、的改善将使汽车的综合效 能明显提升。汽车轮彀的轻量化成为汽车企业追求卓越的重要表现。 2复合材料汽车轮毂的发展热固性复合材料塑料(CFRP)的轮毂已被用于赛车以及小批量生产(and for short production runs o然而，与可注射成型的热塑性塑料复合材料(CFRT) 轮毂相比，热固性复合材料(CFRP)轮毂制造过程相对更复杂且更昂贵，因而不 适合大批量量生产。澳大利亚一家碳纤维技术公司在2012年美国拉斯维加斯举行的国际汽车 零配件展览会(SEMA)上推出的世界上第一个整体式碳纤维轮毂。这种CR-9碳 纤维轮毂每个仅重681817 kg，其质量相比合金轮毂轻4050。201

4、3年Smart汽车公司的新型热塑性复合材料(CFRT)车轮轮毂，整套车 轮由两部分组成：实际支撑组件以及轮罩。两组部件都具有支撑功能，在行驶条 件下可以承载高负荷。该塑料复合材料(CFRT)车轮仅重6kg，比标准铝车轮轻 30。与CR一9整体式碳纤维轮彀和DYMAG公司的碳纤维复合材料镁合金组合式夕3轮彀不同，Smart公司的全塑复合材料车轮采用长纤维增强聚酰胺(Ultramid Structure)热塑性复合材料，通过注塑成型工艺制备。无论从加工成本，还是成 型效率来讲，这种热塑性复合材料轮毂的注塑成型都更具优势。 3复合材料汽车轮毂的特点汽车轮毂复合材料化的综合效益显著。然而，作为保证汽车

5、行驶安全的重要 部件，汽车轮毂不仅需要承受整车重量及载重，还要传递驱动扭矩。同时，汽车 车轮的几何形状复杂，受力情况难于确切描述，这些为汽车轮毂的复合材料化带 来极强挑战。1)汽车轮毂设计应充分考虑复合材料的力学性能特点，设计制造整体式汽 车轮毂结构。整体式结构在充分挖掘复合材料强度特性的同时，避免了辐板和轮 辋的连接问题，既简化了工序，也提高了汽车轮毂的整体结构刚度和强度，有利 于提高耐久性和安全性。2)汽车车轮在行驶过程中，经常会受到路边石的高速冲击，而复合材料对 冲击损伤又比较敏感，因此，复合材料汽车轮毂对抗冲击性能的要求比其它结构 件高，冲击试验也是车轮性能检测试验中的种。复合材料的冲

6、击性能主要受材 料体系和成型工艺的影响，优选材料体系和成型工艺是制各高抗冲击性复合材料 汽车轮毂的主要手段。3)作为汽车部件使用，也可以采用表面防护等方法防止路边石直接冲击到复 合材料汽车车轮内表面，降低车轮冲击损伤的风险。制动摩擦热的散发是汽车轮 毂设计和制造除力学性能外需要考虑的另一个关键性能。和钢制或者铝合金汽车 轮毂相比，复合材料的散热性能差。为提高复合材料汽车轮毂的散热性，可以从 复合材料体系和汽车车轮结构设计两方面着手。DYMAG公司的碳纤维镁合金组 合式轮彀采用高导热材料制备汽车刹车盘和碳纤维轮辋组成整体汽车轮彀，通过 高导热材料刹车盘增强汽车轮彀散热能力。此外，通过汽车轮毂造型

7、设计，靠自 身旋转散发热量，这也许给复合材料汽车轮毂的散热设计提供了借鉴。复合材料和金属材料的力学特性完全不同，主要体现在两个方面：1)复合材 料为力学性能具有明显的各向异性，呈现出很强的可设计性，而金属材料则为各 向同性；2)复合材料和金属材料的破坏模式不同，复合材料破坏模式呈现复杂多 样，属于多尺度渐进式韧性破坏，而金属材料的破坏为呈现塑性变形主导的屈服 破坏。不同的决定源于设计理念的不同，不同设计决定对部件的服役失效评估准 则不同。因此，必须将复合材料的性能特性与复杂汽车轮毂结构设计融入部件设24计理念，才有可能推动先进复合材料作为汽车主承力轮毂结构件的应用，从而达 到汽车轮毂轻量化设计

8、目的，实现节能减排目标。 4碳纤维增强热塑性复合材料汽车轮毂针对新能源汽车某一型号车轮轮毂的碳纤维热塑性复合材料(CFRT)替代化 方案项目，凭借对于碳纤维工程塑料复合材料的深入研究及应用分析经验，为其 提供热塑性复合材料轮毂零部件结构、重量、成本、性能优化方案，并同时提供 材料性能认可材料物性。5结论与建议1)填充时间约40165s，速度压力切换点的压力值约为4065Mpa，成型 周期内最大锁模力约为6502Tonne：2)困气发生在筋位、柱位、拐角结构、料流汇合处和填充末端，做足排气 槽，熔接痕产生在料流汇合处和特殊结构处；3)产品翘曲变形分析未考虑冷却效应，变形大小受实际注塑条件不同和后 续应力引起的后收缩影响；4)注意产品的圆度是否满足要求。工程经验：(1)复合材料可以很好实现复杂结构与性能集成一体化设计和