某車(chē)型鋁合金推力桿輕量化設(shè)計(jì)與研究

劉飛，翁明武，黃鵬飛

某車(chē)型鋁合金推力桿輕量化設(shè)計(jì)與研究

劉飛，翁明武，黃鵬飛

（陜西徳仕汽車(chē)部件（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西 西安 710200）

文章對(duì)汽車(chē)輕量化的研究途徑進(jìn)行簡(jiǎn)述，針對(duì)某重型卡車(chē)的推力桿的情況，通過(guò)材料及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，提出了一種鋁合金推力桿的輕量化方案。通過(guò)HyperMesh軟件對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行理論分析，并采用臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行了驗(yàn)證，符合設(shè)計(jì)要求。

鋁合金；推力桿；輕量化；臺(tái)架試驗(yàn)

引言

汽車(chē)輕量化一直是汽車(chē)行業(yè)一個(gè)重要的研究方向，汽車(chē)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家早在20世紀(jì)60年代就開(kāi)始從事汽車(chē)零部件的輕量化的研究，直到現(xiàn)在研究仍在持續(xù)。選用輕型材料，并運(yùn)用先進(jìn)的制造技術(shù)，從而獲得更加輕質(zhì)、低成本的汽車(chē)零部件是汽車(chē)實(shí)現(xiàn)減重的重要途徑之一。推力桿作為鋼板彈簧懸架的重要構(gòu)成部件，主要應(yīng)用在載重汽車(chē)或客車(chē)的獨(dú)立懸架的單軸或雙后橋重型汽車(chē)上，連接著車(chē)架與車(chē)橋，其目的主要是為了克服鋼板彈簧只能傳遞垂直力和側(cè)向力而不能傳遞牽引力、制動(dòng)力，轉(zhuǎn)彎時(shí)的離心力。

本文通過(guò)對(duì)汽車(chē)零部件輕量化方案進(jìn)行研究分析，選取一種鋁合金材料，采用先進(jìn)的制造工藝完成推力桿制造，通過(guò)CATIA建模與有限元軟件對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行理論分析，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)出了一種符合法規(guī)技術(shù)要求的鋁合金輕量化推力桿。

1 輕量化研究途徑

汽車(chē)企業(yè)對(duì)汽車(chē)輕量化技術(shù)尋求過(guò)各種研究途徑和方法，主要有三種：一是進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，改變零部件的整體結(jié)構(gòu)，將零部件的結(jié)構(gòu)厚度更加合理從而達(dá)到輕量化的目的；二是利用密度小、強(qiáng)度高的新型輕質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)碳鋼材料實(shí)現(xiàn)零部件減重的目的；三是采用先進(jìn)的制造工藝，減輕零部件總成各部件的重量，實(shí)現(xiàn)總成產(chǎn)品的輕量化。以上三種方法可以相互結(jié)合，從而達(dá)到更好的輕量化目的。

2 傳統(tǒng)推力桿的結(jié)構(gòu)及性能要求

2.1 推力桿的結(jié)構(gòu)

推力桿總成主要由桿頭、桿身、卡簧、球銷(xiāo)組成，如圖1所示，其中球銷(xiāo)由球芯、端蓋、橡膠組成。I型推力桿兩端各有一個(gè)球銷(xiāo)，球銷(xiāo)的球芯有安裝孔，連接車(chē)架或車(chē)橋，車(chē)輛運(yùn)動(dòng)時(shí)，推力桿依靠球芯與端頭之間的橡膠來(lái)使推力桿具有緩沖作用。其裝配方法是將桿身與桿頭直接通過(guò)傳統(tǒng)的熱鉚壓緊密配合連接在一起。

圖1 推力桿結(jié)構(gòu)

2.2 推力桿的性能要求

2.2.1推力桿的桿身與桿頭拉脫力不得小于250KN

2.2.2運(yùn)動(dòng)特性

球銷(xiāo)許用扭轉(zhuǎn)角范圍及扭轉(zhuǎn)角剛度、許用偏轉(zhuǎn)角范圍及偏轉(zhuǎn)角剛度、軸向剛度、徑向剛度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求；橡膠硫化粘結(jié)強(qiáng)度應(yīng)大于其撕裂強(qiáng)度。

2.2.3耐久性能

正常實(shí)用條件下經(jīng)過(guò)2×105次的復(fù)合加載疲勞試驗(yàn)，推力桿總成出現(xiàn)下列情形之一者，則判定為失效：

（1）金屬與橡膠發(fā)生剝離或裂紋，其長(zhǎng)度大于粘結(jié)長(zhǎng)度的1/3或深度大于橡膠厚度的1/3。

（2）球銷(xiāo)松曠或硫化橡膠與銷(xiāo)套產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)。

（3）金屬件包括球銷(xiāo)、端蓋、彈性擋圈、銷(xiāo)座和桿身等桿身等產(chǎn)生裂紋或斷裂；或者壓裝、鉚接及螺紋鏈接部位松動(dòng)、彈性擋圈脫落。

（4）推力桿總成產(chǎn)生不可恢復(fù)變形，且變形量大于圖紙公差范圍。

（5）橡膠硫化結(jié)構(gòu)的推力桿，其單項(xiàng)靜剛度變化率超過(guò)30%；非橡膠硫化結(jié)構(gòu)的推力桿，其運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)變化率超過(guò)30%。

3 輕量化方案

3.1 材料及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

推力桿總成主要桿身、桿頭、球銷(xiāo)組成，由于球銷(xiāo)橡膠硫化件。在保持球銷(xiāo)不變的情況下，改變桿身、桿頭材料。原桿身材料為Q345，48×5，桿頭材料為45鋼改為鋁合金6082，桿身改為50×8。

桿頭結(jié)構(gòu)由原熱鉚結(jié)構(gòu)更改為摩擦焊結(jié)構(gòu)如圖2所示，桿頭熱鉚結(jié)構(gòu)改為摩擦焊結(jié)構(gòu)降低桿頭材料重量，通過(guò)摩擦焊將桿頭與桿身連接，將連接處的強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

圖2 優(yōu)化前后的桿頭結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)材料與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，單個(gè)推力桿總成降重3.6KG,一車(chē)四件，整車(chē)實(shí)現(xiàn)降重14.4KG。

3.2 生產(chǎn)工藝

推力桿桿身與桿頭連接采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的摩擦焊工藝，摩擦焊工藝是利用兩工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并在一定的摩擦壓力作用下產(chǎn)生較大的摩擦熱，使接頭部分達(dá)到熱塑性狀態(tài)，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)停止的瞬間加上一定的頂鍛壓力，使接頭部分焊接成質(zhì)量較好的接頭的焊接工藝，如圖3所示。

圖3 摩擦焊推力桿

通過(guò)摩擦焊焊接，接頭質(zhì)量好且穩(wěn)定，焊接過(guò)程由機(jī)器控制，參數(shù)設(shè)定后容易監(jiān)控，重復(fù)性好，不依賴(lài)于操作人員的技術(shù)水平和工作態(tài)度。焊接過(guò)程不發(fā)生熔化，屬固相熱壓焊，接頭為緞造組織，因此焊縫不會(huì)出現(xiàn)氣孔、偏析和夾雜，裂紋等鑄造組織的結(jié)晶缺陷。其次，生產(chǎn)效率高、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保。

4 強(qiáng)度分析與驗(yàn)證

4.1 有限元分析

利用CATIA建模導(dǎo)入HyperMesh,將碳鋼摩擦焊推力桿與鋁合金摩擦焊推力桿進(jìn)行強(qiáng)度對(duì)比分析，對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行可行性驗(yàn)證。分析結(jié)果如圖4、圖5、表1所示。

圖4 碳鋼摩擦焊徑向與軸向應(yīng)力分析

圖5 鋁合金摩擦焊徑向與軸向應(yīng)力分析

通過(guò)有限元分析摩擦焊（鋁）方案與摩擦焊（鋼）方案相比，鋁合金安全系數(shù)較高，原因?yàn)槟Σ梁福ㄤX）方案截面橫截面積較大，但因鋁的彈性模量比鋼小，因此摩擦焊（鋁）的變形量比摩擦焊（鋼）大，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

4.2 臺(tái)架試驗(yàn)分析

圖6

為進(jìn)一步驗(yàn)證鋁合金推力桿的疲勞強(qiáng)度，按照某車(chē)型懸架系統(tǒng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，沿端頭加載載荷±64kN，加載頻率1Hz，加載波形：正弦波，對(duì)稱(chēng)循環(huán)20萬(wàn)次，推力桿變形不超過(guò)初始值對(duì)30%，推力桿橡膠變形不超過(guò)初始值對(duì)100%，超過(guò)則視為失效。

通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，鋁合金推力桿的疲勞壽命為26.52萬(wàn)次，滿(mǎn)足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

走到快到街的盡頭，有一棟漂亮的小洋房。鐵柵欄圍著的小院子里，種滿(mǎn)了花草樹(shù)木。這個(gè)時(shí)節(jié)，還有大片金黃的菊花盛開(kāi)。我按了鐵柵門(mén)上的門(mén)鈴，一會(huì)兒里面的大門(mén)打開(kāi)了，陳浩的奶奶看到我很高興：

5 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)推力桿進(jìn)行材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，完成推力桿的輕量化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)降重3.6KG。

（2）采用有限元分析軟件對(duì)其理論強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比分析，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)其疲勞強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證，該輕量化的鋁合金推力桿滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 彭莫,刁增祥,黨瀟正.汽車(chē)懸架構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2016.

[2] 申晉憲,王鐵.載貨汽車(chē)總體設(shè)計(jì)分析.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2013.4.

[3] 尹欣,劉元朋,文振華.摩擦焊及其檢測(cè)技術(shù).北京:知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社,2012.6.

Design and Research of Light Weight of Aluminum Aluminum Propulsion Bar

Liu Fei, Weng Mingwu, Huang Pengfei

（Shaanxi Deshi Vehicle Components (Group) Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200）

Abstract:This paper briefly describes the research approach of automobile lightweight. According to the situation of thrust rod of a heavy truck, through the optimization of materials and the adoption of advanced production technology, a lightweight scheme of aluminum alloy thrust rod is proposed to achieve a weight reduction of 26KG. The strength of HyperMesh software was analyzed theoretically, and its strength was verified by platform test, which met the design requirements.

Keywords:Aluminum alloy; Thrust bar; Lightweight; Stand test

CLC No.:U465.2

Document Code: A

Article ID:1671-7988(2019)18-78-03

中圖分類(lèi)號(hào)：U465.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2019)18-78-03

作者簡(jiǎn)介：劉飛，技術(shù)中心-產(chǎn)品研發(fā)部部長(zhǎng)，工程師，就職于陜西徳仕汽車(chē)部件（集團(tuán)）有限責(zé)任公司技術(shù)中心產(chǎn)品研發(fā)部，主要從事重卡底盤(pán)的零部件設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.026