輕量化鋁合金推力桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其性能研究

張俊榮 張排排 唐春紅 廖勇 郭春杰 劉建林

（1.博戈橡膠塑料(株洲)有限公司，株洲412001；2.一汽解放青島汽車有限公司，青島266217）

1 前言

推力桿作為載重汽車懸架系統(tǒng)的重要零部件之一，主要起連接車橋與車架、傳遞汽車的縱向力和橫向力、保持車輛的穩(wěn)定性的作用[1-2]。目前，推力桿的材料主要還是以鑄鐵或鋼為主，質(zhì)量較大[3]。隨著國(guó)家對(duì)車輛節(jié)能減排的要求日益嚴(yán)格，主機(jī)廠對(duì)汽車零部件的輕量化要求越來(lái)越高[4]。推力桿輕量化的實(shí)現(xiàn)途徑主要有以下3種：一是通過(guò)材料或結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)推力桿的輕量化，如侯凱等人[5]通過(guò)使球銷“中空化”，實(shí)現(xiàn)單個(gè)推力桿質(zhì)量降低2 kg。二是應(yīng)用輕質(zhì)高強(qiáng)材料如鋁合金、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等實(shí)現(xiàn)推力桿的質(zhì)量降低。三是改進(jìn)制造工藝或制造方法，實(shí)現(xiàn)推力桿總成的輕量化。以上3種方法也可以結(jié)合使用，從而達(dá)到更優(yōu)的輕量化效果[6]。

迄今為止，已有部分廠家開(kāi)始在推力桿上應(yīng)用鋁合金、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等輕量化材料[7-8]。在國(guó)外，Volvo已經(jīng)有采用一體化桿身的直推力桿產(chǎn)品；在國(guó)內(nèi)，宇通、一汽等廠家也將鋁合金推力桿作為重要的技術(shù)路線來(lái)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的產(chǎn)品。

本文設(shè)計(jì)了1種鍛造成型的桿身-球頭一體式鋁合金推力桿，利用有限元分析模擬了靜載荷和疲勞載荷下推力桿的強(qiáng)度，結(jié)果表明各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)標(biāo)。最后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和客戶裝車驗(yàn)證，驗(yàn)證了鋁合金推力桿結(jié)構(gòu)的可靠性。和鋼結(jié)構(gòu)推力桿相比，該鋁合金推力桿在滿足性能要求的條件下，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量降低27%。

2 某車型推力桿的性能要求

某空氣懸架總成如圖1所示。該懸架用于牽引車，其工作的道路條件惡劣且滿載時(shí)貨物質(zhì)量較大，車輛運(yùn)行時(shí)懸架零件產(chǎn)生的相對(duì)加速度較大。因此，該車的懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求較高。

圖1 某空氣懸架總成示意

本文針對(duì)該懸架系統(tǒng)的下推力桿作降低質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)。該車型原有下推力桿結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由球鉸、球頭、套管3部分組成。該推力桿中間套管為空心圓鋼管，采用焊接技術(shù)使桿身與兩端球頭連接。整個(gè)推力桿總成質(zhì)量為11 kg。

圖2 某車型下推力桿結(jié)構(gòu)示意

3 推力桿性能計(jì)算及性能要求

整車受力示意見(jiàn)圖3。根據(jù)力和力矩平衡可得到后懸架受力，整車力平衡方程和力矩平衡方程見(jiàn)公式（1）和公式（2）。

圖3 整車受力示意

式中，∑F為垂向合力，經(jīng)計(jì)算，取值為0；∑MC為合力矩，經(jīng)計(jì)算，取值為0；Ffz為前輪接觸點(diǎn)垂向力；Frz為后輪接觸點(diǎn)垂向力；G為整車重力；F′x為整車縱向力；Ffx為前輪接觸點(diǎn)縱向力；Frx為后輪接觸點(diǎn)縱向力；Fr為整車縱向力；L為前后軸輪距；Lf為整車質(zhì)心至前軸距離；Lr為整車質(zhì)心距后軸距離；Hc為整車質(zhì)心高度。

推力桿受力示意圖見(jiàn)圖4。根據(jù)力和力矩平衡可得到后懸架受力，橋殼總成力平衡方程和力矩平衡方程見(jiàn)公式（3）和公式（4）。

圖4 推力桿受力簡(jiǎn)圖

式中，∑F為垂向合力，經(jīng)計(jì)算，取值為0；∑MC為合力矩，經(jīng)計(jì)算，取值為0；Fx為后軸承受縱向力；Fux為上推力桿受力；Fdx為下推力桿受力；Rrr為輪胎滾動(dòng)半徑；Hu為上推力桿作用點(diǎn)至輪心距離；Hd為下推力桿作用點(diǎn)距輪心距離。

本文使用表1的整車設(shè)計(jì)參數(shù)，代入以上公式計(jì)算得出，下推力桿桿體最大縱向載荷為98.8 kN。由于推力桿的安全系數(shù)為2，因此下推力桿的最大縱向載荷應(yīng)≥198 kN。最終確定的推力桿的性能要求見(jiàn)表2。

表1 整車相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 某車型推力桿的性能要求

4 鋁合金推力桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋁合金推力桿應(yīng)在滿足相同接口尺寸，匹配原推力桿的剛度性能，同時(shí)疲勞性能不下降的條件下，盡可能降低質(zhì)量。6082-T6鋁合金本身具有較高的力學(xué)性能，其拉伸屈服強(qiáng)度可達(dá)280 MPa，并且鍛造工藝可以改善鋁合金內(nèi)部組織，進(jìn)一步提高鋁合金的力學(xué)性能[9]。因此，應(yīng)用6082鋁合金結(jié)合鍛造工藝制造推力桿桿體可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的輕量化目標(biāo)。由于鍛造工藝不適用于薄壁圓管，因此本文設(shè)計(jì)了截面為工字形的桿體結(jié)構(gòu)，其截面形狀如圖5所示。該工字形截面結(jié)構(gòu)可以在保證桿體結(jié)構(gòu)剛度的前提下，便于鍛造成型，有利于保證生產(chǎn)節(jié)拍、降低成本。

圖5 推力桿截面示意

考慮到在汽車行駛和制動(dòng)過(guò)程中，下推力桿工作在受拉伸和壓縮2種工況影響，因此，推力桿必須滿足壓桿穩(wěn)定性的要求。細(xì)長(zhǎng)壓桿失穩(wěn)臨界力的歐拉公式[10]見(jiàn)公式（5）。

式中，μ為推力桿的長(zhǎng)度因數(shù)，取值為2；I為截面慣性矩；E為彈性模量。

將l=566 mm、B=54 mm、b=8 mm、H=54.7 mm、h=30 mm、E=62 GPa代入式(5)，可得推力桿失穩(wěn)臨界力Pcr=321 kN>200 kN。推力桿不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。

基于以上桿體截面設(shè)計(jì)，再結(jié)合球頭部分的形狀尺寸要求。最終設(shè)計(jì)的輕量化鋁合金鍛造推力桿總成結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 鋁合金推力桿總成結(jié)構(gòu)示意

5 有限元分析

本文使用ABAQUS軟件對(duì)推力桿進(jìn)行極限載荷和疲勞分析。仿真使用的鋁合金材料參數(shù)如表3所示。從圖7可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)位置位于中間桿身區(qū)域，無(wú)異常應(yīng)力集中，在桿體最大Mises（米塞斯）應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度280 MPa時(shí)，拉伸載荷為342 kN，高于企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的200 kN，安全余量充足。

表3 鋁合金材料參數(shù)

圖7 拉伸載荷為342 kN的應(yīng)力分布云圖

疲勞耐久性分析加載的載荷分別為±60 kN和±100 kN，加載頻率為1 Hz。從圖8可以看看出，在±60 kN載荷下，桿體最大應(yīng)力為87 MPa，其壽命＞1 000萬(wàn)次；從圖9可以看出，在±100 kN載荷下，桿體最大應(yīng)力為145 MPa，其壽命為60萬(wàn)次；以上分析結(jié)果表明桿體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以滿足強(qiáng)度及疲勞壽命要求。

圖8 60 kN循環(huán)載荷疲勞性能分析

圖9 100 kN循環(huán)載荷疲勞性能分析

6 鋁合金推力桿制造工藝流程

本文采用鍛造工藝成型鋁合金桿體，以獲得更好的輕量化效果，其工藝流程如圖10所示。具體步驟為先將鋁材切斷，加熱至480℃左右，進(jìn)行壓扁，隨后進(jìn)行預(yù)鍛成型，然后在熱摸鍛生產(chǎn)線上進(jìn)行終鍛成型，接著進(jìn)行切邊沖孔處理并加工出推力桿左右兩端的球鉸安裝孔。將終鍛成型的鋁合金桿體放入空氣爐中進(jìn)行530℃/2 h固溶時(shí)效處理后淬火再170℃回火，然后進(jìn)行清洗、探傷和拋丸處理最終制成鋁合金推力桿桿體。將2個(gè)球鉸分別壓如鋁合金桿體左右兩側(cè)的安裝孔，組裝成推力桿總成，如圖11所示。和原金屬推力桿對(duì)比，該鋁合金推力桿總成質(zhì)量可以降到8 kg左右，輕量化效果接近27%。

圖10 鍛造工藝流程

圖11 組裝好的鋁合金推力桿總成

7 試驗(yàn)驗(yàn)證

7.1 桿體靜強(qiáng)度驗(yàn)證

在電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（圖12）上進(jìn)行桿體的拉壓強(qiáng)度驗(yàn)證。首先將桿體施加拉伸載荷至200 kN，并保持30 s；然后桿體施加壓縮載荷至200 kN，并保持30 s。要求在拉伸載荷下鋁合金部件無(wú)裂紋、斷裂等失效形式，在壓縮載荷下桿體無(wú)失穩(wěn)現(xiàn)象，鋁合金部件無(wú)裂紋、斷裂等失效形式。鋁合金桿體極限載荷驗(yàn)證情況見(jiàn)表4。試驗(yàn)的3根試樣全部通過(guò)拉伸和壓縮載荷試驗(yàn)，滿足要求。

圖12 拉伸試驗(yàn)

表4 鋁合金桿體承載驗(yàn)證情況

7.2 球鉸壓入/壓出力驗(yàn)證

由于桿體材料更換，需要驗(yàn)證鋁合金桿體與鋼制外套之間的壓出力是否滿足技術(shù)要求，測(cè)試結(jié)果如表5所示，滿足≥40 kN的技術(shù)要求，與現(xiàn)有相對(duì)鋼制球頭的壓入壓出力數(shù)據(jù)（110～160 kN）相當(dāng)。

表5 球鉸壓入/壓出力測(cè)試結(jié)果 kN

7.3 疲勞壽命驗(yàn)證

在三通道電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上對(duì)鋁合金推力桿進(jìn)行疲勞性能驗(yàn)證，安裝方式見(jiàn)圖13。加載載荷大小為±60 kN，載荷加載頻率為1.5 Hz。在完成100萬(wàn)次循環(huán)后，鋁合金桿體未出現(xiàn)裂紋、斷裂等失效形式，通過(guò)疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖13 疲勞試驗(yàn)

7.4 客戶裝車驗(yàn)證

將本文設(shè)計(jì)的鋁合金推力桿裝在客戶某型號(hào)牽引車進(jìn)行路試，以驗(yàn)證推力桿的耐久性，裝車情況如圖14所示。經(jīng)過(guò)山路3 000 km及海南3#強(qiáng)化壞路8 000 km跑車試驗(yàn)后，推力桿狀態(tài)良好，桿體和球鉸均未發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)的裂紋或斷裂等失效現(xiàn)象。

圖14 路試后推力桿

8 結(jié)論

本文采用鍛造成型工藝設(shè)計(jì)制造了1種新型桿身-球頭一體式輕量化鋁合金推力桿，在滿足使用功能要求的前提下，實(shí)現(xiàn)推力桿整桿高達(dá)27%的減重效果。通過(guò)有限元仿真分析，評(píng)估了該設(shè)計(jì)方案的可行性，并且通過(guò)靜載和疲勞試驗(yàn)，驗(yàn)證了鋁合金推力桿的可靠性。該鋁合金推力桿順利通過(guò)客戶路試，滿足使用要求。