30CrMo鋼制輕量化乘用車穩(wěn)定桿開發(fā)

宋磊峰 馮毅 高翔 李少杰 王潔峰 李先鵬

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.河鋼集團石鋼公司，石家莊 050031；3.華緯科技股份有限公司，紹興 311800；4.江蘇常寶鋼管股份有限公司，常州 213018）

1 前言

橫向穩(wěn)定桿是用來提高汽車懸架側(cè)傾角度剛度，減少車身傾角，使汽車在路況不平或轉(zhuǎn)彎時能夠行駛平穩(wěn)。車輛在行駛過程中當左、右車輪垂直方向產(chǎn)生相對位移時，橫向穩(wěn)定桿中間部分受扭轉(zhuǎn)，側(cè)臂受彎曲，起到增加懸架剛度作用[1-3]。目前進口、國產(chǎn)轎車前后懸架全部配裝了穩(wěn)定桿，SUV 等越野車基本都配裝有前穩(wěn)定桿或前、后2 種穩(wěn)定桿，越來越多的輕型、重型載貨汽車裝配了穩(wěn)定桿。裝有穩(wěn)定桿的車輛行駛較穩(wěn)定、舒適，翻車概率大大降低，據(jù)統(tǒng)計在路況差、急轉(zhuǎn)彎時裝有穩(wěn)定桿的車輛翻車概率降低60%～80%。

作為汽車輕量化重要的一部分，底盤件的輕量化工作意義也非常重大，尤其是對于商用車的底盤件。相比于車身用材而言，汽車底盤件常為結(jié)構(gòu)件，對材料的性能有一定的要求，同時對零部件的功能也有特定的要求。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的商用車及大部分乘用車所采用的底盤穩(wěn)定桿均為實心結(jié)構(gòu)，實心穩(wěn)定桿的材料主要為彈簧圓鋼60Si2Mn、50CrVA。為實現(xiàn)輕量化，部分整車企業(yè)采用焊管制作空心穩(wěn)定桿，其管壁厚與外徑之比多為0.125 左右，其外徑較實心桿增加了11.8%，但質(zhì)量可降低40%～50%，輕量化意義重大，但目前焊管空心穩(wěn)定桿主要依賴進口。對于空心穩(wěn)定桿使用材料有無縫鋼管和焊管2 種，無縫鋼管常用材料有35CrMo、42CrMo 結(jié)構(gòu)鋼材料，焊管常用材料有34MnB5、20MnB5、22MnB5、26Mn5 材料。目前，無縫空心穩(wěn)定桿是一種極具市場潛力的新技術(shù)和新產(chǎn)品，研發(fā)一種全新可替代國外進口材料的無縫鋼管材料，并將其應(yīng)用于空心穩(wěn)定桿的生產(chǎn)、應(yīng)用，極具市場價值。此外，穩(wěn)定桿作為底盤重要的耐久安全件，其使用工況往往較為惡劣，目前質(zhì)量降低、性能目標提升已成為汽車零件發(fā)展的趨勢之一。目前許多主機廠一方面在追求穩(wěn)定桿的輕量化，另一方面也在增加其設(shè)計應(yīng)力，因此穩(wěn)定桿面臨更大的開發(fā)難度?；谛阅芸紤]當前空心穩(wěn)定桿一般主機廠多傾向于采用價格較為昂貴的焊管材料，對于無縫管制穩(wěn)定桿涉足不多。但是基于汽車工業(yè)化生產(chǎn)角度，未來更具性價比的無縫管制穩(wěn)定桿將逐漸興起[4]，需要從材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝方面進行系統(tǒng)的研究，在性能方面滿足當前穩(wěn)定桿的高品質(zhì)要求。

綜上所述，本項目將以保證穩(wěn)定桿性能要求，即穩(wěn)定桿的裝配尺寸、剛度要求、強度要求、疲勞可靠性為前提，實現(xiàn)輕量化為目標，開發(fā)基于無縫管制輕量化乘用車穩(wěn)定桿。

2 材料選擇

從穩(wěn)定桿的技術(shù)要求出發(fā)，結(jié)合實際生產(chǎn)需求，對無縫空心穩(wěn)定桿的材料性能要求進行分析。除要求外觀無傷口、缺陷、折疊、結(jié)疤、軋折、離層，表面光潔無氧化鐵皮外，量產(chǎn)無縫空心穩(wěn)定桿材料應(yīng)關(guān)注以下性能。

a.外徑、壁厚、長度尺寸。作為量產(chǎn)管控必不可少的一部分，通過行業(yè)調(diào)研，結(jié)合主機廠和零部件廠要求，形成無縫鋼管外徑D 和壁厚S 性能要求。管材長度尺寸視具體產(chǎn)品要求而定，一般為正公差；

b.直線度要求≤2‰；

c.鋼材牌號和化學(xué)成分；

d.力學(xué)性能，由于無縫空心穩(wěn)定桿制造時需對管材進行冷彎，所以光管的交貨狀態(tài)應(yīng)為退火態(tài)，鋼管應(yīng)作硬度檢驗；

e.無損檢測，鋼管可按GB/T 5777—2019《無縫和焊接（埋弧焊除外）鋼管縱向和/或橫向缺欠的全圓周自動超聲檢測》[5]規(guī)定進行超聲檢測，驗收等級L2；或按GB/T 7735—2016《無縫和焊接（埋弧焊除外）鋼管缺欠的自動渦流檢測》[6]規(guī)定進行渦流檢測，驗收等級E2H 或E2；或按GB/T 12606—2016《無縫和焊接（埋弧焊除外）鐵磁性鋼管縱向和/或橫向缺欠的全圓周自動漏磁檢測》[7]規(guī)定進行漏磁檢測，驗收等級F2；

f.脫碳層，鋼管應(yīng)做脫碳層檢測；

g.微組織，鋼管應(yīng)做顯微組織檢測，顯微組織應(yīng)為珠光體與均勻分布的鐵素體；

h.晶粒度，鋼管晶粒度應(yīng)不小于6 級；

i.非金屬夾雜，按GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》[8]中A 法評級，A、B、C、D 各類夾雜物的細系級別和粗系級別需滿足產(chǎn)品性能要求。

j.彎曲性能，按GB/T 244—2020《金屬材料 管彎曲試驗方法》[9]中方法進行彎曲試驗，彎曲角度90°，彎芯半徑視具體產(chǎn)品而定。試樣彎曲后應(yīng)無裂紋出現(xiàn)，彎曲處最大直徑減小率≤5%。

圖1 為目標穩(wěn)定桿模型，該穩(wěn)定桿為實心結(jié)構(gòu)，所采用的材料為傳統(tǒng)的55Cr3 鋼材。

圖1 原實心穩(wěn)定桿

在此基礎(chǔ)上進行了基于空心化設(shè)計目標的選材分析。首先，基于對穩(wěn)定桿的輕量化和安全性角度考慮，對替換鋼種的力學(xué)性能要求比較高，經(jīng)過行業(yè)調(diào)研及與主機廠溝通獲悉，原實心穩(wěn)定桿采用的是55Cr3。由于實心桿中心應(yīng)力較小，基本不受力，實際安全系數(shù)較高。替換鋼材調(diào)質(zhì)后的強韌性應(yīng)確保不低于現(xiàn)在的55Cr3。其次，針對調(diào)質(zhì)鋼合金性能，在組織方面，應(yīng)確保具有盡量高的晶粒度等級，較高的抗拉強度和屈服強度，以滿足翻轉(zhuǎn)軸疲勞強度要求，保證具有優(yōu)異的強度性能。此外，應(yīng)保有一定的延伸率，保障材料的韌性水平，同時韌性還與組織細化程度有關(guān)。此外，在做無縫空心穩(wěn)定桿的諸多鋼材中，30CrMo 性能較為均衡，在無縫空性穩(wěn)定桿的材料中的占有率較高，結(jié)合主機廠和零部件廠的推薦意見，選用30CrMo 為空心穩(wěn)定桿用鋼。

30CrMo 具有高的強度和韌性，淬透性較高，在油中臨界淬透直徑為15～70 mm；鋼的熱強度性較好，在500 ℃以下具有足夠的高溫強度，但550 ℃時其強度顯著下降；當合金元素在下限時焊接相當好，但接近上限時焊接性中等，并在焊前需預(yù)熱至175 ℃以上；鋼的可切削性良好，冷變形時塑性中等；熱處理時在300～350 ℃的范圍有第一類回火脆性。項目選用某公司量產(chǎn)成熟的30CrMo 鋼產(chǎn)品作為原材料。

3 產(chǎn)品輕量化設(shè)計及驗證

乘用車穩(wěn)定桿可以看成一種特殊的彈性元件，其實質(zhì)是一種橫向布置的扭桿彈簧。乘用車穩(wěn)定桿的作用是減輕車輛曲線行駛時的側(cè)傾，控制車身姿態(tài)，從而提高行駛的安全性。同時，其對車輛的操縱穩(wěn)定性也有重要的影響。增加前懸架穩(wěn)定桿剛度會提高車輛的轉(zhuǎn)向性能和蛇形行駛的的性能；增加后懸架穩(wěn)定桿的剛度會使前驅(qū)車獲得中性轉(zhuǎn)向性能，使后驅(qū)車獲得更大的過度轉(zhuǎn)向性能，進而獲得更好的麋鹿測試成績。例如，當車輛一側(cè)的車輪發(fā)生上或下跳動，前后穩(wěn)定桿另一端相對路面的位置保持靜止，導(dǎo)致車身產(chǎn)生傾斜時，跳動端產(chǎn)生的位移S將導(dǎo)致穩(wěn)定桿端部產(chǎn)生相應(yīng)的力F，并使穩(wěn)定桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)，穩(wěn)定桿將利用自身剛度減少位移S，進而減輕車身側(cè)傾姿態(tài)；同理，當車輛兩側(cè)的車輪出現(xiàn)一側(cè)向下，另一側(cè)向上的相反跳動時，穩(wěn)定桿也能利用自身剛度給予兩端一定的反作用力，減輕車身側(cè)傾姿態(tài)，進而達到提升車輛的操縱穩(wěn)定性的目的。但是，穩(wěn)定桿也不是全無負面影響，由于穩(wěn)定桿對車輛懸架剛度的加強，會導(dǎo)致車輛車輪懸置剛度的增強，當車輛行駛過波形路面時，會使其它各處彈性元件的變形量增加，即對路面的響應(yīng)變大，減小了車輛在凹凸不平路面的輪胎抓地力，影響整車行駛的平順性。所以，穩(wěn)定桿的剛度不是越大越好，而是要綜合考量整車性能，給予其一個合適的剛度區(qū)間。以實心穩(wěn)定桿為目標，基于輕量化理念，在滿足原穩(wěn)定桿性能指標要求的條件下，進行空心化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖2 為原實心穩(wěn)定桿產(chǎn)品的模型，其原始質(zhì)量為4.69 kg。剛度和壽命是穩(wěn)定桿最重要的性能考核指標。原穩(wěn)定桿剛度為37.1 N/mm，疲勞壽命超過50 萬次。為實現(xiàn)既定目標，本項目通過對原穩(wěn)定桿進行空心化設(shè)計的方法使其輕量化，從而達到質(zhì)量降低30%的指標。設(shè)計除需考慮滿足主機廠對產(chǎn)品規(guī)定的剛度和疲勞壽命的要求外，還需考慮產(chǎn)品周邊環(huán)境數(shù)據(jù)的需求。由于本項目以實際量產(chǎn)為出發(fā)點，考慮后續(xù)可能出現(xiàn)的裝車情況，設(shè)計出的產(chǎn)品需在不改變和影響車輛其它零部件的情況下與原實心穩(wěn)定桿實現(xiàn)100%互換，以便能實現(xiàn)裝車。這就對產(chǎn)品設(shè)計的空間自由度提出了高要求。基于此，確定了針對新穩(wěn)定桿的產(chǎn)品設(shè)計的優(yōu)先權(quán)順序，分別為產(chǎn)品互換性、產(chǎn)品輕量化要求和產(chǎn)品基本性能要求3 個方面。

圖2 原實心穩(wěn)定桿模型

根據(jù)原實心穩(wěn)定桿產(chǎn)品數(shù)模提取出中心線，結(jié)合環(huán)境數(shù)據(jù)展開新穩(wěn)定桿中心線設(shè)計，找出其安裝點及安裝軸線，以便后續(xù)確定運動范圍，最終根據(jù)安裝軸線及原實心穩(wěn)定桿產(chǎn)品輪廓確定運動范圍。根據(jù)原穩(wěn)定桿中心線、安裝軸線、大致運動范圍可開始下一步設(shè)計工作，最后在新穩(wěn)定桿產(chǎn)品定型后與整車環(huán)境數(shù)據(jù)進行匹配，確定其是否有干涉（圖3）。

圖3 穩(wěn)定桿安裝確定

在確定完成產(chǎn)品大致設(shè)計空間后，需要思考性能如何滿足產(chǎn)品基本設(shè)計性能要求，即剛度和疲勞強度要求，剖析這些性能與穩(wěn)定桿設(shè)計參數(shù)之間的具體關(guān)系。對于疲勞強度而言，與設(shè)計結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的一個重要參數(shù)就是產(chǎn)品的使用應(yīng)力，即在使用工況條件下穩(wěn)定桿的應(yīng)力分布和最大值情況，應(yīng)力越是集中，應(yīng)力最大值越大，則疲勞強度越低。同時，由于對原實心穩(wěn)定桿的空心化設(shè)計在無其他設(shè)計變動的情況下，應(yīng)力勢必大幅增加，使得疲勞強度驟減，同時，零件剛度也會有少許降低。為使新穩(wěn)定桿性能維持在設(shè)計目標范圍內(nèi)，需要進行一定的設(shè)計變更，在諸多穩(wěn)定桿設(shè)計參數(shù)中對剛度影響最為直接的參數(shù)是管的直徑，管的直徑越大，則剛度越強。但經(jīng)過運動范圍及整車環(huán)境數(shù)據(jù)的校核，受限于現(xiàn)有車型研發(fā)之初使用的是直徑較小的穩(wěn)定桿的緣故，為保障新舊穩(wěn)定桿的互換性，無法將管徑擴大，只能繼續(xù)沿用原直徑設(shè)計，而設(shè)計目標為降低應(yīng)力。

參照相關(guān)文獻[10-11]，為保障新穩(wěn)定桿性能，對穩(wěn)定桿設(shè)計參數(shù)與性能間關(guān)系進行剖析。穩(wěn)定桿應(yīng)力計算參照圖4，具體如公式（1）。

圖4 穩(wěn)定桿計算簡圖

式中，I5為總跨度；I為襯套安裝跨度；I1為縱向總寬度；I2為外端點至直線段距離；I3為1/2 直線段寬度；I4為外端點至襯套長度；Io為端部直徑長度；R為端部圓弧半徑；E 為材料彈性模量；G 為材料剪切彈性模量；Ix為穩(wěn)定桿截面對中心線慣性矩，為穩(wěn)定桿截面極慣性矩為穩(wěn)定桿行程。

結(jié)合本項目實際情況，即因整車設(shè)計已將l、l1、l4、l5數(shù)據(jù)凍結(jié)，無法調(diào)整，僅能調(diào)整l0、l2、l3及R等參數(shù)?？傮w結(jié)構(gòu)尺寸不變動的情況下，調(diào)整局部結(jié)構(gòu)降低應(yīng)力以保證剛度、疲勞目標需求，在符合設(shè)計空間和環(huán)境數(shù)據(jù)的條件下，對l2和R值做了調(diào)整，調(diào)整前后局部結(jié)構(gòu)示例如圖5。此外，在調(diào)整局部結(jié)構(gòu)降低應(yīng)力的條件下，進一步進行輕量化設(shè)計，設(shè)計的方式就是調(diào)整空心件壁厚，基于輕量化目標，不斷調(diào)整壁厚值，再進行反復(fù)的虛擬仿真驗證，直至質(zhì)量和性能均滿足要求。最終的空心穩(wěn)定桿模型如圖6。圖7 為新穩(wěn)定桿的性能仿真結(jié)果。經(jīng)過與原實心穩(wěn)定桿應(yīng)力分析數(shù)據(jù)對比，新空心穩(wěn)定桿最大應(yīng)力為545.1 MPa，與原實心穩(wěn)定桿最大應(yīng)力517.7 MPa 相當，且應(yīng)力分布保持一致。新空心穩(wěn)定桿剛度為33.0 N/mm，與原實心穩(wěn)定桿剛度37.1 N/mm 相比雖有下降，但滿足設(shè)計要求。疲勞壽命44.9 萬次，相比于原來的實心產(chǎn)品也略有降低，但也滿足高于20 萬次設(shè)計要求。新空心穩(wěn)定桿理論質(zhì)量2.95 kg，質(zhì)量降低37%，達到輕量化設(shè)計目標。

圖5 新舊穩(wěn)定桿局部結(jié)構(gòu)對比(R)

圖6 新空心穩(wěn)定桿模型示意

4 輕量化產(chǎn)品試制及實物驗證

基于現(xiàn)有成熟工藝體系，結(jié)合新穩(wěn)定桿產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及原材料性能特性，完成產(chǎn)品制造工藝研究及樣件制備，確定最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)。最后完成新穩(wěn)定桿的樣件制備，無縫空心穩(wěn)定桿樣件制備分為制管和樣件制備2 個主要工序。

圖7 新空心穩(wěn)定桿性能仿真結(jié)果

4.1 制管工藝流程

穩(wěn)定桿對疲勞要求很高，因此若選用無縫鋼管進行制造，對管的內(nèi)外部表面質(zhì)量均有高要求，因此對圓鋼坯的熱穿制管過程的工藝把控非常嚴格。為滿足空心穩(wěn)定桿開發(fā)的需求，對應(yīng)的無縫鋼管制備工藝流程及成品管坯件如圖8 所示，其中UT 為超聲檢測，ET 為渦流探傷，PMI 為光譜檢測。

4.2 穩(wěn)定桿試制造

穩(wěn)定桿試制造工藝流程如圖9 所示。

基于替換鋼種，完成了新無縫空心橫向穩(wěn)定桿的樣件制備，為后續(xù)零件的相關(guān)性能驗證奠定了基礎(chǔ)。新穩(wěn)定桿樣件如圖10 所示。

按照主機廠的要求，新穩(wěn)定桿完成了剛度、疲勞壽命實物臺架試驗，實物臺架試驗裝配示意如圖11 所示。

圖8 無縫鋼管制備工藝流程

圖9 新穩(wěn)定桿制造工藝流程

圖10 新穩(wěn)定桿成品件

圖11 實物臺架試驗裝配示意

a.剛度試驗：按照實車狀態(tài)固定穩(wěn)定桿，確保P 點、Q 點和R 點垂直高度與整備狀態(tài)設(shè)計高度一致，R 點采用襯套固定，需釋放旋轉(zhuǎn)自由度，Q 點固定在工裝上。在P 點施加豎直方向的力F，并記錄P 點位移M。剛度K為F與M比值。

b.疲勞試驗：按照實車狀態(tài)固定穩(wěn)定桿，確保P點、Q點和R點垂直高度與整備狀態(tài)設(shè)計高度一致，R 點采用襯套固定。分別在P 點、Q 點施加豎直方向的相反位移M，M=30.8 mm，頻率為1～3 Hz。P點（Q 點）總初始位置移動到最高點（最低點），隨后回到初始位置，然后移動到最低點（最高點），最后回到初始位置，此為1 個循環(huán)，循環(huán)既定要求次數(shù)。

圖12 為剛度、疲勞臺架試驗的過程。共計進行了13 件樣品的測試，結(jié)果表明：1#～3#件的剛度分 別 為31.88 N/mm、32.53 N/mm、31.79 N/mm。4#～13#件的壽命均達到主機廠要求的20 萬次不斷裂要求。上述試驗最終驗證了新開發(fā)的輕量化穩(wěn)定桿的服役性能滿足產(chǎn)品開發(fā)需求。

圖12 剛度、疲勞臺架試驗過程示例

5 結(jié)束語

針對乘用車穩(wěn)定桿輕量化需求，以某乘用車實心穩(wěn)定桿為目標，基于無縫鋼管技術(shù)路線成功開發(fā)出了30CrMo 鋼制空心化穩(wěn)定桿產(chǎn)品。新產(chǎn)品相比于原實心件，剛度和疲勞壽命略有降低，仍滿足設(shè)計要求，產(chǎn)品減重37%，達到輕量化開發(fā)目標。