某車型鋁合金推力桿輕量化設計與研究

劉飛，翁明武，黃鵬飛

某車型鋁合金推力桿輕量化設計與研究

劉飛，翁明武，黃鵬飛

（陜西徳仕汽車部件（集團）有限責任公司，陜西 西安 710200）

文章對汽車輕量化的研究途徑進行簡述，針對某重型卡車的推力桿的情況，通過材料及結構的優化、采用先進的生產工藝，提出了一種鋁合金推力桿的輕量化方案。通過HyperMesh軟件對其強度進行理論分析，并采用臺架試驗對其強度進行了驗證，符合設計要求。

鋁合金；推力桿；輕量化；臺架試驗

引言

汽車輕量化一直是汽車行業一個重要的研究方向，汽車工業發達國家早在20世紀60年代就開始從事汽車零部件的輕量化的研究，直到現在研究仍在持續。選用輕型材料，并運用先進的制造技術，從而獲得更加輕質、低成本的汽車零部件是汽車實現減重的重要途徑之一。推力桿作為鋼板彈簧懸架的重要構成部件，主要應用在載重汽車或客車的獨立懸架的單軸或雙后橋重型汽車上，連接著車架與車橋，其目的主要是為了克服鋼板彈簧只能傳遞垂直力和側向力而不能傳遞牽引力、制動力，轉彎時的離心力。

本文通過對汽車零部件輕量化方案進行研究分析，選取一種鋁合金材料，采用先進的制造工藝完成推力桿制造，通過CATIA建模與有限元軟件對其強度進行理論分析，并通過臺架試驗對其強度進行驗證，設計出了一種符合法規技術要求的鋁合金輕量化推力桿。

1 輕量化研究途徑

汽車企業對汽車輕量化技術尋求過各種研究途徑和方法，主要有三種：一是進行結構的優化設計，改變零部件的整體結構，將零部件的結構厚度更加合理從而達到輕量化的目的；二是利用密度小、強度高的新型輕質材料代替傳統碳鋼材料實現零部件減重的目的；三是采用先進的制造工藝，減輕零部件總成各部件的重量，實現總成產品的輕量化。以上三種方法可以相互結合，從而達到更好的輕量化目的。

2 傳統推力桿的結構及性能要求

2.1 推力桿的結構

推力桿總成主要由桿頭、桿身、卡簧、球銷組成，如圖1所示，其中球銷由球芯、端蓋、橡膠組成。I型推力桿兩端各有一個球銷，球銷的球芯有安裝孔，連接車架或車橋，車輛運動時，推力桿依靠球芯與端頭之間的橡膠來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傳統的熱鉚壓緊密配合連接在一起。

圖1 推力桿結構

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運動特性

球銷許用扭轉角范圍及扭轉角剛度、許用偏轉角范圍及偏轉角剛度、軸向剛度、徑向剛度應符合設計要求；橡膠硫化粘結強度應大于其撕裂強度。

2.2.3耐久性能

正常實用條件下經過2×105次的復合加載疲勞試驗，推力桿總成出現下列情形之一者，則判定為失效：

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

（2）球銷松曠或硫化橡膠與銷套產生滑轉。

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

（4）推力桿總成產生不可恢復變形，且變形量大于圖紙公差范圍。

（5）橡膠硫化結構的推力桿，其單項靜剛度變化率超過30%；非橡膠硫化結構的推力桿，其運動特性參數變化率超過30%。

3 輕量化方案

3.1 材料及結構優化

推力桿總成主要桿身、桿頭、球銷組成，由于球銷橡膠硫化件。在保持球銷不變的情況下，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。

桿頭結構由原熱鉚結構更改為摩擦焊結構如圖2所示，桿頭熱鉚結構改為摩擦焊結構降低桿頭材料重量，通過摩擦焊將桿頭與桿身連接，將連接處的強度進行補強。

圖2 優化前后的桿頭結構圖

通過材料與結構的優化，單個推力桿總成降重3.6KG,一車四件，整車實現降重14.4KG。

3.2 生產工藝

推力桿桿身與桿頭連接采用國內先進的摩擦焊工藝，摩擦焊工藝是利用兩工件的相對運動，并在一定的摩擦壓力作用下產生較大的摩擦熱，使接頭部分達到熱塑性狀態，在相對運動停止的瞬間加上一定的頂鍛壓力，使接頭部分焊接成質量較好的接頭的焊接工藝，如圖3所示。

圖3 摩擦焊推力桿

通過摩擦焊焊接，接頭質量好且穩定，焊接過程由機器控制，參數設定后容易監控，重復性好，不依賴于操作人員的技術水平和工作態度。焊接過程不發生熔化，屬固相熱壓焊，接頭為緞造組織，因此焊縫不會出現氣孔、偏析和夾雜，裂紋等鑄造組織的結晶缺陷。其次，生產效率高、節能、節材、環保。

4 強度分析與驗證

4.1 有限元分析

利用CATIA建模導入HyperMesh,將碳鋼摩擦焊推力桿與鋁合金摩擦焊推力桿進行強度對比分析，對該設計方案進行可行性驗證。分析結果如圖4、圖5、表1所示。

圖4 碳鋼摩擦焊徑向與軸向應力分析

圖5 鋁合金摩擦焊徑向與軸向應力分析

通過有限元分析摩擦焊（鋁）方案與摩擦焊（鋼）方案相比，鋁合金安全系數較高，原因為摩擦焊（鋁）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，滿足設計要求。

表1 數據統計分析

4.2 臺架試驗分析

圖6

為進一步驗證鋁合金推力桿的疲勞強度，按照某車型懸架系統的試驗標準，沿端頭加載載荷±64kN，加載頻率1Hz，加載波形：正弦波，對稱循環20萬次，推力桿變形不超過初始值對30%，推力桿橡膠變形不超過初始值對100%，超過則視為失效。

通過臺架試驗驗證，鋁合金推力桿的疲勞壽命為26.52萬次，滿足試驗標準要求。

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，種滿了花草樹木。這個時節，還有大片金黃的菊花盛開。我按了鐵柵門上的門鈴，一會兒里面的大門打開了，陳浩的奶奶看到我很高興：

5 結論

（1）通過對傳統推力桿進行材料和結構的優化，采用先進的生產工藝，完成推力桿的輕量化設計，實現降重3.6KG。

（2）采用有限元分析軟件對其理論強度進行了對比分析，并通過臺架試驗對其疲勞強度進行驗證，該輕量化的鋁合金推力桿滿足設計要求。

參考文獻

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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

中圖分類號：U465.2

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2019)18-78-03

作者簡介：劉飛，技術中心-產品研發部部長，工程師，就職于陜西徳仕汽車部件（集團）有限責任公司技術中心產品研發部，主要從事重卡底盤的零部件設計、開發工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.026