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]。隨著國家對車輛節(jié)能減排的要求日益嚴格，主機廠對汽車零部件的輕量化要求越來越高[4]。推力桿輕量化的實現(xiàn)途徑主要有以下3種：一是通過材料或結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，實現(xiàn)推力桿的輕量化，如侯凱等人[5]通過使球銷“中空化”，實現(xiàn)單個推力桿質(zhì)量降低2 kg。二是應用輕質(zhì)高強材料如鋁合金、纖維增強復合材料等實現(xiàn)推力桿的質(zhì)量降低。三是改進制造工藝或制造方法，實現(xiàn)推力桿總成的輕量化。以上3種方法也可以結(jié)合使用，從而達到更優(yōu)的輕量化效果[6]。

迄今為止，已有部分廠家開始在推力桿上應用鋁合金、纖維增強復合材料等輕量化材料[7-8]。在國外，Volvo已經(jīng)有采用一體化桿身的直推力桿產(chǎn)品；在國內(nèi)，宇通、一汽等廠家也將鋁合金推力桿作為重要的技術路線來開發(fā)相應的產(chǎn)品。

本文設計了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度，結(jié)果表明各項性能指標均達標。最后進行試驗驗證和客戶裝車驗證，驗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貨物質(zhì)量較大，車輛運行時懸架零件產(chǎn)生的相對加速度較大。因此，該車的懸架系統(tǒng)設計要求較高。

圖1 某空氣懸架總成示意

本文針對該懸架系統(tǒng)的下推力桿作降低質(zhì)量優(yōu)化設計。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，采用焊接技術使桿身與兩端球頭連接。整個推力桿總成質(zhì)量為11 kg。

圖2 某車型下推力桿結(jié)構(gòu)示意

3 推力桿性能計算及性能要求

整車受力示意見圖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)計算，取值為0；∑MC為合力矩，經(jīng)計算，取值為0；Ffz為前輪接觸點垂向力；Frz為后輪接觸點垂向力；G為整車重力；F′x為整車縱向力；Ffx為前輪接觸點縱向力；Frx為后輪接觸點縱向力；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公式（3）和公式（4）。

圖4 推力桿受力簡圖

式中，∑F為垂向合力，經(jīng)計算，取值為0；∑MC為合力矩，經(jīng)計算，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為輪胎滾動半徑；Hu為上推力桿作用點至輪心距離；Hd為下推力桿作用點距輪心距離。

本文使用表1的整車設計參數(shù)，代入以上公式計算得出，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≥198 kN。最終確定的推力桿的性能要求見表2。

表1 整車相關的設計參數(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)設計

鋁合金推力桿應在滿足相同接口尺寸，匹配原推力桿的剛度性能，同時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性能，其拉伸屈服強度可達280 MPa，并且鍛造工藝可以改善鋁合金內(nèi)部組織，進一步提高鋁合金的力學性能[9]。因此，應用6082鋁合金結(jié)合鍛造工藝制造推力桿桿體可以實現(xiàn)預期的輕量化目標。由于鍛造工藝不適用于薄壁圓管，因此本文設計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過程中，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。細長壓桿失穩(wěn)臨界力的歐拉公式[10]見公式（5）。

式中，μ為推力桿的長度因數(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。推力桿不會發(fā)生失穩(wěn)。

基于以上桿體截面設計，再結(jié)合球頭部分的形狀尺寸要求。最終設計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軟件對推力桿進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，最大應力出現(xiàn)位置位于中間桿身區(qū)域，無異常應力集中，在桿體最大Mises（米塞斯）應力達到屈服強度280 MPa時，拉伸載荷為342 kN，高于企業(yè)標準要求的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，桿體最大應力為87 MPa，其壽命＞1 000萬次；從圖9可以看出，在±100 kN載荷下，桿體最大應力為145 MPa，其壽命為60萬次；以上分析結(jié)果表明桿體結(jié)構(gòu)設計可以滿足強度及疲勞壽命要求。

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，進行壓扁，隨后進行預鍛成型，然后在熱摸鍛生產(chǎn)線上進行終鍛成型，接著進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行530℃/2 h固溶時效處理后淬火再170℃回火，然后進行清洗、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 試驗驗證

7.1 桿體靜強度驗證

在電子萬能材料試驗機（圖12）上進行桿體的拉壓強度驗證。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裂紋、斷裂等失效形式，在壓縮載荷下桿體無失穩(wěn)現(xiàn)象，鋁合金部件無裂紋、斷裂等失效形式。鋁合金桿體極限載荷驗證情況見表4。試驗的3根試樣全部通過拉伸和壓縮載荷試驗，滿足要求。

圖12 拉伸試驗

表4 鋁合金桿體承載驗證情況

7.2 球鉸壓入/壓出力驗證

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

表5 球鉸壓入/壓出力測試結(jié)果 kN

7.3 疲勞壽命驗證

在三通道電液伺服疲勞試驗機上對鋁合金推力桿進行疲勞性能驗證，安裝方式見圖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，通過疲勞試驗驗證。

圖13 疲勞試驗

7.4 客戶裝車驗證

將本文設計的鋁合金推力桿裝在客戶某型號牽引車進行路試，以驗證推力桿的耐久性，裝車情況如圖14所示。經(jīng)過山路3 000 km及海南3#強化壞路8 000 km跑車試驗后，推力桿狀態(tài)良好，桿體和球鉸均未發(fā)現(xiàn)可見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計制造了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，實現(xiàn)推力桿整桿高達27%的減重效果。通過有限元仿真分析，評估了該設計方案的可行性，并且通過靜載和疲勞試驗，驗證了鋁合金推力桿的可靠性。該鋁合金推力桿順利通過客戶路試，滿足使用要求。