文章對(duì)汽車輕量化的研究途徑進(jìn)行簡述，針對(duì)某重型卡車的推力桿的情況，通過材料及結(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。

　　關(guān)鍵詞：鋁合金;推力桿;輕量化;臺(tái)架試驗(yàn)

　　汽車輕量化一直是汽車行業(yè)一個(gè)重要的研究方向，汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家早在20世紀(jì)60年代就開始從事汽車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)、低成本的汽車零部件是汽車實(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)用在載重汽車或客車的獨(dú)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(cè)向力而不能傳遞牽引力、制動(dòng)力，轉(zhuǎn)彎時(shí)的離心力。本文通過對(duì)汽車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

　　汽車企業(yè)對(duì)汽車輕量化技術(shù)尋求過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(gè)球銷，球銷的球芯有安裝孔，連接車架或車橋，車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(tǒng)的熱鉚壓緊密配合連接在一起。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250KN2.2.2運(yùn)動(dòng)特性球銷許用扭轉(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，其長度大于粘結(jié)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(chǎn)生滑轉(zhuǎn)。(3)金屬件包括球銷、端蓋、彈性擋圈、銷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(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)。通過材料與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，單個(gè)推力桿總成降重3.6KG,一車四件，整車實(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。通過摩擦焊焊接，接頭質(zhì)量好且穩(wěn)定，焊接過程由機(jī)器控制，參數(shù)設(shè)定后容易監(jiān)控，重復(fù)性好，不依賴于操作人員的技術(shù)水平和工作態(tài)度。焊接過程不發(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。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(shù)較高，原因?yàn)槟Σ梁?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(shè)計(jì)要求。4.2臺(tái)架試驗(yàn)分析為進(jìn)一步驗(yàn)證鋁合金推力桿的疲勞強(qiáng)度，按照某車型懸架系統(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)稱循環(huán)20萬次，推力桿變形不超過初始值對(duì)30%，推力桿橡膠變形不超過初始值對(duì)100%，超過則視為失效。通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，鋁合金推力桿的疲勞壽命為26.52萬次，滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　5結(jié)論

　　(1)通過對(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足設(shè)計(jì)要求。

　　參考文獻(xiàn)

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　　作者：劉飛 翁明武 黃鵬飛 單位：陜西徳仕汽車部件(集團(tuán))有限責(zé)任公司