商用車用復(fù)合材料轉(zhuǎn)向橫拉桿設(shè)計及制造

魯姍姍 喬小兵 張彥彪 劉洋 王獻運

（一汽解放汽車有限公司 商用車開發(fā)院，長春 130000）

1 前言

轉(zhuǎn)向橫拉桿總成是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要組成部分，通過連接左右轉(zhuǎn)向臂使得左右車輪同步，實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向動作。它在汽車行駛過程中反復(fù)承受拉應(yīng)力或壓應(yīng)力[1]，因此轉(zhuǎn)向橫拉桿需要具有一定的強度。

最早的汽車轉(zhuǎn)向橫拉桿是由無縫鋼管焊接而成，應(yīng)力集中較大，總成性能不佳[2]。隨著汽車工業(yè)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，經(jīng)過幾代工藝變革，汽車轉(zhuǎn)向橫拉桿普遍采用冷擠壓成形工藝，材料使用40Cr等普通調(diào)質(zhì)鋼，質(zhì)量為12 kg。

在“碳中和”的推動下，輕量化是汽車行業(yè)節(jié)能減排的重要途徑。玻纖復(fù)合材料具有高強度機械性能、材料質(zhì)量輕、耐疲勞等優(yōu)點，相比金屬材料不易銹蝕。因此在汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計了一種商用車用玻纖復(fù)合材料轉(zhuǎn)向橫拉桿，可實現(xiàn)總成質(zhì)量降低50%。

2 玻纖復(fù)合材料轉(zhuǎn)向橫拉桿結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 轉(zhuǎn)向橫拉桿結(jié)構(gòu)形式

玻纖復(fù)合材料轉(zhuǎn)向橫拉桿由復(fù)合材料中空桿、金屬套管、金屬接頭等部件組成。轉(zhuǎn)向橫拉桿結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。轉(zhuǎn)向橫拉桿工作時兩端受60 000 N拉力和60 000 N壓力。

圖1 轉(zhuǎn)向橫拉桿結(jié)構(gòu)

常用復(fù)合材料纖維有碳纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維等，盡管碳纖維及玄武巖纖維復(fù)合材料成品強度較高，但價格昂貴，現(xiàn)階段不適宜作大批量零部件生產(chǎn)原材料。長玻璃纖維機械強度、耐沖擊性、尺寸穩(wěn)定性較好，適宜用于增強樹脂，本文選用玻璃纖維作為增強組分。

高性能聚氨酯樹脂具有沖擊強度高、拉伸強度高和層間剪切強度高等優(yōu)點。較不飽和聚酯和乙烯基樹脂而言，聚氨酯樹脂在制備過程中VOC含量極低，不會造成環(huán)境問題；較環(huán)氧樹脂而言，聚氨酯樹脂固化速度較快、起始黏度較低，能夠快速浸潤纖維，有利于工業(yè)化生產(chǎn)。本文選用高性能聚氨酯作為樹脂基體。

對于等截面的空芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料產(chǎn)品，拉擠成型和纏繞成型是首選工藝，二者可實現(xiàn)連續(xù)自動化生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定性高。但纏繞成型設(shè)備投資較大、樹脂廢料率高，拉擠成型工藝材料利用率可達95%，樹脂含量可精準(zhǔn)控制，故本文選用拉擠成型工藝制備復(fù)合材料桿體。

由上文可知，玻纖復(fù)合材料中空桿部分采用連續(xù)玻纖高性能聚氨酯材料經(jīng)拉擠工藝成型；桿體內(nèi)側(cè)與金屬套管外部有相互配合的螺紋結(jié)構(gòu)，并使用厭氧結(jié)構(gòu)膠加強連接。該結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、強度高、可靠性高的特點。

2.2 轉(zhuǎn)向橫拉桿復(fù)合材料性能參數(shù)

玻纖復(fù)合材料中空桿為單向擠壓，纖維質(zhì)量分數(shù)78%，樹脂為雙組分聚氨酯樹脂，玻纖為ECR玻璃纖維，其性能參數(shù)見表1。

表1 性能參數(shù)

2.3 轉(zhuǎn)向橫拉桿成型工藝

2.3.1 拉擠成型工藝

玻纖復(fù)合材料中桿部分采用連續(xù)玻纖高性能聚氨酯材料經(jīng)拉擠工藝成型。將玻璃纖維粗紗送入浸膠系統(tǒng)預(yù)成型，通過擠壓模具及加熱裝置固化成型，在牽引裝置的作用下進行分段切割，獲得橫拉桿桿體。桿體拉擠成型工藝流程見圖2，玻璃纖維粗紗浸膠現(xiàn)場工序見圖3。

圖2 桿體拉擠成型工藝流程

圖3 玻璃纖維粗紗浸膠工序

2.3.2 粘接及螺接成型工藝

為保證轉(zhuǎn)向橫拉桿兩端與金屬套管連接處的結(jié)合強度，桿體內(nèi)側(cè)與金屬套管外部有相互配合的螺紋結(jié)構(gòu)；并在螺紋涂抹工程用膠。工程用膠型號為回天品牌7680固持厭氧結(jié)構(gòu)膠和7769厭氧結(jié)構(gòu)膠促進劑。

2.4 轉(zhuǎn)向橫拉桿CAE分析

玻纖復(fù)合材料轉(zhuǎn)向橫拉桿應(yīng)保證有足夠的強度。按照60 000 N進行強度校核計算。對壁厚7 mm及10 mm 2種方案的轉(zhuǎn)向橫拉桿作CAE分析。

2.4.1 金屬件拉應(yīng)力

轉(zhuǎn)向橫拉桿金屬接頭材料牌號為45#鋼，材料屈服強度≥355 MPa，材料抗拉強度≥600 MPa。在受拉應(yīng)力載荷下最大應(yīng)力為460 MPa，強度滿足要求。CAE分析見圖4。

圖4 金屬接頭CAE分析結(jié)果

2.4.2 方案一（7 mm）CAE分析結(jié)果

方案一（7 mm）CAE分析見圖5，結(jié)果見表2。轉(zhuǎn)向橫拉桿在受軸向拉應(yīng)力60 000 N載荷下，金屬件最大應(yīng)力為468 MPa，強度風(fēng)險較?。坏谥虚g集中載荷工況下，復(fù)合材料最高應(yīng)力＞700 MPa，超過材料強度，存在風(fēng)險。

圖5 方案一（7 mm）CAE分析

表2 方案一（7 mm）CAE分析結(jié)果

2.4.3 方案二（10 mm）CAE分析結(jié)果

方案二（10 mm）CAE分析見圖6，結(jié)果見表3。轉(zhuǎn)向橫拉桿在受軸向拉應(yīng)力60 000 N載荷下，金屬件最大應(yīng)力為472 MPa，強度風(fēng)險較小；在中間集中載荷工況下，復(fù)合材料最高應(yīng)力為＜700 MPa，低于材料強度極限，風(fēng)險較?。辉?0 000 N壓縮載荷下，構(gòu)件未發(fā)生變形，直至加載至108 000 N時，橫拉桿發(fā)生彎曲。

圖6 方案二（10 mm）CAE分析

表3 方案二（10 mm）CAE分析結(jié)果

CAE分析結(jié)果表明，方案二10 mm壁厚的玻纖復(fù)合材料轉(zhuǎn)向橫拉桿在各類工況載荷作用下能夠正常使用。

2.5 轉(zhuǎn)向橫拉桿總成拔脫試驗分析

制作玻纖復(fù)合材料轉(zhuǎn)向橫拉桿，如圖7所示。壁厚為10 mm，質(zhì)量＜6 kg。在受93 000 N拉應(yīng)力載荷下，金屬套管仍沒有被拔脫，滿足60 000 N要求。

圖7 轉(zhuǎn)向橫拉桿桿體

3 結(jié)論

采用玻璃纖維復(fù)合材料進行轉(zhuǎn)向橫拉桿的設(shè)計，較金屬件質(zhì)量降低50%。通過CAE分析，10 mm壁厚方案的轉(zhuǎn)向橫拉桿仿真結(jié)果滿足實際工況需求，能夠達到總成強度要求。制作成品在93 000N拉應(yīng)力下仍具有使用功能。

參考文件：

[1]王利軍,董慶,阮士朋,等.汽車轉(zhuǎn)向橫拉桿用鋼的研究及應(yīng)用進展[J].特殊鋼,2021,42(3):21-26.

[2]孫英達.汽車直拉桿整體成形工藝[J].機械,2004,31(2):43-44.