魯姍姍 喬小兵 張彥彪 劉洋 王獻(xiàn)運(yùn)

（一汽解放汽車(chē)有限公司 商用車(chē)開(kāi)發(fā)院，長(zhǎng)春 130000）

1 前言

轉(zhuǎn)向橫拉桿總成是汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要組成部分，通過(guò)連接左右轉(zhuǎn)向臂使得左右車(chē)輪同步，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向動(dòng)作。它在汽車(chē)行駛過(guò)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(qiáng)度。

最早的汽車(chē)轉(zhuǎn)向橫拉桿是由無(wú)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(chē)工業(yè)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，經(jīng)過(guò)幾代工藝變革，汽車(chē)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(dòng)下，輕量化是汽車(chē)行業(yè)節(jié)能減排的重要途徑。玻纖復(fù)合材料具有高強(qiáng)度機(jī)械性能、材料質(zhì)量輕、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，相比金屬材料不易銹蝕。因此在汽車(chē)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一種商用車(chē)用玻纖復(fù)合材料轉(zhuǎn)向橫拉桿，可實(shí)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(jì)

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(shí)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(qiáng)度較高，但價(jià)格昂貴，現(xiàn)階段不適宜作大批量零部件生產(chǎn)原材料。長(zhǎng)玻璃纖維機(jī)械強(qiáng)度、耐沖擊性、尺寸穩(wěn)定性較好，適宜用于增強(qiáng)樹(shù)脂，本文選用玻璃纖維作為增強(qiáng)組分。

高性能聚氨酯樹(shù)脂具有沖擊強(qiáng)度高、拉伸強(qiáng)度高和層間剪切強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。較不飽和聚酯和乙烯基樹(shù)脂而言，聚氨酯樹(shù)脂在制備過(guò)程中VOC含量極低，不會(huì)造成環(huán)境問(wèn)題；較環(huán)氧樹(shù)脂而言，聚氨酯樹(shù)脂固化速度較快、起始黏度較低，能夠快速浸潤(rùn)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(shù)脂基體。

對(duì)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(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)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(shù)脂廢料率高，拉擠成型工藝材料利用率可達(dá)95%，樹(shù)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(qiáng)連接。該結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、可靠性高的特點(diǎn)。

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?jǐn)?shù)78%，樹(shù)脂為雙組分聚氨酯樹(shù)脂，玻纖為ECR玻璃纖維，其性能參數(shù)見(jiàn)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(guò)擠壓模具及加熱裝置固化成型，在牽引裝置的作用下進(jìn)行分段切割，獲得橫拉桿桿體。桿體拉擠成型工藝流程見(jiàn)圖2，玻璃纖維粗紗浸膠現(xiàn)場(chǎng)工序見(jiàn)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(qiáng)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(hào)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(jìn)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(qiáng)度。按照60 000 N進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。對(duì)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(hào)為45#鋼，材料屈服強(qiáng)度≥355 MPa，材料抗拉強(qiáng)度≥600 MPa。在受拉應(yīng)力載荷下最大應(yīng)力為460 MPa，強(qiáng)度滿足要求。CAE分析見(jiàn)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(jiàn)圖5，結(jié)果見(jiàn)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(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)較小；但在中間集中載荷工況下，復(fù)合材料最高應(yīng)力＞700 MPa，超過(guò)材料強(qiáng)度，存在風(fēng)險(xiǎn)。

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(jiàn)圖6，結(jié)果見(jiàn)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(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)較??；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(qiáng)度極限，風(fēng)險(xiǎn)較??；在60 000 N壓縮載荷下，構(gòu)件未發(fā)生變形，直至加載至108 000 N時(shí)，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(lèi)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(yàn)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(méi)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(jìn)行轉(zhuǎn)向橫拉桿的設(shè)計(jì)，較金屬件質(zhì)量降低50%。通過(guò)CAE分析，10 mm壁厚方案的轉(zhuǎn)向橫拉桿仿真結(jié)果滿足實(shí)際工況需求，能夠達(dá)到總成強(qiáng)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(chē)轉(zhuǎn)向橫拉桿用鋼的研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].特殊鋼,2021,42(3):21-26.

[2]孫英達(dá).汽車(chē)直拉桿整體成形工藝[J].機(jī)械,2004,31(2):43-44.