Automobile Technology & Material
轻量化铝合金推力杆结构设计及其性能研究……………………张俊荣 张排排 唐春红 廖勇 郭春杰 刘建林Structural Design and Performance Research on Lightweight Aluminum Alloy Thrust Rod ……Zhang Junrong, Zhang Paipai, Tang Chunhong, Liao Yong, Guo Chunjie, Liu Jianlin
1种新型杆身-摘要：根据某车型推力杆的性能要求，设计了 球头一体式轻量化铝合金推力杆。试验结果表明，该铝合金推力杆的球铰压入/压出力满足要求，可以承受200 kn的极限载荷，在±60 kn
载荷下，疲劳
100寿命可达 万次。在完成客户路试后，推力杆未发生失效现象。相比于原来的全钢结构推力杆，在保证性27%。能满足使用要求的前提条件下，该铝合金推力杆整体质量降低达
关键词：铝合金 推力杆 轻量化中图分类号：U463.33 文献标识码：B 10.19710/J.cnki.1003-8817.20210129 DOI: 1 前言
推力杆作为载重汽车悬架系统的重要零部件之一，主要起连接车桥与车架、传递汽车的纵向力
和横向力、保持车辆的稳定性的作用[1-2]。目前，推
力杆的材料主要还是以铸铁或钢为主，质量较大
[3]。随着国家对车辆节能减排的要求日益严格，主
[4]。推
机厂对汽车零部件的轻量化要求越来越高
3
力杆轻量化的实现途径主要有以下 种：一是通过材料或结构的优化，实现推力杆的轻量化，如侯凯
等人[5]
通过使球销“中空化”，实现单个推力杆质量2kg
降低 。二是应用轻质高强材料如铝合金、纤维增强复合材料等实现推力杆的质量降低。三是改进制造工艺或制造方法，实现推力杆总成的轻量
3
化。以上 种方法也可以结合使用，从而达到更优
的轻量化效果[6]
。迄今为止，已有部分厂家开始在推力杆上应用铝合金、纤维增强复合材料等轻量化材料[7- 8]。
在国外，Volvo
已经有采用一体化杆身的直推力杆产品；在国内，宇通、一汽等厂家也将铝合金推力杆作为重要的技术路线来开发相应的产品。
1种锻造成型的杆身-球头一体式本文设计了
铝合金推力杆，利用有限元分析模拟了静载荷和疲劳载荷下推力杆的强度，结果表明各项性能指标均达标。最后进行试验验证和客户装车验证，验证了铝合金推力杆结构的可靠性。和钢结构推力杆相比，该铝合金推力杆在满足性能要求的条
27%。
件下，实现质量降低
2 某车型推力杆的性能要求
1某空气悬架总成如图 所示。该悬架用于牵引车，其工作的道路条件恶劣且满载时货物质量较大，车辆运行时悬架零件产生的相对加速度较大。因此，该车的悬架系统设计要求较高。本文针对该悬架系统的下推力杆作降低质量
2
优化设计。该车型原有下推力杆结构如图 所
3
示。主要由球铰、球头、套管 部分组成。该推力杆中间套管为空心圆钢管，采用焊接技术使杆身
11 kg。
与两端球头连接。整个推力杆总成质量为3 推力杆性能计算及性能要求
3。根据力和力矩平衡可整车受力示意见图得到后悬架受力，整车力平衡方程和力矩平衡方程见公式（1）和公式（2）。
∑ F=ffz+frz-g （1）
∑MC=F'X·HC+FFZ·LF -Frz·lr （2）
式中，∑F 0；∑MC为垂向合力，经计算，取值为 为合力0；Ffz
矩，经计算，取值为 为前轮接触点垂向力；Frz为后
轮接触点垂向力；G为整车重力；F'x为整车纵向力；Ffx为前轮接触点纵向力；Frx为后轮接触点纵向力；Fr为
整车纵向力；L为前后轴轮距；Lf为整车质心至前轴距
离；Lr为整车质心距后轴距离；hc为整车质心高度。
推力杆受力示意图见图4。根据力和力矩平衡可得到后悬架受力，桥壳总成力平衡方程和力
矩平衡方程见公式（3）和公式（4）。
∑F=fux+2fdx-fx （3）
∑Mc=fxrrr+2fdxhd-fuxhu （4）
式中，∑F 0；∑MC为垂向合力，经计算，取值为 为0；Fx合力矩，经计算，取值为 为后轴承受纵向力；
Fux为上推力杆受力；Fdx为下推力杆受力；Rrr为轮胎
滚动半径；Hu为上推力杆作用点至轮心距离；Hd为下推力杆作用点距轮心距离。
本文使用表1的整车设计参数，代入以上公式
计算得出，下推力杆杆体最大纵向载荷为98.8 kn。
2，因此下推力杆的最大
由于推力杆的安全系数为
纵向载荷应≥198 kn。最终确定的推力杆的性能2。
要求见表
4 铝合金推力杆结构设计
铝合金推力杆应在满足相同接口尺寸，匹配原推力杆的刚度性能，同时疲劳性能不下降的条
件下，尽可能降低质量。6082-T6
铝合金本身具有
280 MPA，
较高的力学性能，其拉伸屈服强度可达并且锻造工艺可以改善铝合金内部组织，进一步
6082
提高铝合金的力学性能[9]。因此，应用
铝合金结合锻造工艺制造推力杆杆体可以实现预期的轻量化目标。由于锻造工艺不适用于薄壁圆管，因此本文设计了截面为工字形的杆体结构，其截面