Design and Manufacture of Composite Steering Tie Rod for Commercial Vehicle

Lu Shanshan, Qiao Xiaobing, Zhang Yanbiao, Liu Yang, Wang Xianyun

（Commercial Vehicle Development Institute of FAW Jiefang Automobile Co., Ltd., Changchun 130000） Abstract：this paper introduces the design and manufacturing process of a polyurethane composite steering tie rod assembly with continuous glass fiber reinforced high- performance for commercial vehicles, it also describes the material selection and technological process. The operating condition of the steering tie rod is analyzed by CAE analysis, and the optimal solution is determined. The manufactured products have passed the pull-out force test and meet the use requirements. Finally, the weight of the tie rod assembly is reduced by 50%. Key words: Composite material, Steering tie rod, Pultrusion molding

1 前言

转向横拉杆总成是汽车转向系统的重要组成部分，通过连接左右转向臂使得左右车轮同步，实现汽车的转向动作。它在汽车行驶过程中反复承

受拉应力或压应力[1]，因此转向横拉杆需要具有一

定的强度。

最早的汽车转向横拉杆是由无缝钢管焊接而

成，应力集中较大，总成性能不佳[2]。随着汽车工

业制造技术的不断发展，经过几代工艺变革，汽车转向横拉杆普遍采用冷挤压成形工艺，材料使用40Cr等普通调质钢，质量为12 kg。在“碳中和”的推动下，轻量化是汽车行业节能减排的重要途径。玻纤复合材料具有高强度机械性能、材料质量轻、耐疲劳等优点，相比金属材料不易锈蚀。因此在汽车领域得到了广泛的应用。本文设计了一种商用车用玻纤复合材料转向50%。横拉杆，可实现总成质量降低

2 玻纤复合材料转向横拉杆结构设计2.1 转向横拉杆结构形式玻纤复合材料转向横拉杆由复合材料中空杆、金属套管、金属接头等部件组成。转向横拉杆结构形式如图 所示。转向横拉杆工作时两端受

常用复合材料纤维有碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维等，尽管碳纤维及玄武岩纤维复合材料成品强度较高，但价格昂贵，现阶段不适宜作大批量零部件生产原材料。长玻璃纤维机械强度、耐冲击性、尺寸稳定性较好，适宜用于增强树脂，本文选用玻璃纤维作为增强组分。

高性能聚氨酯树脂具有冲击强度高、拉伸强度高和层间剪切强度高等优点。较不饱和聚酯和

VOC

乙烯基树脂而言，聚氨酯树脂在制备过程中含量极低，不会造成环境问题；较环氧树脂而言，聚氨酯树脂固化速度较快、起始黏度较低，能够快速浸润纤维，有利于工业化生产。本文选用高性能聚氨酯作为树脂基体。

对于等截面的空芯结构复合材料产品，拉挤成型和缠绕成型是首选工艺，二者可实现连续自动化生产，质量稳定性高。但缠绕成型设备投资较大、树脂废料率高，拉挤成型工艺材料利用率可

95%，树脂含量可精准控制，故本文选用拉挤成

达型工艺制备复合材料杆体。

由上文可知，玻纤复合材料中空杆部分采用连续玻纤高性能聚氨酯材料经拉挤工艺成型；杆体内侧与金属套管外部有相互配合的螺纹结构，并使用厌氧结构胶加强连接。该结构具有质量轻、强度高、可靠性高的特点。

2.2 转向横拉杆复合材料性能参数

玻纤复合材料中空杆为单向挤压，纤维质量

78%，树脂为双组分聚氨酯树脂，玻纤为ECR

分数

1。

玻璃纤维，其性能参数见表

2.3 转向横拉杆成型工艺

2.3.1

拉挤成型工艺玻纤复合材料中杆部分采用连续玻纤高性能聚氨酯材料经拉挤工艺成型。将玻璃纤维粗纱送入浸胶系统预成型，通过挤压模具及加热装置固化成型，在牵引装置的作用下进行分段切割，获得

2，玻璃

横拉杆杆体。杆体拉挤成型工艺流程见图2.3.2

粘接及螺接成型工艺为保证转向横拉杆两端与金属套管连接处的结合强度，杆体内侧与金属套管外部有相互配合的螺纹结构；并在螺纹涂抹工程用胶。工程用胶

7680 7769

型号为回天品牌 固持厌氧结构胶和 厌氧结构胶促进剂。

2.4 转向横拉杆CAE分析

玻纤复合材料转向横拉杆应保证有足够的

60 000 N

强度。按照 进行强度校核计算。对壁厚

7mm 10mm2 CAE

及 种方案的转向横拉杆作 分析。

2.4.1

金属件拉应力

45#钢，材料

转向横拉杆金属接头材料牌号为

屈服强度≥355 MPA，材料抗拉强度≥600 MPA。在460 MPA，强度满足要

受拉应力载荷下最大应力为

求。CAE 4。

分析见图

2.4.2 7mm ）CAE

方案一（ 分析结果

7mm ）CAE 5 2。

方案一（ 分析见图 ，结果见表

60 000 N

转向横拉杆在受轴向拉应力 载荷下，金属

468 MPA，强度风险较小；但在中间

件最大应力为

集中载荷工况下，复合材料最高应力＞700 MPA，超过材料强度，存在风险。2.4.3 方案二（10 MM）CAE

分析结果

10 MM）CAE 6

方案二（ 分析见图 ，结果见表

3 60 000 N

。转向横拉杆在受轴向拉应力 载荷

472 MPA

下，金属件最大应力为 ，强度风险较小；在中间集中载荷工况下，复合材料最高应力为

700 MPA

＜ ，低于材料强度极限，风险较小；在

60 000 N

压缩载荷下，构件未发生变形，直至加载

108 000 N

至 时，横拉杆发生弯曲。

CAE 10 mm

分析结果表明，方案二 壁厚的玻纤复合材料转向横拉杆在各类工况载荷作用下能够正常使用。

2.5 转向横拉杆总成拔脱试验分析

7

制作玻纤复合材料转向横拉杆，如图 所示。

10 mm，质量＜ 6kg 93 000 N

壁厚为 。在受 拉应力

60 000 N

载荷下，金属套管仍没有被拔脱，满足 要求。

3 结论

采用玻璃纤维复合材料进行转向横拉杆的

50% CAE设计，较金属件质量降低 。通过 分析，

10 mm壁厚方案的转向横拉杆仿真结果满足实际工况需求，能够达到总成强度要求。制作成品在

93 000N

拉应力下仍具有使用功能。

参考文件：

[1] 王利军, 董庆, 阮士朋, 等.汽车转向横拉杆用钢的研究及应用进展[J]. 特殊钢, 2021, 42(3): 21-26.

[2] 孙英达. 汽车直拉杆整体成形工艺[J]. 机械, 2004, 31 (2): 43-44.