CN109136693A - 轻量化i型推力杆及其铸造成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻量化一体式I型推力杆，该推力杆的材质为铝合金，优选的成分是Al‑Cu系合金、Al‑Si系合金、Al‑Mg‑Si系合金、Al‑Zn‑Mg‑Cu系合金或者Al‑Mg系合金，以及在上述铝基合金中添加Sr、La、Ce、Y、Sc、Er、Nb、B、Cr等微量合金化元素的铝合金。该轻量化一体式I型推力杆采用铸造方法整体成型，球头的颈部具有椭圆形与圆弧形相组合的结构特征，提高了推力杆的承载能力。该一体式铝合金推力杆相比于传统的推力杆，减重效果可达50～70％。

Description

轻量化I型推力杆及其铸造成型方法

技术领域

本发明涉及汽车用I形推力杆，尤其涉及一种铝合金轻量化推力杆及其制备方法。

背景技术

面对环保及节能减排的压力，汽车轻量化已成为汽车设计更新换代的必然选择。在载重汽车领域，载重汽车的总质量是汽车载重量和车身自重量的总和，交通法规对总重量有明确要求，超重会带来安全隐患且违反交通法规。因此随着运输环境对车辆要求的提高，为了提高运输利润，载重汽车零部件的轻量化已成为迫切需要解决的问题。

推力杆是载重汽车平衡悬架、空气悬架的关键部件之一，分为直推力杆(或称为 I形推力杆)和V型推力杆，在汽车行驶中传力、限位、隔振、缓和冲击等方面起到至关重要的作用。一般地，推力杆由套管、球头和球铰组成。

大多数载重车行驶路况差、装载条件差、使用环境恶劣、车辆使用强度大，作为悬架系统起着关键作用的推力杆，运行工况复杂，受到多向载荷作用，容易导致疲劳损坏。目前推力杆一般为钢或者铸铁材质，如45钢、20钢、40Cr等材料，重量较大，不满足汽车进一步轻量化的需求。在当前节能环保减重的压力下，如何在保证推力杆使用性能要求的基础上，尽可能的减少重量，实现推力杆的轻量化，对载重汽车具有重大意义。目前有部分厂家试图通过改变钢质材料推力杆的结构设计，比如将其局部结构设计为空心，但由于材料不变，设计空间小，轻量化效果不明显，且局部空心结构增大了成型工艺难度及制造成本，因此不能被广泛的推广应用。

发明内容

针对现有钢材质推力杆重量大轻量化效果差的问题，本发明的目的是提供一种新型轻量化推力杆，所述推力杆由铝合金材料制成。为了使铝合金推力杆在汽车行驶传力、限位、隔振、缓和冲击时具备承受多向载荷作用并满足高疲劳寿命的能力，本发明对铝合金推力杆进行了结构设计，开发了一体式铝合金推力杆，该推力杆采用铸造方法整体成型。所得推力杆与传统钢材质推力杆相比，不仅具有相当的承载能力，还最大程度地实现了轻量化，减重效果可达50～70％。

本发明的一种轻量化一体式I型推力杆，其材质为铝合金，优选的成分是Al-Cu 系合金、Al-Si系合金、Al-Mg-Si系合金、Al-Zn-Mg-Cu系合金或者Al-Mg系合金，以及在上述铝基合金中添加Sr、La、Ce、Y、Sc、Er、Nb、B、Cr等微量合金化元素的铝合金。

本发明的一种轻量化一体式I型推力杆，其结构包括有套管和球头，球头留有通孔，用于安装球铰；套管与球头为整体成型；球头的颈部具有椭圆形与圆弧形相组合的结构特征；A球头2A至B球头2B顺次是A球头2A、A椭圆形段2A5、A圆弧段2A6、套管1、B圆弧段2B6、椭圆形段2B5和B球头2B。

本发明的一种轻量化一体式I型推力杆，采用铸造工艺方法整体成型，具体步骤为：

铸造步骤一，按照一定的配比配制铝合金，在铸造机保温炉内将所配铝合金加热到一定温度，并进行精炼除气；

铸造步骤二，将推力杆模具及浇口套进行预热；对升液管的浇口进行清渣，放入陶瓷过滤网及型芯，所用型芯可以是金属材质型芯，可以是砂型型芯；合模。

铸造步骤三，将保温炉内的铝合金液在一定压力下，以一定速率进行升液；

铸造步骤四，将铝合金在一定压力下，以一定速度充型到推力杆型腔中，直至将型腔全部充满；

铸造步骤五，待铝液完全充满推力杆型腔后，快速增加压力至结晶压力，并继续保压；

铸造步骤六，待铝合金推力杆凝固完毕，卸除保温炉内的气体压力，冷却后并取出推力杆铸件。

本发明的优点在于：

①所述的推力杆为铝合金材质，优选成分可以是Al-Cu系合金、Al-Si系合金、 Al-Mg-Si系合金、Al-Zn-Mg-Cu系合金或者Al-Mg系合金，以及在上述铝基合金中添加Sr、La、Ce、Y、Sc、Er、Nb、B、Cr等微量合金化元素的铝合金，相比于钢材质的推力杆，在满足拉伸强度、疲劳强度等使用性能的条件下，减重效果可达到50～70％；且铝合金推力杆成分容易控制。

②所述铝合金推力杆为一体式结构，球头的颈部具有椭圆形与圆弧形相组合的结构特征，提高了推力杆的承载能力。所得该种结构的铝合金推力杆强度高，在200～ 300KN高加载应力条件下无拉脱及破坏现象，可满足推力杆实际应用时高的性能要求。

③所述铝合金推力杆采用铸造方法整体成型，工艺简单，自动化程度高，且成品率高。

附图说明

图1是本发明一体式I型推力杆的结构图。

图1A是本发明I型推力杆的正视结构图。

图1B是图1的后视图。

图1C是图1的俯视图。

图1D是图1的仰视图。

图1E是图1的左视图。

图1F是图1的右视图。

图2是本发明球头部位的正视图。

图2A是图2的后视图。

图2B是图2的右视图。

图2C是图2的左视图。

图2D是本发明球头部位的结构图。

图2E是本发明球头部位的另一视角结构图。

图2F是本发明球头部位的结构设计图。

图3是实施例1制得的一体式I型推力杆的力学性能图。

1.套管	2A.A球头	2A2.BA通孔
			2A3-1.上轮廓边线	2A3-2.下轮廓边线	2A3-3.左轮廓边线
2A3-4.右轮廓边线	2A3A.A锥形面板	2A3B.A圆形面板
			2A4.BA内凸台	2A5.A椭圆形段	2A6.A圆弧段
2B.B球头	2B2.BB通孔	2B3A.B锥形面板
			2B3B.B圆形面板	2B5.B椭圆形段	2B6.B圆弧段

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

第一部分，一体式I型铝合金推力杆的目标成分

在本发明中，铝合金推力杆的材质为铝合金，优选成分可以是Al-Cu系合金、 Al-Si系合金、Al-Mg-Si系合金、Al-Zn-Mg-Cu系合金或者Al-Mg系合金，以及在上述铝基合金中添加Sr、La、Ce、Y、Sc、Er、Nb、B、Cr等微量合金化元素的铝合金。

优选的推力杆成分一为：

元素	用量(质量百分比，wt％)
		Si	0.1～1.5
Mg	0.4～2.0
		Fe	0.06～1.6
Cu	2.5～7.0
		Mn	0.2～1.2
Cr	0.001～0.15
		Ni	0.001～1.2
Zn	0.10～0.30
		Ti	0.01～0.20
Zr	0.001～0.25
		Sr	≤0.03
La	≤0.03
		Ce	≤0.03
Y	≤0.1
		Er	≤0.05
Sc	≤0.05
		Al	余量，以及不可避免的杂质。

优选的推力杆成分二为：

元素	用量(质量百分比，wt％)
		Si	4.5～13.5
Mg	0.05～0.8
		Fe	0.5～1.5
Cu	0.2～1.5
		Mn	0.05～0.6
Cr	0.001～0.2
		Ni	0.001～1.25
Zn	0.05～0.30
		Ti	0.01～0.25
Zr	0.001～0.05
		Sr	0.01～0.15
La	≤0.03
		Ce	≤0.03
Y	≤0.1
		Er	≤0.05
Sc	≤0.05
		Al	余量，以及不可避免的杂质。

优选的推力杆成分三为：

元素	用量(质量百分比，wt％)
		Si	0.2～1.8
Mg	0.3～1.2
		Fe	0.1～0.8
Cu	0.1～0.4
		Mn	0.3～1.2
Cr	0.04～0.35
		Zn	0.10～0.30
Ti	0.01～0.20
		Zr	≤0.005
Sr	≤0.03
		La	≤0.03
Ce	≤0.03
		Y	≤0.1
Er	≤0.05
		Sc	≤0.05
Al	余量，以及不可避免的杂质。

优选的推力杆成分四为：

元素	用量(质量百分比，wt％)
		Si	0.1～1.2
Mg	0.04～3.0
		Fe	0.08～1.0
Cu	0.1～3.0
		Mn	0.1～0.8
Cr	0.1～0.35
		Zn	4.0～8.0
Ti	0.001～0.20
		Zr	0.005～0.25
Sr	≤0.03
		La	≤0.03
Ce	≤0.03
		Y	≤0.1
Er	≤0.05
		Sc	≤0.05
Al	余量，以及不可避免的杂质。

优选的推力杆成分五为：

元素	用量(质量百分比，wt％)
		Si	0.3～0.6
Mg	2.0～10.5
		Fe	0.01～0.8
Cu	0.005～0.2
		Mn	0.05～1.2
Cr	0.001～0.35
		Zn	0.10～0.25
Ti	0.01～0.20
		Zr	0.001～0.30
Sr	≤0.03
		La	≤0.03
Ce	≤0.03
		Y	≤0.1
Er	≤0.05
		Sc	≤0.05
Al	余量，以及不可避免的杂质。

第二部分，一体式I型铝合金推力杆本体的优化结构

参见图1、图1A-图1F所示，本发明设计的一体式I型铝合金推力杆本体上设有套管1、A球头2A和B球头2B；套管1的一端是A球头2A，套管1的另一端是B球头2B。A球头2A上的BA通孔2A2用于安装一球铰。B球头2B上的BB 通孔2B2用于安装另一球铰。套管1与球头为整体成型；球头的颈部具有椭圆形与圆弧形相组合的结构特征。

套管1

参见图1、图1A～图1D所示，套管1的总长度记为L₁，套管1的半径记为r_1A。一般地，L₁＝420～810mm，r_1A＝15～30mm。

球头2A、2B

参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D、图1E、图2、图2A-图2E所示， A球头2A与B球头2B的结构相同。

一体式I型推力杆两端的球头相对套管存在一定的装配角，记为δ(图1E所示)，所述装配角δ为10～15度。推力杆安装在汽车悬架上且以球头的圆形面板为基准，如图1A、图1B、图1E、图1F所示，A球头2A的A锥形面板2A3A与B球头 3B的B圆形面板2B3B保持在同一面放置，A球头2A的A圆形面板2A3B与B 球头3B的B锥形面板2B3A保持在另一面放置。即一个球头的锥形面板向外，而另一个球头的圆形面板向外。

参见图1、图1A-图1F所示，本发明设计的一体式I型推力杆从A球头2A至 B球头2B顺次是A球头2A、A椭圆形段2A5、A圆弧段2A6、套管1、B圆弧段 2B6、椭圆形段2B5和B球头2B；A球头2A上设有用于安装一球铰的BA通孔 2A2；B球头2B上设有用于安装别人一球铰的BB通孔2B2。

为了对球头部位的结构进行详细说明，参见图2、图2A-图2E所示，A球头2A 的一端面为A锥形面板2A3A，在靠近A锥形面板2A3A的BA通孔2A2末端设有 BA内凸台2A4(图2E所示)，BA内凸台2A4用于限制一球铰经大孔端进入后与其接触，达到装配位置的限定；A球头2A上的另一端面为A圆形面板2A3B。所述 A锥形面板2A3A端的BA通孔2A2小于所述A圆形面板2A3B端的BA通孔2A2，球铰从BA通孔2A2进入，且置于BA通孔2A2内并用BA内凸台2A4作限位，使一球铰安装在A球头2A上。

为了实现铝合金材质推力杆高的承载能力，本发明设计的球头颈部部位(即A 椭圆形段2A5、A圆弧段2A6)的结构特征满足图2F所示。在图2F中，A圆弧段 2A6底部的圆心记为O₄(也是椭圆圆心记为O₄)，A圆弧段2A6的半径记为r_2A1； A椭圆形段2A5底部的圆心记为O₃，以O₃a₃为半径画辅助圆；第二方面，以上距离ab切除得到A球头2A3的上轮廓边线2A3-1，以下距离cd切除得到A球头2A3 的下轮廓边线2A3-2；辅助画出左轮廓边线2A3-3和右轮廓边线2A3-4；第三方面，以长半径O₃a₃和短半径O₃b₃画下半个辅助椭圆(即为椭圆形段2A5靠近圆形面板 2A3B的轮廓止线)，交于O₃c上一b₃点；第四方面，以长半径O₄a₄和短半径O₄b₄画上半个辅助椭圆(即为椭圆形段2A5靠近锥形面板2A3A的轮廓止线)，交于上轮廓边线2A3-1上两b₅点、b₆点，O₃b₃＝O₄b₄，形成圆形与椭圆形相组合的结合部的A球头2A。

一体式I型推力杆上的球头颈部部位满足的尺寸为：

在本发明中，圆弧段(2A6、2B6)的起半径为r₂，圆弧段(2A6、2B6)的止半径为r₄，椭圆形段(2A5、2B5)的下长半径为O₃a₃、下短半径为O₃b₃、上长半径O₄a₄和上短半径O₄b₄，则有，r_2A1＝2r_1A，O₃a₃＝2r_1A，上长半径和上短半径O₄b₄＝r_1A。

在本发明中，采用铸造工艺整体成型加工一体式I型铝合金推力杆本体，具体步骤为：

铸造步骤一，按照一定的配比配制铝合金，在铸造机保温炉内将所配铝合金加热到700～760℃，精炼除气30～45min；

铸造步骤二，将推力杆模具预热到350～440℃，浇口套温度预热至300～380 ℃；对升液管的浇口进行清渣，放入陶瓷过滤网及型芯，所用型芯可以是金属材质型芯，可以是砂型型芯；合模。

铸造步骤三，将保温炉内的铝合金液在20～35kPa的压力下，以2.0～3.6 kPa/s的速度进行升液；

铸造步骤四，将铝合金在36～46kPa的压力下，以0.5～4.0kPa/s的速度充型到推力杆型腔中，直至将型腔全部充满；

铸造步骤五，待铝液完全充满推力杆型腔后，在5～7s快速增加压力至50～200kPa，并继续保压10～60s；

铸造步骤六，待铝合金推力杆凝固完毕，卸除保温炉内的气体压力，冷却后并取出推力杆铸件。

实施例1

实施例一中推力杆的成分为：

元素	用量(质量百分比，wt％)
		Si	8.5
Mg	0.6
		Fe	0.5
Cu	1.0
		Mn	0.2
Cr	0.1
		Ni	0.01
Zn	0.10
		Ti	0.12
Zr	0.05
		Sr	0.1
Er	0.01
		Al	余量，以及不可避免的杂质。

实施例中推力杆具有的结构特征有：

套管1的总长度L₁＝810mm，套管1的半径r_1A＝30mm；球头2A的半径 r_2A1＝30mm；圆弧段(2A6、2B6)的起半径为r₂(r₂＝r_1A＝r_2A1＝30mm)，圆弧段(2A6、2B6)的止半径为r₄ 椭圆形段(2A5、2B5) 的下长半径为O₃a₃＝2r_1A＝60mm、下短半径为上长半径和上短半径O₄b₄＝r_1A＝30mm。

采用铸造工艺整体成型铝合金一体式I型推力杆：

铸造步骤一，按照一定的配比配制铝合金，在铸造机保温炉内将所配铝合金加热到740℃，精炼除气40min；

铸造步骤二，将推力杆模具预热到380℃，浇口套温度预热至350℃；对升液管的浇口进行清渣，放入陶瓷过滤网及型芯，所用型芯可以是金属材质型芯，可以是砂型型芯；合模。

铸造步骤三，将保温炉内的铝合金液在30kPa的压力下，以2.6kPa/s的速度进行升液；

铸造步骤四，将铝合金在40kPa的压力下，以4.0kPa/s的速度充型到推力杆型腔中，直至将型腔全部充满；

铸造步骤五，待铝液完全充满推力杆型腔后，在5s快速增加压力至160kPa，并继续保压20s；

铸造步骤六，待铝合金推力杆凝固完毕，卸除保温炉内的气体压力，冷却后并取出推力杆铸件。

铝合金推力杆本体的性能测试

在本发明中，将所制得的一体式I型推力杆采用MTS 45.105型微机控制电子万能试验机进行力学性能测试，应力-应变结果见图3，可见所设计推力杆的平均抗拉强度522.1MPa、屈服强度368.42MPa，延伸率15.23％，可满足实际使用强度要求。

所制得的一体式I型推力杆采用MTS万能试验机进行拉脱试验检测，在推力杆纵向施加250KN的拉伸载荷，结果表明球头和套管结合部位未出现相对滑动，未出现拉脱现象。

所制得的一体式I型推力杆采用电液伺服疲劳试验机进行疲劳试验检测，沿推力杆纵向加载150KN的力，加载频率为2HZ，循环100万次，结果表明推力杆未出现断裂现象，试验前、后刚度变化不超过30％，说明推力杆疲劳寿命较好。

Claims (9)

1.一种轻量化一体式I型推力杆，其特征在于：推力杆的材质为铝合金，优选的成分是Al-Cu系合金、Al-Si系合金、Al-Mg-Si系合金、Al-Zn-Mg-Cu系合金或者Al-Mg系合金，以及在上述铝基合金中添加Sr、La、Ce、Y、Sc、Er、Nb、B、Cr等微量合金化元素的铝合金。

2.根据权利要求1所述的轻量化一体式I型推力杆的材料，其特征在于推力杆成分为：

3.根据权利要求1所述的轻量化一体式I型推力杆的材料，其特征在于推力杆成分为：

4.根据权利要求1所述的轻量化一体式I型推力杆的材料，其特征在于推力杆成分为：

5.根据权利要求1所述的轻量化一体式I型推力杆的材料，其特征在于推力杆成分为：

6.根据权利要求1所述的轻量化一体式I型推力杆的材料，其特征在于推力杆成分为：

7.一种轻量化一体式I型推力杆，其结构包括有套管和球头，球头留有通孔，用于安装球铰；其特征在于：

套管与球头为整体成型；球头的颈部具有椭圆形与圆弧形相组合的结构特征；

A球头2A至B球头2B顺次是A球头2A、A椭圆形段2A5、A圆弧段2A6、套管1、B圆弧段2B6、椭圆形段2B5和B球头2B。

8.根据权利要求7所述的轻量化一体式I型推力杆，其特征在于：套管1的总长度为L₁，套管1的半径为r_1A，球头2A的半径记为r_2A1；球头颈部圆弧段(2A6、2B6)的起半径为r₂，圆弧段(2A6、2B6)的止半径为r₄，椭圆形段(2A5、2B5)的下长半径为O₃a₃、下短半径为O₃b₃、上长半径O₄a₄和上短半径O₄b₄，则有，r_2A1＝2r_1A，O₃a₃＝2r_1A，上长半径和上短半径O₄b₄＝r_1A。

9.一种轻量化一体式I型推力杆，其特征在于采用铸造工艺方法整体成型，具体步骤为：

铸造步骤一，按照一定的配比配制铝合金，在铸造机保温炉内将所配铝合金加热到一定温度，并进行精炼除气；

铸造步骤二，将推力杆模具及浇口套进行预热；对升液管的浇口进行清渣，放入陶瓷过滤网及型芯，所用型芯可以是金属材质型芯，可以是砂型型芯；合模。

铸造步骤三，将保温炉内的铝合金液在一定压力下，以一定速率进行升液；

铸造步骤四，将铝合金在一定压力下，以一定速度充型到推力杆型腔中，直至将型腔全部充满；

铸造步骤五，待铝液完全充满推力杆型腔后，快速增加压力至结晶压力，并继续保压；

铸造步骤六，待铝合金推力杆凝固完毕，卸除保温炉内的气体压力，冷却后并取出推力杆铸件。