CN113714743B - 一种汽车前轴及其制造方法 - Google Patents

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    • B23P15/00Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass

Abstract

本申请公开了一种汽车前轴及其制造方法,所述汽车前轴由横梁、两侧弯脖、两端拳头以及钢板弹簧座组成,弯脖与横梁连接部位向斜上方弯曲,弯脖端部有一段圆管,与拳头过盈装配后焊接在一起;横梁中部为空心矩形截面,横梁两侧为高度较大宽度较窄的空心矩形截面,其下平面与中部等高、上平面高于中部上平面,横梁到弯脖圆管内侧的横断面均为空心矩形,周长逐渐减小而壁厚增加。所述汽车前轴选用钢管压制成形,两侧经过缩径减径增厚,整体加热弯曲后,在三向液压机上利用压制成形模具从上侧及前后两侧进行压制成形。钢管压制成形汽车前轴,产品抗弯抗扭性能高,重量轻,材料利用率高,模具开发成本较低,可以制造各种轴荷的前轴。

Description

一种汽车前轴及其制造方法
技术领域
本申请属于汽车部件技术领域,特别是涉及一种汽车前轴及其制造方法。
背景技术
汽车前轴是汽车底盘重要的承载零部件之一,在运行过程中,前轴需要承受不平路面、紧急制动、连续转弯产生的载荷,所以要求其具有较高的强度、刚度及疲劳寿命。前轴由中段横梁及两侧的弯脖、两端的拳头组成。
汽车前轴按其制作工艺可分为整体锻造前轴、钢管组合式前轴和钢板冲压焊接前轴。
附图1为整体锻造前轴,横梁中部为上下近似等宽的工字形断面,中部两侧向上抬高,形成落差H0,横断面呈上宽下窄的工字形,较宽的上平面用于安装钢板弹簧,较窄的下平面宽度小于中部工字形断面的宽度,主要受到安装钢板弹簧骑马螺栓的位置限制;横梁两侧弯脖处断面由工字形逐渐过渡到实心方截面,弯脖与拳头相连的部分为实心方截面。前轴锻造工艺可分为锤上模锻、机械压力机模锻、辊锻-模锻成形,其中辊锻-模锻工艺结合了辊锻和模锻的优点,材料利用率可以达到80%~85%,工艺流程为:中频感应加热-成形辊锻-弯曲成形-整体终锻-切边-热校正-调质处理。整体锻造前轴,制造工艺较成熟,在国内得到了较广泛的应用,主要用于市场需求量较大的轴荷3.5T~7T的前轴。整体锻造前轴,重量较大,主要在于横梁两侧横断面下面宽度较窄,抗弯曲强度较低,加之工字形的横梁抗扭强度不高,导致在汽车紧急制动工况下横梁两侧下平面容易失效;另外,采用锻造工艺制造前轴,需要大型锻造设备,模具开发成本较高而且不易于换型,不适用于生产多规格的小轴荷前轴以及轴荷大于7T的大轴荷前轴。
图2为钢管组焊式前轴,中段横梁为圆管,两侧的弯脖与两端的拳头整体锻造成形,中段与弯脖焊接后在中段两侧焊接钢板弹簧座。钢管组焊式前轴与整体锻造前轴相比,制造过程不需要大型锻造设备,降低了模具开发成本和产品换型的难度,但中段圆管的抗弯曲性能不高,横梁两端的焊接接头以及钢板弹簧座焊接处对焊接质量要求高,抗弯曲性能相对较弱。目前,钢管组焊式结构主要应用于轴荷小于3.5T的小型前轴,很少用于较大轴荷的前轴。
图3为钢板冲压焊接前轴,由上板、下板、前侧板、后侧板冲压后焊接而成,然后在左右两端分别焊接拳头。这种结构制造工艺相对简单,不需要大型锻压设备,模具开发成本不高,但制造工序较多,焊接部位多,焊缝长,焊接质量要求高,抗冲击性能较弱,疲劳寿命较低,主要应用于运行速度不高的轴荷大于7T的工程车辆及特种车辆。
中国专利【201110135264.4】公开了一种空心前轴成形方法,该空心前轴中段横梁为等高的矩形截面,两侧弯脖为空心的矩形截面,弯脖与拳头连接处为实心的矩形截面。专利【201110135264.4】公开了空心前轴的制造过程:圆管坯下料-管端及过渡区加热-管端及过渡区减径成形-端部加热-端部镦锻成实体-整体加热-整体压弯和圆截面变方的复合成形-调质处理-机械加工。专利【201110135264.4】公开的空心汽车前轴,中段横梁及左右弯脖采用空心矩形截面,有利于提高抗弯性能、降低产品重量,材料利用率较高;但制造过程中需要多次加热,能耗高,存在氧化和脱碳缺陷,影响产品调质后的力学性能;管坯端部镦实工序成形难度较大,不适合用于薄壁管的成形。此外,从专利【201110135264.4】公开的结构可知,横梁左右两侧与中部为等截面的方管,上面之间没有落差,需要焊接较厚的钢板弹簧座方能满足悬架总成要求,而且横梁两侧的结构无法满足钢板弹簧座的安装要求。目前,市场上尚未见到空心前轴的应用。
发明内容
1.要解决的技术问题
基于底盘重要的承载零部件的前轴,大批量生产采用的整体锻造前轴,工字形截面的横梁抗弯抗扭性能不高、模具开发费用高、生产需要大型锻造设备,产品重量较大、材料利用率较低;采用钢管组焊式前轴,承载性能较低,仅可用于小轴荷的车轴;采用钢板冲压焊接前轴,制作工序多、焊缝长、抗冲击性能低、疲劳寿命较低的问题,本申请提供了一种汽车前轴及其制造方法。
2.技术方案
为了达到上述的目的,本申请提供了一种汽车前轴及其制造方法,所述前轴采用钢管压制成形,所述前轴包括依次连接的第一拳头、第一弯脖、横梁、第二弯脖和第二拳头,所述第一弯脖与所述横梁、第二弯脖为整体成形的变截面变壁厚空心结构。
这里的第一拳头和第二拳头结构相同,为了区分用第一第二,可以简称为拳头。第一弯脖和第二弯脖结构相同,为了区分用第一第二,可以简称为弯脖。
所述横梁包括依次连接的横梁左部、横梁中部和横梁右部,所述横梁中部截面为高度h1宽度b1的空心矩形截面,壁厚为t1;所述横梁左部、横梁右部结构相同,为高度较大宽度较窄的空心矩形截面,其下平面与中部等高、上平面高于中部上平面H1,焊装钢板弹簧座后满足悬架总成的安装要求;所述横梁左部厚度与横梁中部厚度相同,所述横梁左部高度h2大于横梁中部高度h1,宽度b2小于横梁中部宽度b1,满足钢板弹簧骑马螺栓的安装要求;所述横梁右部与所述横梁左部厚度高度和宽度相同;所述横梁左部与所述第一弯脖连接,所述横梁右部与所述第二弯脖连接。
所述第一弯脖与所述横梁3连接部位向上方弯曲θ1角,过渡圆弧的内侧半径为R1;所述第一弯脖端部设置有圆管,所述圆管向弯曲角θ1相反的方向反弯曲,所述圆管轴线与横梁底面的夹角为θ0,所述θ0小于所述θ1,所述圆管内侧过渡圆弧的内侧半径为R2;所述第一弯脖与所述第二弯脖关于中心线对称。
所述横梁左部通过第一过渡圆弧段与所述第一弯脖连接,所述第一过渡圆弧段横断面为空心矩形截面,所述横断面高度逐渐减小而宽度逐渐增加;所述第一弯脖包括弯脖部分,所述弯脖部分下侧圆弧与端部圆管里侧通过第二过渡圆弧连接,所述下侧圆弧横断面和所述第二过渡圆弧横断面均为空心矩形,所述下侧圆弧、所述端部圆管和所述第二过渡圆弧周长逐渐减小而壁厚逐渐增加。
所述第一弯脖与所述第一拳头过盈装配后焊接,所述第二弯脖与所述第二拳头过盈装配后焊接。所述横梁左部、横梁右部上侧焊接钢板弹簧座,两侧钢板簧座中心距为L1,两端拳头的水平中心距为L2
所述拳头部分为内侧带有实心短轴的空心圆柱体,其高度为h4,孔径为d3,锁销孔直径为d4,实心短轴的长度为z2,外径为d5,略大于弯脖两端圆管的内径,两者过盈配合后焊接而成。
本申请还提供一种制造所述汽车前轴的方法,包括以下步骤:
(1)选取管坯。根据汽车前轴的总长度确定无缝钢管的初始长度L3,根据横梁中部矩形截面的高度h1和宽度b1确定管坯的外径d6,管坯的壁厚与前轴横梁的壁厚相等,为t1
(2)两次缩径。针对拟形成横梁两侧弯脖部分的管坯部分进行两道次缩径实现减径增厚。保持初始管坯中部长度L4的部分不变,先进行第一次缩径,外径减至d7,壁厚增至t2,缩径部分与中部圆锥过渡,半锥角为θ2;对管坯两端部再进行第二次缩径,外径减小至产品弯脖端部圆管的外径d1,端部圆管与第一次缩径后的圆管之间圆锥过渡,半锥角为θ3,左右两侧过渡圆锥处的长度为L5。两次缩径后的管坯总长度增至L6
(3)加热。用中频感应加热炉将缩径后的管坯整体加热到850~1050℃。
(4)弯曲。在压力机上利用冲压模具将加热后的管坯弯曲,得到空心圆形截面的预成形管坯,其底部中段圆管未变形,中段圆管两侧向上抬高H2;底部两侧部分向上弯曲,与底部圆管的夹角为θ1,等于前轴产品弯脖与横梁之间的弯曲角度;两端部圆管与底部圆管的轴线平行。
(5)压制成形。在三向液压机上利用压制成形模具从上侧及前后两侧对弯曲后的预成形管坯进行整体压制成形,得到前轴产品。压制模具主要由上模、下模、前侧模、后侧模组成,下模安装在液压机的工作台上,上模由液压机垂直滑块带动从上侧向下压制预成形管坯,前侧面、后侧面分别由液压机前后两侧的水平滑块带动由前后两侧对向压制预成形管坯。压制模具合模后,上模、下模、前侧模、后侧模组成型腔形状与前轴产品的外形相同。
(6)机加工。在压制成形后管件的端部,加工出与拳头内侧实心短轴外圆相配合的内孔及焊接坡口。
(7)焊接附件。在管件两端焊接拳头,在横梁左右两侧焊接钢板弹簧座。
(8)调质处理,焊接后的产品进行整体调质处理。
3.有益效果
与现有技术相比,本申请提供的一种汽车前轴及其制造方法的有益效果在于:
本申请提供的汽车前轴,为钢管压制成形前轴,强度高,横梁及弯脖采用变截面变壁厚的空心矩形截面,提高了抗弯性能和抗扭性能,解决了锻造前轴工字形截面横梁抗弯抗扭性能不高的问题。
本申请提供的前轴,产品重量轻,较锻造前轴减重10%以上;材料利用率高于95%,较锻造前轴提高10%~15%。
本申请提供的前轴制作方法,制作过程不需要大型锻压设备,模具开发成本较低,应用范围广,可以制作各种轴荷的前轴。
附图说明
图1是某轴荷5T的锻造前轴结构示意图;
图2是某钢管组焊式前轴结构示意图;
图3是某钢板冲压焊接前轴结构示意图;
图4是某空心前轴结构示意图;
图5是本申请的前轴总成的主视图;
图6是本申请的前轴各截面剖视图;
图7是本申请的前轴总成的俯视图;
图8是本申请的前轴总成的拳头示意图;
图9是本申请的前轴初始管坯示意图;
图10是本申请的前轴第一次缩径后管坯示意图;
图11是本申请的前轴第二次缩径后管坯示意图;
图12是本申请的前轴弯曲后的预成形管坯;
图13是本申请的前轴压制成形模具主视图;
图14是本申请的前轴压制成形模具俯视图。
在上述附图中,1.第一拳头,2.第一弯脖,3.横梁,3a.横梁左部,3b.横梁中部,3c.横梁右部,4.第二弯脖,5.第二拳头,6.板簧座,7.管坯,8.上模,9.下模,10.前侧模,11.后侧模
具体实施方式
在下文中,将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述,依照这些详细的描述,所属领域技术人员能够清楚地理解本申请,并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下,各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式,或者替代某些实施例中的某些特征,获得其它优选的实施方式。
参见图5~14,本申请提供一种汽车前轴,所述前轴采用钢管压制成形,所述前轴包括依次连接的第一拳头1、第一弯脖2、横梁3、第二弯脖4和第二拳头5,所述第一弯脖2与所述横梁3、第二弯脖4为整体成形的变截面变壁厚空心结构。
这里的第一拳头1和第二拳头5结构相同,为了区分用第一第二,可以简称为拳头。第一弯脖2和第二弯脖4结构相同,为了区分用第一第二,可以简称为弯脖。
所述横梁3包括依次连接的横梁左部3a、横梁中部3b和横梁右部3c,所述横梁中部3b截面为高度h1=115mm宽度b1=95mm的空心矩形截面,壁厚为t1=14mm,所述横梁左部3a、横梁右部3c结构相同,为高度较大宽度较窄的空心矩形截面,其下平面与横梁中部3b等高、上平面高于横梁中部3b上平面H1=25mm,焊装钢板弹簧座后满足悬架总成的安装要求;所述横梁左部3a厚度与横梁中部3b厚度相同,所述横梁左部3a高度h2=135mm大于横梁中部3b高度h1=115mm,宽度b2=65mm小于横梁中部3b宽度b1=90mm,满足钢板弹簧骑马螺栓的安装要求;所述横梁右部3c与所述横梁左部3a厚度高度和宽度相同;所述横梁左部3a与所述第一弯脖2连接,所述横梁右部3c与所述第二弯脖4连接。
所述第一弯脖2与所述横梁3连接部位向上方弯曲θ1=40~60°,过渡圆弧的内侧半径为R1=80~120mm;所述第一弯脖2端部设置有圆管,所述圆管向弯曲角θ1=40~60°相反的方向反弯曲,所述圆管轴线与横梁3底面的夹角为θ0=3~10°,所述θ0=3~10°小于所述θ1=40~60°,所述圆管内侧过渡圆弧的内侧半径为R2=50~80mm;所述第一弯脖2与所述第二弯脖4关于中心线对称。
所述横梁左部3a通过第一过渡圆弧段与所述第一弯脖2连接,所述第一过渡圆弧段横断面为空心矩形截面,所述横断面高度逐渐减小而宽度逐渐增加,渐变为高度h3=92mm宽度b3=88mm的空心矩形截面,壁厚增至t2=16mm;所述第一弯脖2包括弯脖部分,所述弯脖部分下侧圆弧与端部圆管里侧通过第二过渡圆弧连接,所述下侧圆弧横断面和所述第二过渡圆弧横断面均为空心矩形,所述下侧圆弧、所述端部圆管和所述第二过渡圆弧周长逐渐减小而壁厚逐渐增加;所述端部圆管的外径为d1=87mm、内径为d2=53mm,长度为z1=47mm。
所述第一弯脖2与所述第一拳头1过盈装配后焊接,所述第二弯脖4与所述第二拳头5过盈装配后焊接。所述横梁左部3a、横梁右部3c上侧焊接钢板弹簧座,两侧钢板簧座中心距为L1=810mm,两端拳头的水平中心距为L2=1755mm。
拳头部分为内侧带有实心短轴的空心圆柱体,其高度为h4=93mm,孔径为d3=47mm,锁销孔直径为d4=16mm,实心短轴的长度为z2=25mm,外径为d5=53.2mm,略大于弯脖两端圆管的内径,两者过盈配合后焊接而成。
上述汽车前轴制造方法包括以下步骤:
(1)选取管坯7。根据汽车前轴的总长度确定无缝钢管的初始长度L3=1880mm,根据横梁3中部矩形截面的高度h1=115mm和宽度b1=90mm确定管坯的外径d6=121mm,管坯7的壁厚与前轴横梁3的壁厚相等,为t1=14mm。
(2)两次缩径。针对拟形成横梁3两侧弯脖部分的管坯部分进行两道次缩径实现减径增厚。保持初始管坯中部长度L4=1086mm的部分不变,先进行第一次缩径,外径减至d7=103mm,壁厚增至t2=16mm,缩径部分与中部圆锥过渡,半锥角为θ2=5~12°;对管坯7两端部再进行第二次缩径,外径减小至产品弯脖端部圆管的外径d1=87mm,端部圆管与第一次缩径后的圆管之间圆锥过渡,半锥角为θ3=5~12°,左右两侧过渡圆锥处的长度为L5=1550mm。两次缩径后的管坯总长度增至L6=1978mm。
(3)加热。用中频感应加热炉将缩径后的管坯整体加热到850~1050℃。
(4)弯曲。在压力机上利用冲压模具将加热后的管坯弯曲,得到空心圆形截面的预成形管坯,其底部中段圆管未变形,中段圆管两侧向上抬高H2=20mm;底部两侧部分向上弯曲,与底部圆管的夹角为θ1=40~60°,等于前轴产品弯脖与横梁3之间的弯曲角度;两端部圆管与底部圆管的轴线平行。
(5)压制成形。在三向液压机上利用压制成形模具从上侧及前后两侧对弯曲后的预成形管坯进行整体压制成形,得到前轴产品。压制模具主要由上模8、下模9、前侧模10、后侧模11组成,下模9安装在液压机的工作台上,上模8由液压机垂直滑块带动从上侧向下压制预成形管坯,前侧面、后侧面分别由液压机前后两侧的水平滑块带动由前后两侧对向压制预成形管坯。压制模具合模后,上模8、下模9、前侧模10、后侧模11组成型腔形状与前轴产品的外形相同。
(6)机加工。在压制成形后管件的端部,加工出与拳头内侧实心短轴外圆相配合的内孔及焊接坡口。
(7)焊接附件。在管件两端焊接拳头,在横梁3左右两侧焊接钢板弹簧座6。
(8)调质处理,焊接后的产品进行整体调质处理。
本申请提供的前轴,为一种钢管压制成形的前轴结构,横梁3及两侧弯脖采用变截面变壁厚的空心矩形截面,提高产品的抗弯性能和抗扭性能,降低产品的重量,材料利用率高于95%,模具开发成本较低,可以制作各种轴荷的前轴。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述,但是所属领域技术人员应当理解,在本申请公开的原理和范围内,可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定,并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (2)

1.一种汽车前轴,其特征在于:
所述汽车前轴采用钢管压制成形,包括依次连接的第一拳头、第一弯脖、横梁、第二弯脖和第二拳头,所述第一弯脖与所述横梁、第二弯脖为整体成形的变截面变壁厚空心结构;
所述横梁包括依次连接的横梁左部、横梁中部和横梁右部,所述横梁中部截面为高度h1宽度b1的空心矩形截面,壁厚为t1;所述横梁左部、横梁右部结构相同,为高度较大宽度较窄的空心矩形截面,其下平面与中部等高、上平面高于中部上平面H1,焊装钢板弹簧座后满足悬架总成的安装要求;所述横梁左部厚度与横梁中部厚度相同,所述横梁左部高度h2大于横梁中部高度h1,宽度b2小于横梁中部宽度b1,满足钢板弹簧骑马螺栓的安装要求;所述横梁右部与所述横梁左部厚度高度和宽度相同;所述横梁左部与所述第一弯脖连接,所述横梁右部与所述第二弯脖连接;
所述第一弯脖与所述横梁连接部位向上方弯曲θ1角,过渡圆弧的内侧半径为R1;所述第一弯脖端部设置有圆管,所述圆管向弯曲角θ1相反的方向反弯曲,所述圆管轴线与横梁底面的夹角为θ0,所述θ0小于所述θ1,所述圆管内侧过渡圆弧的内侧半径为R2;所述第二弯脖与所述第一弯脖结构相同,所述第一弯脖与所述第二弯脖关于中心线对称;
所述横梁左部通过第一过渡圆弧段与所述第一弯脖连接,所述第一过渡圆弧段横断面为空心矩形截面,所述横断面高度逐渐减小而宽度逐渐增加;所述第一弯脖包括弯脖部分,所述弯脖部分下侧圆弧与端部圆管里侧通过第二过渡圆弧连接,所述下侧圆弧横断面和所述第二过渡圆弧横断面均为空心矩形,所述下侧圆弧、所述端部圆管和所述第二过渡圆弧周长逐渐减小而壁厚逐渐增加;所述汽车前轴制造方法包括以下步骤:
步骤1:根据汽车前轴的总长度确定无缝钢管的初始长度L3,根据横梁中部矩形截面的高度h1和宽度b1确定管坯的外径d6,管坯的壁厚与前轴横梁的壁厚相等,为t1
步骤2:两次缩径,针对拟形成横梁两侧弯脖部分的管坯部分进行两道次缩径实现减径增厚,保持初始管坯中部长度L4的部分不变,先进行第一次缩径,外径减至d7,壁厚增至t3,缩径部分与中部圆锥过渡,半锥角为θ2;对管坯两端部再进行第二次缩径,外径减小至产品弯脖端部圆管的外径d1,端部圆管与第一次缩径后的圆管之间圆锥过渡,半锥角为θ3,左右两侧过渡圆锥处的长度为L5,两次缩径后的管坯总长度增至L6
步骤3:加热,用中频感应加热炉将缩径后的管坯整体加热到850~1050℃;
步骤4:弯曲,在压力机上利用冲压模具将加热后的管坯弯曲,得到空心圆形截面的预成形管坯,其底部中段圆管未变形,中段圆管两侧向上抬高H2;底部两侧部分向上弯曲,与底部圆管的夹角为θ1,等于前轴产品弯脖与横梁之间的弯曲角度;两端部圆管与底部圆管的轴线平行;
步骤5:压制成形,在三向液压机上利用压制成形模具从上侧及前后两侧对弯曲后的预成形管坯进行整体压制成形,得到前轴产品;压制模具主要由上模、下模、前侧模、后侧模组成,下模安装在液压机的工作台上,上模由垂直滑块带动从上侧向下压制预成形管坯,前侧面、后侧面分别由液压机前后两侧的水平滑块带动由前后两侧对向压制预成形管坯,压制模具合模后,上模、下模、前侧模、后侧模组成型腔形状与前轴产品的外形相同;
步骤6:机加工,在压制成形后管件的端部,加工出与拳头内侧实心短轴外圆相配合的内孔及焊接坡口;
步骤7:焊接附件,在管件两端焊接拳头,在横梁左右两侧焊接钢板弹簧座;
步骤8:调质处理,焊接后的产品进行整体调质处理。
2.如权利要求1所述的汽车前轴,其特征在于:所述第一弯脖与所述第一拳头过盈装配后焊接,所述第二弯脖与所述第二拳头过盈装配后焊接,所述横梁上焊接有钢板弹簧座。
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