CN113829817A - 一种具有嵌件的轻量化一体式铝合金推力杆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有嵌件的轻量化一体式铝合金推力杆，包括杆体、以及一体成型于杆体两端的球头，每个球头均具有用于安装球铰组件的安装孔；安装孔的内壁面嵌设有环形的嵌件，卡簧安装槽设置于嵌件的内周壁上；杆体包括连接两个球头的外周面的主连接板，以及分别连接两个球头的端面的两块副连接板，副连接板均与主连接板垂直设置，从而使得杆体的横截面近似呈“工”字型，且副连接板的延伸方向与安装孔的中轴线垂直；每个球头的外周壁上均设有沿周向延伸的两个减重槽，两个减重槽沿球头的轴向间隔设置，从而在减重槽之间形成加强筋，加强筋的两端延伸而分别与主连接板的两个表面连接。本发明的推力杆保证强度和刚度的同时，具有良好的减重效果。

Description

一种具有嵌件的轻量化一体式铝合金推力杆

技术领域

本发明涉及轻量化汽车零部件，尤其涉及一种具有嵌件的轻量化一体式铝合金推力杆。

背景技术

近年来，随着环境污染的加剧，对于环境的保护越来越严格，相应的国六排放标准，对汽车排放标准及燃油标准提出了更高要求。据相关数据统计，汽车质量每减小100kg，油耗可减少0.2～0.8L/100Km。因此汽车企业急需通过对汽车零部件进行轻量化优化设计，从而降低汽车排放标准和油耗。

推力杆总成主要包括球头、杆体、卡簧挡圈、球铰组件，其中球铰由球铰球销、球铰上端盖、球铰下端盖、球铰橡胶组成。推力杆安装在汽车驱动悬架上，用以传递纵向载荷、扭矩。

现有技术的推力杆一般由球头和圆管状杆体组成，由于推力杆工作载荷大，为了满足使用要求多采用锻造钢材料，而锻造工艺导致结构形状不能任意改变，很难进行结构优化设计减重。另外，球头和杆体的连接方式，多采用焊接和热铆工艺，对模具工装和过程控制要求较高，成本较高，且球头和杆体的连接位置强度不佳，容易出现球头和杆体拉脱分离的失效现象。并且，由于该种球头和杆体的连接工艺，导致杆体只能采用圆环截面形状，而这种截面形状，存在惯性矩低和截面面积小的缺点，强度和刚度均不佳，容易出现弯曲失效现象。要改善这个问题，只能通过增加截面圆环壁厚和直径，但是，由于杆体长度较大，这样的结构优化，会导致推力杆质量的大幅增加，难以实现轻量化目标。

因此，需要一种保证强度和刚度的同时，具有良好的减重效果的具有嵌件的轻量化一体式铝合金推力杆。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种保证强度和刚度的同时，具有良好的减重效果的具有嵌件的轻量化一体式铝合金推力杆。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该种具有嵌件的轻量化一体式铝合金推力杆，包括杆体、以及一体成型于所述杆体两端的球头，每个球头均具有用于安装球铰组件的安装孔；所述安装孔的内壁面嵌设有环形的嵌件，所述嵌件采用与球头不同的材料制成，卡簧安装槽设置于所述嵌件的内周壁上；

所述杆体包括连接两个球头的外周面的主连接板，以及分别连接两个球头的端面的两块副连接板，所述副连接板均与所述主连接板垂直设置，从而使得所述杆体的横截面近似呈“工”字型，且所述副连接板的延伸方向与所述安装孔的中轴线垂直；

每个所述球头的外周壁上均设有沿周向延伸的两个减重槽，两个减重槽沿所述球头的轴向间隔设置，从而在所述减重槽之间形成加强筋，所述加强筋的两端延伸而分别与所述主连接板的两个表面连接。

优选的，所述副连接板的两端向靠近所述球头的方向宽度逐渐增加，从而形成变截面的加强连接部。该加强连接部的设置可以降低球头和杆体连接处的应力，从而降低该位置断裂的风险；并且该位置与球头的端面连接，可以进一步增强球头端面的强度和刚度，防止球头端面的破坏。

为了保证刚度和强度的同时进一步减重优选的，所述副连接板的厚度自中部向两侧逐渐减薄。

为了降低杆体上的应力，所述副连接板表面的沿轴向的外缘线与所述杆体的弹性中心线平行。所述杆体的弹性中心线延伸方向可以视为载荷加载方向，因此外缘线与所述杆体的弹性中心线平行，可以使得杆体的载荷尽量与轴向平行，从而主要受拉压应力，降低弯曲应力，从而降低总应力。

由于实际安装使用的时候，主连接板的表面朝上，为了防止使用过程中在杆体上积水，在所述主连接板上开设有排水孔。

为了降低排水孔对杆体强度的影响优选的，所述排水孔设置于所述主连接板的两端。因为根据发明人的模拟分析，排水孔是应力集中的位置，将排水孔设置于该位置对整个杆体的强度影响较小。

为了提高排水效果的同时进一步降低应力，每端的所述排水孔设有两个，且分别位于所述加强筋的两侧。设置两个排水孔可以提高排水效果，将两个排水孔分别设在加强筋的两侧，可以通过加强筋来降低排水孔引起的应力集中。

申请人模拟分析发现排水孔外周与杆体轴向垂直方向上的应力集中尤为严重，为了进一步减轻该方向上的应力集中，所述排水孔为椭圆形，且短轴方向与所述杆体的轴向垂直。

进一步优选的，为了保证排水的同时进一步降低应力，所述排水孔的短轴直径为5-8mm，所述排水孔的长轴的直径为8-10mm。

优选的，所述球头端盖的厚度为9-20mm；该种球头端盖的厚度可以防止球头开裂、卡簧弹出；并且该种较大的端面厚度可以增加两块副连接板之间的距离，从而增加杆体截面的惯性矩，提高刚度。

为了防止球头的破坏，所述球头与所述杆体轴向相垂直的方向上向外凸起，从而两侧均形成加厚部。由于推力杆的受力方向主要为受轴向的拉力或压力，因此球头与所述杆体轴向垂直的方向上会出现应力集中，加厚部的设置可以缓解该位置的应力集中，防止球头的破坏。

优选的，所述嵌件为整体式，包括上限位部和下限位部，以及连接上限位部、下限位部的连接部。选用整体式的嵌件整体结构强度高、便于铸造时的模具设计、嵌件放置；并且轴向强度更好，可以防止球头内的球铰橡胶膨胀产生的轴向分力使得球头胀裂。

进一步优选的，所述上限位部的外周壁上具有凸起的第一上限位筋，所述下限位部的外周壁上具有凸起的第一下限位筋，从而起到限位作用，采用限位筋作为限位结构，结构简单便于嵌件的制备，降低嵌件的成本。为了提高限位作用，进一步优选，所述第一上限位筋沿轴向间隔排布有两条，所述第一下限位筋沿轴向间隔排布有两条。

进一步优选的，所述第一上限位筋的上表面为圆弧面，所述第一上限位筋的下表面为平面；所述第一下限位筋的下表面为圆弧面，所述第一下限位筋的上表面为平面。第一上限位筋、第一下限位筋上的圆弧面可以减少应力集中，降低该圆弧面与球头接触位置的应力；而平面可以增加限位筋与球头之间的接触面积，从而增强嵌件与球头轴向的连接强度，防止嵌件在球头的上下窜动；并且接触面积增大还能减少传递至球头接触位置的载荷，降低平面与球头接触位置的应力。

为了防止嵌件沿周向转动，所述嵌件的外周面上具有内凹的第一防转平面。为了具有更好的防转效果，所述第一防转平面间隔设有多个。进一步优选的，所述第一防转平面沿周向间隔均匀设有四个。进一步优选的，所述第一防转平面设置于所述连接部的外周面、两条第一上限位筋之间、两条第一下限位筋之间的任意一个或多个位置。

优选的，所述嵌件为分体式，包括环形的上嵌件、环形的下嵌件。分体式的嵌件，单个嵌件的成本较低、机加工处理简单。

进一步优选的，所述上嵌件的外周壁具有凸起的第二上限位筋，所述下嵌件的外周壁具有凸起的第二下限位筋。采用限位筋作为限位结构，结构简单便于嵌件的制备，降低嵌件的成本。为了提高限位作用，进一步优选，所述第二上限位筋沿轴向间隔排布有两条，所述第二下限位筋沿轴向间隔排布有两条。

进一步优选的，所述第二上限位筋的上表面为圆弧面，所述第二上限位筋的下表面为平面；所述第二下限位筋的下表面为圆弧面，所述第二下限位筋的上表面为平面。第二上限位筋、第二下限位筋上的圆弧面可以减少应力集中，降低该圆弧面与球头接触位置的应力；而平面可以增加限位筋与球头之间的接触面积，从而增强嵌件与球头轴向的连接强度，防止嵌件在球头的上下窜动；并且接触面积增大还能减少传递至球头接触位置的载荷，降低平面与球头接触位置的应力。

为了防止上、下嵌件沿周向转动，所述上嵌件的第二上限位筋之间具有内凹的第二防转平面，所述下嵌件的第二下限位筋之间具有内凹的第三防转平面。为了具有更好的防转效果，所述第二防转平面、第三防转平面间隔设有多个。进一步优选的，所述第二防转平面、第三防转平面均沿周向间隔均匀设有四个。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、杆体与球头采用铝合金一体铸造而成，减重的同时，提高杆体和球头连接位置的强度和刚度，防止该位置的破坏失效。

2、球头的外周壁上具有两个减重槽，具有良好的减重效果，同时在两个减重槽之间形成加强筋，增加球头的强度和刚度，并且加筋与主连接板的两个表面连接，还可以进一步增加球头与杆体连接位置的强度和刚度，从而防止球头与杆体连接位置的破坏。

3、杆体的横截面近似呈“工”字型，可以在尽可能减小杆体质量的基础上，增加杆体横截面的惯性矩，从而提升杆体的刚度，避免杆体发生屈曲失效。

4、嵌件的设置，使得嵌件能够采用与球头不同的材料制成，可以根据需要采用高性能钢等材料制成，使用强度更高的材料，防止该位置的磨损；并且卡簧安装槽也位于嵌件上，强度更高的嵌件可以防止卡簧弹出。

5、根据发明人对该种推力杆的模拟分析，该种推力杆沿副连接板一侧弯曲的趋势大于沿主连接板一侧弯曲的趋势，因此设置两块副连接板增加绕这一侧弯曲的惯性矩和弯曲表面积，从而提升杆体的抗弯强度。

6、球头的端面是球头失效的风险位置，副连接板与球头的端面连接，可以增强球头和杆体的刚度和强度，降低了球头和杆体开裂风险；并且同时还能增加杆体的刚度和强度。

7、本发明的该种推力杆在满足刚度、强度等使用条件的情况下，相对于现有技术的钢制推力杆能够减重30％以上。

附图说明

图1为本发明的实施例1-2的杆体的结构示意图；

图2为本发明的实施例1-2的杆体的实际安装状态的结构示意图；

图3为本发明的实施例1-2的杆体的另一个角度的结构示意图；

图4为本发明的实施例1的嵌件的结构示意图；

图5为本发明的实施例1的嵌件的另一个角度的结构示意图；

图6为图5的A-A面的横截面示意图；

图7为本发明的实施例2的嵌件的结构示意图；

图8为本发明的实施例2的嵌件的另一个角度的结构示意图；

图9为图8的B-B面的横截面示意图；

图10为本发明的实施例1的球头位置的局部结构示意图；

图11为图10的C-C面的横截面示意图；

图12为本发明的实施例2的球头位置的局部结构示意图；

图13为图12的D-D面的横截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1至13所示，下述实施例的杆体1结构均为一致，该种具有嵌件22的轻量化一体式铝合金推力杆，包括杆体1、以及一体成型于杆体1两端的球头2，每个球头2均具有用于安装球铰组件3的安装孔21，安装孔21的内壁面嵌设有环形的嵌件22，嵌件22采用与球头2不同的材料制成，卡簧安装槽23设置于嵌件22的内周壁上。球铰组件3包括球销31，套设于所述球销31外侧的球铰橡胶32，以及分别盖设于所述球铰橡胶32两端的球铰上端盖33、球铰下端盖34，且所述球销31、球铰橡胶32、球铰上端盖33、球铰下端盖34通过硫化结合为一体；并且通过卡设于卡簧安装槽23内的卡簧35，抵住球铰上端盖33、压缩球铰橡胶32，将球铰组件3以预压状态装配与安装孔21内。因此，球铰橡胶32会具有向外膨胀的趋势而使得球头2受到相应的向外的弹力。

下述实施例的杆体1和球头2均采用铝合金制成，嵌件22采用强度高于铝合金的钢材料制成。

杆体1包括连接两个球头2的外周面的主连接板11，以及分别连接两个球头2的端面的两块副连接板12，副连接板12均与主连接板11垂直设置，从而使得杆体1的横截面近似呈“工”字型，且副连接板12的延伸方向与安装孔21的中轴线垂直。

每个球头2的外周壁上均设有沿周向延伸的两个减重槽24，两个减重槽24沿球头2的轴向间隔设置，从而在减重槽24之间形成加强筋25，加强筋25的两端延伸而分别与主连接板11的两个表面连接。

副连接板12的两端向靠近球头2的方向宽度逐渐增加，从而形成变截面的加强连接部121。该加强连接部121的设置可以降低球头2和杆体1连接处的应力，从而降低该位置断裂的风险；并且该位置与球头2的端面连接，可以进一步增强球头2端面的强度和刚度，防止球头2端面的破坏。因为副连接板12的主要应力都集中于其中部，为了保证刚度和强度的同时进一步减重，副连接板12的厚度自中部向两侧逐渐减薄。

为了降低杆体1上的应力，副连接板12表面的沿轴向的外缘线122与杆体1的弹性中心线平行。杆体1的弹性中心线延伸方向可以视为载荷加载方向，因此外缘线122与杆体1的弹性中心线平行，可以使得杆体1的载荷尽量与轴向平行，从而主要受拉压应力，降低弯曲应力，从而降低总应力。

由于实际安装使用的时候，主连接板11的表面朝上，如图2所示，为了防止使用过程中在杆体1上积水，在主连接板11上开设有排水孔13。为了降低排水孔13对杆体1强度的影响，排水孔13设置于主连接板11的两端。因为根据发明人的模拟分析，排水孔13是应力集中的位置，将排水孔13设置于该位置对整个杆体1的强度影响较小。

为了提高排水效果的同时进一步降低应力，每端的排水孔13设有两个，且分别位于加强筋25的两侧。设置两个排水孔13可以提高排水效果，将两个排水孔13分别设在加强筋25的两侧，可以通过加强筋25来降低排水孔13引起的应力集中。申请人模拟分析发现排水孔13外周与杆体1轴向垂直方向上的应力集中尤为严重，为了进一步减轻该方向上的应力集中，排水孔13为椭圆形，且短轴方向与杆体1的轴向垂直。为了保证排水的同时进一步降低应力，排水孔13的短轴直径为5-8mm，排水孔13的长轴的直径为8-10mm，下述实施例排水孔13的短轴直径为6mm，排水孔13的长轴的直径为9mm。

球头端盖26的厚度为9-20mm；该种球头端盖26的厚度可以防止球头2开裂、卡簧35弹出；并且该种较大的端盖厚度可以增加两块副连接板12之间的距离，从而增加杆体1截面的惯性矩，提高刚度。

为了防止球头2的破坏，球头2与杆体1轴向相垂直的方向上向外凸起，从而两侧均形成加厚部27。由于推力杆的受力方向主要为受轴向的拉力或压力，因此球头2与杆体1轴向垂直的方向上会出现应力集中，加厚部27的设置可以缓解该位置的应力集中，防止球头2的破坏。

实施例1：如图4-6，以及10-11所示，本实施例的嵌件22是整体式，包括上限位部221和下限位部222，以及连接上限位部221、下限位部222的连接部223。选用整体式的嵌件22整体结构强度高、便于铸造时的模具设计、嵌件22放置；并且轴向强度更好，可以防止球头2内的球铰橡胶32膨胀产生的轴向分力使得球头2胀裂。上限位部221的外周壁上具有凸起的第一上限位筋224，下限位部222的外周壁上具有凸起的第一下限位筋225，从而起到限位作用，采用限位筋作为限位结构，结构简单便于嵌件22的制备，降低嵌件22的成本。为了提高限位作用，本实施例的第一上限位筋224沿轴向间隔排布有两条，第一下限位筋225沿轴向间隔排布有两条。

本实施例的第一上限位筋224的上表面为圆弧面，第一上限位筋224的下表面为平面；第一下限位筋225的下表面为圆弧面，第一下限位筋225的上表面为平面。第一上限位筋224、第一下限位筋225上的圆弧面可以减少应力集中，降低该圆弧面与球头2接触位置的应力；而平面可以增加限位筋与球头2之间的接触面积，从而增强嵌件22与球头2轴向的连接强度，防止嵌件22在球头2的上下窜动；并且接触面积增大还能减少传递至球头2接触位置的载荷，降低平面与球头2接触位置的应力。

为了防止嵌件22沿周向转动，嵌件22的外周面上具有内凹的第一防转平面226。为了具有更好的防转效果，本实施例在两条第一上限位筋224之间、两条第一下限位筋225之间均设有第一防转平面226，且每个位置均沿周向间隔均匀设有四个。除此之外，第一防转平面226设置于连接部223的外周面、两条第一上限位筋224之间、两条第一下限位筋225之间的任意一个或多个位置均可行。

实施例2：如图7-9,12-13所示，本实施例的嵌件22是分体式，包括环形的上嵌件227、环形的下嵌件228。分体式的嵌件，单个嵌件的成本较低、机加工处理简单。

本实施例的上嵌件227的外周壁具有凸起的第二上限位筋22a，下嵌件228的外周壁具有凸起的第二下限位筋22b，且第二上限位筋22a沿轴向间隔排布有两条，第二下限位筋22b沿轴向间隔排布有两条。

本实施例第二上限位筋22a的上表面为圆弧面，第二上限位筋22a的下表面为平面；第二下限位筋22b的下表面为圆弧面，第二下限位筋22b的上表面为平面。第二上限位筋22a、第二下限位筋22b上的圆弧面可以减少应力集中，降低该圆弧面与球头2接触位置的应力；而平面可以增加限位筋与球头2之间的接触面积，从而增强嵌件与球头2轴向的连接强度，防止嵌件在球头2的上下窜动；并且接触面积增大还能减少传递至球头2接触位置的载荷，降低平面与球头2接触位置的应力。

为了防止上、下嵌件228沿周向转动，本实施例上嵌件227的第二上限位筋22a之间具有内凹的第二防转平面22c，下嵌件228的第二下限位筋22b之间具有内凹的第三防转平面22d，且第二防转平面22c、第三防转平面22d均沿周向间隔均匀设有四个。

现有技术的钢制推力杆的质量一般为7.6Kg，上述实施例1的推力杆的质量为4.9Kg，减重率为36％；上述实施例2的推力杆的质量为4.7Kg，减重率为38％。

经过模拟分析，上述实施例的强度均能达到250KN载荷下，嵌件最大塑性应变1％，球头最大塑性应变0.8％，杆体最大塑性应变0.5％，杆体横截面最小弯曲刚度均能达到2.88*10¹⁰N*mm²，临界弯曲载荷均能达到323KN，能够满足推力杆的使用要求。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有嵌件的轻量化一体式铝合金推力杆，包括杆体(1)、以及一体成型于所述杆体(1)两端的球头(2)，每个球头(2)均具有用于安装球铰组件(3)的安装孔(21)，其特征在于：所述安装孔(21)的内壁面嵌设有环形的嵌件(22)，所述嵌件(22)采用与球头(2)不同的材料制成，卡簧安装槽(23)设置于所述嵌件(22)的内周壁上；

所述杆体(1)包括连接两个球头(2)的外周面的主连接板(11)，以及分别连接两个球头(2)的端面的两块副连接板(12)，所述副连接板(12)均与所述主连接板(11)垂直设置，从而使得所述杆体(1)的横截面近似呈“工”字型，且所述副连接板(12)的延伸方向与所述安装孔(21)的中轴线垂直；

每个所述球头(2)的外周壁上均设有沿周向延伸的两个减重槽(24)，两个减重槽(24)沿所述球头(2)的轴向间隔设置，从而在所述减重槽(24)之间形成加强筋(25)，所述加强筋(25)的两端延伸而分别与所述主连接板(11)的两个表面连接。

2.根据权利要求1所述的具有嵌件的轻量化一体式铝合金推力杆，其特征在于：所述副连接板(12)的两端向靠近所述球头(2)的方向宽度逐渐增加，从而形成变截面的加强连接部(121)。

3.根据权利要求1所述的具有嵌件的轻量化一体式铝合金推力杆，其特征在于：所述副连接板(12)的厚度自中部向两侧逐渐减薄。

4.根据权利要求1所述的具有嵌件的轻量化一体式铝合金推力杆，其特征在于：所述副连接板(12)表面的沿轴向的外缘线(122)与所述杆体(1)的弹性中心线平行。

5.根据权利要求1至4任一项所述的具有嵌件的轻量化一体式铝合金推力杆，其特征在于：在所述主连接板(11)的两端开设有排水孔(13)。

6.根据权利要求5所述的具有嵌件的轻量化一体式铝合金推力杆，其特征在于：每端的所述排水孔(13)设有两个，且分别位于所述加强筋(25)的两侧。

7.根据权利要求1至4任一项所述的具有嵌件的轻量化一体式铝合金推力杆，其特征在于：所述嵌件(22)为整体式，包括上限位部(221)和下限位部(222)，以及连接上限位部(221)、下限位部(222)的连接部(223)。

8.根据权利要求7所述的具有嵌件的轻量化一体式铝合金推力杆，其特征在于：所述上限位部(221)的外周壁上具有凸起的第一上限位筋(224)，所述第一上限位筋(224)的上表面为圆弧面，所述第一上限位筋(224)的下表面为平面；所述下限位部(222)的外周壁上具有凸起的第一下限位筋(225)，所述第一下限位筋(225)的下表面为圆弧面，所述第一下限位筋(225)的上表面为平面。

9.根据权利要求1至4任一项所述的具有嵌件的轻量化一体式铝合金推力杆，其特征在于：所述嵌件(22)为分体式，包括环形的上嵌件(227)、环形的下嵌件(228)。

10.根据权利要求9所述的具有嵌件的轻量化一体式铝合金推力杆，其特征在于：所述上嵌件(227)的外周壁具有凸起的第二上限位筋(22a)，所述下嵌件(228)的外周壁具有凸起的第二下限位筋(22b)。

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