一种空心商用车前轴及其制造方法

本技术属于汽车零部件，特别是涉及一种空心商用车前轴及其制造方法。

背景技术：

1、商用车前轴是底盘的重要零件之一，在车辆行驶过程中，前轴需要承受由于路面不平、车辆紧急制动、连续转弯产生的载荷，所以要求前轴具有高强度、刚度及疲劳寿命。前轴一般由横梁、两侧弯脖及拳头组成。

2、车辆前轴依据制造工艺可分为整体锻造前轴、钢管组合式焊接前轴及钢板冲压焊接前轴。整体锻造前轴是目前市场上主流的商用车前轴制造方法。

3、附图1为整体锻造前轴，其横梁中段及两侧弯脖部分均为实心工字梁结构，与两端实心拳头一体成形。横梁中段为上下近似等宽的工字形结构，横梁两侧呈上宽下窄的工字形，较宽的上翼面直接做为钢板弹簧座、其与横梁中段形成落差h0。整体锻造前轴制造工艺较成熟，钢板弹簧座与前轴一体成形减少焊接影响，材料利用率达80％～85％，已大量应用于轴荷3.5t～7t的前轴。锻造前轴重量较大，横梁两侧截面下翼宽度较窄，抗弯强度不高，工字形横梁抗扭强度不高，使车辆紧急制动情况下横梁两侧容易出现失效；锻造成形过程需要大型锻造设备，模具开发成本较高且不易于换型，成形过程易出现飞边降低前轴使用寿命。

4、图2为钢管组合式焊接前轴，其横梁为圆管，两侧弯脖及拳头整体锻造成形，横梁与整体成形弯脖焊接后在横梁中段两侧焊接钢板弹簧座。钢管组合式焊接前轴与锻造前轴相比，制造工程不需要大型锻造设备，降低了模具开发成本及换型难度，但横梁圆管抗弯性能较低，横梁两端及钢板弹簧座处焊接质量要求较高。目前，钢管组合式焊接前轴主要应用于轴荷小于3.5t的小型前轴，很少用于较大轴荷前轴。

5、图3为钢板冲压焊接前轴，其由上板、下板、前后侧板冲压后焊接形成，并在左右两端焊接拳头。这种结构工艺相对简单，不需要大型锻压设备，模具开发成本较低，但制造工序复杂，焊接部位较多，部分焊缝较长，对焊接质量要求较高，且疲劳寿命较低，抗冲击性能较差，主要应用于行驶速度不高的轴荷大于7t的工程车辆以及特种车辆。

6、中国专利【cn102092236a】公开了一种整体式前桥结构，该前桥横梁、弯脖为等高等宽的空心矩形截面，桥体端部为实体拳部。专利公开了桥体的成形方法：管坯滚压推方-端部加热-端部墩实-实心桥端上钻工艺孔-桥体锻弯成形-热处理-机加工。该专利公开的一种整体式前桥结构，重量较轻、材料利用率高；但桥体端部内壁存在折叠、外端存在细长裂缝，严重降低了疲劳寿命；桥体横梁为等宽等高矩形，无法实现变截面，很难与现有悬架总成匹配，适用范围较小。

7、中国专利【cn113714743a】公开了一种汽车前轴及其制造方法，该前轴横梁及左右弯脖为变高度变宽度的空心矩形截面。该专利公开了空心前轴的制造过程：圆管坯下料-两次缩径-管坯加热-弯曲-压制成形-机加工-焊接附件-调质处理。专利公开的空心汽车前轴变截面变壁厚，扩大了该前轴产品的使用范围、降低了产品重量，材料利用率较高，可与现有悬架总成直接装配。但该专利公开的前轴结构上存在以下不足：拳部与本体采用分体焊接方式，对焊缝质量要求较高，使用中存在焊缝开裂失效隐患，而且拳部及与其连接的弯脖部分宽度方向尺寸均较小，抗扭转能力较差；横梁中段左右两侧部分宽度较小，抗弯扭能力较差；焊接在横梁上的钢板弹簧座结构虽然简单，但焊接部位的受力集中，降低了使用寿命。

8、中国专利【cn115194419a】公开了一种大落差空心前轴成形方法，该前轴该前轴横梁及左右弯脖为变高度变宽度的空心矩形截面，拳部外端存在尺寸相对较大的封堵孔，封堵孔减小主销孔壁厚，降低拳部的抗弯扭性能，同时需要焊装封堵，要求较高的焊缝质量。该专利公开了空心前轴的制造过程：圆管坯下料-增厚-弯曲-压制成形-机加工-焊接附件-调质处理，利用模具进行整体压制成形得到横梁、弯脖、拳部为不同尺寸的矩形截面，拳部为带有较大矩形孔的等高等宽变壁厚的矩形筒的管件，对压制管件拳部机加端圆弧部曲面及封堵孔，并焊接封堵。但该专利公开的前轴结构上存在以下不足：拳部外端存在尺寸相对较大的封堵孔，降低拳部的抗弯扭性能，同时需要焊装封堵，要求较高的焊缝质量，成形工序多。在成形方法上存在以下不足：该专利公开的前轴制造方法采用端部增厚，仅改变圆管壁厚，不能改变圆管端部外径，影响后续产品成形质量，压制后管件拳部为带有较大矩形孔的变壁厚等高等宽的厚壁矩形筒，对压制管件拳部机加端部曲面及封堵孔，机加量大，成形工序较多。

技术实现思路

1、1.要解决的技术问题

2、本发明提供无缝钢管整体成形的变截面变壁厚空心商用车前轴，可以替代现有的锻造前轴、组合焊接前轴、冲焊前轴满足现有悬架系统的装车条件，彻底解决拳部分体焊接带来的隐患，消除前轴拳部整体成形时存在的折叠、裂缝等致命缺陷，在减轻产品重量的前提下大幅提高弯抗抗扭性能。

3、2.技术方案

4、为了达到上述目的，本技术提供了一种空心商用车前轴及其制造方法，所述空心商用车前轴由轴体和钢板弹簧座组成，轴体包括横梁(3)、横梁两侧的弯脖(2)以及与弯脖相连的拳部(1)，总体为变截面变壁厚的空心矩形截面结构，采用无缝钢管整体成形。

5、横梁(3)分为横梁中段(3a)及横梁左段(3b)、横梁右段(3c)，横梁中段(3a)矩形截面的高度h1、面宽b1、壁厚t1依据抗弯强度确定，并做为其它部分矩形截面几何参数的设计基准。横梁左段(3b)、横梁右段(3c)的矩形截面与横梁中段(3a)相同、高度略增加宽度略减小，保证具有较高的抗弯抗扭强度；横梁左段(3b)、横梁右段(3c)的高度h2＝h1+(5～15mm)、宽度b2＝b1-(5～15mm)，而且截面向上抬起，底面较横梁中段(3a)抬高h1＝(5～15mm)，满足安装钢板弹簧后的最小离地间隙。

6、弯脖(2)内侧与横梁(3)相连，向上弯曲形成弯曲圆角(2a)，过度圆角半径为r1，弯脖(2)的轴线与水平线夹角为θ1。所述弯脖(2)处壁厚与横梁中段(3a)相同，宽度增加高度减小以增强抗扭强度，其宽度b3＝b1+(5～20mm)、高度h3＝h1-(5～20mm)。

7、弯脖(2)的外侧连着拳部(1)，拳部(1)由内侧向端部总体呈高度不变、宽度逐渐收窄的厚壁矩形筒(1b)，拳部(1)上设置用于安装主销的主销孔(1a)，其孔径为φd1；所述厚壁矩形筒(1b)的内腔由上下、前后四个内凹曲面组成，相邻曲面之间存在顶角，顶角处不允许出现折叠缺陷；过主销孔(1a)轴线的横截面，高度h4＝(0.80～0.90)h1，宽度为b4＝(0.90～1.0)b1、壁厚为t4＝(1.40～1.60)t1，保证足够的抗弯抗扭强度。

8、所述拳部(1)的外端由三段曲面组成的，宽度方向的中间段圆柱曲面(1c)曲率半径为r2，圆柱曲面圆心角为θ4，前后两侧曲面的曲率半径为r3；所述圆柱曲面(1c)的高度中间部位设置条形孔(1d)，其高度h5＝(0.25～0.40)d1，宽度为b5＝(0.10～0.25)d1，保证拳部具有高的抗弯抗剪性能；所述条形孔(1d)用焊堵(4)焊实。

9、所述拳部(1)的前侧面上位于主销孔轴(1a)向内侧偏下的位置，设置内凹的矩形限位槽(1e)，用以限制安装在前轴上转向节的转角；在所述主销孔(1a)轴线内侧偏上位置设置锁销孔(1f)，其孔径为φd2，锁销孔(1f)轴线与主销孔(1a)轴线的距离为c1。

10、所述的空心商用车前轴采用的钢板弹簧座由上盖(5)、下托(6)组成，所述上盖(5)呈板凳状，由上板(5a)和前后两侧的上盖竖壁(5b)组成，上板(5a)为钢板弹簧的安装基础，上板(5a)上平面与拳部主销孔(1a)的高度h2为前轴的一级落差，上板(5a)的轴向宽度为c2、前后方向长度为c3，中心设置直径φd3的圆柱孔(5c)；上盖竖壁(5b)卡装在横梁左段(3b)、横梁右段(3c)的上部，并焊接在一起。下托(6)整体呈带三角形镂空的u形结构，由基板(6a)、基板上方的前后基板竖壁(6b)、基板下方的三条肋板(6c)组成，基板(6a)与基板竖壁(6b)之间设置筋条(6d)；基板竖壁(6b)卡装在横梁左段(3b)、横梁右段(3c)的中部，并焊接在一起。基板下方的三条肋板(6c)包住横梁左段(3b)、横梁右段(3c)的下部。基板(6a)上对称设置四个骑马螺栓孔(6e)，孔径为φd4，骑马螺栓孔(6e)的左右孔距为c4、前后孔距为c5，保证前轴与悬架的安装条件，即c5＝b2+(45～55mm)。采用所述的钢板弹簧座，悬架的骑马螺栓将横梁(3)、上盖(5)、下托(6)有效装配在一起，横梁的受力状态好、使用寿命长，而且便于轻量化。

11、本技术还提供一种所述空心商用车前轴的制造方法，选用初始外径d0、壁厚t0的无缝钢管，通过两端缩径-镦粗、弯曲制坯后进行整体压制成形得到空心矩形前轴管件(8)，最后再进行机加工、焊接等步骤，其特征在于：

12、(1)无缝钢管端部热态缩径-镦粗。将管坯端部进行热态缩径-镦粗，得到缩径-镦粗管坯(7)，端部直径d1减至初始管坯外径d0的(0.85～0.95)倍，壁厚t01增至初始壁厚壁厚t0的(2.2～2.5)倍，而且管坯缩径-镦粗部分与里侧未变形区域壁厚渐变，内腔过渡圆角半径r4不小于20mm。

13、(2)缩径-镦粗管坯(7)弯曲后整体压制成形得到空心矩形前轴管件(8)。缩径-镦粗管坯(7)的中部成形为薄壁矩形截面的横梁(3)及两侧的弯脖(2)，壁厚基本不变，横梁中段(3a)的高度变为h1、面宽为b1，横梁左段(3b)、横梁右段(3c)的高度变为h2、面宽为b2，弯脖(2)的高度变为h3、面宽为b3。

14、缩径-镦粗管坯(7)的端部成为前轴管件拳部(8a)以及外侧方形端头(8b)。前轴管件拳部(8a)由内侧向端部总体呈高度不变、宽度逐渐收窄的厚壁筒，前轴管件拳部(8a)中部拟加工主销孔的剖面上，高度h4＝(0.80～0.90)h1、宽度b4＝(0.90～1.0)b1、壁厚t5＝(2.40～2.70)t1，内腔由内凹的上侧曲面(8c)、下侧曲面(8d)、前侧曲面(8e)、后侧曲面(8f)组成，相邻曲面之间存在顶角(8g)，所述顶角(8g)处圆角半径为r5不小于5mm，不允许出现折叠、裂缝缺陷。方形端头(8b)高度h6＝(0.45～0.60)h1、宽度b6＝(0.55～0.70)b1；方形端头(8b)的外侧为实体结构，与前轴管件拳部(8a)相交的截面上存在条形孔(1d)，其高度h5＝(0.25～0.40)d1，宽度为b5＝(0.10～0.25)d1，保证成形时不出现折叠、裂缝缺陷。

15、前轴管件拳部(8a)外端面(8h)前侧面上位于主销孔(1a)轴向内侧偏下的位置，设置内凹的矩形限位槽(1e)用以限制安装在前轴上转向节的转角。

16、(3)机加轴管件拳部(8a)外端面。将前轴管件拳部(8a)外端面(8h)加工成三段曲面，宽度方向的中间段为圆柱曲面(1c)、曲率半径为r2，前后两侧曲面的曲率半径为r3。

17、(4)端部条形孔(1d)用焊堵(4)焊实。

18、(5)机加主销孔(1a)、锁销孔(1e)。

19、(6)焊接钢板弹簧座。

20、3.有益效果

21、与现有技术相比，本技术提供的一种空心商用车前轴及其制造方法的有益效果在于：

22、本技术提供的空心商用车前轴，轴体为变截面变壁厚的空心矩形结构，可以替代现有的锻造前轴、组合焊接前轴、冲焊前轴，产品重量轻，抗弯抗扭强度高，而且容易与现有悬架系统匹配装车；选用无缝钢管，通过两端缩径-镦粗、弯曲制坯后进行整体压制成形空心前轴轴体，彻底消除以往拳部分体焊接带来的隐患，而且成形质量好，彻底消除拳部内腔折叠、外端裂缝等缺陷。