浅谈汽车摆臂球销结构设计.docx

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中国科技期刊数据库工业C

浅谈汽车摆臂球销结构设计

关同立

长城汽车股份有限公司，河北保定071000

摘要：

汽车的液压助力转向机作用是将转向管柱传来的力和运动传给车轮转向节，车轮转向节所受的力在球销轴线上就有压力又有拉力，而在转向轮偏转或者车辆行驶过程中的路面不平导致车架弹性变形，液压助力转向机的拉杆总成与车轮转向节的相对运动都是空间运动，为了避免产生运动干涉，在液压助力转向机的拉杆总成中的连接，摆臂总成和车轮转向节的连接都采用球销总成，而球销是固定在球销座内，并通过球销座进行连接。

关键词：

汽车；球销；结构设计

中图分类号：

U472 文献标识码：

A文章编号：

1671-5810（2015）60-0077-02

1引言

车辆转向、制动、颠簸、启动等状态变化时，底盘系统中某些部件之间发生相对转动、摆动，如转向拉杆和转向节，控制臂和转向节，控制臂和（副）车架，稳定连杆和稳定杆之间等，因此在此类具有较大相对转动、摆动变化的连接处一般由球关节连接。

2球销座的工艺要求

以6450SUV车型上的球销总成为例，该球销座在工作中不但承受扭转力矩所，而且还承受弯曲力矩和压力，对球销座的抗弯变形和压拉变形有很高的要求，所以一般球销座的扭矩刚度和弯曲刚度都很高。

为了保证6450SUV球销总成运动的准确性及工作的可靠性，本例中采用调质处理的45号钢为球销座材料，其机加工尺寸公差等级为IT8，位置度精度控制在80mm以内不超过0.01mm,机加工进行100%后探伤。

3球销座毛坯的选材及工艺

由于当转向及路面不平时产生的瞬时冲击力对球销座产生很大的压力、拉力及扭矩，易产生球销座的折断及球销座封口部位的开裂，因此在选择材料时必须选择具有较高的强度，冲击韧度，疲劳强度和耐磨性的材料。

一般球销座可以采用号45钢、40Cr等材料。

毛坯的生产为满足大批量生产规模，同时满足精度要求，机加时还要保证较少的加工余量，多采用模锻制造，直接由坯料成型为具有一定轮廓形状的球销座毛坯。

采用模锻制造球销座毛坯一致性高。

机加工余量少，达到的毛坯性能指标高，符合各种材料试验的要求。

4球销座毛坯热处理

热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能，消除残余应力。

调质处理即淬火后又高温回火的双重热处理。

6450SUV球销座经过调质处

理后获得硬度为Hb240～270，保证能够在比较大的动载荷作用下工作，并承受着拉伸、压缩、弯曲、扭转或剪切的作用。

5球销座机加工工艺的制定

球销座的加工首先要进行基准面的选择，这时应尽量选择精基准面为基准面，如球销座毛坯不存在精加工面时应在加工前进行基准面的加工，为后续工序的加工提供精基准，保证加工精度。

机加工阶段包含球销座孔的加工，安装面的加工，安装孔的加工。

其中球销座孔的加工一般进行两次加工，分别为粗加工和精加工，。

以便更好的保证孔与球销的配合。

加工阶段需达到的要求：

（1）球销座的粗加工阶段是从坯料上切除较多的余量，粗加工是以快速切除毛坯余量为目的，在粗加工时应选用大的进给量和尽可能大的切削深度，以便在较短的时间内切除尽可能多的切屑，旋转零件一般单边可直接进行1.5mm的切削加工量；

（2）精加工阶段是从工件上切除少量的余量所得精度和表面都比较高的加工过程，可使表面粗糙度达到Ra1.6的水平；

（3）安装面的加工：

因为要与摆臂总成进行配合，保

获得更好的安装位置尺寸。

（4）不重要表面可以在各加工阶段间进行加工，不重要表面一般加工精度较低，加工方便。

把不重要表面的加工穿插在各加工阶段之间进行就能使加工阶段更加明显，平衡各加工阶段的工艺安排，增加各阶段的加工时间，避免由于各阶段加工时间过短导致的应力重新分布。

综上所述，一般加工顺序是：

精基准加工——球销座孔加工——安装面加工——安装孔加工。

不重要表面的加工在各阶段之间进行合理分配。

6表面处理

汽车底盘不可能保持洁净。

一经行驶，都会有大量泥沙污物附着，而球销座上也经常被泥沙覆盖，泥沙中蓄含大量湿气，如直接让金属表层直接接触，会很快造成锈蚀，进而行成产品早期失效。

表面处理的目的是满足产品的耐蚀性、耐磨性，提高使用寿命。

球销座常用的表面处理有电泳、镀锌等，可依据实际情况进行选择。

7球销常见失效模式及分析

球关节在使用过程中最大的使用风险为断裂。

7.1球销断裂

图1所示为常见的球销断裂形式

图1球销断裂形式

常见于悬架控制臂球关节，转向拉杆球关节系统中。

主要原因为球销和其安装配合的金属套管之间的锥度和长度不当。

图2中样品1到样品2为球销锥度变化－28/时，产品受力大小及区域变化：

球销最大应力从661.53MPa减小到

538.17MPa，降低18.6%；样品2到样品3为锥面接触长度增大30%，相比样品2球销3的最大应力进一步降低了18.97%。

图2表明，锥度变小不仅使应力减小，且球销最大应力

证空间位置的准确性，因此球销座的安装面有时需进行加工，区域从球销台阶处转移至球销根部；锥面接触长度的增加进

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工程管理

一步减小了球销的最大应力，又消除了球销连接处应力过大而失效的风险。

图2不同设计状态的球关节受力及分布区域对比

7.2球壳体和连接杆焊接处断裂低温

横向稳定杆连接杆的球壳体和连接杆处采用电阻焊接；在焊接处，有一种断裂形式常发生在低温环境下，如图3所示

图3连接杆断裂

主要原因是球关节低温扭矩过大造成的。

图4所示为球关节的启动扭矩在低温下随时间变化的趋势。

样件1为引起连接杆断裂的产品，样件2更改后的产品图中可以明显看出，样件1的启动扭矩随着温度降低而明显降低；样件2则几乎不随温度变化而变化。

结构设计不合理，球座材料选用采用不合适，油脂选用不合格是造成此问题的几个常见原因。

图4球关节启动扭矩在低温下的变化趋势

8球销设计

本文对比的两种球头销图示部位A的结构如图5。

为了进行设计研究，借助有限元工具进行了结构分析，获取了设计依据。

图5有限元计算

8.1简化处理

对模型进行处理，去除防尘罩、卡簧、球头销与球销座之间的衬套，修改球销座数模后用钢代替衬套与球销进行接触，球销座与压盖合为一体，拉杆进行截断处理。

8.2网格划分

考虑结构对称性，球销划分为六面体以及五面体环状网格；拉杆以及焊道划分为六面体环状网格；球销座由于其结构的不对称性，主体采用四面体网格，与拉杆连接部位采用

五面体金字塔单元进行连接。

网格类型、数量及模型如图6所示。

图6

8.3材料属性

弹性模量E=2.1E5，泊松比u=0.3。

8.4边界条件

球销与整车连接部位螺母连接，采用相应接触及预载代替螺母预紧，支架的某侧边进行约束；拉杆属于二力杆，在断面处加载总大小2500N的分布力，如图2所示。

球销与球销座接触面建立接触。

8.5分析结果

8.5.1进行计算，A部位球销应力如图7：

图7

A1（最大vonMises 应力457.5MPa ）

A2（最大vonMises 应力664.5MPa ）

最大vonMises应力如图3所示，A1结构1、2位置单元表层最大应力基本相同，约为457.5MPa，A2结构3最大应力为664.5MPa。

8.5.2结构设计分析

A1结构由于设计要求的原因，除螺母安装台阶外，中间有凸缘，因此在应力分布有一定影响，多产生一次应力集中，

A1是变截面设计，位置1直径大于位置2的直径，但位置1具载荷施加处较位置2距离长，因此在车辆处于相同的力学环境下，A1结构1、2位置单元表层最大应力可以达到基本相同，能做到危险截面处的应力大小平均，且应力低于等截面设计的A2的最大应力，即低于A2位置3的应力。

9结语

球销是保证汽车操纵的稳定性，行驶的平顺性、舒适性、安全性及使汽车正确、准确行驶的关键零部件，在球销的设计时，应合理布置截面尺寸，合理使用材料，综合其它设计要求，进行“变截面”的设计，增强设计可靠性。

参考文献

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CN2921424Y，2006．

[2]李建江.装配过程中螺栓预紧力的控制[J].工程机械.2010（07）：

57～59.

[3]罗晴岚．汽车球头销模锻工艺方案［J］．汽车工艺与材料，2005（6）:

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782015年60期