鋁合金控制臂球頭銷旋鉚工藝有限元分析

田浩彬，李學(xué)磊，劉曉航，苑文婧，魯成偉

（1. 上海第二工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，上海201209；2. 上海匯眾汽車制造有限公司，上海200122）

鋁合金控制臂球頭銷旋鉚工藝有限元分析

田浩彬1，李學(xué)磊1，劉曉航1，苑文婧1，魯成偉2

（1. 上海第二工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，上海201209；2. 上海匯眾汽車制造有限公司，上海200122）

汽車控制臂球頭銷封裝是汽車底盤零件裝配中的重要一環(huán)，其裝配質(zhì)量直接影響到汽車轉(zhuǎn)向部件的壽命。采用有限元分析方法對(duì)鋁合金控制臂球頭銷的旋鉚封裝技術(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)旋鉚過程中鋁合金控制臂的變形及受力情況進(jìn)行了分析，并通過試驗(yàn)方法進(jìn)行了驗(yàn)證，為汽車控制臂球頭銷的整體封裝提供了有效的技術(shù)支持。

球頭銷封裝；旋鉚技術(shù)；鋁合金控制臂

0 引言

隨著汽車節(jié)重減排以及安全性要求的不斷提高，汽車底盤越來越多地采用鋁合金成形零件，并采用先進(jìn)的裝配技術(shù)或裝配工藝進(jìn)行裝配，如汽車控制臂球頭銷封裝。圖1為某典型的汽車控制臂球銷封裝部件，它是由球頭銷、球座、球碗、擋蓋及密封罩等零件組成，其中球座為控制臂的一部分，材料為鋁合金；球頭銷為合金結(jié)構(gòu)鋼；球碗和密封罩為高分子材料；擋蓋為低碳鋼。在裝配時(shí)，首先將球頭銷、球碗、擋蓋等零件依次放進(jìn)球座型腔內(nèi)，而后將球座的側(cè)檐向內(nèi)翻邊成形（如圖1中A所示），從而將擋蓋及球頭銷等零件密封?？刂票鄣那蝾^銷封裝技術(shù)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工程，涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、工藝設(shè)計(jì)、測試等多個(gè)方面。在球銷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，由于涉及因素比較多，目前可以采用專家系統(tǒng)來進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]，降低開發(fā)周期；球頭銷作為球銷的主要受力和傳力零件，常規(guī)使用鋼制球頭銷，也有復(fù)合材料的球頭銷[2]。在球頭銷的封裝方法和工藝方面，文獻(xiàn)[3-4]采用液壓鉚接機(jī)并研究了鉚接機(jī)的工作速度與鉚接質(zhì)量之間的關(guān)系；此外，有限元分析方法對(duì)輔助分析球銷的封裝工藝起了重要的作用[5-9]。但由于這些技術(shù)受到封閉，尤其是對(duì)于鋁合金控制臂的球銷封裝技術(shù)，很難找到系統(tǒng)的、完善的資料進(jìn)行參考，致使鋁合金汽車控制臂的封裝及使用壽命難以得到保障。在本文中，主要采用有限元分析方法對(duì)封裝過程中控制臂零件的受力及變形情況進(jìn)行分析，從而為零部件的設(shè)計(jì)及球銷旋鉚封裝工藝提供必要的技術(shù)支持。

圖1 球銷封裝結(jié)構(gòu)簡圖Fig. 1 The profile for ball joint sealing

1 鋁合金控制臂球頭銷旋鉚有限元分析

1.1 有限元分析模型的建立

在分析旋鉚的過程中，考慮到在球銷封裝的過程中，旋鉚質(zhì)量直接與球座的尺寸、旋鉚頭的形狀密切相關(guān)，而與球頭銷、球碗等配合件的關(guān)系不大，故在進(jìn)行有限元分析時(shí)進(jìn)行了簡化，選取了球座、端蓋和旋鉚頭作為分析對(duì)象?？紤]到其基本為軸對(duì)稱形狀，采用了兩維模型進(jìn)行分析。有限元模型采用軸對(duì)稱單元，球座單元數(shù)為4 279個(gè)，其有限元模型如圖2所示。

在有限分析模型中，旋鉚頭和端蓋相對(duì)于球座的鋁合金材料較硬，在分析中采用剛性材料，球座的材料模型服從Von Mises 屈服準(zhǔn)則，其硬化曲線通過壓縮試驗(yàn)方法獲得，如圖3所示。

圖3 鋁合金硬化曲線Fig. 3 The Aluminium harding curve

1.2 有限元模擬及結(jié)果分析

在前期的研究基礎(chǔ)上[10]，本文以圖4所示球座作為研究對(duì)象，旋鉚模具采用樣條曲線擬合弧面形狀，如圖 5所示。

圖2 球座旋鉚有限元分析模型Fig. 2 The finite element model for revolving-reveting process

圖4 球座尺寸圖Fig. 4 The elementary dimensions for housing

采用以上的有限元模型及邊界條件，對(duì)球座封裝進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得的結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，采用樣條曲線旋鉚模具進(jìn)行旋鉚封裝時(shí)，封裝部分材料比較飽滿，效果比采用半圓弧面旋鉚頭封裝得要好?？紤]到旋鉚封裝過程中球座的變形將直接影響裝配于其中的球銷、球碗等零件的受力情況，最終將影響球銷的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，本部分分別將球座的變形情況、球座與端蓋的配合面的變形和與球碗配合面的變形進(jìn)行了分析研究。

球座在旋鉚完成后的等效應(yīng)變分布及大小如圖6所示。從圖6可以看出，旋鉚時(shí)與端蓋鄰接的地方變形最大，從而對(duì)端蓋產(chǎn)生向下的力使得端蓋向下運(yùn)動(dòng)，從而帶來與球碗配合面的變形。

圖5 采用不同旋鉚頭進(jìn)行封裝效果Fig. 5 The ball joint seal results for different cupping tool shapes

圖6 球座等效應(yīng)變分布圖Fig. 6 The equivalent strain distribution for housing

為了分析球座與端蓋配合面的變形情況，將配合面上的5個(gè)節(jié)點(diǎn)作為分析對(duì)象，獲得的Y方向的移動(dòng)量如圖7所示。

圖7 球座與端蓋配合面的變形Fig. 7 The deformation for mating surface between housing and cover

從圖7中可以看出，在與端蓋配合面上，越靠近封裝的位置，金屬受到旋鉚引起的向下的力越大，變形越大，從而壓縮球座金屬變形，帶來球座內(nèi)孔側(cè)壁的變形。球座內(nèi)孔測壁的分析點(diǎn)及其沿X方向的變形情況如圖8所示。

圖8 球座與球碗配合面的變形Fig. 8 The deformation for mating surface between housing and bearing

從圖8中可以看出，在球碗的上半部分（1 ～ 5節(jié)點(diǎn)處）由于材料受到旋鉚的壓應(yīng)力作用，使得內(nèi)孔表面有擴(kuò)大的趨勢(shì)，而在球座的下半部分，材料變形量相對(duì)較小，并有使內(nèi)孔縮小的趨勢(shì)。合理調(diào)節(jié)球座封裝部分的尺寸可以有效地調(diào)節(jié)球座與其它配合面的變形，從而有利于設(shè)計(jì)、加工合格的裝配產(chǎn)品。

2 旋鉚試驗(yàn)

根據(jù)以上有限元分析結(jié)果可知，采用樣條曲線弧面的旋鉚頭進(jìn)行封裝可以獲得良好的封裝效果。本部分采用試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究驗(yàn)證。試驗(yàn)過程中采用的旋鉚設(shè)備如圖9所示，旋鉚完成后的試件如圖10所示。

圖9 旋鉚設(shè)備Fig. 9 The revolving equiptment

圖10 旋鉚后試件Fig. 10 The shape after revolving-reveting

通過圖10可以看出，經(jīng)過旋鉚后，旋鉚形狀與模擬結(jié)果相同，并且鉚邊的質(zhì)量非常光滑，質(zhì)量較好，未出現(xiàn)裂紋、輥痕等缺陷，能夠達(dá)到使用要求。

3 結(jié)論

采用有限元分析方法對(duì)鋁合金球頭銷旋鉚工藝進(jìn)行了有限元分析及相應(yīng)試驗(yàn)研究，獲得的結(jié)論如下。

1）采用有限元分析方法可以有效地模擬鋁合金球頭銷旋鉚工藝，模擬結(jié)果可靠；

2）通過控制旋鉚模具的型線，可以優(yōu)化旋鉚封裝結(jié)果，經(jīng)證實(shí)，采用樣條曲線型模具可以獲得更為優(yōu)良的封裝效果；

3）采用有限元分析方法可以獲得旋鉚工藝參數(shù)對(duì)球座變形的影響，為有效控制調(diào)節(jié)球座與其它配合面的變形、有效控制扭矩的大小提供技術(shù)支持。

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Simulation on the Ball Joint Sealing of Aluminum Control Arms

TIAN Hao-bin1, LI Xue-lei1, LIU Xiao-hang1, YUAN Wen-jing1, LU Cheng-wei2
( 1. School of Mechanical & Electronic Engineering, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China; 2. Shanghai Huizhong Automotive Manufacturing Corporation, Shanghai 200122, P. R. China )

Ball joint sealing of aluminum control arms is one of the key processes to the assembly of automobile chassis, which directly influents the life cycle of steering systems of automobiles. The revolving-reveting process for ball joint of control arms is studied by finite element method, and the deformation of housing is advanced and verified by experiments, which can provide technical support to the ball joint sealing of automobile control arms.

ball joint sealing; revolving-reveting technology; aluminum control arms

TG 319

A

1001-4543(2012)04-0296-06

2012-07-10;

2012-12-19

田浩彬（1975－），女，河北藁城人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)樗苄猿尚渭捌鋽?shù)值分析技術(shù)，電子郵箱hbtian@meef.sspu.cn。

上海第二工業(yè)大學(xué)科研基金項(xiàng)目（No. A20XK11X004）