淺談球頭關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

林強(qiáng)

摘要：球頭關(guān)節(jié)軸承是各類車輛不可或缺的零部件，在車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的功能，其可靠性是影響車輛行駛安全性的重要因素。為提高車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性、安全性，促進(jìn)安全行車，本文對(duì)球頭關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并探討了球頭關(guān)節(jié)軸承的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：球頭關(guān)節(jié)；軸承；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著各類車輛的增多，交通事故的數(shù)量也明顯上升，安全行車得到了越來(lái)越多的關(guān)注。球頭關(guān)節(jié)軸承作為影響車輛運(yùn)行安全的重要部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也引起了更多的重視。根據(jù)球頭關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)從材料選擇、球銷設(shè)計(jì)、球座設(shè)計(jì)等角度出發(fā)，綜合考慮，并科學(xué)計(jì)算擺角、預(yù)緊力等設(shè)計(jì)參數(shù)。

1.球頭關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)解析

1.1.球頭關(guān)節(jié)軸承的具體結(jié)構(gòu)分析

車輛中使用的球頭關(guān)節(jié)軸承有很多種，以SQ14F-RSZ/K球頭關(guān)節(jié)軸承（屬?gòu)潡U型）為例，該球銷、球座與襯墊相當(dāng)于自潤(rùn)滑向心關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)圈、外圈及襯墊。球頭與襯墊形成滑動(dòng)摩擦副，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)與擺動(dòng)，傳遞載荷，如下圖1所示。

圖1 SQ14F-RSZ/K球頭關(guān)節(jié)軸承

其中，1-球座，2-防塵罩，3-密封罩，4-球銷，5-螺母，6-外襯墊，7-內(nèi)襯墊，8-端蓋。

1.2.球頭關(guān)節(jié)軸承的常見(jiàn)失效形式

球頭關(guān)節(jié)軸承應(yīng)具有很好的工作性能，比如具有良好的強(qiáng)度、良好的剛度、較強(qiáng)的耐磨性以及較強(qiáng)的可靠性等。如果球頭關(guān)節(jié)軸承在正常使用中發(fā)生失效情況，往往會(huì)引起難以預(yù)料的安全事故，從大量的失效案例總結(jié)得出，球頭關(guān)節(jié)軸承失效形式較為常見(jiàn)的有：①球銷頸部位置產(chǎn)生部分裂紋或者斷裂現(xiàn)象，一旦汽車遇到不好的路況時(shí)，汽車懸掛的震動(dòng)幅度增大，這時(shí)如果球銷的擺動(dòng)幅度大于其最大極限擺角，那么就會(huì)與球座產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，球銷在反復(fù)作用力和摩擦作用下，頸部會(huì)出現(xiàn)裂紋或劃痕，最終發(fā)生斷裂，導(dǎo)致汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效，轉(zhuǎn)向功能行使不了。②襯墊出現(xiàn)磨損狀況時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致球頭的松懈，喪失摩擦力矩，致使汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不靈敏，甚至失效。車輛在行駛過(guò)程中，常會(huì)有轉(zhuǎn)彎或顛簸，這就會(huì)使球頭與球座間的襯墊發(fā)生運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)摩擦磨損以及變形的現(xiàn)象，球頭與襯墊間產(chǎn)生一些間隙，導(dǎo)致汽車轉(zhuǎn)向動(dòng)作的延遲。

2.球頭關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.材料選擇

球頭關(guān)節(jié)軸承材料的選擇需要注意兩個(gè)因素，一是產(chǎn)品性能需求因素，二是加工工藝因素，20Cr、40Cr等都可以當(dāng)成球銷的原始材料，SQ14F-RSZ/K球頭關(guān)節(jié)軸承的球頭銷與球座均使用40Cr，經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后硬度分別為32～36HRC和26～28HRC。端蓋材料可采用低碳鋼15Mn，硬度約為179～186HNW。防塵罩與密封罩可使用黑色丁腈橡膠。潤(rùn)滑油能提高摩擦副的摩擦學(xué)性能，可采用殼牌2858潤(rùn)滑脂或7034號(hào)汽車球結(jié)潤(rùn)滑脂。

2.2.球銷設(shè)計(jì)

確定球銷桿部的最小直徑與球頭半徑是球銷設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。球頭半徑可依據(jù)球銷桿部最小直徑先行設(shè)定，然后核對(duì)軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)及擺動(dòng)摩擦力矩是否在該值范圍內(nèi)，若不滿足則調(diào)整球頭半徑值直到滿足要求。同時(shí)，為提高球頭與襯墊的摩擦學(xué)性能，可對(duì)球形偏差與粗糙程度進(jìn)行一定的規(guī)定。

2.3.襯墊設(shè)計(jì)

襯墊與球頭整體嵌入球座內(nèi)，可形成滑動(dòng)摩擦副，其結(jié)構(gòu)如下圖2所示（由左到右依次為內(nèi)襯墊與外襯墊）：

圖2 襯墊設(shè)計(jì)

組合后，襯墊內(nèi)表面主要由內(nèi)襯墊圓弧面R1與外襯墊圓弧面R2組成，裝配壓緊后，R1與球頭接觸，R2與球頭線接觸。

對(duì)球座內(nèi)徑與外襯墊外表面進(jìn)行過(guò)盈配合可以防止襯墊部分和球座部分產(chǎn)生滑動(dòng)現(xiàn)象，影響車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的正常運(yùn)行。通過(guò)在內(nèi)襯墊摩擦面進(jìn)行潤(rùn)滑脂分配槽的合理計(jì)算設(shè)計(jì)（即圖中A、B），能有效改善摩擦副的摩擦學(xué)性能。

2.4.球座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

我們根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出球座位置連接螺栓孔的大小，然后根據(jù)襯墊結(jié)構(gòu)的大小與球銷結(jié)構(gòu)的擺角來(lái)計(jì)算出球座孔的大小。將球座開(kāi)口設(shè)計(jì)為橢圓形能使球銷在球座內(nèi)實(shí)現(xiàn)大幅度擺動(dòng)。

2.5.密封設(shè)計(jì)

良好的防塵性能是設(shè)計(jì)球頭關(guān)節(jié)軸承的重要方面?？梢圆捎迷谇蝾^銷上裝防塵罩與密封罩結(jié)合的方式。密封罩可采用丁腈橡膠，在球銷擺角范圍內(nèi)防止球頭銷擺動(dòng)變形，同時(shí)避免空氣中的灰塵、雜質(zhì)落入軸承的內(nèi)部。

3.球頭關(guān)節(jié)軸承的計(jì)算

3.1.球銷擺角的計(jì)算

球銷的最大擺角是軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)球銷部位偏離于垂直球座位置的最大角度，如下所示。

圖3 球銷最大擺角

3.2.裝配預(yù)緊力的計(jì)算

球銷與襯墊裝入球座，還未壓裝端蓋時(shí)，襯墊端面突出球座壓緊臺(tái)階面的高度g。壓裝后，球頭部分和襯墊部分相互作用的力即為預(yù)緊力，通過(guò)相關(guān)關(guān)系可求得預(yù)緊力Q的值。

由于襯墊結(jié)構(gòu)部分比較復(fù)雜，在進(jìn)行壓縮工序時(shí)球頭部分和襯墊部分的接觸點(diǎn)不固定，導(dǎo)致襯墊存在多向性變形可能，也可能發(fā)生塑性變形，以上因素都加大了端面壓縮量的計(jì)算難度。

3.3.校核球銷的疲勞強(qiáng)度

為了研究分析球銷對(duì)疲勞損壞產(chǎn)生的抵抗能力，有必要進(jìn)行球銷疲勞強(qiáng)度校核。我們通過(guò)對(duì)危險(xiǎn)截面的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確校驗(yàn)。危險(xiǎn)截面小，受力大，應(yīng)力集中則較為嚴(yán)重。球銷的頸部作為高疲勞損壞部分，因此，進(jìn)行疲勞校核工序十分有意義。

3.4.計(jì)算潤(rùn)滑壽命

球頭關(guān)節(jié)軸承潤(rùn)滑壽命需要進(jìn)行三方面的計(jì)算，有初始潤(rùn)滑壽命的計(jì)算，多次潤(rùn)滑壽命的計(jì)算和分段載荷時(shí)的潤(rùn)滑壽命的計(jì)算。由于球頭關(guān)節(jié)軸承磨損現(xiàn)象較為復(fù)雜，需考慮的外部因素較多，國(guó)內(nèi)外的軸承制造商都有各自的計(jì)算公式，因此，計(jì)算結(jié)果也存在差異。

結(jié)語(yǔ)：

總而言之，球頭關(guān)節(jié)軸承的設(shè)計(jì)需要考慮軸承最大擺角、轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩等技術(shù)指標(biāo)，還應(yīng)考慮軸承所處的使用環(huán)境進(jìn)行綜合計(jì)算。只有滿足最大擺角需求，安全儲(chǔ)備高，壽命超過(guò)百萬(wàn)次的球頭關(guān)節(jié)軸承才可放心使用。

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