乘用車底盤球鉸鏈開發(fā)

董鵬

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乘用車底盤球鉸鏈開發(fā)

董鵬

（上海匯眾汽車制造有限公司，上海 200000）

乘用車底盤球鉸鏈?zhǔn)堑妆P懸架系統(tǒng)里面重要的組成部分，其主要作用是，傳遞和承載力作用、轉(zhuǎn)向和導(dǎo)向、連接支撐橫向穩(wěn)定桿和擺臂等部件。其運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，受力也復(fù)雜。球鉸鏈?zhǔn)且粋€(gè)金屬與非金屬小總成，各散件之間需要精密匹配。由于結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境等原因，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮磨損特性和密封特性。文章從不同乘用車底盤形式中的球鉸鏈結(jié)構(gòu)種類、相應(yīng)散件材料選擇、受力分類和開發(fā)試驗(yàn)大綱幾個(gè)方面對(duì)球鉸鏈進(jìn)行論述，為其開發(fā)提供了框架性指導(dǎo)。

球鉸鏈；乘用車底盤；磨損特性；密封特性

引言

球鉸鏈?zhǔn)浅擞密嚨妆P懸架系統(tǒng)中重要的組成部分，起著連接關(guān)節(jié)的作用，所以也有人稱之為球關(guān)節(jié)。根據(jù)懸架種類的不同，球鉸鏈大致分為三種，將在下文中一一進(jìn)行論述。球鉸鏈在懸架運(yùn)動(dòng)時(shí)承載，并傳遞載荷給擺臂、橫向穩(wěn)定桿、轉(zhuǎn)向節(jié)等相關(guān)零部件，而轉(zhuǎn)向機(jī)的轉(zhuǎn)向拉桿球鉸鏈還起著關(guān)鍵的轉(zhuǎn)向作用。球鉸鏈自身的運(yùn)動(dòng)既有擺動(dòng)也有轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，其受力比較復(fù)雜。球鉸鏈本身就是一個(gè)小總成，所以，其內(nèi)部各散件之間的匹配尤為重要，否則就會(huì)出現(xiàn)早期磨損以及密封失效。在進(jìn)行開發(fā)時(shí)，也要充分考慮磨損和密封特性，并進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證。本文將基于大眾、寶馬、戴姆勒等車企的主流車型中相關(guān)底盤球鉸鏈的設(shè)計(jì)與開發(fā)進(jìn)行論述。

1 球鉸鏈的種類

球鉸鏈類型根據(jù)懸架類型而有所區(qū)分，但主要是擺臂球鉸鏈、穩(wěn)定桿連接球鉸鏈和（內(nèi)或外）轉(zhuǎn)向拉桿球鉸鏈三種類型。

在麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)（見圖1）中，主要是a處的擺臂球鉸鏈，b處的穩(wěn)定桿連接球鉸鏈和c處的（內(nèi)或外）轉(zhuǎn)向拉桿球鉸鏈。

三種球鉸鏈中，最為復(fù)雜、種類最多的是擺臂球鉸鏈，下文將重點(diǎn)介紹。擺臂球鉸鏈又可以分為兩種形式：獨(dú)立式（見圖3）和壓入式，其中，壓入式又具體分為鉚釘壓入式（見圖4）和整體壓入式（見圖5）。

圖1 麥弗遜式懸架

圖2 多連桿式懸架

a、d、e擺臂球鉸鏈 b穩(wěn)定桿連接球鉸鏈 c（內(nèi)或外）轉(zhuǎn)向拉桿球鉸鏈

圖3 獨(dú)立式

圖4 鉚釘壓入式

在多連桿式懸架結(jié)構(gòu)（見圖2）中，擺臂式球鉸鏈主要在d處和e處，且e處為獨(dú)立式球鉸鏈。上擺臂球鉸鏈運(yùn)動(dòng)受力和圖5所示的整體壓入式球鉸鏈相似，獨(dú)立式球鉸鏈可以演化成為一種圖6所示的結(jié)構(gòu)形式，圖7是其裝配圖。

圖6 下擺臂獨(dú)立直立式球鉸鏈

圖7 下擺臂獨(dú)立直立式球鉸鏈裝配圖

2 球鉸鏈組成及材料

如前所述，球鉸鏈在結(jié)構(gòu)上主要由以下散件組成：球銷、卡環(huán)、密封罩、殼體、球碗、支撐環(huán)（可無）和底蓋。球鉸鏈零件雖然不大，卻是由八到九種小散件組成的功能性小總成，因此，對(duì)于散件的加工精度要求非常高，特別是在球面部分。上述的三種球鉸鏈盡管種類不同，結(jié)構(gòu)上卻基本只分為兩種：?jiǎn)吻蛲耄ㄒ妶D8）和雙球碗（見圖9）。其中，雙球碗中的下球碗通過材料特性在上球碗磨損時(shí)提供彈性間隙補(bǔ)償。現(xiàn)在，隨著材料技術(shù)和工藝水平的不斷提高，越來越多的選擇單球碗設(shè)計(jì)。

圖8 單球碗

圖9 雙球碗（上下球碗）

球鉸鏈各散件常用的材料可見如表1所示，或者選擇與其材料性能相近的替代材料。

表1 球鉸鏈各散件常用材料

3 球鉸鏈?zhǔn)芰瓦\(yùn)動(dòng)分析

球鉸鏈的受力與其運(yùn)動(dòng)形式直接相關(guān)。其中，雖然麥弗遜式懸架的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其直接結(jié)果是球鉸鏈所承擔(dān)的功能較多，其運(yùn)動(dòng)形式和受力也相對(duì)復(fù)雜。而多連桿式懸架的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但相比之下，更多的零件分擔(dān)了不同的功能，所以，各自的運(yùn)動(dòng)形式和受力也相對(duì)簡(jiǎn)單。麥弗遜式懸架和多連桿式懸架的擺臂球鉸鏈?zhǔn)芰瓦\(yùn)動(dòng)情況如圖10和圖11所示，其它的演化形式，就是在此基礎(chǔ)上增加或者減少運(yùn)動(dòng)及受力的方向。穩(wěn)定桿連接球鉸鏈和轉(zhuǎn)向拉桿的受力示意圖可見圖12和圖13所示。

圖10 麥弗遜式懸架擺臂球鉸鏈?zhǔn)芰瓦\(yùn)動(dòng)

圖11 多連桿式懸架擺臂球鉸鏈?zhǔn)芰瓦\(yùn)動(dòng)

圖13 轉(zhuǎn)向內(nèi)拉桿球鉸鏈鉸鏈?zhǔn)芰瓦\(yùn)動(dòng)

4 阻滯力矩和彈性間隙

作為乘用車懸架系統(tǒng)里重要的運(yùn)動(dòng)部件，球鉸鏈必須能夠擺動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)不是在自由狀態(tài)下進(jìn)行的，因此，球鉸鏈應(yīng)當(dāng)具備一定的阻滯力矩，以防止零件的過快磨損，其主要表現(xiàn)為啟動(dòng)力矩和工作力矩。啟動(dòng)力矩表征了靜磨損特性，工作力矩表征了動(dòng)磨損特性。阻滯力矩和球鉸鏈的剛度是緊密相關(guān)的，它們之間的關(guān)系決定了球鉸鏈的關(guān)鍵特性之一的磨損特性，阻滯力矩曲線見圖14所示。

球鉸鏈不僅有擺動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，在力的作用下，還有自身內(nèi)部球銷相對(duì)于原始位置的位移，這種位移在力作用較小時(shí)，會(huì)受到球鉸鏈自身一定剛度的抵抗，在克服剛度之后球鉸鏈就會(huì)相對(duì)于原始位置發(fā)生位移，在測(cè)量時(shí)就會(huì)反映成球鉸鏈的力位移曲線，如圖15所示。

圖14 阻滯力矩曲線

圖15 力-位移曲線

5 磨損特性

球鉸鏈在汽車行駛過程中，一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在不停的擺動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)中，同時(shí)承受著軸向或徑向力，其結(jié)果必然帶來球鉸鏈的磨損?？紤]到汽車的使用壽命要求，球鉸鏈的磨損特性就顯得尤為重要。前文已經(jīng)提到，阻滯力矩，球鉸鏈剛度以及力位移曲線是緊密相關(guān)的，它們之間的關(guān)系決定了球鉸鏈的磨損特性。而阻滯力矩和剛度主要取決于殼體、球碗和球銷間的匹配、潤(rùn)滑脂的潤(rùn)滑特性，以及球碗的材料特性。這幾者之間的關(guān)系是各球鉸鏈供應(yīng)商長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)積累的結(jié)果，屬于核心技術(shù)機(jī)密。球鉸鏈?zhǔn)澜珥敿?jí)供應(yīng)商采埃孚對(duì)于殼體尺寸、球銷球徑和球碗設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)化，并形成了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫。在潤(rùn)滑脂的選擇上，可以從市場(chǎng)采購（如克虜伯公司），為了提高潤(rùn)滑性能，也有一些企業(yè)與潤(rùn)滑脂供應(yīng)商聯(lián)合開發(fā)了一些潤(rùn)滑性能更優(yōu)，具有專利的潤(rùn)滑脂。

磨損特性由于涉及到多個(gè)零件，并且都是彈性匹配，用模擬計(jì)算來完成比較困難，一般直接用臺(tái)架試驗(yàn)予以驗(yàn)證。試驗(yàn)主要通過采集路試中的路譜，迭代后在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行多通道（通道數(shù)據(jù)球鉸鏈的種類和受力情況而定）的磨損臺(tái)架試驗(yàn)，并施以一定的溫度條件。在試驗(yàn)之前進(jìn)行零件彈性間隙，啟動(dòng)和工作力矩以及剛度的測(cè)量，在完成固定的循環(huán)次數(shù)以后，上述參數(shù)的擴(kuò)大不允許超過一定范圍（范圍值各個(gè)整車廠的定義各不相同）。圖16和圖17是某款擺臂式球鉸鏈的溫度條件及路譜信號(hào)。磨損試驗(yàn)臺(tái)一般采用專用試驗(yàn)臺(tái)，價(jià)格昂貴且利用率低。目前國內(nèi)已經(jīng)有企業(yè)成功采用通用試驗(yàn)臺(tái)輔以溫度箱搭建磨損試驗(yàn)臺(tái)，可以大大降低試驗(yàn)設(shè)備成本，如圖18所示。

圖16 時(shí)間-溫度曲線

圖17 路譜信號(hào)

圖18 基于通用試驗(yàn)平臺(tái)搭建的磨損試驗(yàn)臺(tái)

6 密封特性

密封特性也是球鉸鏈的關(guān)鍵特性之一。如上文所述，球鉸鏈本身是一個(gè)功能性的小總成，一直處于運(yùn)動(dòng)之中，且底盤零件工作環(huán)境惡劣，會(huì)處于污水，粉塵等外界雜質(zhì)之中。密封一旦失效，球鉸鏈內(nèi)部會(huì)受到外界雜質(zhì)的滲入，導(dǎo)致較早失效，出現(xiàn)異響、破損乃至脫落和斷裂。大眾等德系整車企業(yè)在球鉸鏈供應(yīng)商的選擇上，幾乎無一例外地選擇其歐洲原配供應(yīng)商，主要原因在于，國內(nèi)供應(yīng)商一般難以滿足球鉸鏈質(zhì)量及精度要求。球鉸鏈的質(zhì)量抱怨也經(jīng)常位于底盤零部件售后抱怨清單的前列，這其中，密封問題首當(dāng)其沖。

球鉸鏈的密封特性取決于密封罩和底蓋的設(shè)計(jì)，其中密封罩的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。密封罩的設(shè)計(jì)主要是指密封唇的設(shè)計(jì)以及密封罩的材料和工藝，即橡膠配方和混煉。圖19是一款典型的密封罩的設(shè)計(jì)方案，采用多唇式密封設(shè)計(jì)，密封唇的設(shè)計(jì)目前在國內(nèi)已經(jīng)比較成熟。密封罩的材料和工藝成為關(guān)鍵因素，表格2是某款密封罩氯丁橡膠材料的部分性能要求。國內(nèi)橡膠密封和減震件企業(yè)起步較晚，技術(shù)水平仍有待發(fā)展。采埃孚等外資企業(yè)的密封罩使用進(jìn)口產(chǎn)品或者歐洲原配在中國的子公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，可見其對(duì)密封罩質(zhì)量的重視。

圖19 密封罩

表2 氯丁橡膠材料部分性能要求

密封特性通過密封相關(guān)試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證，目的是驗(yàn)證在載荷和環(huán)境條件下球鉸鏈的密封特性。試驗(yàn)項(xiàng)目有：密封罩功能試驗(yàn)、環(huán)境模擬試驗(yàn)、高壓噴射試驗(yàn)、底蓋壓出試驗(yàn)和底蓋密封試驗(yàn)等。其中環(huán)境模擬試驗(yàn)是最難通過的試驗(yàn)，也是一項(xiàng)綜合性考察試驗(yàn)，在一定溫度范圍內(nèi)（以使橡膠在溫度條件下老化），在鹽水的噴射條件下，進(jìn)行若干循環(huán)模塊的試驗(yàn)，試驗(yàn)條件非?？量獭D20是某球鉸鏈在環(huán)境模擬試驗(yàn)前后的對(duì)比。

7 開發(fā)試驗(yàn)大綱總結(jié)

表3 球鉸鏈開發(fā)試驗(yàn)大綱

根據(jù)以上論述，球鉸鏈試驗(yàn)驗(yàn)證大綱可以總結(jié)為表3。各個(gè)整車廠都有自己的研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)和各自不同的載荷輸入，但是試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目大體類似。以上都是臺(tái)架驗(yàn)證，各整車廠還會(huì)增加整車耐久和環(huán)境路試予以考察，在實(shí)踐當(dāng)中，出現(xiàn)通過臺(tái)架驗(yàn)證，但是在整車路試中出現(xiàn)各種問題的情況也并不鮮見。特別是對(duì)于密封特性，在外界極端條件下，也會(huì)出現(xiàn)橡膠老化等各種原因帶來的密封失效。

8 結(jié)語和展望

輕量化是汽車技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，整車輕量化是通過各個(gè)子系統(tǒng)的輕量化來實(shí)現(xiàn)的，球鉸鏈自身也有著輕量化的需求，車用材料和工藝的不斷發(fā)展，為輕量化提供了更多的手段。由鋼板和套筒焊接而成球鉸鏈殼體，見圖21所示，球鉸鏈整體減重8%。

集成化也是發(fā)展方向之一，圖22所示的球鉸鏈?zhǔn)羌傻睫D(zhuǎn)向節(jié)里面，減少了殼體和部分安裝螺栓。集成化可以減少整車廠的裝配過程，減少裝配所帶來的風(fēng)險(xiǎn)；集成化減少裝配所需要的螺栓等零件，必然會(huì)帶來輕量化的效果，降低整車成本。

圖21 鈑金沖壓焊接球鉸鏈

圖22 轉(zhuǎn)向節(jié)集成球鉸鏈

此外，由于球鉸鏈屬于一個(gè)彈性小總成，CAE分析在開發(fā)過程中使用困難較大，目前大多僅用于靜態(tài)力和密封罩運(yùn)動(dòng)變形分析，在磨損和密封特性這兩個(gè)關(guān)鍵特性分析中尚無法使用，隨著CAE分析手段的豐富和發(fā)展，未來或許能在上述磨損和密封特性中使用，以大幅降低開發(fā)和試驗(yàn)成本。

[1] 大眾集團(tuán)球鉸鏈開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)-TL82526.

Development of passenger car chassis ball joint

Dong Peng

( Shanghai Huizhong Automobile Manufacturing Co., Ltd., Shanghai 200000 )

Ball joint is an important part of chassis suspension of passenger car, its main function is: bear and transfer load; steer and guide; support and link parts like stabilisator and control arm. Its movement and stress are complex; ball joint is a metal and non-metal assembly, so it needs precise matches of sub-parts. Because of the structure and environment the sealing and wear characteristics should be considered in design. This paper discusses the structure variety of ball joints in different passenger car chassis forms, material of sub-parts, load and test outline, provides a frame guide for this part development.

ball joint; passenger car chassis;wear; sealing

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1671-7988(2018)20-141-04

U463.1

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董鵬，就職于上海匯眾汽車制造有限公司。

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