車用球銷的強(qiáng)度分析與設(shè)計(jì)

宗劉冬 熊雪嬌

摘 要：球鉸鏈?zhǔn)沁B接汽車懸架與車輪的關(guān)鍵零件，直接影響車輛行駛的操控及安全性能。球銷作為球鉸鏈的主承載部件，其強(qiáng)度直接影響連接的可靠性。本文利用力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)球銷強(qiáng)度設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并建立了簡易可行的設(shè)計(jì)模型。

關(guān)鍵詞：麥弗遜式；球銷；強(qiáng)度分析；設(shè)計(jì)模型

引言

盡管新能源車輛方興未艾，并逐步擠占傳統(tǒng)燃油車輛市場(chǎng)，但基于技術(shù)限制，短期內(nèi)并不會(huì)對(duì)傳統(tǒng)車輛底盤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顛覆性的影響，傳統(tǒng)的底盤懸架連接方式將長期存在。作為懸架連接的核心部件，擺臂球鉸鏈總成仍有很大的發(fā)展空間，球銷作為球鉸鏈總成的關(guān)鍵連接件，如出現(xiàn)疲勞、斷裂等問題，將直接影響車輛的行駛安全。

本文主要討論在麥弗遜式前懸球銷設(shè)計(jì)過程中的強(qiáng)度問題，并試圖通過建立簡易的模型對(duì)球銷設(shè)計(jì)進(jìn)行校核，以滿足車輛的使用要求。

1.球銷的受力分析

1.1球銷的連接位置及載荷

擺臂球銷分別連接轉(zhuǎn)向節(jié)與擺臂總成，在使用過程中主要承受橫向的交變載荷作用，此載荷隨車輛行駛的路況、速度等因素不斷變化，如圖1所示

1.2球銷所受剪力及彎矩分析

依據(jù)連接及安裝結(jié)構(gòu)，球銷可簡化為受集中交變載荷（力）作用的懸臂梁結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致球銷產(chǎn)品失效的原因?yàn)槠涫褂眠^程中所受的剪切應(yīng)力及彎曲應(yīng)力。設(shè)定作用于球銷球心的載荷為F、球心至安裝位置的力臂長度為L0、彎矩為M，

則任意位置Lx截面上：剪力Fx=-F，彎矩Mx=FLx，

即自載荷作用點(diǎn)（球心）至安裝位置（錐面大端），剪力不變，彎矩與力臂Lx成正比。

2.球銷設(shè)計(jì)模型的建立

2.1 影響球銷強(qiáng)度的主要原因

由于球銷為回轉(zhuǎn)體，各橫截面均為圓形，故設(shè)定其任意位置半徑為rx，則截面積Ax=πrx2

由《材料力學(xué)》梁的強(qiáng)度校核可知：

其剪切強(qiáng)度 τx=Fx/Ax=Fx/πrx2

彎曲強(qiáng)度 σx=Mx/Wz=4FxLx/πr3

為明確τx與σx對(duì)球銷失效產(chǎn)生的影響，對(duì)其差值進(jìn)行比較：

τx-σx= Fx/πrx2-4FxLx/πr3=（rx-4Lx）F/πr3（rx-4Lx）

對(duì)于球銷結(jié)構(gòu)而言，除為滿足接觸的球面部位外，其余部位rx-4Lx<0，即τx-σx<0，

則彎曲強(qiáng)度是導(dǎo)致球銷失效的主要原因。

2.2 球銷尺寸設(shè)計(jì)公式及模型

由懸臂梁彎曲強(qiáng)度公式建立球銷尺寸設(shè)計(jì)公式如下：

rx=（4FLx/σπ）1/3

F：常數(shù)，設(shè)計(jì)過程中球銷所受載荷或?qū)嵻嚥杉d荷

σ：常數(shù)，球銷材料的屈服載荷

Lx：自變量，球銷任意截面距載荷作用點(diǎn)（球心）的距離

rx：因變量，球銷任意截面半徑。

則rx隨Lx變化的曲線如圖2所示，由于設(shè)定了材料的屈服強(qiáng)度為常數(shù)，則針對(duì)某一給定載荷的球銷，此模型曲線可直接用于與球銷設(shè)計(jì)外輪廓進(jìn)行對(duì)比，其外輪廓應(yīng)在此曲線以外，方能滿足強(qiáng)度要求。

3.應(yīng)用案例

某車型球銷出現(xiàn)彎曲問題，彎曲位置為錐面大端部位，經(jīng)實(shí)車載荷采集，特殊工況下，球銷所受極限載荷Fmax=17.81kN，其設(shè)計(jì)尺寸為安裝位置（錐面大端）直徑d=18mm、安裝距L=28mm，球銷所用材料屈服強(qiáng)度σ=785MPa，通過模型公式進(jìn)行校核，則其安裝位置半徑r=（4x17810x28/785/3.14）1/3=9.53mm，此數(shù)值大于故障件安裝位置直徑d，故球銷大端位置強(qiáng)度不足。

依據(jù)輸入數(shù)據(jù)結(jié)合CAD工具，繪制此球銷模型曲線，并與現(xiàn)有球銷外輪廓進(jìn)行對(duì)比，球銷錐面大端位置低于計(jì)算的模型曲線，設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足，與故障發(fā)生位置一致。

4.結(jié)論

通過對(duì)數(shù)據(jù)及核算方式的整合，給定了球銷外部輪廓設(shè)計(jì)的依據(jù)，并結(jié)合CAD功能，建立模型，實(shí)現(xiàn)理論值與設(shè)計(jì)值的直觀對(duì)比，便于設(shè)計(jì)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題并進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化。需要說明的是，此模型曲線僅為滿足設(shè)計(jì)要求的最小值，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中應(yīng)依據(jù)安全系數(shù)留有設(shè)計(jì)余量，一般情況下實(shí)際輪廓與模型曲線的間距應(yīng)大于0.4mm，以滿足使用要求。綜合而言，此模型對(duì)于球銷設(shè)計(jì)具有實(shí)際的指導(dǎo)意義，亦可用于球銷彎曲問題的解決。

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