懸架球鉸鏈?zhǔn)遣砂F底盤技術(shù)零部件事業(yè)部的核心產(chǎn)品，球鉸鏈的結(jié)構(gòu)設(shè)計是部門的核心技術(shù)。隨著汽車工業(yè)水平的發(fā)展，對球鉸鏈產(chǎn)品的要求也不斷提升，過去的一些產(chǎn)品設(shè)計已經(jīng)無法完全滿足目前市場的需求?？蛻魰蟾涌量痰哪M環(huán)境，更加復(fù)雜的工況載荷，同時也會引入一些新的法規(guī)要求，例如行人保護和碰撞后的失效要求。在這種環(huán)境下，球鉸鏈的技術(shù)優(yōu)化勢在必行。球鉸鏈較多運用在前懸架中，桿與轉(zhuǎn)向節(jié)的連接都是通過球鉸鏈實現(xiàn)的，因為只有這種連接方式才能提供車輪的第二個自由度（轉(zhuǎn)向），為了能滿足更高的客戶要求，密封性能和疲勞磨損性能將成為主要研究和優(yōu)化的方向。

本文基于ZF實際量產(chǎn)的國內(nèi)OEM項目（東風(fēng)柳州B20項目）對懸架球鉸鏈進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。原計劃準(zhǔn)備沿用目前已批產(chǎn)項目的零件，但是經(jīng)過第一輪DV試驗后發(fā)現(xiàn)仍存在風(fēng)險，有漏水和早期磨損的失效模式。經(jīng)過分析后決定改進設(shè)計來滿足當(dāng)前的試驗要求。同時，通過對其他國內(nèi)OEM新項目的分析，發(fā)現(xiàn)很多OEM已經(jīng)制定了專門針對球鉸鏈性能的規(guī)范，設(shè)計要求上也有很大的提高。而全球性的OEM也在不斷更新他們對于球鉸鏈的規(guī)范，ZF產(chǎn)品需要面對更惡劣的環(huán)境條件，更為復(fù)雜多變的工況，更為細(xì)化的碰撞保護要求。本文通過對新規(guī)范的研究和分析，尋求合理的優(yōu)化方案，以較少的成本獲得滿足性能的產(chǎn)品。

球鉸鏈簡介

球鉸鏈通過保持彼此持續(xù)接觸以及相對運動，可以保證機構(gòu)鏈的連接。這些運動的連接位置被稱為接頭。球鉸鏈按照主要受載方向，可以分為徑向受載的鉸鏈（導(dǎo)向球鉸）和軸向受載的鉸鏈（承載球鉸）。如圖1所示，每一個接頭都有兩個連接元件，彼此配合，并且有與功能相適應(yīng)的幾何形狀，如軸和滑動軸承、齒輪副的輪齒等。球鉸鏈的主要連接元件是球頭銷和球窩。除了球鉸鏈的工作性能，其他特征如材料、尺寸、表面質(zhì)量、承載能力及潤滑等也很重要。

球鉸鏈的作用和技術(shù)要求

球鉸鏈的作用是將桿件與轉(zhuǎn)向節(jié)連接起來，連接有三個自由度（見圖2），將力和運動由轉(zhuǎn)向節(jié)傳遞到桿上。其中兩個自由度用于車輪跳動和轉(zhuǎn)向，另一個用于車輪的彈性運動學(xué)變化。由于它有三個轉(zhuǎn)動自由度，因此只能導(dǎo)入拉力、壓力和徑向力。在正常的工況下，球鉸鏈不允許產(chǎn)生自由間隙（否則會造成不必要的噪聲），彈性位移也應(yīng)盡可能的小，避免造成車輛行駛中產(chǎn)生的不適感，直接影響駕駛者的主觀評價。同時球鉸鏈的工作力矩也是一個重要的評價指標(biāo)，在整車的壽命周期內(nèi)，不能降到允許值以下，造成早期磨損，產(chǎn)生不必要的噪聲。

原設(shè)計失效模式分析

1.密封性能試驗失效狀態(tài)

B20項目在初始階段，客戶要求沿用已有項目產(chǎn)品來減少研發(fā)費用和周期，但在DV試驗中發(fā)現(xiàn)密封性能存在漏水生銹等失效模式。試驗后發(fā)現(xiàn)球鉸鏈與轉(zhuǎn)向節(jié)之間貼合不良，存在2.5mm的自由間隙（見圖3），有漏水的風(fēng)險，密封系統(tǒng)未能通過試驗要求。而且在球鉸鏈拆卸后可以看見其與轉(zhuǎn)向節(jié)的配合表面有嚴(yán)重的銹蝕（見圖4），進一步驗證了沿用產(chǎn)品的密封性能無法滿足B20的產(chǎn)品設(shè)計要求。

拆解球鉸鏈本體時，可以發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部有可見水，球銷暴露在防塵罩區(qū)域腐蝕嚴(yán)重（見圖5）。由此可見，目前的防塵系統(tǒng)無法完全滿足客戶的設(shè)計要求，需要進行優(yōu)化設(shè)計。正常情況下，試驗后拆除防塵罩后，內(nèi)部不應(yīng)該存有明顯的水漬，需要通過測量殘留油脂中水的百分含量，來評價密封性能是否符合要求。一般含水量要求不超過0.6%。球銷在試驗后如若沒有圖層，一般只在球銷與轉(zhuǎn)向節(jié)的配合位置存在一圈銹蝕，如圖5所示，球銷下半部分——即插入轉(zhuǎn)向節(jié)部分，銹蝕嚴(yán)重。主要是由于試驗過程中有大量的污水侵入產(chǎn)生的。

2.試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果顯示，目前的進水量屬于W3級，即通過目視可見水漬，說明密封系統(tǒng)在試驗后進水狀況很嚴(yán)重。進水區(qū)域主要是球鉸鏈的兩端卡圈位置。綜上所述，可能的失效原因如下：

（1）卡圈的裝配質(zhì)量和尺寸選擇球鉸鏈卡圈裝配時對于自身撐開后的最大尺寸有著明確的定義，主要是為了避免卡圈經(jīng)過彈性變形后，卡緊力達(dá)不到設(shè)計的要求。供應(yīng)商交貨時的狀態(tài)即未撐開時的狀態(tài)（見圖6a），φA在此狀態(tài)下需要100%檢測控制。裝配時產(chǎn)品通過撐開直徑φD和撐開后端部距離Y來控制（見圖6b）。如果在實際裝配時沒有嚴(yán)格按照規(guī)范執(zhí)行，其結(jié)果很可能造成夾緊力過小，卡圈松垮。

（2）防塵罩的設(shè)計失效經(jīng)過對防塵罩設(shè)計的對比分析，發(fā)現(xiàn)在防塵罩球銷端迷宮區(qū)域，存在錐角的設(shè)計偏差，與設(shè)計手冊和規(guī)范定義不同，有泄漏的風(fēng)險。圖7（a）為目前的防塵罩設(shè)計，在球銷端的迷宮區(qū)域X，錐角為20°。圖7（b）是標(biāo)準(zhǔn)圖樣的設(shè)計，錐角為12°為試用于圓柱形的球銷。而目前的設(shè)計則是試用于錐角1:10的球銷形式，所以可能造成迷宮區(qū)域X有較大的間隙，產(chǎn)生泄漏的可能。

（3）球銷密封區(qū)域的設(shè)計失效對于目前的球銷設(shè)計也存在風(fēng)險，圖8所示的區(qū)域Z，有一圈的臺階結(jié)構(gòu)，其直徑比球銷桿部直徑大1mm，其目的是為了防塵罩軸向壓縮時，避免壓入球銷的頸部位置而導(dǎo)致防塵罩無法正常工作，造成球鉸鏈和配合件進水。但是由于B20這個項目的工作角度比較大，在擺動到極限位置時防塵罩與臺階接觸面積太小，容易直接壓入，造成失效的可能性。另外，在低溫下接觸面積過小，也容易產(chǎn)生間隙，發(fā)生漏水現(xiàn)象。

球鉸鏈優(yōu)化設(shè)計方案

1.卡圈的裝配優(yōu)化

卡圈端的失效主要來源于對生產(chǎn)裝配的控制，比較有效的方法就是在IPS，即內(nèi)部工藝流程規(guī)范中定義卡圈的安裝尺寸，成為生產(chǎn)作業(yè)指導(dǎo)書的一部分。附表定義了卡圈的安裝方向、工裝夾具的最大直徑和卡圈張開的直徑范圍，同時還提供防塵罩的FEA分析報告和布置報告。這樣的方式可以改善卡圈裝配時產(chǎn)生的誤操作風(fēng)險，保證符合設(shè)計要求。

 

卡圈的IPS（單位：mm）

卡圈物料號	000 000 028 013
裝配傘套的最大直徑	41
卡圈最小張開直徑	34.5
卡圈最大張開直徑	40
防塵罩的布置	D–DBL01270
防塵罩的德有限元分析	D–FEM01019–A

2.球銷的優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)上文分析的失效模式，防塵罩迷宮區(qū)設(shè)計不合理和球銷臺階接觸面積過小，是兩個主要可能導(dǎo)致密封試驗失敗的因素?？紤]到成本和項目開發(fā)節(jié)點的因素，優(yōu)化球銷的結(jié)構(gòu)是性價比最好的方案。優(yōu)化的方案是基于希望球鉸鏈在最大工作角度的狀態(tài)下，球銷的臺階與防塵罩有更大的接觸面積。原設(shè)計球銷臺階截面形狀為φ1mm的半圓（見圖9a），新設(shè)計則是采用了截面矩形結(jié)構(gòu)（見圖9b），并將臺階的外徑增加了φ1.8mm，相比原設(shè)計接觸面積增大，在球鉸鏈極限工況下，提供較大的反作用力，減小了產(chǎn)生間隙和防塵罩被壓入頸部的風(fēng)險。

3.優(yōu)化設(shè)計試驗驗證

依照優(yōu)化設(shè)計方案，生產(chǎn)樣件，再次進行密封性能試驗。結(jié)果顯示，在球銷端和球殼端的含水量僅有0.1%～0.2%，試驗順利通過。原設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計球銷及防塵罩的腐蝕情況如圖10所示，原設(shè)計的防塵罩在迷宮區(qū)域基本已經(jīng)被磨損，而優(yōu)化后的設(shè)計依然完整。而球銷部分原設(shè)計下半部分基本腐蝕，優(yōu)化設(shè)計只有局部暴露在外部分腐蝕。

結(jié)語

試驗結(jié)果反映了優(yōu)化方案再密封性能上取得了明顯的改善。從技術(shù)角度來說，目前的設(shè)計方案還遠(yuǎn)沒有達(dá)到最好的性能。假設(shè)防塵罩可以全新開發(fā)，設(shè)計更為合理的結(jié)構(gòu)，選擇性能尺寸更好的卡圈，密封性能或許會取得更好的效果。但從項目節(jié)點上，目前的方案是惟一能滿足客戶時間要求的。

經(jīng)過B20項目對球鉸鏈的優(yōu)化設(shè)計，對其密封性能有了更深刻的體會?？此谱詈唵蔚捻椖?，卻往往隱藏著很多風(fēng)險，對待這樣的項目需要投入更多的時間和精力去徹底分析客戶的要求。另外，在項目的初始做好產(chǎn)品的總布置草稿圖也很有必要，這有助于我們在初期避免很多的問題。