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(jì)是部門的核心技術(shù)。隨著汽車工業(yè)水平的發(fā)展，對(duì)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(jì)已經(jīng)無法完全滿足目前市場(chǎng)的需求?？蛻魰?huì)要求更加苛刻的模擬環(huán)境，更加復(fù)雜的工況載荷，同時(shí)也會(huì)引入一些新的法規(guī)要求，例如行人保護(hù)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(shì)在必行。球鉸鏈較多運(yùn)用在前懸架中，桿與轉(zhuǎn)向節(jié)的連接都是通過球鉸鏈實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橹挥羞@種連接方式才能提供車輪的第二個(gè)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(shí)際量產(chǎn)的國內(nèi)OEM項(xiàng)目（東風(fēng)柳州B20項(xiàng)目）對(duì)懸架球鉸鏈進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。原計(jì)劃準(zhǔn)備沿用目前已批產(chǎn)項(xiàng)目的零件，但是經(jīng)過第一輪DV試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)仍存在風(fēng)險(xiǎn)，有漏水和早期磨損的失效模式。經(jīng)過分析后決定改進(jìn)設(shè)計(jì)來滿足當(dāng)前的試驗(yàn)要求。同時(shí)，通過對(duì)其他國內(nèi)OEM新項(xiàng)目的分析，發(fā)現(xiàn)很多OEM已經(jīng)制定了專門針對(duì)球鉸鏈性能的規(guī)范，設(shè)計(jì)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(duì)于球鉸鏈的規(guī)范，ZF產(chǎn)品需要面對(duì)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(hù)要求。本文通過對(duì)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(jiǎn)介

球鉸鏈通過保持彼此持續(xù)接觸以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以保證機(jī)構(gòu)鏈的連接。這些運(yùn)動(dòng)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(gè)接頭都有兩個(gè)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(dòng)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(gè)自由度（見圖2），將力和運(yùn)動(dòng)由轉(zhuǎn)向節(jié)傳遞到桿上。其中兩個(gè)自由度用于車輪跳動(dòng)和轉(zhuǎn)向，另一個(gè)用于車輪的彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)變化。由于它有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)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(huì)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(píng)價(jià)。同時(shí)球鉸鏈的工作力矩也是一個(gè)重要的評(píng)價(jià)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(jì)失效模式分析

1.密封性能試驗(yàn)失效狀態(tài)

B20項(xiàng)目在初始階段，客戶要求沿用已有項(xiàng)目產(chǎn)品來減少研發(fā)費(fèi)用和周期，但在DV試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)密封性能存在漏水生銹等失效模式。試驗(yàn)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(xiǎn)，密封系統(tǒng)未能通過試驗(yàn)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(jìn)一步驗(yàn)證了沿用產(chǎn)品的密封性能無法滿足B20的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

拆解球鉸鏈本體時(shí)，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(jì)要求，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。正常情況下，試驗(yàn)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(cè)量殘留油脂中水的百分含量，來評(píng)價(jià)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(yàn)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(yàn)過程中有大量的污水侵入產(chǎn)生的。

2.試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示，目前的進(jìn)水量屬于W3級(jí)，即通過目視可見水漬，說明密封系統(tǒng)在試驗(yàn)后進(jìn)水狀況很嚴(yán)重。進(jìn)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(shí)對(duì)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(jì)的要求。供應(yīng)商交貨時(shí)的狀態(tài)即未撐開時(shí)的狀態(tài)（見圖6a），φA在此狀態(tài)下需要100%檢測(cè)控制。裝配時(shí)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(shí)際裝配時(shí)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(jì)失效經(jīng)過對(duì)防塵罩設(shè)計(jì)的對(duì)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(jì)偏差，與設(shè)計(jì)手冊(cè)和規(guī)范定義不同，有泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。圖7（a）為目前的防塵罩設(shè)計(jì)，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(jì)，錐角為12°為試用于圓柱形的球銷。而目前的設(shè)計(jì)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(jì)失效對(duì)于目前的球銷設(shè)計(jì)也存在風(fēng)險(xiǎn)，圖8所示的區(qū)域Z，有一圈的臺(tái)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(shí)，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(jìn)水。但是由于B20這個(gè)項(xiàng)目的工作角度比較大，在擺動(dòng)到極限位置時(shí)防塵罩與臺(tái)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(jì)方案

1.卡圈的裝配優(yōu)化

卡圈端的失效主要來源于對(duì)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(shí)還提供防塵罩的FEA分析報(bào)告和布置報(bào)告。這樣的方式可以改善卡圈裝配時(shí)產(chǎn)生的誤操作風(fēng)險(xiǎn)，保證符合設(shè)計(jì)要求。

 

卡圈的IPS（單位：mm）

卡圈物料號(hào)	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(jì)

根據(jù)上文分析的失效模式，防塵罩迷宮區(qū)設(shè)計(jì)不合理和球銷臺(tái)階接觸面積過小，是兩個(gè)主要可能導(dǎo)致密封試驗(yàn)失敗的因素?？紤]到成本和項(xiàng)目開發(fā)節(jié)點(diǎn)的因素，優(yōu)化球銷的結(jié)構(gòu)是性價(jià)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(tái)階與防塵罩有更大的接觸面積。原設(shè)計(jì)球銷臺(tái)階截面形狀為φ1mm的半圓（見圖9a），新設(shè)計(jì)則是采用了截面矩形結(jié)構(gòu)（見圖9b），并將臺(tái)階的外徑增加了φ1.8mm，相比原設(shè)計(jì)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(xiǎn)。

3.優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證

依照優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，生產(chǎn)樣件，再次進(jìn)行密封性能試驗(yàn)。結(jié)果顯示，在球銷端和球殼端的含水量?jī)H有0.1%～0.2%，試驗(yàn)順利通過。原設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)球銷及防塵罩的腐蝕情況如圖10所示，原設(shè)計(jì)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(jì)依然完整。而球銷部分原設(shè)計(jì)下半部分基本腐蝕，優(yōu)化設(shè)計(jì)只有局部暴露在外部分腐蝕。

結(jié)語

試驗(yàn)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(jì)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(jì)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(huì)取得更好的效果。但從項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)上，目前的方案是惟一能滿足客戶時(shí)間要求的。

經(jīng)過B20項(xiàng)目對(duì)球鉸鏈的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)其密封性能有了更深刻的體會(huì)?？此谱詈?jiǎn)單的項(xiàng)目，卻往往隱藏著很多風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)待這樣的項(xiàng)目需要投入更多的時(shí)間和精力去徹底分析客戶的要求。另外，在項(xiàng)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?cè)诔跗诒苊夂芏嗟膯栴}。