悬架球铰链优化设计

悬架球铰链是采埃ZF底盘技术零部件事业部的核心产品，球铰链的结构设计是部门的核心技术。随着汽车工业水平的发展，对球铰链产品的要求也不断提升，过去的一些产品设计已经无法完全满足目前市场的需求。客户会要求更加苛刻的模拟环境，更加复杂的工况载荷，同时也会引入一些新的法规要求，例如行人保护和碰撞后的失效要求。在这种环境下，球铰链的技术优化势在必行。球铰链较多运用在前悬架中，杆与转向节的连接都是通过球铰链实现的，因为只有这种连接方式才能提供车轮的第二个自由度（转向），为了能满足更高的客户要求，密封性能和疲劳磨损性能将成为主要研究和优化的方向。

本文基于ZF实际量产的国内OEM项目（东风柳州B20项目）对悬架球铰链进行结构优化设计。原计划准备沿用目前已批产项目的零件，但是经过第一轮DV试验后发现仍存在风险，有漏水和早期磨损的失效模式。经过分析后决定改进设计来满足当前的试验要求。同时，通过对其他国内OEM新项目的分析，发现很多OEM已经制定了专门针对球铰链性能的规范，设计要求上也有很大的提高。而全球性的OEM也在不断更新他们对于球铰链的规范，ZF产品需要面对更恶劣的环境条件，更为复杂多变的工况，更为细化的碰撞保护要求。本文通过对新规范的研究和分析，寻求合理的优化方案，以较少的成本获得满足性能的产品。

球铰链简介

球铰链通过保持彼此持续接触以及相对运动，可以保证机构链的连接。这些运动的连接位置被称为接头。球铰链按照主要受载方向，可以分为径向受载的铰链（导向球铰）和轴向受载的铰链（承载球铰）。如图1所示，每一个接头都有两个连接元件，彼此配合，并且有与功能相适应的几何形状，如轴和滑动轴承、齿轮副的轮齿等。球铰链的主要连接元件是球头销和球窝。除了球铰链的工作性能，其他特征如材料、尺寸、表面质量、承载能力及润滑等也很重要。

球铰链的作用和技术要求

球铰链的作用是将杆件与转向节连接起来，连接有三个自由度（见图2），将力和运动由转向节传递到杆上。其中两个自由度用于车轮跳动和转向，另一个用于车轮的弹性运动学变化。由于它有三个转动自由度，因此只能导入拉力、压力和径向力。在正常的工况下，球铰链不允许产生自由间隙（否则会造成不必要的噪声），弹性位移也应尽可能的小，避免造成车辆行驶中产生的不适感，直接影响驾驶者的主观评价。同时球铰链的工作力矩也是一个重要的评价指标，在整车的寿命周期内，不能降到允许值以下，造成早期磨损，产生不必要的噪声。

原设计失效模式分析

1.密封性能试验失效状态

B20项目在初始阶段，客户要求沿用已有项目产品来减少研发费用和周期，但在DV试验中发现密封性能存在漏水生锈等失效模式。试验后发现球铰链与转向节之间贴合不良，存在2.5mm的自由间隙（见图3），有漏水的风险，密封系统未能通过试验要求。而且在球铰链拆卸后可以看见其与转向节的配合表面有严重的锈蚀（见图4），进一步验证了沿用产品的密封性能无法满足B20的产品设计要求。

拆解球铰链本体时，可以发现其内部有可见水，球销暴露在防尘罩区域腐蚀严重（见图5）。由此可见，目前的防尘系统无法完全满足客户的设计要求，需要进行优化设计。正常情况下，试验后拆除防尘罩后，内部不应该存有明显的水渍，需要通过测量残留油脂中水的百分含量，来评价密封性能是否符合要求。一般含水量要求不超过0.6%。球销在试验后如若没有图层，一般只在球销与转向节的配合位置存在一圈锈蚀，如图5所示，球销下半部分——即插入转向节部分，锈蚀严重。主要是由于试验过程中有大量的污水侵入产生的。

2.试验结果分析

试验结果显示，目前的进水量属于W3级，即通过目视可见水渍，说明密封系统在试验后进水状况很严重。进水区域主要是球铰链的两端卡圈位置。综上所述，可能的失效原因如下：

（1）卡圈的装配质量和尺寸选择球铰链卡圈装配时对于自身撑开后的最大尺寸有着明确的定义，主要是为了避免卡圈经过弹性变形后，卡紧力达不到设计的要求。供应商交货时的状态即未撑开时的状态（见图6a），φA在此状态下需要100%检测控制。装配时产品通过撑开直径φD和撑开后端部距离Y来控制（见图6b）。如果在实际装配时没有严格按照规范执行，其结果很可能造成夹紧力过小，卡圈松垮。

（2）防尘罩的设计失效经过对防尘罩设计的对比分析，发现在防尘罩球销端迷宫区域，存在锥角的设计偏差，与设计手册和规范定义不同，有泄漏的风险。图7（a）为目前的防尘罩设计，在球销端的迷宫区域X，锥角为20°。图7（b）是标准图样的设计，锥角为12°为试用于圆柱形的球销。而目前的设计则是试用于锥角1:10的球销形式，所以可能造成迷宫区域X有较大的间隙，产生泄漏的可能。

（3）球销密封区域的设计失效对于目前的球销设计也存在风险，图8所示的区域Z，有一圈的台阶结构，其直径比球销杆部直径大1mm，其目的是为了防尘罩轴向压缩时，避免压入球销的颈部位置而导致防尘罩无法正常工作，造成球铰链和配合件进水。但是由于B20这个项目的工作角度比较大，在摆动到极限位置时防尘罩与台阶接触面积太小，容易直接压入，造成失效的可能性。另外，在低温下接触面积过小，也容易产生间隙，发生漏水现象。

球铰链优化设计方案

1.卡圈的装配优化

卡圈端的失效主要来源于对生产装配的控制，比较有效的方法就是在IPS，即内部工艺流程规范中定义卡圈的安装尺寸，成为生产作业指导书的一部分。附表定义了卡圈的安装方向、工装夹具的最大直径和卡圈张开的直径范围，同时还提供防尘罩的FEA分析报告和布置报告。这样的方式可以改善卡圈装配时产生的误操作风险，保证符合设计要求。

 

卡圈的IPS（单位：mm）

卡圈物料号	000 000 028 013
装配伞套的最大直径	41
卡圈最小张开直径	34.5
卡圈最大张开直径	40
防尘罩的布置	D–DBL01270
防尘罩的德有限元分析	D–FEM01019–A

2.球销的优化设计

根据上文分析的失效模式，防尘罩迷宫区设计不合理和球销台阶接触面积过小，是两个主要可能导致密封试验失败的因素。考虑到成本和项目开发节点的因素，优化球销的结构是性价比最好的方案。优化的方案是基于希望球铰链在最大工作角度的状态下，球销的台阶与防尘罩有更大的接触面积。原设计球销台阶截面形状为φ1mm的半圆（见图9a），新设计则是采用了截面矩形结构（见图9b），并将台阶的外径增加了φ1.8mm，相比原设计接触面积增大，在球铰链极限工况下，提供较大的反作用力，减小了产生间隙和防尘罩被压入颈部的风险。

3.优化设计试验验证

依照优化设计方案，生产样件，再次进行密封性能试验。结果显示，在球销端和球壳端的含水量仅有0.1%～0.2%，试验顺利通过。原设计与优化设计球销及防尘罩的腐蚀情况如图10所示，原设计的防尘罩在迷宫区域基本已经被磨损，而优化后的设计依然完整。而球销部分原设计下半部分基本腐蚀，优化设计只有局部暴露在外部分腐蚀。

结语

试验结果反映了优化方案再密封性能上取得了明显的改善。从技术角度来说，目前的设计方案还远没有达到最好的性能。假设防尘罩可以全新开发，设计更为合理的结构，选择性能尺寸更好的卡圈，密封性能或许会取得更好的效果。但从项目节点上，目前的方案是惟一能满足客户时间要求的。

经过B20项目对球铰链的优化设计，对其密封性能有了更深刻的体会。看似最简单的项目，却往往隐藏着很多风险，对待这样的项目需要投入更多的时间和精力去彻底分析客户的要求。另外，在项目的初始做好产品的总布置草稿图也很有必要，这有助于我们在初期避免很多的问题。