汽車球鉸防塵罩的有限元分析

陳泳

(四川望錦機械有限公司技術中心，四川成都 610200)

汽車球鉸防塵罩的有限元分析

陳泳

(四川望錦機械有限公司技術中心，四川成都 610200)

采用ABAQUS有限元分析軟件建立汽車球鉸橡膠密封防塵罩的三維分析模型，模擬防塵罩的裝配和擺動過程，研究防塵罩在擺動工況下接觸壓強的變化和輪廓形狀的變化。闡述了防塵罩的3種結構設計失效機制，并對兩種橡膠本構模型Mooney-Rivlin和Ogden進行理論闡述和單軸拉伸試驗數據的測試擬合。 研究結果表明：防塵罩的接觸壓強在擺動時有較強的非線性變化，說明防塵罩在擺動中產生的變形會影響密封；防塵罩在擺動中外輪廓與轉向節無干涉，密封結構設計能滿足需求。

球鉸防塵罩；失效分析；本構模型； 復合變形

0 引言

球鉸應用在汽車底盤部件如控制臂、轉向拉桿和穩定桿連桿等零件上。球鉸在汽車底盤中實現了3個方向的轉動自由度并承受了較大的行車載荷，實現了可靠的運動功能，就像人的關節一樣，是汽車底盤件上的核心零部件。處于底盤部位的球鉸由于長期暴露在惡劣的自然環境中，要保證正常的工作就要能抵擋泥水、石子、鹽霧腐蝕及其他異物的侵襲，因此必須采用防塵罩對球鉸部件進行有效的密封防護。防塵罩是保護球鉸的主要零件，防塵罩的失效必然會導致球鉸的失效。因此，對球鉸防塵罩的研究非常重要。在防塵罩的設計中，要對密封效果和跟隨球鉸運動后的變形進行仿真分析，確保密封部位的接觸壓強以及運動變形后與底盤零件無干涉。

1 防塵罩的失效分析

1.1 防塵罩的功能解析

球鉸產品需要密封的部位都有較大的相對擺動和旋轉運動，因此在可能的選材范圍中，橡膠是最合適的選擇：(1)橡膠柔性較好，更能適應各種運動工況的連接；(2)密封效果較好。圖1所示為一典型的球鉸結構，其運動方式如下：靠近轉向節的小唇口與球銷實現動密封，球銷既要沿自身軸線轉動又要實現任意方向的擺動；大唇口與球銷套實現靜密封；中間柔性部位形狀根據懸架的運動工況而變。因此防塵罩在設計中：(1)必須滿足動靜密封的要求，而且比普通的密封設計更困難的是動密封唇口在實現轉動密封的同時要承受防塵罩因擺動運動形成的側向的拉壓應力，這會在一定程度上影響密封效果，甚至出現肉眼可見的大間隙；(2)防塵罩的外形在擺動中需確保不能與轉向節及車架等外部零件發生干涉，否則會因干涉形成破損，一旦有泥水從破損部位進入球鉸結構的內部，則球鉸很快就會出現失效。

1.2 防塵罩失效機制

防塵罩密封結構設計的不合理會導致球鉸失效，常見的失效現象[1]如下：(1)動密封的小唇口出現大的間隙，主要原因是設計的時候拉伸邊沒有計算好足夠的長度，導致擺動到極限時因過度拉伸出現間隙；(2)小唇口出現塌陷，主要原因包括設計時接觸壓強過小、橡膠本體的支撐作用較差以及球銷結構沒有優化等；(3)防塵罩的外部干涉造成的破損，主要原因是設計時沒有考慮擺動后所需的變形空間，導致防塵罩與車架摩擦造成破損。還有一種失效現象是防塵罩表面的老化龜裂，這是由材料配方所引起，文中不做研討。以上因結構設計造成的失效，都可以通過仿真來解決。圖2為防塵罩常見的失效圖片。

2 橡膠本構模型的研究

2.1 橡膠本構模型理論

對橡膠本構模型的研究由來已久，而且到目前來講已有多種本構模型可以選擇。橡膠材料本構模型可分為基于連續介質唯象理論的本構模型和基于分子熱力學統計學理論的本構模型兩大類[2]。基于唯象理論的常用本構模型有多項式、Mooney-Rivlin、減縮多項式、Neo-Hookean、Yeoh、Ogden、Marlow。 基于分子熱力學統計學理論的本構模型有Arruda-Boyce、Van der Waals等。

橡膠作為超彈性大變形材料，有很好的延伸率。通常對橡膠原材料試片要求斷裂延伸率達到大于400%。在橡膠性能的檢測中常用的有單軸拉伸數據，且從單軸拉伸數據中獲取本構模型參數是最經典的方法[3]，因此作者基于此來擬合橡膠的本構參數。通過對多次的試驗數據采用不同的本構進行擬合的研究經驗，推薦兩種模型來描述橡膠的本構：

(1)Mooney-Rivlin模型。該模型從1940年就開始應用了。Mooney-Rivlin模型在應變小于80%的時候能符合材料的特性，且優點是只需輸入兩個參數，另外該本構模型除了可以采用單軸拉伸擬合外還可以通過材料硬度計算得到[4]，在沒有拉伸試驗數據情況下，也能較好地滿足工程計算上的需要。Mooney-Rivlin模型的應變能密度函數如下[5]：

該模型不能實現通常的橡膠應力應變曲線中的向上部分，即所謂的S形曲線，因此，Mooney-Rivlin只能用于中小應變中，另外正值的C10和C01有利于穩定性。

(2)3階的Ogden模型。該模型的適應范圍較寬，在應變400%以內都能很好地擬合材料。Ogden模型以3個主伸長率為變量，其應變能密度函數如下[4]：

式中：N為階數，一般隨著階數的增加會使計算精度提高，但同時會造成計算收斂困難，工程上常用3階的Ogden本構。

2.2 橡膠拉伸試驗測試數據擬合分析

拉伸試驗試片采用標準GB/T528中的Ⅰ型啞鈴試樣[6]，試片材料為CR，硬度為邵A50，在電子試驗機上進行拉伸，測試速度5 mm/min，見圖3。同時根據橡膠啞鈴型試樣的拉伸數據，利用ABAQUS軟件擬合得到橡膠本構模型參數如下：

80%以內應變：Mooney-Rivlin模型

C10=0.429C01=0.019

400%以內應變：Ogden模型

u1=-381.792u2=187.754u3= 187.754a1=1.281a2=1.502a3=1.042

將以上本構參數輸入到拉伸試片的分析模型圖4中，結果與測試數據的應力應變曲線對比都比較好，見圖5。

圖3 啞鈴試樣拉伸測試圖片 圖4 拉伸分析模型

3 橡膠密封防塵罩復合變形分析

3.1 模型、網格、單元與材料屬性的建立及選擇

對橡膠密封防塵罩分析有如下步驟：首先明確模型的建立和簡化方法以準確定義模型，然后做好網格劃分和單元選擇，再是運動關系的設置，最后要合理設置分析條件以確保求解的正確。

一個完整的球鉸結構如前所述，包括了球銷、球銷套、轉向節、防塵罩、球銷座、底板和螺母，在分析中為了減少計算量加快分析的速度，可以略去和防塵罩沒有接觸的零件如螺母、球銷座和底板，文中為更清晰地展示分析過程，僅去除了螺母。首先在AutoCAD中建立平面模型，如圖6所示，模型保留單一的封閉外輪廓，各零件的位置關系要正確布置在沒有裝配前的狀態。

平面模型繪制后，再轉成DXF格式的文件，逐一導入ABAQUS。因為防塵罩的主要工況為擺動，所以在分析中采用一半的對稱三維模型，既簡化了分析量，又能保證分析精度和要求，最終的三維分析模型如圖7所示。

在網格劃分中，因為分析的重點是防塵罩，為更準確地體現出形狀的變化，對防塵罩取比較細的網格，通常取0.5 mm，同時選擇專用于橡膠分析的雜交單元C3D8RH。需要關注的一點是：對于防塵罩中內含的骨架，因其通常是金屬或尼龍材料，不能和橡膠本體同時定義材料屬性，所以需要在劃分網格之前將其從整體模型中分離出來，這樣在定義材料屬性的時候可以實現分別定義。其他零件網格取值1～2 mm，單元采用C3D8R。網格處理好后的模型如圖8所示。根據球鉸防塵罩的使用需求來看，其實際工作應變一般在50%以內。因此，材料的本構模型選擇前面所述的Mooney-Rivlin模型，其精度可以滿足分析需求，而且輸入的參數很簡單。其他零件的材料屬性除了骨架設為彈塑性以外，其他均設為剛體。

圖6 平面模型 圖7 分析模型 圖8 網格模型

3.2 復合變形的分析步設置與分析結果的解讀

根據實際的裝配關系，共做了3個分析步[7]：首先將防塵罩壓入球銷套實現大端靜密封；然后將轉向節下壓至防塵罩的工作高度，即理論的裝車狀態，這時小端的動密封形成；最后按設計的工作擺角來擺動球銷，這時防塵罩就會跟隨球銷的擺動，使外部形狀變化。

對分析出來的結果，通常需要做兩個方面的解讀和判定。首先由最終的擺動分析步三來看，防塵罩沒有發生與轉向節干涉的現象，因此，從運動變形干涉這一方面可以初步認定防塵罩設計是可行的。其二，如圖10所示，防塵罩的小端和大端密封部位都有合適的接觸壓強[8]，確保了在工作狀態不會出現間隙，防止了外界泥水進入的可能。這個接觸壓強也不能過大，如果過大會造成抱緊力太大，則會出現當球銷有自轉運動的時候，防塵罩與球銷卻沒有相對運動，發生防塵罩跟轉扭曲的現象。圖11為產品實際制作后的狀態，與分析結果吻合較好。

4 結束語

(1) 對汽車球鉸防塵罩而言，其工作應變小于50%，采用Mooney-Rivlin橡膠本構模型，僅輸入簡單的材料參數就能滿足分析精度的要求，而且收斂性較好，仿真結果與實物一致。

(2) 防塵罩在擺動時，其接觸壓強的波動難以避免，但在設計中必須保證有合理的范圍值，既保證外界泥水不會侵入，又要防止與球銷產生抱死，失去動密封的功能。

(3) 對橡膠類超彈材料的有限元分析有其特殊性，在材料的本構理論、建模方法、單元選取、網格處理方法上都有一定的技巧，在實際的工程分析中一定要結合真實的工況條件，合理簡化模型，設置正確的邊界條件，反復調試，從中摸索出適應于工程需要的高效準確的仿真解決方案。

【1】石伯妹，資小林，郭增均.等速萬向節防塵罩非線性有限元分析與試驗驗證[C]//中國計算力學大會，2010.

【2】王國權,劉萌，姚艷春,等.不同本構模型對橡膠制品有限元法適應性研究[J].力學與實踐，2013,35(4):40-47.

【3】The Physics of Rubber Elasticity[M].L.R.G.Treloar，2005.

【4】鄭明軍,王文靜,陳政南,等.橡膠Mooney-Rivlin模型力學性能常數的確定[J].橡膠工業， 2003,50(8):462-465.

【5】ABAQUS Theory Manual Version 6.7[M].Hibbit,Karlsson & Sorensen(HKS)Inc.，2007.

【6】王青春,鮑際平,寧耕,等.車輛橡膠防塵罩靜力學特性分析[J].計算機仿真,2011,28(1):323-326.

【7】王國權,劉萌，王青春.汽車傳動軸防塵罩的非線性有限元分析[J].北京信息科技大學學報，2009,24(3):39-43.

【8】張東葛,張付英,王世強.基于ANSYS的Y型密封圈結構和工作參數的優化設計[J].潤滑與密封,2012,37(11)：87-90.

FiniteElementAnalysisofBallJointDustCover

CHEN Yong

(Technical Center,Sichuan Wangjin Machinery Co.,Ltd.,Chengdu Sichuan 610200,China)

3D model of ball joint rubber seal dust cover was set up by using ABAQUS software platform, and the process of assembly and swing was simulated. The contact pressure and outline changes of the dust cover in swing working condition were studied. The failure principles of the three types structure design for dust cover were explained. Two kinds of rubber constitutive model Mooney-Rivlin and Ogden were described, and fitting aiming at the data of uniaxial tension test was done. The research results show that the dust cover contact pressure has great nonlinear change in oscillation, illustrating the dust cover deformation in oscillating affects the seal. The outline of dust cover in swinging can’t intervene with steering knuckle, so sealing structure design can meet the demand.

Ball joint dust cover; Failure analysis；Constitutive model；Compound deformation

2015-01-13

陳泳(1975—)，男，本科，工程師，研究方向為汽車底盤零部件的設計與仿真。E-mail：balljoint@163.com。