乘用車底盤球鉸鏈開發

董鵬

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乘用車底盤球鉸鏈開發

董鵬

（上海匯眾汽車制造有限公司，上海 200000）

乘用車底盤球鉸鏈是底盤懸架系統里面重要的組成部分，其主要作用是，傳遞和承載力作用、轉向和導向、連接支撐橫向穩定桿和擺臂等部件。其運動復雜，受力也復雜。球鉸鏈是一個金屬與非金屬小總成，各散件之間需要精密匹配。由于結構和使用環境等原因，設計時要考慮磨損特性和密封特性。文章從不同乘用車底盤形式中的球鉸鏈結構種類、相應散件材料選擇、受力分類和開發試驗大綱幾個方面對球鉸鏈進行論述，為其開發提供了框架性指導。

球鉸鏈；乘用車底盤；磨損特性；密封特性

引言

球鉸鏈是乘用車底盤懸架系統中重要的組成部分，起著連接關節的作用，所以也有人稱之為球關節。根據懸架種類的不同，球鉸鏈大致分為三種，將在下文中一一進行論述。球鉸鏈在懸架運動時承載，并傳遞載荷給擺臂、橫向穩定桿、轉向節等相關零部件，而轉向機的轉向拉桿球鉸鏈還起著關鍵的轉向作用。球鉸鏈自身的運動既有擺動也有轉動，因此，其受力比較復雜。球鉸鏈本身就是一個小總成，所以，其內部各散件之間的匹配尤為重要，否則就會出現早期磨損以及密封失效。在進行開發時，也要充分考慮磨損和密封特性，并進行相關驗證。本文將基于大眾、寶馬、戴姆勒等車企的主流車型中相關底盤球鉸鏈的設計與開發進行論述。

1 球鉸鏈的種類

球鉸鏈類型根據懸架類型而有所區分，但主要是擺臂球鉸鏈、穩定桿連接球鉸鏈和（內或外）轉向拉桿球鉸鏈三種類型。

在麥弗遜懸架結構（見圖1）中，主要是a處的擺臂球鉸鏈，b處的穩定桿連接球鉸鏈和c處的（內或外）轉向拉桿球鉸鏈。

三種球鉸鏈中，最為復雜、種類最多的是擺臂球鉸鏈，下文將重點介紹。擺臂球鉸鏈又可以分為兩種形式：獨立式（見圖3）和壓入式，其中，壓入式又具體分為鉚釘壓入式（見圖4）和整體壓入式（見圖5）。

圖1 麥弗遜式懸架

圖2 多連桿式懸架

a、d、e擺臂球鉸鏈 b穩定桿連接球鉸鏈 c（內或外）轉向拉桿球鉸鏈

圖3 獨立式

圖4 鉚釘壓入式

在多連桿式懸架結構（見圖2）中，擺臂式球鉸鏈主要在d處和e處，且e處為獨立式球鉸鏈。上擺臂球鉸鏈運動受力和圖5所示的整體壓入式球鉸鏈相似，獨立式球鉸鏈可以演化成為一種圖6所示的結構形式，圖7是其裝配圖。

圖6 下擺臂獨立直立式球鉸鏈

圖7 下擺臂獨立直立式球鉸鏈裝配圖

2 球鉸鏈組成及材料

如前所述，球鉸鏈在結構上主要由以下散件組成：球銷、卡環、密封罩、殼體、球碗、支撐環（可無）和底蓋。球鉸鏈零件雖然不大，卻是由八到九種小散件組成的功能性小總成，因此，對于散件的加工精度要求非常高，特別是在球面部分。上述的三種球鉸鏈盡管種類不同，結構上卻基本只分為兩種：單球碗（見圖8）和雙球碗（見圖9）。其中，雙球碗中的下球碗通過材料特性在上球碗磨損時提供彈性間隙補償。現在，隨著材料技術和工藝水平的不斷提高，越來越多的選擇單球碗設計。

圖8 單球碗

圖9 雙球碗（上下球碗）

球鉸鏈各散件常用的材料可見如表1所示，或者選擇與其材料性能相近的替代材料。

表1 球鉸鏈各散件常用材料

3 球鉸鏈受力和運動分析

球鉸鏈的受力與其運動形式直接相關。其中，雖然麥弗遜式懸架的結構簡單，但其直接結果是球鉸鏈所承擔的功能較多，其運動形式和受力也相對復雜。而多連桿式懸架的結構復雜，但相比之下，更多的零件分擔了不同的功能，所以，各自的運動形式和受力也相對簡單。麥弗遜式懸架和多連桿式懸架的擺臂球鉸鏈受力和運動情況如圖10和圖11所示，其它的演化形式，就是在此基礎上增加或者減少運動及受力的方向。穩定桿連接球鉸鏈和轉向拉桿的受力示意圖可見圖12和圖13所示。

圖10 麥弗遜式懸架擺臂球鉸鏈受力和運動

圖11 多連桿式懸架擺臂球鉸鏈受力和運動

圖13 轉向內拉桿球鉸鏈鉸鏈受力和運動

4 阻滯力矩和彈性間隙

作為乘用車懸架系統里重要的運動部件，球鉸鏈必須能夠擺動和轉動。轉動和擺動不是在自由狀態下進行的，因此，球鉸鏈應當具備一定的阻滯力矩，以防止零件的過快磨損，其主要表現為啟動力矩和工作力矩。啟動力矩表征了靜磨損特性，工作力矩表征了動磨損特性。阻滯力矩和球鉸鏈的剛度是緊密相關的，它們之間的關系決定了球鉸鏈的關鍵特性之一的磨損特性，阻滯力矩曲線見圖14所示。

球鉸鏈不僅有擺動和轉動，在力的作用下，還有自身內部球銷相對于原始位置的位移，這種位移在力作用較小時，會受到球鉸鏈自身一定剛度的抵抗，在克服剛度之后球鉸鏈就會相對于原始位置發生位移，在測量時就會反映成球鉸鏈的力位移曲線，如圖15所示。

圖14 阻滯力矩曲線

圖15 力-位移曲線

5 磨損特性

球鉸鏈在汽車行駛過程中，一直處于運動狀態，在不停的擺動和轉動中，同時承受著軸向或徑向力，其結果必然帶來球鉸鏈的磨損。考慮到汽車的使用壽命要求，球鉸鏈的磨損特性就顯得尤為重要。前文已經提到，阻滯力矩，球鉸鏈剛度以及力位移曲線是緊密相關的，它們之間的關系決定了球鉸鏈的磨損特性。而阻滯力矩和剛度主要取決于殼體、球碗和球銷間的匹配、潤滑脂的潤滑特性，以及球碗的材料特性。這幾者之間的關系是各球鉸鏈供應商長時間的數據統計和經驗積累的結果，屬于核心技術機密。球鉸鏈世界頂級供應商采埃孚對于殼體尺寸、球銷球徑和球碗設計要求標準化，并形成了強大的數據庫。在潤滑脂的選擇上，可以從市場采購（如克虜伯公司），為了提高潤滑性能，也有一些企業與潤滑脂供應商聯合開發了一些潤滑性能更優，具有專利的潤滑脂。

磨損特性由于涉及到多個零件，并且都是彈性匹配，用模擬計算來完成比較困難，一般直接用臺架試驗予以驗證。試驗主要通過采集路試中的路譜，迭代后在試驗臺上進行多通道（通道數據球鉸鏈的種類和受力情況而定）的磨損臺架試驗，并施以一定的溫度條件。在試驗之前進行零件彈性間隙，啟動和工作力矩以及剛度的測量，在完成固定的循環次數以后，上述參數的擴大不允許超過一定范圍（范圍值各個整車廠的定義各不相同）。圖16和圖17是某款擺臂式球鉸鏈的溫度條件及路譜信號。磨損試驗臺一般采用專用試驗臺，價格昂貴且利用率低。目前國內已經有企業成功采用通用試驗臺輔以溫度箱搭建磨損試驗臺，可以大大降低試驗設備成本，如圖18所示。

圖16 時間-溫度曲線

圖17 路譜信號

圖18 基于通用試驗平臺搭建的磨損試驗臺

6 密封特性

密封特性也是球鉸鏈的關鍵特性之一。如上文所述，球鉸鏈本身是一個功能性的小總成，一直處于運動之中，且底盤零件工作環境惡劣，會處于污水，粉塵等外界雜質之中。密封一旦失效，球鉸鏈內部會受到外界雜質的滲入，導致較早失效，出現異響、破損乃至脫落和斷裂。大眾等德系整車企業在球鉸鏈供應商的選擇上，幾乎無一例外地選擇其歐洲原配供應商，主要原因在于，國內供應商一般難以滿足球鉸鏈質量及精度要求。球鉸鏈的質量抱怨也經常位于底盤零部件售后抱怨清單的前列，這其中，密封問題首當其沖。

球鉸鏈的密封特性取決于密封罩和底蓋的設計，其中密封罩的設計是關鍵。密封罩的設計主要是指密封唇的設計以及密封罩的材料和工藝，即橡膠配方和混煉。圖19是一款典型的密封罩的設計方案，采用多唇式密封設計，密封唇的設計目前在國內已經比較成熟。密封罩的材料和工藝成為關鍵因素，表格2是某款密封罩氯丁橡膠材料的部分性能要求。國內橡膠密封和減震件企業起步較晚，技術水平仍有待發展。采埃孚等外資企業的密封罩使用進口產品或者歐洲原配在中國的子公司生產的產品，可見其對密封罩質量的重視。

圖19 密封罩

表2 氯丁橡膠材料部分性能要求

密封特性通過密封相關試驗來進行驗證，目的是驗證在載荷和環境條件下球鉸鏈的密封特性。試驗項目有：密封罩功能試驗、環境模擬試驗、高壓噴射試驗、底蓋壓出試驗和底蓋密封試驗等。其中環境模擬試驗是最難通過的試驗，也是一項綜合性考察試驗，在一定溫度范圍內（以使橡膠在溫度條件下老化），在鹽水的噴射條件下，進行若干循環模塊的試驗，試驗條件非常苛刻。圖20是某球鉸鏈在環境模擬試驗前后的對比。

7 開發試驗大綱總結

表3 球鉸鏈開發試驗大綱

根據以上論述，球鉸鏈試驗驗證大綱可以總結為表3。各個整車廠都有自己的研發標準和各自不同的載荷輸入，但是試驗驗證項目大體類似。以上都是臺架驗證，各整車廠還會增加整車耐久和環境路試予以考察，在實踐當中，出現通過臺架驗證，但是在整車路試中出現各種問題的情況也并不鮮見。特別是對于密封特性，在外界極端條件下，也會出現橡膠老化等各種原因帶來的密封失效。

8 結語和展望

輕量化是汽車技術發展的熱點之一，整車輕量化是通過各個子系統的輕量化來實現的，球鉸鏈自身也有著輕量化的需求，車用材料和工藝的不斷發展，為輕量化提供了更多的手段。由鋼板和套筒焊接而成球鉸鏈殼體，見圖21所示，球鉸鏈整體減重8%。

集成化也是發展方向之一，圖22所示的球鉸鏈是集成到轉向節里面，減少了殼體和部分安裝螺栓。集成化可以減少整車廠的裝配過程，減少裝配所帶來的風險；集成化減少裝配所需要的螺栓等零件，必然會帶來輕量化的效果，降低整車成本。

圖21 鈑金沖壓焊接球鉸鏈

圖22 轉向節集成球鉸鏈

此外，由于球鉸鏈屬于一個彈性小總成，CAE分析在開發過程中使用困難較大，目前大多僅用于靜態力和密封罩運動變形分析，在磨損和密封特性這兩個關鍵特性分析中尚無法使用，隨著CAE分析手段的豐富和發展，未來或許能在上述磨損和密封特性中使用，以大幅降低開發和試驗成本。

[1] 大眾集團球鉸鏈開發標準-TL82526.

Development of passenger car chassis ball joint

Dong Peng

( Shanghai Huizhong Automobile Manufacturing Co., Ltd., Shanghai 200000 )

Ball joint is an important part of chassis suspension of passenger car, its main function is: bear and transfer load; steer and guide; support and link parts like stabilisator and control arm. Its movement and stress are complex; ball joint is a metal and non-metal assembly, so it needs precise matches of sub-parts. Because of the structure and environment the sealing and wear characteristics should be considered in design. This paper discusses the structure variety of ball joints in different passenger car chassis forms, material of sub-parts, load and test outline, provides a frame guide for this part development.

ball joint; passenger car chassis;wear; sealing

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1671-7988(2018)20-141-04

U463.1

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董鵬，就職于上海匯眾汽車制造有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.052