淺談鎂鋁合金擺臂球銷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙月剛

（保定市格瑞機(jī)械有限公司，河北 保定 071000）

1 鋁合金球銷座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工藝要求

鋁合金球銷座在車輛行駛過程中，不僅要承受扭轉(zhuǎn)力矩，還需要承受機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過程中的彎曲力矩與壓力，所以對球銷座結(jié)構(gòu)的抗壓、抗拉、抗變形、抗彎能力都有著較高的要求，這樣才能保障球銷座的穩(wěn)定性與可靠性。例如，案例車型在球銷座的設(shè)計(jì)上選擇鋁合金為原材料，通過機(jī)械加工，加工后需要進(jìn)行100%探傷[1]。

1.2 毛坯選材、工藝、處理

機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中所經(jīng)過的路面平整度無法控制，處于顛簸路段上設(shè)備會產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊力，這種力直接作用到球銷座上會轉(zhuǎn)化成巨大的壓力、扭矩以及拉力，脆弱的球銷座可能出現(xiàn)折段或部件開裂的問題。

因此，在設(shè)計(jì)上，原材料的選擇十分重要，要具備抗沖擊、韌度、耐磨、抗疲勞等性能，所以最好選擇鋁合金材質(zhì)或40Cr為原材料。

在進(jìn)行毛坯生產(chǎn)過程中，為了可以實(shí)現(xiàn)大量投產(chǎn)，加工精度不出現(xiàn)誤差，機(jī)械加工中需要留取加工余量，通過模鍛制造的方式，先將胚料制作成球銷座的形狀，在利用模鍛控制其統(tǒng)一性。

毛坯需要經(jīng)過熱處理，但是在處理過程中不能改變工件形狀以及整體結(jié)構(gòu)的化學(xué)成分，要通過對工件內(nèi)部顯微組織的改變、表面化學(xué)成分的改變，對球銷座的性能進(jìn)行改善，盡可能的降低殘余應(yīng)力。

1.3 鋁合金球銷座機(jī)加工

加工過程首先要選擇球銷座的基準(zhǔn)面，盡量選擇精加工的基準(zhǔn)面，如果不存精加工，要在加工前做好處理，能夠?yàn)楹罄m(xù)的加工提供精加工基準(zhǔn)面；精加工完成后，需要進(jìn)入到機(jī)加工階段，這部分包括球座孔、安裝面、安裝孔等內(nèi)容，需要通過粗加工與精加工兩部分來完成，但是最重要的是保障鋁合金球銷與球銷座孔的匹配。

1.4 表面處理

由于機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中，底盤會長時(shí)間處于污濁狀態(tài)，大量的泥沙等附著物會掩蓋球銷座，而且還有大量濕氣長時(shí)間氧化球銷座的金屬表面，所以無法保障球銷座的清潔，但是必須保障其金屬面具有抗腐蝕的能力，這樣才能保障其靈活性。因此，可以通過電泳、電鍍合金等方式對球銷座的表面進(jìn)行防腐處理。

2 球銷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文章通過對兩種球頭銷結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，借助有限元工具對結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體的解析，從而獲取可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)，保障球銷設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性。

具體的步驟為：

（1）對球銷模型進(jìn)行簡化處理，處理過程中去除掉模型的球頭銷與球銷座兩者之間的襯套、塵罩、卡簧，修改球銷座數(shù)模完成后，將襯套利用金屬進(jìn)行代替與球銷接觸，并將壓蓋與球銷座合成為一體，截?cái)嗬瓧U；

（2）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分。考慮到結(jié)構(gòu)內(nèi)部的對稱性，通常會將鋁合金球銷分成五面體或六面體的球狀網(wǎng)格；該球銷座由于本身不具備對稱性，通常劃分成四面體網(wǎng)格；拉桿與焊道通常會被劃分成六面體環(huán)狀網(wǎng)格，如圖1所示；

（3）確定材料屬性，彈性模量為E=2.1E5、泊松比為u=0.3；

（4）確定邊界條件，球銷與整車的連接需要使用到螺母，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析過程中可以利用相應(yīng)接觸與預(yù)載代替螺母進(jìn)行球銷連接部位預(yù)緊，然后對支架側(cè)邊進(jìn)行相應(yīng)的約束；拉桿屬于二力桿范疇，在處理過程中斷面處加載總大小為2500N的分布力，并建立球銷與球銷座接觸面；

（5）結(jié)果計(jì)算與分析。計(jì)算主要依據(jù)馮·米賽斯的von Mises屈服準(zhǔn)則對圖1中A1與A2兩個(gè)部位的最大von Mises應(yīng)力（基于剪切應(yīng)變能的一種等效應(yīng)力）進(jìn)行計(jì)算，A1部位的最大von Mises應(yīng)力為457.5MPa、A2部位的最大von Mises應(yīng)力為664.5MPa。

基于計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)要先明確結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，例如，A1部位需要螺母安裝臺階，中間有凸緣，這會對應(yīng)力分布產(chǎn)生影響，多一次應(yīng)力集中，所以，A1變截面設(shè)計(jì)中，位置1直徑要大于位置2，并且距離荷載施加處的距離要長于位置2，這樣才能保障A1結(jié)構(gòu)中兩個(gè)位置的表層的最大應(yīng)力基本相同。

圖1 網(wǎng)絡(luò)劃分

3 結(jié)語

綜上所述，鋁合金球銷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到機(jī)械設(shè)備操作的穩(wěn)定性、可靠性與安全性，還會對形式設(shè)備的舒適性與平順性起到?jīng)Q定性的作用，所以球銷是機(jī)械動力設(shè)備的關(guān)鍵組成部件，其作用不可替代，在設(shè)計(jì)過程中，必須合理的進(jìn)行尺寸的控制、選擇合理的材料、滿足設(shè)計(jì)要求，保障應(yīng)力分布均勻，增強(qiáng)與設(shè)備使用性的匹配性，從而保障設(shè)計(jì)質(zhì)量。