汽車球關節結構在實際應用中的失效類型分析

王小立　周懷朗　張凡

摘 要：球關節被廣泛應用于車輛底盤轉向及懸架系統，連接兩個有較大相對轉動或擺動的不見，例如轉向拉桿球關節、連接桿球關節以及擺臂球關節等。球關節一般屬于安全件，安裝在關鍵部位，其失效往往是由于細節的設計不當造成的。本文針對球關節的特征，分析了其失效模式，為球關節失效問題分析及改進提供了相關依據。

關鍵詞：球關節 失效 扭矩 松曠

1 引言

目前很多車型前懸架系統采用的是麥弗遜式懸架，車輛在轉向、剎車、和顛簸路面等不同工況下，底盤部件之間，如轉向橫拉桿和轉向節，擺臂與制動器，穩定連接桿和穩定桿等，在此類具有較大相對轉動或擺動的位置，一般由球關節連接，如圖1。[1]

2 球關節的主要結構類型

球關節以結構不同可分為：球頭球銷型和球面球銷型，如圖2。球面銷型球關節和橡膠（套管）襯套外部結構類似;但球面銷剛度大，旋轉角大，耐久性高，無噪音，對車輛的操控、舒適性能好;但成本較高，故目前中高端車使用球關節的頻率很高;而低端小車對車輛性能的要求不高，往往在連接桿系統中采用橡膠套管襯套代替球關節。

球頭球銷型與球面球銷型都是由球頭銷（球面銷）、球座、蓋板（壓圈）、殼體以及防塵罩構成，如圖3。

球銷的裝配過程，先將球銷裝入球座內，將裝配好的球銷球座從殼體底部裝入殼體內，蓋上蓋板，用鉚壓方式鉚緊蓋板，最后在球銷上部裝配防塵罩。

從材質上來說，球頭銷或球面銷一般采用40Cr（Mo），球座采用POM-A，蓋板采用 ST12/08F/SPCC;防塵罩采用CR，緩沖墊采用PUR材料。

球關節性能的主要是球銷與球座之間的油脂決定，選擇適合的油脂才能保證球關節良好的使用性能。

3 球關節常見失效模式及分析

目前汽車上所使用的球銷，失效形式有易磨損、易松曠、力矩易喪失的缺陷，輕則導致汽車異響、偏行、滑移、擺振，影響汽車各系統零件的運動干涉，降低制動效能，破壞幾何布置，如前輪前束、懸架及轉向系統等零件的損壞，使汽車操縱不穩、輪胎磨損加快，導致整車的安全系數降低，燃油消耗增加;重則造成汽車操縱失靈，導致嚴重的交通事故和重大人員傷亡及巨大的財產損失。[5]

3.1 球銷松曠

球銷松曠是球關節最常見的失效模式，也是造成底盤異響的一項重要因素。造成球銷松曠的最主要原因是球座非正常狀態磨損。

球銷在正常狀態下，都有一定的工作扭矩，而該扭矩就是通過球銷內部摩擦力來決定的。而如之前所說，對總成性能起決定作用的是球銷——球座運動摩擦副。 也就是說，由球銷和球座的材料、結構尺寸和潤滑條件等因素所決定的摩擦副的摩擦磨損特性，就是球接頭總成最重要的使用性能。

通過對報廢零件進行分析，以及對路試實驗進行統計，球座磨損主要有兩種原因：防塵套密封性不良;球銷與球座安裝間隙超出設計范圍。

3.1.1 防塵套密封性不良

防塵套密封性不良，導致灰塵和泥水混入球銷內部，球座采用POM-A，耐磨性差，對摩擦面粗糙度要求很高。泥水灰塵混入球銷內部與油脂混在一起，灰塵顆粒與泥水大大降低了油脂的潤滑性，導致球座在短時間內被迅速磨耗掉。如圖4所示。

防塵套密封性不良，一般有兩種原因：一是由于防塵套受到外部破壞，出現縫隙或缺口;二是由于防塵套設計不合理，使得防塵套上唇口壓緊力不足，當球銷擺動到極限位置時，防塵套上唇口與球銷間就會出現間隙，如圖5。

對于由于壓緊力不足而導致防塵套失效的球關節，一般來說采取變更設計方案，增大唇口的壓緊力，同時保證防塵套有足夠的運動空間。

通過對現場處理方式的采集，一般球銷設計人員，都會采取改變球銷運動時防塵套受力范圍的方案。在球關節的工作過程中，防塵套會隨著球銷的擺動而產生變形，而橡膠的壽命是隨著擺動次數和擺動頻率而降低的。防塵套唇口屬于整個結構的薄弱部位，設計人員一般會選擇讓整個防塵套的運動位置盡量遠離唇口，使球銷在擺動過程中，防塵套唇口部位盡量不產生變形，從而延長其使用壽命。

而對于防塵套收到外部破壞這一方面，由于防塵套與殼體的安裝位置，一般是采用金屬卡圈進行固定，由于金屬卡圈位置及狀態不合理，會出現金屬卡圈端頭戳破防塵套。

對于這類失效原因的處理，目前設計金屬卡圈時都要求卡圈端部進行圓角打磨處理，另外，卡圈安裝好之后，端部要求向外折出一定角度，防止卡圈內折擠壓防塵套。

3.1.2 球銷與球座裝配間隙超出規范值

球銷設計有相應的軸向間隙與徑向間隙，一旦間隙超出該范圍會造成球銷非正常運動，球座不僅受到摩擦力，還受到球銷的撞擊力作用;而間隙過小，則會導致摩擦力過大，使球座非正常磨損。

另外，球關節的設計步驟一般為：計算球關節處的應力;確定擺動角度與旋轉角度;選用球頭直徑與類型;校核球頭強度;調整啟動扭矩與工作扭矩;確定防塵套的設計;實驗驗證。

除了以上兩種原因以外，當實際載荷大于設計載荷，以及油脂選擇的不合格，也會導致求關節異常磨損，導致球頭松曠。

3.2 斷裂

斷裂現象多數發生在連接桿上。穩定桿連接桿的殼體和連接桿是采用電阻焊，低溫狀態下，殼體與連接桿焊接處常發生斷裂。如圖6。

主要原因是球關節實際扭矩過大造成的。主要是由于油脂沒有起到良好的潤滑作用，使得球銷工作是的部分作用力被傳遞到連桿中間最薄弱的部位，導致彎折。

解決方案有更換油脂或球座材料，改變設扭矩。

4 結論

球銷是保證汽車操縱的穩定性，行駛平順性、舒適性、安全性及使汽車正確、準確行駛的關鍵零部件，使用可靠，性能好，目前在汽車底盤系統上被廣泛采用。

本文分析了目前球關節產品的結構形式以及失效形式，簡明扼要的表述了其失效的原因，以及常用的改善方式，指出改善摩擦副的潤滑和防塵條件是延緩磨損、提高球頭使用壽命的最方便和有效的途徑，為球關節結構失效設計及質量改進提供了理論依據。

參考文獻：

[1]劉惟信.汽車設計[M].北京：清華大學出版社，2001.

[2]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2003.

[3]車用球關節結構[P].中國：CN2921424Y，2006.

[4]顧恒教.轉向拉桿球接頭使用性能的研究[J].汽車技術.1988（6）：55-59.

[5]唐正北，王忠海. 汽車球銷設計研究[J].科技創新與應用，2012（9）：25.