控制臂球銷總成裝配力學數值模擬及結構改進

馮翠云

（桂林信息科技學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著現代汽車工業快速發展，汽車質量、汽車的安全性、舒適性等日益受到重視[1]。控制臂是汽車底盤運動和承載的主要導向零部件,在汽車懸架系統中，球銷總成連接控制臂與轉向節[2]。汽車控制臂是懸架的導向和支撐，其變形影響車輪定位，降低行車穩定性。而球銷的作用是和控制臂進行配合起到穩定車身和輔助轉向的作用，是汽車轉向系統中的一個關鍵零件，其回轉力矩、擺動力矩大小和拔脫力的大小直接影響汽車的駕駛舒適性和安全性[3]。本文基于有限元數字模擬方法，模擬控制臂球銷總成在不同裝配過盈量條件下回轉啟動力矩、工作力矩和擺動力矩的變化，最后確定其合理的裝配過盈量，以縮短設計周期和成本，并給出裝配過盈量與力矩之間的關系。

1 控制臂球銷總成模型建立

控制臂球銷總成結構如圖1所示。因為有限元分析只分析球銷與球銷座和殼體之間在不同過盈量條件下，球銷的回轉啟動力矩、工作回轉力矩和擺動±19°范圍內的力矩，所以對控制臂球銷總成進行簡化，刪除與分析無關的控制臂本體、防塵罩等零件便于提高計算效率，簡化后的模型用CATIA 軟件建立球銷總成三維模型如圖2 所示。球銷總成設計技術要求是：啟動力矩小于等于8 N·m，工作旋轉力矩控制在0.5～4.0 N·m之間；在±19°范圍內工作擺動力矩控制在0.5～4.0 N·m之間，如表1所示。

表1 球銷總成設計技術要求

圖1 控制臂球銷總成

圖2 球銷總成模型

2 球銷總成裝配過盈量方案設定

影響球銷的力矩大小的主要因素有材料屬性、接觸摩擦因數、裝配過盈量大小等3個主要因素。材料屬性和接觸摩擦因數可以通過廠家提供的材料手冊或者實驗得到其屬性，但是裝配過盈量大小產生的壓力很難通過手動計算獲得，且球銷在旋轉和擺動過程中的力是變化的，傳統的計算公式很難獲得準確的結果，因此需要借助有限元的方法進行計算來獲得應力大小和力矩。球銷裝配尺寸為φA值，初步設定過盈量為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 mm 五種裝配關系，模型如圖3所示。

圖3 球銷過盈量裝配

3 球銷總成力矩有限元分析

3.1 材料屬性

殼體材料采用20鋼，材料力學性能為：彈性模量E=2.13×105MPa，泊松比μ=0.282；球銷座材料采用POM，彈性模量E=2.6×103MPa，泊松比μ=0.386；球銷材料采用40Cr，彈性模量E=2.11×105MPa, 泊松比μ=0.277，如表2所示[3-5]。

表2 球銷總成材料力學性能

3.2 球銷總成分析模型建立

將簡化后的球銷總成三維模型導入ABAQUS軟件中，建立簡化后力學模型（如圖4）。因為蓋板不是分析的主要對象，為了提高計算效率，刪除蓋板做簡化處理，殼體外圈固定約束。在進行數值模擬計算時，在球頭中心處設置參考點，球銷桿部位與參考點進行耦合設置，在參考點施加旋轉載荷和擺動載荷[6]。在ABAQUS軟件分析計算時，采用通用靜力學分析步計算，建立好分析模型，輸入材料特性，設置好5種工況。在殼體和球銷座接觸部位設置好過盈量為0.05、0.10、0.15、0.2、0.25 mm五種裝配關系的分析步。

圖4 簡化計算受力模型

3.3 球銷座改進前模擬計算結果分析

球銷座改進前模型采用內部淺槽結構，槽子深度為0.25 mm，中間繞軸線槽寬2.5 mm，6個均勻分布槽子寬為1 mm，深為0.25 mm，如圖5所示。模型導入ABAQUS軟件，單元采用C3D8R，共19 050個六面體單元（如圖6）。按照過盈量為0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 mm五種裝配關系，旋轉和擺動±19°進行加載求解，球銷的啟動力矩和擺動力矩如圖7所示。圖7中橫坐標時間從0到1階段為球銷啟動力矩曲線，1到2階段為工作旋轉和擺角從0°到19°力矩曲線。在裝配過盈量為0.05 mm時，球銷啟動力矩為5.51～5.70 N·m，在0°～19°擺角工作范圍內球銷力矩為3.07～4.34 N·m；在裝配過盈量為0.10 mm時，球銷啟動力矩為5.10～8.39 N·m，擺動工作力矩為4.60～6.57 N·m；在裝配過盈量為0.15 mm時，球銷啟動力矩為7.24～7.53 N·m，擺動工作力矩為3.45～4.95 N·m；在裝配過盈量為0.20 mm時，球銷啟動力矩為5.71～6.69 N·m，擺動工作力矩為3.30～5.21 N·m；在裝配過盈量為0.25 mm時，球銷啟動力矩為6.01～6.59 N·m，擺動工作力矩為3.71～4.35 N·m；從圖7中數據分析可以獲知，過盈量取0.05 mm時，旋轉啟動力矩最大為5.70 N·m，符合旋轉啟動力矩小于8 N·m的技術要求，但是擺動工作力矩4.34 N·m超出了擺動工作力矩小于4 N·m的技術要求；其他0.10、0.15、0.20、0.25 mm均不符合技術要求。從圖7中可以獲知，過盈量從0.15、0.20、0.25 mm變化時，力矩不是升高的，反而下降了。其原因是球座發生了塑性變形，其局部應力超過了屈服強度60.6 MPa，導致力矩下降，最終產品磨損會加快，其使用壽命降低，0.25 mm過盈量應力云圖如圖8所示。

圖5 改進前球銷座結構

圖6 球銷總成有限元模型

圖7 旋轉啟動和擺動工作力矩曲線圖

圖8 0.25 mm等效應力云圖

4 球座結構改進有限元分析

4.1 球銷座結構改進

1）原始設計方案球銷啟動和擺動工作力矩過大，超出產品的技術要求，因此需要對其進行結構改進。影響球銷啟動力矩和擺動力矩的主要因素是：摩擦因數、球銷座結構和裝配過盈量。而摩擦因數越小，球座磨損就越小，球座內部加注潤滑劑摩擦因數取0.05，但是啟動力矩和擺動力矩還是超過了啟動力矩小于8 N·m和擺動力矩小于4 N·m的技術要求，因此只能對球銷座進行結構改進。改進后的球銷座設計6條貫穿的槽，槽寬為1.1 mm，中間環形槽的槽寬為2.5 mm、槽深為0.5 mm，目的是殼體和球銷座過盈配合時，球銷座開口槽可以容納一定的球銷座的彈性變形量，避免球銷座產生過大的塑性變形，加速球銷座的磨損，導致其壽命降低，改進后的球銷座如圖9所示。

圖9 改進后的球銷座模型

4.2 球銷座改進后模擬計算結果分析

球銷座結構改進后的模型導入ABAQUS軟件，單元采用C3D8R，共22 052個六面體單元，如圖10所示。球銷座改進后的結構與殼體按照過盈量為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 mm五種裝配關系設定邊界條件，旋轉和擺動±19°進行加載求解，得到球銷的啟動力矩和擺動力矩如圖11所示。圖11中橫坐標時間從0到1階段為球銷啟動力矩曲線，1到2階段為從0°到19°擺角力矩曲線。在裝配過盈量為0.05 mm時，球銷啟動力矩為3.82～3.99 N·m，在0°～19°擺角時球銷力矩為1.52～2.21 N·m；在裝配過盈量為0.10 mm時，球銷啟動力矩為5.65～5.85 N·m，擺動力矩為2.22～3.59 N·m；在裝配過盈量為0.15 mm時，球銷啟動力矩為6.38～6.58 N·m，擺動力矩為2.35～3.69 N·m；在裝配過盈量為0.20 mm時，球銷啟動力矩為6.39～6.52 N·m，擺動力矩為2.14～4.12 N·m；在裝配過盈量為0.25 mm時，球銷啟動力矩為5.81～6.12 N·m，擺動力矩為1.60～4.69 N·m。從圖10中數據分析可以獲知，過盈量取0.05、0.10、0.15 mm 時，球銷啟動力矩最大值分別為3.99、5.85、6.58 N·m；擺動最大力矩分別為2.21、3.59、3.69 N·m均滿足啟動力矩小于8 N·m和擺動力矩小于4 N·m的產品設計技術要求。但過盈量取0.20 mm和0.25 mm時，球銷啟動力矩分別為6.52 N·m和6.12 N·m；擺動力矩最大為4.12 N·m和4.69 N·m，超出技術要求小于4 N·m的要求，且旋轉力矩出現不升高、反而下降的現象。其原因是球座發生了塑性變形，其局部應力超過了屈服強度60.6 MPa，導致力矩下降，最終產品磨損會加快，其使用壽命降低。因此，控制臂球銷座與殼體的合理過盈量控制在0.05～0.15 mm之間比較合理。球銷啟動力矩和擺動力矩均滿足啟動力矩小于8 N·m，擺動工作力矩小于4 N·m的技術要求，并且球銷座的變形控制在彈性變形范圍內，設計合理。過盈量為0.05 mm和0.1 mm的應力圖如圖12、圖13所示，應力為59 MPa和59.5 MPa，小于屈服應力60.6 MPa，產品實物如圖14所示。

圖10 球銷總成有限元模型

圖11 旋轉啟動和擺動工作力矩曲線圖

圖12 0.05 mm等效應力云圖

圖13 0.1 mm等效應力云圖

圖14 產品實物圖

5 結論

控制臂球銷總成受力復雜，僅進行靜力彈性階段的分析不符合實際工況，還需要考慮材料彈塑性變形因素，以及旋轉和擺動動態工況下的力矩變化。對零件進行動態全程工況分析，應用ABAQUS軟件進行旋轉和擺動全過程模擬分析，獲得球銷座和殼體之間過盈配合量大小與啟動力矩和工作力矩的曲線關系圖，以及各工況產生的最大應力。根據分析結果對球銷座進行結構改進，最終獲得最佳的結構和裝配過盈量控制在0.05～0.15 mm之間，摩擦因數取0.05是比較合理的。最后，通過產品試制測試表明，數值模擬計算和試制產品測試結果基本一致，改進后的零件結構設計合理，為類似產品結構設計，提供了可以借鑒的設計新思路和新方法。