汽車控制臂多材料高精控溫補償加熱方法研究

摘要：汽車轉向控制臂是連接轉向節和副車架的關鍵零部件，其球鉸鏈關節的扭矩是影響汽車行駛安全性和舒適性的關鍵特性。球鉸鏈關節球銷的材料為40Cr，球座的材料為POM，臂體的材料為鋁、鍛鋼或者鑄鐵，每種材料的導熱性不同。為了使球鉸鏈關節得到合適的球鉸鏈工作扭矩，需要通過加熱使球座發生“蠕變”變形。因此，加熱溫度的控制在控制臂的制造過程中就顯得尤為重要。從感應加熱工藝出發，研究了感應加熱參數隨環境溫度變化進行補償的溫度控制方法。通過試驗驗證，環境溫度在-10～40℃變化時，使加熱目標溫度的波動范圍保持在±3℃以內，提高了感應加熱溫度的穩定性，保證了產品的扭矩特性。此方法極大地提高了加熱的效率和溫度準確性。

關鍵詞：控制臂；球鉸鏈；蠕變；感應加熱；溫度補償；溫度控制

控制臂是汽車懸架系統內的重要零部件，而球鉸鏈關節是控制臂上的關鍵運動副。汽車底盤控制臂工作原理：汽車控制臂是連接車輪和副車架的一個導向機構，對于獨立懸架，左右車輪不是用整體式車橋相連接，每側車輪可單獨上下運動[1]。根據導向機構結構不同的特點，控制臂可以分為上控制臂、下承載控制臂和下拉伸控制臂，如圖1所示[2]。

球鉸鏈的扭矩直接影響汽車運動的安全性和舒適性。球鉸鏈的旋轉扭矩過小，將導致控制臂早期磨損、懸架異響等結果；旋轉力矩過大將導致相連運動部件承受過大載荷，導致連接件結構損壞、轉向角度和目標值偏移、異響等事故。

因此，為了得到合適的球鉸鏈扭矩，加熱溫度的控制至關重要：溫度過低將無法使球座發生蠕變變形，導致球銷運動無法達到合適的扭矩；溫度過高，則將會使球座熔化，失去球座承受載荷的功能。因此，傳統的烘箱加熱方案固然可靠，但是其加熱時間長，能源效率非常低。因此，高頻感應加熱技術的開發對于提高球鉸鏈加熱的效率提升至關重要。

以某T型車的上控制臂為例，球鉸鏈結構：控制臂上的球鉸鏈由三部分組成，分別為球銷、球座和殼體，如下圖2所示[3]。球銷的材料為40Cr，球座的材料為聚甲醛，臂體的材料為球磨鑄鐵。球鉸鏈的關鍵特性指標是球銷的旋轉和擺動的力矩，對于這款產品旋轉和擺動力矩要求為0.5～3.5N·m[4]。

為了達到其力矩要求，需要在球銷裝配完成后對整個球鉸鏈進行加熱，消除裝配過程中的內應力。傳統的加熱工藝為烘箱加熱，即將需要加熱的零件放入烘箱內，設定所需的溫度和保溫時間，通過電熱絲進行加熱。由于臂體和球銷都是金屬材料，所以可以使用高頻電磁感應加熱的方式對球銷和鉸鏈分別進行加熱，從而使整個鉸鏈關節受熱，實現內應力的去除，達到使用要求的扭矩的目的[5]。

為了實現通過電磁感應加熱的精準控制產品溫度，并對環境溫度的補償的目標，本文以某T型車的U形上控制臂的為研究對象，設計了一套自動溫度補償系統，包括整體方案、硬件及結構、主要機械硬件單元和控制系統。在不同溫度下，對零件感應加熱后的溫度進行驗證，能夠實現感應加熱的溫度控制與補償，滿足實際大批量生產中對加熱溫度精確、加熱速度快及能源效率高的要求。

由于環境溫度的不同，被加熱工件的初始溫度不同，使用相同感應加熱功率無法滿足被加熱物體的最終溫度一致性，故對感應加熱的溫度補償方法展開研究。工廠車間內，夏天的環境溫度在35℃左右，冬天的環境溫度為 ，一年之中的環境溫度最大差異為30℃左右。對于產品的目標溫度需要控制在±5℃內，環境溫度的巨大波動將給感應加熱的目標溫度帶來巨大影響。

因此，結合工程理論，利用溫度試驗方法，建立感應加熱功率對環境溫度的補償模型，進行感應加熱 的溫度補償的研究對于產品力矩特性的穩定有著關鍵作用。

試驗設計方案

本試驗方案基于某T型車的U形上控制臂關節的加熱工藝，加熱的目標溫度為120～140℃，根據實際的力矩情況選定所需要的加熱溫度。為了滿足精確、快速、高效且穩定的加熱要求，試驗的總體方案如下：分別使用不同的功率對零件進行加熱，通過分析加熱功率和目標溫度之間的數學關系，得到在相同環境溫度下，目標溫度隨加熱功率的變化關系。由于環境溫度會存在差異，在測試時的環境溫度需要被記錄，并作為溫度差異的比較基準，在此基礎之上進行功率補償。

在這個試驗中，選擇使用K型熱電偶進行測溫。K型熱電偶是由兩根不同的金屬線組成，通常由鎳鉻合金作為正極，鎳鋁合金作為負極，K型熱電偶具有靈敏度高、線性度好、穩定性好的特點，能夠直接測量0～1300℃的各種溫度[6]。

熱電偶通過碰焊機焊接在球銷上，另外一側連接測溫儀，形成一個閉合回路，熱電偶在受到溫度影響后兩根導線直接會產生熱電勢差，測溫儀通過測量其電壓差計算得到溫度。碰焊機（見圖3）使用是MESSI TL-WELD（S），將熱電偶焊接到被測工件上（見圖4和圖5）。測溫儀選用的是HOKI LR8431-30（見圖6），對球銷和臂體的溫度進行測量。加熱機構及電磁感應加熱及控制系統如圖7所示。

試驗數據

1.加熱線圈高度的選定

由于感應線圈的位置直接影響加熱的效果，為了達到較好的溫度一致性，在球頭的頂部、赤道和底部三個位置分別焊接三個熱電偶，用以測量三個點的溫度，如圖8所示。本試驗的要求為：在加熱完成10s后，這三個測溫點的溫差需要在5℃以內。在相同加熱時間和加熱功率的工況下，通過調整線圈高度，使三個點的溫度達到要求。在本次試驗中，選用的加熱時間為7s，加熱功率為5%，加熱電源的額定功率為40kW，測得數據見表1。

根據測溫數據所得，線圈在伺服位置70mm和85mm的位置時，球頭上的三個點的溫度差均會超過5℃；在75mm的時候，三個點的溫度一致性最好，于是選定加熱線圈的高度為75mm。

2.加熱溫度的測定

球頭三個點的溫度存在一定差異，且球銷和球座的裝配是在加熱完成10s之后完成，于是選擇加熱完成10s后的球銷中間位置的溫度作為溫度研究的對象。通過圖9所示烘箱或者冰箱將球銷加熱或冷卻至一定溫度，實現對不同環境溫度的模擬，從而測定溫度數據，測得數據見表2。

3.加熱補償模型的建立

根據以上數據進行線性擬合，得到溫度差-加熱功率的關系曲線，如圖10所示。

根據線性擬合結果，得到公式

P=0.0352Δt+0.2053" " " " " " " " " （1）

取0.0352為當前產品的功率因子k；由溫度傳感器測得的當前實時溫度為t；在溫度測試的序列內，取球銷的起始溫度為t0；加熱功率作為其基礎功率為P0；目標溫度為T。

通過推導和計算可以得到功率隨環境溫度的變化公式為

P=P0+k（t0－t）" " " " " " " " " " （2）

帶入功率因子得到實際功率P

P=P0+0.0352（t0－t）" " " " " " " "（3）

目標溫度T

T=t+（P－0.2053）/0.0352" " " " " " " "（4）

P0和t0為設定值，在測試數據內選定合適的目標溫度，即加熱完成10s后的溫度作為目標溫度。P0為在測試時加熱使用的功率，t0是在測試時的環境溫度。溫度傳感器將采集到環境溫度t發送給PLC，PLC可根據公式自動計算得出實際需要的功率P，然后把功率信號發送給電源控制器，電源控制器根據獲得到的信號，進行功率輸出，對零件進行加熱，實現了通過功率自動補償環境溫度的差異，準確控制了目標溫度，如圖11所示。

4.溫度驗證

使用不同的初始溫度進行正常加熱和補償加熱對比，數據見表3，溫度曲線如圖12所示。

在不同的初始溫度下，使用因子補償加熱后，加熱后溫度趨于穩定。

結語

在控制臂的鉸鏈關節處涉及多種材料，為了能夠使POM發生穩定的蠕變變形，必須保證關節處溫度的穩定性。根據試驗所得數據，建立了溫度補償的數學模型，提出了對于在同一位置包含多種材料且不規則形狀在不同環境溫度下的加熱功率補償方法，實現了對環境溫度的自動補償，使最終的加熱溫度后的溫度波動范圍縮小在±3℃以內，將此加熱方法應用到實際生產中，大大提高了產品生產效率。

參考文獻：

[1] 馬梅艷. 轎車控制臂總成的開發設計方法研究[D]. 上海：上海交通大學，2008.

[2] 王玉潔，于義長，易斌.基于架構開發的汽車懸架控制臂優化設計[J]. 汽車工程師，2020（10）：27-31.

[3] 王惠奇. 懸架球鉸鏈優化設計[J]. 現代零部件，2014（3）：76-78.

[4] 馮翠云. 控制臂球銷總成裝配力學數值模擬及結構改進[J]. 機械工程師，2023（10）：1-3.

[5] 鮑雨梅. 汽車球鉸的力學性能分析[J]. 浙江工業大學學報，2019，46（6）：619-624.

[6] 陳清清. K型熱電偶高溫特性的研究[D]. 浙江：中國計量大學，2021.