浅谈球头关节轴承的结构设计

林强

摘要：球头关节轴承是各类车辆不可或缺的零部件，在车辆转向系统中发挥着重要的功能，其可靠性是影响车辆行驶安全性的重要因素。为提高车辆转向系统的可靠性、安全性，促进安全行车，本文对球头关节轴承的结构特点进行了分析，并探讨了球头关节轴承的设计方法。

关键词：球头关节；轴承；结构设计

随着各类车辆的增多，交通事故的数量也明显上升，安全行车得到了越来越多的关注。球头关节轴承作为影响车辆运行安全的重要部件，其结构设计也引起了更多的重视。根据球头关节轴承的结构特点，其在设计时应当从材料选择、球销设计、球座设计等角度出发，综合考虑，并科学计算摆角、预紧力等设计参数。

1.球头关节轴承的结构解析

1.1.球头关节轴承的具体结构分析

车辆中使用的球头关节轴承有很多种，以SQ14F-RSZ/K球头关节轴承（属弯杆型）为例，该球销、球座与衬垫相当于自润滑向心关节轴承的内圈、外圈及衬垫。球头与衬垫形成滑动摩擦副，实现转动与摆动，传递载荷，如下图1所示。

图1 SQ14F-RSZ/K球头关节轴承

其中，1-球座，2-防尘罩，3-密封罩，4-球销，5-螺母，6-外衬垫，7-内衬垫，8-端盖。

1.2.球头关节轴承的常见失效形式

球头关节轴承应具有很好的工作性能，比如具有良好的强度、良好的刚度、较强的耐磨性以及较强的可靠性等。如果球头关节轴承在正常使用中发生失效情况，往往会引起难以预料的安全事故，从大量的失效案例总结得出，球头关节轴承失效形式较为常见的有：①球销颈部位置产生部分裂纹或者断裂现象，一旦汽车遇到不好的路况时，汽车悬挂的震动幅度增大，这时如果球销的摆动幅度大于其最大极限摆角，那么就会与球座产生干涉现象，球销在反复作用力和摩擦作用下，颈部会出现裂纹或划痕，最终发生断裂，导致汽车转向系统失效，转向功能行使不了。②衬垫出现磨损状况时可能会导致球头的松懈，丧失摩擦力矩，致使汽车的转向系统不灵敏，甚至失效。车辆在行驶过程中，常会有转弯或颠簸，这就会使球头与球座间的衬垫发生运动，出现摩擦磨损以及变形的现象，球头与衬垫间产生一些间隙，导致汽车转向动作的延迟。

2.球头关节轴承的结构设计

2.1.材料选择

球头关节轴承材料的选择需要注意两个因素，一是产品性能需求因素，二是加工工艺因素，20Cr、40Cr等都可以当成球销的原始材料，SQ14F-RSZ/K球头关节轴承的球头销与球座均使用40Cr，经调质热处理后硬度分别为32～36HRC和26～28HRC。端盖材料可采用低碳钢15Mn，硬度约为179～186HNW。防尘罩与密封罩可使用黑色丁腈橡胶。润滑油能提高摩擦副的摩擦学性能，可采用壳牌2858润滑脂或7034号汽车球结润滑脂。

2.2.球销设计

确定球销杆部的最小直径与球头半径是球销设计的关键。球头半径可依据球销杆部最小直径先行设定，然后核对轴承的转动及摆动摩擦力矩是否在该值范围内，若不满足则调整球头半径值直到满足要求。同时，为提高球头与衬垫的摩擦学性能，可对球形偏差与粗糙程度进行一定的规定。

2.3.衬垫设计

衬垫与球头整体嵌入球座内，可形成滑动摩擦副，其结构如下图2所示（由左到右依次为内衬垫与外衬垫）：

图2 衬垫设计

组合后，衬垫内表面主要由内衬垫圆弧面R1与外衬垫圆弧面R2组成，装配压紧后，R1与球头接触，R2与球头线接触。

对球座内径与外衬垫外表面进行过盈配合可以防止衬垫部分和球座部分产生滑动现象，影响车辆转向系统的正常运行。通过在内衬垫摩擦面进行润滑脂分配槽的合理计算设计（即图中A、B），能有效改善摩擦副的摩擦学性能。

2.4.球座的结构设计

我们根据相关标准计算出球座位置连接螺栓孔的大小，然后根据衬垫结构的大小与球销结构的摆角来计算出球座孔的大小。将球座开口设计为椭圆形能使球销在球座内实现大幅度摆动。

2.5.密封设计

良好的防尘性能是设计球头关节轴承的重要方面。可以采用在球头销上装防尘罩与密封罩结合的方式。密封罩可采用丁腈橡胶，在球销摆角范围内防止球头销摆动变形，同时避免空气中的灰尘、杂质落入轴承的内部。

3.球头关节轴承的计算

3.1.球销摆角的计算

球销的最大摆角是轴承正常运转时球销部位偏离于垂直球座位置的最大角度，如下所示。

图3 球销最大摆角

3.2.装配预紧力的计算

球销与衬垫装入球座，还未压装端盖时，衬垫端面突出球座压紧台阶面的高度g。压装后，球头部分和衬垫部分相互作用的力即为预紧力，通过相关关系可求得预紧力Q的值。

由于衬垫结构部分比较复杂，在进行压缩工序时球头部分和衬垫部分的接触点不固定，导致衬垫存在多向性变形可能，也可能发生塑性变形，以上因素都加大了端面压缩量的计算难度。

3.3.校核球销的疲劳强度

为了研究分析球销对疲劳损坏产生的抵抗能力，有必要进行球销疲劳强度校核。我们通过对危险截面的疲劳强度安全系数来进行准确校验。危险截面小，受力大，应力集中则较为严重。球销的颈部作为高疲劳损坏部分，因此，进行疲劳校核工序十分有意义。

3.4.计算润滑寿命

球头关节轴承润滑寿命需要进行三方面的计算，有初始润滑寿命的计算，多次润滑寿命的计算和分段载荷时的润滑寿命的计算。由于球头关节轴承磨损现象较为复杂，需考虑的外部因素较多，国内外的轴承制造商都有各自的计算公式，因此，计算结果也存在差异。

结语：

总而言之，球头关节轴承的设计需要考虑轴承最大摆角、转动摩擦力矩等技术指标，还应考虑轴承所处的使用环境进行综合计算。只有满足最大摆角需求，安全储备高，寿命超过百万次的球头关节轴承才可放心使用。

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