汽车球铰防尘罩的有限元分析

陈泳

(四川望锦机械有限公司技术中心，四川成都 610200)

汽车球铰防尘罩的有限元分析

陈泳

(四川望锦机械有限公司技术中心，四川成都 610200)

采用ABAQUS有限元分析软件建立汽车球铰橡胶密封防尘罩的三维分析模型，模拟防尘罩的装配和摆动过程，研究防尘罩在摆动工况下接触压强的变化和轮廓形状的变化。阐述了防尘罩的3种结构设计失效机制，并对两种橡胶本构模型Mooney-Rivlin和Ogden进行理论阐述和单轴拉伸试验数据的测试拟合。 研究结果表明：防尘罩的接触压强在摆动时有较强的非线性变化，说明防尘罩在摆动中产生的变形会影响密封；防尘罩在摆动中外轮廓与转向节无干涉，密封结构设计能满足需求。

球铰防尘罩；失效分析；本构模型； 复合变形

0 引言

球铰应用在汽车底盘部件如控制臂、转向拉杆和稳定杆连杆等零件上。球铰在汽车底盘中实现了3个方向的转动自由度并承受了较大的行车载荷，实现了可靠的运动功能，就像人的关节一样，是汽车底盘件上的核心零部件。处于底盘部位的球铰由于长期暴露在恶劣的自然环境中，要保证正常的工作就要能抵挡泥水、石子、盐雾腐蚀及其他异物的侵袭，因此必须采用防尘罩对球铰部件进行有效的密封防护。防尘罩是保护球铰的主要零件，防尘罩的失效必然会导致球铰的失效。因此，对球铰防尘罩的研究非常重要。在防尘罩的设计中，要对密封效果和跟随球铰运动后的变形进行仿真分析，确保密封部位的接触压强以及运动变形后与底盘零件无干涉。

1 防尘罩的失效分析

1.1 防尘罩的功能解析

球铰产品需要密封的部位都有较大的相对摆动和旋转运动，因此在可能的选材范围中，橡胶是最合适的选择：(1)橡胶柔性较好，更能适应各种运动工况的连接；(2)密封效果较好。图1所示为一典型的球铰结构，其运动方式如下：靠近转向节的小唇口与球销实现动密封，球销既要沿自身轴线转动又要实现任意方向的摆动；大唇口与球销套实现静密封；中间柔性部位形状根据悬架的运动工况而变。因此防尘罩在设计中：(1)必须满足动静密封的要求，而且比普通的密封设计更困难的是动密封唇口在实现转动密封的同时要承受防尘罩因摆动运动形成的侧向的拉压应力，这会在一定程度上影响密封效果，甚至出现肉眼可见的大间隙；(2)防尘罩的外形在摆动中需确保不能与转向节及车架等外部零件发生干涉，否则会因干涉形成破损，一旦有泥水从破损部位进入球铰结构的内部，则球铰很快就会出现失效。

1.2 防尘罩失效机制

防尘罩密封结构设计的不合理会导致球铰失效，常见的失效现象[1]如下：(1)动密封的小唇口出现大的间隙，主要原因是设计的时候拉伸边没有计算好足够的长度，导致摆动到极限时因过度拉伸出现间隙；(2)小唇口出现塌陷，主要原因包括设计时接触压强过小、橡胶本体的支撑作用较差以及球销结构没有优化等；(3)防尘罩的外部干涉造成的破损，主要原因是设计时没有考虑摆动后所需的变形空间，导致防尘罩与车架摩擦造成破损。还有一种失效现象是防尘罩表面的老化龟裂，这是由材料配方所引起，文中不做研讨。以上因结构设计造成的失效，都可以通过仿真来解决。图2为防尘罩常见的失效图片。

2 橡胶本构模型的研究

2.1 橡胶本构模型理论

对橡胶本构模型的研究由来已久，而且到目前来讲已有多种本构模型可以选择。橡胶材料本构模型可分为基于连续介质唯象理论的本构模型和基于分子热力学统计学理论的本构模型两大类[2]。基于唯象理论的常用本构模型有多项式、Mooney-Rivlin、减缩多项式、Neo-Hookean、Yeoh、Ogden、Marlow。 基于分子热力学统计学理论的本构模型有Arruda-Boyce、Van der Waals等。

橡胶作为超弹性大变形材料，有很好的延伸率。通常对橡胶原材料试片要求断裂延伸率达到大于400%。在橡胶性能的检测中常用的有单轴拉伸数据，且从单轴拉伸数据中获取本构模型参数是最经典的方法[3]，因此作者基于此来拟合橡胶的本构参数。通过对多次的试验数据采用不同的本构进行拟合的研究经验，推荐两种模型来描述橡胶的本构：

(1)Mooney-Rivlin模型。该模型从1940年就开始应用了。Mooney-Rivlin模型在应变小于80%的时候能符合材料的特性，且优点是只需输入两个参数，另外该本构模型除了可以采用单轴拉伸拟合外还可以通过材料硬度计算得到[4]，在没有拉伸试验数据情况下，也能较好地满足工程计算上的需要。Mooney-Rivlin模型的应变能密度函数如下[5]：

该模型不能实现通常的橡胶应力应变曲线中的向上部分，即所谓的S形曲线，因此，Mooney-Rivlin只能用于中小应变中，另外正值的C10和C01有利于稳定性。

(2)3阶的Ogden模型。该模型的适应范围较宽，在应变400%以内都能很好地拟合材料。Ogden模型以3个主伸长率为变量，其应变能密度函数如下[4]：

式中：N为阶数，一般随着阶数的增加会使计算精度提高，但同时会造成计算收敛困难，工程上常用3阶的Ogden本构。

2.2 橡胶拉伸试验测试数据拟合分析

拉伸试验试片采用标准GB/T528中的Ⅰ型哑铃试样[6]，试片材料为CR，硬度为邵A50，在电子试验机上进行拉伸，测试速度5 mm/min，见图3。同时根据橡胶哑铃型试样的拉伸数据，利用ABAQUS软件拟合得到橡胶本构模型参数如下：

80%以内应变：Mooney-Rivlin模型

C10=0.429C01=0.019

400%以内应变：Ogden模型

u1=-381.792u2=187.754u3= 187.754a1=1.281a2=1.502a3=1.042

将以上本构参数输入到拉伸试片的分析模型图4中，结果与测试数据的应力应变曲线对比都比较好，见图5。

图3 哑铃试样拉伸测试图片 图4 拉伸分析模型

3 橡胶密封防尘罩复合变形分析

3.1 模型、网格、单元与材料属性的建立及选择

对橡胶密封防尘罩分析有如下步骤：首先明确模型的建立和简化方法以准确定义模型，然后做好网格划分和单元选择，再是运动关系的设置，最后要合理设置分析条件以确保求解的正确。

一个完整的球铰结构如前所述，包括了球销、球销套、转向节、防尘罩、球销座、底板和螺母，在分析中为了减少计算量加快分析的速度，可以略去和防尘罩没有接触的零件如螺母、球销座和底板，文中为更清晰地展示分析过程，仅去除了螺母。首先在AutoCAD中建立平面模型，如图6所示，模型保留单一的封闭外轮廓，各零件的位置关系要正确布置在没有装配前的状态。

平面模型绘制后，再转成DXF格式的文件，逐一导入ABAQUS。因为防尘罩的主要工况为摆动，所以在分析中采用一半的对称三维模型，既简化了分析量，又能保证分析精度和要求，最终的三维分析模型如图7所示。

在网格划分中，因为分析的重点是防尘罩，为更准确地体现出形状的变化，对防尘罩取比较细的网格，通常取0.5 mm，同时选择专用于橡胶分析的杂交单元C3D8RH。需要关注的一点是：对于防尘罩中内含的骨架，因其通常是金属或尼龙材料，不能和橡胶本体同时定义材料属性，所以需要在划分网格之前将其从整体模型中分离出来，这样在定义材料属性的时候可以实现分别定义。其他零件网格取值1～2 mm，单元采用C3D8R。网格处理好后的模型如图8所示。根据球铰防尘罩的使用需求来看，其实际工作应变一般在50%以内。因此，材料的本构模型选择前面所述的Mooney-Rivlin模型，其精度可以满足分析需求，而且输入的参数很简单。其他零件的材料属性除了骨架设为弹塑性以外，其他均设为刚体。

图6 平面模型 图7 分析模型 图8 网格模型

3.2 复合变形的分析步设置与分析结果的解读

根据实际的装配关系，共做了3个分析步[7]：首先将防尘罩压入球销套实现大端静密封；然后将转向节下压至防尘罩的工作高度，即理论的装车状态，这时小端的动密封形成；最后按设计的工作摆角来摆动球销，这时防尘罩就会跟随球销的摆动，使外部形状变化。

对分析出来的结果，通常需要做两个方面的解读和判定。首先由最终的摆动分析步三来看，防尘罩没有发生与转向节干涉的现象，因此，从运动变形干涉这一方面可以初步认定防尘罩设计是可行的。其二，如图10所示，防尘罩的小端和大端密封部位都有合适的接触压强[8]，确保了在工作状态不会出现间隙，防止了外界泥水进入的可能。这个接触压强也不能过大，如果过大会造成抱紧力太大，则会出现当球销有自转运动的时候，防尘罩与球销却没有相对运动，发生防尘罩跟转扭曲的现象。图11为产品实际制作后的状态，与分析结果吻合较好。

4 结束语

(1) 对汽车球铰防尘罩而言，其工作应变小于50%，采用Mooney-Rivlin橡胶本构模型，仅输入简单的材料参数就能满足分析精度的要求，而且收敛性较好，仿真结果与实物一致。

(2) 防尘罩在摆动时，其接触压强的波动难以避免，但在设计中必须保证有合理的范围值，既保证外界泥水不会侵入，又要防止与球销产生抱死，失去动密封的功能。

(3) 对橡胶类超弹材料的有限元分析有其特殊性，在材料的本构理论、建模方法、单元选取、网格处理方法上都有一定的技巧，在实际的工程分析中一定要结合真实的工况条件，合理简化模型，设置正确的边界条件，反复调试，从中摸索出适应于工程需要的高效准确的仿真解决方案。

【1】石伯妹，资小林，郭增均.等速万向节防尘罩非线性有限元分析与试验验证[C]//中国计算力学大会，2010.

【2】王国权,刘萌，姚艳春,等.不同本构模型对橡胶制品有限元法适应性研究[J].力学与实践，2013,35(4):40-47.

【3】The Physics of Rubber Elasticity[M].L.R.G.Treloar，2005.

【4】郑明军,王文静,陈政南,等.橡胶Mooney-Rivlin模型力学性能常数的确定[J].橡胶工业， 2003,50(8):462-465.

【5】ABAQUS Theory Manual Version 6.7[M].Hibbit,Karlsson & Sorensen(HKS)Inc.，2007.

【6】王青春,鲍际平,宁耕,等.车辆橡胶防尘罩静力学特性分析[J].计算机仿真,2011,28(1):323-326.

【7】王国权,刘萌，王青春.汽车传动轴防尘罩的非线性有限元分析[J].北京信息科技大学学报，2009,24(3):39-43.

【8】张东葛,张付英,王世强.基于ANSYS的Y型密封圈结构和工作参数的优化设计[J].润滑与密封,2012,37(11)：87-90.

FiniteElementAnalysisofBallJointDustCover

CHEN Yong

(Technical Center,Sichuan Wangjin Machinery Co.,Ltd.,Chengdu Sichuan 610200,China)

3D model of ball joint rubber seal dust cover was set up by using ABAQUS software platform, and the process of assembly and swing was simulated. The contact pressure and outline changes of the dust cover in swing working condition were studied. The failure principles of the three types structure design for dust cover were explained. Two kinds of rubber constitutive model Mooney-Rivlin and Ogden were described, and fitting aiming at the data of uniaxial tension test was done. The research results show that the dust cover contact pressure has great nonlinear change in oscillation, illustrating the dust cover deformation in oscillating affects the seal. The outline of dust cover in swinging can’t intervene with steering knuckle, so sealing structure design can meet the demand.

Ball joint dust cover; Failure analysis；Constitutive model；Compound deformation

2015-01-13

陈泳(1975—)，男，本科，工程师，研究方向为汽车底盘零部件的设计与仿真。E-mail：balljoint@163.com。