乘用车底盘球铰链开发

董鹏



乘用车底盘球铰链开发

董鹏

（上海汇众汽车制造有限公司，上海 200000）

乘用车底盘球铰链是底盘悬架系统里面重要的组成部分，其主要作用是，传递和承载力作用、转向和导向、连接支撑横向稳定杆和摆臂等部件。其运动复杂，受力也复杂。球铰链是一个金属与非金属小总成，各散件之间需要精密匹配。由于结构和使用环境等原因，设计时要考虑磨损特性和密封特性。文章从不同乘用车底盘形式中的球铰链结构种类、相应散件材料选择、受力分类和开发试验大纲几个方面对球铰链进行论述，为其开发提供了框架性指导。

球铰链；乘用车底盘；磨损特性；密封特性

引言

球铰链是乘用车底盘悬架系统中重要的组成部分，起着连接关节的作用，所以也有人称之为球关节。根据悬架种类的不同，球铰链大致分为三种，将在下文中一一进行论述。球铰链在悬架运动时承载，并传递载荷给摆臂、横向稳定杆、转向节等相关零部件，而转向机的转向拉杆球铰链还起着关键的转向作用。球铰链自身的运动既有摆动也有转动，因此，其受力比较复杂。球铰链本身就是一个小总成，所以，其内部各散件之间的匹配尤为重要，否则就会出现早期磨损以及密封失效。在进行开发时，也要充分考虑磨损和密封特性，并进行相关验证。本文将基于大众、宝马、戴姆勒等车企的主流车型中相关底盘球铰链的设计与开发进行论述。

1 球铰链的种类

球铰链类型根据悬架类型而有所区分，但主要是摆臂球铰链、稳定杆连接球铰链和（内或外）转向拉杆球铰链三种类型。

在麦弗逊悬架结构（见图1）中，主要是a处的摆臂球铰链，b处的稳定杆连接球铰链和c处的（内或外）转向拉杆球铰链。

三种球铰链中，最为复杂、种类最多的是摆臂球铰链，下文将重点介绍。摆臂球铰链又可以分为两种形式：独立式（见图3）和压入式，其中，压入式又具体分为铆钉压入式（见图4）和整体压入式（见图5）。

图1 麦弗逊式悬架

图2 多连杆式悬架

a、d、e摆臂球铰链 b稳定杆连接球铰链 c（内或外）转向拉杆球铰链

图3 独立式

图4 铆钉压入式

在多连杆式悬架结构（见图2）中，摆臂式球铰链主要在d处和e处，且e处为独立式球铰链。上摆臂球铰链运动受力和图5所示的整体压入式球铰链相似，独立式球铰链可以演化成为一种图6所示的结构形式，图7是其装配图。

图6 下摆臂独立直立式球铰链

图7 下摆臂独立直立式球铰链装配图

2 球铰链组成及材料

如前所述，球铰链在结构上主要由以下散件组成：球销、卡环、密封罩、壳体、球碗、支撑环（可无）和底盖。球铰链零件虽然不大，却是由八到九种小散件组成的功能性小总成，因此，对于散件的加工精度要求非常高，特别是在球面部分。上述的三种球铰链尽管种类不同，结构上却基本只分为两种：单球碗（见图8）和双球碗（见图9）。其中，双球碗中的下球碗通过材料特性在上球碗磨损时提供弹性间隙补偿。现在，随着材料技术和工艺水平的不断提高，越来越多的选择单球碗设计。

图8 单球碗

图9 双球碗（上下球碗）

球铰链各散件常用的材料可见如表1所示，或者选择与其材料性能相近的替代材料。

表1 球铰链各散件常用材料

3 球铰链受力和运动分析

球铰链的受力与其运动形式直接相关。其中，虽然麦弗逊式悬架的结构简单，但其直接结果是球铰链所承担的功能较多，其运动形式和受力也相对复杂。而多连杆式悬架的结构复杂，但相比之下，更多的零件分担了不同的功能，所以，各自的运动形式和受力也相对简单。麦弗逊式悬架和多连杆式悬架的摆臂球铰链受力和运动情况如图10和图11所示，其它的演化形式，就是在此基础上增加或者减少运动及受力的方向。稳定杆连接球铰链和转向拉杆的受力示意图可见图12和图13所示。

图10 麦弗逊式悬架摆臂球铰链受力和运动

图11 多连杆式悬架摆臂球铰链受力和运动

图13 转向内拉杆球铰链铰链受力和运动

4 阻滞力矩和弹性间隙

作为乘用车悬架系统里重要的运动部件，球铰链必须能够摆动和转动。转动和摆动不是在自由状态下进行的，因此，球铰链应当具备一定的阻滞力矩，以防止零件的过快磨损，其主要表现为启动力矩和工作力矩。启动力矩表征了静磨损特性，工作力矩表征了动磨损特性。阻滞力矩和球铰链的刚度是紧密相关的，它们之间的关系决定了球铰链的关键特性之一的磨损特性，阻滞力矩曲线见图14所示。

球铰链不仅有摆动和转动，在力的作用下，还有自身内部球销相对于原始位置的位移，这种位移在力作用较小时，会受到球铰链自身一定刚度的抵抗，在克服刚度之后球铰链就会相对于原始位置发生位移，在测量时就会反映成球铰链的力位移曲线，如图15所示。

图14 阻滞力矩曲线

图15 力-位移曲线

5 磨损特性

球铰链在汽车行驶过程中，一直处于运动状态，在不停的摆动和转动中，同时承受着轴向或径向力，其结果必然带来球铰链的磨损。考虑到汽车的使用寿命要求，球铰链的磨损特性就显得尤为重要。前文已经提到，阻滞力矩，球铰链刚度以及力位移曲线是紧密相关的，它们之间的关系决定了球铰链的磨损特性。而阻滞力矩和刚度主要取决于壳体、球碗和球销间的匹配、润滑脂的润滑特性，以及球碗的材料特性。这几者之间的关系是各球铰链供应商长时间的数据统计和经验积累的结果，属于核心技术机密。球铰链世界顶级供应商采埃孚对于壳体尺寸、球销球径和球碗设计要求标准化，并形成了强大的数据库。在润滑脂的选择上，可以从市场采购（如克虏伯公司），为了提高润滑性能，也有一些企业与润滑脂供应商联合开发了一些润滑性能更优，具有专利的润滑脂。

磨损特性由于涉及到多个零件，并且都是弹性匹配，用模拟计算来完成比较困难，一般直接用台架试验予以验证。试验主要通过采集路试中的路谱，迭代后在试验台上进行多通道（通道数据球铰链的种类和受力情况而定）的磨损台架试验，并施以一定的温度条件。在试验之前进行零件弹性间隙，启动和工作力矩以及刚度的测量，在完成固定的循环次数以后，上述参数的扩大不允许超过一定范围（范围值各个整车厂的定义各不相同）。图16和图17是某款摆臂式球铰链的温度条件及路谱信号。磨损试验台一般采用专用试验台，价格昂贵且利用率低。目前国内已经有企业成功采用通用试验台辅以温度箱搭建磨损试验台，可以大大降低试验设备成本，如图18所示。

图16 时间-温度曲线

图17 路谱信号

图18 基于通用试验平台搭建的磨损试验台

6 密封特性

密封特性也是球铰链的关键特性之一。如上文所述，球铰链本身是一个功能性的小总成，一直处于运动之中，且底盘零件工作环境恶劣，会处于污水，粉尘等外界杂质之中。密封一旦失效，球铰链内部会受到外界杂质的渗入，导致较早失效，出现异响、破损乃至脱落和断裂。大众等德系整车企业在球铰链供应商的选择上，几乎无一例外地选择其欧洲原配供应商，主要原因在于，国内供应商一般难以满足球铰链质量及精度要求。球铰链的质量抱怨也经常位于底盘零部件售后抱怨清单的前列，这其中，密封问题首当其冲。

球铰链的密封特性取决于密封罩和底盖的设计，其中密封罩的设计是关键。密封罩的设计主要是指密封唇的设计以及密封罩的材料和工艺，即橡胶配方和混炼。图19是一款典型的密封罩的设计方案，采用多唇式密封设计，密封唇的设计目前在国内已经比较成熟。密封罩的材料和工艺成为关键因素，表格2是某款密封罩氯丁橡胶材料的部分性能要求。国内橡胶密封和减震件企业起步较晚，技术水平仍有待发展。采埃孚等外资企业的密封罩使用进口产品或者欧洲原配在中国的子公司生产的产品，可见其对密封罩质量的重视。

图19 密封罩

表2 氯丁橡胶材料部分性能要求

密封特性通过密封相关试验来进行验证，目的是验证在载荷和环境条件下球铰链的密封特性。试验项目有：密封罩功能试验、环境模拟试验、高压喷射试验、底盖压出试验和底盖密封试验等。其中环境模拟试验是最难通过的试验，也是一项综合性考察试验，在一定温度范围内（以使橡胶在温度条件下老化），在盐水的喷射条件下，进行若干循环模块的试验，试验条件非常苛刻。图20是某球铰链在环境模拟试验前后的对比。

7 开发试验大纲总结

表3 球铰链开发试验大纲

根据以上论述，球铰链试验验证大纲可以总结为表3。各个整车厂都有自己的研发标准和各自不同的载荷输入，但是试验验证项目大体类似。以上都是台架验证，各整车厂还会增加整车耐久和环境路试予以考察，在实践当中，出现通过台架验证，但是在整车路试中出现各种问题的情况也并不鲜见。特别是对于密封特性，在外界极端条件下，也会出现橡胶老化等各种原因带来的密封失效。

8 结语和展望

轻量化是汽车技术发展的热点之一，整车轻量化是通过各个子系统的轻量化来实现的，球铰链自身也有着轻量化的需求，车用材料和工艺的不断发展，为轻量化提供了更多的手段。由钢板和套筒焊接而成球铰链壳体，见图21所示，球铰链整体减重8%。

集成化也是发展方向之一，图22所示的球铰链是集成到转向节里面，减少了壳体和部分安装螺栓。集成化可以减少整车厂的装配过程，减少装配所带来的风险；集成化减少装配所需要的螺栓等零件，必然会带来轻量化的效果，降低整车成本。

图21 钣金冲压焊接球铰链

图22 转向节集成球铰链

此外，由于球铰链属于一个弹性小总成，CAE分析在开发过程中使用困难较大，目前大多仅用于静态力和密封罩运动变形分析，在磨损和密封特性这两个关键特性分析中尚无法使用，随着CAE分析手段的丰富和发展，未来或许能在上述磨损和密封特性中使用，以大幅降低开发和试验成本。

[1] 大众集团球铰链开发标准-TL82526.

Development of passenger car chassis ball joint

Dong Peng

( Shanghai Huizhong Automobile Manufacturing Co., Ltd., Shanghai 200000 )

Ball joint is an important part of chassis suspension of passenger car, its main function is: bear and transfer load; steer and guide; support and link parts like stabilisator and control arm. Its movement and stress are complex; ball joint is a metal and non-metal assembly, so it needs precise matches of sub-parts. Because of the structure and environment the sealing and wear characteristics should be considered in design. This paper discusses the structure variety of ball joints in different passenger car chassis forms, material of sub-parts, load and test outline, provides a frame guide for this part development.

ball joint; passenger car chassis;wear; sealing

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1671-7988(2018)20-141-04

U463.1

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董鹏，就职于上海汇众汽车制造有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.052