球头销橡胶防尘罩改进设计

刘广征， 高江华， 施 睿， 赵 松

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

球头销橡胶防尘罩改进设计

刘广征， 高江华， 施 睿， 赵 松

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

针对某车辆球头销运动过程中，橡胶防尘罩出现因干涉造成的过早破损失效的问题，应用有限元分析软件Abaqus建立防尘罩的有限元模型，对球头销摆动过程中橡胶防尘罩的大变形进行仿真分析，以防尘罩变形后的最终构形与其周围部件之间的间隙为优化目标，以变形过程中最大Mises应力为约束，通过改变防尘罩静态构形参数，获得合理的间隙值，解决了干涉问题，确保防尘罩的使用寿命满足设计需求.试验结果与仿真分析结果一致，表明改进措施和有限元分析方法正确可行

球头销；橡胶；防尘罩；有限元分析

球头销是悬挂系统的重要部件，其作用是连接摆臂与转向节，所形成的运动副具有3个转动自由度，将力和运动由转向节传递到摆臂上[1],其性能影响到车辆的安全性和操纵稳定性.球头销通过防尘罩将内部需要润滑和保护的部分与外界环境隔离，达到密封的效果.球头销常见的故障是球头和球碗异常磨损，出现间隙.导致这种故障的主要原因是橡胶防尘罩破损，润滑脂从内部流出，泥水和沙尘进入球头销的摩擦副中，造成球碗早期破损.防尘罩的使用寿命与材料、性能、使用环境有关，如果结构和尺寸设计不合理，防尘罩在球头销摆动过程中与其他悬挂部件发生接触或挤压，会造成防尘罩异常磨损，加速其失效，从而导致球头销故障.以往的防尘罩设计过程中，多以三维设计软件依据经验对橡胶的初始构型和变形后的构型进行建模，这种设计方法对橡胶的大变形模拟极为不精确，需要进行多次的物理样机迭代才能设计出满足需求的防尘罩构型.利用有限元软件Abaqus的非线性分析功能，可对超弹性材料的大变形过程进行精确模拟，结合设计约束和边界条件，通过快速修改初始构型结构参数，实现防尘罩的虚拟样机快速迭代优化设计.

1 防尘罩结构和故障分析

1.1 防尘罩结构和性能

图1 球头销总成

防尘罩是球头销总成中的重要零件.球头销总成如图1所示，主要由球头销、防尘罩、球碗、壳体、压盖组成，防尘罩为橡胶材料，球碗为铜或耐磨塑料材料，其余为钢制材料.球头销与球碗配合，可绕球心摆动和旋转，具有3个方向旋转自由度.防尘罩需满足以下性能要求：1) 动态密封唇在实现转动密封的同时应能承受因球头销摆动造成的侧向拉压力，密封唇与球头销和转向节之间具有足够的接触压强，维持密封状态；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.否则会因干涉造成破损.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].

1.2 故障现象

损坏的防尘罩见图2，橡胶表面严重破损，有受到挤压或磕碰的痕迹.将防尘罩安装到球头销总成上，防尘罩的安装状态见图3，球头销摆动到最大角度，发现防尘罩密封唇状态正常，摆臂侧密封正常，波纹处变形异常；摆动力矩明显增大后，横臂边缘压住防尘罩的波纹处，出现干涉.

图2 损坏的防尘罩

图3 极限角度状态下的防尘罩

1.3 故障机理分析

从现象可以判定，防尘罩的波纹部分与其它零件干涉，经过频繁的撞击和磨损，橡胶表面逐渐破损，最终穿透，造成密封失效.橡胶防尘罩属于非金属材料，早期设计采用二维设计方法，对橡胶的变形和应力无法进行分析，不能准确预测是否满足使用要求.在实际使用过程中，防尘罩的变形受到橡胶材料特性和结构参数的影响，特别是橡胶层的厚度、波纹部分折弯半径、波纹长度等结构参数直接影响变形效果.需要采用有限元分析法对防尘罩进行动力学仿真分析.

2 建立仿真模型

2.1 建立三维模型

根据试验结果和性能要求，对防尘罩结构进行调整.防尘罩波纹管部分常见的形状有3种：洋葱状、桶状和双折棚波纹管.双折棚波纹管可以用于偏移角度较大的情况，改进结构的防尘罩采用此形状.防尘罩的装配与使用分为两个步骤，第一步是安装防尘罩，防尘罩由自由状态压缩至安装位置状态，其目的是使密封唇与下端平面之间产生预压力；第二步是球头销摆动到最大角度，此时密封唇与球头销仍然接触，并产生合理的压力，达到维持密封作用的目的.因此,防尘罩的状态有3种：自由、装配和最大角度.在装配和最大角度装态下，基本轮廓应变形合理，不出现干涉问题.图4是设计的防尘罩基本轮廓.

图4 防尘罩基本轮廓

根据基本轮廓，建立三维模型.防尘罩的变形和运动只与其接口相关，因此可以简化三维模型，只保留壳体的接口部分、球头销接触面和下端接触面.橡胶防尘罩是圆环形零件，存在对称面，取一侧剖切面进行有限元建模，减少网格数量和计算工作量.

2.2 定义材料属性

防尘罩采用橡胶材料，橡胶是一种超弹体、几乎不可压缩的材料，不考虑温度效应，本构模型选取Mooney-Rivlin模型，其应变能函数[3]为：

U=C10(I1-3)+C01(I2-3).

(1)

式中：U为应变能函数；C10和C01为Rivlin系数；I1和I2分别为一阶和二阶偏应变不变量.

(2)

I2=(λ1λ2)2+(λ2λ3)2+(λ3λ1)2.

(3)

式中：λ1、λ2和λ3为各边的伸长率,λi=1+εi，(i=1,2,3),εi为材料的应变.

两参数的Mooney-Rivlin模型的应力-应变方程为

(4)

根据经验，用作球头销防尘罩的橡胶材料硬度一般取邵氏65°.根据相关厂家测试的结果，材料的Rivlin系数为C10=0.123，C01=0.501.

2.3 建立有限元模型

仿真分析仅需要模拟防尘罩的变形过程，因此有限元模型中仅包括壳体、固定金属丝及防尘罩.壳体及金属丝刚度远大于防尘罩，可转化为离散刚体建模，用R3D4单元划分网格.防尘罩为橡胶材料，采用实体杂交单元C3D8H划分网格.为精确模拟橡胶材料的大变形球过程，确保计算过程收敛，防尘罩网格最小单元尺寸需要小于其最小结构特征尺寸.防尘罩及壳体关于球头销的摆动平面对称，因此取其摆动平面单侧模型建立有限元模型，对称面施加相应对称约束.如图5所示.

分别在壳体与防尘罩之间，金属丝与防尘罩之间建立通用接触关系.壳体及金属丝参考点处分别施加固定约束.在防尘罩底部动态密封唇中心处建立参考点，在此参考点和密封唇面之间建立耦合约束，模拟球头销与防尘罩之间的相互作用关系.

为模拟防尘罩的装配及工作状态，仿真过程分为两个通用静态分析步：

第一步，参考点沿z方向位移11 mm，模拟防尘罩装配过程中的预压缩；

第二步，参考点绕球头销球心，在对称面内逆时针旋转30°，模拟防尘罩工作状态下变形.

图5 网格模型

3 计算结果分析

改进方案1分析结果见图6、图7,从分析结果可以看出，第一步圆圈内部分距离转向节较近，容易发生干涉，最大应力为0.29 MPa，第二步圆圈内部分已经超过了防尘罩密封唇的定位平面，发生干涉，最大应力为1.19 MPa，橡胶的动态许用应力为±10 MPa，最大应力在许用范围内.由于存在干涉问题，如果长期使用，波纹部分与金属摩擦，最终造成防尘罩磨穿，密封失效，因此不能满足使用要求.

图6 第一步分析结果

图7 第二步分析结果

改进方案1橡胶层厚度均匀，受到弯曲应力时，刚度小的部位变形较大，出现干涉问题.改进方案2将变形较大的波纹部分局部加厚(见图8)，提高弯曲刚度，重新进行仿真计算，分析结果如图9、图10所示.图11、图12是将相关的三维模型装配到防尘罩模型中，分析空间位置关系.

图8 改进的防尘罩

图9 第一步分析结果

图10 第二步分析结果

图11 防尘罩零角度位置状态

图12 防尘罩最大角度状态

从计算结果可以看出，第一步橡胶受压后变形合理，未出现干涉问题，最大应力0.34 MPa，小于橡胶的许用应力；第二步橡胶一侧拉伸，另一侧压缩，最大应力为1.55 MPa，在许用范围内.拉伸侧橡胶与转向节、球头销接触，保证了密封作用，压缩侧波纹部分折叠，未发生橡胶与金属的干涉问题.改进方案1与改进方案2的结果比较见表1.

表1 仿真计算结果

4 试验对比

根据仿真计算结果，采用改进方案2加工了样品，并将样件安装到球头销总成上，进行压缩、摆动试验，分析结果与试验结果对比如图13、图14所示.

图13 球头销防尘罩压缩对比

图14 球头销防尘罩摆动对比

从图13和图14中可以看出，有限元分析变形状态与试验结果接近，波纹变形存在差别，波纹部分与其它零件无干涉，解决了橡胶与金属件的干涉问题，满足设计要求.

5 结 论

通过分析球头销失效的故障机理，准确定位了相关设计参数.利用有限元分析软件Abaqus建立了橡胶防尘罩的仿真模型，模拟超弹性、几乎不可压缩材料的大变形过程，考核其整个变形过程中应力分布及与周围部件之间的间隙.通过修改防尘罩壁厚、波纹部分折弯半径及波纹长度，确保了改进之后的防尘罩满足强度和不与其他部件发生干涉的要求.通过试验验证，改进结果满足设计要求，表明有限元分析能够指导防尘罩产品的工程设计.

[1] B.海兴，M.埃尔斯.汽车底盘手册-基础知识、行驶动力学、部件、系统、机电一体化及展望[M].北京：机械工业出版社，2012：407

[2] 陈 泳．汽车球铰防尘罩的有限元分析[J] ．汽车零部件， 2015，(4):47-49

[3] 王 伟，邓 涛，赵树高．橡胶Mooney-Rivlin模型中材料常数的确定[J]．特种橡胶制品，2004，(4)：21-23

Improved Design of Ball Joint Boot

LIU Guang-zheng， GAO Jiang-hua， SHI Rui， ZHAO Song

(China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China)

In this paper，in order to resolve the rubber boot premature breakdown due to interference in the process of a vehicle ball joint movement. a finite element model of the boot was builed with ABAQUS and the large distortion of the rubber boot was analyzed in the process of the ball joint swing in this paper. The model proposed that the gap between the boot and its surrounding parts after distortion are defined as optimization objectives and the maximum Mises stress during distortion is defined as the constraint by changing the static parameters of the boot of the model to obtain reasonable gap，the problem is finally solved and the life of the boot is assured to meet the design requirement.

ball Joint；rubber；boot；finite element analysis

1009-4687(2017)01-0055-04

2016-12-27.

刘广征(1978-)，男，高级工程师，研究方向为轮式车辆行动系统.

U463.33+5

A