车用球销的强度分析与设计

宗刘冬 熊雪娇

摘 要：球铰链是连接汽车悬架与车轮的关键零件，直接影响车辆行驶的操控及安全性能。球销作为球铰链的主承载部件，其强度直接影响连接的可靠性。本文利用力学基础知识，对球销强度设计进行分析，并建立了简易可行的设计模型。

关键词：麦弗遜式；球销；强度分析；设计模型

引言

尽管新能源车辆方兴未艾，并逐步挤占传统燃油车辆市场，但基于技术限制，短期内并不会对传统车辆底盘结构产生颠覆性的影响，传统的底盘悬架连接方式将长期存在。作为悬架连接的核心部件，摆臂球铰链总成仍有很大的发展空间，球销作为球铰链总成的关键连接件，如出现疲劳、断裂等问题，将直接影响车辆的行驶安全。

本文主要讨论在麦弗逊式前悬球销设计过程中的强度问题，并试图通过建立简易的模型对球销设计进行校核，以满足车辆的使用要求。

1.球销的受力分析

1.1球销的连接位置及载荷

摆臂球销分别连接转向节与摆臂总成，在使用过程中主要承受横向的交变载荷作用，此载荷随车辆行驶的路况、速度等因素不断变化，如图1所示

1.2球销所受剪力及弯矩分析

依据连接及安装结构，球销可简化为受集中交变载荷（力）作用的悬臂梁结构，导致球销产品失效的原因为其使用过程中所受的剪切应力及弯曲应力。设定作用于球销球心的载荷为F、球心至安装位置的力臂长度为L0、弯矩为M，

则任意位置Lx截面上：剪力Fx=-F，弯矩Mx=FLx，

即自载荷作用点（球心）至安装位置（锥面大端），剪力不变，弯矩与力臂Lx成正比。

2.球销设计模型的建立

2.1 影响球销强度的主要原因

由于球销为回转体，各横截面均为圆形，故设定其任意位置半径为rx，则截面积Ax=πrx2

由《材料力学》梁的强度校核可知：

其剪切强度 τx=Fx/Ax=Fx/πrx2

弯曲强度 σx=Mx/Wz=4FxLx/πr3

为明确τx与σx对球销失效产生的影响，对其差值进行比较：

τx-σx= Fx/πrx2-4FxLx/πr3=（rx-4Lx）F/πr3（rx-4Lx）

对于球销结构而言，除为满足接触的球面部位外，其余部位rx-4Lx<0，即τx-σx<0，

则弯曲强度是导致球销失效的主要原因。

2.2 球销尺寸设计公式及模型

由悬臂梁弯曲强度公式建立球销尺寸设计公式如下：

rx=（4FLx/σπ）1/3

F：常数，设计过程中球销所受载荷或实车采集载荷

σ：常数，球销材料的屈服载荷

Lx：自变量，球销任意截面距载荷作用点（球心）的距离

rx：因变量，球销任意截面半径。

则rx随Lx变化的曲线如图2所示，由于设定了材料的屈服强度为常数，则针对某一给定载荷的球销，此模型曲线可直接用于与球销设计外轮廓进行对比，其外轮廓应在此曲线以外，方能满足强度要求。

3.应用案例

某车型球销出现弯曲问题，弯曲位置为锥面大端部位，经实车载荷采集，特殊工况下，球销所受极限载荷Fmax=17.81kN，其设计尺寸为安装位置（锥面大端）直径d=18mm、安装距L=28mm，球销所用材料屈服强度σ=785MPa，通过模型公式进行校核，则其安装位置半径r=（4x17810x28/785/3.14）1/3=9.53mm，此数值大于故障件安装位置直径d，故球销大端位置强度不足。

依据输入数据结合CAD工具，绘制此球销模型曲线，并与现有球销外轮廓进行对比，球销锥面大端位置低于计算的模型曲线，设计强度不足，与故障发生位置一致。

4.结论

通过对数据及核算方式的整合，给定了球销外部轮廓设计的依据，并结合CAD功能，建立模型，实现理论值与设计值的直观对比，便于设计人员及时发现设计问题并进行改进、优化。需要说明的是，此模型曲线仅为满足设计要求的最小值，实际设计过程中应依据安全系数留有设计余量，一般情况下实际轮廓与模型曲线的间距应大于0.4mm，以满足使用要求。综合而言，此模型对于球销设计具有实际的指导意义，亦可用于球销弯曲问题的解决。

参考文献：

[1] B Heibing ，M Ersoy. 汽车底盘手册. 北京：机械工业出版社，2012

[2] 范慕辉，焦永树. 材料力学教程. 北京：机械工业出版社，2010

[3] 齐铁东，张晨飞. 球销与转向节锥面配合设计及分析，2017中国汽车工程学会年会论文集