淺談球頭關節軸承的結構設計

林強

摘要：球頭關節軸承是各類車輛不可或缺的零部件，在車輛轉向系統中發揮著重要的功能，其可靠性是影響車輛行駛安全性的重要因素。為提高車輛轉向系統的可靠性、安全性，促進安全行車，本文對球頭關節軸承的結構特點進行了分析，并探討了球頭關節軸承的設計方法。

關鍵詞：球頭關節；軸承；結構設計

隨著各類車輛的增多，交通事故的數量也明顯上升，安全行車得到了越來越多的關注。球頭關節軸承作為影響車輛運行安全的重要部件，其結構設計也引起了更多的重視。根據球頭關節軸承的結構特點，其在設計時應當從材料選擇、球銷設計、球座設計等角度出發，綜合考慮，并科學計算擺角、預緊力等設計參數。

1.球頭關節軸承的結構解析

1.1.球頭關節軸承的具體結構分析

車輛中使用的球頭關節軸承有很多種，以SQ14F-RSZ/K球頭關節軸承（屬彎桿型）為例，該球銷、球座與襯墊相當于自潤滑向心關節軸承的內圈、外圈及襯墊。球頭與襯墊形成滑動摩擦副，實現轉動與擺動，傳遞載荷，如下圖1所示。

圖1 SQ14F-RSZ/K球頭關節軸承

其中，1-球座，2-防塵罩，3-密封罩，4-球銷，5-螺母，6-外襯墊，7-內襯墊，8-端蓋。

1.2.球頭關節軸承的常見失效形式

球頭關節軸承應具有很好的工作性能，比如具有良好的強度、良好的剛度、較強的耐磨性以及較強的可靠性等。如果球頭關節軸承在正常使用中發生失效情況，往往會引起難以預料的安全事故，從大量的失效案例總結得出，球頭關節軸承失效形式較為常見的有：①球銷頸部位置產生部分裂紋或者斷裂現象，一旦汽車遇到不好的路況時，汽車懸掛的震動幅度增大，這時如果球銷的擺動幅度大于其最大極限擺角，那么就會與球座產生干涉現象，球銷在反復作用力和摩擦作用下，頸部會出現裂紋或劃痕，最終發生斷裂，導致汽車轉向系統失效，轉向功能行使不了。②襯墊出現磨損狀況時可能會導致球頭的松懈，喪失摩擦力矩，致使汽車的轉向系統不靈敏，甚至失效。車輛在行駛過程中，常會有轉彎或顛簸，這就會使球頭與球座間的襯墊發生運動，出現摩擦磨損以及變形的現象，球頭與襯墊間產生一些間隙，導致汽車轉向動作的延遲。

2.球頭關節軸承的結構設計

2.1.材料選擇

球頭關節軸承材料的選擇需要注意兩個因素，一是產品性能需求因素，二是加工工藝因素，20Cr、40Cr等都可以當成球銷的原始材料，SQ14F-RSZ/K球頭關節軸承的球頭銷與球座均使用40Cr，經調質熱處理后硬度分別為32～36HRC和26～28HRC。端蓋材料可采用低碳鋼15Mn，硬度約為179～186HNW。防塵罩與密封罩可使用黑色丁腈橡膠。潤滑油能提高摩擦副的摩擦學性能，可采用殼牌2858潤滑脂或7034號汽車球結潤滑脂。

2.2.球銷設計

確定球銷桿部的最小直徑與球頭半徑是球銷設計的關鍵。球頭半徑可依據球銷桿部最小直徑先行設定，然后核對軸承的轉動及擺動摩擦力矩是否在該值范圍內，若不滿足則調整球頭半徑值直到滿足要求。同時，為提高球頭與襯墊的摩擦學性能，可對球形偏差與粗糙程度進行一定的規定。

2.3.襯墊設計

襯墊與球頭整體嵌入球座內，可形成滑動摩擦副，其結構如下圖2所示（由左到右依次為內襯墊與外襯墊）：

圖2 襯墊設計

組合后，襯墊內表面主要由內襯墊圓弧面R1與外襯墊圓弧面R2組成，裝配壓緊后，R1與球頭接觸，R2與球頭線接觸。

對球座內徑與外襯墊外表面進行過盈配合可以防止襯墊部分和球座部分產生滑動現象，影響車輛轉向系統的正常運行。通過在內襯墊摩擦面進行潤滑脂分配槽的合理計算設計（即圖中A、B），能有效改善摩擦副的摩擦學性能。

2.4.球座的結構設計

我們根據相關標準計算出球座位置連接螺栓孔的大小，然后根據襯墊結構的大小與球銷結構的擺角來計算出球座孔的大小。將球座開口設計為橢圓形能使球銷在球座內實現大幅度擺動。

2.5.密封設計

良好的防塵性能是設計球頭關節軸承的重要方面。可以采用在球頭銷上裝防塵罩與密封罩結合的方式。密封罩可采用丁腈橡膠，在球銷擺角范圍內防止球頭銷擺動變形，同時避免空氣中的灰塵、雜質落入軸承的內部。

3.球頭關節軸承的計算

3.1.球銷擺角的計算

球銷的最大擺角是軸承正常運轉時球銷部位偏離于垂直球座位置的最大角度，如下所示。

圖3 球銷最大擺角

3.2.裝配預緊力的計算

球銷與襯墊裝入球座，還未壓裝端蓋時，襯墊端面突出球座壓緊臺階面的高度g。壓裝后，球頭部分和襯墊部分相互作用的力即為預緊力，通過相關關系可求得預緊力Q的值。

由于襯墊結構部分比較復雜，在進行壓縮工序時球頭部分和襯墊部分的接觸點不固定，導致襯墊存在多向性變形可能，也可能發生塑性變形，以上因素都加大了端面壓縮量的計算難度。

3.3.校核球銷的疲勞強度

為了研究分析球銷對疲勞損壞產生的抵抗能力，有必要進行球銷疲勞強度校核。我們通過對危險截面的疲勞強度安全系數來進行準確校驗。危險截面小，受力大，應力集中則較為嚴重。球銷的頸部作為高疲勞損壞部分，因此，進行疲勞校核工序十分有意義。

3.4.計算潤滑壽命

球頭關節軸承潤滑壽命需要進行三方面的計算，有初始潤滑壽命的計算，多次潤滑壽命的計算和分段載荷時的潤滑壽命的計算。由于球頭關節軸承磨損現象較為復雜，需考慮的外部因素較多，國內外的軸承制造商都有各自的計算公式，因此，計算結果也存在差異。

結語：

總而言之，球頭關節軸承的設計需要考慮軸承最大擺角、轉動摩擦力矩等技術指標，還應考慮軸承所處的使用環境進行綜合計算。只有滿足最大擺角需求，安全儲備高，壽命超過百萬次的球頭關節軸承才可放心使用。

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