車用球銷的強度分析與設計

宗劉冬 熊雪嬌

摘 要：球鉸鏈是連接汽車懸架與車輪的關鍵零件，直接影響車輛行駛的操控及安全性能。球銷作為球鉸鏈的主承載部件，其強度直接影響連接的可靠性。本文利用力學基礎知識，對球銷強度設計進行分析，并建立了簡易可行的設計模型。

關鍵詞：麥弗遜式；球銷；強度分析；設計模型

引言

盡管新能源車輛方興未艾，并逐步擠占傳統燃油車輛市場，但基于技術限制，短期內并不會對傳統車輛底盤結構產生顛覆性的影響，傳統的底盤懸架連接方式將長期存在。作為懸架連接的核心部件，擺臂球鉸鏈總成仍有很大的發展空間，球銷作為球鉸鏈總成的關鍵連接件，如出現疲勞、斷裂等問題，將直接影響車輛的行駛安全。

本文主要討論在麥弗遜式前懸球銷設計過程中的強度問題，并試圖通過建立簡易的模型對球銷設計進行校核，以滿足車輛的使用要求。

1.球銷的受力分析

1.1球銷的連接位置及載荷

擺臂球銷分別連接轉向節與擺臂總成，在使用過程中主要承受橫向的交變載荷作用，此載荷隨車輛行駛的路況、速度等因素不斷變化，如圖1所示

1.2球銷所受剪力及彎矩分析

依據連接及安裝結構，球銷可簡化為受集中交變載荷（力）作用的懸臂梁結構，導致球銷產品失效的原因為其使用過程中所受的剪切應力及彎曲應力。設定作用于球銷球心的載荷為F、球心至安裝位置的力臂長度為L0、彎矩為M，

則任意位置Lx截面上：剪力Fx=-F，彎矩Mx=FLx，

即自載荷作用點（球心）至安裝位置（錐面大端），剪力不變，彎矩與力臂Lx成正比。

2.球銷設計模型的建立

2.1 影響球銷強度的主要原因

由于球銷為回轉體，各橫截面均為圓形，故設定其任意位置半徑為rx，則截面積Ax=πrx2

由《材料力學》梁的強度校核可知：

其剪切強度 τx=Fx/Ax=Fx/πrx2

彎曲強度 σx=Mx/Wz=4FxLx/πr3

為明確τx與σx對球銷失效產生的影響，對其差值進行比較：

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

對于球銷結構而言，除為滿足接觸的球面部位外，其余部位rx-4Lx<0，即τx-σx<0，

則彎曲強度是導致球銷失效的主要原因。

2.2 球銷尺寸設計公式及模型

由懸臂梁彎曲強度公式建立球銷尺寸設計公式如下：

rx=（4FLx/σπ）1/3

F：常數，設計過程中球銷所受載荷或實車采集載荷

σ：常數，球銷材料的屈服載荷

Lx：自變量，球銷任意截面距載荷作用點（球心）的距離

rx：因變量，球銷任意截面半徑。

則rx隨Lx變化的曲線如圖2所示，由于設定了材料的屈服強度為常數，則針對某一給定載荷的球銷，此模型曲線可直接用于與球銷設計外輪廓進行對比，其外輪廓應在此曲線以外，方能滿足強度要求。

3.應用案例

某車型球銷出現彎曲問題，彎曲位置為錐面大端部位，經實車載荷采集，特殊工況下，球銷所受極限載荷Fmax=17.81kN，其設計尺寸為安裝位置（錐面大端）直徑d=18mm、安裝距L=28mm，球銷所用材料屈服強度σ=785MPa，通過模型公式進行校核，則其安裝位置半徑r=（4x17810x28/785/3.14）1/3=9.53mm，此數值大于故障件安裝位置直徑d，故球銷大端位置強度不足。

依據輸入數據結合CAD工具，繪制此球銷模型曲線，并與現有球銷外輪廓進行對比，球銷錐面大端位置低于計算的模型曲線，設計強度不足，與故障發生位置一致。

4.結論

通過對數據及核算方式的整合，給定了球銷外部輪廓設計的依據，并結合CAD功能，建立模型，實現理論值與設計值的直觀對比，便于設計人員及時發現設計問題并進行改進、優化。需要說明的是，此模型曲線僅為滿足設計要求的最小值，實際設計過程中應依據安全系數留有設計余量，一般情況下實際輪廓與模型曲線的間距應大于0.4mm，以滿足使用要求。綜合而言，此模型對于球銷設計具有實際的指導意義，亦可用于球銷彎曲問題的解決。

參考文獻：

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