一種高效的球銷防塵罩防破設計方法

馬翔　黃振之　陳丹華

【摘 要】球銷是一種常見的汽車底盤件，球銷防塵罩開裂破損是球銷失效的主要模式之一。文章通過分析防塵罩防破損的設計要求和觀察研究路試中防塵罩破損機理，修正仿真模型，并由此推導出一種高效的球銷防塵罩設計方法——反向設計法，用于指導球銷防塵罩的設計與開發，并通過試驗驗證了該方法的有效性，該方法可以用于球銷防塵罩正向設計。

【關鍵詞】球銷;防塵罩;反向設計法;分析;驗證

【中圖分類號】U463.335.1 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）04-0063-03

0 引言

從路試和市場故障反饋來看，球銷故障的很大一部分原因為防塵罩開裂破損導致漏油和進入泥水繼而表現出球銷松動異響。因此，保證工作過程防塵罩無裂口，是解決故障的長期措施。

通常，防塵罩的設計只有經歷多次的故障設計循環過程（如圖1所示），才能最終確定方案。本文所提出的反向設計法可以避開故障設計循環過程，減少重復設計工作，提高工作效率，降低開發成本。

1 防塵罩防破損的設計要求

防塵罩防破損的基本設計要求如下。

（1）如圖2所示，在正常裝配狀態下，防塵罩下端與球銷座上端避開，防塵罩中部不與轉向節或其他部件產生碰擦，且防塵罩中部最好無大的隆起。

（2）如圖3所示，在最大擺角工作狀態下，防塵罩下端在球銷座上端處不產生繃緊。

2 某車型的擺臂球銷防塵罩的路試情況

某車型在路試過程中，擺臂球銷防塵罩被割破的現象較為嚴重（如圖4所示）。從破口處推斷，其破損的主要原因有2點：①球銷擺動最大時，防塵罩下端在球銷座上端處產生繃緊。②仿真變形模型與實際不符。圖5為仿真修正模型后的，故障分析結果。

3 橡膠材料本構模型理論介紹

擺臂球銷防塵罩采用彈性橡膠材料制造，因此建立防塵罩CAE仿真模型必須先研究其材料特性及本構模型的理論。建立橡膠材料本構模型用于分析和設計的研究一直備受關注，很多本構模型在商用有限元軟件中得到廣泛應用。橡膠力學性能的研究方法可以分為2種：一種是以統計熱力學的動力學理論作為基礎研究橡膠的高分子性能;另一種是不考慮彈性體的分子本質和微觀組織結構，基于連續介質力學理論，使用唯象學理論解決問題。唯象理論不涉及橡膠微觀結構導出應力和應變之間的非線性彈性關系，僅考慮所觀察到的橡膠的性質，構造的精確數學表示公式能準確描述實際工程中橡膠類材料變形的一般性質[1]。依據大量實驗數據和事實，可以假定橡膠的力學特性如下：①橡膠在變形過程中存在著自由能函數，即等溫條件下的應變能密度函數W，可表達為變形狀態的函數，即超彈性材料;此函數形式及包含常數通過實驗確定。②橡膠是各向同性材料[2]。③在變形中橡膠體積變化極小，因此認為它是不可壓縮的。本章著重介紹基于應變能密度函數發展而來的幾種本構理論。

公式中加入了I1的高階項，能與真實材料的大變形試驗數據較好地吻合。此外，由單軸拉伸試驗確定的材料常數更適用于多種變形形式，可以減少材料的試驗環節。與前兩種模型相比，體積應變能函數有隨變形而變化的階模量，因此Yeoh模型能夠在更大的應變范圍內得到應用。

除了上述介紹的部分橡膠類材料具體應變能函數外，還有許多種類的應變能密度函數。而Mooney—Rivlin模型、Neo-Hookean模型、Yeoh模型能較好地描述橡膠小應變及中等程度的應變，材料試驗的需求條件相對較低，適用于汽車工程設計中橡膠材料部件的模型構建[1]。

4 反向設計法提出、優化及驗證

4.1 反向設計法

為了節省開發時間，提高開發效率，降低開發成本，不再經歷故障設計循環過程，通過防塵罩防破損的設計要求，觀察研究路試中防塵罩破損機理及仿真模型修正，采用逆向思維，本文推導出一種高效率的防塵罩防破損方法——反向設計法。

反向設計法的思路是通過CAE分析出防塵罩完全壓縮和最大擺動角度狀態的結果，對其形狀、尺寸進行優化得出合理的壓縮狀態下的截面形狀、尺寸，然后用CAE從壓縮狀態或最大擺動角度狀態的防塵罩拉伸到自由高度狀態的防塵罩，將所得到的自由狀態防塵罩再經過略微處理得到防塵罩結構的過程。反向設計法的流程如圖6所示。

4.2 反向設計法優化

現利用反向設計法對某車型擺臂球銷防塵罩破損的故障件進行優化。破損原因是球銷擺動最大時，防塵罩下端在球銷座上端處產生繃緊，所以必須給防塵罩下端適當增大最大外徑和調整防塵罩截面，增大最大外徑的同時要保證在正常安裝狀態時，防塵罩中部不隆起，不與邊緣件干涉（如圖7所示）。

通過此次反向設計，得出以下結論：①防塵罩的下端若有小圓弧設計，在完全壓縮時可避開球銷座的上端部。②防塵罩的上端部至下端部壁厚逐漸減小，能有效在上端、中部、下端形成不同的剛度，再加上中部有大段圓弧，能很好地控制防塵罩在裝配時的完全壓縮狀態及最大擺角狀態的變形情況，避免防塵罩因碰擦及繃緊而出現磨損。③在保證壓縮并擺動時不出現被球銷座拉割現象的情況下，可以盡量減小防塵罩的壓縮量（或防塵罩的自由高度）與最大外徑，從而減少質量問題，降低成本。

4.3 路試驗證

上述某車型擺臂球銷防塵罩通過本次改進后，路試驗證效果良好。如圖8所示，試驗車跑完耐久試驗后，無再破損現象。該車在上市量產后也均未出現此故障現象，問題得以解決。證明了該設計方法的有效性和可行性。

5 結論

通過分析防塵罩防破損的設計要求和觀察研究路試中防塵罩破損機理，本文根據工程實例，推導出一種高效率的球銷防塵罩設計方法，并通過試驗驗證了該方法的有效性，該方法可以用于球銷防塵罩正向設計。

參 考 文 獻

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[責任編輯：鐘聲賢]