某車型前控制臂球頭銷異響分析及改進

吳云飛

摘? 要：球頭銷總成是汽車轉向系統和懸掛系統的一個重要部件，本文所研究分析的控制臂球頭出現球頭異響的失效模式。本文首先通過魚骨圖對人、機、料、法、環、測環節進行排查，找到了根本原因是球頭鍍層脫落導致非正常磨損從而使整車行駛過程中產生噪音。然后對球頭銷進行設計優化，進行相應的試驗驗證，最終解決了球頭銷異響問題。系統地介紹了如何分析問題、制訂和驗證整改方案，整個過程對球頭銷的設計開發工作也有一定的指導意義。

關鍵詞：前控制臂球頭銷;異響;表面處理;磨損

中圖分類號：U463. 1? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2021）05-0096-04

FLCA Ball Joint Of Vehicle Noise Issue Study And Improvement

WU Yun-fei

（ Benteler automotive co.， ltd， Shanghai 201800， China ）

Abstract： Front lower control arm is the important component in the vehicle of steering and suspension， the ball joint in this paper happened noise issue in vehicle level. It is from man， machine， material， method and environment to do the analysis. Finally found the root cause is ball stud surface treatment， the ball joint noise happened due to the worn of the Zn-Ni coating in the ball stud. First find the issue root cause， then optimized the design and do the design verification， finally solved the noise issue. This paper systematically introduces how to analyze the problem， Define and verify the improvement proposal. This paper also has certain guiding for the design and development of the ball joint.

前下控制臂球頭銷安裝在控制臂上，對車輛的安全性、舒適性、操控性等具有很重要的影響[1]。球頭銷的失效形式主要存在以下幾種：球頭脫出，球頭斷裂或變形，球頭護套開裂，球頭異響等[2]。汽車球頭銷總成是實現車輪上、下跳動和轉向運動，對車輪起到導向作用，并通過它的轉動使前懸架車輪支架可以繞主銷偏轉[3]。隨著人們生活水平的提高，越來越多的人擁有了私家車，人們對于車輛舒適性的要求也越來越高，球頭銷發生異響問題會直觀的讓駕駛者感受到，影響駕駛者的舒適性。

1? ? 控制臂球頭銷異響問題描述

某車型在售后市場陸續接收到部分車輛在凹凸路同時帶轉向工況下整車偶發噪音的反饋。對車輛進行排查，發現更換新控制臂后異響消除，初步鎖定異響來源于控制臂。異響零件返回后，更換新控制臂球頭銷后重新安裝在整車上，進行凹凸路驗證，異響消除，經過排查確認異響來自控制臂球頭銷，如圖1所示為車輛偶發噪聲的工況和產生噪聲源頭的控制臂球頭銷。

2? ?異響原因分析

針對控制臂球頭出現的噪音異響問題采用魚骨圖從5M1E6因素進行排查分析，最終發現是球桿鍍層在運動過程中磨損脫落導致球桿和球軸承配合間隙增大從而出現松動和異響。

2.1? ?潛在原因分析

根據球頭銷過往開發經驗分析控制臂球頭在行車過程中發生噪聲異響問題主要有兩個原因。原因一是球頭護套在運動過程中卡簧保護不嚴或者護套破損后，水或者其它雜質進圖球桿和軸承內部導致球桿與軸承非正常磨損從而產生異響[4]，見圖2所示。原因二是球頭銷球桿與連接零件緊固不可靠，力矩松動[5]。球桿與連接零件之間存在間隙，當球頭銷在整車運行過程中受到載荷沖擊產生噪聲，如圖3所示。

2.2? ?失效分析

分析了零件可能產生噪聲的潛在原因后，接下來需要對失效零件進行全面分析，以確認問題的根本原因。此次售后退回失效零件有10個，見下表4所示，對失效零件進行外觀檢查、尺寸檢測、油脂含水率檢測、軸向間隙檢測和涂層厚度檢測。失效零件外觀并無破損，漏油或者變形問題。失效零件全尺寸檢測，尺寸符合圖紙要求無不符合項。失效零件內部油脂檢測含水率，符合目標要求，并沒有內部進入水的問題。失效零件軸向間隙測量發現部分零件存在間隙超過目標值的問題，初步評判是球頭銷與軸承磨損導致。對零件進一步分析，檢測失效零件鍍層厚度，發現部分零件涂層厚度明顯低于目標值，且軸向間隙也大于目標值，因此判斷是球桿在運動過程中涂層脫落后球桿與軸承發生非正常磨損，導致球桿與軸承間隙增大，從而在運動過程中產生噪聲。

2.3? ? 魚骨圖分析過程原因

通過對失效零件的分析后確認是零件涂層存在問題，對零件的生產過程通過用魚骨圖從人、機、料、法、環、測六個方面進行分析，見圖5所示。確認是零件來料問題，球頭銷球桿定義需要Zn-Ni涂層，而球桿與內部塑料軸承在行車過程中一直處于相互運動狀態，球桿由于涂覆了Zn-Ni涂層，涂層容易發生脫落后掉入油脂中，油脂中存在了Zn-Ni涂層雜質，雜質引起球桿與塑料軸承非正常磨損，最終球桿與塑料軸承配合間隙增大而導致噪聲產生。

3? ?問題優化方案

3.1? ?球桿優化方案

針對此控制臂球頭銷異響問題，經過系統排查分析，明確了球頭銷異響的根本原因是球桿鍍層脫落導致球桿與軸承的非正常磨損。現有球桿設計尺寸和工藝如下圖6，零件首先是桿部機加工，然后端部軸頸機加工，然后球桿球部分進行拋光處理為了達到圖紙要求的直徑公差和圓度公差要求。最后對球桿進行Zn-Ni涂覆。由于存在鍍層處理工藝所以在電鍍前球桿直徑定義為26.99±0.02。電鍍后球部分直徑尺寸保證在27±0.02以滿足零件的匹配要求。

對原設計和工藝進行調整和優化，將電鍍工藝放在球桿球部分機加工之前，如下圖7所示。優化后設計和工藝具體為首先對球桿干部進行機加工，第二步對球桿進行電鍍，第三步對球桿端部和軸頸進行機加工，最后對球桿球部分進行最后的拋光處理，拋光后直徑尺寸需滿足圖紙設計要求27±0.02。工藝調整后球桿球部分沒有了Zn-Ni涂層，就不會發生球桿與軸承運動過程中涂層脫落的問題，從而解決由于球桿與軸承非正常磨損導致的異響問題。

3.2? ?改善方案臺架和整車驗證

對改善前后的零件首先進行相應的臺架耐久和高負荷耐久試驗，從而對比分析零件改進效果。首先對改善前后零件進行耐久試驗，試驗條件左右方向載荷±4361N@8.3Hz，上下方向載荷±618N@8.3Hz，載荷加載耐久次數1000000次，試驗后分別測量軸向和徑向間隙值，如下圖8所示為改善前后零件臺架耐久后的軸向和徑向間隙值，試驗前后軸向和徑向間隙均有較大程度改善。

然后對改善前后零件進行高負荷耐久試驗，試驗條件軸向載荷30KN@0.2Hz，上下方向載荷25KN@0.2Hz，載荷加載耐久次數100次，試驗后分別測量軸向和徑向間隙值，如下圖9所示為改善前后零件高負荷耐久后的軸向和徑向間隙值。從耐久的試驗結果看，球桿的工藝優化后，零件的改善效果明顯，但需要進一步跟蹤整車狀態。

經過設計和工藝優化后的零件于19年2月份開始切換，持續跟蹤新零件在整車售后市場的反饋，如下圖10所示，數據統計截止2020年12月份。從19年2月份開始切換新零件后，售后異響退件數量明顯減少，改善效果明顯，數據顯示改善方案有效。

4? ? 總結

控制臂球頭銷安裝在控制臂上，對車輛的安全性、舒適性、操控性等具有很重要的影響。本文所研究分析的控制臂球頭失效形式為球頭異響，系統地介紹了如何分析問題、制訂和驗證整改方案，整個過程對球頭銷的設計開發工作也有一定的指導意義。通過魚骨圖對人、機、料、法、環、測環節進行排查，找到了根本原因是球頭鍍層脫落導致非正常磨損。然后對球頭銷進行設計優化，進行相應的試驗驗證，最終解決了球頭銷異響問題。

參考文獻：

[1]趙月剛. 論新型汽車擺臂球銷產品及加工工藝方法[J].機電設備管護，2018，（10）：246.

[2]華江海，吳罡，孫義杰.某轎車球頭銷總成耐久可靠性分析[J].汽車仿真與測試，2018，（8）：34-35.

[3]林秉華.最新汽車設計實用手冊[M]. 2005，6： 1424-1426.

[4]林德民.基于Abaqus 的球頭銷總成防塵罩CAE防真分析[J].機電技術應用，2013，（2）：151-153.

[5]賈輝，杜華，全煒倬.汽車下擺臂與球銷座接頭處連接失效問題的分析與改進[J].汽車工藝與材料，2015，（6）：14-15.