懸架球鉸鏈是采埃ZF底盤技術零部件事業部的核心產品，球鉸鏈的結構設計是部門的核心技術。隨著汽車工業水平的發展，對球鉸鏈產品的要求也不斷提升，過去的一些產品設計已經無法完全滿足目前市場的需求?？蛻魰蟾涌量痰哪M環境，更加復雜的工況載荷，同時也會引入一些新的法規要求，例如行人保護和碰撞后的失效要求。在這種環境下，球鉸鏈的技術優化勢在必行。球鉸鏈較多運用在前懸架中，桿與轉向節的連接都是通過球鉸鏈實現的，因為只有這種連接方式才能提供車輪的第二個自由度（轉向），為了能滿足更高的客戶要求，密封性能和疲勞磨損性能將成為主要研究和優化的方向。

本文基于ZF實際量產的國內OEM項目（東風柳州B20項目）對懸架球鉸鏈進行結構優化設計。原計劃準備沿用目前已批產項目的零件，但是經過第一輪DV試驗后發現仍存在風險，有漏水和早期磨損的失效模式。經過分析后決定改進設計來滿足當前的試驗要求。同時，通過對其他國內OEM新項目的分析，發現很多OEM已經制定了專門針對球鉸鏈性能的規范，設計要求上也有很大的提高。而全球性的OEM也在不斷更新他們對于球鉸鏈的規范，ZF產品需要面對更惡劣的環境條件，更為復雜多變的工況，更為細化的碰撞保護要求。本文通過對新規范的研究和分析，尋求合理的優化方案，以較少的成本獲得滿足性能的產品。

球鉸鏈簡介

球鉸鏈通過保持彼此持續接觸以及相對運動，可以保證機構鏈的連接。這些運動的連接位置被稱為接頭。球鉸鏈按照主要受載方向，可以分為徑向受載的鉸鏈（導向球鉸）和軸向受載的鉸鏈（承載球鉸）。如圖1所示，每一個接頭都有兩個連接元件，彼此配合，并且有與功能相適應的幾何形狀，如軸和滑動軸承、齒輪副的輪齒等。球鉸鏈的主要連接元件是球頭銷和球窩。除了球鉸鏈的工作性能，其他特征如材料、尺寸、表面質量、承載能力及潤滑等也很重要。

球鉸鏈的作用和技術要求

球鉸鏈的作用是將桿件與轉向節連接起來，連接有三個自由度（見圖2），將力和運動由轉向節傳遞到桿上。其中兩個自由度用于車輪跳動和轉向，另一個用于車輪的彈性運動學變化。由于它有三個轉動自由度，因此只能導入拉力、壓力和徑向力。在正常的工況下，球鉸鏈不允許產生自由間隙（否則會造成不必要的噪聲），彈性位移也應盡可能的小，避免造成車輛行駛中產生的不適感，直接影響駕駛者的主觀評價。同時球鉸鏈的工作力矩也是一個重要的評價指標，在整車的壽命周期內，不能降到允許值以下，造成早期磨損，產生不必要的噪聲。

原設計失效模式分析

1.密封性能試驗失效狀態

B20項目在初始階段，客戶要求沿用已有項目產品來減少研發費用和周期，但在DV試驗中發現密封性能存在漏水生銹等失效模式。試驗后發現球鉸鏈與轉向節之間貼合不良，存在2.5mm的自由間隙（見圖3），有漏水的風險，密封系統未能通過試驗要求。而且在球鉸鏈拆卸后可以看見其與轉向節的配合表面有嚴重的銹蝕（見圖4），進一步驗證了沿用產品的密封性能無法滿足B20的產品設計要求。

拆解球鉸鏈本體時，可以發現其內部有可見水，球銷暴露在防塵罩區域腐蝕嚴重（見圖5）。由此可見，目前的防塵系統無法完全滿足客戶的設計要求，需要進行優化設計。正常情況下，試驗后拆除防塵罩后，內部不應該存有明顯的水漬，需要通過測量殘留油脂中水的百分含量，來評價密封性能是否符合要求。一般含水量要求不超過0.6%。球銷在試驗后如若沒有圖層，一般只在球銷與轉向節的配合位置存在一圈銹蝕，如圖5所示，球銷下半部分——即插入轉向節部分，銹蝕嚴重。主要是由于試驗過程中有大量的污水侵入產生的。

2.試驗結果分析

試驗結果顯示，目前的進水量屬于W3級，即通過目視可見水漬，說明密封系統在試驗后進水狀況很嚴重。進水區域主要是球鉸鏈的兩端卡圈位置。綜上所述，可能的失效原因如下：

（1）卡圈的裝配質量和尺寸選擇球鉸鏈卡圈裝配時對于自身撐開后的最大尺寸有著明確的定義，主要是為了避免卡圈經過彈性變形后，卡緊力達不到設計的要求。供應商交貨時的狀態即未撐開時的狀態（見圖6a），φA在此狀態下需要100%檢測控制。裝配時產品通過撐開直徑φD和撐開后端部距離Y來控制（見圖6b）。如果在實際裝配時沒有嚴格按照規范執行，其結果很可能造成夾緊力過小，卡圈松垮。

（2）防塵罩的設計失效經過對防塵罩設計的對比分析，發現在防塵罩球銷端迷宮區域，存在錐角的設計偏差，與設計手冊和規范定義不同，有泄漏的風險。圖7（a）為目前的防塵罩設計，在球銷端的迷宮區域X，錐角為20°。圖7（b）是標準圖樣的設計，錐角為12°為試用于圓柱形的球銷。而目前的設計則是試用于錐角1:10的球銷形式，所以可能造成迷宮區域X有較大的間隙，產生泄漏的可能。

（3）球銷密封區域的設計失效對于目前的球銷設計也存在風險，圖8所示的區域Z，有一圈的臺階結構，其直徑比球銷桿部直徑大1mm，其目的是為了防塵罩軸向壓縮時，避免壓入球銷的頸部位置而導致防塵罩無法正常工作，造成球鉸鏈和配合件進水。但是由于B20這個項目的工作角度比較大，在擺動到極限位置時防塵罩與臺階接觸面積太小，容易直接壓入，造成失效的可能性。另外，在低溫下接觸面積過小，也容易產生間隙，發生漏水現象。

球鉸鏈優化設計方案

1.卡圈的裝配優化

卡圈端的失效主要來源于對生產裝配的控制，比較有效的方法就是在IPS，即內部工藝流程規范中定義卡圈的安裝尺寸，成為生產作業指導書的一部分。附表定義了卡圈的安裝方向、工裝夾具的最大直徑和卡圈張開的直徑范圍，同時還提供防塵罩的FEA分析報告和布置報告。這樣的方式可以改善卡圈裝配時產生的誤操作風險，保證符合設計要求。

 

卡圈的IPS（單位：mm）

卡圈物料號	000 000 028 013
裝配傘套的最大直徑	41
卡圈最小張開直徑	34.5
卡圈最大張開直徑	40
防塵罩的布置	D–DBL01270
防塵罩的德有限元分析	D–FEM01019–A

2.球銷的優化設計

根據上文分析的失效模式，防塵罩迷宮區設計不合理和球銷臺階接觸面積過小，是兩個主要可能導致密封試驗失敗的因素?？紤]到成本和項目開發節點的因素，優化球銷的結構是性價比最好的方案。優化的方案是基于希望球鉸鏈在最大工作角度的狀態下，球銷的臺階與防塵罩有更大的接觸面積。原設計球銷臺階截面形狀為φ1mm的半圓（見圖9a），新設計則是采用了截面矩形結構（見圖9b），并將臺階的外徑增加了φ1.8mm，相比原設計接觸面積增大，在球鉸鏈極限工況下，提供較大的反作用力，減小了產生間隙和防塵罩被壓入頸部的風險。

3.優化設計試驗驗證

依照優化設計方案，生產樣件，再次進行密封性能試驗。結果顯示，在球銷端和球殼端的含水量僅有0.1%～0.2%，試驗順利通過。原設計與優化設計球銷及防塵罩的腐蝕情況如圖10所示，原設計的防塵罩在迷宮區域基本已經被磨損，而優化后的設計依然完整。而球銷部分原設計下半部分基本腐蝕，優化設計只有局部暴露在外部分腐蝕。

結語

試驗結果反映了優化方案再密封性能上取得了明顯的改善。從技術角度來說，目前的設計方案還遠沒有達到最好的性能。假設防塵罩可以全新開發，設計更為合理的結構，選擇性能尺寸更好的卡圈，密封性能或許會取得更好的效果。但從項目節點上，目前的方案是惟一能滿足客戶時間要求的。

經過B20項目對球鉸鏈的優化設計，對其密封性能有了更深刻的體會?？此谱詈唵蔚捻椖浚瑓s往往隱藏著很多風險，對待這樣的項目需要投入更多的時間和精力去徹底分析客戶的要求。另外，在項目的初始做好產品的總布置草稿圖也很有必要，這有助于我們在初期避免很多的問題。