铝合金控制臂球头销旋铆工艺有限元分析

田浩彬，李学磊，刘晓航，苑文婧，鲁成伟

（1. 上海第二工业大学机电工程学院，上海201209；2. 上海汇众汽车制造有限公司，上海200122）

铝合金控制臂球头销旋铆工艺有限元分析

田浩彬1，李学磊1，刘晓航1，苑文婧1，鲁成伟2

（1. 上海第二工业大学机电工程学院，上海201209；2. 上海汇众汽车制造有限公司，上海200122）

汽车控制臂球头销封装是汽车底盘零件装配中的重要一环，其装配质量直接影响到汽车转向部件的寿命。采用有限元分析方法对铝合金控制臂球头销的旋铆封装技术进行了研究，对旋铆过程中铝合金控制臂的变形及受力情况进行了分析，并通过试验方法进行了验证，为汽车控制臂球头销的整体封装提供了有效的技术支持。

球头销封装；旋铆技术；铝合金控制臂

0 引言

随着汽车节重减排以及安全性要求的不断提高，汽车底盘越来越多地采用铝合金成形零件，并采用先进的装配技术或装配工艺进行装配，如汽车控制臂球头销封装。图1为某典型的汽车控制臂球销封装部件，它是由球头销、球座、球碗、挡盖及密封罩等零件组成，其中球座为控制臂的一部分，材料为铝合金；球头销为合金结构钢；球碗和密封罩为高分子材料；挡盖为低碳钢。在装配时，首先将球头销、球碗、挡盖等零件依次放进球座型腔内，而后将球座的侧檐向内翻边成形（如图1中A所示），从而将挡盖及球头销等零件密封。控制臂的球头销封装技术是一项非常复杂的工程，涉及结构设计、材料选择、工艺设计、测试等多个方面。在球销的结构设计方面，由于涉及因素比较多，目前可以采用专家系统来进行设计[1]，降低开发周期；球头销作为球销的主要受力和传力零件，常规使用钢制球头销，也有复合材料的球头销[2]。在球头销的封装方法和工艺方面，文献[3-4]采用液压铆接机并研究了铆接机的工作速度与铆接质量之间的关系；此外，有限元分析方法对辅助分析球销的封装工艺起了重要的作用[5-9]。但由于这些技术受到封闭，尤其是对于铝合金控制臂的球销封装技术，很难找到系统的、完善的资料进行参考，致使铝合金汽车控制臂的封装及使用寿命难以得到保障。在本文中，主要采用有限元分析方法对封装过程中控制臂零件的受力及变形情况进行分析，从而为零部件的设计及球销旋铆封装工艺提供必要的技术支持。

图1 球销封装结构简图Fig. 1 The profile for ball joint sealing

1 铝合金控制臂球头销旋铆有限元分析

1.1 有限元分析模型的建立

在分析旋铆的过程中，考虑到在球销封装的过程中，旋铆质量直接与球座的尺寸、旋铆头的形状密切相关，而与球头销、球碗等配合件的关系不大，故在进行有限元分析时进行了简化，选取了球座、端盖和旋铆头作为分析对象。考虑到其基本为轴对称形状，采用了两维模型进行分析。有限元模型采用轴对称单元，球座单元数为4 279个，其有限元模型如图2所示。

在有限分析模型中，旋铆头和端盖相对于球座的铝合金材料较硬，在分析中采用刚性材料，球座的材料模型服从Von Mises 屈服准则，其硬化曲线通过压缩试验方法获得，如图3所示。

图3 铝合金硬化曲线Fig. 3 The Aluminium harding curve

1.2 有限元模拟及结果分析

在前期的研究基础上[10]，本文以图4所示球座作为研究对象，旋铆模具采用样条曲线拟合弧面形状，如图 5所示。

图2 球座旋铆有限元分析模型Fig. 2 The finite element model for revolving-reveting process

图4 球座尺寸图Fig. 4 The elementary dimensions for housing

采用以上的有限元模型及边界条件，对球座封装进行数值模拟，获得的结果如图5所示。

从图5可以看出，采用样条曲线旋铆模具进行旋铆封装时，封装部分材料比较饱满，效果比采用半圆弧面旋铆头封装得要好。考虑到旋铆封装过程中球座的变形将直接影响装配于其中的球销、球碗等零件的受力情况，最终将影响球销的转动力矩，本部分分别将球座的变形情况、球座与端盖的配合面的变形和与球碗配合面的变形进行了分析研究。

球座在旋铆完成后的等效应变分布及大小如图6所示。从图6可以看出，旋铆时与端盖邻接的地方变形最大，从而对端盖产生向下的力使得端盖向下运动，从而带来与球碗配合面的变形。

图5 采用不同旋铆头进行封装效果Fig. 5 The ball joint seal results for different cupping tool shapes

图6 球座等效应变分布图Fig. 6 The equivalent strain distribution for housing

为了分析球座与端盖配合面的变形情况，将配合面上的5个节点作为分析对象，获得的Y方向的移动量如图7所示。

图7 球座与端盖配合面的变形Fig. 7 The deformation for mating surface between housing and cover

从图7中可以看出，在与端盖配合面上，越靠近封装的位置，金属受到旋铆引起的向下的力越大，变形越大，从而压缩球座金属变形，带来球座内孔侧壁的变形。球座内孔测壁的分析点及其沿X方向的变形情况如图8所示。

图8 球座与球碗配合面的变形Fig. 8 The deformation for mating surface between housing and bearing

从图8中可以看出，在球碗的上半部分（1 ～ 5节点处）由于材料受到旋铆的压应力作用，使得内孔表面有扩大的趋势，而在球座的下半部分，材料变形量相对较小，并有使内孔缩小的趋势。合理调节球座封装部分的尺寸可以有效地调节球座与其它配合面的变形，从而有利于设计、加工合格的装配产品。

2 旋铆试验

根据以上有限元分析结果可知，采用样条曲线弧面的旋铆头进行封装可以获得良好的封装效果。本部分采用试验方法进行了研究验证。试验过程中采用的旋铆设备如图9所示，旋铆完成后的试件如图10所示。

图9 旋铆设备Fig. 9 The revolving equiptment

图10 旋铆后试件Fig. 10 The shape after revolving-reveting

通过图10可以看出，经过旋铆后，旋铆形状与模拟结果相同，并且铆边的质量非常光滑，质量较好，未出现裂纹、辊痕等缺陷，能够达到使用要求。

3 结论

采用有限元分析方法对铝合金球头销旋铆工艺进行了有限元分析及相应试验研究，获得的结论如下。

1）采用有限元分析方法可以有效地模拟铝合金球头销旋铆工艺，模拟结果可靠；

2）通过控制旋铆模具的型线，可以优化旋铆封装结果，经证实，采用样条曲线型模具可以获得更为优良的封装效果；

3）采用有限元分析方法可以获得旋铆工艺参数对球座变形的影响，为有效控制调节球座与其它配合面的变形、有效控制扭矩的大小提供技术支持。

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Simulation on the Ball Joint Sealing of Aluminum Control Arms

TIAN Hao-bin1, LI Xue-lei1, LIU Xiao-hang1, YUAN Wen-jing1, LU Cheng-wei2
( 1. School of Mechanical & Electronic Engineering, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China; 2. Shanghai Huizhong Automotive Manufacturing Corporation, Shanghai 200122, P. R. China )

Ball joint sealing of aluminum control arms is one of the key processes to the assembly of automobile chassis, which directly influents the life cycle of steering systems of automobiles. The revolving-reveting process for ball joint of control arms is studied by finite element method, and the deformation of housing is advanced and verified by experiments, which can provide technical support to the ball joint sealing of automobile control arms.

ball joint sealing; revolving-reveting technology; aluminum control arms

TG 319

A

1001-4543(2012)04-0296-06

2012-07-10;

2012-12-19

田浩彬（1975－），女，河北藁城人，副教授，博士，主要研究方向为塑性成形及其数值分析技术，电子邮箱hbtian@meef.sspu.cn。

上海第二工业大学科研基金项目（No. A20XK11X004）