一种高效的球销防尘罩防破设计方法

马翔　黄振之　陈丹华

【摘 要】球销是一种常见的汽车底盘件，球销防尘罩开裂破损是球销失效的主要模式之一。文章通过分析防尘罩防破损的设计要求和观察研究路试中防尘罩破损机理，修正仿真模型，并由此推导出一种高效的球销防尘罩设计方法——反向设计法，用于指导球销防尘罩的设计与开发，并通过试验验证了该方法的有效性，该方法可以用于球销防尘罩正向设计。

【关键词】球销;防尘罩;反向设计法;分析;验证

【中图分类号】U463.335.1 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）04-0063-03

0 引言

从路试和市场故障反馈来看，球销故障的很大一部分原因为防尘罩开裂破损导致漏油和进入泥水继而表现出球销松动异响。因此，保证工作过程防尘罩无裂口，是解决故障的长期措施。

通常，防尘罩的设计只有经历多次的故障设计循环过程（如图1所示），才能最终确定方案。本文所提出的反向设计法可以避开故障设计循环过程，减少重复设计工作，提高工作效率，降低开发成本。

1 防尘罩防破损的设计要求

防尘罩防破损的基本设计要求如下。

（1）如图2所示，在正常装配状态下，防尘罩下端与球销座上端避开，防尘罩中部不与转向节或其他部件产生碰擦，且防尘罩中部最好无大的隆起。

（2）如图3所示，在最大摆角工作状态下，防尘罩下端在球销座上端处不产生绷紧。

2 某车型的摆臂球销防尘罩的路试情况

某车型在路试过程中，摆臂球销防尘罩被割破的现象较为严重（如图4所示）。从破口处推断，其破损的主要原因有2点：①球销摆动最大时，防尘罩下端在球销座上端处产生绷紧。②仿真变形模型与实际不符。图5为仿真修正模型后的，故障分析结果。

3 橡胶材料本构模型理论介绍

摆臂球销防尘罩采用弹性橡胶材料制造，因此建立防尘罩CAE仿真模型必须先研究其材料特性及本构模型的理论。建立橡胶材料本构模型用于分析和设计的研究一直备受关注，很多本构模型在商用有限元软件中得到广泛应用。橡胶力学性能的研究方法可以分为2种：一种是以统计热力学的动力学理论作为基础研究橡胶的高分子性能;另一种是不考虑弹性体的分子本质和微观组织结构，基于连续介质力学理论，使用唯象学理论解决问题。唯象理论不涉及橡胶微观结构导出应力和应变之间的非线性弹性关系，仅考虑所观察到的橡胶的性质，构造的精确数学表示公式能准确描述实际工程中橡胶类材料变形的一般性质[1]。依据大量实验数据和事实，可以假定橡胶的力学特性如下：①橡胶在变形过程中存在着自由能函数，即等温条件下的应变能密度函数W，可表达为变形状态的函数，即超弹性材料;此函数形式及包含常数通过实验确定。②橡胶是各向同性材料[2]。③在变形中橡胶体积变化极小，因此认为它是不可压缩的。本章着重介绍基于应变能密度函数发展而来的几种本构理论。

公式中加入了I1的高阶项，能与真实材料的大变形试验数据较好地吻合。此外，由单轴拉伸试验确定的材料常数更适用于多种变形形式，可以减少材料的试验环节。与前两种模型相比，体积应变能函数有随变形而变化的阶模量，因此Yeoh模型能够在更大的应变范围内得到应用。

除了上述介绍的部分橡胶类材料具体应变能函数外，还有许多种类的应变能密度函数。而Mooney—Rivlin模型、Neo-Hookean模型、Yeoh模型能较好地描述橡胶小应变及中等程度的应变，材料试验的需求条件相对较低，适用于汽车工程设计中橡胶材料部件的模型构建[1]。

4 反向设计法提出、优化及验证

4.1 反向设计法

为了节省开发时间，提高开发效率，降低开发成本，不再经历故障设计循环过程，通过防尘罩防破损的设计要求，观察研究路试中防尘罩破损机理及仿真模型修正，采用逆向思维，本文推导出一种高效率的防尘罩防破损方法——反向设计法。

反向设计法的思路是通过CAE分析出防尘罩完全压缩和最大摆动角度状态的结果，对其形状、尺寸进行优化得出合理的压缩状态下的截面形状、尺寸，然后用CAE从压缩状态或最大摆动角度状态的防尘罩拉伸到自由高度状态的防尘罩，将所得到的自由状态防尘罩再经过略微处理得到防尘罩结构的过程。反向设计法的流程如图6所示。

4.2 反向设计法优化

现利用反向设计法对某车型摆臂球销防尘罩破损的故障件进行优化。破损原因是球销摆动最大时，防尘罩下端在球销座上端处产生绷紧，所以必须给防尘罩下端适当增大最大外径和调整防尘罩截面，增大最大外径的同时要保证在正常安装状态时，防尘罩中部不隆起，不与边缘件干涉（如图7所示）。

通过此次反向设计，得出以下结论：①防尘罩的下端若有小圆弧设计，在完全压缩时可避开球销座的上端部。②防尘罩的上端部至下端部壁厚逐渐减小，能有效在上端、中部、下端形成不同的刚度，再加上中部有大段圆弧，能很好地控制防尘罩在装配时的完全压缩状态及最大摆角状态的变形情况，避免防尘罩因碰擦及绷紧而出现磨损。③在保证压缩并摆动时不出现被球销座拉割现象的情况下，可以尽量减小防尘罩的压缩量（或防尘罩的自由高度）与最大外径，从而减少质量问题，降低成本。

4.3 路试验证

上述某车型摆臂球销防尘罩通过本次改进后，路试验证效果良好。如图8所示，试验车跑完耐久试验后，无再破损现象。该车在上市量产后也均未出现此故障现象，问题得以解决。证明了该设计方法的有效性和可行性。

5 结论

通过分析防尘罩防破损的设计要求和观察研究路试中防尘罩破损机理，本文根据工程实例，推导出一种高效率的球销防尘罩设计方法，并通过试验验证了该方法的有效性，该方法可以用于球销防尘罩正向设计。

参 考 文 献

[1]赵振东.汽车悬架与橡胶衬套的设计机理及对于整车性能影响的研究[D].上海：同济大学，2002：45-51.

[2]魏泳涛，于建华.橡胶有限元分析之研究[J].四川联合大学学报，1997（5）：78-84.

[3]李晓芳，杨晓翔.橡胶材料的超弹性本构模型[J].弹性体，2005，15（1）：50-58.

[4]D J Chaylton，J Yang.有限元分析所用橡膠弹性特性的表征方法[J].橡胶译丛，1996（3）：182-244.

[5]Yeoh O H.Some forms of the strain energy for rubber[J].Rubber Chem and Technol，1993，66（5）：754-771.

[6]朱艳峰.橡胶类材料硬化的本构研究与非线性有限元分析[D].广州：广东工业大学，2005：6-15.

[责任编辑：钟声贤]