汽车球关节结构在实际应用中的失效类型分析

王小立　周怀朗　张凡

摘 要：球关节被广泛应用于车辆底盘转向及悬架系统，连接两个有较大相对转动或摆动的不见，例如转向拉杆球关节、连接杆球关节以及摆臂球关节等。球关节一般属于安全件，安装在关键部位，其失效往往是由于细节的设计不当造成的。本文针对球关节的特征，分析了其失效模式，为球关节失效问题分析及改进提供了相关依据。

关键词：球关节 失效 扭矩 松旷

1 引言

目前很多车型前悬架系统采用的是麦弗逊式悬架，车辆在转向、刹车、和颠簸路面等不同工况下，底盘部件之间，如转向横拉杆和转向节，摆臂与制动器，稳定连接杆和稳定杆等，在此类具有较大相对转动或摆动的位置，一般由球关节连接，如图1。[1]

2 球关节的主要结构类型

球关节以结构不同可分为：球头球销型和球面球销型，如图2。球面销型球关节和橡胶（套管）衬套外部结构类似;但球面销刚度大，旋转角大，耐久性高，无噪音，对车辆的操控、舒适性能好;但成本较高，故目前中高端车使用球关节的频率很高;而低端小车对车辆性能的要求不高，往往在连接杆系统中采用橡胶套管衬套代替球关节。

球头球销型与球面球销型都是由球头销（球面销）、球座、盖板（压圈）、壳体以及防尘罩构成，如图3。

球销的装配过程，先将球销装入球座内，将装配好的球销球座从壳体底部装入壳体内，盖上盖板，用铆压方式铆紧盖板，最后在球销上部装配防尘罩。

从材质上来说，球头销或球面销一般采用40Cr（Mo），球座采用POM-A，盖板采用 ST12/08F/SPCC;防尘罩采用CR，缓冲垫采用PUR材料。

球关节性能的主要是球销与球座之间的油脂决定，选择适合的油脂才能保证球关节良好的使用性能。

3 球关节常见失效模式及分析

目前汽车上所使用的球销，失效形式有易磨损、易松旷、力矩易丧失的缺陷，轻则导致汽车异响、偏行、滑移、摆振，影响汽车各系统零件的运动干涉，降低制动效能，破坏几何布置，如前轮前束、悬架及转向系统等零件的损坏，使汽车操纵不稳、轮胎磨损加快，导致整车的安全系数降低，燃油消耗增加;重则造成汽车操纵失灵，导致严重的交通事故和重大人员伤亡及巨大的财产损失。[5]

3.1 球销松旷

球销松旷是球关节最常见的失效模式，也是造成底盘异响的一项重要因素。造成球销松旷的最主要原因是球座非正常状态磨损。

球销在正常状态下，都有一定的工作扭矩，而该扭矩就是通过球销内部摩擦力来决定的。而如之前所说，对总成性能起决定作用的是球销——球座运动摩擦副。 也就是说，由球销和球座的材料、结构尺寸和润滑条件等因素所决定的摩擦副的摩擦磨损特性，就是球接头总成最重要的使用性能。

通过对报废零件进行分析，以及对路试实验进行统计，球座磨损主要有两种原因：防尘套密封性不良;球销与球座安装间隙超出设计范围。

3.1.1 防尘套密封性不良

防尘套密封性不良，导致灰尘和泥水混入球销内部，球座采用POM-A，耐磨性差，对摩擦面粗糙度要求很高。泥水灰尘混入球销内部与油脂混在一起，灰尘颗粒与泥水大大降低了油脂的润滑性，导致球座在短时间内被迅速磨耗掉。如图4所示。

防尘套密封性不良，一般有两种原因：一是由于防尘套受到外部破坏，出现缝隙或缺口;二是由于防尘套设计不合理，使得防尘套上唇口压紧力不足，当球销摆动到极限位置时，防尘套上唇口与球销间就会出现间隙，如图5。

对于由于压紧力不足而导致防尘套失效的球关节，一般来说采取变更设计方案，增大唇口的压紧力，同时保证防尘套有足够的运动空间。

通过对现场处理方式的采集，一般球销设计人员，都会采取改变球销运动时防尘套受力范围的方案。在球关节的工作过程中，防尘套会随着球销的摆动而产生变形，而橡胶的寿命是随着摆动次数和摆动频率而降低的。防尘套唇口属于整个结构的薄弱部位，设计人员一般会选择让整个防尘套的运动位置尽量远离唇口，使球销在摆动过程中，防尘套唇口部位尽量不产生变形，从而延长其使用寿命。

而对于防尘套收到外部破坏这一方面，由于防尘套与壳体的安装位置，一般是采用金属卡圈进行固定，由于金属卡圈位置及状态不合理，会出现金属卡圈端头戳破防尘套。

对于这类失效原因的处理，目前设计金属卡圈时都要求卡圈端部进行圆角打磨处理，另外，卡圈安装好之后，端部要求向外折出一定角度，防止卡圈内折挤压防尘套。

3.1.2 球销与球座装配间隙超出规范值

球销设计有相应的轴向间隙与径向间隙，一旦间隙超出该范围会造成球销非正常运动，球座不仅受到摩擦力，还受到球销的撞击力作用;而间隙过小，则会导致摩擦力过大，使球座非正常磨损。

另外，球关节的设计步骤一般为：计算球关节处的应力;确定摆动角度与旋转角度;选用球头直径与类型;校核球头强度;调整启动扭矩与工作扭矩;确定防尘套的设计;实验验证。

除了以上两种原因以外，当实际载荷大于设计载荷，以及油脂选择的不合格，也会导致求关节异常磨损，导致球头松旷。

3.2 断裂

断裂现象多数发生在连接杆上。稳定杆连接杆的壳体和连接杆是采用电阻焊，低温状态下，壳体与连接杆焊接处常发生断裂。如图6。

主要原因是球關节实际扭矩过大造成的。主要是由于油脂没有起到良好的润滑作用，使得球销工作是的部分作用力被传递到连杆中间最薄弱的部位，导致弯折。

解决方案有更换油脂或球座材料，改变设扭矩。

4 结论

球销是保证汽车操纵的稳定性，行驶平顺性、舒适性、安全性及使汽车正确、准确行驶的关键零部件，使用可靠，性能好，目前在汽车底盘系统上被广泛采用。

本文分析了目前球关节产品的结构形式以及失效形式，简明扼要的表述了其失效的原因，以及常用的改善方式，指出改善摩擦副的润滑和防尘条件是延缓磨损、提高球头使用寿命的最方便和有效的途径，为球关节结构失效设计及质量改进提供了理论依据。

参考文献：

[1]刘惟信.汽车设计[M].北京：清华大学出版社，2001.

[2]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3]车用球关节结构[P].中国：CN2921424Y，2006.

[4]顾恒教.转向拉杆球接头使用性能的研究[J].汽车技术.1988（6）：55-59.

[5]唐正北，王忠海. 汽车球销设计研究[J].科技创新与应用，2012（9）：25.