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        車用球銷的強(qiáng)度分析與設(shè)計(jì)

        2019-08-06 12:08:08宗劉冬熊雪嬌
        科學(xué)與財(cái)富 2019年11期
        關(guān)鍵詞:強(qiáng)度分析

        宗劉冬 熊雪嬌

        摘 要:球鉸鏈?zhǔn)沁B接汽車懸架與車輪的關(guān)鍵零件,直接影響車輛行駛的操控及安全性能。球銷作為球鉸鏈的主承載部件,其強(qiáng)度直接影響連接的可靠性。本文利用力學(xué)基礎(chǔ)知識,對球銷強(qiáng)度設(shè)計(jì)進(jìn)行分析,并建立了簡易可行的設(shè)計(jì)模型。

        關(guān)鍵詞:麥弗遜式;球銷;強(qiáng)度分析;設(shè)計(jì)模型

        引言

        盡管新能源車輛方興未艾,并逐步擠占傳統(tǒng)燃油車輛市場,但基于技術(shù)限制,短期內(nèi)并不會(huì)對傳統(tǒng)車輛底盤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顛覆性的影響,傳統(tǒng)的底盤懸架連接方式將長期存在。作為懸架連接的核心部件,擺臂球鉸鏈總成仍有很大的發(fā)展空間,球銷作為球鉸鏈總成的關(guān)鍵連接件,如出現(xiàn)疲勞、斷裂等問題,將直接影響車輛的行駛安全。

        本文主要討論在麥弗遜式前懸球銷設(shè)計(jì)過程中的強(qiáng)度問題,并試圖通過建立簡易的模型對球銷設(shè)計(jì)進(jìn)行校核,以滿足車輛的使用要求。

        1.球銷的受力分析

        1.1球銷的連接位置及載荷

        擺臂球銷分別連接轉(zhuǎn)向節(jié)與擺臂總成,在使用過程中主要承受橫向的交變載荷作用,此載荷隨車輛行駛的路況、速度等因素不斷變化,如圖1所示

        1.2球銷所受剪力及彎矩分析

        依據(jù)連接及安裝結(jié)構(gòu),球銷可簡化為受集中交變載荷(力)作用的懸臂梁結(jié)構(gòu),導(dǎo)致球銷產(chǎn)品失效的原因?yàn)槠涫褂眠^程中所受的剪切應(yīng)力及彎曲應(yīng)力。設(shè)定作用于球銷球心的載荷為F、球心至安裝位置的力臂長度為L0、彎矩為M,

        則任意位置Lx截面上:剪力Fx=-F,彎矩Mx=FLx,

        即自載荷作用點(diǎn)(球心)至安裝位置(錐面大端),剪力不變,彎矩與力臂Lx成正比。

        2.球銷設(shè)計(jì)模型的建立

        2.1 影響球銷強(qiáng)度的主要原因

        由于球銷為回轉(zhuǎn)體,各橫截面均為圓形,故設(shè)定其任意位置半徑為rx,則截面積Ax=πrx2

        由《材料力學(xué)》梁的強(qiáng)度校核可知:

        其剪切強(qiáng)度 τx=Fx/Ax=Fx/πrx2

        彎曲強(qiáng)度 σx=Mx/Wz=4FxLx/πr3

        為明確τx與σx對球銷失效產(chǎn)生的影響,對其差值進(jìn)行比較:

        τx-σx= Fx/πrx2-4FxLx/πr3=(rx-4Lx)F/πr3(rx-4Lx)

        對于球銷結(jié)構(gòu)而言,除為滿足接觸的球面部位外,其余部位rx-4Lx<0,即τx-σx<0,

        則彎曲強(qiáng)度是導(dǎo)致球銷失效的主要原因。

        2.2 球銷尺寸設(shè)計(jì)公式及模型

        由懸臂梁彎曲強(qiáng)度公式建立球銷尺寸設(shè)計(jì)公式如下:

        rx=(4FLx/σπ)1/3

        F:常數(shù),設(shè)計(jì)過程中球銷所受載荷或?qū)嵻嚥杉d荷

        σ:常數(shù),球銷材料的屈服載荷

        Lx:自變量,球銷任意截面距載荷作用點(diǎn)(球心)的距離

        rx:因變量,球銷任意截面半徑。

        則rx隨Lx變化的曲線如圖2所示,由于設(shè)定了材料的屈服強(qiáng)度為常數(shù),則針對某一給定載荷的球銷,此模型曲線可直接用于與球銷設(shè)計(jì)外輪廓進(jìn)行對比,其外輪廓應(yīng)在此曲線以外,方能滿足強(qiáng)度要求。

        3.應(yīng)用案例

        某車型球銷出現(xiàn)彎曲問題,彎曲位置為錐面大端部位,經(jīng)實(shí)車載荷采集,特殊工況下,球銷所受極限載荷Fmax=17.81kN,其設(shè)計(jì)尺寸為安裝位置(錐面大端)直徑d=18mm、安裝距L=28mm,球銷所用材料屈服強(qiáng)度σ=785MPa,通過模型公式進(jìn)行校核,則其安裝位置半徑r=(4x17810x28/785/3.14)1/3=9.53mm,此數(shù)值大于故障件安裝位置直徑d,故球銷大端位置強(qiáng)度不足。

        依據(jù)輸入數(shù)據(jù)結(jié)合CAD工具,繪制此球銷模型曲線,并與現(xiàn)有球銷外輪廓進(jìn)行對比,球銷錐面大端位置低于計(jì)算的模型曲線,設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足,與故障發(fā)生位置一致。

        4.結(jié)論

        通過對數(shù)據(jù)及核算方式的整合,給定了球銷外部輪廓設(shè)計(jì)的依據(jù),并結(jié)合CAD功能,建立模型,實(shí)現(xiàn)理論值與設(shè)計(jì)值的直觀對比,便于設(shè)計(jì)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題并進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化。需要說明的是,此模型曲線僅為滿足設(shè)計(jì)要求的最小值,實(shí)際設(shè)計(jì)過程中應(yīng)依據(jù)安全系數(shù)留有設(shè)計(jì)余量,一般情況下實(shí)際輪廓與模型曲線的間距應(yīng)大于0.4mm,以滿足使用要求。綜合而言,此模型對于球銷設(shè)計(jì)具有實(shí)際的指導(dǎo)意義,亦可用于球銷彎曲問題的解決。

        參考文獻(xiàn):

        [1] B Heibing ,M Ersoy. 汽車底盤手冊. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012

        [2] 范慕輝,焦永樹. 材料力學(xué)教程. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010

        [3] 齊鐵東,張晨飛. 球銷與轉(zhuǎn)向節(jié)錐面配合設(shè)計(jì)及分析,2017中國汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集

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