易紧通
资讯
查标准 找产品 材料 资讯 展会会议 行业杂志 紧博会
标准 紧固件 材料 供应商 资讯 展会
当前位置:首页 >> 资讯中心 >> 标准与技术 >> 汽车球销选型计算方法和扭矩要求
标准与技术

汽车球销选型计算方法和扭矩要求

发布时间:2018-10-11   来源:GAF螺丝君  

  1、序言

  球销也称球头、球头销、球铰等。球销是汽车转向拉杆连接部分的一个重要零件,用于转向机构的铰接,如汽车的转向机构和悬架的铰接。

  因为汽车的转向车轮有外倾角、前束角,主销有后倾角和内倾角,所以转向时及车轮上、下跳动时转向拉杆一般作空间运动。

  为此,传动机构的关节处应用球销铰接。球销需要表面耐磨,芯部能够承受一定的强度和韧性。球销总成一般包括球销、球座、球碗、挡盖及密封罩等零件组成。

  球销总成与控制臂和转向节两类零件连接,需要传递力和力矩,以保证车辆正常运行,因此要求各个连个部位必须为刚性连接,保证强度及刚度要求,同时,各个零部件不得出现滑移、变形或损坏的现象。

  球销与控制臂的连接方式主要有五种方式,即铆接式、螺栓连接式、压入式、焊接式、一体式等。

  一体式连接为球头和控制臂集成到一起,有更好的强度和更小的空间,但成本高,一般用于中高档的悬架中,其余4种均为常见的方式,各有利弊,应综合考虑设计空间、工艺和成本等因素来确定适合的连接形式。

  球销与转向节连接方式主要有三种方式,即锥度连接、开槽圆柱连接、带球面的圆柱连接。其中,带球面的圆柱连接方式用于铝合金的转向节,主要目的是增大接触面积,防止铝合金屈曲变形。

  锥度连接(如图1)和开槽圆柱(如图2)连接方式主要用于铸铁类的转向节。本文主要介绍球销及转向节采用锥度连接和开槽圆柱连接的设计计算。

图1 锥度连接

图2 开槽圆柱连接

  2、球销的设计计算

  球销工作表面应该润滑良好,故在球碗或球销上设计有油槽或油道。但是,为了减少维护保养工作,目前球销一般采用了不必加注润滑油的塑料球碗,也就是所说的自润滑球碗,这种球碗在现代汽车球销设计中得到了日益广泛的应用。

  球销的形状虽然复杂,然而其各部分与球销球头直径一般存在一定的比例关系,这就可以参照对标车型的球销进行尺寸设计。

  球头直径一般和球销载荷有关,在对标时需要特别注意,可以参照表1推荐的范围选用,该表球头直径是国内汽车常用的尺寸,而在当前汽车球头设计中直径会与该表球头直径存在差别,如大众、通用车型中经常用到该表中没有包括的Φ26mm的球头直径。

  轿车中球销球头直径,分为Φ24mm、Φ26mm、Φ28mm、Φ30mm、Φ32mm和Φ35mm等规格,各球销专业厂根据实际情况规定了其直径尺寸规格系列。

  通常球销球头直径越大,承载能力越高;在与转向节连接尺寸相同的情况下,直径越大,能够达到的摆角也越大。通常情况下,通过球销的承载能力和摆角要求最终确定球销球头直径的大小。

  对于轿车球销设计中,一般球头直径Φ24mm适用于微型轿车;直径Φ26mm多适用于A级或A0级轿车;直径Φ28mm多适用于B级轿车或城市SUV;直径Φ30mm多适用于C级轿车或城市SUV;直径Φ32mm和Φ35mm多适用于C级轿车、SUV、MPV和皮卡等大载荷车型中,见表2对标车型球销球头直径选用情况。

  球销可以渗碳钢12CrNi3、15CrMo、20CrNi、20CrMnTi,氰化钢35Cr、35CrNi,调质钢SCM435等材料制造。

  为了达到耐磨性要求,通常需要做渗碳淬火、碳氮共渗、表面感应淬火等表面处理,具体要求可以参照NY/T1122轮式拖拉机转向系 球头销,GB/T7726铰接客车机械连接装置等标准进行设计,也可以参照较成熟车型的球销设计要求进行,如对于碳氮共渗的表面处理要求(示例如图3)。对于表面感应淬火的表面处理要求(示例如图4)。

图3 碳氮共渗表面处理要求示例

图4 感应淬火表面处理要求示例

  对于球销,一般需要校核球销最小截面处(直径Db)、球销与转向节安装端面处(直径Dc)的应力,同时,需要校核球面的单位压力(即校核球面的耐磨性)。

  根据球销球心处硬点的载荷文件,找出最大疲劳载荷工况及最大极限载荷工况下的x、y、x方向的载荷,把x、y、z方向的载荷转化成如图5所示的载荷,并根据球销的相关尺寸计算出球销最小截面处及球销与转向节安装端面处的最大弯曲应力及拉压应力的合应力σ1和σ2;

  两者的应力在最大疲劳载荷工况下应小于球销材料的屈服强度,最大极限工况下可以允许超出材料的屈服强度,此处需要再进行CAE计算分析,对应力超过屈服强度的区域大小进行评估;

  因为弯曲应力成线性分布,一般表面弯曲应力超过屈服强度,而表面以下的弯曲应力还远远小于屈服强度,最终球销仍能够继续承受一定的载荷(如图6),最终通过弯曲试验进行验证,根据经验,一般推荐球销试验的最小屈服强度是最大载荷作用的下强度120%。

图5 球销受力示意图

图6 球销CAE分析示意图

  球销最小截面处(直径Db)的应力为:

        式中:

  σ1为球销最小截面处的正应力;

  b为径向力FR到球销最小截面处尺寸(力臂);

  Db为球销最小截面处直径;

  FR为球销所受最大载荷工况下的径向力(一般为最小截面的平面内的合力,如x、y方向的合力);

  Fa为球销所受最大载荷工况下的轴向力。

  球销与转向节安装端面处(直径Dc)的应力为:

        式中:

  σ2为球销与转向节安装端面处的正应力;

  c为径向力FR到球销与转向节安装端面处尺寸(力臂);

  Dc为球销与转向节安装端面处直径;

  球销承载球面处的单位应力(压强)为:

        式中:

  P为承载球面部分的单位应力;

  F为作用在球心处的合力;

  A为球销承载面在垂直于合力F方向平面上的投影面积。

  计算后,球销承载球面处的单位应力一般要求≤25MPa~35MPa,通过该结果就可以确定出球销的球头直径。

  美标有关于球销的相关标准,如图7,在设计时候可以参考,包括螺母的拧紧扭矩要求。

图7 美标中球销的设计示意图

  该标准拧紧螺母主要是六角开槽自锁螺母,设计时候如果采用六角法兰面螺母,拧紧扭矩应该比标准中要稍大,最终根据实际设计要求确定,美标相关尺寸及扭矩要求见表3。

  表3美标球销尺寸及扭矩要求

  3、转向节的设计分析

  3.1锥形连接方式的转向节设计分析

  锥形连接方式的转向节设计计算主要是设计校核球销与转向节连接处球销安装孔直径及转向节厚度。主要根据过盈配合的计算方法进行校核,最终校核转向节在球销拉紧后是否满足强度要求。

  机械设计中,过盈连接的强度包括两个方面,即连接的强度和连接零件本身的强度。一般过盈连接中被包容件的压缩强度极限和包容件的拉伸强度极限按照材料的屈服极限或抗拉极限进行验算。

  但是,在球销与转向节的过盈连接设计中采用该方法进行校核,往往拉入量不能满足要求。为此,根据实践经验,球销与转向节的过盈连接设计校核是按照材料的抗压强度(支撑强度)进行计算,该抗压强度一般材料手册中无相关数据,可以参照硬度的计算方法换算得出。

  3.2开槽圆柱连接方式的转向节设计分析

  开槽圆柱连接方式的转向节与球销之间不存在过盈接触,因此,两者结合面之间没有初始的压应力,所以,该类型的计算方法和要求与前述圆锥配合连接存在一定的差异,该类型的转向节主要计算工作载荷作用下的压应力及转向节屈服时的抗压应力(支撑应力),并比较两者的关系即可。

  开槽圆柱连接方式的球销与转向节尺寸示意图如图8,球销在工作载荷F作用下,仍然存在与圆锥连接方式相同的压力及弯矩情况,需要计算两种应力叠加状态下转向节所受的最大压应力。

图8 开槽圆柱连接方式球销与转向节尺寸示意图

  球销本身采用公式计算非常复杂,推荐用有限元的方法进行分析,可以得出很好的结果。最终,可以通过样件进行实际的拧紧试验,确定出合适的拧紧扭矩。

  以某车型转向节与转向球销连接为例(如图9),测试出的拧紧扭矩和拉入量见表4。

图9 转向节与转向拉杆球销

  表4 转向节与转向拉杆球销在35Nm+90°时的拧紧扭矩

  该车型设定的拧紧扭矩为35Nm+90°,通过此试验数据可以看出最终的拧紧扭矩约为90Nm,且试验时候球销采用润滑和不润滑两种状态时候拉入量些许差别,但是,不润滑时候拧紧扭矩仅为60Nm左右(表5)。

  表5 转向节与转向拉杆球销在35Nm+90°时的拧紧扭矩(润滑时)

  

  4、结论

  球销的选型应该根据实际的载荷进行计算和选取。

  不论哪种类型的转向节及球销连接方式,转向节内孔所能够承受的压应力来进行判断是否满足设计要求。

  同样拉入量的情况下,润滑和不润滑对最终拧紧扭矩差别较大。

声明:
1、本网站所有注明“来源:易紧通”的文字、图片和音视频资料,版权均属于易紧通所有,非经授权,任何媒体、网站或个人不得转载,授权转载时须注明“来源:易紧通。
2、本网所有转载文章系出于传递更多信息之目的,且明确注明来源和作者,不希望被转载的媒体或个人可与我们联系,我们将立即进行删除处理。
复制本文地址】 【打印该页
相关新闻