劉廣征， 高江華， 施 睿， 趙 松

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

球頭銷橡膠防塵罩改進設計

劉廣征， 高江華， 施 睿， 趙 松

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

針對某車輛球頭銷運動過程中，橡膠防塵罩出現(xiàn)因干涉造成的過早破損失效的問題，應用有限元分析軟件Abaqus建立防塵罩的有限元模型，對球頭銷擺動過程中橡膠防塵罩的大變形進行仿真分析，以防塵罩變形后的最終構(gòu)形與其周圍部件之間的間隙為優(yōu)化目標，以變形過程中最大Mises應力為約束，通過改變防塵罩靜態(tài)構(gòu)形參數(shù)，獲得合理的間隙值，解決了干涉問題，確保防塵罩的使用壽命滿足設計需求.試驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果一致，表明改進措施和有限元分析方法正確可行

球頭銷；橡膠；防塵罩；有限元分析

球頭銷是懸掛系統(tǒng)的重要部件，其作用是連接擺臂與轉(zhuǎn)向節(jié)，所形成的運動副具有3個轉(zhuǎn)動自由度，將力和運動由轉(zhuǎn)向節(jié)傳遞到擺臂上[1],其性能影響到車輛的安全性和操縱穩(wěn)定性.球頭銷通過防塵罩將內(nèi)部需要潤滑和保護的部分與外界環(huán)境隔離，達到密封的效果.球頭銷常見的故障是球頭和球碗異常磨損，出現(xiàn)間隙.導致這種故障的主要原因是橡膠防塵罩破損，潤滑脂從內(nèi)部流出，泥水和沙塵進入球頭銷的摩擦副中，造成球碗早期破損.防塵罩的使用壽命與材料、性能、使用環(huán)境有關，如果結(jié)構(gòu)和尺寸設計不合理，防塵罩在球頭銷擺動過程中與其他懸掛部件發(fā)生接觸或擠壓，會造成防塵罩異常磨損，加速其失效，從而導致球頭銷故障.以往的防塵罩設計過程中，多以三維設計軟件依據(jù)經(jīng)驗對橡膠的初始構(gòu)型和變形后的構(gòu)型進行建模，這種設計方法對橡膠的大變形模擬極為不精確，需要進行多次的物理樣機迭代才能設計出滿足需求的防塵罩構(gòu)型.利用有限元軟件Abaqus的非線性分析功能，可對超彈性材料的大變形過程進行精確模擬，結(jié)合設計約束和邊界條件，通過快速修改初始構(gòu)型結(jié)構(gòu)參數(shù)，實現(xiàn)防塵罩的虛擬樣機快速迭代優(yōu)化設計.

1 防塵罩結(jié)構(gòu)和故障分析

1.1 防塵罩結(jié)構(gòu)和性能

圖1 球頭銷總成

防塵罩是球頭銷總成中的重要零件.球頭銷總成如圖1所示，主要由球頭銷、防塵罩、球碗、殼體、壓蓋組成，防塵罩為橡膠材料，球碗為銅或耐磨塑料材料，其余為鋼制材料.球頭銷與球碗配合，可繞球心擺動和旋轉(zhuǎn)，具有3個方向旋轉(zhuǎn)自由度.防塵罩需滿足以下性能要求：1) 動態(tài)密封唇在實現(xiàn)轉(zhuǎn)動密封的同時應能承受因球頭銷擺動造成的側(cè)向拉壓力，密封唇與球頭銷和轉(zhuǎn)向節(jié)之間具有足夠的接觸壓強，維持密封狀態(tài)；2)防塵罩的外形在擺動中需確保不能與轉(zhuǎn)向節(jié)及車架等外部零件發(fā)生干涉.否則會因干涉造成破損.一旦有泥水從破損部位進入球鉸結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，則球鉸很快就會出現(xiàn)失效[1].

1.2 故障現(xiàn)象

損壞的防塵罩見圖2，橡膠表面嚴重破損，有受到擠壓或磕碰的痕跡.將防塵罩安裝到球頭銷總成上，防塵罩的安裝狀態(tài)見圖3，球頭銷擺動到最大角度，發(fā)現(xiàn)防塵罩密封唇狀態(tài)正常，擺臂側(cè)密封正常，波紋處變形異常；擺動力矩明顯增大后，橫臂邊緣壓住防塵罩的波紋處，出現(xiàn)干涉.

圖2 損壞的防塵罩

圖3 極限角度狀態(tài)下的防塵罩

1.3 故障機理分析

從現(xiàn)象可以判定，防塵罩的波紋部分與其它零件干涉，經(jīng)過頻繁的撞擊和磨損，橡膠表面逐漸破損，最終穿透，造成密封失效.橡膠防塵罩屬于非金屬材料，早期設計采用二維設計方法，對橡膠的變形和應力無法進行分析，不能準確預測是否滿足使用要求.在實際使用過程中，防塵罩的變形受到橡膠材料特性和結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，特別是橡膠層的厚度、波紋部分折彎半徑、波紋長度等結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響變形效果.需要采用有限元分析法對防塵罩進行動力學仿真分析.

2 建立仿真模型

2.1 建立三維模型

根據(jù)試驗結(jié)果和性能要求，對防塵罩結(jié)構(gòu)進行調(diào)整.防塵罩波紋管部分常見的形狀有3種：洋蔥狀、桶狀和雙折棚波紋管.雙折棚波紋管可以用于偏移角度較大的情況，改進結(jié)構(gòu)的防塵罩采用此形狀.防塵罩的裝配與使用分為兩個步驟，第一步是安裝防塵罩，防塵罩由自由狀態(tài)壓縮至安裝位置狀態(tài)，其目的是使密封唇與下端平面之間產(chǎn)生預壓力；第二步是球頭銷擺動到最大角度，此時密封唇與球頭銷仍然接觸，并產(chǎn)生合理的壓力，達到維持密封作用的目的.因此,防塵罩的狀態(tài)有3種：自由、裝配和最大角度.在裝配和最大角度裝態(tài)下，基本輪廓應變形合理，不出現(xiàn)干涉問題.圖4是設計的防塵罩基本輪廓.

圖4 防塵罩基本輪廓

根據(jù)基本輪廓，建立三維模型.防塵罩的變形和運動只與其接口相關，因此可以簡化三維模型，只保留殼體的接口部分、球頭銷接觸面和下端接觸面.橡膠防塵罩是圓環(huán)形零件，存在對稱面，取一側(cè)剖切面進行有限元建模，減少網(wǎng)格數(shù)量和計算工作量.

2.2 定義材料屬性

防塵罩采用橡膠材料，橡膠是一種超彈體、幾乎不可壓縮的材料，不考慮溫度效應，本構(gòu)模型選取Mooney-Rivlin模型，其應變能函數(shù)[3]為：

U=C10(I1-3)+C01(I2-3).

(1)

式中：U為應變能函數(shù)；C10和C01為Rivlin系數(shù)；I1和I2分別為一階和二階偏應變不變量.

(2)

I2=(λ1λ2)2+(λ2λ3)2+(λ3λ1)2.

(3)

式中：λ1、λ2和λ3為各邊的伸長率,λi=1+εi，(i=1,2,3),εi為材料的應變.

兩參數(shù)的Mooney-Rivlin模型的應力-應變方程為

(4)

根據(jù)經(jīng)驗，用作球頭銷防塵罩的橡膠材料硬度一般取邵氏65°.根據(jù)相關廠家測試的結(jié)果，材料的Rivlin系數(shù)為C10=0.123，C01=0.501.

2.3 建立有限元模型

仿真分析僅需要模擬防塵罩的變形過程，因此有限元模型中僅包括殼體、固定金屬絲及防塵罩.殼體及金屬絲剛度遠大于防塵罩，可轉(zhuǎn)化為離散剛體建模，用R3D4單元劃分網(wǎng)格.防塵罩為橡膠材料，采用實體雜交單元C3D8H劃分網(wǎng)格.為精確模擬橡膠材料的大變形球過程，確保計算過程收斂，防塵罩網(wǎng)格最小單元尺寸需要小于其最小結(jié)構(gòu)特征尺寸.防塵罩及殼體關于球頭銷的擺動平面對稱，因此取其擺動平面單側(cè)模型建立有限元模型，對稱面施加相應對稱約束.如圖5所示.

分別在殼體與防塵罩之間，金屬絲與防塵罩之間建立通用接觸關系.殼體及金屬絲參考點處分別施加固定約束.在防塵罩底部動態(tài)密封唇中心處建立參考點，在此參考點和密封唇面之間建立耦合約束，模擬球頭銷與防塵罩之間的相互作用關系.

為模擬防塵罩的裝配及工作狀態(tài)，仿真過程分為兩個通用靜態(tài)分析步：

第一步，參考點沿z方向位移11 mm，模擬防塵罩裝配過程中的預壓縮；

第二步，參考點繞球頭銷球心，在對稱面內(nèi)逆時針旋轉(zhuǎn)30°，模擬防塵罩工作狀態(tài)下變形.

圖5 網(wǎng)格模型

3 計算結(jié)果分析

改進方案1分析結(jié)果見圖6、圖7,從分析結(jié)果可以看出，第一步圓圈內(nèi)部分距離轉(zhuǎn)向節(jié)較近，容易發(fā)生干涉，最大應力為0.29 MPa，第二步圓圈內(nèi)部分已經(jīng)超過了防塵罩密封唇的定位平面，發(fā)生干涉，最大應力為1.19 MPa，橡膠的動態(tài)許用應力為±10 MPa，最大應力在許用范圍內(nèi).由于存在干涉問題，如果長期使用，波紋部分與金屬摩擦，最終造成防塵罩磨穿，密封失效，因此不能滿足使用要求.

圖6 第一步分析結(jié)果

圖7 第二步分析結(jié)果

改進方案1橡膠層厚度均勻，受到彎曲應力時，剛度小的部位變形較大，出現(xiàn)干涉問題.改進方案2將變形較大的波紋部分局部加厚(見圖8)，提高彎曲剛度，重新進行仿真計算，分析結(jié)果如圖9、圖10所示.圖11、圖12是將相關的三維模型裝配到防塵罩模型中，分析空間位置關系.

圖8 改進的防塵罩

圖9 第一步分析結(jié)果

圖10 第二步分析結(jié)果

圖11 防塵罩零角度位置狀態(tài)

圖12 防塵罩最大角度狀態(tài)

從計算結(jié)果可以看出，第一步橡膠受壓后變形合理，未出現(xiàn)干涉問題，最大應力0.34 MPa，小于橡膠的許用應力；第二步橡膠一側(cè)拉伸，另一側(cè)壓縮，最大應力為1.55 MPa，在許用范圍內(nèi).拉伸側(cè)橡膠與轉(zhuǎn)向節(jié)、球頭銷接觸，保證了密封作用，壓縮側(cè)波紋部分折疊，未發(fā)生橡膠與金屬的干涉問題.改進方案1與改進方案2的結(jié)果比較見表1.

表1 仿真計算結(jié)果

4 試驗對比

根據(jù)仿真計算結(jié)果，采用改進方案2加工了樣品，并將樣件安裝到球頭銷總成上，進行壓縮、擺動試驗，分析結(jié)果與試驗結(jié)果對比如圖13、圖14所示.

圖13 球頭銷防塵罩壓縮對比

圖14 球頭銷防塵罩擺動對比

從圖13和圖14中可以看出，有限元分析變形狀態(tài)與試驗結(jié)果接近，波紋變形存在差別，波紋部分與其它零件無干涉，解決了橡膠與金屬件的干涉問題，滿足設計要求.

5 結(jié) 論

通過分析球頭銷失效的故障機理，準確定位了相關設計參數(shù).利用有限元分析軟件Abaqus建立了橡膠防塵罩的仿真模型，模擬超彈性、幾乎不可壓縮材料的大變形過程，考核其整個變形過程中應力分布及與周圍部件之間的間隙.通過修改防塵罩壁厚、波紋部分折彎半徑及波紋長度，確保了改進之后的防塵罩滿足強度和不與其他部件發(fā)生干涉的要求.通過試驗驗證，改進結(jié)果滿足設計要求，表明有限元分析能夠指導防塵罩產(chǎn)品的工程設計.

[1] B.海興，M.埃爾斯.汽車底盤手冊-基礎知識、行駛動力學、部件、系統(tǒng)、機電一體化及展望[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012：407

[2] 陳 泳．汽車球鉸防塵罩的有限元分析[J] ．汽車零部件， 2015，(4):47-49

[3] 王 偉，鄧 濤，趙樹高．橡膠Mooney-Rivlin模型中材料常數(shù)的確定[J]．特種橡膠制品，2004，(4)：21-23

Improved Design of Ball Joint Boot

LIU Guang-zheng， GAO Jiang-hua， SHI Rui， ZHAO Song

(China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China)

In this paper，in order to resolve the rubber boot premature breakdown due to interference in the process of a vehicle ball joint movement. a finite element model of the boot was builed with ABAQUS and the large distortion of the rubber boot was analyzed in the process of the ball joint swing in this paper. The model proposed that the gap between the boot and its surrounding parts after distortion are defined as optimization objectives and the maximum Mises stress during distortion is defined as the constraint by changing the static parameters of the boot of the model to obtain reasonable gap，the problem is finally solved and the life of the boot is assured to meet the design requirement.

ball Joint；rubber；boot；finite element analysis

1009-4687(2017)01-0055-04

2016-12-27.

劉廣征(1978-)，男，高級工程師，研究方向為輪式車輛行動系統(tǒng).

U463.33+5

A