镁铝合金摆臂球销的结构设计研究

镁铝合金摆臂球销的结构设计研究
摘要：机械设备的正常运转需要借助液压助力和电子助力转向机，将
产生的动能传递给车轮转向节，但这并不能产生压力与拉力，使车轮进行
正常运转，车轮转向节在接收到管柱的力与运动的动能后，需要将力作用
到球销轴线上，球销将力传递出去，这样才能在设备运行过程中保持车辆
本身的稳定。

因此，铝合金摆臂球销是车轮运转不可缺少的连接环节，结
构设计必须保障科学合理。

文章对铝合金摆臂球销结构设计进行了简要的
分析。

关键词：铝合金摆臂球销；工艺；结构设计
1铝合金球销座结构设计
1、1工艺要求
铝合金球销座在车辆行驶过程中，不仅要承受扭转力矩，还需要承受
机械设备在运行过程中的弯曲力矩与压力，所以对球销座结构的抗压、抗拉、抗变形、抗弯能力都有着较高的要求，这样才能保障球销座的稳定性
与可靠性。

例如，案例车型在球销座的设计上选择铝合金为原材料，通过
机械加工，加工后需要进行100%探伤[1]。

1、2毛坯选材、工艺、处理
机械设备运行中所经过的路面平整度无法控制，处于颠簸路段上设备
会产生瞬时冲击力，这种力直接作用到球销座上会转化成巨大的压力、扭
矩以及拉力，脆弱的球销座可能出现折段或部件开裂的问题。

因此，在设
计上，原材料的选择十分重要，要具备抗冲击、韧度、耐磨、抗疲劳等性能，所以最好选择铝合金材质或40Cr为原材料。

在进行毛坯生产过程中，为了可以实现大量投产，加工精度不出现误差，机械加工中需要留取加工
余量，通过模锻制造的方式，先将胚料制作成球销座的形状，在利用模锻
控制其统一性。

毛坯需要经过热处理，但是在处理过程中不能改变工件形
状以及整体结构的化学成分，要通过对工件内部显微组织的改变、表面化
学成分的改变，对球销座的性能进行改善，尽可能的降低残余应力。

1、3铝合金球销座机加工
加工过程首先要选择球销座的基准面，尽量选择精加工的基准面，如
果不存精加工，要在加工前做好处理，能够为后续的加工提供精加工基准面；精加工完成后，需要进入到机加工阶段，这部分包括球座孔、安装面、安装孔等内容，需要通过粗加工与精加工两部分来完成，但是最重要的是
保障铝合金球销与球销座孔的匹配。

1、4表面处理
由于机械设备运行过程中，底盘会长时间处于污浊状态，大量的泥沙
等附着物会掩盖球销座，而且还有大量湿气长时间氧化球销座的金属表面，所以无法保障球销座的清洁，但是必须保障其金属面具有抗腐蚀的能力，
这样才能保障其灵活性。

因此，可以通过电泳、电镀合金等方式对球销座
的表面进行防腐处理。

2球销结构设计
文章通过对两种球头销结构进行对比，借助有限元工具对结构进行具
体的解析，从而获取可靠的设计依据，保障球销设计的科学性与合理性。

具体的步骤为：（1）对球销模型进行简化处理，处理过程中去除掉模型
的球头销与球销座两者之间的衬套、尘罩、卡簧，修改球销座数模完成后，将衬套利用金属进行代替与球销接触，并将压盖与球销座合成为一体，截
断拉杆；（2）进行网络划分。

考虑到结构内部的对称性，通常会将铝合
金球销分成五面体或六面体的球状网格；该球销座由于本身不具备对称性，通常划分成四面体网格；拉杆与焊道通常会被划分成六面体环状网格，如
图1所示；（3）确定材料属性，弹性模量为E=2、1E5、泊松比为u=0。

3；（4）确定边界条件，球销与整车的连接需要使用到螺母，结构设计与分
析过程中可以利用相应接触与预载代替螺母进行球销连接部位预紧，然后
对支架侧边进行相应的约束；拉杆属于二力杆范畴，在处理过程中断面处
加载总大小为2500N的分布力，并建立球销与球销座接触面；（5）结果
计算与分析。

计算主要依据冯·米赛斯的von
Mie屈服准则对图1中A1与A2两个部位的最大von
Mie应力（基于剪切应变能的一种等效应力）进行计算，A1部位的最
大von
Mie应力为457。

5MPa、A2部位的最大von
Mie应力为664、5MPa。

基于计算结果进行结构设计，设计要先明确
结构设计要求，例如，A1部位需要螺母安装台阶，中间有凸缘，这会对
应力分布产生影响，多一次应力集中，所以，A1变截面设计中，位置1
直径要大于位置2，并且距离荷载施加处的距离要长于位置2，这样才能
保障A1结构中两个位置的表层的最大应力基本相同。

3结语
综上所述，铝合金球销结构设计直接关系到机械设备操作的稳定性、
可靠性与安全性，还会对形式设备的舒适性与平顺性起到决定性的作用，
所以球销是机械动力设备的关键组成部件，其作用不可替代，在设计过程中，必须合理的进行尺寸的控制、选择合理的材料、满足设计要求，保障
应力分布均匀，增强与设备使用性的匹配性，从而保障设计质量。