一種高效的球銷防塵罩防破設(shè)計(jì)方法

馬翔　黃振之　陳丹華

【摘 要】球銷是一種常見的汽車底盤件，球銷防塵罩開裂破損是球銷失效的主要模式之一。文章通過分析防塵罩防破損的設(shè)計(jì)要求和觀察研究路試中防塵罩破損機(jī)理，修正仿真模型，并由此推導(dǎo)出一種高效的球銷防塵罩設(shè)計(jì)方法——反向設(shè)計(jì)法，用于指導(dǎo)球銷防塵罩的設(shè)計(jì)與開發(fā)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性，該方法可以用于球銷防塵罩正向設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】球銷;防塵罩;反向設(shè)計(jì)法;分析;驗(yàn)證

【中圖分類號(hào)】U463.335.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）04-0063-03

0 引言

從路試和市場(chǎng)故障反饋來看，球銷故障的很大一部分原因?yàn)榉缐m罩開裂破損導(dǎo)致漏油和進(jìn)入泥水繼而表現(xiàn)出球銷松動(dòng)異響。因此，保證工作過程防塵罩無裂口，是解決故障的長(zhǎng)期措施。

通常，防塵罩的設(shè)計(jì)只有經(jīng)歷多次的故障設(shè)計(jì)循環(huán)過程（如圖1所示），才能最終確定方案。本文所提出的反向設(shè)計(jì)法可以避開故障設(shè)計(jì)循環(huán)過程，減少重復(fù)設(shè)計(jì)工作，提高工作效率，降低開發(fā)成本。

1 防塵罩防破損的設(shè)計(jì)要求

防塵罩防破損的基本設(shè)計(jì)要求如下。

（1）如圖2所示，在正常裝配狀態(tài)下，防塵罩下端與球銷座上端避開，防塵罩中部不與轉(zhuǎn)向節(jié)或其他部件產(chǎn)生碰擦，且防塵罩中部最好無大的隆起。

（2）如圖3所示，在最大擺角工作狀態(tài)下，防塵罩下端在球銷座上端處不產(chǎn)生繃緊。

2 某車型的擺臂球銷防塵罩的路試情況

某車型在路試過程中，擺臂球銷防塵罩被割破的現(xiàn)象較為嚴(yán)重（如圖4所示）。從破口處推斷，其破損的主要原因有2點(diǎn)：①球銷擺動(dòng)最大時(shí)，防塵罩下端在球銷座上端處產(chǎn)生繃緊。②仿真變形模型與實(shí)際不符。圖5為仿真修正模型后的，故障分析結(jié)果。

3 橡膠材料本構(gòu)模型理論介紹

擺臂球銷防塵罩采用彈性橡膠材料制造，因此建立防塵罩CAE仿真模型必須先研究其材料特性及本構(gòu)模型的理論。建立橡膠材料本構(gòu)模型用于分析和設(shè)計(jì)的研究一直備受關(guān)注，很多本構(gòu)模型在商用有限元軟件中得到廣泛應(yīng)用。橡膠力學(xué)性能的研究方法可以分為2種：一種是以統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的動(dòng)力學(xué)理論作為基礎(chǔ)研究橡膠的高分子性能;另一種是不考慮彈性體的分子本質(zhì)和微觀組織結(jié)構(gòu)，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，使用唯象學(xué)理論解決問題。唯象理論不涉及橡膠微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)出應(yīng)力和應(yīng)變之間的非線性彈性關(guān)系，僅考慮所觀察到的橡膠的性質(zhì)，構(gòu)造的精確數(shù)學(xué)表示公式能準(zhǔn)確描述實(shí)際工程中橡膠類材料變形的一般性質(zhì)[1]。依據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和事實(shí)，可以假定橡膠的力學(xué)特性如下：①橡膠在變形過程中存在著自由能函數(shù)，即等溫條件下的應(yīng)變能密度函數(shù)W，可表達(dá)為變形狀態(tài)的函數(shù)，即超彈性材料;此函數(shù)形式及包含常數(shù)通過實(shí)驗(yàn)確定。②橡膠是各向同性材料[2]。③在變形中橡膠體積變化極小，因此認(rèn)為它是不可壓縮的。本章著重介紹基于應(yīng)變能密度函數(shù)發(fā)展而來的幾種本構(gòu)理論。

公式中加入了I1的高階項(xiàng)，能與真實(shí)材料的大變形試驗(yàn)數(shù)據(jù)較好地吻合。此外，由單軸拉伸試驗(yàn)確定的材料常數(shù)更適用于多種變形形式，可以減少材料的試驗(yàn)環(huán)節(jié)。與前兩種模型相比，體積應(yīng)變能函數(shù)有隨變形而變化的階模量，因此Yeoh模型能夠在更大的應(yīng)變范圍內(nèi)得到應(yīng)用。

除了上述介紹的部分橡膠類材料具體應(yīng)變能函數(shù)外，還有許多種類的應(yīng)變能密度函數(shù)。而Mooney—Rivlin模型、Neo-Hookean模型、Yeoh模型能較好地描述橡膠小應(yīng)變及中等程度的應(yīng)變，材料試驗(yàn)的需求條件相對(duì)較低，適用于汽車工程設(shè)計(jì)中橡膠材料部件的模型構(gòu)建[1]。

4 反向設(shè)計(jì)法提出、優(yōu)化及驗(yàn)證

4.1 反向設(shè)計(jì)法

為了節(jié)省開發(fā)時(shí)間，提高開發(fā)效率，降低開發(fā)成本，不再經(jīng)歷故障設(shè)計(jì)循環(huán)過程，通過防塵罩防破損的設(shè)計(jì)要求，觀察研究路試中防塵罩破損機(jī)理及仿真模型修正，采用逆向思維，本文推導(dǎo)出一種高效率的防塵罩防破損方法——反向設(shè)計(jì)法。

反向設(shè)計(jì)法的思路是通過CAE分析出防塵罩完全壓縮和最大擺動(dòng)角度狀態(tài)的結(jié)果，對(duì)其形狀、尺寸進(jìn)行優(yōu)化得出合理的壓縮狀態(tài)下的截面形狀、尺寸，然后用CAE從壓縮狀態(tài)或最大擺動(dòng)角度狀態(tài)的防塵罩拉伸到自由高度狀態(tài)的防塵罩，將所得到的自由狀態(tài)防塵罩再經(jīng)過略微處理得到防塵罩結(jié)構(gòu)的過程。反向設(shè)計(jì)法的流程如圖6所示。

4.2 反向設(shè)計(jì)法優(yōu)化

現(xiàn)利用反向設(shè)計(jì)法對(duì)某車型擺臂球銷防塵罩破損的故障件進(jìn)行優(yōu)化。破損原因是球銷擺動(dòng)最大時(shí)，防塵罩下端在球銷座上端處產(chǎn)生繃緊，所以必須給防塵罩下端適當(dāng)增大最大外徑和調(diào)整防塵罩截面，增大最大外徑的同時(shí)要保證在正常安裝狀態(tài)時(shí)，防塵罩中部不隆起，不與邊緣件干涉（如圖7所示）。

通過此次反向設(shè)計(jì)，得出以下結(jié)論：①防塵罩的下端若有小圓弧設(shè)計(jì)，在完全壓縮時(shí)可避開球銷座的上端部。②防塵罩的上端部至下端部壁厚逐漸減小，能有效在上端、中部、下端形成不同的剛度，再加上中部有大段圓弧，能很好地控制防塵罩在裝配時(shí)的完全壓縮狀態(tài)及最大擺角狀態(tài)的變形情況，避免防塵罩因碰擦及繃緊而出現(xiàn)磨損。③在保證壓縮并擺動(dòng)時(shí)不出現(xiàn)被球銷座拉割現(xiàn)象的情況下，可以盡量減小防塵罩的壓縮量（或防塵罩的自由高度）與最大外徑，從而減少質(zhì)量問題，降低成本。

4.3 路試驗(yàn)證

上述某車型擺臂球銷防塵罩通過本次改進(jìn)后，路試驗(yàn)證效果良好。如圖8所示，試驗(yàn)車跑完耐久試驗(yàn)后，無再破損現(xiàn)象。該車在上市量產(chǎn)后也均未出現(xiàn)此故障現(xiàn)象，問題得以解決。證明了該設(shè)計(jì)方法的有效性和可行性。

5 結(jié)論

通過分析防塵罩防破損的設(shè)計(jì)要求和觀察研究路試中防塵罩破損機(jī)理，本文根據(jù)工程實(shí)例，推導(dǎo)出一種高效率的球銷防塵罩設(shè)計(jì)方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性，該方法可以用于球銷防塵罩正向設(shè)計(jì)。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]