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镁铝合金摆臂球销的结构设计研究

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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 Mises屈服准则对图1中A1与A2两个部位的最大von Mises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 Mises应力为457.5MPa、A2部位的最大von Mises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。

参考文献:

[1] 曾强,熊雪娇.论新型汽车摆臂球销产品及加工工艺方法[J].内燃机与配件,2018,23(6):108-109.

作者:赵月刚 单位:保定市格瑞机械有限公司

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