汽车转向节结构图(球销与转向节锥孔连接松动原因分析)

最近，螺丝君收到不少锥形球销连接方面的咨询，也有一些主机厂紧固件工程师想对锥形球销连接设计、仿真和验证进行全面研究，掌握其设计和装配规范要求。

锥形球销设计，是非标准的螺栓连接，考虑的因素与标准螺栓连接存在较大差异，目前也没有标准的设计、仿真和验证流程和方法，部门企业有一些企业内部的设计和测试规范，这些内部的设计和测试规范是经过车型的设计和试验验证，是企业的核心技术。

对于球销连接，在汽车上应用也是非常广泛，如：控制臂与转向节连接，转向机与转向节连接，双叉臂悬架就有更多的球销连接，上下摆臂有3个球销与转向节进行连接，稳定杆与减振器连接，稳定杆与稳定杆连杆的连接；

后桥稳定杆和稳定杆连杆也有球销连接；后背门支撑杆也有用到球销连接，不过，相对前面关键的球销连接，技术要求和装配要求稍低。

螺丝君，根据大家的需求，查找、整理和研究分析了：部分相关锥形球销连接方面的论文、资料和设计、制造、装配经验总结，然后，把这些球销连接相关资料和经验教训陆续推出，供大家设计、装配和失效分析时候参考；

如果，有意向对球销连接进行深入研究的小伙伴，欢迎入群探讨交流球销连接技术。

一、知识背景

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。

▲ 图 1 锥面球销练连接

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。锥度连接和开槽圆柱连接方式主要用于铸铁类的转向节。

▲ 图 2 开槽球销连接

随着汽车在我国的普及人们对汽车的要求也不仅仅是代步工具，其操控性能和安全性能也逐渐地成为人们买车的首要考虑因素。

影响上述性能的主要部件是汽车的底盘悬架系统和转向系统，球销作为连接悬架系统和转向系统的关键性零件，其一端与转向节连接，另一端与摆臂或者转向拉杆连接。

该零件作为汽车安全性零件，如果行驶过程中发生断裂或者脱落，将直接导致车辆的转向失灵或者断轴等安全问题。

目前，球销与转向节配合方式较多采用的是锥面配合，并且通过螺母将球销固定在转向节锥孔内，但是，由于二者的锥面加工存在加工公差、螺母拧紧力矩不稳定以及锥面配合摩擦系数不确定等因素，最终导致我们不能确定球销锥面和转向节锥面是否完全接触，而且在装配完成后也很难检测其配合情况。

转向节作为汽车转向桥上的关键部件，转向节的功用是承受汽车前部载荷，支承并带动前轮绕主销转动而使汽车转向。

在汽车行驶状态下，它承受着多变的冲击载荷，因此，在性能上要求其具有高强度、高耐久的特性，同时在安全性上必须保证在受到变载荷时不能发生断裂。

转向节与下摆臂通过球销连接，国内某款A级轿车，售后反馈转向节锥孔与球销配合处有松旷现象发生，直接导致底盘异响和整车操控性受到影响。

二、锥孔与球销配合松动的原因

国内某款A级轿车的转向节对锥孔给出的要求是：锥度1:6，大端基面直径Φ15 （+0.06/0）mm，涂色检查要求球销与锥孔接触面积不少于75%。转向节及锥孔尺寸要求，如图3所示。

▲图 3 转向节锥孔及尺寸示意图

正常情况下，下摆臂球销插装入转向节销孔，当螺母锁紧后，使转向节与球销抱死。车辆行驶时，下摆臂球头受力后在在球座内绕球心摆动，转向节与球销不发生任何相对运动。

而售后反馈此处无法通过螺母拧紧到设定扭矩被锁紧，从而导致车辆行驶时，此处受力时球销与转向节销孔由于没有完全压紧，相互之间存在一定的间隙，从而在外界载荷作用下发生相对运动，最终导致销孔受到冲击，锥孔受到不正常磨损，加速锥孔变形。

为了查找锥孔与球销配合松动的原因，现采用以下方法进行如下验证：

1）经对锥孔加工刀具、检验塞规和相连的摆臂球销用投影仪检查其锥角，通过与标准锥角对比，确认与标准锥角的差值，结果如下：

▲图 4 锥孔铰刀

2）通过将1、2号铰刀加工的孔与塞规和球销配合，并且对其进行感觉评价，具体如下：

▲图 5 锥孔塞规

通过以上试验得出如下结论：

根据上面的测量检查与实际配合评价，锥孔与球销配合松动的原因主要是铰刀、塞规和球销的锥度相互偏差较大，达不到着色面积75%的要求，以致出现松动现象。

类似车轮螺栓与车轮螺栓锥孔的要求，实际无法达到锥和锥孔100%的贴合，建议还是靠近锥面大端处接触，也就是说尽量把锥孔的角度做到负偏差。

三、改进措施

根据上面的试验验证，确定的改进的措施：把球销、铰刀、塞规三者的锥角差控制在小于2.5′的范围内，则锥孔与球销配合的精度问题可以解决。

1）设计给定的基面直径公差与锥度偏差采用独立公差原则，即孔的基面直径公差保持不变，但明确锥度公差按GB11334-1989中规定8级精度处理，并将锥孔配合面的粗糙度要求由机加工3.2改为机加工0.8或机加工1.6，用来保证锥孔配合面所需求的精度要求（实际加工确定是否可以完全达到Ra0.8，如果实际确实可以比较容易达到，就按照0.8粗糙度进行控制，否则最大可以接受1.6的加工粗糙度）。8级精度，在半尺寸段内的锥角偏差是3′26″。

2）设计过程中控制铰刀、塞规、球销的公差带，通过合理的公差带分配，将三者的锥角相互差值控制在小于2.5′以内。

下面是其公差分配的建议，以供参考：

铰刀公差带为70″， 取负偏差2α-70″

塞规的公差带为40″，取双向偏差2α±20″

球销的公差带为2′， 取双向偏差2α±1′

通过这样的公差分配，带来的锥度结果为：

刀具（孔）的锥度： 9°31.6367′，合9°30.47′

球销的锥度： 9°30.6367′，合9°32.6367′

塞规的锥度： 9°31.3034′， 合9°31.97′

通过塞规、球销与孔的配合，相配结果如下：

配合锥角最大偏差

球销与孔 2.1667′

塞规与孔 1.5′

这一结果满足锥角相互差小于2.5′的实际配合试验的条件，同时也可以作为试验刀具的临时性用途要求，待试验证实加工稳定后再确定具体的公差带分布参数。

3) 考虑到刀具重复使用性，即重复刃磨锥度外圆的方便，在刀具两端应保留可重复使用的中心孔。

同时，在加工工艺中增加精铰孔工序，配备精铰刀，而原有复合刀具仍可用于铰孔和粗铰孔。

为了提高钻孔的精度，以后可以采用普通硬质合金麻花钻钻孔，而粗铰刀可由用过的报废的精铰刀经刃磨后使用，这不仅节约生产成本，还可改进必须采用着色法检查验收的方法。

即在订购塞规时，向供应商提出由塞规供应商提供多个校对环规，以便于发放到球销和刀具供应商作为验收环规使用的依据。但是这会使球销和刀具的锥角公差带减小，提高了制造精度。

四、螺丝君经验与总结

设计上合理的分配铰刀、塞规和球销的公差带，将塞规、球销与孔的锥角相互差值控制在2.5′之内，能有效解决转向节轴孔松动的问题。

锥孔的粗糙度控制在Ra0.8，最大允许Ra1.6.

球销与锥孔的接触面积最低要求达到75%，这样就可以保证锥面接触不会出现较大的压溃，塑性变形等，从而不会引起锥孔松扩。

今天的话题，就分享到这里，不当之处，欢迎批评指正；若您有任何疑问或建议，或需要进群交流的小伙伴，可关注螺丝君微信公众号：GAF螺丝君（GAF-luosijun）。