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1、空气悬架用推力杆球铰结构与特性李建林 张俊荣 朱锦荣 赵亚彬（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007） 摘要：本文主要介绍了空气悬架用推力杆球铰的类型，各类型橡胶球铰的结构和特性，重点介绍了应用最 广的轴向预压缩球铰的结构和特性以及其生产和压装工序中的质量控制，并介绍了轴向预压缩球铰的承载 能力和选型。为汽车推力杆球铰的选型以及结构设计提供了基本方法。关键词：空气悬架；推力杆；橡胶球铰；轴向预压缩【Abstract】The article mainly introduces the types of rubber bushing used on the air suspens
2、ion , the structure and characteristics of various types of rubber bushing , It focuses on structure and characteristics of axial pre-compression bushing which is applied the most widely as well as its quality control in the production and press-fit process. In addition , the article also introduces
3、 the axial pre-compression load-bearing capacity of bushing and its selection , it provides the basic methods for the selection of automotive thrust bar and its structural design.【Key words】：air suspension , torque rod , rubber bushing , axial pre-compress1 推力杆球铰分类汽车推力杆作为关键传力部件广泛应用于空气悬架系统中。汽车推力杆主要应用
4、于保持车桥位置相图1,根据橡胶球铰的预压缩方式，推力杆球）和两个对 T 装压缩球铰（图23）。两个对固定，用来传递汽车的纵向力或横向力。同时还 可传递其他各方向的力和力矩，保证车轮和车身之 间有确定的运动关系，使汽车具有良好的驾驶性能。汽车推力杆主要由球头、球铰和套管组成（如 图 1 所示）。汽车在起动、加速和制动时，橡胶球铰 频繁受到拉压。由于橡胶承受拉伸力的能力较差， 橡胶球铰在使用过程中，为提高橡胶球铰的使用寿 命，在球铰安装使用时，使橡胶处于预压缩状态，预 压缩量的大小应保证球铰使用过程中承受较小的拉伸力 铰分为：轴向压缩球铰（图21）、径向压缩球铰（图对装压缩的结构在韩国部分车型中选
5、用，用量很少，本文不做详细讲解。1 1- I -_,_,*一图22图23图 21图 2 推力杆球铰结构2 径向预压缩球铰结构与性能特性径向压缩球铰压装简便、结构简单灵活，在各种用途的球铰中应用最为广泛，广泛应用于汽车、铁路 机车车辆的各种连接关节结构中。按芯轴与外套的组装方式不同分为四类：整体硫化橡胶球铰、压入式橡 胶球铰、分瓣外套型橡胶球铰和无外套橡胶球铰。2 . 1 整体硫化型球铰整体硫化型橡胶球铰芯轴、橡胶和外套硫化成一体（如图3），通常情况下金属外套是一个整圆，产品硫化成型以后，橡胶层受 外钢套的约束。为了保证橡胶球铰受拉压力时，橡胶始终处于压缩状 态，同时提高橡胶球铰的径向承载能力，
6、对外套进行挤压，使橡胶处 于压缩状态，来提高径向刚度。芯轴和外套与橡胶粘结的部位可以是直筒形结构，也可以加工成 凹弧或凸弧。直筒形橡胶关节在受轴向力作用时，橡胶部分会受剪切作用，表现为径向刚度较大，而轴向刚度较小，径轴刚 图 3 度比相对较高，约为20 : 1，并且偏转刚度也较大。相比之下，由于凸球形和凹球形橡胶关节在承受轴向 力时，橡胶不仅受到剪切作用，还会受到压缩作用，而橡胶的压缩模量比剪切模量大得多。所以径轴刚度 比减小，约为20 : 16 : 1通过调整圆弧的结构来调整径轴刚度比。汽车推力杆球铰具有结构尺寸小、承载能力大的特点，径向最大载荷都在100kN左右，最大外径不大 于（p90，
7、因此要求径向刚度大，整圆外套结构受挤压量的限制，有时不能达到设计要求。目前普遍采用如 图 5所示的结构，外套开槽来保证有足够大的径向挤压量，这种结构具有结构简单、生产工艺简单，成本低，径向承载能力强的特点。 12 . 2 压入式球铰压入式橡胶球铰（见图 4）首先将芯轴与橡胶硫化成硫化体，然后通过机械外力将硫化体压人外套，起，产品无论承受多大径向载荷时，橡胶不会受再把外套翻边，扣住橡胶。由于橡胶与外套没有硫化在 到拉伸。为了保证橡胶外型面与外套压装后能够完全 紧密贴合，同时橡胶向两侧鼓起量适中，橡胶型面设 计成驼峰状，中间向下凹，两侧凸起。为了便于压装，芯轴和外套都加工成直筒形的，在橡胶球铰承受
8、轴向力时，通过外套翻边来防制橡胶 从外套中滑移。由于橡胶在挤压过程中挤压力分布的 不均匀性，还会产生橡胶挤压后鼓出，产品不对称等 质量问题。因此，压人式橡胶球铰的挤压工艺和过程 控制要求严格。 2此种结构的橡胶球铰径向和轴向刚图4度小，比较适合日韩悬架的设计理念，在日韩空气悬架中使用。2 . 3 分瓣外套型橡胶球铰分瓣外套型橡胶关节的金属外套由整圆切割为几瓣（两瓣、三瓣、四瓣不一，但合并起来是一个整圆，如图 5）。产品硫化成型以后，橡胶未受外钢套的约束，可以相对自由收缩。将产品安装到孔径中去时，外 钢套合并为整圆，橡胶受到一定的压缩。产品承受一定的径向载荷时，橡胶不会受到拉伸。分瓣外套型橡 胶
9、关节不需要进行挤压、精加工，后处理过程简单。另外，硫化后各瓣之间保持一定的间隙，这样，一方 面可以消除产品内应力，另一方面也为产品安装预留了压缩余量。但是，分瓣外套型橡胶关节经过线切割后已不是一个完整的刚性体，很难控制安装尺寸的过盈量，压人压出力难以保证；而整体外套的过盈量比 较容易控制2。2 . 4 无外套橡胶球铰为了节约成本，在美国普遍采用无外套橡胶球铰（如图6），结构更简单。硫化体直接压入球头内，橡 胶与球头的摩擦力保证橡胶球铰在受扭转和轴向载荷时，橡胶与球头不产生相对位移。当轴向承载较大时， 橡胶球铰橡胶面做成内凹状。图5图 63 轴向压缩球铰结构与性能特性3.1 轴向压缩球铰结构与特
10、性目前，在我国客车推力杆中80以上使用轴向压缩的橡胶球铰，下文将着重对其结构和性能特性进行 分析。轴向压缩球铰由芯轴、橡胶和外端盖硫化成一体（如图2-1），硫化结束后橡胶自由收缩，可以消除产 品内应力；压装时通过轴向压缩使橡胶紧贴在球头内壁上，剩余的橡胶从外端盖与芯轴的孔中鼓起。芯轴 相对于球头内孔的运动靠橡胶 变形来实现，受径向拉压时橡胶受压力而不受拉力，轴向压缩球铰在轴向压缩后用弹性挡圈卡紧，在压装 过程中产生的内应力在压装完后逐渐释放，此结构压缩量大，球铰刚度大、承载能力强和寿命长，特别是 轴向承载能力强。在欧式空气悬架中得到广泛应用。3.2 球铰生产和压装工艺控制轴向预压缩球铰的生产工
11、艺控制比较容易，但由于橡胶与球头之间是通过轴向压缩使橡胶紧贴在球头 内壁上，在橡胶球铰扭转载荷时，两者不产生相对转动。因此与预压缩量相关的尺寸例如:H和D必须得 到很好的保证，同时橡胶胶料的压缩永久变形量也必须严格控制。由于外端盖是薄钢板冲压成型的，外端盖钢板薄（一般为35mm）,为了保证良好的冲压性能，选 用强度适中，延伸性好的材料。由于橡胶球铰轴向预压缩量大、压装力大，压装过程中必须限制压装力或 限制压装位移，同时必须保护非加载端的外端盖不拉伸。3.3 球铰选型轴向预压缩球铰国内、外生产厂家都已形成完整的系列，经过FEA结合疲劳实验对推力杆球铰的承 载能力进行分析，并经过多年来装车实验得出
12、下表。规格（按芯轴外径）0 550 620 700 78.50 90最大径向力（kN）6280100125160最大轴向力（kN）16202531454 结束语随着国内空气悬架客车和多轴重卡的快速发展，汽车推力杆的市场快速扩大，在进行推力杆球铰设计 时，除选择合适的橡胶材料外，还必须依据橡胶的特性，选取和设计出合理的结构型式，否则往往会导致 橡胶球铰的工作寿命缩短或起不到减振作用。由于国内超载严重和路况差，国内推力杆普遍存在寿命低， 减振效果差的弊病，严重的会影响到汽车的操纵稳定性。今后，一定要加大对橡胶球铰结构和性能的研究， 使橡胶球铰的应用更加广泛和可靠，满足高端商用车对高性能汽车推力杆的需要。参考文献： 1张建文、庄德军、林逸等。汽车用空气弹簧悬架系统综述 公路交通科技 2002 第33卷第8期151 155 页；2.王进、彭立群等。轨道交通用橡胶关节的结构与特性 世界橡胶工业2006第33卷第8期2225 页。
