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摘 要：球头销总成是汽车转向系统和悬挂系统的一个重要部件，本文所研究分析的控制臂球头出现球头异响的失效模式。本文首先通过鱼骨图对人、机、料、法、环、测环节进行排查，找到了根本原因是球头镀层脱落导致非正常磨损从而使整车行驶过程中产生噪音。然后对球头销进行设计优化，进行相应的试验验证，最终解决了球头销异响问题。系统地介绍了如何分析问题、制订和验证整改方案，整个过程对球头销的设计开发工作也有一定的指导意义。
关键词：前控制臂球头销;异响;表面处理;磨损
中图分类号：U463. 1 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2021）05-0096-04
FLCA Ball Joint Of Vehicle Noise Issue Study And Improvement
WU Yun-fei
（ Benteler automotive co.， ltd， Shanghai 201800， China ）
Abstract： Front lower control arm is the important component in the vehicle of steering and suspension， the ball joint in this paper happened noise issue in vehicle level. It is from man， machine， material， method and environment to do the analysis. Finally found the root cause is ball stud surface treatment， the ball joint noise happened due to the worn of the Zn-Ni coating in the ball stud. First find the issue root cause， then optimized the design and do the design verification， finally solved the noise issue. This paper systematically introduces how to analyze the problem， Define and verify the improvement proposal. This paper also has certain guiding for the design and development of the ball joint.
前下控制臂球頭销安装在控制臂上，对车辆的安全性、舒适性、操控性等具有很重要的影响[1]。球头销的失效形式主要存在以下几种：球头脱出，球头断裂或变形，球头护套开裂，球头异响等[2]。汽车球头销总成是实现车轮上、下跳动和转向运动，对车轮起到导向作用，并通过它的转动使前悬架车轮支架可以绕主销偏转[3]。随着人们生活水平的提高，越来越多的人拥有了私家车，人们对于车辆舒适性的要求也越来越高，球头销发生异响问题会直观的让驾驶者感受到，影响驾驶者的舒适性。
1 控制臂球头销异响问题描述
某车型在售后市场陆续接收到部分车辆在凹凸路同时带转向工况下整车偶发噪音的反馈。对车辆进行排查，发现更换新控制臂后异响消除，初步锁定异响来源于控制臂。异响零件返回后，更换新控制臂球头销后重新安装在整车上，进行凹凸路验证，异响消除，经过排查确认异响来自控制臂球头销，如图1所示为车辆偶发噪声的工况和产生噪声源头的控制臂球头销。
2 异响原因分析
针对控制臂球头出现的噪音异响问题采用鱼骨图从5M1E6因素进行排查分析，最终发现是球杆镀层在运动过程中磨损脱落导致球杆和球轴承配合间隙增大从而出现松动和异响。
2.1 潜在原因分析
根据球头销过往开发经验分析控制臂球头在行车过程中发生噪声异响问题主要有两个原因。原因一是球头护套在运动过程中卡簧保护不严或者护套破损后，水或者其它杂质进图球杆和轴承内部导致球杆与轴承非正常磨损从而产生异响[4]，见图2所示。原因二是球头销球杆与连接零件紧固不可靠，力矩松动[5]。球杆与连接零件之间存在间隙，当球头销在整车运行过程中受到载荷冲击产生噪声，如图3所示。
2.2 失效分析
分析了零件可能产生噪声的潜在原因后，接下来需要对失效零件进行全面分析，以确认问题的根本原因。此次售后退回失效零件有10个，见下表4所示，对失效零件进行外观检查、尺寸检测、油脂含水率检测、轴向间隙检测和涂层厚度检测。失效零件外观并无破损，漏油或者变形问题。失效零件全尺寸检测，尺寸符合图纸要求无不符合项。失效零件内部油脂检测含水率，符合目标要求，并没有内部进入水的问题。失效零件轴向间隙测量发现部分零件存在间隙超过目标值的问题，初步评判是球头销与轴承磨损导致。对零件进一步分析，检测失效零件镀层厚度，发现部分零件涂层厚度明显低于目标值，且轴向间隙也大于目标值，因此判断是球杆在运动过程中涂层脱落后球杆与轴承发生非正常磨损，导致球杆与轴承间隙增大，从而在运动过程中产生噪声。
2.3 鱼骨图分析过程原因
通过对失效零件的分析后确认是零件涂层存在问题，对零件的生产过程通过用鱼骨图从人、机、料、法、环、测六个方面进行分析，见图5所示。确认是零件来料问题，球头销球杆定义需要Zn-Ni涂层，而球杆与内部塑料轴承在行车过程中一直处于相互运动状态，球杆由于涂覆了Zn-Ni涂层，涂层容易发生脱落后掉入油脂中，油脂中存在了Zn-Ni涂层杂质，杂质引起球杆与塑料轴承非正常磨损，最终球杆与塑料轴承配合间隙增大而导致噪声产生。 3 问题优化方案
3.1 球杆优化方案
针对此控制臂球头销异响问题，经过系统排查分析，明确了球头销异响的根本原因是球杆镀层脱落导致球杆与轴承的非正常磨损。现有球杆设计尺寸和工艺如下图6，零件首先是杆部机加工，然后端部轴颈机加工，然后球杆球部分进行抛光处理为了达到图纸要求的直径公差和圆度公差要求。最后对球杆进行Zn-Ni涂覆。由于存在镀层处理工艺所以在电镀前球杆直径定义为26.99±0.02。电镀后球部分直径尺寸保证在27±0.02以满足零件的匹配要求。
对原设计和工艺进行调整和优化，将电镀工艺放在球杆球部分机加工之前，如下图7所示。优化后设计和工艺具体为首先对球杆干部进行机加工，第二步对球杆进行电镀，第三步对球杆端部和轴颈进行机加工，最后对球杆球部分进行最后的抛光处理，抛光后直径尺寸需满足图纸设计要求27±0.02。工艺调整后球杆球部分没有了Zn-Ni涂层，就不会发生球杆与轴承运动过程中涂层脱落的问题，从而解决由于球杆与轴承非正常磨损导致的异响问题。
3.2 改善方案臺架和整车验证
对改善前后的零件首先进行相应的台架耐久和高负荷耐久试验，从而对比分析零件改进效果。首先对改善前后零件进行耐久试验，试验条件左右方向载荷±4361N@8.3Hz，上下方向载荷±618N@8.3Hz，载荷加载耐久次数1000000次，试验后分别测量轴向和径向间隙值，如下图8所示为改善前后零件台架耐久后的轴向和径向间隙值，试验前后轴向和径向间隙均有较大程度改善。
然后对改善前后零件进行高负荷耐久试验，试验条件轴向载荷30KN@0.2Hz，上下方向载荷25KN@0.2Hz，载荷加载耐久次数100次，试验后分别测量轴向和径向间隙值，如下图9所示为改善前后零件高负荷耐久后的轴向和径向间隙值。从耐久的试验结果看，球杆的工艺优化后，零件的改善效果明显，但需要进一步跟踪整车状态。
经过设计和工艺优化后的零件于19年2月份开始切换，持续跟踪新零件在整车售后市场的反馈，如下图10所示，数据统计截止2020年12月份。从19年2月份开始切换新零件后，售后异响退件数量明显减少，改善效果明显，数据显示改善方案有效。
4 总结
控制臂球头销安装在控制臂上，对车辆的安全性、舒适性、操控性等具有很重要的影响。本文所研究分析的控制臂球头失效形式为球头异响，系统地介绍了如何分析问题、制订和验证整改方案，整个过程对球头销的设计开发工作也有一定的指导意义。通过鱼骨图对人、机、料、法、环、测环节进行排查，找到了根本原因是球头镀层脱落导致非正常磨损。然后对球头销进行设计优化，进行相应的试验验证，最终解决了球头销异响问题。
参考文献：
[1]赵月刚. 论新型汽车摆臂球销产品及加工工艺方法[J].机电设备管护，2018，（10）：246.
[2]华江海，吴罡，孙义杰.某轿车球头销总成耐久可靠性分析[J].汽车仿真与测试，2018，（8）：34-35.
[3]林秉华.最新汽车设计实用手册[M]. 2005，6： 1424-1426.
[4]林德民.基于Abaqus 的球头销总成防尘罩CAE防真分析[J].机电技术应用，2013，（2）：151-153.
[5]贾辉，杜华，全炜倬.汽车下摆臂与球销座接头处连接失效问题的分析与改进[J].汽车工艺与材料，2015，（6）：14-15.
关键词：前控制臂球头销;异响;表面处理;磨损
中图分类号：U463. 1 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2021）05-0096-04
FLCA Ball Joint Of Vehicle Noise Issue Study And Improvement
WU Yun-fei
（ Benteler automotive co.， ltd， Shanghai 201800， China ）
Abstract： Front lower control arm is the important component in the vehicle of steering and suspension， the ball joint in this paper happened noise issue in vehicle level. It is from man， machine， material， method and environment to do the analysis. Finally found the root cause is ball stud surface treatment， the ball joint noise happened due to the worn of the Zn-Ni coating in the ball stud. First find the issue root cause， then optimized the design and do the design verification， finally solved the noise issue. This paper systematically introduces how to analyze the problem， Define and verify the improvement proposal. This paper also has certain guiding for the design and development of the ball joint.
前下控制臂球頭销安装在控制臂上，对车辆的安全性、舒适性、操控性等具有很重要的影响[1]。球头销的失效形式主要存在以下几种：球头脱出，球头断裂或变形，球头护套开裂，球头异响等[2]。汽车球头销总成是实现车轮上、下跳动和转向运动，对车轮起到导向作用，并通过它的转动使前悬架车轮支架可以绕主销偏转[3]。随着人们生活水平的提高，越来越多的人拥有了私家车，人们对于车辆舒适性的要求也越来越高，球头销发生异响问题会直观的让驾驶者感受到，影响驾驶者的舒适性。
1 控制臂球头销异响问题描述
某车型在售后市场陆续接收到部分车辆在凹凸路同时带转向工况下整车偶发噪音的反馈。对车辆进行排查，发现更换新控制臂后异响消除，初步锁定异响来源于控制臂。异响零件返回后，更换新控制臂球头销后重新安装在整车上，进行凹凸路验证，异响消除，经过排查确认异响来自控制臂球头销，如图1所示为车辆偶发噪声的工况和产生噪声源头的控制臂球头销。
2 异响原因分析
针对控制臂球头出现的噪音异响问题采用鱼骨图从5M1E6因素进行排查分析，最终发现是球杆镀层在运动过程中磨损脱落导致球杆和球轴承配合间隙增大从而出现松动和异响。
2.1 潜在原因分析
根据球头销过往开发经验分析控制臂球头在行车过程中发生噪声异响问题主要有两个原因。原因一是球头护套在运动过程中卡簧保护不严或者护套破损后，水或者其它杂质进图球杆和轴承内部导致球杆与轴承非正常磨损从而产生异响[4]，见图2所示。原因二是球头销球杆与连接零件紧固不可靠，力矩松动[5]。球杆与连接零件之间存在间隙，当球头销在整车运行过程中受到载荷冲击产生噪声，如图3所示。
2.2 失效分析
分析了零件可能产生噪声的潜在原因后，接下来需要对失效零件进行全面分析，以确认问题的根本原因。此次售后退回失效零件有10个，见下表4所示，对失效零件进行外观检查、尺寸检测、油脂含水率检测、轴向间隙检测和涂层厚度检测。失效零件外观并无破损，漏油或者变形问题。失效零件全尺寸检测，尺寸符合图纸要求无不符合项。失效零件内部油脂检测含水率，符合目标要求，并没有内部进入水的问题。失效零件轴向间隙测量发现部分零件存在间隙超过目标值的问题，初步评判是球头销与轴承磨损导致。对零件进一步分析，检测失效零件镀层厚度，发现部分零件涂层厚度明显低于目标值，且轴向间隙也大于目标值，因此判断是球杆在运动过程中涂层脱落后球杆与轴承发生非正常磨损，导致球杆与轴承间隙增大，从而在运动过程中产生噪声。
2.3 鱼骨图分析过程原因
通过对失效零件的分析后确认是零件涂层存在问题，对零件的生产过程通过用鱼骨图从人、机、料、法、环、测六个方面进行分析，见图5所示。确认是零件来料问题，球头销球杆定义需要Zn-Ni涂层，而球杆与内部塑料轴承在行车过程中一直处于相互运动状态，球杆由于涂覆了Zn-Ni涂层，涂层容易发生脱落后掉入油脂中，油脂中存在了Zn-Ni涂层杂质，杂质引起球杆与塑料轴承非正常磨损，最终球杆与塑料轴承配合间隙增大而导致噪声产生。 3 问题优化方案
3.1 球杆优化方案
针对此控制臂球头销异响问题，经过系统排查分析，明确了球头销异响的根本原因是球杆镀层脱落导致球杆与轴承的非正常磨损。现有球杆设计尺寸和工艺如下图6，零件首先是杆部机加工，然后端部轴颈机加工，然后球杆球部分进行抛光处理为了达到图纸要求的直径公差和圆度公差要求。最后对球杆进行Zn-Ni涂覆。由于存在镀层处理工艺所以在电镀前球杆直径定义为26.99±0.02。电镀后球部分直径尺寸保证在27±0.02以满足零件的匹配要求。
对原设计和工艺进行调整和优化，将电镀工艺放在球杆球部分机加工之前，如下图7所示。优化后设计和工艺具体为首先对球杆干部进行机加工，第二步对球杆进行电镀，第三步对球杆端部和轴颈进行机加工，最后对球杆球部分进行最后的抛光处理，抛光后直径尺寸需满足图纸设计要求27±0.02。工艺调整后球杆球部分没有了Zn-Ni涂层，就不会发生球杆与轴承运动过程中涂层脱落的问题，从而解决由于球杆与轴承非正常磨损导致的异响问题。
3.2 改善方案臺架和整车验证
对改善前后的零件首先进行相应的台架耐久和高负荷耐久试验，从而对比分析零件改进效果。首先对改善前后零件进行耐久试验，试验条件左右方向载荷±4361N@8.3Hz，上下方向载荷±618N@8.3Hz，载荷加载耐久次数1000000次，试验后分别测量轴向和径向间隙值，如下图8所示为改善前后零件台架耐久后的轴向和径向间隙值，试验前后轴向和径向间隙均有较大程度改善。
然后对改善前后零件进行高负荷耐久试验，试验条件轴向载荷30KN@0.2Hz，上下方向载荷25KN@0.2Hz，载荷加载耐久次数100次，试验后分别测量轴向和径向间隙值，如下图9所示为改善前后零件高负荷耐久后的轴向和径向间隙值。从耐久的试验结果看，球杆的工艺优化后，零件的改善效果明显，但需要进一步跟踪整车状态。
经过设计和工艺优化后的零件于19年2月份开始切换，持续跟踪新零件在整车售后市场的反馈，如下图10所示，数据统计截止2020年12月份。从19年2月份开始切换新零件后，售后异响退件数量明显减少，改善效果明显，数据显示改善方案有效。
4 总结
控制臂球头销安装在控制臂上，对车辆的安全性、舒适性、操控性等具有很重要的影响。本文所研究分析的控制臂球头失效形式为球头异响，系统地介绍了如何分析问题、制订和验证整改方案，整个过程对球头销的设计开发工作也有一定的指导意义。通过鱼骨图对人、机、料、法、环、测环节进行排查，找到了根本原因是球头镀层脱落导致非正常磨损。然后对球头销进行设计优化，进行相应的试验验证，最终解决了球头销异响问题。
参考文献：
[1]赵月刚. 论新型汽车摆臂球销产品及加工工艺方法[J].机电设备管护，2018，（10）：246.
[2]华江海，吴罡，孙义杰.某轿车球头销总成耐久可靠性分析[J].汽车仿真与测试，2018，（8）：34-35.
[3]林秉华.最新汽车设计实用手册[M]. 2005，6： 1424-1426.
[4]林德民.基于Abaqus 的球头销总成防尘罩CAE防真分析[J].机电技术应用，2013，（2）：151-153.
[5]贾辉，杜华，全炜倬.汽车下摆臂与球销座接头处连接失效问题的分析与改进[J].汽车工艺与材料，2015，（6）：14-15.