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技术领域

本发明涉及用于汽车悬架系统的具有控制臂和球形接头的控制臂组件。

背景技术

球形接头的使用允许悬架和转向部件相对于彼此枢转运动，同时保留传 递轴向力和剪切力的能力以适应车轮运动、转向运动并保持车轮定位。

例如，麦花臣式柱悬架使用容纳有减震器和弹簧的大体垂直的柱来将轮 毂承载件或转向节连接到车身。该柱可围绕垂直轴旋转以为车轮提供转向， 且需要下控制臂将柱的下端保持在适当的位置以抵抗横向移动。控制臂的内 侧端铰接到汽车底盘，且外侧端利用球形接头连接到轮毂承载件。球形接头 轴承的过度磨损导致不准确的转向、悬挂以及车轮定位，其通过更换球形接 头来矫正。

潜心于汽车售后零件设计的制造者通常在提供更换的零件时，力图对原 始设备制造商的设计(OEM)进行改进。购买者，诸如汽车修理店，可简单 地利用与制造成原始设备制造商(OEM)的规格相同的新零件来更换磨损的 零件。然而，下面的改进是值得期待的：避免仅仅重复OEM零件所经历的 相同的过早磨损，以及通过向购买者提供性能改进动机以反而从售后制造商 购买来提高售后制造商市场份额。

任何改进的更换零件必须接近OEM的原始质量，这是因为质量的显著 改变可不利地影响悬架的操作。改进的更换零件还必须受限于OEM车辆所 提供的空间，以便避免修改相邻部件的需要和防止干涉。

在具有由诸如铝的轻量非铁材料锻造或铸造的控制臂的车辆的悬架和 转向系统中，示出了加速的磨损和恶化的示例，在该控制臂的外侧端包括安 装在具有聚合物轴承的承窝中的球形接头。OEM设计的各种因素导致加速 磨损、过早失效和维修费用。

严重的空间限制在某些车辆的悬架和转向设计中是存在的，其中，控制 臂的球形接头和外侧端较靠近于邻近的刹车盘设置。受限的可用空间降低了 通过采用简单地围绕控制臂的外侧端增加材料的显而易见途径改进设计的 能力。空间极度受限的程度使得OEM在某些情形中选择剪切掉刹车盘遮挡 的相邻部分以便允许更多的空间用于球形接头和控制臂。

球形接头暴露于由紧邻的刹车盘所引起的高温。通常，制动盘挡板围绕 刹车盘设置，以降低传递到相邻车辆零件的热量以及防止将活动件暴露于在 刹车片抵靠刹车盘的磨损期间所产生的制动粉尘粒子。聚合物轴承在高热条 件下恶化。研磨的制动粉尘透入球形接头并容纳在活动件之间的润滑剂中， 这引起聚合物轴承的增加的磨损。在某些设计中的一部分制动挡板的移除， 为球形接头和外侧端提供了更多的空间，但是也增加球形接头暴露于热和灰 尘，因而加速磨损。

用于球形接头的聚合物轴承的选择连同暴露于来自于制动的热量及灰 尘的增加导致了过早失效。制动粉尘、道路用盐和沙粒可透入球形接头的密 封件并与润滑油相混合。聚合物轴承所经受的磨损被加速并在球形接头上引 起过度的轴向及径向游隙。

控制臂组件采用锻造或铸造的非铁的或铝的控制臂，其具有机加工在外 侧端以容纳球形接头的聚合物轴承和球头销的承窝。OEM控制臂组件重量 轻、成本低，且制造简单。然而，加速磨损由OEM所作出的设计选择导致。 重量轻和成本低的OEM设计限制了对于延长控制臂组件的循环寿命的售后 改进的采用，这是因为，改进通常增加材料或增加重量，或者两者。

例如，售后零件行业已通过利用由具有优于聚合物轴承的优点的金属粉 末制成的烧结金属轴承，来改进球形接头寿命和耐久性。烧结的金属轴承是 多孔的，且润滑剂透入轴承表面，改进邻近的活动件的表面的润滑作用。烧 结的金属在低温比聚合物更持久，且比聚合物更能经受高温环境。烧结的金 属具有比聚合物更好的磨损特性，且烧结的金属不会由于与类似于聚合物的 油脂配方在化学上不兼容而恶化。

将OEM控制臂组件的聚合物轴承更换成烧结轴承，在由更换零件制造 商进行时较简单。轴承的更换对于技工来说是不切实际和不经济的，除非是 更换由预装配的控制臂和球形接头组成整个加工球形接头或控制臂组件。利 用OEM控制臂组件的OEM几何形状和功能尺寸，烧结的金属轴承与球头 销一起定位在更换控制臂的承窝中。然而，在使用非铁的或铝的控制臂时， 压配合的烧结的硬化金属轴承的使用会迅速地在操作期间在承窝的相邻的 较软的控制臂材料处磨损。烧结的金属轴承的压配合还在控制臂承窝的相邻 铝材料上施加附加的径向应力和周向拉应力，这是低强度的聚合物轴承不会 经受的。

理想的是可延伸球形接头的循环寿命，以避免球形接头安装于其中的铝 控制臂的外侧端的过度应力，并保持使用重量轻的非铁的或铝的控制臂，在 操作期间保持球形接头、控制臂和相邻部件之间的空间间隙，以及以原始 OEM定位保持部件。

参考下文所提出的本发明的公开内容、附图和说明，本发明区别于背景 技术的特征将变得显而易见。

发明内容

本发明提供了一种用于汽车车轮悬架的控制臂组件，包括：由重量轻或 非铁的材料构成的细长控制臂，其具有：适于可枢转地安装到汽车底盘的内 侧端；和具有横向穿过上安装表面的安装承窝的外侧端，横向安装承窝具有 内螺纹表面并在安装承窝与外侧横扫面之间限定外壁；以及球形接头，其具 有：具有外螺纹表面和内腔室的钢外壳；具有在内腔室被向上限制的部分球 形球头和向上穿过外壳中的向上的孔延伸的柄的球头销；以及轴承，其具有 与球头啮合的部分球形内表面并具有与内腔室啮合的外表面；其中，外壳具 有横向延伸的轴环，其具有在螺纹表面被完全扭合在一起时与控制臂的上安 装表面啮合的下接触表面；以及其中，球头具有横向邻近于外壁的上部部分 的旋转中心，外侧壁的上部部分的上部壁的厚度比外侧壁的下部部分的下部 壁的厚度大或与其相等。

为了避免较硬的烧结金属轴承与较软的非铁的或铝的控制臂承窝之间 的直接接触，可以在压配合到承窝内的钢杯或球形接头外壳中容纳轴承。然 而，控制臂的外部尺寸由可用的空间限定，且钢杯外壳的使用与直接地安装 在非铁的或铝的承窝中的聚合物轴承的使用相比增加了所需要的承窝的尺 寸。球头的尺寸是固定的，且控制臂端部的作业范围限定于较窄的范围内。 因此，控制臂端部的球头与外表面之间的材料的设计归结为从一个零件获取 材料空间并将该空间用于另一个零件。因此，承窝与外表面之间的控制臂端 部的壁的厚度必须被降低成容纳钢外壳，其于是削弱控制臂的端部区域。进 一步，球形接头容纳到控制臂承窝的压配合或过盈配合所涉及的力，在邻近 于承窝的控制臂的端部区域中引起轴向拉应力或环形应力。压配合会在邻近 于承窝的控制臂的端部区域中减小壁的厚度并增加拉应力，这是不期望的并 可导致铝控制臂材料的过早失效或疲劳断裂。

本发明通过在铝控制臂与钢球形接头外壳之间使用螺纹接合和粘合剂， 避免了压配合球形接头外壳的严重缺陷。在控制臂承窝的内表面上机加工内 螺纹不会在非铁的或铝的材料上施加附加的环形应力或留下残余应力。锁定 粘合剂在螺纹表面上使用，以便提供永久的螺纹连接并进一步利用防止局部 金属腐蚀的粘合剂层隔离不同的金属(钢、铝、重量轻的合金)。

通过利用具有螺纹的球形接头外壳，由外壳到承窝的扭动所施加在控制 臂上的应力，在轴向上被消散到控制臂材料中，其中，在那里具有足够的材 料来支撑载荷。与过盈压配合连接相比，螺纹连接使得更少程度的附加的径 向载荷被施加到控制臂的承窝区域。因此，具有螺纹的控制臂承窝的铝材料 被保护不受直接磨损，并通过用作消散局部施加的轴承载荷的防护衬垫或衬 套，与烧结的金属轴承相接触。

附图说明

为了使本发明易于理解，本发明的一个实施例借助于附图中的示例来阐 释。

图1为用于左前(驾驶员侧)的车轮的传统麦花臣式支柱汽车悬架的分 解轴侧视图。

图2为组装在一起的并还包括前轮驱动轴的图1的传统麦花臣式支柱汽 车悬架的轴侧视图。

图3和图4示出了部分刹车盘、麦花臣式支柱轮毂承载件或转向节的下 端、及具有球形接头的控制臂的外侧端的正视图，其中，图3示出了现有技 术的组件，而图4示出了本发明的实施例。

图5和6示出了具有球形接头的控制臂的外侧端的剖视正视图，其中， 图5示出了现有技术的组件，且图6示出了本发明的实施例。

图7示出了具有图6的球形接头的控制臂的外侧端的详细剖视图。

图8为示出了在OEM球形接头和在根据本说明构建的示例球形接头中 形成的轴向及径向游隙的寿命循环检测结果的对比图。

图9为示出了在OEM球形接头和在根据本说明构建的示例球形接头中 恶化/下降的回转扭矩和旋转力矩的寿命循环测试结果的对比图。

通过参考下面的详细说明，本发明进一步的细节和优点将变得显而易 见。

具体实施方式

图1示出了用于左前轮的传统现有技术的麦花臣式支柱或三点汽车悬架 的相关部件的分解视图。支柱1为大体垂直的管，其具有固定于车身(未示 出)的上部安装件2的。支柱1容纳减震器(未示出)和螺旋弹簧3。支柱 1的下端具有转向节或轮毂承载件4，其支撑轴12(图2中示出)、制动挡板 5和制动盘6。

支柱1通过利用控制臂组件8接合到汽车底盘7，该控制臂组件8利用 后向衬套9和前向衬套10铰接到底盘7。控制臂组件8包括具有球头销(图 5-7中所示出的柄18和球头15)的球形接头11，其接合到轮毂承载件4的 下侧。

图2示出了组装在一起的且还包括前轮驱动轴12的图1的悬架的轴测 图。支柱1和轮毂承载件4支撑制动盘6，制动盘6可通过致动挡板5中的 开口被看到。球头销的上端利用螺栓13接合到轮毂承载件4的下端中的匹 配的孔中。

图3和图4示出了部分制动盘6、轮毂承载件4的下端、螺栓13、及具 有球形接头11的控制臂组件8的外侧端的正视图。图3示出了现有技术的 组件，而图4示出了本发明的示例实施例。图3和图4的主要目的为突显控 制臂组件8的外侧端与制动盘6之间的非常有限的空间或间隙，其以尺寸C 和C’指示。

如图5和6中所最佳示出的，将要理解的是控制臂组件8相对于制动盘 6和轮毂承载件4围绕球形球头15的中心14旋转。间隙尺寸C和C’在正常 操作条件下在控制臂组件8移动期间被保持。在图3的现有技术OEM设计 中的尺寸C和图4中所示出的本发明的实施例中的尺寸C‘之间示出的细微 差异，阐释了间隙的细微减小可以是优点。由于间隙如此有限，即使是细微 的减小也可以是有益的。带螺纹的外壳和烧结的金属轴承的使用要求围绕球 形接头的壁足够厚和避免与制动盘6干涉。例如，间隙C相对于C’减少0.100 英寸可对围绕球形接头的最小的壁的厚度产生有益的影响。

图5示出了传统的现有技术的OEM控制臂组件8，其中，承窝被机加 工在外侧板上以容纳聚合物轴承16。球形的球头15利用封板17固定在承窝 中，且销杆18延伸成与螺栓13一起连接到轮毂承载件4，如图3中所示的。 最小的壁的厚度W确定控制臂组件8在其中围绕球头15旋转的假想工作范 围19，且同样地确定图3中所示出的OEM间隙C。

图6示出了本发明的具有稍大的假想工作范围20的示例性实施例，其 因此提供图4中所示出的稍小的间隙尺寸C’。然而，在操作范围20的界限 内，最大的壁的厚度W’已被发现具有足够的载荷承受能力以便允许使用钢 的带螺纹的外壳21和烧结的金属轴承22，如图7中所最佳示出的。

图7示出了用于更清楚的图6的控制臂组件8的外侧端的特写视图。控 制臂组件8包括由锻造的或铸造的非铁的或铝的材料制成的细长控制臂8， 如图1中所示出的，其具有内侧端和外侧端，内侧端具有适于可枢转地安装 到汽车底盘7上的衬套9,10，以及如图7中所示的，外侧端具有横向安装承 窝，其具有内螺纹并延伸穿过上安装表面23。横向安装承窝在安装承窝之间 限定外侧壁24的向下倾斜的外侧横扫面25。如图6中所示的，倾斜的表面 25允许间隙C’，而且还在最有需要的地方提供附加的内壁材料以承受载荷。

球形接头11具有外部带螺纹的钢外壳21，其具有外螺纹表面和内腔室。 控制臂8由非铁的金属或铝制成以保持OEM质量特性，且外壳21由铸造的 和机加工的钢制成以用于提高强度和耐磨特性。球头销具有部分球形的球头 15，其在外壳21的内腔室内的向上被限制，且球形销杆18向上延伸穿过外 壳21中的向上的孔。烧结的金属轴承22为具有与球头15相啮合的部分球 形的内表面的环圈。烧结的金属轴承22具有与外壳21的内腔室相啮合的外 圆柱表面。如图7中所示的，轴承22具有外部端或下部端，而轴承22通过 与外部端相啮合的弹簧垫圈29弹性偏压球头15。弹簧垫圈29利用封闭盘 30被保持在适当位置，且外壳21的周边边缘31在所有部件被组装在外壳 21内部之后在盘30上翻转。

外壳21具有横向延伸的轴环26，其具有在带螺纹的表面完全扭合在一 起时与控制臂8的上安装表面23相啮合的下接触表面。轴环26具有诸如六 边形轮廓的扳手啮合外缘，以使得它可被旋转到位。轴环26还包括外缘防 尘罩保持槽32。防尘罩未示出。

如图6中所示的，球头15具有横向邻近于外侧壁24的上部部分27的 旋转中心14，外侧壁24的上部部分27的上部壁的厚度W’比外侧壁24的下 部部分28的的下部壁的厚度大或与其相等。

因此，壁的厚度与施加在外侧壁24的铝材料上的应力相应。由于球头 15的中心14设置在外壳21的上部部分中，由球头15所施加的力将主要由 外侧壁24的相邻上部部分27抵抗。下部部分28可具有缩减的厚度，诸如 如所阐释的向下倾斜，这是因为载荷的分布将在那个区域导致降低的应力。 下部部分28中的缩减的厚度允许控制臂8与制动盘6(参见图4)之间的间 隙C’在移动期间被保持。

而且，横向延伸的轴环26在控制臂8的上安装表面23上施加轴向力。 轴向力通过带螺纹的表面的相互作用在外侧壁24的上部部分27中引发比在 下部部分28中引发更大程度的应力。由于轴环26在上安装表面23上施加 轴向力，外壳21在紧接在轴环26之下经历最高的轴向拉伸，而控制臂紧接 在轴环26之下经历最高的轴向压缩。外壳21和控制臂的材料上的应力导致 应变，即，处于拉伸下的外壳21的伸展和处于压缩下的相邻控制臂材料的 压缩，以使得轴向力以导致邻近于轴环26的应力较高和远离于轴环26的应 力较低的方式轴向分布。

带螺纹的表面涂布有螺纹锁定粘合剂(未示出)以便永久地连接和融合 控制臂8和外壳21。操作期间的振动可能会引起外壳21变松。粘合剂还防 止非铁的或铝的控制臂8与钢外壳21的不同的金属之间的局部腐蚀。

在所阐释的实施例中，外壳21、球头15和杆18由钢制成。外壳21的 部分球形的上承载表面和球头15的匹配部分被表面硬化以用于提高抗磨损 性。如果轴向空间可用，类似于下部轴承22的烧结金属的环形上轴承(未 示出)也可位于外壳21中以替换所阐释的表面硬化的表面。

示例

为了量化上述具有球形接头的控制臂的改进性能，示例的圆形球形接头 被制造和循环试验。示例的和OEM球形接头经过了寿命循环试验，其中， 轴向载荷、径向载荷和旋转力矩被施加，以及球形接头同时经过它的移动的 整个范围摆动。在循环期间，球形接头周期地从试验设备移除，以获得由承 受磨损和其他形式的恶化引起并形成的轴向游隙和径向游隙的测量结果。此 外，回转扭矩和旋转力矩被测量。

由于示例的球形接头具有轴向可移动的轴承22，其利用弹簧垫圈29轴 向弹簧加载抵靠球头15，它被预期至少一定程度的轴向游隙会通过轴向移动 轴承22来补偿。由于示例的球形接头中的金属对金属的接触，与OEM球形 接头中的金属对聚合物轴承相比，在示例的球形接头中预期较少的径向游 隙。进一步，轴承22抵靠球头15的轴向弹簧加载被期望成在与OEM球形 轴承相比时，产生较高水平的回转扭矩和旋转力矩。

循环试验结果的总结在图8和9中被阐释。对所总结的结果的分析清楚 地表明，在试验中，OEM球形接头比示例的球形接头更早在轴向和径向方 向上形成游隙。此外，用于OEM球形接头的回转扭矩被降低，而示例的球 形接头在相同次数的循环之后保持较高的回转扭矩。

包含非铁的或铝的悬架部件的车辆经受严重的空间制约和曝露于高温， 因此展现了过早失效，且在过去没有用于改进控制臂和球形接头组件的性能 的售后更换件。通过在带螺纹的钢外壳21中包含烧结的金属轴承22，本文 所描述的具有球形接头的控制臂组件给出了对于耐久性和热曝露问题的解 决方案，同时保持原始OEM部件的质量和尺寸限制。

尽管上述说明涉及目前由发明人所考虑出的具体的优选实施例，要理 解，本发明在它的广泛的方面包括本文所描述的元件的机械上的和功能上的 等价物。