Disseny d'optimització de la frontissa de boles de suspensió 1

La frontissa de boles de suspensió és el producte clau de la divisió de components de la tecnologia del xassís ZF i el seu disseny estructural és la tecnologia bàsica del departament. A mesura que la indústria de l’automòbil continua evolucionant, la demanda de productes de boles també augmenta. En el passat, alguns dissenys de productes ja no eren capaços de satisfer les necessitats actuals del mercat. Els clients requereixen ara entorns de simulació més estrictes, càrregues de treball més complexes i compliment de nous requisits normatius com ara la protecció dels vianants i els criteris de fallada post-col·lisió. Tenint en compte aquestes circumstàncies, és imprescindible optimitzar els aspectes tècnics de l’articulació de la bola.

L’articulació de la bola s’utilitza principalment a la suspensió frontal, facilitant la connexió entre la vareta i el puny de la direcció. Aquesta connexió proporciona el segon grau de llibertat necessari per a la direcció. Per assolir les expectatives més altes dels clients, el focus de recerca i optimització canvia cap a la millora del rendiment de segellat i la resistència al desgast de fatiga.

Aquest article es basa en la producció massiva real de ZF del projecte Dongfeng Liuzhou B20 per a un fabricant d'equips originals domèstics (OEM), amb la intenció d'optimitzar l'estructura de la bola de suspensió. Inicialment, el pla era continuar utilitzant parts del projecte actual produït en massa. Tot i això, després de la primera ronda de proves de validació de disseny (DV), es va identificar que encara hi havia possibles riscos, principalment en forma de fuites d’aigua i desgast prematur. Després de l'anàlisi, es va decidir que les millores del disseny eren necessàries per complir els requisits de prova actuals.

Una anàlisi posterior d’altres nous projectes OEM domèstics va revelar que molts OEM han establert especificacions específiques per al rendiment de la frontissa de boles, i els requisits de disseny han augmentat significativament. De la mateixa manera, els OEM globals actualitzen contínuament les seves especificacions per a les frontisses de boles. Els productes ZF han de suportar condicions ambientals més dures, condicions de funcionament més complexes i variables, així com requisits més detallats de protecció de col·lisions. A la vista d’aquests desenvolupaments, aquest article pretén proposar un esquema d’optimització raonable basat en la investigació i l’anàlisi de les noves especificacions, per tal d’obtenir productes que compleixin els estàndards de rendiment a un cost inferior.

a la frontissa de pilota:

Les frontisses de boles asseguren la connexió de les cadenes de mecanisme mantenint el contacte continu i el moviment relatiu. Els punts de connexió d’aquests moviments es coneixen com a juntes. Les frontisses de boles es poden classificar com a frontisses carregades radialment (frontisses de boles guiades) o frontisses carregades axialment (juntes de boles carregades). Cada articulació consta de dos elements de connexió, com ara eixos, coixinets, dents d’engranatges, etc., que cooperen entre ells i tenen una geometria adequada per a la seva funció. Els principals elements de connexió de l’articulació de la bola són el boles i la presa de boles. A banda del rendiment de l’articulació de la bola mateixa, també són importants altres característiques com el material, la mida, la qualitat de la superfície, la capacitat de càrrega i la lubricació.

Funció i requisits tècnics de la frontissa:

La funció de la frontissa de boles és connectar la vareta amb el artell de direcció, proporcionant així tres graus de llibertat. Dos d'aquests graus de llibertat s'utilitzen per a la batec i la direcció de les rodes, mentre que el tercer permet una variació elastocinemàtica per a la roda. L’articulació de la bola només pot introduir forces de tracció, compressives i radials a causa dels seus tres graus de llibertat rotacionals. L’ideal és que les juntes de boles no haurien de tenir cap joc lliure per evitar sorolls innecessaris. El desplaçament elàstic s’ha de minimitzar per evitar molèsties durant la conducció i mantenir l’avaluació subjectiva del conductor. A més, el parell de treball de la frontissa de boles és un índex d’avaluació important i no ha de ser inferior al valor admissible per evitar el desgast prematur i el soroll.

Anàlisi del mode de fallada de disseny original:

1. Falla de prova de rendiment de segellat:

Durant la fase inicial del projecte B20, el client va sol·licitar que continués utilitzant els productes del projecte existents per reduir els costos de recerca i desenvolupament i el temps de cicle. No obstant això, durant la prova de DV, es van observar modes de fallada com la fuga d'aigua i l'oxidació en el rendiment de segellat de la frontissa de la bola. A la inspecció, es va descobrir que la frontissa de la bola i el artell de direcció tenien un mal ajustament, donant lloc a una bretxa lliure de 2,5 mm entre ells. Aquesta bretxa podria provocar fuites d’aigua, cosa que indica que el sistema de segellat no complia els requisits de prova. El desmuntatge addicional de la frontissa de la bola va revelar una corrosió severa a la superfície d’aparellament amb el artell de direcció. Això va confirmar que el rendiment de segellat del producte actual no complia els requisits de disseny del projecte B20. Sobretot, es van observar taques d’aigua visibles i una corrosió severa als passadors de la bola a la zona de la coberta de la pols. Això va indicar que el sistema actual a prova de pols era insuficient i va requerir una millora.

2. Anàlisi dels resultats de les proves:

Els resultats de la prova van indicar que l’entrada d’aigua durant les proves va caure sota el nivell W3, on les taques d’aigua es van observar visualment. Això va posar de manifest la gravetat de les condicions d'entrada d'aigua al sistema de segellat després de la prova. La zona d'entrada d'aigua va afectar principalment els collarets als dos extrems de la frontissa de la bola. Les possibles raons per al fracàs van ser les següents:

- Selecció de qualitat i mida del muntatge del collet: el collet tenia una definició de mida màxima després d’estirar -se, que tenia com a objectiu garantir que la força de subjecció complís els requisits de disseny després de la deformació elàstica del collet. Tanmateix, si el muntatge real no seguia estrictament les especificacions, podria donar lloc a una força de subjecció inadequada i un coll solt.

- Falla de disseny de la coberta de pols: una anàlisi comparativa del disseny de la coberta de pols va revelar una desviació en l’angle del con de l’àrea del laberint. El disseny actual tenia un angle de con de 20 °, mentre que el disseny estàndard tenia un angle de con de 12 °. Aquesta desviació va augmentar el risc de fuites.

- Falla de disseny de la zona de segellat del passador de bola: el disseny del passador de bola tenia una estructura esglaonada en una zona específica, amb un diàmetre d'1 mm més gran que l'eix del passador de bola. Aquesta estructura tenia com a objectiu evitar que es pressionés la coberta de la pols a la posició del coll del passador de bola. No obstant això, en condicions de treball extremes de l’articulació de la bola, com per exemple a la posició límit, l’àrea de contacte entre la coberta de la pols i el pas era massa petita, donant lloc a la possibilitat de fallar. A més, les temperatures baixes també podrien provocar petites zones de contacte, creant buits i fuites d’aigua.

Esquema de disseny d’optimització de la frontissa de boles:

1. Optimització de muntatge de collet:

El fracàs de l'extrem del coll es va derivar principalment en problemes amb el muntatge de producció. Per solucionar -ho, es va considerar eficaç definir la mida d’instal·lació del collet a l’especificació del procés intern (IPS), que es converteix en una part de la instrucció de funcionament de producció. L’IPS definiria la direcció d’instal·lació, el diàmetre màxim del dispositiu d’eines i l’interval de diàmetre de l’obertura del collet. A més, també inclouria l’informe i l’informe de l’anàlisi de l’element finit (FEA) i l’informe de disseny de la cobertura de la pols. Aquest mètode milloraria el procés de muntatge i s’asseguraria que compleixi els requisits de disseny.

2. Disseny òptim del passador de bola:

L’anàlisi de modes de fracàs va revelar que el disseny no raonable de l’àrea laberint de la coberta de la pols i la petita zona de contacte del pas del passador de la bola van ser els principals factors que van contribuir a la fallada de la prova de segellat. Tenint en compte les restriccions de desenvolupament de costos i projectes, es va considerar que l’optimització de l’estructura del PIN de la bola es va considerar la solució més rendible. El disseny optimitzat tenia com a objectiu proporcionar una àrea de contacte més gran entre el pas del passador de la bola i la coberta de la pols quan la frontissa de la bola estava en el seu màxim angle de treball. El disseny original presentava una forma transversal semicircular per al pas, mentre que el nou disseny va introduir una estructura transversal rectangular i va augmentar el diàmetre exterior del pas. Això va donar lloc a una àrea de contacte més gran i va proporcionar una força de reacció més gran en condicions de treball extremes, reduint el risc de buits i cobertes de pols al coll.

3. Verificació de proves de disseny òptim:

Es van produir mostres basades en el disseny optimitzat i es van sotmetre a proves de rendiment de segellat. Els resultats van mostrar que el contingut d’aigua al final del passador de la bola i el final de la closca de la bola només va ser del 0,1% a 0.2