Optimización de bisagra de bola de suspensión Design_hinge Knowllege_tallsen 1

La bisagra de bola de suspensión es el producto clave de la división de componentes de tecnología de chasis ZF, y su diseño estructural es la tecnología central del departamento. A medida que la industria del automóvil continúa evolucionando, la demanda de productos de bisagra de pelota también está aumentando. En el pasado, ciertos diseños de productos ya no podían satisfacer las necesidades actuales del mercado. Los clientes ahora requieren entornos de simulación más estrictos, cargas de trabajo más complejas y el cumplimiento de los nuevos requisitos reglamentarios, como la protección de peatones y los criterios de falla posterior a la colisión. Dadas estas circunstancias, es imperativo optimizar los aspectos técnicos de la articulación de la pelota.

La junta de bola se usa principalmente en la suspensión delantera, facilitando la conexión entre la barra y el nudillo de dirección. Esta conexión proporciona el segundo grado de libertad requerido para la dirección. Para cumplir con las expectativas más altas del cliente, el enfoque de la investigación y la optimización cambia hacia la mejora del rendimiento del sellado y la resistencia al desgaste de fatiga.

Este artículo se basa en la producción en masa real de ZF del proyecto Dongfeng Liuzhou B20 para un fabricante de equipos originales nacionales (OEM), con la intención de optimizar la estructura de la bisagra de bola de suspensión. Inicialmente, el plan era continuar usando piezas del proyecto actual producido en masa. Sin embargo, después de la primera ronda de pruebas de validación de diseño (DV), se identificó que todavía había riesgos potenciales, principalmente en forma de fuga de agua y desgaste prematuro. Tras el análisis, se decidió que las mejoras de diseño eran necesarias para cumplir con los requisitos de prueba actuales.

Un análisis posterior de otros nuevos proyectos OEM nacionales reveló que muchos OEM han establecido especificaciones específicas para el rendimiento de la bisagra de pelota, y los requisitos de diseño han aumentado significativamente. Del mismo modo, los OEM globales actualizan continuamente sus especificaciones para las bisagras de pelota. Los productos ZF deben resistir condiciones ambientales más duras, condiciones de funcionamiento más complejas y variables, así como requisitos de protección de colisión más detallados. A la luz de estos desarrollos, este artículo tiene como objetivo proponer un esquema de optimización razonable basado en la investigación y el análisis de las nuevas especificaciones, para obtener productos que cumplan con los estándares de rendimiento a un costo más bajo.

a la bisagra de la pelota:

Las bisagras de la pelota aseguran la conexión de las cadenas de mecanismo manteniendo el contacto continuo y el movimiento relativo. Los puntos de conexión para estos movimientos se conocen como juntas. Las bisagras de bola se pueden clasificar como bisagras cargadas radialmente (bisagras de bola guiadas) o bisagras cargadas axialmente (juntas de bola cargadas). Cada junta consta de dos elementos de conexión, como ejes, rodamientos lisos, dientes de engranaje, etc., que cooperan entre sí y tienen una geometría adecuada para su función. Los principales elementos de conexión de la articulación de la pelota son el semental de la pelota y el enchufe de la pelota. Además del rendimiento de la articulación de la pelota en sí, otras características como material, tamaño, calidad de la superficie, capacidad de carga de carga y lubricación también son importantes.

Función y requisitos técnicos de la bisagra de pelota:

La función de la bisagra de la pelota es conectar la varilla con el nudillo de dirección, proporcionando así tres grados de libertad. Dos de estos grados de libertad se utilizan para la batería y la dirección de las ruedas, mientras que el tercero permite una variación eltoquinemática para la rueda. La articulación de la pelota solo puede introducir fuerzas de tensión, compresión y radial debido a sus tres grados de libertad rotacionales. Idealmente, las articulaciones de la pelota no deberían tener ningún juego libre para evitar el ruido innecesario. El desplazamiento elástico debe minimizarse para evitar molestias mientras conduce y para mantener la evaluación subjetiva del conductor. Además, el par de trabajo de la bisagra de bola es un índice de evaluación importante y no debe ser más bajo que el valor permitido para evitar el desgaste prematuro y el ruido.

Análisis del modo de falla de diseño original:

1. Falta de la prueba de rendimiento de sellado:

Durante la etapa inicial del proyecto B20, el cliente solicitó continuar utilizando los productos del proyecto existentes para reducir los costos de investigación y desarrollo y tiempo de ciclo. Sin embargo, durante la prueba de DV, se observaron modos de falla como la fuga de agua y el óxido en el rendimiento de sellado de la bisagra de bola. Tras la inspección, se descubrió que la bisagra de la pelota y el nudillo de la dirección tenían un montón deficiente, lo que resultó en un espacio libre de 2.5 mm entre ellos. Esta brecha podría conducir a la fuga de agua, lo que indica que el sistema de sellado no cumplía con los requisitos de prueba. El desmontaje adicional de la bisagra de la pelota reveló una corrosión severa en la superficie de apareamiento con el nudillo de dirección. Esto confirmó que el rendimiento de sellado del producto actual no cumplió con los requisitos de diseño para el proyecto B20. En particular, se observaron manchas de agua visibles y corrosión severa en los pasadores de la pelota en el área de la cubierta del polvo. Esto indicó que el sistema actual a prueba de polvo era insuficiente y requería una mejora.

2. Análisis de los resultados de las pruebas:

Los resultados de la prueba indicaron que la entrada de agua durante las pruebas cayó bajo el nivel W3, donde se observaron visualmente las manchas de agua. Esto destacó la gravedad de las condiciones de entrada de agua en el sistema de sellado después de la prueba. El área de entrada de agua afectó principalmente los collares en ambos extremos de la bisagra de la pelota. Las posibles razones para la falla fueron los siguientes:

- Calidad de ensamblaje y selección de tamaño del collar: el collar tenía una definición de tamaño máximo después de estirarse, lo que tenía como objetivo garantizar que la fuerza de sujeción cumpliera con los requisitos de diseño después de la deformación elástica del collar. Sin embargo, si el ensamblaje real no siguió estrictamente las especificaciones, podría resultar en una fuerza de sujeción inadecuada y un collar suelto.

- Falta de diseño de la cubierta del polvo: un análisis comparativo del diseño de la cubierta del polvo reveló una desviación en el ángulo del cono del área del laberinto. El diseño actual tenía un ángulo de cono de 20 °, mientras que el diseño estándar tenía un ángulo de cono de 12 °. Esta desviación aumentó el riesgo de fuga.

- Falla de diseño del área de sellado del pasador de la bola: el diseño del pasador de bola tenía una estructura escalonada en un área específica, con un diámetro de 1 mm más grande que el eje del pasador de la bola. Esta estructura tenía como objetivo evitar que la cubierta del polvo se presionara en la posición del cuello del pasador de la bola. Sin embargo, en condiciones de trabajo extremas de la articulación de la pelota, como en la posición límite, el área de contacto entre la cubierta del polvo y el paso era demasiado pequeño, lo que resultó en la posibilidad de falla. Además, las bajas temperaturas también podrían conducir a pequeñas áreas de contacto, creando brechas y fugas de agua.

Esquema de diseño de optimización de bisagra de bola:

1. Optimización del ensamblaje del collar:

La falla del final del collar resultó principalmente de problemas con el ensamblaje de producción. Para abordar esto, se consideró efectivo definir el tamaño de instalación del collar en la especificación del proceso interno (IPS), que se convierte en parte de la instrucción de operación de producción. Los IP definirían la dirección de instalación, el diámetro máximo del accesorio de herramientas y el rango de diámetro de la abertura del collar. Además, también incluiría el informe de análisis de elementos finitos (FEA) y el informe de diseño de la cubierta de polvo. Este método mejoraría el proceso de ensamblaje y garantizaría que cumpla con los requisitos de diseño.

2. Diseño óptimo del pasador de bola:

El análisis de los modos de falla reveló que el diseño irrazonable del área de laberinto de la cubierta de polvo y el área de contacto pequeña del paso del pasador de la bola fueron los principales factores que contribuyen a la falla de la prueba de sellado. Teniendo en cuenta las limitaciones de costos y desarrollo de proyectos, optimizar la estructura del pin de la bola se consideró la solución más rentable. El diseño optimizado tenía como objetivo proporcionar un área de contacto más grande entre el paso del pasador de la bola y la cubierta del polvo cuando la bisagra de la bola estaba en su ángulo de trabajo máximo. El diseño original presentaba una forma transversal semicircular para el paso, mientras que el nuevo diseño introdujo una estructura de sección transversal rectangular y aumentó el diámetro exterior del paso. Esto dio como resultado un área de contacto más grande y proporcionó una mayor fuerza de reacción en condiciones de trabajo extremas, reduciendo el riesgo de que se presionen los huecos y las cubiertas de polvo en el cuello.

3. Verificación de prueba de diseño óptima:

Se produjeron muestras basadas en el diseño optimizado y se sometieron a pruebas de rendimiento de sellado. Los resultados mostraron que el contenido de agua al final del pasador de la pelota y el extremo de la carcasa de la bola fue de solo 0.1% a 0.2