Suspension Ball Hinge Optimization Design_hinge Knowledge_Tallsen 1

La charnière à balle de suspension est le produit clé de la division des composants de la technologie des châssis ZF, et sa conception structurelle est la technologie de base du département. Alors que l'industrie automobile continue d'évoluer, la demande de produits de charnière à billes augmente également. Dans le passé, certaines conceptions de produits n'étaient plus en mesure de répondre aux besoins actuels du marché. Les clients nécessitent désormais des environnements de simulation plus stricts, des charges de travail plus complexes et une conformité avec de nouvelles exigences réglementaires telles que la protection des piétons et les critères de défaillance post-collision. Compte tenu de ces circonstances, il est impératif d'optimiser les aspects techniques de l'articulation du ballon.

Le joint à billes est principalement utilisé dans la suspension avant, facilitant la connexion entre la tige et la fusée de direction. Cette connexion fournit le deuxième degré de liberté requis pour la direction. Pour répondre aux attentes des clients plus élevées, la recherche et l'optimisation se déplacent vers l'amélioration des performances d'étanchéité et de la résistance à l'usure de la fatigue.

Cet article est basé sur la production en masse réelle de ZF du projet Dongfeng Liuzhou B20 pour un fabricant domestique d'équipement d'origine (OEM), avec l'intention d'optimiser la structure de la charnière à balle de suspension. Initialement, le plan était de continuer à utiliser des pièces du projet actuel produit en masse. Cependant, après le premier cycle de tests de validation de conception (DV), il a été identifié qu'il y avait encore des risques potentiels, principalement sous forme de fuite d'eau et d'usure prématurée. Lors de l'analyse, il a été décidé que des améliorations de conception étaient nécessaires pour répondre aux exigences de test actuelles.

Une analyse plus approfondie des autres nouveaux projets OEM nationaux a révélé que de nombreux OEM ont établi des spécifications spécifiques pour les performances de la charnière à billes, les exigences de conception ayant augmenté considérablement. De même, les OEM mondiaux mettent en œuvre en permanence leurs spécifications pour les charnières de balle. Les produits ZF doivent résister aux conditions environnementales plus sévères, des conditions de fonctionnement plus complexes et variables, ainsi que des exigences de protection contre les collisions plus détaillées. À la lumière de ces développements, cet article vise à proposer un schéma d'optimisation raisonnable basé sur la recherche et l'analyse des nouvelles spécifications, afin d'obtenir des produits qui répondent aux normes de performance à moindre coût.

à la charnière à balle:

Les charnières à billes garantissent la connexion des chaînes de mécanismes en maintenant un contact continu et un mouvement relatif. Les points de connexion pour ces mouvements sont appelés articulations. Les charnières à billes peuvent être classées comme des charnières à chargement radialement (charnières à billes guidées) ou des charnières chargées axialement (joints à billes chargés). Chaque joint se compose de deux éléments de connexion, tels que les arbres, les roulements simples, les dents d'engrenage, etc., qui coopèrent les uns avec les autres et ont une géométrie appropriée pour leur fonction. Les principaux éléments de connexion de l'articulation de la balle sont le goujon à billes et la prise de balle. Outre les performances de l'articulation de la balle elle-même, d'autres caractéristiques telles que le matériau, la taille, la qualité de la surface, la capacité de charge de charge et la lubrification sont également importantes.

Fonctions et exigences techniques de la charnière à balle:

La fonction de la charnière à balle est de connecter la tige à la fusée de direction, fournissant ainsi trois degrés de liberté. Deux de ces degrés de liberté sont utilisés pour les battements de roues et la direction, tandis que le troisième permet une variation élastokinematique pour la roue. Le joint à billes ne peut introduire que des forces de traction, de compression et radiales en raison de ses trois degrés de liberté en rotation. Idéalement, les joints à billes ne devraient pas avoir de jeu libre pour éviter un bruit inutile. Le déplacement élastique doit être minimisé pour éviter l'inconfort pendant la conduite et maintenir l'évaluation subjective du conducteur. De plus, le couple de travail de la charnière à billes est un indice d'évaluation important et ne doit pas être inférieur à la valeur admissible pour éviter l'usure prématurée et le bruit.

Analyse du mode de défaillance de conception originale:

1. Échec du test de performance d'étanchéité:

Au cours de l'étape initiale du projet B20, le client a demandé par le client de continuer à utiliser les produits du projet existants pour réduire les coûts de recherche et de développement et le temps de cycle. Cependant, pendant le test DV, des modes de défaillance tels que la fuite d'eau et la rouille ont été observés dans les performances d'étanchéité de la charnière à billes. Lors de l'inspection, il a été découvert que la charnière à balle et la fusée de direction avaient un mauvais montage, ce qui a entraîné un écart libre de 2,5 mm entre eux. Cet écart pourrait potentiellement entraîner une fuite d'eau, ce qui indique que le système d'étanchéité ne répondait pas aux exigences de test. Le démontage supplémentaire de la charnière à billes a révélé une corrosion sévère sur la surface de l'accouplement avec la fusée de direction. Cela a confirmé que les performances d'étanchéité du produit actuel ne répondaient pas aux exigences de conception du projet B20. Notamment, des taches d'eau visibles et une corrosion sévère ont été observées sur les épingles à billes dans la zone de la couverture de poussière. Cela a indiqué que le système actuel résistant à la poussière était insuffisant et nécessitait une amélioration.

2. Analyse des résultats des tests:

Les résultats des tests ont indiqué que la pénétration de l'eau pendant les tests est tombée sous le niveau W3, où les taches d'eau ont été observées visuellement. Cela a mis en évidence la gravité des conditions d'entrée d'eau dans le système d'étanchéité après le test. La zone d'entrée de l'eau a principalement affecté les colliers aux deux extrémités de la charnière à balle. Les raisons possibles de l'échec étaient les suivantes:

- Qualité de l'assemblage et sélection de taille du col: Le collier avait une définition de taille maximale après avoir été étirée, ce qui visait à garantir que la force de serrage répondait aux exigences de conception après la déformation élastique du collier. Cependant, si l'assemblage réel ne suivait pas strictement les spécifications, cela pourrait entraîner une force de serrage inadéquate et un collier lâche.

- Échec de la conception de la couverture de poussière: une analyse comparative de la conception de la couverture de poussière a révélé une déviation dans l'angle de cône de la zone du labyrinthe. La conception actuelle avait un angle de cône de 20 °, tandis que la conception standard avait un angle de cône de 12 °. Cet écart a augmenté le risque de fuite.

- Échec de conception de la zone d'étanchéité des broches à balle: La conception de la broche à balle avait une structure étagée dans une zone spécifique, avec un diamètre de 1 mm plus grand que l'arbre de la goupille à billes. Cette structure visait à empêcher le couvercle de poussière d'être pressé dans la position du cou de la broche à balle. Cependant, dans des conditions de travail extrêmes de l'articulation de la balle, comme en position limite, la zone de contact entre le couvercle de poussière et l'étape était trop petite, ce qui a entraîné la possibilité d'une défaillance. De plus, les basses températures pourraient également entraîner de petites zones de contact, créant des lacunes et des fuites d'eau.

Schéma de conception d'optimisation de la charnière à balle:

1. Optimisation de l'assemblage de col:

L'échec de la fin du collier résulte principalement de problèmes avec l'assemblage de production. Pour y remédier, il a été jugé efficace de définir la taille d'installation du collier dans la spécification du processus interne (IPS), qui fait partie de l'instruction de l'opération de production. L'IPS définirait la direction d'installation, le diamètre maximum du luminaire d'outillage et la plage de diamètre de l'ouverture du collier. En outre, il inclurait également le rapport d'analyse des éléments finis (FEA) et le rapport de disposition du couvercle de poussière. Cette méthode améliorerait le processus d'assemblage et garantirait qu'il répond aux exigences de conception.

2. Conception optimale de la broche à balle:

L'analyse des modes de défaillance a révélé que la conception déraisonnable de la zone labyrinthe de la couverture de poussière et la petite zone de contact de l'étape de la broche à balle étaient les principaux facteurs contribuant à la défaillance du test d'étanchéité. Compte tenu des contraintes de développement des coûts et des projets, l'optimisation de la structure des broches à balle a été considérée comme la solution la plus rentable. La conception optimisée visait à fournir une zone de contact plus grande entre l'étape de la goupille à billes et le couvercle de poussière lorsque la charnière à billes était à son angle de travail maximal. Le design original comportait une forme de section transversale semi-circulaire pour l'étape, tandis que le nouveau design a introduit une structure transversale rectangulaire et a augmenté le diamètre extérieur de l'étape. Cela a entraîné une zone de contact plus importante et a fourni une plus grande force de réaction dans des conditions de travail extrêmes, réduisant le risque de lacunes et de couvercles de poussière dans le cou.

3. Vérification optimale de test de conception:

Des échantillons basés sur la conception optimisée ont été produits et soumis à des tests de performances d'étanchéité. Les résultats ont montré que la teneur en eau à l'extrémité de la broche à billes et l'extrémité de la coquille de balle n'était que de 0,1% à 0.2