Optimización de bisagras de bola de suspensión Design_hinge Knowledge_Tallsen 1

A bisagra de bola de suspensión é o produto clave da división de compoñentes da tecnoloxía do chasis ZF, e o seu deseño estrutural é a tecnoloxía básica do departamento. A medida que a industria do automóbil segue evolucionando, a demanda de produtos da bisagra tamén está aumentando. No pasado, certos deseños de produtos xa non eran capaces de satisfacer as necesidades actuais do mercado. Os clientes agora requiren ambientes de simulación máis estritos, cargas de traballo máis complexas e cumprimento de novos requisitos regulatorios como criterios de protección de peóns e fallo post-colisión. Dadas estas circunstancias, é imprescindible optimizar os aspectos técnicos da articulación da bola.

A articulación da bola úsase principalmente na suspensión dianteira, facilitando a conexión entre a varilla e o rebunde de dirección. Esta conexión proporciona o segundo grao de liberdade necesaria para a dirección. Para satisfacer as expectativas máis altas dos clientes, o foco da investigación e a optimización cambia para mellorar o rendemento do selado e a resistencia ao desgaste da fatiga.

Este artigo está baseado na produción en masa real de ZF do proxecto Dongfeng Liuzhou B20 para un fabricante de equipos orixinais domésticos (OEM), coa intención de optimizar a estrutura da bisagra de bola de suspensión. Inicialmente, o plan era seguir usando pezas do proxecto actual producido en masa. Non obstante, despois da primeira rolda de probas de validación do deseño (DV), identificouse que aínda había riscos potenciais, principalmente en forma de fugas de auga e desgaste prematuro. Tras a análise, decidiuse que as melloras do deseño fosen necesarias para cumprir os requisitos actuais da proba.

Unha análise adicional doutros novos proxectos domésticos OEM revelou que moitos OEM estableceron especificacións específicas para o rendemento da bisagra de balón, e os requisitos de deseño aumentaron significativamente. Do mesmo xeito, os OEM globais están actualizando continuamente as súas especificacións para bisagras de bola. Os produtos ZF necesitan soportar as condicións ambientais máis duras, as condicións de funcionamento máis complexas e variables, así como os requisitos máis detallados de protección de colisións. Á vista destes desenvolvementos, este artigo pretende propoñer un esquema de optimización razoable baseado na investigación e análise das novas especificacións, co fin de obter produtos que cumpran os estándares de rendemento a un menor custo.

a bisagra:

As bisagras de bola aseguran a conexión das cadeas de mecanismo mantendo o contacto continuo e o movemento relativo. Os puntos de conexión destes movementos son coñecidos como articulacións. As bisagras de bola pódense clasificar como bisagras cargadas radialmente (bisagras de bola guiada) ou bisagras cargadas axialmente (xuntas de bola cargada). Cada articulación consta de dous elementos de conexión, como eixes, rodamentos simples, dentes de engrenaxes, etc., que cooperan entre si e teñen unha xeometría adecuada para a súa función. Os principais elementos de conexión da articulación da bola son o perno de bóla e a toma de bola. Ademais do rendemento da articulación da bola, tamén son importantes outras características como material, tamaño, calidade superficial, capacidade de carga de carga e lubricación.

Función e requisitos técnicos da bisagra de bola:

A función da bisagra de bóla é conectar a varilla co desnudamento de dirección, proporcionando así tres graos de liberdade. Dous destes graos de liberdade úsanse para a batida e a dirección das rodas, mentres que o terceiro permite unha variación elastokinemática para a roda. A articulación da bola só pode introducir forzas tensións, compresivas e radiais debido aos seus tres graos de liberdade rotativos. O ideal sería que as xuntas de bola non deberían ter ningún xogo gratuíto para evitar ruído innecesario. O desprazamento elástico debe minimizarse para evitar molestias durante a condución e para manter a avaliación subxectiva do condutor. Ademais, o par de traballo da bisagra de bola é un importante índice de avaliación e non debe ser inferior ao valor permitido para evitar o desgaste e o ruído prematuros.

Análise de modo de fallo orixinal do deseño:

1. Fallo da proba de rendemento de selado:

Durante a fase inicial do proxecto B20, o cliente solicitou que continúe usando os produtos do proxecto existentes para reducir os custos de investigación e desenvolvemento e o tempo de ciclo. Non obstante, durante a proba de DV, observáronse modos de fallo como a fuga de auga e a ferruxe no rendemento de selado da bisagra de bola. Tras a inspección, descubriuse que a bisagra de bóla e o rebunde de dirección tiñan un mal axuste, obtendo unha brecha libre de 2,5 mm entre eles. Esta brecha podería levar a fugas de auga, o que indica que o sistema de selado non cumpría os requisitos de proba. O desmontaxe da bisagra da bola revelou unha grave corrosión na superficie de apareamento co rebulque de dirección. Isto confirmou que o rendemento de selado do produto actual non cumpriu os requisitos de deseño para o proxecto B20. Notablemente, observáronse manchas de auga visibles e corrosión grave nos pasadores da bola na zona da cuberta de po. Isto indicou que o actual sistema a proba de po era insuficiente e requiriu unha mellora.

2. Análise dos resultados das probas:

Os resultados da proba indicaron que a entrada de auga durante as probas caeu baixo o nivel W3, onde se observaron visualmente as manchas de auga. Isto destacou a gravidade das condicións de entrada de auga no sistema de selado despois da proba. A área de entrada de auga afectou principalmente aos colares nos dous extremos da bisagra de bola. As posibles razóns para o fracaso foron as seguintes:

- Selección de calidade e tamaño do colo: o colo tiña unha definición máxima de tamaño despois de estirarse, o que tiña como obxectivo asegurar que a forza de suxeición cumprise os requisitos de deseño despois da deformación elástica do colo. Non obstante, se a montaxe real non seguiu estrictamente as especificacións, podería producir unha forza de suxeición inadecuada e un colar solto.

- Falla de deseño da cuberta de po: unha análise comparativa do deseño da cuberta de po revelou unha desviación no ángulo do cono da área do labirinto. O deseño actual tiña un ángulo de cono de 20 °, mentres que o deseño estándar tiña un ángulo de cono de 12 °. Esta desviación aumentou o risco de fugas.

- Falla de deseño da área de selado de pinos de bola: o deseño do pasador de bóla tiña unha estrutura escalonada nunha zona específica, cun diámetro de 1 mm maior que o eixe do pin. Esta estrutura tiña como obxectivo evitar que a cuberta de po se presionase na posición do pescozo do pasador da bola. Non obstante, en condicións de traballo extremas da articulación da bola, como na posición límite, a área de contacto entre a cuberta de po e o paso era demasiado pequena, dando lugar á posibilidade de fallar. Ademais, as baixas temperaturas tamén poden levar a pequenas áreas de contacto, creando lagoas e fugas de auga.

Esquema de deseño de optimización de bisagras de bóla:

1. Optimización de montaxe de colar:

O fracaso do extremo do colo resultou principalmente de problemas coa montaxe de produción. Para abordalo, considerouse eficaz definir o tamaño da instalación do colo na especificación do proceso interno (IPS), que se converte nunha parte da instrución de operación de produción. O IPS definiría a dirección de instalación, o diámetro máximo do dispositivo de ferramentas e o rango de diámetro da abertura do colo. Ademais, incluiría tamén o informe de análise de elementos finitos (FEA) e o informe de disposición da cobertura de po. Este método melloraría o proceso de montaxe e aseguraría que cumpra os requisitos de deseño.

2. Deseño óptimo do pasador:

A análise de modos de falla revelou que o deseño razoable da área de labirinto da cuberta de po e a pequena área de contacto do paso do pin de bola foron os principais factores que contribuíron ao fallo da proba de selado. Considerando as restricións de custo e desenvolvemento de proxectos, a optimización da estrutura dos pinos de bola considerouse a solución máis rendible. O deseño optimizado tiña como obxectivo proporcionar unha área de contacto máis grande entre o paso do pin de bóla e a cuberta de po cando a bisagra de bola estaba no seu ángulo máximo de traballo. O deseño orixinal contaba cunha forma de sección transversal semicircular para o paso, mentres que o novo deseño introduciu unha estrutura de sección transversal rectangular e aumentou o diámetro exterior do paso. Isto deu lugar a unha área de contacto máis grande e proporcionou unha maior forza de reacción en condicións de traballo extremas, reducindo o risco de que se presionen no pesco o risco de lagoas e as cubertas de po.

3. Verificación de proba de deseño óptimo:

As mostras baseadas no deseño optimizado producíronse e sometéronse a probas de rendemento de selado. Os resultados demostraron que o contido de auga ao final do pasador da bola e o extremo da cuncha de bola era de só 0,1% a 0.2