Ottimizzazione della cerniera a sfera di sospensione Design_hinge Knowleds_tallsen 1

La cerniera a sfera di sospensione è il prodotto chiave della divisione componenti della tecnologia del telaio ZF e la sua progettazione strutturale è la tecnologia di base del dipartimento. Man mano che l'industria automobilistica continua a evolversi, anche la domanda di prodotti a base di cerniera a sfere è in aumento. In passato, alcuni progetti di prodotti non erano più in grado di soddisfare le esigenze attuali del mercato. I clienti ora richiedono ambienti di simulazione più rigorosi, carichi di lavoro più complessi e conformità con nuovi requisiti normativi come la protezione dei pedoni e i criteri di fallimento post-collisione. Date queste circostanze, è indispensabile ottimizzare gli aspetti tecnici dell'articolazione della palla.

L'articolazione a sfera viene utilizzato principalmente nella sospensione anteriore, facilitando il collegamento tra l'asta e la nocca dello sterzo. Questa connessione fornisce il secondo grado di libertà richiesto per lo sterzo. Per soddisfare le maggiori aspettative dei clienti, il focus di ricerche e ottimizzazione si sposta verso il miglioramento delle prestazioni di sigillatura e la resistenza all'usura della fatica.

Questo articolo si basa sull'effettiva produzione di massa di ZF del progetto Dongfeng Liuzhou B20 per un produttore di apparecchiature originali (OEM), con l'intenzione di ottimizzare la struttura della cerniera a sfera di sospensione. Inizialmente, il piano era di continuare a utilizzare le parti dell'attuale progetto prodotto in serie. Tuttavia, dopo il primo giro di test di convalida del design (DV), è stato identificato che c'erano ancora potenziali rischi, principalmente sotto forma di perdita d'acqua e usura prematura. Dopo l'analisi, è stato deciso che erano necessari miglioramenti del progetto per soddisfare gli attuali requisiti di test.

Ulteriori analisi di altri nuovi progetti OEM interni hanno rivelato che molti OEM hanno stabilito specifiche specifiche per le prestazioni della cerniera a sfere, con i requisiti di progettazione sono aumentati in modo significativo. Allo stesso modo, gli OEM globali aggiornano continuamente le loro specifiche per le cerniere a sfere. I prodotti ZF devono resistere a condizioni ambientali più dure, condizioni operative più complesse e variabili, nonché requisiti di protezione delle collisioni più dettagliati. Alla luce di questi sviluppi, questo articolo mira a proporre uno schema di ottimizzazione ragionevole basato sulla ricerca e l'analisi delle nuove specifiche, al fine di ottenere prodotti che soddisfino gli standard di prestazione a un costo inferiore.

per ballare la cerniera:

Le cerniere a sfere assicurano la connessione delle catene del meccanismo mantenendo il contatto continuo e il movimento relativo. I punti di connessione per questi movimenti sono noti come giunti. Le cerniere a sfera possono essere classificate come cerniere carichi radialmente (cerniere a sfera guidate) o cerniere caricate assialmente (giunti a sfera caricati). Ogni giunto è costituito da due elementi di collegamento, come alberi, cuscinetti semplici, denti degli ingranaggi, ecc., Che cooperano tra loro e hanno una geometria adatta per la loro funzione. I principali elementi di collegamento dell'articolazione a sfera sono il perno a sfera e la presa a sfera. Oltre alle prestazioni dell'articolazione a sfera stessa, sono importanti altre caratteristiche come materiale, dimensioni, qualità della superficie, capacità di carico e lubrificazione.

Funzione e requisiti tecnici della cerniera della palla:

La funzione della cerniera a sfera è quella di collegare l'asta con la nocca dello sterzo, fornendo così tre gradi di libertà. Due di questi gradi di libertà vengono utilizzati per il battito e lo sterzo della ruota, mentre il terzo consente una variazione elastokinematica per la ruota. L'articolazione a sfera può introdurre solo forze di trazione, compressione e radiale a causa dei suoi tre gradi di libertà rotazionali. Idealmente, i giunti a sfera non dovrebbero avere alcun gioco gratuito per evitare rumori inutili. Lo spostamento elastico dovrebbe essere ridotto al minimo per prevenire il disagio durante la guida e per mantenere la valutazione soggettiva del conducente. Inoltre, la coppia di lavoro della cerniera a sfera è un indice di valutazione importante e non dovrebbe essere inferiore al valore consentito per evitare usura e rumore prematura.

Analisi della modalità di errore del design originale:

1. Fallimento del test delle prestazioni di sigillatura:

Durante la fase iniziale del progetto B20, è stato richiesto dal cliente di continuare a utilizzare i prodotti del progetto esistenti per ridurre i costi di ricerca e sviluppo e i tempi di ciclo. Tuttavia, durante il test DV, sono state osservate modalità di guasto come perdite d'acqua e ruggine nelle prestazioni di tenuta della cerniera della sfera. Al momento dell'ispezione, è stato scoperto che la cerniera della palla e la nocca dello sterzo avevano un po 'di montaggio, risultando in un divario libero di 2,5 mm tra di loro. Questo divario potrebbe potenzialmente portare a perdite d'acqua, indicando che il sistema di tenuta non soddisfaceva i requisiti di test. Un ulteriore smontaggio della cerniera della palla ha rivelato una grave corrosione sulla superficie di accoppiamento con la nocca dello sterzo. Ciò ha confermato che le prestazioni di sigillatura dell'attuale prodotto non hanno soddisfatto i requisiti di progettazione per il progetto B20. In particolare, sono state osservate macchie d'acqua visibili e grave corrosione sui perni a sfera nell'area della copertura della polvere. Ciò ha indicato che l'attuale sistema a prova di polvere era insufficiente e ha richiesto un miglioramento.

2. Analisi dei risultati dei test:

I risultati del test hanno indicato che l'ingresso di acqua durante i test è sceso al livello di W3, dove sono state osservate visivamente le macchie d'acqua. Ciò ha messo in evidenza la gravità delle condizioni di ingresso dell'acqua nel sistema di tenuta dopo il test. L'area di ingresso d'acqua ha influenzato principalmente i collari ad entrambe le estremità della cerniera della palla. Possibili ragioni per il fallimento erano le seguenti:

- Qualità dell'assemblaggio e selezione delle dimensioni del colletto: il colletto aveva una definizione di dimensioni massime dopo essere stato allungato, il che mirava a garantire che la forza di serraggio soddisfacesse i requisiti di progettazione dopo la deformazione elastica del colletto. Tuttavia, se l'assemblea effettiva non seguiva rigorosamente le specifiche, potrebbe comportare una forza di serraggio inadeguata e un colletto sciolto.

- Fuggire del design della copertura della polvere: un'analisi comparativa del design della copertura della polvere ha rivelato una deviazione nell'angolo del cono dell'area del labirinto. Il design attuale aveva un angolo di cono di 20 °, mentre il design standard aveva un angolo di cono di 12 °. Questa deviazione ha aumentato il rischio di perdite.

- Fallimento del design dell'area di tenuta del perno a sfera: il design del perno a sfera aveva una struttura a gradini in un'area specifica, con un diametro di 1 mm più grande dell'albero del perno a sfera. Questa struttura mirava a evitare che il coperchio della polvere venisse premuto nella posizione del collo del perno della palla. Tuttavia, in condizioni di lavoro estreme dell'articolazione a sfera, come nella posizione limite, l'area di contatto tra la copertura della polvere e il passo era troppo piccola, con conseguente possibilità di fallimento. Inoltre, basse temperature potrebbero anche portare a piccole aree di contatto, creando lacune e perdite d'acqua.

Schema di progettazione di ottimizzazione della cerniera a sfera:

1. Ottimizzazione dell'assemblaggio del colletto:

Il fallimento dell'estremità del colletto è derivato principalmente da problemi con l'assemblaggio di produzione. Per risolvere questo problema, è stato ritenuto efficace definire la dimensione dell'installazione del colletto nella specifica del processo interno (IPS), che diventa parte dell'istruzione di operazione di produzione. L'IPS definirebbe la direzione di installazione, il diametro massimo dell'apparecchiatura degli utensili e l'intervallo di diametro dell'apertura del collare. Inoltre, includerebbe anche il rapporto di analisi degli elementi finiti (FEA) e il rapporto di layout della copertura della polvere. Questo metodo migliorerebbe il processo di assemblaggio e garantirebbe che soddisfi i requisiti di progettazione.

2. Design ottimale del perno della palla:

L'analisi delle modalità di fallimento ha rivelato che la progettazione irragionevole dell'area labirinta della copertura della polvere e la piccola area di contatto della fase del perno a sfera sono stati i principali fattori che contribuiscono al guasto del test di tenuta. Considerando i costi e i vincoli di sviluppo del progetto, l'ottimizzazione della struttura del perno della palla è stata considerata la soluzione più conveniente. Il design ottimizzato mirava a fornire un'area di contatto più ampia tra il passaggio del perno a sfera e il coperchio della polvere quando la cerniera della sfera era al massimo angolo di lavoro. Il design originale ha caratterizzato una forma semicircolare trasversale per il passaggio, mentre il nuovo design ha introdotto una struttura trasversale rettangolare e ha aumentato il diametro esterno della fase. Ciò ha comportato un'area di contatto più ampia e ha fornito una forza di reazione maggiore in condizioni di lavoro estreme, riducendo il rischio che le lacune e le coperture della polvere vengano premute nel collo.

3. Verifica del test di progettazione ottimale:

I campioni basati sul design ottimizzato sono stati prodotti e sottoposti a test di prestazione di tenuta. I risultati hanno mostrato che il contenuto d'acqua alla fine del perno della palla e la fine del guscio della sfera era solo dello 0,1% a 0.2