Ottimizzazione della cerniera a sfera di sospensione Design_hinge Knowleds_tallsen

La cerniera a sfera di sospensione è il prodotto principale della divisione componenti tecnologici del telaio ZF e la sua progettazione strutturale è la tecnologia di base del dipartimento. Man mano che l'industria automobilistica continua a svilupparsi, anche i requisiti per i prodotti a base di cerniera a sfere sono in aumento. L'attuale mercato richiede ambienti di simulazione più rigorosi, carichi di lavoro complessi e conformità con nuovi requisiti normativi come la protezione dei pedoni e il fallimento post-collisione. Per soddisfare queste richieste, l'ottimizzazione tecnica dell'articolazione a sfera è cruciale.

L'articolazione a sfera viene utilizzato principalmente nella sospensione anteriore, fungendo da collegamento tra l'asta e la nocca dello sterzo. Questa connessione fornisce il secondo grado di libertà delle ruote, consentendo lo sterzo. Al fine di soddisfare le requisiti dei clienti più elevati, le prestazioni di sigillatura e le prestazioni di usura della fatica del giunto a sfera devono essere migliorate.

Questo articolo si concentra sull'ottimizzazione della struttura della cerniera della sfera di sospensione per il progetto OEM domestico (progetto Dongfeng Liuzhou B20) della produzione di massa di ZF. Inizialmente, il piano era di continuare a utilizzare le parti attuali prodotte in serie. Tuttavia, dopo il primo round di test DV, è stato scoperto che c'erano rischi coinvolti, tra cui perdite d'acqua e usura precoce. Ulteriori analisi hanno rivelato la necessità di migliorare la progettazione per soddisfare gli attuali requisiti di test.

Attraverso l'analisi di altri progetti OEM domestici, è stato riscontrato che molti OEM hanno formulato specifiche specifiche per le cerniere a sfere, aumentando significativamente i requisiti di progettazione. Gli OEM globali stanno anche aggiornando continuamente le loro specifiche per le cerniere a sfere. Ciò significa che i prodotti ZF devono resistere a condizioni ambientali più dure, condizioni di lavoro più complesse e requisiti di protezione da collisione più dettagliati. Pertanto, è necessario ricercare e analizzare le nuove specifiche per sviluppare un piano di ottimizzazione ragionevole che può soddisfare i requisiti di prestazione a un costo inferiore.

per ballare la cerniera:

Le cerniere a sfere mantengono il contatto continuo e il movimento relativo tra le catene del meccanismo. Le articolazioni in cui si verificano questi movimenti sono chiamate cerniere a sfere. Esistono due tipi di cerniere a sfera: cerniere caricate radialmente (cerniere a sfere guidate) e cerniere caricate assialmente (giunti a sfera caricati). I principali elementi di collegamento dell'articolazione a sfera sono il perno a sfera e la presa a sfera. Le prestazioni funzionanti dell'articolazione a sfera, nonché altre caratteristiche come materiale, dimensioni, qualità della superficie, capacità di carico e lubrificazione, sono tutte considerazioni importanti.

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 tre gradi di libertà per la trasmissione di forza e movimento. Due gradi di libertà vengono utilizzati per il battito e lo sterzo della ruota, mentre il terzo grado di libertà consente una variazione elastokinematica per la ruota. L'articolazione a sfera dovrebbe avere uno spostamento elastico minimo in condizioni operative normali per evitare il disagio e influenzare la valutazione del driver. Inoltre, la coppia di lavoro della cerniera a sfera non deve essere inferiore al valore consentito per prevenire l'usura e il rumore precoce.

Analisi della modalità di errore del design originale:

Durante la fase iniziale del progetto B20, il test delle prestazioni di tenuta ha rivelato modalità di guasto come perdite d'acqua e ruggine. Ulteriori analisi hanno mostrato che la cerniera a sfera e la noccia di sterzo non si adattavano correttamente, con conseguente gap di 2,5 mm, che rappresentava un rischio di perdita d'acqua e guasto del sistema di tenuta. Lo smontaggio della cerniera della palla ha rivelato una grave corrosione sulla superficie di accoppiamento con la nocca dello sterzo. Si è concluso che l'attuale sistema a prova di polvere non soddisfaceva i requisiti di progettazione e non aveva bisogno di miglioramenti.

Schema di progettazione ottimale per la cerniera a sfera:

Due fattori principali sono stati identificati come potenziali contributori al guasto del test di tenuta: qualità del gruppo e selezione delle dimensioni del colletto e fallimento del design della copertura della polvere. Per affrontare il problema dell'assemblaggio, la dimensione dell'installazione del colletto è stata definita nelle IPS (specifica del processo interno). Questa specifica fornisce linee guida per l'assemblaggio dei colletti, garantendo che soddisfi i requisiti di progettazione. Inoltre, il coperchio della polvere e il design del perno a sfera sono stati ottimizzati per migliorare le prestazioni di tenuta. Il design del coperchio della polvere è stato modificato per abbinare l'angolo previsto del cono e il passaggio del perno a sfera è stato riprogettato per aumentare l'area di contatto con il coperchio della polvere.

Verifica del test di progettazione ottimale:

I campioni sono stati prodotti in base allo schema di progettazione ottimizzato ed è stato condotto il test delle prestazioni di tenuta. I risultati hanno mostrato un miglioramento significativo, con il contenuto di acqua alle estremità del perno e della guscio a sfera che vanno dal solo 0,1% allo 0,2%. Il test ha avuto successo e la situazione di corrosione del design ottimizzato era considerevolmente migliore rispetto al design originale.

Lo schema di progettazione ottimizzato per la cerniera a sfera nel progetto B20 ha dimostrato prestazioni di tenuta migliorate. Sebbene esistano prestazioni ancora migliori, l'attuale soluzione si è rivelata efficace all'interno dei vincoli temporali del progetto. Questo progetto ha evidenziato l'importanza di analizzare a fondo le esigenze dei clienti e sviluppare un layout completo prima di iniziare la produzione. Implementando il design ottimizzato, ZF è stato in grado di soddisfare le esigenze del progetto OEM e migliorare le prestazioni di sigillatura della cerniera della palla.