サスペンションボールヒンジ最適化Design_hinge Knowledge_Tallsen 1

サスペンションボールヒンジは、ZFシャーシテクノロジーコンポーネント部門の重要な製品であり、その構造設計は部門のコアテクノロジーです。 自動車産業が進化し続けるにつれて、ボールヒンジ製品の需要も増加しています。 過去には、特定の製品設計が市場の現在のニーズを満たすことができなくなりました。 顧客は現在、より厳しいシミュレーション環境、より複雑な作業負荷、および歩行者の保護や衝突後の故障基準などの新しい規制要件へのコンプライアンスを必要としています。 これらの状況を考えると、ボールジョイントの技術的側面を最適化することが不可欠です。

ボールジョイントは主にフロントサスペンションで使用され、ロッドとステアリングナックルの間の接続を促進します。 この接続は、ステアリングに必要な2番目の自由度を提供します。 より高い顧客の期待に応えるために、研究と最適化の焦点は、シーリングパフォーマンスと疲労耐摩耗性の改善に移行します。

この記事は、サスペンションボールヒンジの構造を最適化する目的で、国内のオリジナル機器メーカー（OEM）のDongfeng Liuzhou B20プロジェクトのZFの実際の大量生産に基づいています。 当初、この計画は、現在の大量生産プロジェクトの部品を継続することでした。 ただし、設計検証（DV）テストの最初のラウンドの後、主に水漏れと早期摩耗の形で潜在的なリスクが依然として潜在的なリスクがあったことが確認されました。 分析すると、現在のテスト要件を満たすために設計の改善が必要であることが決定されました。

他の新しい国内OEMプロジェクトのさらなる分析により、多くのOEMがボールヒンジのパフォーマンスに関する特定の仕様を確立しており、設計要件が大幅に増加していることが明らかになりました。 同様に、グローバルOEMは、ボールヒンジの仕様を継続的に更新しています。 ZF製品は、より厳しい環境条件、より複雑で可変的な動作条件、およびより詳細な衝突保護要件に耐える必要があります。 これらの開発に照らして、この記事は、低コストでパフォーマンス基準を満たす製品を取得するために、新しい仕様の研究と分析に基づいた合理的な最適化スキームを提案することを目的としています。

ボールヒンジに：

ボールヒンジは、連続的な接触と相対的な動きを維持することにより、メカニズムチェーンの接続を保証します。 これらの動きの接続ポイントは、ジョイントとして知られています。 ボールヒンジは、放射状に装填されたヒンジ（ガイド付きボールヒンジ）または軸方向にロードされたヒンジ（荷重ボールジョイント）に分類できます。 各ジョイントは、シャフト、プレーンベアリング、ギア歯など、互いに協力し、その機能に適したジオメトリを持つ2つの接続要素で構成されています。 ボールジョイントの主な接続要素は、ボールスタッドとボールソケットです。 ボールジョイント自体のパフォーマンスとは別に、材料、サイズ、表面の品質、荷重容量、潤滑などの他の特性も重要です。

ボールヒンジの機能と技術的要件：

ボールヒンジの機能は、ロッドをステアリングナックルに接続し、それにより3つの自由度を提供することです。 これらの自由度のうち2つはホイールの鼓動とステアリングに使用され、3番目はホイールのエラストカニマティックバリエーションを可能にします。 ボールジョイントは、3つの回転度の自由度のために、引張、圧縮、および放射状の力のみを導入できます。 理想的には、ボールジョイントには不必要なノイズを避けるための無料プレイがないはずです。 運転中の不快感を防ぎ、ドライバーの主観的評価を維持するために、弾性変位を最小限に抑える必要があります。 さらに、ボールヒンジの作業トルクは重要な評価指数であり、早期の摩耗や騒音を避けるために許容値よりも低くはありません。

元の設計故障モード分析：

1. シーリングパフォーマンステストの失敗：

B20プロジェクトの初期段階では、既存のプロジェクト製品を使用して研究開発コストとサイクル時間を削減することが顧客から要求されました。 ただし、DVテスト中に、ボールヒンジのシーリング性能で水漏れや錆などの故障モードが観察されました。 検査すると、ボールヒンジとステアリングナックルが装備が不十分であり、それらの間に2.5mmの自由なギャップがあることが発見されました。 このギャップは、潜在的に水漏れにつながる可能性があり、シーリングシステムがテスト要件を満たしていないことを示しています。 ボールヒンジのさらなる分解により、ステアリングナックルと交配面での重度の腐食が明らかになりました。 これにより、現在の製品のシーリングパフォーマンスがB20プロジェクトの設計要件を満たしていないことが確認されました。 特に、目に見える水の汚れと重度の腐食が、ダストカバーの領域のボールピンで観察されました。 これは、現在の粉塵防止システムが不十分であり、改善が必要であることを示しています。

2. テスト結果の分析：

テストの結果は、テスト中の水侵入が視覚的に観察されたW3レベルに該当することを示しました。 これは、テスト後のシーリングシステムの水侵入条件の重症度を強調しました。 水侵入エリアは、主にボールヒンジの両端の襟に影響を与えました。 障害の考えられる理由は次のとおりでした：

- 襟のアセンブリの品質とサイズの選択：襟の弾力性変形後、クランプが設計要件を満たすことを保証することを目的とした、襟の伸び後に最大サイズの定義がありました。 ただし、実際のアセンブリが厳密に仕様に従っていなかった場合、不十分なクランプ力とゆるい襟につながる可能性があります。

- ダストカバーの設計故障：ダストカバーデザインの比較分析により、迷路領域の円錐角が偏差が明らかになりました。 現在の設計の円錐角は20°でしたが、標準設計の円錐角は12°でした。 この偏差は、漏れのリスクを高めました。

- ボールピンシーリングエリアの設計障害：ボールピンのデザインは、特定のエリアに段階的な構造があり、直径はボールピンシャフトよりも1mm大きくなりました。 この構造は、ダストカバーがボールピンの首の位置に押し込まれないようにすることを目的としていました。 ただし、制限位置などのボールジョイントの極端な労働条件の下では、ダストカバーとステップの間の接触面積が小さすぎて、故障の可能性が生じました。 さらに、温度が低いと接触エリアが少なくなり、ギャップと水漏れが生じる可能性があります。

ボールヒンジ最適化設計スキーム：

1. カラーアセンブリの最適化：

襟の終わりの失敗は、主に生産アセンブリの問題に起因していました。 これに対処するために、生産操作命令の一部となる内部プロセス仕様（IPS）にカラーのインストールサイズを定義するのが効果的であると考えられていました。 IPSは、設置方向、ツールフィクスチャの最大直径、および襟の開口部の直径の範囲を定義します。 さらに、有限要素分析（FEA）レポートとダストカバーのレイアウトレポートも含まれます。 この方法は、アセンブリプロセスを改善し、設計要件を満たしていることを確認します。

2. ボールピンの最適なデザイン：

故障モードの分析により、ダストカバーの迷路領域の不当な設計とボールピンステップの小さな接触エリアが、シーリングテストの故障に寄与する主な要因であることが明らかになりました。 コストとプロジェクト開発の制約を考慮して、ボールピン構造の最適化は、最も費用対効果の高いソリューションと見なされました。 最適化された設計は、ボールのヒンジが最大作業角度にあるときに、ボールピンステップとダストカバーの間に大きな接触領域を提供することを目的としています。 元のデザインは、ステップの半円形の断面形状を特徴としていましたが、新しいデザインは長方形の断面構造を導入し、ステップの外径を増加させました。 これにより、接触領域が大きくなり、極端な労働条件下でより大きな反応力を提供し、隙間や塵のカバーが首に押し込まれるリスクを減らしました。

3. 最適な設計テストの検証：

最適化された設計に基づくサンプルが生成され、シーリングパフォーマンステストにかけられました。 結果は、ボールピンの端とボールシェルの端にある水分量がわずか0.1％から0であることを示しました。2