서스펜션 볼 힌지 최적화 Design_HINGE knowledge_tallsen 1

서스펜션 볼 힌지는 ZF Chassis Technology Components Division의 핵심 제품이며, 구조 설계는 부서의 핵심 기술입니다. 자동차 산업이 계속 발전함에 따라 볼 힌지 제품에 대한 수요도 증가하고 있습니다. 과거에는 특정 제품 설계가 더 이상 시장의 현재 요구를 충족시킬 수 없었습니다. 이제 고객은보다 엄격한 시뮬레이션 환경,보다 복잡한 작업 부하 및 보행자 보호 및 청산 후 실패 기준과 같은 새로운 규제 요구 사항을 준수해야합니다. 이러한 상황을 감안할 때 볼 조인트의 기술적 측면을 최적화하는 것이 필수적입니다.

볼 조인트는 주로 전면 서스펜션에 사용되며로드와 스티어링 너클 사이의 연결을 용이하게합니다. 이 연결은 조향에 필요한 2 차 자유를 제공합니다. 더 높은 고객의 기대를 충족시키기 위해 연구 및 최적화의 초점은 밀봉 성능 및 피로 내마모성 향상으로 이동합니다.

이 기사는 서스펜션 볼 힌지의 구조를 최적화하기 위해 국내 원래 장비 제조업체 (OEM)를위한 ZF의 Dongfeng Liuzhou B20 프로젝트의 실제 대량 생산을 기반으로합니다. 처음 에이 계획은 현재 대량 생산 프로젝트의 부품을 계속 사용하는 것이 었습니다. 그러나, 첫 번째 디자인 검증 (DV) 테스트 후, 주로 물 누설 및 조기 마모 형태로 여전히 잠재적 인 위험이 있음이 밝혀졌습니다. 분석 결과, 현재 테스트 요구 사항을 충족시키기 위해 설계 개선이 필요하다고 결정되었습니다.

다른 새로운 국내 OEM 프로젝트에 대한 추가 분석에 따르면 많은 OEM이 볼 힌지 성능에 대한 특정 사양을 확립했으며 설계 요구 사항이 크게 증가했습니다. 마찬가지로, Global OEM은 볼 힌지에 대한 사양을 지속적으로 업데이트하고 있습니다. ZF 제품은 가혹한 환경 조건,보다 복잡하고 가변적 인 작동 조건뿐만 아니라보다 자세한 충돌 보호 요구 사항을 견딜 수 있어야합니다. 이러한 개발에 비추어,이 기사는 저렴한 비용으로 성능 표준을 충족하는 제품을 얻기 위해 새로운 사양의 연구 및 분석을 기반으로 합리적인 최적화 체계를 제안하는 것을 목표로합니다.

볼 힌지에:

볼 힌지는 지속적인 접촉 및 상대 운동을 유지함으로써 메커니즘 체인의 연결을 보장합니다. 이러한 움직임의 연결 지점은 관절이라고합니다. 볼 힌지는 방사상로드 된 힌지 (가이드 볼 힌지) 또는 축 방향으로로드 된 힌지 (로드 볼 조인트)로 분류 할 수 있습니다. 각 조인트는 서로 협력하고 기능에 적합한 지오메트리를 갖는 샤프트, 일반 베어링, 기어 치아 등과 같은 두 개의 연결 요소로 구성됩니다. 볼 조인트의 주요 연결 요소는 볼 스터드와 볼 소켓입니다. 볼 조인트 자체의 성능과는 별도로, 재료, 크기, 표면 품질, 하중 운반 용량 및 윤활과 같은 다른 특성도 중요합니다.

볼 힌지의 기능 및 기술 요구 사항:

볼 힌지의 기능은로드를 스티어링 너클과 연결하여 3 도의 자유를 제공하는 것입니다. 이 자유도 중 2 개는 휠 박동 및 조향에 사용되는 반면, 세 번째는 휠의 엘라 스토 키마 틱 변화를 허용합니다. 볼 조인트는 3 개의 회전 자유 도로 인해 인장, 압축성 및 방사형 힘 만 유발할 수 있습니다. 이상적으로는 볼 조인트에 불필요한 소음을 피하기 위해 무료 플레이가 없어야합니다. 운전하는 동안 불편 함을 방지하고 운전자의 주관적인 평가를 유지하기 위해 탄성 변위를 최소화해야합니다. 또한, 볼 힌지의 작동하는 토크는 중요한 평가 지수이며 조기 마모와 소음을 피하기 위해 허용 값보다 낮아서는 안됩니다.

원래 설계 실패 모드 분석:

1. 실링 성능 테스트 실패:

B20 프로젝트의 초기 단계에서 고객은 기존 프로젝트 제품을 계속 사용하여 연구 개발 비용과주기 시간을 줄 이도록 요청했습니다. 그러나 DV 테스트 동안 볼 힌지의 밀봉 성능에서 물 누설 및 녹과 같은 실패 모드가 관찰되었습니다. 검사 결과, 볼 힌지와 스티어링 너클에는 장비가 좋지 않아 2.5mm 사이의 무료 간격이 있음이 밝혀졌습니다. 이 차이는 잠재적으로 물 누출로 이어질 수 있으며, 이는 밀봉 시스템이 테스트 요구 사항을 충족하지 않았 음을 나타냅니다. 볼 힌지의 추가 분해는 스티어링 너클로 결합 표면에 심한 부식을 나타냈다. 이것은 현재 제품의 밀봉 성능이 B20 프로젝트의 설계 요구 사항을 충족하지 않았 음을 확인했습니다. 특히 먼지 덮개 부위의 볼 핀에서 눈에 띄는 물 얼룩과 심한 부식이 관찰되었습니다. 이는 현재 방진 시스템이 불충분하고 개선이 필요하다는 것을 나타냅니다.

2. 테스트 결과 분석:

시험 결과는 시험 중 물 유입이 W3 수준 아래로 떨어졌으며, 여기서 물 얼룩이 시각적으로 관찰되었다는 것을 나타냈다. 이것은 테스트 후 밀봉 시스템에서 물 유입 조건의 심각성을 강조했다. 물 유입 지역은 주로 볼 힌지의 양쪽 끝에있는 칼라에 영향을 미쳤습니다. 실패의 가능한 이유는 다음과 같습니다:

- 칼라의 조립 품질 및 크기 선택 : 칼라는 스트레칭 후 최대 크기 정의를 가졌으며, 이는 클램핑 력이 칼라의 탄성 변형 후 설계 요구 사항을 충족하도록 보장하는 것을 목표로했습니다. 그러나 실제 어셈블리가 사양을 엄격하게 따르지 않으면 클램핑 력이 부적절하고 칼라가 느슨 할 수 있습니다.

- 먼지 덮개의 설계 실패 : 먼지 덮개 설계의 비교 분석은 미로 영역의 원뿔 각도에서 편차를 나타 냈습니다. 현재 설계의 원뿔 각도는 20 °였으며 표준 디자인의 원뿔 각도는 12 °입니다. 이 편차는 누출 위험을 증가시켰다.

- 볼 핀 밀봉 영역의 설계 실패 : 볼 핀 디자인은 특정 영역에서 계단 구조를 가졌으며 볼 핀 샤프트보다 직경이 1mm입니다. 이 구조는 먼지 덮개가 볼 핀의 목 위치로 누르는 것을 막기위한 것입니다. 그러나, 한계 위치에서와 같은 볼 조인트의 극한의 작업 조건 하에서, 먼지 덮개와 단계 사이의 접촉 영역이 너무 작아서 고장 가능성을 초래했습니다. 또한 저온은 또한 작은 접촉 영역으로 이어져 틈과 물 누출이 발생할 수 있습니다.

볼 힌지 최적화 설계 체계:

1. 칼라 어셈블리 최적화:

칼라 끝의 실패는 주로 생산 조립 문제로 인한 것입니다. 이를 해결하기 위해 내부 프로세스 사양 (IPS)에서 칼라의 설치 크기를 정의하는 것이 효과적이라고 간주되었으며, 이는 생산 작업 지침의 일부가됩니다. IPS는 설치 방향, 툴링 고정 장치의 최대 직경 및 칼라 개구부의 직경 범위를 정의합니다. 또한 FEA (Finite Element Analysis) 보고서 및 먼지 덮개의 레이아웃 보고서도 포함됩니다. 이 방법은 어셈블리 프로세스를 개선하고 설계 요구 사항을 충족하도록합니다.

2. 볼 핀의 최적 디자인:

실패 모드의 분석에 따르면 먼지 덮개의 미로 영역의 불합리한 설계와 볼 핀 단계의 작은 접촉 영역이 밀봉 테스트 실패에 기여하는 주요 요인이라는 것이 밝혀졌습니다. 비용 및 프로젝트 개발 제약 조건을 고려할 때 볼 핀 구조 최적화는 가장 비용 효율적인 솔루션으로 간주되었습니다. 최적화 된 설계는 볼 힌지가 최대 작동 각도에있을 때 볼 핀 스텝과 먼지 덮개 사이에 더 큰 접촉 영역을 제공하는 것을 목표로했습니다. 원래 디자인은 단계의 반원형 단면 모양을 특징으로했으며, 새로운 디자인은 직사각형 단면 구조를 도입하고 단계의 외경을 증가 시켰습니다. 이로 인해 접촉 면적이 더 커지고 극한의 작업 조건에서 더 큰 반응력을 제공하여 틈과 먼지 덮개가 목에 압박 될 위험이 줄어 듭니다.

3. 최적의 설계 테스트 검증:

최적화 된 설계에 기초한 샘플을 생성하고 밀봉 성능 테스트를 수행 하였다. 결과는 볼 핀 끝의 수분 함량과 볼 쉘의 끝이 0.1% ~ 0임을 보여 주었다.2