懸架球鉸鏈優化Design_hinge知識 1

2023-08-07

Tallsen

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懸架球鉸鍊是ZF底盤技術組件部門的關鍵產品，其結構設計是該部門的核心技術。隨著汽車行業的不斷發展，對球鉸鏈產品的需求也在增加。過去，某些產品設計不再能夠滿足市場當前的需求。現在，客戶需要更嚴格的仿真環境，更複雜的工作負載以及遵守新的監管要求，例如行人保護和碰撞後故障標準。鑑於這些情況，必須優化球關節的技術方面。

球關節主要用於前懸架，從而促進了桿和轉向指關節之間的連接。該連接提供了轉向所需的第二度自由度。為了滿足更高的客戶期望，研究和優化的重點轉向改善密封性能和疲勞耐磨性。

本文基於ZF實際生產Dongfeng Liuzhou B20項目，用於國內原始設備製造商（OEM），目的是優化懸架球鉸鏈的結構。最初，該計劃是繼續使用當前批量生產項目的零件。但是，在第一輪設計驗證（DV）測試之後，人們確定仍然存在潛在的風險，主要是以漏水和過早磨損的形式。經過分析，確定為滿足當前測試要求的設計改進是必要的。

對其他新的國內OEM項目的進一步分析表明，許多OEM已經確定了球鉸鏈性能的特定規範，設計要求已大大提高。同樣，全球OEM正在不斷更新其針對球鉸鏈的規格。 ZF產品需要承受更嚴格的環境條件，更複雜和可變的操作條件以及更詳細的碰撞保護要求。鑑於這些發展，本文旨在根據對新規範的研究和分析提出合理的優化方案，以獲取以較低成本符合性能標準的產品。

鉸鏈:

球鉸鏈通過保持連續接觸和相對運動來確保機理鏈的連接。這些運動的連接點稱為關節。球鉸鏈可以歸類為徑向加載的鉸鏈（引導球鉸鏈）或軸向載荷的鉸鏈（負載的球接頭）。每個關節都由兩個連接元件組成，例如軸，普通軸承，齒輪齒等，它們相互配合併具有適合其功能的幾何形狀。球關節的主要連接元件是球螺柱和球插座。除了球關節本身的性能外，其他特徵，例如材料，尺寸，表面質量，承載能力和潤滑也很重要。

球鉸鏈的功能和技術要求:

球鉸鏈的功能是將桿與轉向指關節連接起來，從而提供三個自由度。這些自由度中的兩個用於輪子跳動和轉向，而第三個自由度允許對車輪進行彈性變化。由於其三個旋轉自由度，球關節只能引入拉伸，壓縮和徑向力。理想情況下，球接頭不應有任何自由遊戲以避免不必要的噪音。應將彈性位移最小化，以防止駕駛時不適並保持駕駛員的主觀評估。此外，球鉸鏈的工作扭矩是一個重要的評估指數，不應低於允許值以避免過早磨損和噪聲。

原始設計故障模式分析:

1. 密封績效測試的失敗:

在B20項目的初始階段，客戶要求繼續使用現有項目產品來減少研發成本和周期時間。但是，在DV測試中，在球鉸鏈的密封性能中觀察到諸如漏水和鏽蝕之類的故障模式。經檢查後，發現球鉸鍊和轉向指關節的裝配不佳，導致它們之間有2.5毫米的無縫隙。該縫隙可能會導致漏水，表明密封系統不符合測試要求。球鉸鏈的進一步拆卸顯示，與轉向指關節在交配表面上發生了嚴重的腐蝕。這證實了當前產品的密封性能不符合B20項目的設計要求。值得注意的是，在灰塵蓋區域的球銷上觀察到可見的水污漬和嚴重的腐蝕。這表明當前的防塵系統不足，需要改進。

2. 測試結果分析:

測試結果表明，測試過程中的水入口在W3水平下，觀察到水污漬。這突出了測試後密封系統中進水條件的嚴重程度。進水區主要影響球鉸鏈兩端的項圈。失敗的可能原因如下:

- 套件的組裝質量和尺寸選擇：套件被拉伸後具有最大尺寸的定義，旨在確保夾緊力滿足項圈彈性變形後的設計要求。但是，如果實際組裝不嚴格遵循規格，則可能導致夾緊力不足和寬鬆的衣領。

- 灰塵蓋的設計故障：對灰塵覆蓋設計的比較分析顯示，迷宮區域的圓錐角處存在偏差。電流設計的圓錐角為20°，而標准設計的圓錐角為12°。這種偏差增加了洩漏的風險。

- 球銷密封區域的設計故障：球銷設計在特定區域具有階梯式結構，直徑比球引腳軸大1mm。該結構旨在防止將灰塵蓋壓入球銷的頸部位置。但是，在球形關節的極端工作條件下，例如在極限位置，灰塵蓋和步驟之間的接觸面積太小，導致失敗的可能性。此外，低溫也可能導致較小的接觸區域，從而造成空白和漏水。

球鉸鏈優化設計方案:

1. 項圈組裝優化:

項圈末端的失敗主要是由於生產組裝問題引起的。為了解決這個問題，在內部流程規範（IPS）中定義項圈的安裝大小是有效的，這成為生產操作指令的一部分。 IPS將定義安裝方向，工具固定裝置的最大直徑以及套裝開口的直徑範圍。此外，它還包括有限元分析（FEA）報告和灰塵蓋的佈局報告。此方法將改善組裝過程並確保它符合設計要求。

2. 球銷的最佳設計:

對故障模式的分析表明，灰塵蓋的迷宮區域的不合理設計和球引腳步驟的較小接觸區域是導緻密封測試故障的主要因素。考慮到成本和項目開發限制，優化球銷結構是最具成本效益的解決方案。優化的設計旨在在球形鉸鏈最大的工作角度之間提供球銷步行和灰塵蓋之間的較大接觸區域。原始設計的特徵是該步驟的半圓形橫截面形狀，而新設計則引入了矩形橫截面結構，並增加了步驟的外徑。這導致了更大的接觸區域，並在極端工作條件下提供了更大的反作用力，從而降低了被壓入脖子的縫隙和灰塵蓋的風險。

3. 最佳設計測試驗證:

生產了基於優化設計的樣品並進行了密封性能測試。結果表明，球銷和球殼末端的水含量僅為0.1％至0。2

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