悬架球铰链优化Design_hinge知识 1

2023-08-07

Tallsen

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悬架球铰链是ZF底盘技术组件部门的关键产品，其结构设计是该部门的核心技术。随着汽车行业的不断发展，对球铰链产品的需求也在增加。过去，某些产品设计不再能够满足市场当前的需求。现在，客户需要更严格的仿真环境，更复杂的工作负载以及遵守新的监管要求，例如行人保护和碰撞后故障标准。鉴于这些情况，必须优化球关节的技术方面。

球关节主要用于前悬架，从而促进了杆和转向指关节之间的连接。该连接提供了转向所需的第二度自由度。为了满足更高的客户期望，研究和优化的重点转向改善密封性能和疲劳耐磨性。

本文基于ZF实际生产Dongfeng Liuzhou B20项目，用于国内原始设备制造商（OEM），目的是优化悬架球铰链的结构。最初，该计划是继续使用当前批量生产项目的零件。但是，在第一轮设计验证（DV）测试之后，人们确定仍然存在潜在的风险，主要是以漏水和过早磨损的形式。经过分析，确定为满足当前测试要求的设计改进是必要的。

对其他新的国内OEM项目的进一步分析表明，许多OEM已经确定了球铰链性能的特定规范，设计要求已大大提高。同样，全球OEM正在不断更新其针对球铰链的规格。 ZF产品需要承受更严格的环境条件，更复杂和可变的操作条件以及更详细的碰撞保护要求。鉴于这些发展，本文旨在根据对新规范的研究和分析提出合理的优化方案，以获取以较低成本符合性能标准的产品。

铰链：

球铰链通过保持连续接触和相对运动来确保机理链的连接。这些运动的连接点称为关节。球铰链可以归类为径向加载的铰链（引导球铰链）或轴向载荷的铰链（负载的球接头）。每个关节都由两个连接元件组成，例如轴，普通轴承，齿轮齿等，它们相互配合并具有适合其功能的几何形状。球关节的主要连接元件是球螺柱和球插座。除了球关节本身的性能外，其他特征，例如材料，尺寸，表面质量，承载能力和润滑也很重要。

球铰链的功能和技术要求：

球铰链的功能是将杆与转向指关节连接起来，从而提供三个自由度。这些自由度中的两个用于轮子跳动和转向，而第三个自由度允许对车轮进行弹性变化。由于其三个旋转自由度，球关节只能引入拉伸，压缩和径向力。理想情况下，球接头不应有任何自由游戏以避免不必要的噪音。应将弹性位移最小化，以防止驾驶时不适并保持驾驶员的主观评估。此外，球铰链的工作扭矩是一个重要的评估指数，不应低于允许值以避免过早磨损和噪声。

原始设计故障模式分析：

1. 密封绩效测试的失败：

在B20项目的初始阶段，客户要求继续使用现有项目产品来减少研发成本和周期时间。但是，在DV测试中，在球铰链的密封性能中观察到诸如漏水和锈蚀之类的故障模式。经检查后，发现球铰链和转向指关节的装配不佳，导致它们之间有2.5毫米的无缝隙。该缝隙可能会导致漏水，表明密封系统不符合测试要求。球铰链的进一步拆卸显示，与转向指关节在交配表面上发生了严重的腐蚀。这证实了当前产品的密封性能不符合B20项目的设计要求。值得注意的是，在灰尘盖区域的球销上观察到可见的水污渍和严重的腐蚀。这表明当前的防尘系统不足，需要改进。

2. 测试结果分析：

测试结果表明，测试过程中的水入口在W3水平下，观察到水污渍。这突出了测试后密封系统中进水条件的严重程度。进水区主要影响球铰链两端的项圈。失败的可能原因如下：

- 套件的组装质量和尺寸选择：套件被拉伸后具有最大尺寸的定义，旨在确保夹紧力满足项圈弹性变形后的设计要求。但是，如果实际组装不严格遵循规格，则可能导致夹紧力不足和宽松的衣领。

- 灰尘盖的设计故障：对灰尘覆盖设计的比较分析显示，迷宫区域的圆锥角处存在偏差。电流设计的圆锥角为20°，而标准设计的圆锥角为12°。这种偏差增加了泄漏的风险。

- 球销密封区域的设计故障：球销设计在特定区域具有阶梯式结构，直径比球引脚轴大1mm。该结构旨在防止将灰尘盖压入球销的颈部位置。但是，在球形关节的极端工作条件下，例如在极限位置，灰尘盖和步骤之间的接触面积太小，导致失败的可能性。此外，低温也可能导致较小的接触区域，从而造成空白和漏水。

球铰链优化设计方案：

1. 项圈组装优化：

项圈末端的失败主要是由于生产组装问题引起的。为了解决这个问题，在内部流程规范（IPS）中定义项圈的安装大小是有效的，这成为生产操作指令的一部分。 IPS将定义安装方向，工具固定装置的最大直径以及套装开口的直径范围。此外，它还包括有限元分析（FEA）报告和灰尘盖的布局报告。此方法将改善组装过程并确保它符合设计要求。

2. 球销的最佳设计：

对故障模式的分析表明，灰尘盖的迷宫区域的不合理设计和球引脚步骤的较小接触区域是导致密封测试故障的主要因素。考虑到成本和项目开发限制，优化球销结构是最具成本效益的解决方案。优化的设计旨在在球形铰链最大的工作角度之间提供球销步行和灰尘盖之间的较大接触区域。原始设计的特征是该步骤的半圆形横截面形状，而新设计则引入了矩形横截面结构，并增加了步骤的外径。这导致了更大的接触区域，并在极端工作条件下提供了更大的反作用力，从而降低了被压入脖子的缝隙和灰尘盖的风险。

3. 最佳设计测试验证：

基于优化设计的样品是生产并进行密封性能测试的。结果表明，球销和球壳末端的水含量仅为0.1％至0。2

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