Il forcellone oscillante è solitamente posizionato tra la ruota e la carrozzeria ed è un componente di sicurezza collegato al conducente che trasmette la forza, attenua la trasmissione delle vibrazioni e controlla la direzione.
Il forcellone oscillante si trova solitamente tra la ruota e la carrozzeria ed è un componente di sicurezza per il conducente che trasmette la forza, riduce la trasmissione delle vibrazioni e controlla la direzione. Questo articolo presenta le tipologie strutturali più diffuse del forcellone oscillante sul mercato, confrontando e analizzando l'influenza delle diverse strutture su processo, qualità e prezzo.
Le sospensioni del telaio di un'auto si dividono approssimativamente in sospensioni anteriori e posteriori. Sia le sospensioni anteriori che quelle posteriori sono dotate di bracci oscillanti per collegare le ruote alla carrozzeria. I bracci oscillanti si trovano solitamente tra le ruote e la carrozzeria.
Il ruolo del forcellone oscillante è quello di collegare la ruota al telaio, trasmettere la forza, ridurre la trasmissione delle vibrazioni e controllare la direzione. È un componente di sicurezza che coinvolge il conducente. Il sistema di sospensioni include elementi strutturali che trasmettono la forza, in modo che le ruote si muovano rispetto alla carrozzeria secondo una determinata traiettoria. Gli elementi strutturali trasmettono il carico e l'intero sistema di sospensioni contribuisce alla maneggevolezza dell'auto.
Funzioni comuni e progettazione della struttura del forcellone dell'auto
1. Per soddisfare i requisiti di trasferimento del carico, progettazione e tecnologia della struttura del braccio oscillante
La maggior parte delle auto moderne utilizza sistemi di sospensioni indipendenti. A seconda delle diverse forme strutturali, i sistemi di sospensioni indipendenti possono essere suddivisi in a quadrilatero, a braccio oscillante, multi-link, a candela e McPherson. La traversa e il braccio oscillante sono una struttura a due forze per un singolo braccio nel multi-link, con due punti di collegamento. Due barre a due forze sono montate sul giunto cardanico con una certa angolazione e le linee di collegamento dei punti di collegamento formano una struttura triangolare. Il braccio inferiore della sospensione anteriore MacPherson è un tipico forcellone oscillante a tre punti con tre punti di collegamento. La linea che collega i tre punti di collegamento è una struttura triangolare stabile in grado di sopportare carichi in più direzioni.
La struttura del forcellone oscillante a due forze è semplice e il design strutturale è spesso determinato in base alle diverse competenze professionali e alla praticità di lavorazione di ciascuna azienda. Ad esempio, nella struttura in lamiera stampata (vedere Figura 1), la struttura di progettazione è una singola piastra di acciaio senza saldature e la cavità strutturale ha principalmente una forma a "I"; nella struttura in lamiera saldata (vedere Figura 2), la struttura di progettazione è una piastra di acciaio saldata e la cavità strutturale ha più una forma a "I"; oppure vengono utilizzate piastre di rinforzo locali per saldare e rafforzare la posizione pericolosa; nella struttura di lavorazione della macchina per forgiatura dell'acciaio, la cavità strutturale è solida e la forma è principalmente adattata ai requisiti di layout del telaio; nella struttura di lavorazione della macchina per forgiatura dell'alluminio (vedere Figura 3), la cavità strutturale è solida e i requisiti di forma sono simili alla forgiatura dell'acciaio; nella struttura in tubi d'acciaio è semplice e la cavità strutturale è circolare.
La struttura del forcellone oscillante a tre punti è complessa e il design strutturale è spesso determinato in base ai requisiti dell'OEM. Nell'analisi della simulazione del movimento, il forcellone oscillante non può interferire con altre parti e la maggior parte di esse ha requisiti di distanza minima. Ad esempio, la struttura in lamiera stampata viene utilizzata principalmente contemporaneamente alla struttura in lamiera saldata, il foro per il cablaggio del sensore o la staffa di collegamento della biella della barra stabilizzatrice, ecc. modificheranno la struttura del forcellone oscillante; la cavità strutturale ha ancora la forma di una "bocca" e la cavità del forcellone oscillante sarà. Una struttura chiusa è migliore di una struttura aperta. Nella struttura forgiata lavorata, la cavità strutturale è principalmente a forma di "I", che presenta le tradizionali caratteristiche di resistenza alla torsione e alla flessione; nella struttura lavorata per fusione, la forma e la cavità strutturale sono principalmente dotate di nervature di rinforzo e fori per la riduzione del peso in base alle caratteristiche della fusione; nella saldatura della lamiera. La struttura combinata con la forgiatura, a causa dei requisiti di spazio del telaio del veicolo, il giunto sferico è integrato nella forgiatura e la forgiatura è collegata alla lamiera; La struttura di lavorazione dell'alluminio forgiato e fuso garantisce un migliore utilizzo del materiale e una migliore produttività rispetto alla forgiatura, ed è superiore alla resistenza del materiale delle fusioni, che è l'applicazione della nuova tecnologia.
2. Ridurre la trasmissione delle vibrazioni al corpo e la progettazione strutturale dell'elemento elastico nel punto di collegamento del forcellone
Poiché la superficie stradale su cui l'auto sta viaggiando non può essere perfettamente piana, la forza di reazione verticale della superficie stradale che agisce sulle ruote è spesso impattante, soprattutto quando si guida ad alta velocità su una superficie stradale dissestata; questa forza d'impatto provoca anche una sensazione di disagio al conducente. Nel sistema di sospensioni sono installati elementi elastici e il collegamento rigido viene convertito in collegamento elastico. Dopo l'impatto, l'elemento elastico genera vibrazioni e la vibrazione continua provoca una sensazione di disagio al conducente, quindi il sistema di sospensioni necessita di elementi di smorzamento per ridurre rapidamente l'ampiezza delle vibrazioni.
I punti di collegamento nella progettazione strutturale del forcellone sono il collegamento tramite elementi elastici e il collegamento tramite giunto sferico. Gli elementi elastici forniscono smorzamento delle vibrazioni e un numero limitato di gradi di libertà rotazionali e oscillanti. Le boccole in gomma sono spesso utilizzate come componenti elastici nelle automobili, così come boccole idrauliche e cerniere a croce.
Figura 2 Braccio oscillante per saldatura lamiera
La struttura della boccola in gomma è principalmente un tubo in acciaio con gomma esterna, oppure una struttura a sandwich tubo in acciaio-gomma-tubo in acciaio. Il tubo in acciaio interno richiede requisiti di resistenza alla pressione e diametro, e le dentellature antiscivolo sono comuni a entrambe le estremità. Lo strato di gomma adatta la formula del materiale e la struttura di progettazione in base ai diversi requisiti di rigidità.
L'anello in acciaio più esterno spesso ha un requisito di angolo di attacco, che favorisce l'accoppiamento a pressione.
La boccola idraulica ha una struttura complessa ed è un prodotto con un processo complesso e un elevato valore aggiunto nella categoria delle boccole. È presente una cavità nella gomma, all'interno della quale è presente olio. La progettazione della struttura della cavità viene eseguita in base ai requisiti prestazionali della boccola. In caso di perdite d'olio, la boccola viene danneggiata. Le boccole idrauliche possono fornire una migliore curva di rigidità, influendo sulla guidabilità complessiva del veicolo.
La cerniera a croce ha una struttura complessa ed è composta da una parte in gomma e da una cerniera a sfera. Offre una maggiore durata rispetto alla boccola, angoli di oscillazione e di rotazione, una curva di rigidità specifica e soddisfa i requisiti prestazionali dell'intero veicolo. Le cerniere a croce danneggiate generano rumore in cabina durante la guida.
3. Con il movimento della ruota, la progettazione strutturale dell'elemento oscillante nel punto di collegamento del braccio oscillante
La superficie stradale irregolare fa sì che le ruote si muovano su e giù rispetto alla carrozzeria (telaio) e, allo stesso tempo, si muovano, ad esempio in curva, in rettilineo, ecc., richiedendo che la traiettoria delle ruote soddisfi determinati requisiti. Il forcellone oscillante e il giunto cardanico sono collegati principalmente da una cerniera a sfera.
La cerniera a sfera del forcellone oscillante può fornire un angolo di oscillazione superiore a ±18° e un angolo di rotazione di 360°. Soddisfa pienamente i requisiti di eccentricità e sterzata delle ruote. La cerniera a sfera soddisfa inoltre i requisiti di garanzia di 2 anni o 60.000 km e 3 anni o 80.000 km per l'intero veicolo.
In base ai diversi metodi di collegamento tra il braccio oscillante e la cerniera a sfera (giunto sferico), si può distinguere tra collegamento a bullone o rivetto, nel caso della cerniera a sfera con flangia; collegamento a interferenza a pressione, nel caso della cerniera a sfera senza flangia; collegamento integrato, nel caso del braccio oscillante e della cerniera a sfera tutto in uno. Per le strutture in lamiera singola e per quelle saldate a più lamiere, i primi due tipi di collegamento sono più ampiamente utilizzati; il secondo tipo di collegamento, come la forgiatura in acciaio, la forgiatura in alluminio e la ghisa, è più ampiamente utilizzato.
La cerniera a sfera deve garantire la resistenza all'usura in condizioni di carico, grazie all'angolo di lavoro più ampio rispetto alla boccola, che ne aumenta la durata. Pertanto, la cerniera a sfera deve essere progettata come una struttura combinata, che includa una buona lubrificazione dell'oscillazione e un sistema di lubrificazione a tenuta di polvere e acqua.
Figura 3 Forcellone forgiato in alluminio
L'impatto del design del forcellone su qualità e prezzo
1. Fattore qualità: più è leggero, meglio è
La frequenza naturale del corpo (nota anche come frequenza di vibrazione libera del sistema di vibrazione), determinata dalla rigidità delle sospensioni e dalla massa supportata dalla molla di sospensione (massa sospesa), è uno dei principali indicatori di prestazione del sistema di sospensioni che influisce sul comfort di guida dell'auto. La frequenza di vibrazione verticale utilizzata dal corpo umano è la frequenza del corpo che si muove su e giù durante la camminata, che è di circa 1-1,6 Hz. La frequenza naturale del corpo dovrebbe essere il più vicina possibile a questo intervallo di frequenza. Quando la rigidità del sistema di sospensioni è costante, minore è la massa sospesa, minore è la deformazione verticale della sospensione e maggiore è la frequenza naturale.
Quando il carico verticale è costante, minore è la rigidità delle sospensioni, minore è la frequenza naturale dell'auto e maggiore è lo spazio necessario alla ruota per saltare su e giù.
A parità di condizioni stradali e velocità del veicolo, minore è la massa non sospesa, minore è il carico d'impatto sul sistema di sospensioni. La massa non sospesa include la massa della ruota, del giunto cardanico e del braccio di guida, ecc.
In generale, il forcellone in alluminio ha la massa più leggera, mentre quello in ghisa ha la massa maggiore. Altri modelli si collocano nel mezzo.
Poiché la massa di un set di forcelloni è solitamente inferiore a 10 kg, rispetto a un veicolo con una massa superiore a 1000 kg, la massa del forcellone ha scarso effetto sul consumo di carburante.
2. Fattore prezzo: dipende dal piano di progettazione
Maggiore è il numero di requisiti, maggiore è il costo. Partendo dal presupposto che la resistenza strutturale e la rigidità del forcellone soddisfino i requisiti, i requisiti di tolleranza di fabbricazione, la difficoltà del processo di fabbricazione, il tipo e la disponibilità dei materiali e i requisiti di corrosione superficiale influiscono direttamente sul prezzo. Ad esempio, fattori anticorrosione: il rivestimento elettrozincato, tramite passivazione superficiale e altri trattamenti, può raggiungere circa 144 ore; la protezione superficiale si suddivide in verniciatura elettroforetica catodica, che può raggiungere 240 ore di resistenza alla corrosione regolando lo spessore del rivestimento e i metodi di trattamento; il rivestimento zinco-ferro o zinco-nichel, che può soddisfare i requisiti dei test anticorrosione di oltre 500 ore. Con l'aumentare dei requisiti dei test di corrosione, aumenta anche il costo del componente.
Il costo può essere ridotto confrontando gli schemi di progettazione e struttura del braccio oscillante.
Come tutti sappiamo, diverse configurazioni dei punti di attacco offrono prestazioni di guida diverse. In particolare, è opportuno sottolineare che la stessa configurazione dei punti di attacco e diverse configurazioni dei punti di attacco possono comportare costi diversi.
Esistono tre tipi di collegamento tra elementi strutturali e giunti sferici: collegamento tramite componenti standard (bulloni, dadi o rivetti), collegamento con interferenza e integrazione. Rispetto alla struttura di collegamento standard, il collegamento con interferenza riduce il numero di componenti, come bulloni, dadi, rivetti e altri componenti. La struttura integrata monoblocco, rispetto al collegamento con interferenza, riduce il numero di componenti del guscio del giunto sferico.
Esistono due tipi di collegamento tra l'elemento strutturale e l'elemento elastico: gli elementi elastici anteriore e posteriore sono assialmente paralleli e assialmente perpendicolari. Metodi diversi determinano processi di assemblaggio diversi. Ad esempio, la direzione di pressatura della boccola è nella stessa direzione e perpendicolare al corpo del forcellone. Una pressa a doppia testa a stazione singola può essere utilizzata per pressare contemporaneamente le boccole anteriore e posteriore, risparmiando manodopera, attrezzature e tempo; se la direzione di installazione non è uniforme (verticale), è possibile utilizzare una pressa a doppia testa a stazione singola per pressare e installare la boccola in successione, risparmiando manodopera e attrezzature; quando la boccola è progettata per essere pressata dall'interno, sono necessarie due stazioni e due presse per pressare successivamente la boccola.
