Il forcellone si trova solitamente tra la ruota e la carrozzeria ed è un componente di sicurezza legato al conducente che trasmette la forza, attenua le vibrazioni e controlla la direzione.
Il forcellone oscillante è solitamente posizionato tra la ruota e il telaio ed è un componente di sicurezza legato al conducente che trasmette la forza, riduce la trasmissione delle vibrazioni e controlla la direzione. Questo articolo presenta le strutture di forcellone oscillante più comuni presenti sul mercato e confronta e analizza l'influenza delle diverse strutture sul processo produttivo, sulla qualità e sul prezzo.
Il sistema di sospensione del telaio di un'automobile si divide generalmente in sospensione anteriore e sospensione posteriore. Entrambe le sospensioni, anteriore e posteriore, sono dotate di bracci oscillanti che collegano le ruote alla carrozzeria. I bracci oscillanti sono solitamente posizionati tra le ruote e la carrozzeria.
Il ruolo del braccio oscillante di guida è quello di collegare la ruota al telaio, trasmettere la forza, ridurre la trasmissione delle vibrazioni e controllare la direzione. Si tratta di un componente di sicurezza che coinvolge il conducente. Nel sistema di sospensione sono presenti parti strutturali che trasmettono la forza, in modo che le ruote si muovano rispetto alla carrozzeria secondo una determinata traiettoria. Le parti strutturali trasmettono il carico e l'intero sistema di sospensione contribuisce alle prestazioni di guida dell'auto.
Funzioni comuni e progettazione strutturale del braccio oscillante 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 sospensione indipendenti. In base alle diverse forme strutturali, i sistemi di sospensione indipendenti possono essere suddivisi in tipo a forcella, tipo a braccio oscillante, tipo multilink, tipo a candela e tipo McPherson. Il braccio trasversale e il braccio oscillante sono una struttura a due forze, mentre nel caso del sistema multilink un singolo braccio presenta due punti di connessione. Due aste a due forze sono assemblate sul giunto cardanico con una certa angolazione e le linee di collegamento dei punti di connessione formano una struttura triangolare. Il braccio inferiore della sospensione anteriore MacPherson è un tipico braccio oscillante a tre punti con tre punti di connessione. La linea che collega i tre punti di connessione forma una struttura triangolare stabile in grado di sopportare carichi in più direzioni.
La struttura del braccio oscillante a due forze è semplice e la progettazione strutturale è spesso determinata in base alle diverse competenze professionali e alla convenienza di lavorazione di ciascuna azienda. Ad esempio, la struttura in lamiera stampata (vedi Figura 1) è costituita da una singola piastra d'acciaio senza saldature e la cavità strutturale ha per lo più la forma di una "I"; la struttura in lamiera saldata (vedi Figura 2) è costituita da una piastra d'acciaio saldata e la cavità strutturale ha più spesso la forma di un "Z"; oppure vengono utilizzate piastre di rinforzo locali per saldare e irrobustire le posizioni critiche; la struttura lavorata con macchine per la forgiatura dell'acciaio ha una cavità strutturale piena e la forma viene per lo più adattata in base ai requisiti di layout del telaio; la struttura lavorata con macchine per la forgiatura dell'alluminio (vedi Figura 3) ha una cavità strutturale piena e i requisiti di forma sono simili a quelli della forgiatura dell'acciaio; la struttura in tubo d'acciaio è semplice e la cavità strutturale è circolare.
La struttura del braccio oscillante a tre punti è complessa e la progettazione strutturale è spesso determinata in base ai requisiti dell'OEM. Nell'analisi di simulazione del movimento, il braccio oscillante non deve 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 del cablaggio del sensore o la staffa di collegamento della biella della barra stabilizzatrice, ecc. modificano la struttura di progettazione del braccio oscillante; la cavità strutturale ha ancora la forma di una "bocca" e la cavità del braccio oscillante sarà una struttura chiusa è meglio di una struttura aperta. Struttura forgiata lavorata, la cavità strutturale è per lo più a forma di "I", che ha le caratteristiche tradizionali di resistenza alla torsione e alla flessione; struttura fusa lavorata, la forma e la cavità strutturale sono per lo più dotate di nervature di rinforzo e fori di riduzione del peso in base alle caratteristiche della fusione; struttura combinata di lamiera saldata con forgiata, a causa dei requisiti di spazio di layout del telaio del veicolo, il giunto sferico è integrato nella forgiata e la forgiata è collegata alla lamiera; La struttura di lavorazione dell'alluminio fuso e forgiato offre un migliore utilizzo del materiale e una maggiore produttività rispetto alla forgiatura, ed è superiore alla resistenza del materiale delle fusioni, il che rappresenta l'applicazione di una nuova tecnologia.
2. Ridurre la trasmissione delle vibrazioni al corpo e la progettazione strutturale dell'elemento elastico nel punto di collegamento del braccio oscillante
Poiché la superficie stradale su cui viaggia l'auto non può essere perfettamente piana, la forza di reazione verticale della superficie stradale che agisce sulle ruote è spesso considerevole, soprattutto quando si guida ad alta velocità su una superficie stradale dissestata. Questa forza d'impatto causa disagio al conducente. Nel sistema di sospensione sono installati elementi elastici che convertono il collegamento rigido in un collegamento elastico. Quando l'elemento elastico subisce un impatto, genera vibrazioni, e queste vibrazioni continue causano disagio al conducente. Pertanto, il sistema di sospensione necessita di elementi smorzanti per ridurre rapidamente l'ampiezza delle vibrazioni.
I punti di connessione nella progettazione strutturale del braccio oscillante sono costituiti da elementi elastici e giunti sferici. Gli elementi elastici smorzano le vibrazioni e offrono un numero limitato di gradi di libertà rotazionali e oscillatori. Nelle automobili, come componenti elastici si utilizzano spesso boccole in gomma, boccole idrauliche e cerniere a croce.
Figura 2 Braccio oscillante per saldatura di lamiere
La struttura della boccola in gomma è generalmente costituita da un tubo d'acciaio con uno strato esterno di gomma, oppure da una struttura a sandwich composta da tubo d'acciaio-gomma-tubo d'acciaio. Il tubo d'acciaio interno deve soddisfare specifici requisiti di resistenza alla pressione e diametro, e le zigrinature antiscivolo sono comuni a entrambe le estremità. Lo strato di gomma viene realizzato con una composizione e una struttura che variano in base alle diverse esigenze di rigidità.
L'anello d'acciaio più esterno spesso richiede un angolo di inclinazione specifico, che facilita il montaggio a pressione.
La boccola idraulica ha una struttura complessa ed è un prodotto con un processo di fabbricazione complesso e un elevato valore aggiunto nella categoria delle boccole. Al suo interno è presente una cavità in gomma, contenente olio. La progettazione della struttura della cavità è effettuata in base ai requisiti prestazionali della boccola. In caso di perdite d'olio, la boccola si danneggia. Le boccole idrauliche possono fornire una migliore curva di rigidità, influenzando la guidabilità complessiva del veicolo.
La cerniera trasversale ha una struttura complessa ed è un componente composito costituito da gomma e cerniere a sfera. Offre una maggiore durata rispetto alla boccola, un angolo di oscillazione e di rotazione più ampio, una curva di rigidità specifica e soddisfa i requisiti prestazionali dell'intero veicolo. Le cerniere trasversali danneggiate generano rumore nell'abitacolo durante la marcia del veicolo.
3. Con il movimento della ruota, la progettazione strutturale dell'elemento oscillante nel punto di connessione del braccio oscillante
La superficie stradale irregolare fa sì che le ruote saltellino su e giù rispetto al corpo (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 e il giunto cardanico sono generalmente collegati da una cerniera sferica.
La cerniera a sfera del braccio 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. Inoltre, la cerniera a sfera soddisfa i requisiti di garanzia di 2 anni o 60.000 km e di 3 anni o 80.000 km per l'intero veicolo.
In base ai diversi metodi di collegamento tra il braccio oscillante e la cerniera sferica (giunto sferico), si possono distinguere i collegamenti a bullone o a rivetto, in cui la cerniera sferica presenta una flangia; collegamenti a interferenza a pressione, in cui la cerniera sferica non presenta una flangia; e collegamenti integrati, in cui braccio oscillante e cerniera sferica sono un tutt'uno. Per le strutture in lamiera singola e per le strutture saldate in lamiera multipla, i primi due tipi di collegamento sono più diffusi; per le strutture saldate in lamiera multipla, come quelle in acciaio forgiato, alluminio forgiato e ghisa, sono più comuni i collegamenti realizzati con materiali come acciaio forgiato, alluminio forgiato e ghisa.
La cerniera a sfera deve soddisfare i requisiti di resistenza all'usura sotto carico, a causa del maggiore angolo di lavoro rispetto alla boccola, e quindi di una maggiore durata. Pertanto, la cerniera a sfera deve essere progettata come una struttura combinata, che includa una buona lubrificazione della zona di oscillazione e un sistema di lubrificazione antipolvere e impermeabile.
Figura 3 Braccio oscillante in alluminio forgiato
L'impatto del design del braccio oscillante sulla qualità e sul 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 (massa sospesa), è uno degli indicatori prestazionali più importanti del sistema di sospensione e influisce sul comfort di marcia dell'auto. La frequenza di vibrazione verticale utilizzata dal corpo umano è la frequenza con cui il corpo si muove verticalmente durante la camminata, che si aggira intorno a 1-1,6 Hz. La frequenza naturale del corpo dovrebbe essere il più vicino possibile a questo intervallo di frequenza. A parità di rigidità del sistema di sospensione, 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 affinché la ruota salti 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 sospensione. La massa non sospesa comprende 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. Gli altri si collocano in una posizione intermedia.
Poiché la massa di un set di bracci oscillanti è generalmente inferiore a 10 kg, rispetto a un veicolo con una massa superiore a 1000 kg, la massa del braccio oscillante ha un effetto minimo sul consumo di carburante.
2. Fattore prezzo: dipende dal progetto
Maggiore è il numero di requisiti, maggiore è il costo. Partendo dal presupposto che la resistenza strutturale e la rigidità del braccio oscillante soddisfino i requisiti, le tolleranze di fabbricazione, la difficoltà del processo produttivo, il tipo e la disponibilità dei materiali e i requisiti di resistenza alla corrosione superficiale influiscono direttamente sul prezzo. Ad esempio, per quanto riguarda i fattori anticorrosione: la zincatura elettrolitica, 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 attraverso la regolazione dello spessore del rivestimento e dei metodi di trattamento; oppure in rivestimento zinco-ferro o zinco-nichel, che può soddisfare i requisiti di prova anticorrosione per oltre 500 ore. All'aumentare dei requisiti di prova anticorrosione, aumenta anche il costo del componente.
Il costo può essere ridotto confrontando i progetti e le strutture del braccio oscillante.
Come ben sappiamo, diverse configurazioni dei punti di fissaggio offrono prestazioni di guida differenti. In particolare, va sottolineato che la stessa configurazione dei punti di fissaggio, ma con design diversi, può comportare costi differenti.
Esistono tre tipi di collegamento tra le parti strutturali e i giunti sferici: collegamento tramite componenti standard (bulloni, dadi o rivetti), collegamento a interferenza e integrazione. Rispetto alla struttura di collegamento standard, la struttura di collegamento a interferenza riduce il numero di componenti, come bulloni, dadi, rivetti e altri elementi. La struttura integrata monoblocco, rispetto al collegamento a interferenza, riduce ulteriormente il numero di componenti del guscio del giunto sferico.
Esistono due forme 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 differenti. Ad esempio, se la direzione di pressatura della boccola è nella stessa direzione e perpendicolare al corpo del forcellone, è possibile utilizzare una pressa a doppia testa a stazione singola 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; se la boccola deve essere pressata dall'interno, sono necessarie due stazioni e due presse per pressare la boccola in successione.
