Die Schwinge befindet sich üblicherweise zwischen Rad und Karosserie und ist ein Sicherheitsbauteil für den Fahrer, das Kraft überträgt, Schwingungsübertragungen dämpft und die Richtung steuert.
Die Schwinge befindet sich üblicherweise zwischen Rad und Karosserie und ist ein Sicherheitselement für den Fahrer, das Kraft überträgt, Vibrationen reduziert und die Richtung steuert. Dieser Artikel stellt die gängige Schwingenkonstruktion auf dem Markt vor und vergleicht und analysiert den Einfluss verschiedener Konstruktionen auf Prozess, Qualität und Preis.
Die Fahrwerksaufhängung eines Fahrzeugs wird grob in Vorderradaufhängung und Hinterradaufhängung unterteilt. Sowohl die Vorder- als auch die Hinterradaufhängung verfügen über Schwingarme, die die Räder mit der Karosserie verbinden. Die Schwingarme befinden sich üblicherweise zwischen den Rädern und der Karosserie.
Die Führungsschwinge dient dazu, Rad und Rahmen zu verbinden, Kraft zu übertragen, Schwingungsübertragung zu reduzieren und die Richtung zu steuern. Sie ist ein Sicherheitselement für den Fahrer. Das Aufhängungssystem verfügt über kraftübertragende Bauteile, die die Räder relativ zur Karosserie in einer bestimmten Bahn bewegen. Die Bauteile übertragen die Last, und das gesamte Aufhängungssystem trägt zum Fahrverhalten des Fahrzeugs bei.
Allgemeine Funktionen und Strukturdesign der Autoschwinge
1. Um die Anforderungen an Lastübertragung, Schwingarmstrukturdesign und -technologie zu erfüllen
Die meisten modernen Fahrzeuge verfügen über Einzelradaufhängungen. Je nach Bauform lassen sich Einzelradaufhängungen in Querlenker-, Längslenker-, Mehrlenker-, Kerzen- und McPherson-Aufhängungen unterteilen. Quer- und Längslenker bilden eine Zweikraftstruktur für einen einzelnen Arm im Mehrlenker mit zwei Anbindungspunkten. Zwei Zweikraftstangen sind in einem bestimmten Winkel am Kreuzgelenk montiert, wobei die Verbindungslinien der Anbindungspunkte eine Dreiecksstruktur bilden. Der untere Querlenker der MacPherson-Vorderradaufhängung ist eine typische Dreipunktschwinge mit drei Anbindungspunkten. Die Verbindungslinie der drei Anbindungspunkte bildet eine stabile Dreiecksstruktur, die Belastungen aus mehreren Richtungen standhält.
Die Struktur der Zweikraftschwinge ist einfach, und die Konstruktionsgestaltung richtet sich oft nach den unterschiedlichen Fachkenntnissen und Verarbeitungsvorteilen der einzelnen Unternehmen. Beispielsweise besteht die Konstruktion aus gestanztem Blech (siehe Abbildung 1) aus einer einzelnen, unverschweißten Stahlplatte, und der Strukturhohlraum weist meist die Form eines „I“ auf. Die geschweißte Blechkonstruktion (siehe Abbildung 2) besteht aus einer geschweißten Stahlplatte, und der Strukturhohlraum weist eher die Form eines „Z“ auf. Oder es werden lokale Verstärkungsplatten zum Schweißen und Verstärken der Gefahrenstelle verwendet. Bei der Verarbeitungsstruktur einer Stahlschmiedemaschine ist der Strukturhohlraum massiv, und die Form wird meist an die Anforderungen des Fahrgestelllayouts angepasst. Bei der Verarbeitungsstruktur einer Aluminiumschmiedemaschine (siehe Abbildung 3) ist der Strukturhohlraum massiv, und die Formanforderungen ähneln denen von Stahlschmieden. Die Stahlrohrkonstruktion ist einfach aufgebaut, und der Strukturhohlraum ist kreisförmig.
Die Struktur der Dreipunktschwinge ist komplex und wird häufig entsprechend den Anforderungen des OEMs festgelegt. In der Bewegungssimulationsanalyse darf die Schwinge nicht mit anderen Teilen in Konflikt geraten, und die meisten Teile müssen einen Mindestabstand einhalten. Beispielsweise wird die gestanzte Blechstruktur meist gleichzeitig mit der geschweißten Blechstruktur verwendet. Die Sensorkabelbaumöffnung oder die Verbindungshalterung des Stabilisators usw. verändern die Konstruktion der Schwinge. Der Strukturhohlraum hat weiterhin die Form eines „Munds“, und eine geschlossene Struktur ist besser als eine offene. Bei geschmiedeten Strukturen hat der Strukturhohlraum meist eine „I“-Form mit den üblichen Eigenschaften der Torsions- und Biegesteifigkeit. Bei gegossenen Strukturen sind Form und Strukturhohlraum meist entsprechend den Gusseigenschaften mit Verstärkungsrippen und gewichtsreduzierenden Öffnungen ausgestattet. Bei Blechschweißkonstruktionen werden aufgrund der Platzanforderungen des Fahrzeugchassis Kugelgelenke in das Schmiedeteil integriert und das Schmiedeteil mit dem Blech verbunden. Die Bearbeitungsstruktur aus gussgeschmiedetem Aluminium bietet eine bessere Materialausnutzung und Produktivität als Schmieden und ist der Materialfestigkeit von Gussteilen überlegen, was auf die Anwendung neuer Technologien zurückzuführen ist.
2. Reduzieren Sie die Übertragung von Vibrationen auf den Körper und die strukturelle Gestaltung des elastischen Elements am Verbindungspunkt des Schwingarms
Da die Fahrbahnoberfläche eines Fahrzeugs nicht völlig eben sein kann, wirkt die vertikale Reaktionskraft der Fahrbahnoberfläche auf die Räder häufig stark. Insbesondere bei hoher Geschwindigkeit auf einer schlechten Fahrbahnoberfläche verursacht diese Aufprallkraft beim Fahrer ein unangenehmes Gefühl. Im Aufhängungssystem sind elastische Elemente eingebaut, und die starre Verbindung wird in eine elastische Verbindung umgewandelt. Nach dem Aufprall des elastischen Elements entstehen Vibrationen, und die anhaltenden Vibrationen verursachen beim Fahrer ein unangenehmes Gefühl. Daher benötigt das Aufhängungssystem Dämpfungselemente, um die Vibrationsamplitude schnell zu reduzieren.
Die Verbindungspunkte in der Schwingenkonstruktion sind die elastische Elementverbindung und die Kugelgelenkverbindung. Die elastischen Elemente sorgen für Schwingungsdämpfung und eine geringe Anzahl von Rotations- und Schwingfreiheitsgraden. Gummibuchsen werden häufig als elastische Komponenten in Fahrzeugen verwendet, aber auch Hydraulikbuchsen und Kreuzgelenke kommen zum Einsatz.
Abbildung 2 Blechschweißschwinge
Die Struktur der Gummibuchse besteht meist aus einem Stahlrohr mit Gummiaußenseite oder einer Sandwich-Struktur aus Stahlrohr, Gummi und Stahlrohr. Das innere Stahlrohr muss bestimmte Druckfestigkeits- und Durchmesseranforderungen erfüllen, und an beiden Enden sind rutschhemmende Verzahnungen üblich. Die Gummischicht passt die Materialzusammensetzung und die Konstruktionsstruktur an unterschiedliche Steifigkeitsanforderungen an.
Der äußerste Stahlring weist häufig einen erforderlichen Einführwinkel auf, der das Einpressen erleichtert.
Die Hydraulikbuchse hat eine komplexe Struktur und ist ein Produkt mit komplexem Prozess und hohem Mehrwert in der Buchsenkategorie. Der Gummi hat einen Hohlraum, in dem sich Öl befindet. Die Konstruktion der Hohlraumstruktur richtet sich nach den Leistungsanforderungen der Buchse. Austretendes Öl beschädigt die Buchse. Hydraulikbuchsen bieten eine bessere Steifigkeitskurve und beeinflussen so das Fahrverhalten des Fahrzeugs.
Das Kreuzscharnier hat eine komplexe Struktur und besteht aus Gummi- und Kugelgelenken. Es bietet eine bessere Haltbarkeit als die Buchse, einen besseren Schwenk- und Drehwinkel sowie eine spezielle Steifigkeitskurve und erfüllt die Leistungsanforderungen des gesamten Fahrzeugs. Beschädigte Kreuzscharniere erzeugen während der Fahrt Geräusche in der Kabine.
3. Mit der Bewegung des Rades, die strukturelle Gestaltung des Schwingelements am Verbindungspunkt des Schwingarms
Die unebene Straßenoberfläche führt dazu, dass die Räder im Verhältnis zur Karosserie (dem Rahmen) auf und ab springen und sich gleichzeitig bewegen, z. B. beim Wenden, Geradeausfahren usw., sodass die Flugbahn der Räder bestimmte Anforderungen erfüllen muss. Der Schwingarm und das Kreuzgelenk sind meist durch ein Kugelgelenk verbunden.
Das Kugelgelenk der Schwinge ermöglicht einen Schwenkwinkel von über ±18° und einen Drehwinkel von 360°. Es erfüllt die Anforderungen an Radschlag und Lenkung vollständig. Das Kugelgelenk erfüllt die Garantieanforderungen von 2 Jahren bzw. 60.000 km und 3 Jahren bzw. 80.000 km für das gesamte Fahrzeug.
Je nach Verbindungsart zwischen Schwinge und Kugelgelenk kann zwischen Bolzen- und Nietverbindungen unterschieden werden. Kugelgelenke haben Flanschverbindungen. Presspassungsverbindungen haben keine Flanschverbindungen. Schwinge und Kugelgelenk sind in einem integriert. Bei Einzelblechkonstruktionen und Mehrblechschweißkonstruktionen werden die beiden erstgenannten Verbindungsarten häufiger verwendet. Letztere werden häufiger verwendet, z. B. durch Stahlschmieden, Aluminiumschmieden und Gusseisen.
Das Kugelgelenk muss unter Last verschleißfest sein. Aufgrund des größeren Arbeitswinkels als bei der Buchse ist die Lebensdauer höher. Daher muss das Kugelgelenk als kombinierte Struktur ausgeführt sein, die eine gute Schmierung des Schwenkbereichs sowie ein staub- und wasserdichtes Schmiersystem umfasst.
Abbildung 3 Aluminiumgeschmiedete Schwinge
Der Einfluss des Schwingendesigns auf Qualität und Preis
1. Qualitätsfaktor: Je leichter, desto besser
Die Eigenfrequenz der Karosserie (auch freie Schwingfrequenz des Schwingungssystems genannt), die durch die Federsteifigkeit und die von der Federung getragene Masse (gefederte Masse) bestimmt wird, ist einer der wichtigsten Leistungsindikatoren des Federungssystems und beeinflusst den Fahrkomfort des Fahrzeugs. Die vertikale Schwingfrequenz des menschlichen Körpers entspricht der Frequenz der Auf- und Abbewegungen beim Gehen und liegt bei etwa 1–1,6 Hz. Die Eigenfrequenz des Körpers sollte möglichst nahe an diesem Frequenzbereich liegen. Bei konstanter Federsteifigkeit gilt: Je kleiner die gefederte Masse, desto geringer die vertikale Verformung der Federung und desto höher die Eigenfrequenz.
Bei konstanter vertikaler Belastung ist die Eigenfrequenz des Fahrzeugs umso niedriger, je geringer die Federungssteifigkeit ist, und umso mehr Platz benötigt das Rad, um auf und ab zu springen.
Bei gleichen Straßenverhältnissen und gleicher Fahrzeuggeschwindigkeit ist die Stoßbelastung des Federungssystems umso geringer, je kleiner die ungefederte Masse ist. Die ungefederte Masse umfasst die Masse der Räder, des Kreuzgelenks und der Lenker usw.
Im Allgemeinen hat die Aluminiumschwinge die geringste Masse und die Gusseisenschwinge die größte Masse. Andere liegen dazwischen.
Da die Masse einer Schwinge meist weniger als 10 kg beträgt, hat die Masse der Schwinge im Vergleich zu einem Fahrzeug mit einer Masse von über 1000 kg nur einen geringen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch.
2. Preisfaktor: hängt vom Designplan ab
Je höher die Anforderungen, desto höher die Kosten. Unter der Voraussetzung, dass die strukturelle Festigkeit und Steifigkeit des Schwingarms den Anforderungen entspricht, wirken sich die Anforderungen an die Fertigungstoleranzen, der Schwierigkeitsgrad des Herstellungsprozesses, die Materialart und -verfügbarkeit sowie die Anforderungen an die Oberflächenkorrosion direkt auf den Preis aus. Beispiele für Korrosionsschutzfaktoren: Eine elektrolytische Verzinkung kann durch Oberflächenpassivierung und andere Behandlungen eine Korrosionsbeständigkeit von etwa 144 Stunden erreichen; der Oberflächenschutz wird in kathodische Elektrotauchlackierungen unterteilt, die durch Anpassung der Schichtdicke und der Behandlungsmethoden eine Korrosionsbeständigkeit von 240 Stunden erreichen; eine Zink-Eisen- oder Zink-Nickel-Beschichtung, die die Anforderungen an Korrosionsschutztests von über 500 Stunden erfüllt. Mit steigenden Anforderungen an Korrosionstests steigen auch die Kosten des Teils.
Durch einen Vergleich der Konstruktions- und Strukturschemata der Schwinge können die Kosten gesenkt werden.
Wie wir alle wissen, sorgen unterschiedliche Hardpoint-Anordnungen für unterschiedliche Fahrleistungen. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die gleiche Hardpoint-Anordnung und unterschiedliche Verbindungspunktkonstruktionen unterschiedliche Kosten verursachen können.
Es gibt drei Verbindungsarten zwischen Strukturteilen und Kugelgelenken: Verbindung durch Standardteile (Schrauben, Muttern oder Nieten), Presspassung und Integration. Im Vergleich zur Standardverbindungsstruktur reduziert die Presspassung die Anzahl der Teile wie Schrauben, Muttern, Nieten und andere Teile. Die integrierte einteilige Presspassung reduziert die Anzahl der Teile der Kugelgelenkschale.
Es gibt zwei Arten der Verbindung zwischen dem Strukturelement und dem elastischen Element: Die vorderen und hinteren elastischen Elemente sind achsparallel und achsenkrecht. Unterschiedliche Methoden bestimmen unterschiedliche Montageprozesse. Beispielsweise verläuft die Pressrichtung der Buchse in die gleiche Richtung und senkrecht zum Schwingenkörper. Mit einer Einstationen-Doppelkopfpresse können die vorderen und hinteren Buchsen gleichzeitig eingepresst werden, was Arbeitskräfte, Ausrüstung und Zeit spart. Bei inkonsistenter (vertikaler) Einbaurichtung kann eine Einstationen-Doppelkopfpresse verwendet werden, um die Buchse nacheinander einzupressen und einzubauen, was Arbeitskräfte und Ausrüstung spart. Wenn die Buchse von innen eingepresst werden soll, sind zwei Stationen und zwei Pressen erforderlich, um die Buchse nacheinander einzupressen.
