De achterbrug bevindt zich meestal tussen het wiel en de carrosserie en is een veiligheidscomponent die de bestuurder beschermt door kracht over te brengen, trillingen te dempen en de rijrichting te controleren.
De achterbrug bevindt zich meestal tussen het wiel en de carrosserie en is een veiligheidscomponent voor de bestuurder die kracht overbrengt, trillingen vermindert en de stuurrichting controleert. Dit artikel introduceert de meest voorkomende constructies van de achterbrug op de markt en vergelijkt en analyseert de invloed van verschillende constructies op het productieproces, de kwaliteit en de prijs.
De wielophanging van een auto is grofweg onderverdeeld in voorwielophanging en achterwielophanging. Zowel de voor- als de achterwielophanging hebben draagarmen die de wielen met de carrosserie verbinden. De draagarmen bevinden zich meestal tussen de wielen en de carrosserie.
De rol van de draagarm is het verbinden van het wiel met het frame, het overbrengen van krachten, het verminderen van trillingen en het controleren van de rijrichting. Het is een veiligheidscomponent die de bestuurder betreft. Het veersysteem bevat krachtoverbrengende structurele onderdelen, waardoor de wielen ten opzichte van de carrosserie een bepaalde baan volgen. Deze structurele onderdelen dragen de belasting over en het gehele veersysteem is verantwoordelijk voor de rijeigenschappen van de auto.
Algemene functies en structuurontwerp van een auto-achterbrug
1. Om te voldoen aan de eisen van lastoverdracht, ontwerp en technologie van de zwenkarmconstructie.
De meeste moderne auto's maken gebruik van onafhankelijke wielophangingen. Afhankelijk van de constructie kunnen onafhankelijke wielophangingen worden onderverdeeld in wishbone-, trailing arm-, multilink-, candle- en McPherson-systemen. Bij een multilink-systeem vormen de crossarm en de trailing arm een twee-krachtenconstructie voor één enkele arm, met twee verbindingspunten. Twee twee-krachtenstangen zijn onder een bepaalde hoek op een kruiskoppeling gemonteerd, waarbij de verbindingslijnen van de verbindingspunten een driehoekige structuur vormen. De McPherson-voorwielophanging heeft een typische driepunts swingarm met drie verbindingspunten. De lijn die de drie verbindingspunten verbindt, vormt een stabiele driehoekige structuur die belastingen in meerdere richtingen kan weerstaan.
De structuur van de twee-krachten zwenkarm is eenvoudig en het ontwerp wordt vaak bepaald door de expertise en de verwerkingsmogelijkheden van elk bedrijf. Bijvoorbeeld: bij een gestempelde plaatconstructie (zie Figuur 1) bestaat de constructie uit één enkele stalen plaat zonder lassen, waarbij de holte meestal de vorm van een "I" heeft; bij een gelaste plaatconstructie (zie Figuur 2) bestaat de constructie uit een gelaste stalen plaat, waarbij de holte vaker de vorm van een "A" heeft, of waarbij plaatselijk verstevigingsplaten worden gebruikt om de kwetsbare punten te versterken; bij een gesmede stalen constructie is de holte massief en wordt de vorm meestal aangepast aan de eisen van de chassisindeling; bij een gesmede aluminium constructie (zie Figuur 3) is de holte massief en zijn de vormeisen vergelijkbaar met die van een gesmede stalen constructie; bij een stalen buisconstructie is de structuur eenvoudig en de holte is cirkelvormig.
De structuur van de driepuntsdraagarm is complex en het ontwerp wordt vaak bepaald aan de hand van de eisen van de OEM (Original Equipment Manufacturer). Bij bewegingssimulaties mag de draagarm geen interferentie veroorzaken met andere onderdelen en gelden er meestal minimale afstandseisen. Zo wordt bijvoorbeeld bij gestempelde plaatwerkconstructies vaak gebruikgemaakt van gelaste plaatwerkconstructies. De gaten voor de sensorkabelboom of de bevestigingsbeugels voor de stabilisatorstang beïnvloeden de structuur van de draagarm. De constructieholte heeft meestal de vorm van een "mond", waarbij een gesloten constructie beter is dan een open constructie. Bij gesmede constructies is de constructieholte meestal I-vormig, wat de traditionele eigenschappen van torsie- en buigweerstand biedt. Bij gegoten constructies zijn de vorm en de constructieholte meestal voorzien van verstevigingsribben en gewichtsbesparende gaten, afhankelijk van de eigenschappen van het gieten. Bij gelaste plaatwerkconstructies, gecombineerd met smeedwerk, is het kogelgewricht vanwege de ruimtebeperkingen in het chassis geïntegreerd in het smeedwerk en verbonden met het plaatwerk. De bewerkingsstructuur van gegoten en gesmeed aluminium biedt een betere materiaalbenutting en productiviteit dan smeden, en is qua materiaalsterkte superieur aan gietstukken. Dit is de toepassing van een nieuwe technologie.
2. Verminder de overdracht van trillingen naar het lichaam en het structurele ontwerp van het elastische element op het verbindingspunt van de zwenkarm.
Omdat het wegdek waarop een auto rijdt nooit perfect vlak is, is de verticale reactiekracht van het wegdek op de wielen vaak aanzienlijk, vooral bij hoge snelheden op een slecht wegdek. Deze impactkracht kan een oncomfortabel gevoel bij de bestuurder veroorzaken. Daarom worden elastische elementen in het veersysteem ingebouwd, waardoor de stijve verbinding wordt omgezet in een elastische verbinding. Wanneer een elastisch element wordt belast, ontstaat er trilling. Deze continue trilling kan het oncomfortabele gevoel van de bestuurder versterken. Het veersysteem heeft daarom dempingselementen nodig om de trillingsamplitude snel te verminderen.
De verbindingspunten in het structurele ontwerp van de zwenkarm zijn de verbinding van elastische elementen en de kogelgewrichtverbinding. De elastische elementen zorgen voor trillingsdemping en een beperkt aantal rotatie- en oscillatievrijheidsgraden. Rubberen bussen worden vaak gebruikt als elastische componenten in auto's, maar ook hydraulische bussen en kruisscharnieren komen voor.
Afbeelding 2 Zwenkarm voor het lassen van plaatmetaal
De structuur van een rubberen bus bestaat meestal uit een stalen buis met een rubberen buitenlaag, of een sandwichconstructie van stalen buis-rubber-stalen buis. De binnenste stalen buis moet bestand zijn tegen druk en heeft bepaalde diameters. Antislipvertandingen zijn vaak aan beide uiteinden aangebracht. De rubberlaag wordt qua materiaalsamenstelling en constructie aangepast aan de verschillende stijfheidseisen.
De buitenste stalen ring heeft vaak een bepaalde aanloophoek, wat het persen vergemakkelijkt.
De hydraulische bus heeft een complexe structuur en is een product met een complex productieproces en een hoge toegevoegde waarde binnen de buscategorie. De bus is voorzien van een holte in het rubber, gevuld met olie. Het ontwerp van deze holte is afgestemd op de prestatie-eisen van de bus. Olielekkage kan de bus beschadigen. Hydraulische bussen zorgen voor een betere stijfheidscurve, wat de algehele rijeigenschappen van het voertuig ten goede komt.
Het kruisscharnier heeft een complexe structuur en is een samengesteld onderdeel van rubberen en kogelgewrichtscharnieren. Het biedt een betere duurzaamheid dan een busscharnier, een grotere zwenkhoek en rotatiehoek, een speciale stijfheidscurve en voldoet aan de prestatie-eisen van het gehele voertuig. Beschadigde kruisscharnieren veroorzaken lawaai in de cabine wanneer het voertuig in beweging is.
3. Door de beweging van het wiel verandert de constructie van het zwenkelement op het verbindingspunt van de zwenkarm.
Het oneffen wegdek zorgt ervoor dat de wielen ten opzichte van de carrosserie (het frame) op en neer bewegen. Tegelijkertijd maken de wielen bewegingen, zoals bochten nemen of rechtdoor rijden, waardoor de wielbaan aan bepaalde eisen moet voldoen. De achterbrug en het kruiskoppelingsgewricht zijn meestal met elkaar verbonden door een kogelgewricht.
Het kogelgewricht van de zwenkarm maakt een zwenkhoek van meer dan ±18° mogelijk en biedt een rotatiehoek van 360°. Het voldoet volledig aan de eisen voor wieluitloop en stuurinrichting. Bovendien voldoet het kogelgewricht aan de garantievoorwaarden van 2 jaar of 60.000 km en 3 jaar of 80.000 km voor het gehele voertuig.
Afhankelijk van de verschillende verbindingsmethoden tussen de zwenkarm en het kogelgewricht, kan onderscheid worden gemaakt tussen bout- of klinknagelverbindingen (waarbij het kogelgewricht een flens heeft), perspassing (waarbij het kogelgewricht geen flens heeft) en geïntegreerde verbindingen (waarbij de zwenkarm en het kogelgewricht één geheel vormen). Bij constructies van enkelvoudig plaatmetaal en gelaste constructies van meerdere platen worden de eerste twee verbindingsmethoden het meest gebruikt; bij constructies van gesmeed staal, gesmeed aluminium en gietijzer wordt de laatstgenoemde methode vaker toegepast.
Het kogelscharnier moet bestand zijn tegen slijtage onder belasting, omdat de grotere werkhoek ten opzichte van een lagerbus een langere levensduur vereist. Daarom moet het kogelscharnier worden ontworpen als een gecombineerde constructie, inclusief goede smering van het scharnierpunt en een stof- en waterdicht smeersysteem.
Afbeelding 3. Gesmede aluminium achterbrug.
De invloed van het ontwerp van de achterbrug op kwaliteit en prijs.
1. Kwaliteitsfactor: hoe lichter, hoe beter.
De natuurlijke trillingsfrequentie van het lichaam (ook wel de vrije trillingsfrequentie van het trillingssysteem genoemd), bepaald door de stijfheid van de ophanging en de massa die door de vering wordt gedragen (geveerde massa), is een van de belangrijkste prestatie-indicatoren van het ophangingssysteem die het rijcomfort van de auto beïnvloedt. De verticale trillingsfrequentie van het menselijk lichaam is de frequentie van de op- en neerwaartse bewegingen tijdens het lopen, die ongeveer 1-1,6 Hz bedraagt. De natuurlijke trillingsfrequentie van het lichaam moet zo dicht mogelijk bij dit frequentiebereik liggen. Bij een constante stijfheid van het ophangingssysteem geldt: hoe kleiner de geveerde massa, hoe kleiner de verticale vervorming van de ophanging en hoe hoger de natuurlijke trillingsfrequentie.
Bij een constante verticale belasting geldt: hoe kleiner de stijfheid van de ophanging, hoe lager de eigenfrequentie van de auto en hoe groter de ruimte die het wiel nodig heeft om op en neer te bewegen.
Bij gelijke wegomstandigheden en voertuigsnelheid geldt: hoe kleiner de onafgeveerde massa, hoe kleiner de impactbelasting op het veersysteem. De onafgeveerde massa omvat onder andere de massa van het wiel, de cardanas en de draagarm.
Over het algemeen heeft de aluminium achterbrug het laagste gewicht en de gietijzeren achterbrug het hoogste gewicht. Andere achterbruggen zitten daar tussenin.
Omdat de massa van een set draagarmen meestal minder dan 10 kg bedraagt, in vergelijking met een voertuig met een massa van meer dan 1000 kg, heeft de massa van de draagarm weinig invloed op het brandstofverbruik.
2. Prijsfactor: afhankelijk van het ontwerp
Hoe meer eisen, hoe hoger de kosten. Ervan uitgaande dat de structurele sterkte en stijfheid van de zwenkarm aan de eisen voldoen, hebben de tolerantie-eisen, de complexiteit van het productieproces, het type en de beschikbaarheid van het materiaal en de eisen met betrekking tot oppervlaktecorrosie allemaal een directe invloed op de prijs. Bijvoorbeeld, factoren die van invloed zijn op de corrosiebestendigheid: elektrolytisch verzinken kan, door middel van oppervlaktepassivering en andere behandelingen, een corrosiebestendigheid van ongeveer 144 uur bereiken; oppervlaktebescherming is onderverdeeld in kathodische elektroforetische verfcoating, die door aanpassing van de coatingdikte en behandelingsmethoden een corrosiebestendigheid van 240 uur kan bereiken; zink-ijzer- of zink-nikkelcoating, die kan voldoen aan de eisen voor corrosiebestendigheidstests van meer dan 500 uur. Naarmate de eisen voor corrosiebestendigheid toenemen, stijgen ook de kosten van het onderdeel.
De kosten kunnen worden verlaagd door de ontwerp- en constructieschema's van de zwenkarm te vergelijken.
Zoals we allemaal weten, leveren verschillende bevestigingspunten verschillende rijprestaties op. Het is met name belangrijk om te benadrukken dat dezelfde bevestigingspunten, maar met verschillende ontwerpen, tot verschillende kosten kunnen leiden.
Er zijn drie soorten verbindingen tussen structurele onderdelen en kogelgewrichten: verbinding met standaardonderdelen (bouten, moeren of klinknagels), perspassing en geïntegreerd. In vergelijking met de standaardverbinding vermindert de perspassing het aantal onderdelen, zoals bouten, moeren, klinknagels en andere. De geïntegreerde verbinding uit één stuk reduceert het aantal onderdelen van de kogelgewrichtbehuizing aanzienlijk.
Er zijn twee manieren om een verbinding te maken tussen het constructieonderdeel en het elastische element: de voorste en achterste elastische elementen zijn axiaal parallel en axiaal loodrecht op elkaar. Verschillende methoden bepalen verschillende montageprocessen. Als de bus bijvoorbeeld in dezelfde richting en loodrecht op de draagarm wordt geperst, kan een enkelstation dubbelkoppers worden gebruikt om de voorste en achterste bussen tegelijkertijd te persen, wat mankracht, apparatuur en tijd bespaart. Als de montagerichting inconsistent is (verticaal), kan een enkelstation dubbelkoppers worden gebruikt om de bus achtereenvolgens te persen en te monteren, wat eveneens mankracht en apparatuur bespaart. Wanneer de bus van binnenuit geperst moet worden, zijn twee stations en twee persen nodig om de bus achtereenvolgens te persen.
