Korea Ever-Power · Руководство по применению инженерных решений
Червячный механизм и червячное колесо для автомобильного рулевого управления и стеклоподъемника
В каждом автомобиле на дороге содержится от 4 до 12 пар червячных передач — в рулевой колонке с электроусилителем, в каждом из четырех стеклоподъемников, в механизмах регулировки сидений, люке и приводах зеркал. Один автомобильный производитель, выпускающий 1,5 миллиона автомобилей в год, потребляет от 6 до 18 миллионов пар червячных передач ежегодно. При таком объеме снижение стоимости на 0,02 доллара США за пару экономит от 120 000 до 360 000 долларов США в год, а уровень дефектов качества в 0,1% приводит к 6000–18 000 гарантийным случаям. Массовое производство превращает спецификацию червячных передач из инженерной задачи в задачу статистического контроля качества.
Автомобильные применения — электроусилитель рулевого управления (EPS), стеклоподъемники, регуляторы сидений, приводы люков и приводы зеркал — представляют собой крупнейший в мире рынок червячных передач: от 100 000 до 5 000 000 единиц в год на одно применение на одного OEM-производителя. Матрица контроля качества SPC для массового производства определяет целевые значения Cpk (индекс производительности процесса) для каждого критического размера червячной передачи: Cpk 1,67 или выше для критически важных параметров EPS (люфт, крутящий момент), Cpk 1,33 или выше для критически важных параметров NVH (чистота поверхности, профиль зубьев) и Cpk не менее 1,0 для некритических размеров. Этот статистический подход заменяет проверку отдельных деталей, используемую в промышленных приложениях (статьи A01–A29), статистической проверкой на уровне процесса — подтверждая не соответствие каждой детали спецификации, а статистическую неспособность производственного процесса производить несоответствующие детали. Колеса из полиоксиметилена (POM) и полиамида PA66-GF универсальны для применения в автомобильной промышленности, поскольку обеспечивают требуемые с точки зрения экономики автомобиля показатели шумо- и виброизоляции, снижение веса и себестоимость единицы продукции.
В которых в каждом автомобиле используются червячные передачи.
Современный легковой автомобиль содержит от 4 до 12 отдельных пар червячных передач, распределенных по нескольким подсистемам. Для каждого применения характерны три общих требования: бесшумная работа в салоне (уровень шума и вибрации ниже человеческого восприятия), легкая конструкция (каждый грамм влияет на топливную экономичность или запас хода электромобиля) и надежность автомобильного класса (отсутствие отказов в течение 10-15 лет и более 200 000 циклов работы). Однако для каждого применения существуют уникальные требования, которые определяют спецификацию пары червячных передач.
Функция: Вспомогательный крутящий момент электродвигателя передается через червячную передачу на рулевую колонку.
Крутящий момент: Помощь от 20 до 60 Н·м. Обратная реакция: Ощущение рулевого управления менее 5 угловых минут.
Самоблокирующийся: Крайне важно — предотвращает обратную вращение двигателя из-за обратной связи от дорожного покрытия.
Качество: IATF 16949, уровень PPAP 3, Cpk ≥ 1,67 для параметров безопасности.
Объем: 1 на транспортное средство. Жизнь: 15 лет / 300 000 км.
Функция: Электродвигатель приводит в движение оконное стекло, поднимая и опуская его через тросовый барабан и червячную передачу.
Крутящий момент: 3–8 Н·м. Шум: Уровень шума в салоне ниже 42 дБ(А).
Самоблокирующийся: Крайне важно — удерживает окно в нужном положении, противодействуя давлению ветра на высокой скорости движения по шоссе.
Качество: IATF 16949, уровень PPAP 3, Cpk ≥ 1,33 для параметров NVH.
Объем: 4 на транспортное средство. Жизнь: Более 40 000 циклов.
Матрица контроля качества SPC для массового производства — целевые значения Cpk в зависимости от критичности параметров.
В промышленном производстве червячных передач (артикулы A01–A29) качество проверяется путем контроля каждой детали на соответствие спецификации — подход со 100-процентным контролем, осуществимый при объемах производства от 50 до 5000 единиц в год. При объемах производства в автомобильной промышленности (от 100 000 до 5 000 000 единиц в год) 100-процентный контроль каждого параметра экономически невозможен. Вместо этого поставщики автомобильной промышленности используют статистический контроль процессов (SPC) для мониторинга производственного процесса — проверяя, что производительность процесса (Cpk) превышает пороговое значение, которое статистически гарантирует соответствие.
Матрица показывает, что качество автомобильных червячных передач контролируется на трех уровнях: параметры, критически важные для безопасности (Cpk 1,67, менее 1 дефекта на миллион), несоответствие которым может привести к отказу автомобиля в плане безопасности; параметры, критически важные для NVH (Cpk 1,33, менее 63 дефектов на миллион), которые могут вызывать воспринимаемый клиентом шум или жесткость; и значимые параметры (Cpk 1,0, менее 2700 на миллион), которые влияют на точность сборки, но не на функциональность или восприятие клиента. Поставщик червячных передач для автомобильного OEM-производителя должен продемонстрировать эти значения Cpk в ходе PPAP (процесс утверждения производственных деталей) до начала производства — и поддерживать их на протяжении всего производственного цикла с помощью постоянного мониторинга SPC.
Требования к уровню шума и вибрации (NVH) — бесшумная работа в салоне автомобиля.
В этой серии из 30 статей салон автомобиля является самым тихим местом работы червячной передачи — и, как ни парадоксально, имеет самые жесткие требования к уровню шума. В палате реанимации больницы (статья A11) уровень шума составляет менее 45 дБ(А) в помещении с фоновым шумом 35 дБ(А). Стеклоподъемник автомобиля должен работать с уровнем шума менее 42 дБ(А) в салоне, где фоновый шум на высоких скоростях может составлять всего 62–68 дБ(А) — но при остановках и на низких скоростях уровень шума в салоне составляет 35–45 дБ(А), что делает работу стеклоподъемника с уровнем шума 42 дБ(А) отчетливо слышимой. Порог восприятия шума червячной передачи в тихом салоне составляет приблизительно 38 дБ(А) — это целевой показатель для автомобилей премиум-класса.
Пластиковые колёса как решение проблемы шума и вибрации. Полиоксиметилен (ПОМ) (ацетал) и нейлон, армированный стекловолокном (ПА66-GF), являются универсальными материалами для колес автомобильных червячных передач, поскольку они создают на 10–15 дБ(А) меньше шума зацепления, чем бронза, при малых крутящих моментах, типичных для автомобильной промышленности (3–60 Н·м). ПОМ предпочтительнее для стеклоподъемников и приводов зеркал (самый низкий уровень шума, достаточная прочность при 3–8 Н·м). ПА66-GF предпочтительнее для рулевых колонок EPS (более высокая прочность при 20–60 Н·м, стекловолокно увеличивает прочность на растяжение на 40 процентов по сравнению с неармированным ПА66). Оба материала стоят на 60–80 процентов меньше за колесо, чем бронза, что критически важно для достижения целевых показателей стоимости в автомобильной промышленности.
Корейский поставщик автомобильных компонентов первого уровня, производящий червячные передачи для крупного OEM-производителя в объеме 2,4 миллиона единиц в год, столкнулся с резким увеличением количества гарантийных обращений на третий год производства: 380 жалоб на шум (клиенты сообщали о слышимых щелчках во время работы стеклоподъемника). Расследование показало, что источником шума стало изменение профиля зубьев на полиоксиметиленовом колесе — процесс литья под давлением сбился из-за износа полости пресс-формы, что привело к отклонению на 0,03 мм на боковой поверхности зуба, которое находилось в пределах допустимых размеров (показатель Cpk оставался выше 1,0 для данного размера), но превышало пороговое значение NVH (шум, вибрация и жесткость). Диаграмма статистического контроля процессов (SPC) по размерам не выявила тревожных сигналов, но диаграмма SPC по шуму (100-процентное тестирование шума в конце производственной линии, введенное после инцидента) показала, что уровень шума имел тенденцию к росту в течение 6 недель до поступления гарантийных обращений. Корректирующие действия: добавить в план контроля SPC тестирование шума в конце производственной линии (100-процентное тестирование по 0,8 доллара США за единицу — увеличение себестоимости производства на 1 920 000 долларов США в год), модернизировать полости пресс-форм на цикле 500 000 циклов (ранее 800 000 циклов) и ужесточить целевой показатель Cpk профиля зуба с 1,0 до 1,33 для критического по NVH размера боковой поверхности. Количество гарантийных претензий снизилось до 12 на миллион в течение 3 месяцев. Вывод: соответствие размеров не гарантирует соответствие по NVH — червячная передача может соответствовать допускам по размерам, но акустически выходить за рамки спецификации, поскольку чувствительность к шуму зависит от геометрических взаимодействий (профиль, шаг, биение), которые не учитываются индивидуальными размерами в рамках SPC. Функциональное тестирование в конце производственной линии (шум, крутящий момент, люфт) является обязательным для червячных передач автомобильного класса.
Три варианта технических характеристик автомобильных червячных передач
Пример 1 — Корейский поставщик первого уровня: опорные колонны из пенополистирола (EPS), критически важные с точки зрения безопасности, 800 000 единиц в год.
Корейский поставщик первого уровня для автомобильной промышленности заказал червячные передачи для системы электроусилителя рулевого управления колонного типа, поставляемой корейскому OEM-производителю для трех типов автомобилей в объеме 800 000 единиц в год. Усилительный крутящий момент EPS: максимум 45 Н·м. Двигатель: 12 В бесщеточный постоянного тока, 500 Вт. Червячная передача: однозаходная, модуль 1,25, передаточное отношение 16:1. Червяк: холоднокованая углеродистая сталь с антикоррозионным покрытием Geomet (заменяющим цинковое покрытие для предотвращения водородного охрупчивания), шлифовка Ra 0,3 мкм. Колесо: PA66-GF30 (нейлон, армированный 30% стекловолокна — самый прочный пластик, доступный для автомобильных червячных колес). Люфт: менее 5 угловых минут (чувствительность рулевого управления). Уровень шума и вибрации: менее 40 дБ(А) на расстоянии 1 м (измерено во время заключительного испытания PPAP). Требования к Cpk: люфт Cpk 1,67 (критически важный для безопасности), крутящий момент Cpk 1,67, профиль зуба Cpk 1,33, уровень шума Cpk 1,33. PPAP уровня 3 с полным отчетом о размерах, сертификацией материалов, технологической схемой, планом контроля и первоначальным исследованием возможностей процесса. Стоимость за пару: 4,20 USD при годовом объеме 800 000 единиц. Годовой доход от этого единственного применения: 3,36 млн USD.
Пример 2 — Японский поставщик второго уровня: стеклоподъемник, критически важный по уровню шума и вибрации, 3,2 миллиона единиц в год.
Японский производитель червячных передач поставлял пары шестерен стеклоподъемников японскому поставщику модулей стеклоподъемников первого уровня для распространения на 5 платформах автомобилей в объеме 3,2 миллиона единиц в год (4 окна на автомобиль × 800 000 автомобилей). Выходной крутящий момент: 5 Н·м. Двигатель: 12 В, коллекторный, постоянного тока, 80 Вт. Червячная передача: однозаходная, модуль 0,8, передаточное отношение 55:1. Червяк: холоднокатаная углеродистая сталь, фосфатное покрытие, накатная резьба (не шлифованная — оптимизирована по стоимости для модуля 0,8, где шлифовка непропорционально дорога). Колесо: POM (ацетал — выбран вместо PA66 для снижения шума при малой нагрузке 5 Н·м, и не требуется стекловолокно при этом уровне крутящего момента). Люфт: менее 15 угловых минут (менее критичен, чем EPS — положение окна не требует точности на уровне рулевого управления). Уровень шума и вибрации: менее 42 дБ(А) на расстоянии 0,3 м (расстояние от дверной панели до уха пассажира). Тестирование уровня шума на заключительном этапе производства (100%) на 3 рабочих скоростях (медленная, средняя, быстрая). Стоимость за пару: 1,85 доллара США при объеме производства 3,2 миллиона штук. Просмотреть автомобильный червячный редуктор варианты применения для систем EPS, стеклоподъемников и приводов кузова.
Пример 3 — Вьетнамский производитель запчастей для вторичного рынка: универсальный мотор стеклоподъемника, ориентированный на снижение затрат, 200 000 в год.
Вьетнамский производитель автомобильных запчастей для вторичного рынка выпускал универсальные электромоторы стеклоподъемников для рынка Юго-Восточной Азии в объеме 200 000 единиц в год. Спецификация для вторичного рынка была менее требовательной, чем для OEM-производителей: не было требований к PPAP, не было формальных требований к Cpk, не было испытаний на уровень шума в конце производственной линии. Целевой показатель NVH: ниже 50 дБ(А) (покупатели вторичного рынка допускают на 6-8 дБ(А) больше шума, чем покупатели OEM-продукции). Червячная передача: однозаходная, модуль 1, передаточное отношение 50:1. Червяк: холоднокатаная углеродистая сталь, оцинкованная, нарезанная резьба Ra 1,2 мкм (без шлифовки — приоритет по стоимости). Колесо: POM (тот же материал, что и у OEM-производителя, но допуск литья под давлением снижен с ±0,02 мм до ±0,05 мм — более дешевая пресс-форма и более длительный срок службы пресс-формы). Зазор: 20-30 угловых минут (достаточно для работы стеклоподъемника, не требуется точность уровня рулевого управления). Контроль качества: выборочная проверка размеров (5 за смену) плюс 10-процентная выборочная проверка уровня шума. Стоимость за пару: 0,65 долларов США при объеме 200 000 штук. Пара за 0,65 долларов США, продаваемая на вторичном рынке, обеспечивала адекватную работу механизма подъема окон, но не соответствовала требованиям OEM по уровню шума, вибрации и надежности — она была рассчитана на 5 лет / 20 000 циклов, в то время как OEM требовал 15 лет / 40 000 циклов.
Часто задаваемые вопросы
В: Почему в автомобильных червячных передачах используются пластиковые колеса вместо бронзовых?
Три причины: шум (ПОМ и ПА66 производят на 10–15 дБ(А) меньше шума от сетки, чем бронза — это критически важно для снижения шума и вибрации в салоне), вес (пластиковые колеса весят на 60–70 процентов меньше, чем бронзовые — это способствует достижению целей по снижению веса автомобиля) и стоимость (пластиковые колеса стоят от 0,15 до 0,40 долларов США против бронзовых от 1,50 до 4,00 долларов США за колесо — разница в стоимости в 5–10 раз, которая имеет решающее значение при миллионных объемах производства). Компромисс заключается в долговечности: пластиковые колеса имеют меньший срок службы при усталостных нагрузках, чем бронзовые при эквивалентном крутящем моменте, и они чувствительны к температуре (ПА66 теряет 30 процентов своей прочности при 120 градусах Цельсия — это может происходить вблизи приводов, установленных в моторном отсеке). Для легких нагрузок и умеренных температур стеклоподъемников и регуляторов сидений пластик является универсально подходящим материалом.
В: Что такое PPAP и почему он важен для поставщиков червячных передач?
PPAP (Production Part Approval Process) — это метод, используемый в автомобильной промышленности для проверки способности поставщика стабильно производить детали, соответствующие техническим требованиям. Заявка на утверждение PPAP для червячной передачи включает 18 элементов: проектную документацию, документы об изменениях в проектировании, результаты измерений (полная компоновка 5 образцов деталей), результаты испытаний материалов, технологическую схему, PFMEA (анализ видов и последствий отказов процесса), план контроля, анализ системы измерений, первоначальное исследование возможностей процесса (данные Cpk) и гарантийное письмо на предоставление детали, подписанное менеджером по качеству поставщика. Утверждение PPAP должно быть получено до первой отгрузки продукции — и его необходимо повторно подать, если изменяется производственный процесс, материал, оснастка или место производства. Поставщик, не прошедший процедуру PPAP, не может продавать продукцию автомобильным OEM-производителям.
В: Чем отличается червячная передача в электроусилителе рулевого управления от аналогичной системы в промышленных условиях?
Червячные передачи EPS являются двунаправленными (водитель может отключить усилие двигателя, повернув рулевое колесо, что приводит к обратному вращению червяка через колесо) — в отличие от промышленных самоблокирующихся передач, где обратное вращение предотвращается. Червяк EPS имеет немного больший угол зацепления (ближе к границе угла трения), что позволяет осуществлять обратное вращение с умеренным усилием, обеспечивая при этом достаточную самоблокировку, чтобы предотвратить передачу вибрации от дороги на водителя. Эта сбалансированная конструкция угла зацепления уникальна для EPS — ни в одном другом применении червячных передач намеренно не используется режим работы вблизи границы самоблокировки. Запас прочности невелик: слишком сильная самоблокировка приводит к утяжелению рулевого управления; слишком слабая — к передаче вибрации от дороги на колесо.
В: Какой объем производства оправдывает использование оснастки автомобильного класса для червячных передач?
Объем производства, обеспечивающий безубыточность для автомобильной промышленности (специализированные пресс-формы для литья под давлением пластиковых колес, штампы для холодной ковки стальных червячных передач, автоматизированные сборочные и испытательные линии), обычно составляет от 50 000 до 100 000 единиц в год. При объеме производства ниже этого значения амортизационные затраты на оснастку на единицу продукции превышают экономию от методов массового производства, и промышленное машиностроение оказывается более экономически выгодным. При объеме производства более 100 000 единиц себестоимость единицы продукции быстро снижается с увеличением объема: стоимость колеса из полиоксиметилена составляет приблизительно 0,35 доллара США при объеме 100 000 единиц, 0,20 доллара США при 500 000 единицах и 0,12 доллара США при 3 миллионах. Стоимость червячной передачи следует аналогичной кривой, но с меньшим наклоном (стальные штампы для холодной ковки дороже, но служат дольше, чем пластиковые пресс-формы).
В: Каков типичный процент обращений по гарантии на автомобильные червячные передачи?
Поставщики OEM-класса, ориентированные на корейских, японских и европейских производителей, стремятся к показателю менее 50 случаев на миллион (все виды отказов вместе взятые) по гарантийным случаям за весь гарантийный период автомобиля (обычно 5 лет / 100 000 км). Производители премиум-класса (немецкие люксовые бренды) стремятся к показателю менее 10 случаев на миллион. Наиболее распространенным видом гарантийного отказа червячных передач является шум — пара механически функционирует, но издает звук, воспринимаемый клиентом, что и приводит к жалобе. На претензии по поводу шума обычно приходится от 60 до 80 процентов от общего объема гарантийных случаев по червячным передачам. Механические отказы (поломка зубьев, чрезмерный люфт) составляют от 10 до 20 процентов. Остальные претензии связаны с воздействием окружающей среды (проникновение воды через уплотнители дверей, повреждающее стеклоподъемник, коррозия в прибрежных районах).
Автомобильные червячные передачи представляют собой наиболее массовый, высококачественный и конкурентоспособный по цене сегмент мирового рынка червячных передач — от 6 до 18 миллионов пар в год для одного крупного OEM-производителя, управляемый с помощью процесса статистического контроля процессов (SPC) (Cpk от 1,33 до 1,67), а не индивидуальной проверки, и по цене от 0,65 до 4,20 долларов США за пару по сравнению с 50–15 000 долларов США для промышленных применений, описанных в статьях A01–A29. Матрица контроля качества SPC преобразует классификацию критичности в автомобильной промышленности (критически важные для безопасности, критически важные для NVH, значительные) в целевые значения Cpk и методы тестирования, которые регулируют каждый размер, каждую поверхность и каждую акустическую характеристику каждой произведенной пары. Пластиковые колеса (POM, PA66-GF) являются универсальным выбором материала, поскольку они обеспечивают уровень шума и вибрации, снижение веса и себестоимость единицы продукции, которые требуются в автомобильной экономике — компромисс, которого нет ни в одном промышленном применении в этой серии.
Для поставщиков первого и второго уровня в автомобильной промышленности наш инженерный отдел предоставляет готовые к PPAP червячные передачи с документацией SPC, отчетами о производственных возможностях и протоколами тестирования на заключительном этапе производства. Стандартный каталог автомобильные червячные передачи Рассматриваются варианты применения в системах EPS, стеклоподъемниках, регуляторах сидений и приводах кузова с модулем от 0,6 до 2,0, с вариантами колес из POM и PA66-GF. Отправьте заявку. технические характеристики автомобильного привода с указанием типа применения, годового объема, целевого уровня шума и вибрации, а также требований к уровню PPAP.
Выбираете червячные передачи для производителей оригинального оборудования или вторичного рынка автомобилей?
Укажите тип применения (EPS, окно, сиденье, люк, зеркало), годовой объем производства, целевой уровень NVH, класс критичности, уровень PPAP и требования IATF 16949. Мы предоставим спецификацию, подтвержденную SPC, вместе с документацией по технологическим возможностям.
Редактор: Cxm
