Korea Ever-Power · Sprievodca aplikačným inžinierstvom
Šnek a závitovkové koleso pre automobilové riadenie a regulátor okien
Každé auto na ceste obsahuje 4 až 12 párov závitovkových ozubených kolies – v stĺpiku riadenia s elektrickým posilňovačom, v každom zo štyroch ovládačov okien, v nastavovačoch sedadiel, strešnom okne a ovládačoch zrkadiel. Jeden výrobca automobilov OEM, ktorý vyrába 1,5 milióna vozidiel ročne, spotrebuje 6 až 18 miliónov párov závitovkových ozubených kolies. Pri tomto objeme zníženie nákladov o 0,02 USD na pár ušetrí 120 000 až 360 000 USD ročne – a miera chybovosti kvality 0,1 percenta spôsobí 6 000 až 18 000 reklamácií. Hromadná výroba transformuje špecifikáciu páru závitovkových ozubených kolies z inžinierskeho problému na štatistickú výzvu v oblasti kontroly kvality.
Automobilové aplikácie – elektrický posilňovač riadenia (EPS), regulátory okien, nastavovače sedadiel, pohony strešných okien a ovládače zrkadiel – predstavujú najväčší objem výroby párov závitovkových prevodov na svete: 100 000 až 5 000 000 kusov ročne na aplikáciu a na výrobcu originálneho zariadenia (OEM). Matica kontroly kvality SPC pre hromadnú výrobu definuje ciele Cpk (index procesnej spôsobilosti) pre každý kritický rozmer páru závitovkových prevodov: Cpk 1,67 alebo vyšší pre bezpečnostne kritické parametre EPS (vôľa, krútiaci moment), Cpk 1,33 alebo vyšší pre parametre kritické z hľadiska NVH (povrchová úprava, profil zubov) a Cpk minimálne 1,0 pre nekritické rozmery. Tento štatistický prístup nahrádza kontrolu jednotlivých dielov používanú v priemyselných aplikáciách (články A01 až A29) štatistickým overením na úrovni procesu – potvrdzujúcim nie to, že každý diel spĺňa špecifikáciu, ale to, že výrobný proces nie je štatisticky schopný vyrobiť nezhodné diely. Plastové kolesá z POM a PA66-GF sú univerzálne pre automobilové aplikácie, pretože poskytujú výkon NVH, zníženie hmotnosti a jednotkové náklady, ktoré si vyžaduje automobilová ekonomika.
Kde každé auto používa páry závitovkových prevodov
Moderné osobné auto obsahuje 4 až 12 samostatných párov závitovkových ozubených kolies naprieč viacerými subsystémami. Každá aplikácia má tri spoločné požiadavky: tichá prevádzka v priestore pre cestujúcich (hluk, vibrácie a vibrácie pod úrovňou ľudského vnímania), ľahká konštrukcia (každý gram ovplyvňuje spotrebu paliva alebo dojazd elektromobilu) a spoľahlivosť na automobilovej úrovni (nulové poruchy počas 10 až 15 rokov a viac ako 200 000 prevádzkových cyklov). Každá aplikácia má však aj jedinečné požiadavky, ktoré odlišujú špecifikáciu páru závitovkových ozubených kolies.
Funkcia: Krútiaci moment motora prenášaný cez závitovkové koleso na stĺpik riadenia.
Krútiaci moment: 20 až 60 N·m asistencie. Vôľa: Pod 5 oblúkových minút (pocit riadenia).
Samosvorné: Základné – zabraňuje spätnej väzbe od vozovky, ktorá by spôsobila spätný tok motora.
Kvalita: Bezpečnostné parametre zodpovedajú norme IATF 16949, PPAP úroveň 3, Cpk ≥ 1,67.
Objem: 1 na vozidlo. Život: 15 rokov / 300 000 km.
Funkcia: Motor poháňa okenné sklo hore/dole pomocou lanového bubna a závitovkového prevodu.
Krútiaci moment: 3 až 8 N·m. Hluk: Pod 42 dB(A) vo vnútri kabíny.
Samosvorné: Základné – udržiava polohu okna proti tlaku vetra pri rýchlosti na diaľnici.
Kvalita: IATF 16949, PPAP úroveň 3, Cpk ≥ 1,33 pre parametre NVH.
Objem: 4 na vozidlo. Život: Viac ako 40 000 cyklov.
Matica kontroly kvality SPC pre hromadnú výrobu – ciele Cpk podľa kritickosti parametrov
Pri výrobe párov závitovkových prevodov v priemysle (články A01 až A29) sa kvalita overuje kontrolou každej súčiastky podľa špecifikácie – ide o 100-percentnú kontrolu, ktorá je uskutočniteľná pri objemoch 50 až 5 000 kusov ročne. Pri objemoch automobilového priemyslu (100 000 až 5 000 000 kusov ročne) je 100-percentná kontrola každého rozmeru ekonomicky nemožná. Namiesto toho dodávatelia automobilového priemyslu používajú na monitorovanie výrobného procesu SPC (štatistická kontrola procesov) – overujú, či procesná kapacita (Cpk) prekračuje prahovú hodnotu, ktorá štatisticky zaručuje zhodu.
Matica ukazuje, že kvalita závitovkových prevodov v automobilovom priemysle sa riadi na troch úrovniach: parametre kritické z hľadiska bezpečnosti (Cpk 1,67, menej ako 1 chyba na milión), ktoré by pri nedodržaní špecifikácie spôsobili zlyhanie bezpečnosti vozidla, parametre kritické z hľadiska NVH (Cpk 1,33, menej ako 63 chýb na milión), ktoré by zákazníkom spôsobili hluk alebo drsnosť, a významné parametre (Cpk 1,0, menej ako 2 700 na milión), ktoré ovplyvňujú uloženie zostavy, ale nie funkčnosť alebo vnímanie zákazníkom. Dodávateľ závitovkových prevodov pre výrobcu originálnych dielov v automobilovom priemysle musí preukázať tieto hodnoty Cpk počas procesu schvaľovania výrobných dielov (PPAP) pred začiatkom výroby – a udržiavať ich počas celej životnosti výroby s priebežným monitorovaním SPC.
Požiadavky na hluk, vibrácie a vibrácie – tichá prevádzka v priestore pre cestujúcich
Priestor pre cestujúcich v automobile je najtichším prevádzkovým prostredím pre závitovkové kolesá v tejto 30-článkovej sérii – a paradoxne má najprísnejšiu špecifikáciu hluku. Nemocničné lôžko na jednotke intenzívnej starostlivosti (článok A11) pracuje s hlučnosťou nižšou ako 45 dB(A) v miestnosti s hlukom pozadia 35 dB(A). Regulátor okna v automobile musí pracovať s hlučnosťou nižšou ako 42 dB(A) vo vnútri kabíny, kde hluk pozadia pri rýchlosti na diaľnici môže byť iba 62 až 68 dB(A) – ale regulátor pracuje počas zastavenia a nízkej rýchlosti, keď je hluk v kabíne 35 až 45 dB(A), takže regulátor s hlučnosťou 42 dB(A) je jasne počuteľný. Prah vnímania hluku závitovkového kolesa v tichej kabíne je približne 38 dB(A) – čo je cieľová hodnota pre prémiové vozidlá.
Plastové kolesá ako riešenie NVH. POM (acetal) a PA66-GF (nylon vystužený sklenenými vláknami) sú univerzálne materiály na kolesá pre závitovkové prevody v automobilovom priemysle, pretože pri nízkych krútiacim momentoch typických pre automobilové aplikácie (3 až 60 N·m) produkujú o 10 až 15 dB(A) nižší hluk v zábere ako bronz. POM sa uprednostňuje pre ovládače okien a ovládače zrkadiel (najnižšia hlučnosť, dostatočná pevnosť pri 3 až 8 N·m). PA66-GF sa uprednostňuje pre stĺpiky riadenia z EPS (vyššia pevnosť pri 20 až 60 N·m, sklenené vlákna zvyšujú pevnosť v ťahu o 40 percent v porovnaní s nevystuženým PA66). Oba materiály stoja o 60 až 80 percent menej na koleso ako bronz, čo je rozhodujúce pre cenové ciele v automobilovom priemysle.
Kórejský dodávateľ automobilového priemyslu Tier 1, ktorý vyrába páry závitovkových prevodov regulátorov okien pre významného výrobcu originálneho zariadenia (OEM) s 2,4 miliónmi kusov ročne, zaznamenal v treťom roku výroby prudký nárast reklamácií: 380 sťažností na hluk PPM (zákazníci hlásili počuteľné klikanie počas ovládania okna). Vyšetrovanie vysledovalo hluk k zmene profilu zuba na POM kolese – proces vstrekovania sa posunul v dôsledku opotrebovania dutiny formy, čo spôsobilo odchýlku 0,03 mm na boku zuba, ktorá bola v rámci rozmerovej tolerancie (Cpk zostal nad 1,0 pre daný rozmer), ale prekročil prahovú hodnotu NVH. Rozmerový graf SPC nevykazoval žiadny alarm – ale graf SPC hluku (100-percentné testovanie hluku na konci výrobnej linky, zavedené po incidente) ukázal, že hluk mal stúpajúci trend 6 týždňov predtým, ako boli uplatnené reklamácie. Nápravné opatrenie: pridať do plánu kontroly SPC testovanie hluku na konci linky (100-percentné testovanie za 0,8 USD na jednotku – čo predstavuje pridanie 1 920 000 USD ročne k výrobným nákladom), renovovať dutiny foriem v cykle 500 000 záberov (predtým 800 000 záberov) a sprísniť cieľovú hodnotu Cpk profilu zuba z 1,0 na 1,33 pre kritický rozmer boku z hľadiska NVH. Reklamácie klesli na 12 PPM do 3 mesiacov. Ponaučenie: rozmerová zhoda nezaručuje zhodu s NVH – pár závitovkových ozubených kolies môže byť rozmerovo v rámci tolerancie, ale akusticky mimo špecifikácie, pretože citlivosť na hluk závisí od geometrických interakcií (profil, stúpanie, hádzanie), ktoré SPC jednotlivých rozmerov nezachytáva. Funkčné testovanie na konci linky (hluk, krútiaci moment, vôľa) je povinné pre páry závitovkových ozubených kolies automobilovej triedy.
Tri prípady špecifikácie párov závitovkových prevodov pre automobily
Prípad 1 – Kórejský dodávateľ úrovne 1: EPS stĺpový asistent, bezpečnostne kritický, 800 000 jednotiek/rok
Kórejský dodávateľ automobilového priemyslu Tier 1 špecifikoval páry závitovkových prevodov pre systém elektrického posilňovača riadenia stĺpového typu dodávaný kórejskému výrobcovi originálnych dielov (OEM) pre 3 platformy vozidiel s 800 000 kusmi ročne. Krútiaci moment EPS: maximálne 45 N·m. Motor: 12 V bezkefkový jednosmerný prúd, 500 W. Pár závitovkových prevodov: jednoštvorcový, modul 1,25, prevodový pomer 16:1. Závitovka: za studena kovaná uhlíková oceľ s antikoróznym povlakom Geomet (nahrádza zinkovanie na prevenciu vodíkového krehnutia), brúsený Ra 0,3 µm. Koleso: PA66-GF30 (30 percent nylonu vystuženého sklenenými vláknami – najpevnejší plast dostupný pre závitovkové kolesá automobilov). Vôľa: pod 5 oblúkových minút (citlivosť riadenia). NVH: pod 40 dB(A) vo vzdialenosti 1 m (merané počas testu PPAP na konci linky). Požiadavky na Cpk: vôľa Cpk 1,67 (bezpečnostne kritická), krútiaci moment Cpk 1,67, profil zuba Cpk 1,33, hluk Cpk 1,33. PPAP úroveň 3 s kompletnou rozmerovou správou, certifikáciou materiálu, diagramom toku procesu, plánom riadenia a počiatočnou štúdiou procesných schopností. Cena za pár: 4,20 USD pri ročnom objeme 800 000 jednotiek. Ročný príjem z tejto jednej aplikácie: 3,36 milióna USD.
Prípad 2 – Japonský dodávateľ úrovne 2: regulátor okien, kritický z hľadiska NVH, 3,2 milióna kusov/rok
Japonský výrobca závitovkových prevodov dodal ozubené kolesá pre reguláciu okien japonskému dodávateľovi okenných modulov Tier 1 na distribúciu na 5 platforiem vozidiel s výkonom 3,2 milióna kusov ročne (4 okná na vozidlo × 800 000 vozidiel). Výstupný krútiaci moment: 5 N·m. Motor: 12 V kefový jednosmerný motor, 80 W. Závitovkový prevod: jednoštvorcový, modul 0,8, prevodový pomer 55:1. Závitovka: uhlíková oceľ s hlavicou za studena, fosfátovaný povrch, valcovaný závit (nebrúsený – nákladovo optimalizované pre veľkosť modulu 0,8, kde je brúsenie neúmerne drahé). Koleso: POM (acetál – zvolený pred PA66 pre nižšiu hlučnosť pri nízkom zaťažení 5 N·m a pri tejto úrovni krútiaceho momentu nie sú potrebné žiadne sklenené vlákna). Vôľa: pod 15 oblúkových minút (menej kritická ako EPS – poloha okna nevyžaduje presnosť na úrovni riadenia). NVH: pod 42 dB(A) pri 0,3 m (vzdialenosť od panelu dverí k uchu cestujúceho). 100-percentný test hluku na konci prevádzky pri 3 prevádzkových rýchlostiach (pomalá, stredná, rýchla). Cena za pár: 1,85 USD pri objeme 3,2 milióna kusov. Prehliadať automobilový závitovkový redukčný prevod možnosti pre EPS, ovládače okien a aplikácie pohonov karosérie.
Prípad 3 – Vietnamský výrobca náhradných dielov: univerzálny motor okien, cenovo orientovaný, 200 000/rok
Vietnamský výrobca automobilových náhradných dielov vyrábal univerzálne motory elektrických okien pre trh s náhradnými dielmi v juhovýchodnej Ázii v objeme 200 000 kusov ročne. Špecifikácia pre trh s náhradnými dielmi bola menej náročná ako u výrobcu originálnych dielov (OEM): žiadny PPAP, žiadna formálna požiadavka Cpk, žiadne testovanie hluku na konci výrobnej linky. Cieľová hodnota NVH: pod 50 dB(A) (zákazníci na trhu s náhradnými dielmi tolerujú o 6 až 8 dB(A) viac hluku ako kupujúci z OEM). Závitovkový prevod: jednochodý, modul 1, prevod 50:1. Závitovka: uhlíková oceľ s hlavicou za studena, pozinkovaná, odvaľovací závit Ra 1,2 µm (bez brúsenia – priorita nákladov). Koleso: POM (rovnaký materiál ako u výrobcu originálnych dielov, ale tolerancia vstrekovania plastov znížená z plus alebo mínus 0,02 mm na plus alebo mínus 0,05 mm – lacnejšia forma a dlhšia životnosť formy). Vôľa: 20 až 30 oblúkových minút (dostatočná pre funkciu okna, nie je potrebná presnosť na úrovni riadenia). Kontrola kvality: rozmerová kontrola vzorky (5 za smenu) plus 10-percentná náhodná kontrola hluku. Cena za pár: 0,65 USD pri objeme 200 000 kusov. Pár náhradných dielov za 0,65 USD poskytoval primeranú funkciu zdvíhania okien, ale nespĺňal špecifikácie výrobcu (OEM) týkajúce sa šumu, vibrácií a vibrácií (NVH) alebo spoľahlivosti – bol navrhnutý na 5-ročnú životnosť/20 000 cyklov náhradných dielov v porovnaní s požiadavkou výrobcu (OEM) na 15 rokov/40 000 cyklov.
Často kladené otázky
Otázka: Prečo sa v automobilových závitovkových prevodových pároch používajú plastové kolesá namiesto bronzu?
Tri dôvody: hluk (POM a PA66 produkujú o 10 až 15 dB(A) menej hluku v okienku ako bronz – čo je kritické pre hluk, vibrácie a vibrácie v priestore pre cestujúcich), hmotnosť (plastové kolesá vážia o 60 až 70 percent menej ako bronz – čo prispieva k cieľom odľahčenia vozidiel) a cena (plastové kolesá za 0,15 až 0,40 USD oproti bronzovým za 1,50 až 4,00 USD za koleso – čo je 5 až 10-násobný cenový rozdiel, ktorý je rozhodujúci pri miliónoch kusov). Kompromisom je trvanlivosť: plastové kolesá majú pri porovnateľnom krútiacom momente kratšiu únavovú životnosť ako bronzové a sú citlivé na teplotu (PA66 stráca 30 percent svojej pevnosti pri 120 stupňoch Celzia – čo sa môže stať v blízkosti ovládačov namontovaných v motorovom priestore). Pre ľahké zaťaženie a mierne teploty ovládačov okien a nastavovačov sedadiel je plast univerzálne postačujúci.
Otázka: Čo je PPAP a prečo je dôležitý pre dodávateľov závitovkových prevodov?
PPAP (Proces schvaľovania výrobných dielov) je metóda automobilového priemyslu na overenie, či dodávateľ dokáže konzistentne vyrábať diely, ktoré spĺňajú špecifikácie. Žiadosť o PPAP pre pár závitovkových prevodov obsahuje 18 prvkov: konštrukčné záznamy, dokumenty o technických zmenách, rozmerové výsledky (úplné rozloženie 5 vzorových dielov), výsledky materiálových skúšok, diagram toku procesu, PFMEA (Analýza spôsobu a následkov zlyhania procesu), plán kontroly, analýza systému merania, počiatočná štúdia procesných schopností (údaje Cpk) a príkaz na predloženie dielu podpísaný manažérom kvality dodávateľa. Schválenie PPAP sa musí získať pred prvou výrobnou dodávkou – a musí sa opätovne predložiť, ak sa zmení výrobný proces, materiál, nástroje alebo miesto výroby. Dodávateľ, ktorý nedokáže dokončiť PPAP, nemôže predávať výrobcom OEM v automobilovom priemysle.
Otázka: Aký je rozdiel medzi závitovkovým prevodom v elektrickom posilňovači riadenia a priemyselnými aplikáciami?
Závitovkové prevody EPS sú obojsmerné (vodič môže prepísať asistenciu motora otočením volantu, čím sa závitovka poháňa spätne cez koleso) – na rozdiel od priemyselných samosvorných prevodov, u ktorých je spätný pohyb zabránený. Závitovka EPS má o niečo vyšší uhol nábehu (bližšie k hranici uhla trenia), čo umožňuje spätný pohyb s miernym úsilím a zároveň poskytuje dostatočné samosvorenie, aby sa zabránilo tomu, že spätná väzba od vozovky dosiahne vodiča. Táto konštrukcia vyváženého uhla nábehu je jedinečná pre EPS – žiadna iná aplikácia závitovkových prevodov zámerne nefunguje v blízkosti hranice samosvorenia. Hranica je úzka: príliš veľa samosvorenia a riadenie sa zdá ťažké; príliš málo a vibrácie z vozovky sa prenášajú na koleso.
Otázka: Aký objem výroby odôvodňuje výrobu nástrojov automobilovej triedy pre páry závitovkových prevodov?
Objem, pri ktorom sa dosahuje bod zlomu pre výrobu v automobilovom priemysle (špecializované vstrekovacie formy na plastové kolesá, formy na kovanie za studena pre oceľové závitovky, automatizované montážne a testovacie linky), je typicky 50 000 až 100 000 kusov ročne. Pod týmto objemom náklady na amortizáciu nástrojov na kus prevyšujú úspory z hromadnej výroby – a priemyselná obrábaná výroba je nákladovo efektívnejšia. Nad 100 000 kusmi náklady na kus rýchlo klesajú s objemom: koleso z POM stojí približne 0,35 USD pri objeme 100 000 kusov, 0,20 USD pri 500 000 kusoch a 0,12 USD pri 3 miliónoch kusov. Náklady na závitovku sledujú podobnú krivku, ale s nižším sklonom (oceľové formy na kovanie za studena sú drahšie, ale vydržia dlhšie ako plastové formy).
Otázka: Aká je typická miera reklamácií pre automobilové závitovkové prevody?
Dodávatelia OEM triedy zameraní na kórejských, japonských a európskych výrobcov originálnych dielov (OEM) sa zameriavajú na celkovú mieru reklamácií pod 50 PPM (všetky poruchy dohromady) počas záručnej doby vozidla (zvyčajne 5 rokov / 100 000 km). Prémioví výrobcovia originálnych dielov (nemecké luxusné značky) sa zameriavajú na mieru reklamácií pod 10 PPM. Najčastejším typom poruchy závitovkových prevodov je hluk – prevodovka funguje mechanicky, ale zákazníkom je vnímateľný zvuk, ktorý spúšťa reklamáciu. Reklamácie súvisiace s hlukom zvyčajne predstavujú 60 až 80 percent celkového objemu reklamácií na závitovkové prevody. Mechanické poruchy (zlomenie zubov, nadmerná vôľa) predstavujú 10 až 20 percent. Zvyšné reklamácie sú environmentálne (preniknutie vody cez tesnenia dverí, poškodenie ovládača okna, korózia v pobrežnom podnebí).
Automobilové páry závitovkových prevodov predstavujú segment globálneho trhu so závitovkovými prevodmi s najvyšším objemom výroby, najvyššou kvalitou a najkonkurencieschopnejšími nákladmi – 6 až 18 miliónov párov ročne pre jedného významného výrobcu originálnych zariadení (OEM), riadené procesnou kapacitou SPC (Cpk 1,33 až 1,67) namiesto individuálnej kontroly a s cenou 0,65 až 4,20 USD za pár v porovnaní s 50 až 15 000 USD pre priemyselné aplikácie uvedené v článkoch A01 až A29. Matica kontroly kvality SPC premieňa klasifikáciu kritickosti automobilového priemyslu (kritická z hľadiska bezpečnosti, kritická z hľadiska NVH, významná) na ciele Cpk a testovacie metódy, ktoré riadia každý rozmer, každý povrch a každý akustický podpis každého vyrobeného páru. Plastové kolesá (POM, PA66-GF) sú univerzálnou voľbou materiálu, pretože poskytujú tiché NVH, zníženie hmotnosti a jednotkové náklady, ktoré vyžaduje automobilová ekonomika – kompromis, ktorý žiadna priemyselná aplikácia v tejto sérii neponúka.
Pre dodávateľov automobilového priemyslu úrovne Tier 1 a Tier 2 poskytuje naše technické oddelenie páry závitovkových prevodov pripravené na PPAP s dokumentáciou SPC, správami o procesných schopnostiach a protokolmi o testovaní na konci linky. Štandardný katalóg automobilové závitovkové prevody pokrýva aplikácie EPS, regulátorov okien, nastavovačov sedadiel a aktuátorov karosérie od modulu 0.6 do 2.0 s možnosťami kolies z POM a PA66-GF. Odošlite špecifikácia automobilového pohonu s typom aplikácie, ročným objemom, cieľovou hodnotou NVH a požadovanou úrovňou PPAP.
Špecifikácia párov závitovkových prevodov pre automobilový priemysel OEM alebo aftermarket?
Pošlite typ aplikácie (EPS, okno, sedadlo, strešné okno, zrkadlo), ročný objem, cieľovú hodnotu NVH, klasifikáciu kritickosti, úroveň PPAP a požiadavku IATF 16949. Poskytneme overenú špecifikáciu SPC s dokumentáciou o procesných spôsobilostiach.
Redaktor: Cxm
