黃東東

基于有限元法的制動(dòng)氣室支架優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃東東

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章針對某輕型卡車使用過程中出現(xiàn)氣室支架斷裂問題進(jìn)行了原因分析，采用仿真分析方法，分析氣室支架應(yīng)力集中點(diǎn)，針對應(yīng)力集中點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終提供了一種較好的解決方案，為后續(xù)其它支架開發(fā)提供了一種有效的借鑒思路。

氣室支架；斷裂；仿真：應(yīng)力

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-96-03

引言

制動(dòng)系統(tǒng)主要功能是駕駛者通過對制動(dòng)踏板的操縱來控制車輛行駛的速度。制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)器通過制動(dòng)氣室充氣推動(dòng)調(diào)整臂旋轉(zhuǎn)進(jìn)行制動(dòng)，制動(dòng)氣室安裝在氣室支架上，制動(dòng)過程中氣室支架受到氣室推力反力作用，頻繁制動(dòng)過程中氣室支架疲勞強(qiáng)度不足，導(dǎo)致支架斷裂，制動(dòng)失效，嚴(yán)重的會(huì)影響行駛安全，給生命財(cái)產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重的隱患。

1 問題提出

某輕型卡車，匹配氣壓鼓式制動(dòng)器，該車在市場使用過程中駕駛員反饋車輛存在前輪制動(dòng)氣室支架斷裂現(xiàn)象，更換新的氣室支架后仍然重復(fù)出現(xiàn)該故障。

2 故障現(xiàn)象調(diào)查

選取上述故障車型進(jìn)行調(diào)查，通過對故障件分析結(jié)果如下：

圖1 氣室支架故障件

①斷裂位置：}氣室支架斷裂位置基本一致，斷口在加強(qiáng)筋末端沉孔處；

②尺寸檢測：鑄件厚度、加強(qiáng)筋厚度均符合圖紙要求；

③金相分析：球化2級，基體為鐵素體，珠光體＜5%，碳化物＜1%；材料合格。

通過對以上分析，可以排除零部件本身制造過程引起的斷裂，支架斷裂應(yīng)為設(shè)計(jì)問題，初步判定制動(dòng)過程應(yīng)力集中導(dǎo)致支架斷裂。

3 原因分析

針對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，采用CAE仿真分析方法進(jìn)行校核，仿真分析之前必須制動(dòng)器工作過程，制動(dòng)過程中氣室支架受力狀況。

3.1 制動(dòng)過程分析

車輛制動(dòng)時(shí)，駕駛?cè)藛T踩下制動(dòng)踏板，制動(dòng)氣室充氣，氣室推桿推動(dòng)調(diào)整臂旋轉(zhuǎn)，調(diào)整臂帶動(dòng)凸輪軸張開，摩擦片與制動(dòng)鼓接觸產(chǎn)生摩擦，完成制動(dòng)動(dòng)作。制動(dòng)氣室支架通過氣室螺栓緊固連接，制動(dòng)過程受到氣室反作用力，具體見圖2。

3.2 受力狀況分析

制動(dòng)氣室支架強(qiáng)度分析前，應(yīng)對制動(dòng)過程中制動(dòng)氣室支架受到外部載荷分析，制動(dòng)氣室支架受到的外部載荷如下：

1）制動(dòng)氣室對氣室支架的反作用力，根據(jù)氣室輸出力可知制動(dòng)氣室推力8256N，制動(dòng)氣壓0.8Mpa，制動(dòng)氣室支架受到的反作用力也為8256N；

2）制動(dòng)氣室支架與制動(dòng)底板螺栓連接緊固約束。

具體約束，載荷位置見圖3。

圖3 氣室支架受力分析

3.3 有限元分析

通過Pro-E三維軟件建模，數(shù)據(jù)處理后導(dǎo)入Hyperworks軟件，氣室支架材料：QT450-10，材料彈性模量E：1.5e5Mpa，泊松比δ：0.27，材料屈服極限310Mpa，材料強(qiáng)度極限450Mpa。根據(jù)上述制動(dòng)氣室支架受力分析，進(jìn)行加載，并將氣室支架另一端四個(gè)孔進(jìn)行約束。分析結(jié)果如下：

圖4 氣室支架應(yīng)力圖

通過以上仿真結(jié)果，氣室支架應(yīng)力超過材料強(qiáng)度極限，加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，氣室支架結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化。

4 解決措施

4.1 結(jié)構(gòu)分析

基于以上仿真分析結(jié)果，加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)不合理，延伸長度短，加強(qiáng)筋必須沿至外力的作用點(diǎn)處，如圖5b所示。圖5a兩種肋板機(jī)構(gòu)，不但對支撐沒有加強(qiáng)作用，反而降低支架的強(qiáng)度和剛度，因?yàn)樵谀承┙孛嫔峡箯澖孛婺Ａ康陀跓o肋板值，只有圖5b的肋板結(jié)構(gòu)對強(qiáng)度和剛度均得到加強(qiáng)。

圖5 加強(qiáng)筋對支架強(qiáng)度影響

4.2 改進(jìn)措施

在原氣室支架基礎(chǔ)上結(jié)構(gòu)改進(jìn)如下：

（1）縮短凸輪軸安裝軸向尺寸，取消對多余材料，降低支架質(zhì)量；

（2）氣室安裝螺栓部位加厚，安裝孔相互獨(dú)立結(jié)構(gòu)；

（3）加強(qiáng)筋寬度增加，長度延伸至氣室安裝孔。

圖6 氣室支架結(jié)構(gòu)改進(jìn)

4.3 有限元分析

通過Pro-E三維軟件重新設(shè)計(jì)氣室支架，氣室支架安裝尺寸保持不變，三維數(shù)據(jù)處理后導(dǎo)入Hyperworks軟件，氣室支架材料：QT450-10，材料彈性模量E：1.5e5Mpa，泊松比δ：0.27，材料屈服極限310Mpa，材料強(qiáng)度極限450Mpa。根據(jù)3.2制動(dòng)氣室支架受力分析，進(jìn)行加載8256N，并將氣室支架另一端四個(gè)孔進(jìn)行約束。分析結(jié)果如下：

通過以上仿真結(jié)果，氣室支架最大應(yīng)力值231Mpa，小于QT450-10材料屈服極限310Mpa，氣室支架最大變形量1.2mm，氣室支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后滿足使用要求。

5 結(jié)論

該文提供了一種制動(dòng)氣室支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的新方法，通過CAE仿真分析方法，識別氣室支架結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)，加強(qiáng)薄弱位置，同時(shí)去除設(shè)計(jì)過剩部位材料，可以實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，降低成本；通過優(yōu)化加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)筋寬度、延伸長度設(shè)計(jì)合理，也為其它支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種新的思路。

[1] 劉惟信.汽車制動(dòng)系的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)計(jì)算.[M]北京：清華大學(xué)出版社,2004.

[2] 張勝蘭.基于Hyperworks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù).[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[3] 江淮汽車集團(tuán)研發(fā)中心.江淮輕型卡車設(shè)計(jì)規(guī)范.第一版,合肥∶ 江淮汽車集團(tuán)股份有限公司,2006.

Based on the finite element method of the optimization and design of brake chamber

Huang Dongdong
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

A light-duty truck, the author of this paper in the process of using the air chamber stent fracture problem has carried on the reason analysis, the simulation analysis method, analysis of the air chamber bracket stress concentration, the concentration for structure optimization design, finally provides a good solution, for subsequent stent development provides an effective reference for other ideas.

air chamber bracket; The fracture; The simulation; stress

U462.1

A

1671-7988 (2017)16-96-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.034

黃東東，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心輕型商用車研究院，從事輕卡制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。