干 慧 ，楊光明

（合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230012）

0 引言

工業(yè)的快速發(fā)展助推了經(jīng)濟的突飛猛進(jìn)，與此同時也對環(huán)境造成了不可逆的破壞。為創(chuàng)造更加美好的生活環(huán)境，尋求經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的平衡，近年來，國家出臺了一系列的環(huán)保政策，對制造行業(yè)提出了更高標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，為積極響應(yīng)國家環(huán)保工作的發(fā)展要求，在保障產(chǎn)品性能正常發(fā)揮的前提下，企業(yè)工程師需在設(shè)計產(chǎn)品過程中融入環(huán)保因素。

汽車作為一種交通運輸工具，承擔(dān)著運輸乘客或者貨物的職責(zé)，為保障汽車安全應(yīng)用的需求，對其組成零部件的質(zhì)量要求極為嚴(yán)格，需要產(chǎn)品具有較高的承載能力，故在最初的產(chǎn)品設(shè)計過程中，多數(shù)汽車零部件采用了鑄造的制造工藝。這種生產(chǎn)方式不僅可以制造結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的產(chǎn)品，還可以有效地保障產(chǎn)品性能，故被廣泛應(yīng)用，但隨著國家發(fā)展需求的轉(zhuǎn)變，鑄造工藝的缺點也日益凸顯，其生產(chǎn)過程中散發(fā)出的大量有害氣體以及粉塵嚴(yán)重影響著生產(chǎn)者的身體健康，不符合國家環(huán)保發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)，因此亟需對這種制造方式進(jìn)行改進(jìn)。在此背景下，技術(shù)日益成熟的焊接工藝[1-2]開始逐漸出現(xiàn)在各大零部件的生產(chǎn)過程中。

焊接工藝可以大大降低對環(huán)境的污染，還可以縮短加工周期，有利于提高生產(chǎn)效率，但要注意的是焊接產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性問題對其性能的高效發(fā)揮起著決定性的作用。因此，在進(jìn)行拼焊式氣室支架結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中開展可靠性分析具有重要意義和實際的工程應(yīng)用價值。

1 氣室支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計

氣室支架作為車輛制動系統(tǒng)[3-4]的重要組成部件，安裝于橋殼總成上，承擔(dān)著支撐氣室以及連接制動零部件的作用，故在設(shè)計拼焊式氣室支架的結(jié)構(gòu)時，幾個主要的安裝組成部分必須要根據(jù)橋殼固定支座以及制動系統(tǒng)其他零部件的安裝尺寸進(jìn)行設(shè)計，即與制動氣室配合的平面1，符合氣室推桿與凸輪軸安裝需求的平面2 以及與橋殼總成固定支座配合的平面3 這三部分基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 氣室支架（拼焊）基本結(jié)構(gòu)圖

但需要注意的是，氣室支架在車輛的制動過程中會受到?jīng)_擊力，容易發(fā)生斷裂[5]等故障，為更加準(zhǔn)確有效地對其進(jìn)行強化，本項目先進(jìn)行了市場調(diào)研，歸納總結(jié)了其他同類型氣室支架的市場表現(xiàn)情況，反饋結(jié)果顯示拼焊式氣室支架常見的故障表現(xiàn)形式為氣室安裝面板的斷裂以及它與腹板之間發(fā)生的斷裂，如圖2 所示。因此，在滿足安裝配合要求的基礎(chǔ)上還需對拼焊式氣室支架的承載性能進(jìn)行加強，合理的支撐結(jié)構(gòu)有助于提高氣室支架的穩(wěn)定性[6]，而對拼焊式氣室支架而言，強化設(shè)計最簡單有效的方式即增加加強筋結(jié)構(gòu)。故在保證其加強筋結(jié)構(gòu)尺寸以及其后期的焊縫寬度不會產(chǎn)生干涉的前提下，本項目設(shè)計了兩款支撐結(jié)構(gòu)，分別為分體式支撐結(jié)構(gòu)和整體式支撐結(jié)構(gòu)，如圖3、圖4所示。

圖2 拼焊式氣室支架斷裂

圖3 氣室支架（分體式支撐）

圖4 氣室支架（整體式支撐）

2 氣室支架的性能分析

對于企業(yè)而言，有限元分析[7-8]可以有效縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，降低試驗成本，可以為企業(yè)帶來實際的經(jīng)濟效益，提高產(chǎn)品的市場競爭力。同時，將有限元分析應(yīng)用在機械產(chǎn)品的升級優(yōu)化過程中的可行性和準(zhǔn)確性也得到了廣泛的認(rèn)可，因此，越來越多的企業(yè)在進(jìn)行新產(chǎn)品的開發(fā)以及產(chǎn)品的更新?lián)Q代過程中應(yīng)用有限元分析方法。在此背景下，本項目就將使用有限元軟件對氣室支架的不同支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2.1 建立氣室支架有限元分析模型

2.1.1 簡化三維模型

拼焊式氣室支架仿真模型的完整性直接影響其受力分析結(jié)果和優(yōu)化方案的選定，所以對氣室支架的三維模型精度進(jìn)行嚴(yán)格把控具有重要意義，它需要準(zhǔn)確地體現(xiàn)氣室支架的性能特性，同時還要適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行簡化，以提高網(wǎng)格繪制效率和質(zhì)量。故在建立氣室支架的有限元模型前，先將對氣室支架受力沒有影響但影響網(wǎng)格質(zhì)量的油孔螺紋以及安裝倒角等刪除，對拼焊式氣室支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化。簡化前后氣室支架的三維模型如圖5、圖6 所示。

圖5 氣室支架（簡化前）

圖6 氣室支架（簡化后）

2.1.2 繪制網(wǎng)格并導(dǎo)入設(shè)計參數(shù)

拼焊式氣室支架的材料以及氣室推力等參數(shù)對它的性能發(fā)揮影響較大，故在分析過程中需導(dǎo)入?yún)?shù)信息，如表1所示。

表1 拼焊式氣室支架的參數(shù)

2.1.3 約束并加載

根據(jù)氣室支架的實際安裝配合要求以及受力情況對其進(jìn)行約束、加載（氣室推力：19 000 N），如圖7所示。

圖7 氣室支架受力情況示意圖

2.2 分析結(jié)果

1）氣室支架分體式支撐結(jié)構(gòu)、整體式支撐結(jié)構(gòu)的第一主應(yīng)力值對比分析，如圖8、圖9所示。

圖8 氣室支架最大應(yīng)力（分體式加強筋）

圖9 氣室支架最大應(yīng)力（整體式加強筋）

應(yīng)力分析結(jié)果：整體式加強筋結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值為277.9 MPa，分體式加強筋結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值為299.7 MPa，整體式加強筋結(jié)構(gòu)的氣室支架比分體式加強筋結(jié)構(gòu)的氣室支架最大應(yīng)力值降低了7.27%。

2）氣室支架分體式支撐結(jié)構(gòu)、整體式支撐結(jié)構(gòu)的最大變形量對比分析，如圖10、圖11所示。

圖10 氣室支架最大變形量（分體式加強筋）

圖11 氣室支架最大變形量（整體式加強筋）

最大變形量分析結(jié)果：整體式加強筋結(jié)構(gòu)的最大變形量為1.195 mm，分體式加強筋結(jié)構(gòu)的最大變形量為1.308 mm，整體式加強筋結(jié)構(gòu)的氣室支架比分體式加強筋結(jié)構(gòu)的氣室支架最大變形量降低了8.64%。

分析結(jié)果表明，分體式加強筋結(jié)構(gòu)和整體式加強筋結(jié)構(gòu)均能滿足該氣室支架的性能使用需求，但是從這兩款氣室支架的最大應(yīng)力值以及最大變形量的對比結(jié)果可以看出，整體式加強筋比分體式加強筋的性能更優(yōu)，且通過理論稱重，分體式加強筋結(jié)構(gòu)的氣室支架的重量為7.34 kg，整體式加強筋結(jié)構(gòu)的氣室支架的重量為7.02 kg，整體式加強筋結(jié)構(gòu)的氣室支架重量相較于分體式加強筋結(jié)構(gòu)的氣室支架重量減輕了4.36%，其在提高拼焊式氣室支架強度的基礎(chǔ)上還實現(xiàn)了輕量化[9-10]。

3 總結(jié)

本文主要是利用有限元分析軟件對拼焊式氣室支架結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性、合理性進(jìn)行了研究，即在滿足拼焊式氣室支架結(jié)構(gòu)尺寸與橋殼、氣室、凸輪軸以及調(diào)整臂等零部件配合安裝要求的基礎(chǔ)上，對其支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了設(shè)計與分析。分析結(jié)果表明，整體式加強筋結(jié)構(gòu)的氣室支架比分體式加強筋結(jié)構(gòu)的氣室支架最大應(yīng)力降低了7.27%，最大變形量降低了8.64%，重量輕了4.36%，故本項目選擇了各方面性能更加優(yōu)良的整體式加強筋結(jié)構(gòu)的氣室支架設(shè)計方案。此方案的實施提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計周期，降低了產(chǎn)品的故障率和后期的維護(hù)成本，可以為其他產(chǎn)品的設(shè)計提供參考。