制動(dòng)防塵板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張杰 王巍 余泳泉 汪愛(ài)軍

摘要：某車(chē)型在整車(chē)強(qiáng)化耐久路試過(guò)程中，制動(dòng)防塵板產(chǎn)生了開(kāi)裂現(xiàn)象。本文針對(duì)防塵板出現(xiàn)的路試故障進(jìn)行了原因分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。通過(guò)對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，獲得各方案應(yīng)力云圖。結(jié)果表明：提升防塵板約束模態(tài)，可有效提升防塵板抗振性能，防止防塵板在路試過(guò)程中開(kāi)裂。

關(guān)鍵詞：防塵板；斷裂；設(shè)計(jì)優(yōu)化；頻響分析；約束模態(tài)

1引言

制動(dòng)防塵板作為制動(dòng)器防護(hù)裝置，可以使制動(dòng)器工作表面避免粉塵油污等異物侵入，并起到導(dǎo)流空氣，對(duì)制動(dòng)器散熱的作用。防塵板本身為非承載件，因此以往結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多以工程師經(jīng)驗(yàn)及對(duì)標(biāo)車(chē)分析為基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)前期缺少相關(guān)CAE分析手段。本文以制動(dòng)防塵板為研究對(duì)象，針對(duì)防塵板在整車(chē)耐久路試中出現(xiàn)的開(kāi)裂現(xiàn)象進(jìn)行了原因分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而得到最佳的制動(dòng)防塵板結(jié)構(gòu)，確保滿足路試驗(yàn)證要求。

2問(wèn)題描述

某車(chē)型的制動(dòng)防塵板在進(jìn)行整車(chē)道路強(qiáng)化耐久路試時(shí)，在試驗(yàn)里程為4290公里發(fā)生開(kāi)裂，見(jiàn)圖1。該車(chē)型制動(dòng)防塵板由單塊鋼板沖壓而成，材料為DC03，屈服強(qiáng)度為140MPa-240MPa，板厚為1mm。

3原因分析

3.1布置分析

從該防塵板安裝示意圖（圖2）可以看出防塵板3個(gè)安裝點(diǎn)分布不均勻，防塵板上端呈懸臂結(jié)構(gòu)。由于懸臂側(cè)質(zhì)量較重，且安裝點(diǎn)處無(wú)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，零件安裝剛度不足，在外界激勵(lì)作用下，該結(jié)構(gòu)易發(fā)生共振。導(dǎo)致在路試中發(fā)生振動(dòng)疲勞斷裂。

3.2模態(tài)及頻率響應(yīng)分析

約束模態(tài)分析結(jié)果顯示該防塵板低階固有頻率偏低，見(jiàn)表1。結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)路譜信息（振動(dòng)響應(yīng)峰值頻率集中在17Hz～100Hz），推斷該防塵板在100Hz以下頻率發(fā)生共振可能性較大。基于該推斷對(duì)防塵板進(jìn)行振動(dòng)頻率響應(yīng)分析，結(jié)果顯示激勵(lì)頻率為99Hz時(shí)出現(xiàn)最大振幅（見(jiàn)圖3）和最大應(yīng)力（見(jiàn)圖4）。

應(yīng)力云圖顯示防塵板頻率響應(yīng)分析最大應(yīng)力為272MPa大于材料屈服強(qiáng)度。

4制動(dòng)防塵板設(shè)計(jì)方案

4.1方案一

在原方案基礎(chǔ)上切邊，切外圓，并將內(nèi)圈進(jìn)行翻邊處理。在減小懸臂重量的同時(shí)，增加零件剛度。以增加零件耐振能力。更改示意見(jiàn)圖5。

4.2方案二

在方案一基礎(chǔ)上，調(diào)整外緣筋條布置，并且在安裝點(diǎn)附近增加螺栓安裝凸臺(tái)筋。以提升零件剛度和耐振能力。更改示意見(jiàn)圖5。

4.3方案3

防塵板全新設(shè)計(jì)，安裝點(diǎn)調(diào)整為3點(diǎn)均勻布置，減輕懸臂部分質(zhì)量。安裝點(diǎn)及附近區(qū)域均采用整體凸臺(tái)筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。更改示意見(jiàn)圖5。

5CAE分析及路試驗(yàn)證

表1是各方案約束模態(tài)值，從中可以看出，優(yōu)化方案各階模態(tài)相比原方案均有所提升。各階模態(tài)已避開(kāi)試驗(yàn)道路中主要激振頻率。

圖6是各方案頻率響應(yīng)分析應(yīng)力云圖，方案一最大應(yīng)力為62.6MPa，方案二最大應(yīng)力7.5MPa，方案三最大應(yīng)力為122MPa。3個(gè)方案相比原方案（見(jiàn)圖4）應(yīng)力均有較大改善，最大應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度。

從各方案約束模態(tài)分析和頻率響應(yīng)分析可以推斷，零件各階約束模態(tài)值的提升，有利于降低頻響分析工況零件最大應(yīng)力。當(dāng)防塵板約束模態(tài)大于常見(jiàn)道路激勵(lì)頻率時(shí)，有利于改善道路試驗(yàn)中防塵板開(kāi)裂問(wèn)題。

最終選擇方案一進(jìn)行樣件制作并搭載整車(chē)耐久路試，路試完成后，防塵板未再出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題。

6結(jié)語(yǔ)

綜上，防塵板安裝點(diǎn)布置不合理，且結(jié)構(gòu)剛度較低導(dǎo)致在路試過(guò)程易引起共振是發(fā)生開(kāi)裂的根本原因。在新方案設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)減重及提升防塵板結(jié)構(gòu)剛度可以有效提升防塵板各階約束模態(tài)，降低激振力作用下零件應(yīng)力可以改善防塵板開(kāi)裂問(wèn)題。因此，通過(guò)對(duì)本文中制動(dòng)防塵板開(kāi)裂問(wèn)題分析及解決過(guò)程可以看出，防塵板約束模態(tài)及頻響分析強(qiáng)度是今后制動(dòng)防塵板設(shè)計(jì)的主要考慮方向。