制動防塵板的優(yōu)化設(shè)計

張杰　王巍　余泳泉　汪愛軍

摘要：某車型在整車強化耐久路試過程中，制動防塵板產(chǎn)生了開裂現(xiàn)象。本文針對防塵板出現(xiàn)的路試故障進行了原因分析，根據(jù)分析結(jié)果進行了設(shè)計優(yōu)化。通過對優(yōu)化方案進行頻率響應(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程中開裂。

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

1引言

制動防塵板作為制動器防護裝置，可以使制動器工作表面避免粉塵油污等異物侵入，并起到導流空氣，對制動器散熱的作用。防塵板本身為非承載件，因此以往結(jié)構(gòu)設(shè)計多以工程師經(jīng)驗及對標車分析為基礎(chǔ)。在設(shè)計前期缺少相關(guān)CAE分析手段。本文以制動防塵板為研究對象，針對防塵板在整車耐久路試中出現(xiàn)的開裂現(xiàn)象進行了原因分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而得到最佳的制動防塵板結(jié)構(gòu)，確保滿足路試驗證要求。

2問題描述

某車型的制動防塵板在進行整車道路強化耐久路試時，在試驗里程為4290公里發(fā)生開裂，見圖1。該車型制動防塵板由單塊鋼板沖壓而成，材料為DC03，屈服強度為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個安裝點分布不均勻，防塵板上端呈懸臂結(jié)構(gòu)。由于懸臂側(cè)質(zhì)量較重，且安裝點處無加強結(jié)構(gòu)，零件安裝剛度不足，在外界激勵作用下，該結(jié)構(gòu)易發(fā)生共振。導致在路試中發(fā)生振動疲勞斷裂。

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，見表1。結(jié)合試驗場路譜信息（振動響應(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。基于該推斷對防塵板進行振動頻率響應(yīng)分析，結(jié)果顯示激勵頻率為99Hz時出現(xiàn)最大振幅（見圖3）和最大應(yīng)力（見圖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大于材料屈服強度。

4制動防塵板設(shè)計方案

4.1方案一

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

4.2方案二

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

4.3方案3

防塵板全新設(shè)計，安裝點調(diào)整為3點均勻布置，減輕懸臂部分質(zhì)量。安裝點及附近區(qū)域均采用整體凸臺筋結(jié)構(gòu)進行加強。更改示意見圖5。

5CAE分析及路試驗證

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)已避開試驗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個方案相比原方案（見圖4）應(yīng)力均有較大改善，最大應(yīng)力均小于材料屈服強度。

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。當防塵板約束模態(tài)大于常見道路激勵頻率時，有利于改善道路試驗中防塵板開裂問題。

最終選擇方案一進行樣件制作并搭載整車耐久路試，路試完成后，防塵板未再出現(xiàn)開裂問題。

6結(jié)語

綜上，防塵板安裝點布置不合理，且結(jié)構(gòu)剛度較低導致在路試過程易引起共振是發(fā)生開裂的根本原因。在新方案設(shè)計時，通過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裂問題。因此，通過對本文中制動防塵板開裂問題分析及解決過程可以看出，防塵板約束模態(tài)及頻響分析強度是今后制動防塵板設(shè)計的主要考慮方向。