基于有限元法的制動氣室支架優(yōu)化設計

黃東東

基于有限元法的制動氣室支架優(yōu)化設計

黃東東

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，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行了原因分析，采用仿真分析方法，分析氣室支架應力集中點，針對應力集中點進行結構優(yōu)化設計，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：應力

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

引言

制動系統(tǒng)主要功能是駕駛者通過對制動踏板的操縱來控制車輛行駛的速度。制動系統(tǒng)制動器通過制動氣室充氣推動調(diào)整臂旋轉進行制動，制動氣室安裝在氣室支架上，制動過程中氣室支架受到氣室推力反力作用，頻繁制動過程中氣室支架疲勞強度不足，導致支架斷裂，制動失效，嚴重的會影響行駛安全，給生命財產(chǎn)安全帶來嚴重的隱患。

1 問題提出

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

2 故障現(xiàn)象調(diào)查

選取上述故障車型進行調(diào)查，通過對故障件分析結果如下：

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，斷口在加強筋末端沉孔處；

②尺寸檢測：鑄件厚度、加強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，支架斷裂應為設計問題，初步判定制動過程應力集中導致支架斷裂。

3 原因分析

針對結構設計問題，采用CAE仿真分析方法進行校核，仿真分析之前必須制動器工作過程，制動過程中氣室支架受力狀況。

3.1 制動過程分析

車輛制動時，駕駛人員踩下制動踏板，制動氣室充氣，氣室推桿推動調(diào)整臂旋轉，調(diào)整臂帶動凸輪軸張開，摩擦片與制動鼓接觸產(chǎn)生摩擦，完成制動動作。制動氣室支架通過氣室螺栓緊固連接，制動過程受到氣室反作用力，具體見圖2。

3.2 受力狀況分析

制動氣室支架強度分析前，應對制動過程中制動氣室支架受到外部載荷分析，制動氣室支架受到的外部載荷如下：

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

2）制動氣室支架與制動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，材料強度極限450Mpa。根據(jù)上述制動氣室支架受力分析，進行加載，并將氣室支架另一端四個孔進行約束。分析結果如下：

圖4 氣室支架應力圖

通過以上仿真結果，氣室支架應力超過材料強度極限，加強筋結構設計存在缺陷，氣室支架結構需要優(yōu)化。

4 解決措施

4.1 結構分析

基于以上仿真分析結果，加強筋設計不合理，延伸長度短，加強筋必須沿至外力的作用點處，如圖5b所示。圖5a兩種肋板機構，不但對支撐沒有加強作用，反而降低支架的強度和剛度，因為在某些截面上抗彎截面模量低于無肋板值，只有圖5b的肋板結構對強度和剛度均得到加強。

圖5 加強筋對支架強度影響

4.2 改進措施

在原氣室支架基礎上結構改進如下：

（1）縮短凸輪軸安裝軸向尺寸，取消對多余材料，降低支架質量；

（2）氣室安裝螺栓部位加厚，安裝孔相互獨立結構；

（3）加強筋寬度增加，長度延伸至氣室安裝孔。

圖6 氣室支架結構改進

4.3 有限元分析

通過Pro-E三維軟件重新設計氣室支架，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，材料強度極限450Mpa。根據(jù)3.2制動氣室支架受力分析，進行加載8256N，并將氣室支架另一端四個孔進行約束。分析結果如下：

通過以上仿真結果，氣室支架最大應力值231Mpa，小于QT450-10材料屈服極限310Mpa，氣室支架最大變形量1.2mm，氣室支架結構優(yōu)化設計后滿足使用要求。

5 結論

該文提供了一種制動氣室支架結構優(yōu)化設計的新方法，通過CAE仿真分析方法，識別氣室支架結構薄弱點，加強薄弱位置，同時去除設計過剩部位材料，可以實現(xiàn)輕量化設計，降低成本；通過優(yōu)化加強筋結構，加強筋寬度、延伸長度設計合理，也為其它支架結構優(yōu)化設計提供一種新的思路。

[1] 劉惟信.汽車制動系的結構分析與設計計算.[M]北京：清華大學出版社,2004.

[2] 張勝蘭.基于Hyperworks的結構優(yōu)化設計技術.[M]北京：機械工業(yè)出版社,2008.

[3] 江淮汽車集團研發(fā)中心.江淮輕型卡車設計規(guī)范.第一版,合肥∶ 江淮汽車集團股份有限公司,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股份有限公司技術中心輕型商用車研究院，從事輕卡制動系統(tǒng)設計。