橋總成氣室支架的強化設計*

干 慧 ，楊光明

（合肥職業技術學院，安徽 合肥 230012）

0 引言

工業的快速發展助推了經濟的突飛猛進，與此同時也對環境造成了不可逆的破壞。為創造更加美好的生活環境，尋求經濟發展與環境保護的平衡，近年來，國家出臺了一系列的環保政策，對制造行業提出了更高標準的要求。因此，為積極響應國家環保工作的發展要求，在保障產品性能正常發揮的前提下，企業工程師需在設計產品過程中融入環保因素。

汽車作為一種交通運輸工具，承擔著運輸乘客或者貨物的職責，為保障汽車安全應用的需求，對其組成零部件的質量要求極為嚴格，需要產品具有較高的承載能力，故在最初的產品設計過程中，多數汽車零部件采用了鑄造的制造工藝。這種生產方式不僅可以制造結構較為復雜的產品，還可以有效地保障產品性能，故被廣泛應用，但隨著國家發展需求的轉變，鑄造工藝的缺點也日益凸顯，其生產過程中散發出的大量有害氣體以及粉塵嚴重影響著生產者的身體健康，不符合國家環保發展標準，因此亟需對這種制造方式進行改進。在此背景下，技術日益成熟的焊接工藝[1-2]開始逐漸出現在各大零部件的生產過程中。

焊接工藝可以大大降低對環境的污染，還可以縮短加工周期，有利于提高生產效率，但要注意的是焊接產品結構的合理性問題對其性能的高效發揮起著決定性的作用。因此，在進行拼焊式氣室支架結構設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用價值。

1 氣室支架的結構設計

氣室支架作為車輛制動系統[3-4]的重要組成部件，安裝于橋殼總成上，承擔著支撐氣室以及連接制動零部件的作用，故在設計拼焊式氣室支架的結構時，幾個主要的安裝組成部分必須要根據橋殼固定支座以及制動系統其他零部件的安裝尺寸進行設計，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 這三部分基本結構，如圖1所示。

圖1 氣室支架（拼焊）基本結構圖

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

對于企業而言，有限元分析[7-8]可以有效縮短產品的開發周期，提高產品的設計質量，降低試驗成本，可以為企業帶來實際的經濟效益，提高產品的市場競爭力。同時，將有限元分析應用在機械產品的升級優化過程中的可行性和準確性也得到了廣泛的認可，因此，越來越多的企業在進行新產品的開發以及產品的更新換代過程中應用有限元分析方法。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構進行分析。

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果和優化方案的選定，所以對氣室支架的三維模型精度進行嚴格把控具有重要意義，它需要準確地體現氣室支架的性能特性，同時還要適當地進行簡化，以提高網格繪制效率和質量。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格質量的油孔螺紋以及安裝倒角等刪除，對拼焊式氣室支架結構進行合理簡化。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 繪制網格并導入設計參數

拼焊式氣室支架的材料以及氣室推力等參數對它的性能發揮影響較大，故在分析過程中需導入參數信息，如表1所示。

表1 拼焊式氣室支架的參數

2.1.3 約束并加載

根據氣室支架的實際安裝配合要求以及受力情況對其進行約束、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 分析結果

1）氣室支架分體式支撐結構、整體式支撐結構的第一主應力值對比分析，如圖8、圖9所示。

圖8 氣室支架最大應力（分體式加強筋）

圖9 氣室支架最大應力（整體式加強筋）

應力分析結果：整體式加強筋結構的最大應力值為277.9 MPa，分體式加強筋結構的最大應力值為299.7 MPa，整體式加強筋結構的氣室支架比分體式加強筋結構的氣室支架最大應力值降低了7.27%。

2）氣室支架分體式支撐結構、整體式支撐結構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）

最大變形量分析結果：整體式加強筋結構的最大變形量為1.195 mm，分體式加強筋結構的最大變形量為1.308 mm，整體式加強筋結構的氣室支架比分體式加強筋結構的氣室支架最大變形量降低了8.64%。

分析結果表明，分體式加強筋結構和整體式加強筋結構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力值以及最大變形量的對比結果可以看出，整體式加強筋比分體式加強筋的性能更優，且通過理論稱重，分體式加強筋結構的氣室支架的重量為7.34 kg，整體式加強筋結構的氣室支架的重量為7.02 kg，整體式加強筋結構的氣室支架重量相較于分體式加強筋結構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上還實現了輕量化[9-10]。

3 總結

本文主要是利用有限元分析軟件對拼焊式氣室支架結構設計的科學性、合理性進行了研究，即在滿足拼焊式氣室支架結構尺寸與橋殼、氣室、凸輪軸以及調整臂等零部件配合安裝要求的基礎上，對其支撐結構的穩定性進行了設計與分析。分析結果表明，整體式加強筋結構的氣室支架比分體式加強筋結構的氣室支架最大應力降低了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良的整體式加強筋結構的氣室支架設計方案。此方案的實施提高了產品的質量，大大縮短了產品的設計周期，降低了產品的故障率和后期的維護成本，可以為其他產品的設計提供參考。