某型鼓式制動(dòng)器底板有限元結(jié)構(gòu)分析

王吉忠，郭 非，丁春雷

WANG Ji-zhong1，GUO Fei2，DING Chun-lei3

（1.青島理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，青島 266520；2.青島理工大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，青島 266520；3.煙臺(tái)市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，煙臺(tái) 264003）

0 引言

目前，在國(guó)內(nèi)中重型貨車中廣泛使用凸輪式鼓式制動(dòng)器。中重型貨車要求的制動(dòng)器制動(dòng)力矩較大，所需的制動(dòng)氣室推桿推力也較大。凸輪式鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)底板是安裝制動(dòng)凸輪軸和制動(dòng)蹄總成的基體，在制動(dòng)過程中要承受很大的作用力，因此要有足夠的強(qiáng)度和剛度。

某公司生產(chǎn)的S凸輪領(lǐng)從蹄式鼓式制動(dòng)器用作重型貨車前橋制動(dòng)器。該制動(dòng)器在使用中出現(xiàn)數(shù)起制動(dòng)底板斷裂問題，并且底板斷裂位置均在凸輪軸支座下方，參如圖1所示。該制動(dòng)底板為鑄造成型構(gòu)件，在排除因鑄造缺陷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力破壞外，根據(jù)公司要求，對(duì)底板進(jìn)行了有限元結(jié)構(gòu)分析，找出了底板斷裂的原因，并提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。

圖1 制動(dòng)底板斷裂部位圖片

1 S凸輪鼓式制動(dòng)器的特點(diǎn)

該型S凸輪鼓式制動(dòng)器主要由制動(dòng)底板、調(diào)整臂、制動(dòng)凸輪軸、滾輪、制動(dòng)蹄、摩擦片、支承銷和制動(dòng)蹄復(fù)位彈簧組成。其主要特點(diǎn)是[1]：

1）制動(dòng)凸輪采用漸開線輪廓，若不計(jì)滾動(dòng)摩擦，則滾輪對(duì)凸輪的反作用力沿漸開線輪廓法線方向，并與漸開線的基圓相切。

2）制動(dòng)時(shí)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)引起的兩蹄相應(yīng)點(diǎn)的位移相等，兩蹄對(duì)鼓的壓緊程度以及所產(chǎn)生的制動(dòng)力矩近似相等。

3）制動(dòng)時(shí)凸輪對(duì)領(lǐng)蹄的促動(dòng)力小于對(duì)從蹄的促動(dòng)力。

2 凸輪和支承銷受力計(jì)算

為了準(zhǔn)確模擬制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)制動(dòng)底板的實(shí)際受力，在建立底板有限元分析模型時(shí)，將制動(dòng)底板、制動(dòng)凸輪軸、調(diào)整臂、支承銷一起考慮進(jìn)行建模。

作用在該組件模型上的外力共有5個(gè)，分別是：作用在調(diào)整臂銷孔處的氣室推桿推力，作用在凸輪兩側(cè)輪廓上的滾輪對(duì)凸輪的作用力，以及作用于兩蹄鐵襯套并傳至兩支承銷上的制動(dòng)蹄作用力。

在計(jì)算凸輪和支承銷所受外力時(shí)，按氣室推桿推力最大并產(chǎn)生最大制動(dòng)器制動(dòng)力工況進(jìn)行計(jì)算[2,3]。計(jì)算用到的部分參數(shù)以及各力的計(jì)算結(jié)果分別如表1和表2所示。

表1 計(jì)算凸輪和支承銷受力用到的部分參數(shù)

3 底板有限元分析模型的建立

3.1 建立幾何模型

利用三維設(shè)計(jì)軟件建立底板結(jié)構(gòu)分析有關(guān)組件的裝配模型，并將其導(dǎo)入ANSYS Workbench的建模平臺(tái)Design Modeler中做進(jìn)一步處理，完成幾何建模。底板組件的裝配模型如圖2所示。

表2 凸輪和支承銷受力計(jì)算結(jié)果

圖2 底板組件的裝配模型

圖3 底板組件的有限元網(wǎng)格圖

3.2 定義材料屬性

在底板組件裝配體中，制動(dòng)底板和調(diào)整臂使用的材料為QT450-10球墨鑄鐵，其他組件使用的材料為45鋼。兩種材料的材料特性如表3所示[4]。

在程序中，對(duì)45鋼，只需要輸入其彈性模量和泊松比；對(duì)QT450-10材料，除要輸入其彈性模量和泊松比外，還需要輸入材料的塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，本文采用多線性等向強(qiáng)化模型輸入其塑性材料特性[5,6]。

表3 底板組件的材料特性

3.3 建立接觸關(guān)系

根據(jù)各相鄰組件之間的實(shí)際接觸情況定義它們之間的接觸關(guān)系[7]。例如，底板襯套與底板之間、凸輪軸與調(diào)整臂之間均定義為綁定接觸；凸輪軸與底板襯套之間定義為無摩擦接觸；支承銷一端與銷孔之間為粗糙接觸，另一端與銷孔之間為無摩擦接觸。

3.4 劃分有限元網(wǎng)格

采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格法對(duì)各組件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。底板組件的有限元網(wǎng)格圖如圖3所示。模型離散化后的單元總數(shù)為78363個(gè)、節(jié)點(diǎn)總數(shù)為132144個(gè)。

3.5 施加邊界條件

將氣室推桿推力按作用方向加到調(diào)整臂銷孔的圓柱面上，將作用在凸輪上的力按作用方向分別加到凸輪兩側(cè)輪廓相應(yīng)的位置上，將作用在支承銷上的力按作用方向分別加到領(lǐng)蹄側(cè)和從蹄側(cè)的銷軸上。

對(duì)底板與4個(gè)緊固螺栓頭部的接觸面和與轉(zhuǎn)向節(jié)支座的接觸面，約束沿平面方向的2個(gè)自由度，并施加僅壓縮支承約束。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算得到的底板中的等效應(yīng)力（Von Mises應(yīng)力）分布如圖4所示。

圖4 底板中的等效應(yīng)力分布

結(jié)構(gòu)中的最大應(yīng)力出現(xiàn)在凸輪軸支座右肋板下方的棱邊中部，最大應(yīng)力值為358.68MPa。在凸輪軸支座下方底板的正面和背面，有多點(diǎn)的應(yīng)力超過了材料的屈服極限，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形。該位置斷面主要受氣室推桿推力產(chǎn)生的彎矩作用，并在脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力下工作，容易產(chǎn)生低周疲勞破壞，是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，這與底板在實(shí)際使用中的斷裂位置相符合。在底板的其他部位，應(yīng)力值低于屈服應(yīng)力。

5 底板結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)底板強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，并考慮與其它組件不產(chǎn)生干涉，以及鑄造和加工工藝等要求，對(duì)底板薄弱部位結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。主要改進(jìn)有：

1）將凸輪軸支座下方底板正面上部斜、平面交線兩端的結(jié)構(gòu)向外延伸。

2）將底板背面凸輪軸支座根部下的原突起部分去掉，兩邊的凹槽填平。

3）在凸輪軸支座兩肋板下端內(nèi)側(cè)補(bǔ)料，并盡量增大其與肋板連接處的圓角。

對(duì)改進(jìn)后的底板重新建模并進(jìn)行求解，得到結(jié)構(gòu)中的等效應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后底板中的等效應(yīng)力分布

底板中的最大應(yīng)力出現(xiàn)在從蹄支承銷孔里孔內(nèi)邊緣處，其值為319.57MPa。此處結(jié)構(gòu)受壓，局部屈服不影響底板正常工作。在底板其它部位，應(yīng)力低于屈服應(yīng)力。在凸輪軸支座下方原結(jié)構(gòu)薄弱部位，應(yīng)力值低于270MPa，比結(jié)構(gòu)改進(jìn)前的應(yīng)力值顯著降低。底板結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，可以滿足公司提出的使用強(qiáng)度和剛度要求，但需結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)做進(jìn)一步驗(yàn)證。

6 結(jié)論

1）在制動(dòng)器制動(dòng)力矩最大時(shí)，底板強(qiáng)度不足，其危險(xiǎn)截面在凸輪軸支座下方底板正面上部的斜、平面交線部位。

2）采取以下改進(jìn)措施，可以有效地提高底板薄弱部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。（1）在底板正面上部斜、平面交線兩端部位補(bǔ)料。（2）將底板背面凸輪軸支座下方兩邊的凹槽填平。（3）在底板背面凸輪軸支座兩肋板下端內(nèi)側(cè)補(bǔ)料。

[1] 劉惟信.汽車制動(dòng)系的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004.

[2] 劉四清,李曉輝.某型制動(dòng)器底板有限元分析[J].客車技術(shù),2011,(3)：12-14,17.

[3] 馬迅,陳明東,趙旭.鼓式制動(dòng)器有限元分析方法的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2012,(6)： 217-219.

[4] GB/T1348-2009,球墨鑄鐵件[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[5] 劉金海,李國(guó)祿,郝曉燕,等.球墨鑄鐵微觀組織與拉伸行為的相關(guān)性[J].鑄造技術(shù),2009,30(3)：329-332.

[6] 浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2010.

[7] 楊國(guó)俊,李偉平.接觸分析在鼓式制動(dòng)器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2009,26(3)：69-71.