手剎鉚接件失效分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

關(guān)俊山　萬小金

(武漢理工大學現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室、汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心　武漢　430070)

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手剎鉚接件失效分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

關(guān)俊山萬小金

(武漢理工大學現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室、汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心武漢430070)

摘要：以某型乘用車的手剎為研究對象，針對手剎鉚接件的磨損失效問題，利用CATIA和HyperMesh進行三維模型的建立以及網(wǎng)格劃分，并且通過ABAQUS軟件在給定邊界條件下對手剎進行靜力學仿真分析得出其應(yīng)力場，為Fe-Safe軟件進行磨損—疲勞分析提供驅(qū)動數(shù)據(jù)，使用OptiStruct軟件對磨損失效部件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，降低鉚接件的法向載荷，減少材料的磨損量，延長鉚接件的使用壽命，經(jīng)方案驗證，優(yōu)化方案達到了預期效果.這種基于CAE的仿真分析方法，不僅提高了手剎的使用性能，而且縮短了其研發(fā)周期.

關(guān)鍵詞：手剎；失效分析；磨損—疲勞分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0引言

手剎是汽車的駐車制動系統(tǒng)，保證汽車在原地停駐并在任何情況下不致自動滑行，其性能直接影響到汽車的安全性.在汽車的整個生命周期中，必須保證手剎安全、穩(wěn)定和正常的工作，所以對手剎進行失效分析是非常重要的環(huán)節(jié)[1-2].常見的手剎失效形式是鉚接件之間組成的摩擦副在使用過程中產(chǎn)生的磨損，當磨損量達到一定的程度時將導致手剎無法正常工作.因此，研究手剎鉚接件的磨損對提高手剎的使用性能和延長使用壽命十分重要.

1理論分析

1.1手剎鉚接件的磨損類型

磨損過程分為磨合期、穩(wěn)定磨損期和劇烈磨損期，為保持摩擦副的正常功能，必須保證使其通過磨合期而保持在穩(wěn)定磨損期工作.按照不同的機理，磨損可分為以下四種基本類型：表面疲勞磨損、粘著磨損、磨粒磨損和腐蝕磨損.

手剎部件中的大鉚釘與基座、主傳動板，以及操縱臂鉚接在一起，它們之間的磨損屬于粘著磨損，即當摩擦副表面相對滑動時，由于粘著效應(yīng)所形成的粘著結(jié)點發(fā)生剪切斷裂，被剪切的材料或脫落成磨削，或由一個表面遷移到另一個表面.

1.2Archard粘著磨損定律

Archard[3]提出的粘著磨損定律理論假設(shè)接觸是由一些半徑為a的相同的半球形峰元所形成，dP為該對峰元所受法向載荷，每個接觸點的面積dA=πa2.在各種摩擦通過模式中，當采用滑動行程最長的模式2a時，表面能夠完全擦過每個峰元.假設(shè)一次滑動結(jié)果產(chǎn)生一個磨損體積為dV的顆粒，該磨屑為半球形，于是可以得到體積磨損率

(1)

式中：S為滑動距離；n為接觸面微凸體總數(shù).總體載荷P可由每個接觸點所受載荷累加表示，即P=σsπa2n(σs為材料屈服強度)，將該式帶入式(1)可改寫為

(2)

(3)

式中：K為磨損系數(shù)，它代表一對接觸峰元在摩擦通過后產(chǎn)生一個磨粒的概率.式(3)表明，材料的磨損量與法向載荷和滑動行程成正比，與摩擦副中軟材料的表面硬度或是屈服極限成反比.

2手剎有限元靜力分析

2.1工況分析

手剎在使用過程中有3種工作狀態(tài)：制動加載、制動鎖止和制動解除.制動加載是駐車時駕駛員按下手柄按鈕，向上轉(zhuǎn)動手剎的操縱臂，使操縱臂和主傳動板繞著大鉚釘轉(zhuǎn)動直至到達限位銷的上止點停止；制動鎖止是駕駛員停止對操縱臂施加外力，松開手柄按鈕，棘爪和齒板處于嚙合狀態(tài)，因而操縱臂不能夠反轉(zhuǎn),從而使得整個手剎的機械傳動裝置被可靠地鎖定在制動位置；制動解除是汽車起步時駕駛員按下手柄按鈕，向下轉(zhuǎn)動操縱臂直至到達限位銷的下止點停止.手剎在制動鎖止時各部件所受的載荷最大屬于危險工況，故選取手剎的上止點鎖止工況進行分析見圖1.

圖1　手剎上止點鎖止工況

參考《汽車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗方法》(GB12676—2014)確定該型手剎制動加載時駕駛員作用在操縱臂手柄上的力F1=500 N，上止點鎖止工況受力分析見圖2.

圖2　上止點鎖止工況受力分析

由力的杠桿原理可得

(4)

式中：F2為拉索的拉力；L1為力F1的作用點到大鉚釘軸心的距離；R為拉索與主傳動板導軌槽接觸弧的半徑.

設(shè)拉索接觸弧上任意一點的拉力為F，則由撓性體摩擦傳動的歐拉公式[4]可得

(5)

式中：f為拉索與主傳動板之間的摩擦系數(shù)；α為拉索在主傳動板上的接觸弧對應(yīng)的包角.

在任意微小角度dα段內(nèi)，拉索對主傳動板導軌槽表面的壓力為[5-6]

(6)

角度dα處的受壓面積為

(7)

式中：dA為拉索在主傳動板導軌槽上的受壓面積；D為拉索的直徑；R為拉索與主傳動板導軌槽接觸弧的半徑.

故拉索對主傳動板導軌槽接觸弧任意處的壓強即其面壓比為[7-9]

(8)

2.2有限元建模

將簡化后的手剎各部件三維模型分別導入Hypermesh中進行前處理網(wǎng)格的劃分， 經(jīng)過幾何清理對復雜部件進行相應(yīng)的分割以劃分出高質(zhì)量的網(wǎng)格.在計算精度和應(yīng)變特性方面六面體網(wǎng)格單元具有明顯的優(yōu)勢，故采用以六面體為主，四面體為輔的網(wǎng)格劃分方法.

由于計算機硬件的限制，要控制計算的規(guī)模，對主傳動板、操縱臂、基座等主要承載零件進行細化網(wǎng)格處理，確保獲得較好的網(wǎng)格質(zhì)量，其它部件則采用尺寸較大的網(wǎng)格進行劃分，共劃分出865 914個網(wǎng)格單元.將劃分好的各網(wǎng)格部件導入到Abaqus中，按照各零部件間的位置關(guān)系進行裝配.

手剎總成中主傳動板、副傳動板、操縱臂的材料為Q235，基座的材料為QSTE460TM，大鉚釘和小鉚釘?shù)牟牧蠟?6MnCr5，棘爪和齒板的材料為1020.在Abaqus軟件的材料庫中添加對應(yīng)材料的彈性模量、泊松比等參數(shù)，根據(jù)材料的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，應(yīng)用插值法選取若干個離散的應(yīng)力-應(yīng)變點數(shù)據(jù)輸入到相應(yīng)材料的屬性中.手剎總成各部件是通過鉚釘鉚接在一起的，在Abaqus接觸屬性中選用綁定約束Tie定義相應(yīng)部件的鉚接關(guān)系，大鉚釘與基座之間采用面-面接觸，齒板與基座之間采用Tie綁定在一起.

2.3有限元分析

在Abaqus軟件中對手剎進行邊界條件的添加，對手剎基座與車身連接的3個螺孔采用自由度全約束，在大鉚釘處添加局部坐標系，基于建立的局部坐標系對操縱臂與主傳動板鉚接部位、棘爪與操縱臂和主傳動板鉚接部位以及相應(yīng)的鉚釘均約束除UR3外的其他5個自由度.

根據(jù)上文的手剎工況分析結(jié)果，拉索對主傳動板導軌槽接觸弧任意處的壓強通過使用用戶子程序DLOAD編輯函數(shù)來定義，同時通過計算得到作用在調(diào)整螺母與主傳動板和操縱臂接觸部位的均布載荷為160 MPa，對于施加的載荷通過自定義幅值曲線使其幅值由小逐漸變大，達到設(shè)定值時變?yōu)楹阒捣€(wěn)定的作用在模型上.定義2步載荷分析步，設(shè)置每步載荷步分析時間為1 s，將載荷分為2步依次施加到模型上，這樣設(shè)置有利于有限元分析求解計算的收斂，提交分析計算得到手剎的靜力分析結(jié)果見圖3～5.

圖3　手剎應(yīng)力云圖

圖4　主傳動板應(yīng)力云圖

圖5　大鉚釘應(yīng)力云圖

3手剎鉚接件磨損-疲勞分析

手剎在實際工作過程中鉚釘與其鉚接的部件之間會出現(xiàn)摩擦磨損，隨著磨損的加劇將導致手剎無法正常工作.手剎處于制動鎖止工況時主傳動板是主要的承載部件，并且在實際工作中主傳動板也是最先因磨損而失效的部件，而大鉚釘?shù)哪p量則非常小，因此選擇主傳動板做磨損—疲勞分析.

3.1載荷譜

手剎制動加載時駕駛員施加的力決定了手剎制動鎖止時所受的載荷.載荷歷程與試驗設(shè)定的工況相吻合，共進行3個連續(xù)循環(huán)，每個循環(huán)進行33 330次促動，每次促動歷時(5±2) s，每個循環(huán)中設(shè)定的力F1大小與其發(fā)生促動次數(shù)的關(guān)系見圖6.

每個循環(huán)分為4個載荷工況進行，目標載荷幅值越小，頻次越高，相反幅值越大，頻次越低.分別對4個載荷工況進行靜力學仿真分析，靜力分析結(jié)果為磨損—疲勞分析提供驅(qū)動數(shù)據(jù).

圖6　力F1與促動次數(shù)關(guān)系圖

3.2磨損-疲勞分析

結(jié)合手剎的實際使用情況，將Abaqus有限元分析的結(jié)果導入到Fe-safe中進行磨損—疲勞分析.在Fe-safe中選用Blaxial Strain Life對應(yīng)的Brown Miller算法，平均應(yīng)力采用Morrow修正.

圖7　Q235的S-N曲線

在Fe-safe的材料庫中為主傳動板網(wǎng)格單元定義材料屬性，運用Origin軟件從Q235的S-N曲線上利用插值法選用12個離散的點數(shù)據(jù)(見圖7)輸入到定義的材料屬性中.同時，將采用雨流計數(shù)法處理的載荷譜導入到軟件中，提交分析進行處理，將分析結(jié)果重新導入到Abaqus中進行后處理得到主傳動板的磨損—疲勞循環(huán)次數(shù)云圖(以對數(shù)形式表示)見圖8.

圖8　磨損—疲勞循環(huán)次數(shù)云圖

從圖8可知，主傳動板最小的磨損—疲勞循環(huán)次數(shù)為104.043=11 040.79次.對比分析圖8和圖9可知，主傳動板的磨損-疲勞仿真分析結(jié)果與實物磨損結(jié)果相吻合，說明了仿真分析的有效性和正確性.Archard粘著磨損定律表明材料的磨損量與法向載荷成正比，故可通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計減小主傳動板所受的法向載荷來減緩主傳動板的磨損，以提高其使用壽命.

圖9　主傳動板實物磨損圖

4結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1形貌優(yōu)化

形貌優(yōu)化是一種形狀最佳化的方法，利用形貌優(yōu)化在主傳動板結(jié)構(gòu)中尋找最優(yōu)的加強筋的分布位置，在減輕結(jié)構(gòu)重量的同時滿足剛度和強度等設(shè)計要求.

將主傳動板的有限元網(wǎng)格模型導入到OptiStruct中，劃分出設(shè)計空間和非設(shè)計空間，施加與靜力分析時相同的邊界條件、載荷以及分析步等.在topography面板中定義形貌優(yōu)化的設(shè)計變量，設(shè)置起筋的寬度為3 mm，高度為2 mm，角度為60°.此次形貌優(yōu)化的目標是結(jié)構(gòu)總體應(yīng)變能最小，優(yōu)化設(shè)計變量為單元形狀.提交計算，運用HyperView讀取模型和優(yōu)化結(jié)果見圖10.

圖10 主傳動板形貌優(yōu)化結(jié)果

4.2二次設(shè)計

主傳動板形貌優(yōu)化的結(jié)果(見圖10)給出了最優(yōu)加強筋的分布位置，在OSSmooth中運用autobead根據(jù)工藝可行性，并考慮到材料的沖壓性能，通過設(shè)定加強筋層數(shù)對形貌優(yōu)化結(jié)果進行快速后處理.一般情況下，加強筋層數(shù)越多則結(jié)構(gòu)性能越好，但是工藝會越復雜，綜合考慮各因素設(shè)定加強筋層數(shù)為1.然后，利用三維繪圖軟件CATIA對其進行二次設(shè)計，結(jié)果見圖11.

圖11　主傳動板二次設(shè)計結(jié)果

4.3優(yōu)化后方案驗證

對二次設(shè)計后的主傳動板進行有限元靜力分析，在Abaqus中施加與優(yōu)化前靜力分析時相同的邊界條件、載荷和分析步等.提交分析后的結(jié)果見圖12.

圖12　主傳動板結(jié)構(gòu)優(yōu)化后應(yīng)力云圖

由圖12可見，優(yōu)化后的主傳動板最大等效靜應(yīng)力為210.9 MPa，相比優(yōu)化前的最大等效靜應(yīng)力236 MPa減少了25.1 MPa，同比減少10.6%.結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的主傳動板鉚接部位的法向載荷明顯減少，根據(jù)Archard粘著磨損定律，法向載荷的減少可有效減輕主傳動板的磨損，提高主傳動板的耐磨壽命和工作的可靠性.

5結(jié) 束 語

基于手剎總成，在充分考慮了部件幾何非線性和材料非線性的情況下，通過ABAQUS軟件對其進行了有限元靜力分析得出其應(yīng)力場，為Fe-safe軟件對主傳動板進行磨損—疲勞分析提供驅(qū)動數(shù)據(jù)，同時通過OptiStruct軟件對主傳動板進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，降低了鉚接件的法向載荷，減少了材料的磨損，延長了手剎的使用壽命.基于CAE的仿真技術(shù)在手剎上的運用，不僅提高了產(chǎn)品的性能，而且有效縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本.

參 考 文 獻

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Failure Analysis of Riveting Parts and Structural Optimization Design of Handbrake

GUAN JunshanWAN Xiaojin

(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponentsandHubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

Abstract：Taking a certain type of automobile handbrake as the research object, this paper aims at investigating the wear failure problem of the handbrake's riveting parts. The software CATIA is used to establish the three-dimensional model of handbrake and the software HyperMesh is adopted to perform meshing of the model. ABAQUS is then used to perform static analysis of the handbrake model with a given boundary condition to obtain its stress field, providing the driving data for the wear-fatigue analysis using Fe-Safe. Structural optimization design of the wear failure parts is carried out using software OptiStruct to reduce the normal load of the riveting parts and the amount of wear and to extend the lifecycle period of riveting parts. It is found that the improvement scheme achieves the desired effect through the program verification. The simulation analysis based on CAE method, not only improves the performance of the handbrake but also shortens the development cycle.

Key words：handbrake; failure analysis; wear-fatigue analysis; structural optimization

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.02.037

中圖法分類號：U463.52

收稿日期：2015-12-15

關(guān)俊山(1991- )：男，碩士生，碩士，主要研究領(lǐng)域為汽車CAD/CAE