某重型特種車制動(dòng)氣室支架優(yōu)化設(shè)計(jì)

南海峰，郭帥

(泰安航天特種車有限公司，山東泰安 271000)

0 引言

制動(dòng)系統(tǒng)是汽車的一個(gè)重要組成部分，它直接影響到汽車的行駛安全性。某重型特種汽車制動(dòng)系統(tǒng)包括行車制動(dòng)、駐車制動(dòng)及輔助制動(dòng)。其中行車制動(dòng)和駐車制動(dòng)均通過彈簧制動(dòng)氣室推桿推動(dòng)制動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)進(jìn)行制動(dòng)，制動(dòng)氣室安裝在氣室支架上，制動(dòng)過程中氣室支架受到氣室推桿反作用力，頻繁制動(dòng)過程中若氣室支架強(qiáng)度不足，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致支架斷裂、制動(dòng)失效，嚴(yán)重影響行駛安全，給生命財(cái)產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重的隱患。

故障氣室支架如圖1所示。

圖1 故障氣室支架

某重型特種汽車采用氣壓制動(dòng)，匹配鼓式制動(dòng)器，該車在使用過程中出現(xiàn)制動(dòng)氣室支架斷裂(如圖1所示)，制動(dòng)氣室脫落，車輛在行駛過程中制動(dòng)失效。

1 故障原因淺析

某重型特種汽車制動(dòng)氣室支架斷裂斷口位置位于制動(dòng)氣室支架與制動(dòng)氣室安裝面與后部加強(qiáng)板焊接位置，中間設(shè)有φ55 mm的通孔，用于制動(dòng)氣室推桿從中穿過，便于制動(dòng)氣室推桿動(dòng)作實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能。

該制動(dòng)氣室支架采用Q345材質(zhì)板材焊接結(jié)構(gòu)，焊接完成后再進(jìn)行φ55 mm孔的加工，加工過程中易將后部加強(qiáng)板位置焊縫切除。

對(duì)發(fā)生斷裂故障的轉(zhuǎn)向器支架進(jìn)行尺寸復(fù)查及生產(chǎn)過程復(fù)查，出現(xiàn)該制動(dòng)氣室支架尺寸及工藝要求均符合設(shè)計(jì)要求。對(duì)制動(dòng)氣室支架進(jìn)行斷口分析，發(fā)現(xiàn)該支架斷裂機(jī)制為低應(yīng)力作用下雙向彎曲疲勞斷裂失效，材料基體為鐵素體及塊狀分布的片狀鐵素體，未見明顯異常，符合熱軋供應(yīng)狀態(tài)。圖2為斷口宏觀形貌，圖3為斷口微觀形貌。

圖2 斷口宏觀形貌

圖3 斷口微觀形貌

對(duì)故障制動(dòng)氣室支架進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，基本排除制動(dòng)氣室支架加工、制造及使用過程中存在不當(dāng)因素而引起的斷裂，初步判定制動(dòng)氣室支架斷裂的原因?yàn)樵O(shè)計(jì)強(qiáng)度不足。在長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)過程中，制動(dòng)氣室支架受雙向彎曲應(yīng)力而導(dǎo)致支架斷裂。

2 計(jì)算仿真分析

使用三維建模軟件建立制動(dòng)氣室支架三維模型，并采用ANSYS Workbench仿真軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，并進(jìn)行應(yīng)力試驗(yàn)測(cè)試，校核ANSYS Workbench計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.1 制動(dòng)氣室工作簡(jiǎn)介

制動(dòng)過程示意如圖4所示。

圖4 制動(dòng)過程示意

當(dāng)車輛采取制動(dòng)時(shí)，駕駛?cè)藛T踩下駕駛室內(nèi)腳制動(dòng)踏板，整車高壓壓縮氣體通過氣路控制閥件進(jìn)入彈簧制動(dòng)氣室行車制動(dòng)腔，壓縮空氣推動(dòng)內(nèi)部膜片使制動(dòng)氣室推桿向外推出，氣室推桿推動(dòng)制動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)，制動(dòng)臂帶動(dòng)制動(dòng)鼓內(nèi)部的凸輪軸張開，制動(dòng)蹄摩擦片與制動(dòng)鼓接觸產(chǎn)生摩擦，完成制動(dòng)動(dòng)作。制動(dòng)氣室支座通過螺栓固定在車橋橋殼上，制動(dòng)過程中制動(dòng)氣室支架受到氣室推桿的反作用力，具體見圖4。

2.2 制動(dòng)氣室支架受力狀況分析

分析制動(dòng)過程中制動(dòng)氣室支架受到的外部載荷，具體如下：

(1)制動(dòng)氣室對(duì)氣室支架的反作用力，根據(jù)氣室輸出力可知制動(dòng)氣室推力8 000 N，制動(dòng)氣壓0.6 MPa，制動(dòng)氣室支架受到的反作用力也為8 000 N；

(2)制動(dòng)氣室支架與車橋橋殼螺栓連接緊固約束。

2.3 有限元分析

通過Pro/E 三維軟件建模，建立制動(dòng)氣室支架三維模型，并將制動(dòng)氣室支架數(shù)據(jù)處理后導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件，氣室支架材料Q345，材料彈性模量E為210 GPa，泊松比δ為0.3，材料屈服極限345 MPa，材料強(qiáng)度極限480 MPa。

制動(dòng)氣室支架計(jì)算采用Shell單元，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分20 679個(gè)節(jié)點(diǎn)，20 457個(gè)單元，具體如圖5所示，并對(duì)制動(dòng)氣室支架進(jìn)行約束設(shè)定并施加載荷進(jìn)行計(jì)算。

圖5 制動(dòng)氣室支架有限元計(jì)算模型

ANSYS Workbench有限元計(jì)算結(jié)果應(yīng)力云圖如圖6所示。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，制動(dòng)氣室支架在加強(qiáng)板斷裂位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且最大應(yīng)力值已超出制動(dòng)氣室支架材料自身屈服極限，制動(dòng)氣室支架設(shè)計(jì)強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)使用要求。

圖6 制動(dòng)氣室支架有限元計(jì)算應(yīng)力云圖

2.4 應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)

為驗(yàn)證ANSYS Workbench仿真軟件計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)某制動(dòng)氣室支架進(jìn)行實(shí)際工況應(yīng)力測(cè)試，分別采取30、50 km/h時(shí)速制動(dòng)，在制動(dòng)氣室支架位置貼應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，經(jīng)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，其與ANSYS Workbench計(jì)算結(jié)果一致，說明ANSYS Workbench有限元計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)可信，可作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算依據(jù)，同時(shí)制動(dòng)氣室支架結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)隱患。應(yīng)力測(cè)試過程中應(yīng)變片測(cè)試位置見圖7，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖7 測(cè)點(diǎn)位置

表1 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù) MPa

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)制動(dòng)氣室支架設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足問題，進(jìn)行設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，建立三維模型并進(jìn)行仿真計(jì)算。

方案一：在制動(dòng)氣室支架斷裂位置增加局部加強(qiáng)筋。經(jīng)計(jì)算分析，制動(dòng)氣室支架原斷裂斷口位置較原始結(jié)構(gòu)有所改善，但制動(dòng)氣室支架與車橋連接座位置應(yīng)力依舊偏高，有限元計(jì)算應(yīng)力云圖如圖8所示。

方案二：對(duì)制動(dòng)氣室支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。在保證安裝接口不變的情況下，對(duì)制動(dòng)氣室支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體優(yōu)化，增大制動(dòng)氣室支架抗彎截面系數(shù)，以提高制動(dòng)氣室支架整體強(qiáng)度。

經(jīng)三維模型設(shè)計(jì)并進(jìn)行ANSYS Workbench仿真分析，此方案中制動(dòng)氣室支架最大應(yīng)力值為285 MPa，小于Q345材料的屈服極限，安全系數(shù)為1.21，滿足設(shè)計(jì)使用要求。其有限元計(jì)算應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖8 優(yōu)化后制動(dòng)氣室支架有限元計(jì)算應(yīng)力云圖(方案一)

圖9 優(yōu)化后制動(dòng)氣室支架有限元計(jì)算應(yīng)力云圖(方案二)

4 結(jié)論

通過對(duì)某重型特種汽車制動(dòng)氣室支架在使用過程中出現(xiàn)斷裂情況為切入點(diǎn)，對(duì)制動(dòng)氣架結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，借助ANSYS Workbench軟件進(jìn)行仿真計(jì)算分析，對(duì)制動(dòng)氣室支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，ANSYS Workbench軟件計(jì)算結(jié)果與實(shí)際應(yīng)力測(cè)試結(jié)果相近，表明通過ANSYS Workbench進(jìn)行仿真計(jì)算的過程可以作為設(shè)計(jì)優(yōu)化的依據(jù)。通過對(duì)某特種汽車制動(dòng)氣室支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行仿真計(jì)算驗(yàn)證，表明新設(shè)計(jì)的制動(dòng)氣室支架滿足設(shè)計(jì)使用要求，保證車輛安全使用，同時(shí)為其他類似結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了思路。