基于故障樹法的汽車制動踏板疲勞分析研究

摘要： 為提高汽車制動踏板的使用壽命，研究了不同影響因素對汽車制動踏板構件疲勞失效的影響程度，采用故障樹法（FTA），通過最小割集求解構件故障樹的結構重要度，得出材料和載荷是影響制動踏板構件壽命的主要原因，應力集中為次要原因，以某重型載貨汽車制動踏板有限元模型為例，利用有限元軟件HyperMesh和疲勞軟件nCode加以預測分析，并對踏板進行剛度測試試驗，驗證了模型的合理性。

關鍵詞：制動踏板 疲勞分析 故障樹分析 有限元

中圖分類號：U463.55" " 文獻標志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240247

Fatigue Analysis Study of Automotive Brake Pedal Based on Fault Tree Method

Fang Yujie， Wu Erjuan

（Jiangsu Vocational College of Electronics and Information， Huai’an 223003）

Abstract： To improve the service life of automotive brake pedals， this paper investigates the impact of different factors affecting the fatigue failure of automotive pedal components， applies the Fault Tree Analysis （FTA） method to solve the structural importance of components through the minimal cutset. The frndings indicates that material and load are the primary causes affecting the life of brake pedal components， with stress concentration being a seeondary cause. Taking a heavy truck brake pedal Finite Element（FE） model as an example， the finite element software Hypermesh and fatigue software nCode are used for predication and analysis， and the stiffness test experiment of the pedal is carried out to verify the rationality of the model.

Key words：" Brake pedal， Fatigue analysis， Fault Tree Analysis（FTA）， Finite Element（FE）

1 前言

汽車的制動性能直接關系著交通安全，制動踏板是汽車制動系統(tǒng)中重要的操縱件之一，若出現(xiàn)疲勞斷裂，將嚴重威脅行車安全和駕駛人員生命安全。

為提高踏板構件的使用壽命，研究人員開展了大量的研究。文獻[1]、文獻[2]介紹了汽車踏板開發(fā)工藝，在保證踏板結構強度的前提下實現(xiàn)了降本增效。文獻[3]進行踏板剛度分析，基于參數(shù)化建模方法，提出了4種制動踏板結構優(yōu)化方案。文獻[4]分析了汽車踏板在極限載荷作用下的強度、剛度，并根據(jù)分析結果提出了局部結構修改方案。文獻[5]～文獻[7]研究了構件疲勞強度的影響因素，但影響疲勞壽命的因素錯綜復雜，未能得出各影響因素的影響程度。為解決上述問題，本文采用故障樹法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）求解各影響因素的重要度，得出影響疲勞壽命或者疲勞強度的主要因素。

本文先對一般構件進行疲勞理論分析，得出疲勞強度影響因素，并進一步建立故障樹，探究各因素的影響程度，即結構重要度求解。最后，以某重型載貨汽車制動踏板為例，分析影響其疲勞壽命的主要因素，通過有限元方法進一步驗證。

2 疲勞理論

3 影響因素重要度分析

由疲勞理論分析可知，影響零件和構件疲勞失效的因素有很多，本文采用故障樹分析法研究系統(tǒng)疲勞失效因素重要度，其典型特點是建立倒立樹狀的因果關系圖。對一般金屬構件建立的故障樹如圖2所示，故障樹代碼定義如表1所示。

故障樹分析包括定性分析和定量分析。其中，結構重要度是故障樹的定性分析方法之一。常規(guī)的結構重要度分析方法有2種，一是利用最小割集或最小徑集排列求解故障樹的結構重要度，二是公式法精確求解結構重要度系數(shù)。在故障樹分析中，若基本事件較少，一般可選用第1種方法，若第1種方法無法求解，則需要通過第2種方法，即結構重要度公式法進行計算求解。公式法計算方法如下：

4 制動踏板疲勞實例分析

4.1 制動踏板疲勞因素重要度分析

本文以某重型載貨汽車制動踏板總成為例研究制動踏板疲勞因素的重要程度。圖2建立了一般金屬構件疲勞失效故障樹，但由于制動踏板由沖壓制造形成，踏板工作環(huán)境為常溫常壓，所以熱處理和環(huán)境因素的影響較小，而結構、表面處理、焊接均為引起應力集中的主要根源，材料材質決定了S-N曲線，即決定了疲勞強度受應力集中、尺寸和載荷的影響。因此，可將上述故障樹簡化為圖3所示的故障樹，故引起疲勞失效的主要因素是應力集中、載荷以及材料材質，故障樹代碼定義如表2所示。

因此，材料和載荷對踏板使用壽命的重要度較高，尺寸結構重要度較低，故通過改變材料類型、載荷大小以及尺寸厚度分別驗證其對構件疲勞壽命的影響程度。

4.2 制動踏板有限元分析

制動踏板總成模型如圖4所示。制動踏板總成主要由踏板、踏板臂、連接套筒和輸出端組成。材料采用碳鋼Q235，其彈性模量為2.1×105 MPa，泊松比為0.3。在圖4中A、B、C 3處存在焊接，焊接方法為釬焊，幾何結構無缺口，表面涂有防護層。

制動踏板總成尺寸已知，利用CATIA軟件建立制動踏板總成的幾何模型。將幾何模型導入到HyperMesh中，劃分六面體網格，單元尺寸為1 mm×1 mm，劃分后的單元數(shù)為163 329個，節(jié)點數(shù)為184 804個。在軸套管與踏板臂、踏板輸出端臂連接處采用縫焊處理，焊縫為圖5中的綠色區(qū)域。

依據(jù)QC/T 788—2018《汽車踏板裝置性能要求及臺架試驗方法》中關于汽車踏板強度的測定標準，按實車狀態(tài)固定踏板裝置，并在踏板中間行程位置固定踏板輸出端，在踏板上施加700 N的力，測量踏板的位移變化。設置完制動踏板材料屬性和載荷邊界約束后，通過求解器[RADIOSS]得出結果，如圖6、圖7所示，最大位移為3.27 mm，低于標準要求的5 mm，最大應力為364.8 MPa。實際材料Q235的抗拉強度為420 MPa，屈服極限為235 MPa；由圖7的應力云圖可知，應力集中位置最易發(fā)生在踏板輸出端，其次是套筒與輸出端的焊接處。

載荷譜試驗的加載力最小為0，最大為700 N，S-N曲線由nCode材料庫中選擇材料自動生成，周期為5 s。疲勞計算結果顯示，疲勞失效風險最高的位置為踏板臂彎曲處及輸出端靠近焊縫處，疲勞壽命為9.12×106次。

4.3 主要參數(shù)變化分析

4.3.1 載荷變化

當載荷分布類型不變，僅改變最大加載載荷時，得出不同載荷與疲勞循環(huán)次數(shù)的關系如表3所示。結果表明，隨著載荷提高，循環(huán)次數(shù)減少。這是由于載荷增大后，當出現(xiàn)超載（大于材料本身應力極限）時易造成疲勞損傷，減少損傷周次，降低疲勞循環(huán)次數(shù)。

4.3.2 材料變化

材料類型對踏板疲勞壽命有重要影響。當保持制動踏板的其他參數(shù)不變，將材料由Q235變?yōu)镾50C和Q195時，疲勞分析結果如表4所示。結果表明，3種鋼材中S50C循環(huán)次數(shù)最多，Q195循環(huán)次數(shù)最少。這是由于鋼材中碳含量的增加可提升屈服強度和抗拉強度，但塑性和韌性會降低。

4.3.3 尺寸變化

當其他條件不變，僅將踏板厚度由8 mm分別減小2 mm和4 mm后，得到尺寸厚度對踏板總成疲勞壽命的關系如表5所示。結果表明，當厚度減小時，循環(huán)次數(shù)略有所增加。

由表3、表4、表5可知，當載荷和材料變化時，疲勞循環(huán)次數(shù)明顯變化，而厚度發(fā)生變化時，疲勞循環(huán)次數(shù)變化較小。

5 試驗分析

依據(jù)QC/T 788—2018要求固定踏板總成裝置。在開始試驗前通過預加載消除間隙影響，由于不同主機廠車型設計不同，踏板總成形狀略有不同，但組成部件相同，本次試驗選用某重型載貨汽車制動踏板，試驗主要儀器有加載裝置、靜態(tài)測試儀、計算機和信號采集裝置（位移傳感器、力傳感器以及三角應變花），測試裝置連接如圖8所示。

圖9為試驗現(xiàn)場，在測試過程中，最大加載力為700 N，分4次加載，分別為100 N、300 N、500 N、700 N，力傳感器示數(shù)單位為kg，測量了4組數(shù)據(jù)處理后結果如表6所示。

為方便在制動踏板上粘貼應變片，將貼片設置在踏板壁上靠近旋轉軸處。試驗數(shù)據(jù)經處理后得到的最大位移為3.31 mm，轉彎處主應力為140 MPa，與有限元理論分析結果接近，說明模型建立較為合理，最大應力值和位移數(shù)據(jù)具有可靠性。

6 結論

a. 制動踏板總成失效影響因素較多，本文通過故障樹法分析制動踏板總成疲勞失效，得出其疲勞特性主要受載荷和材料影響，其次是應力集中。

b. 后期設計需根據(jù)成本選擇合適的抗疲勞性能材料，需要關注由缺口、表面處理焊接而產生的應力集中。

參考文獻：

[1] 韓耀東， 韓明彥. 汽車踏板沖壓件的工藝改進及級進模設計[J]. 模具制造， 2020， 20（8）： 14-17.

[2] 楊啟民， 趙智， 姜云山， 等. 汽車踏板輕量化解決方案研究與應用[J]. 汽車工藝與材料， 2023（8）： 57-61.

[3] 趙文， 李春芳. 基于參數(shù)化建模的制動踏板結構優(yōu)化[J]. 機械制造， 2023， 61（11）： 19-23.

[4] 孫傳利， 宋玉波. 有限元方法在制動及加速踏板靜強度分析中的應用[J]. 汽車制造業(yè)， 2022（2）： 37-39.

[5] 李東福. 基于Abaqus的農用車制動踏板剛強度分析及拓撲優(yōu)化[J]. 農業(yè)工程， 2022， 12（5）： 99-103.

[6] 季坤鵬， 李鵬舉， 劉振輝， 等. 橋式起重機機構零件的疲勞強度計算及優(yōu)化設計[J]. 機電工程技術， 2023， 52（10）： 321-324.

[7] 梁海波， 劉成虎， 劉堯， 等. 基于加工工藝的車架疲勞壽命預測研究[J]. 汽車工藝與材料， 2020（8）： 24-27.