某重型特種車制動氣室支架優(yōu)化設(shè)計

南海峰，郭帥

(泰安航天特種車有限公司，山東泰安 271000)

0 引言

制動系統(tǒng)是汽車的一個重要組成部分，它直接影響到汽車的行駛安全性。某重型特種汽車制動系統(tǒng)包括行車制動、駐車制動及輔助制動。其中行車制動和駐車制動均通過彈簧制動氣室推桿推動制動臂旋轉(zhuǎn)進行制動，制動氣室安裝在氣室支架上，制動過程中氣室支架受到氣室推桿反作用力，頻繁制動過程中若氣室支架強度不足，嚴(yán)重時會導(dǎo)致支架斷裂、制動失效，嚴(yán)重影響行駛安全，給生命財產(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，匹配鼓式制動器，該車在使用過程中出現(xiàn)制動氣室支架斷裂(如圖1所示)，制動氣室脫落，車輛在行駛過程中制動失效。

1 故障原因淺析

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

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

對發(fā)生斷裂故障的轉(zhuǎn)向器支架進行尺寸復(fù)查及生產(chǎn)過程復(fù)查，出現(xiàn)該制動氣室支架尺寸及工藝要求均符合設(shè)計要求。對制動氣室支架進行斷口分析，發(fā)現(xiàn)該支架斷裂機制為低應(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

對故障制動氣室支架進行簡要分析，基本排除制動氣室支架加工、制造及使用過程中存在不當(dāng)因素而引起的斷裂，初步判定制動氣室支架斷裂的原因為設(shè)計強度不足。在長時間制動過程中，制動氣室支架受雙向彎曲應(yīng)力而導(dǎo)致支架斷裂。

2 計算仿真分析

使用三維建模軟件建立制動氣室支架三維模型，并采用ANSYS Workbench仿真軟件進行仿真計算，并進行應(yīng)力試驗測試，校核ANSYS Workbench計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.1 制動氣室工作簡介

制動過程示意如圖4所示。

圖4 制動過程示意

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

2.2 制動氣室支架受力狀況分析

分析制動過程中制動氣室支架受到的外部載荷，具體如下：

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

(2)制動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，建立制動氣室支架三維模型，并將制動氣室支架數(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，材料強度極限480 MPa。

制動氣室支架計算采用Shell單元，并進行網(wǎng)格劃分，共劃分20 679個節(jié)點，20 457個單元，具體如圖5所示，并對制動氣室支架進行約束設(shè)定并施加載荷進行計算。

圖5 制動氣室支架有限元計算模型

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

圖6 制動氣室支架有限元計算應(yīng)力云圖

2.4 應(yīng)力測試試驗

為驗證ANSYS Workbench仿真軟件計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對某制動氣室支架進行實際工況應(yīng)力測試，分別采取30、50 km/h時速制動，在制動氣室支架位置貼應(yīng)變片進行應(yīng)力檢測，經(jīng)應(yīng)力試驗結(jié)果對比分析，其與ANSYS Workbench計算結(jié)果一致，說明ANSYS Workbench有限元計算結(jié)果數(shù)據(jù)可信，可作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算依據(jù)，同時制動氣室支架結(jié)構(gòu)存在設(shè)計隱患。應(yīng)力測試過程中應(yīng)變片測試位置見圖7，試驗結(jié)果見表1。

圖7 測點位置

表1 試驗結(jié)果數(shù)據(jù) MPa

3 優(yōu)化設(shè)計

針對制動氣室支架設(shè)計強度不足問題，進行設(shè)計結(jié)構(gòu)改進，建立三維模型并進行仿真計算。

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

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

經(jīng)三維模型設(shè)計并進行ANSYS Workbench仿真分析，此方案中制動氣室支架最大應(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)計使用要求。其有限元計算應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖8 優(yōu)化后制動氣室支架有限元計算應(yīng)力云圖(方案一)

圖9 優(yōu)化后制動氣室支架有限元計算應(yīng)力云圖(方案二)

4 結(jié)論

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