某重型特種車制動氣室支架優化設計

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，嚴重時會導致支架斷裂、制動失效，嚴重影響行駛安全，給生命財產安全帶來嚴重的隱患。

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制動功能。

該制動氣室支架采用Q345材質板材焊接結構，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。

對發生斷裂故障的轉向器支架進行尺寸復查及生產過程復查，出現該制動氣室支架尺寸及工藝要求均符合設計要求。對制動氣室支架進行斷口分析，發現該支架斷裂機制為低應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，符合熱軋供應狀態。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力而導致支架斷裂。

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，并進行應力試驗測試，校核ANSYS Workbench計算結果的準確性。

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

當車輛采取制動時，駕駛人員踩下駕駛室內腳制動踏板，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，制動臂帶動制動鼓內部的凸輪軸張開，制動蹄摩擦片與制動鼓接觸產生摩擦，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據處理后導入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，并進行網格劃分，共劃分20 679個節點，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有限元計算結果應力云圖如圖6所示。根據有限元計算結果，制動氣室支架在加強板斷裂位置存在應力集中現象，并且最大應力值已超出制動氣室支架材料自身屈服極限，制動氣室支架設計強度不滿足設計使用要求。

圖6 制動氣室支架有限元計算應力云圖

2.4 應力測試試驗

為驗證ANSYS Workbench仿真軟件計算結果的準確性，對某制動氣室支架進行實際工況應力測試，分別采取30、50 km/h時速制動，在制動氣室支架位置貼應變片進行應力檢測，經應力試驗結果對比分析，其與ANSYS Workbench計算結果一致，說明ANSYS Workbench有限元計算結果數據可信，可作為結構優化計算依據，同時制動氣室支架結構存在設計隱患。應力測試過程中應變片測試位置見圖7，試驗結果見表1。

圖7 測點位置

表1 試驗結果數據 MPa

3 優化設計

針對制動氣室支架設計強度不足問題，進行設計結構改進，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。經計算分析，制動氣室支架原斷裂斷口位置較原始結構有所改善，但制動氣室支架與車橋連接座位置應力依舊偏高，有限元計算應力云圖如圖8所示。

方案二：對制動氣室支架進行結構改進。在保證安裝接口不變的情況下，對制動氣室支架結構進行整體優化，增大制動氣室支架抗彎截面系數，以提高制動氣室支架整體強度。

經三維模型設計并進行ANSYS Workbench仿真分析，此方案中制動氣室支架最大應力值為285 MPa，小于Q345材料的屈服極限，安全系數為1.21，滿足設計使用要求。其有限元計算應力云圖如圖9所示。

圖8 優化后制動氣室支架有限元計算應力云圖(方案一)

圖9 優化后制動氣室支架有限元計算應力云圖(方案二)

4 結論

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