手剎臺架試驗拉索拉桿疲勞斷裂分析及優(yōu)化

莫濤魁 秦千富 楊漢清

【摘 要】手剎在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)階段必須通過耐久臺架試驗，以確保滿足各項性能要求。目前，國內(nèi)基本采用的是樣機制造到試驗的設(shè)計路線，試驗次數(shù)多，開發(fā)周期長。文章對某車型手剎拉索拉桿在耐久臺架試驗中的疲勞斷裂問題進(jìn)行仿真分析，通過與試驗斷裂數(shù)據(jù)對比論證，提出了一種新的基于臺架試驗載荷譜的疲勞仿真預(yù)測方法。應(yīng)用結(jié)果表明：該方法具有較強的工程實用性，為臺架循環(huán)載荷下的工程問題提供了新的思路和預(yù)測方法。

【關(guān)鍵詞】手剎;耐久臺架試驗;循環(huán)載荷;疲勞斷裂;疲勞仿真方法

【中圖分類號】U463.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）07-0077-04

0 前言

手剎作為汽車制動系統(tǒng)的輔助制動器，直接影響到汽車的安全性。因此，必須具備良好的強度及可靠的性能，以滿足整個汽車生命周期安全、穩(wěn)定和正常的工作。所以，在產(chǎn)品開發(fā)階段，通常要對手剎進(jìn)行臺架加速試驗，以驗證其性能。但現(xiàn)階段基本采用的是樣機制造到試驗的設(shè)計路線，這就可能會導(dǎo)致試驗重復(fù)、開發(fā)周期長等問題。如何保證試驗一次通過，進(jìn)而縮短開發(fā)周期，非常重要。本文對某車型手剎臺架試驗拉桿斷裂進(jìn)行仿真分析，提出了一種新的基于臺架試驗載荷譜的疲勞仿真預(yù)測方法。

1.2 疲勞損傷累積法則

損傷，從物理角度看，通常是與失去完整性相聯(lián)系。一般而言，當(dāng)材料或零件承受高于疲勞極限的應(yīng)力時，每一循環(huán)都使材料產(chǎn)生一定量的損傷，即材料性能或細(xì)微“結(jié)構(gòu)”的變化。在循環(huán)載荷作用下，疲勞損傷會不斷累積，當(dāng)損傷累積到臨界值時就會發(fā)生疲勞破壞，這就是疲勞損傷累積理論[3]。目前，疲勞理論可歸納為以下3類：線性疲勞累積損傷理論、修正的線性疲勞累積損傷理論和非線性疲勞累積損傷理論[2]。線性疲勞累積損傷理論認(rèn)為在循環(huán)載荷作用下，疲勞損傷是可以線性地累加的，各個應(yīng)力之間相互獨立和互不相關(guān)，簡稱Miner理論。在工程類問題中，一般采用的是比較直接和簡便的Miner線性疲勞累積損傷求和。

2 手剎臺架試驗

臺架試驗作為零部件的疲勞耐久加劇試驗，能在短時間內(nèi)驗證零件的強度是否達(dá)到要求，并且可以對試驗中的問題與對策進(jìn)行及時的驗證，有利于新車型開發(fā)的速度。某車型手剎在臺架試驗中不同批次樣件拉桿相同位置出現(xiàn)斷裂問題。

2.1 試驗條件

如圖1所示，試驗時，將手剎底座安裝孔和拉桿末端進(jìn)行固定，于手柄把手處進(jìn)行施力。

試驗附帶拉索進(jìn)行考核：①F 1=350N，次數(shù)為25 000次;②F 2=400 N，次數(shù)為2 500次;③F 3=450 N，次數(shù)為250次;④F4=550 N，次數(shù)為5次，共27 775次為一個循環(huán)，做3個循環(huán)后。要求：①齒爪、折動處、開關(guān)等無過渡磨損，零部件分離及切斷現(xiàn)象;②耐久測試后，燈開關(guān)能正常工作;③耐久測試后釋放按鈕不應(yīng)堵塞（注：350 N對應(yīng)手剎2/3行程;400 N對應(yīng)手剎2/3行程+[1±1]齒;450 N對應(yīng)2/3行程+[2±1]齒;550 N對應(yīng)2/3行程+[3±1]齒）。

2.2 某車型手剎試驗結(jié)果

對某車型手剎進(jìn)行了6個批次試驗，其中4個批次出現(xiàn)拉索拉桿斷裂，且這4個批次中有2個批次出現(xiàn)2次拉桿斷裂（斷裂1根后，更換拉桿繼續(xù)試驗），共出現(xiàn)6根拉桿斷裂，如圖2所示。臺架耐久試驗結(jié)果見表1。

通過測量同批次樣件拉桿尺寸，均滿足圖紙要求。并且，拉桿材料（35#圓鋼）力學(xué)性能滿足GB/T 699—1999的要求，屈服強度≥315 MPa，抗拉強度≥530 MPa（見表2）。

排除設(shè)計及制造問題，初步分析造成手剎拉索拉桿斷裂的原因為拉桿在循環(huán)載荷作用下，構(gòu)件局部位置存在應(yīng)力集中并產(chǎn)生疲勞損傷，在足夠多的循環(huán)次數(shù)下達(dá)到疲勞斷裂。

3 仿真分析

為了找出拉桿斷裂的開裂原因及為后續(xù)的項目開發(fā)提供風(fēng)險預(yù)估，縮短開發(fā)周期。對手剎拉桿進(jìn)行了仿真分析優(yōu)化，并最終與臺架試驗結(jié)果進(jìn)行對比論證。該仿真分析流程如圖3所示。

3.1 有限元模型建立

根據(jù)手剎物理數(shù)據(jù)，綜合考慮精度及計算時間的影響，對手柄、基座、棘爪、平衡塊采用5 mm網(wǎng)格劃分，單元類型采用縮減積分單元S3R、S4R，同時考慮材料的非線性和幾何性[3-5]。拉索拉桿采用2 mm六面體網(wǎng)格劃分，單元類型采用縮減積分單元C3D8R。本模型包含節(jié)點5 094個、單元7 929個。其中，手柄材料為SAPH440，基座及棘爪材料為45#鋼，拉索拉桿材料為35#鋼。使用一維單元模擬圓管與基座、棘爪與手柄的Y軸轉(zhuǎn)動副，并對拉桿、拉桿銷軸、拉桿螺母套處進(jìn)行有限元建模，表達(dá)其軸向限位、徑向受剪切作用的受力關(guān)系（如圖4所示）。

3.2 靜態(tài)分析

根據(jù)耐久臺架試驗邊界條件，對模型基座安裝孔、平衡塊安裝孔位置進(jìn)行全約束（spc=123456），在手柄距端面25 mm處垂直手柄方向分別加載F1=350 N，F(xiàn)2=40 0N，F(xiàn)3=450 N，F(xiàn)4=550 N（如圖5所示）。

結(jié)果云圖如圖6所示。

各工況應(yīng)力結(jié)果見表3。

經(jīng)靜態(tài)分析，拉桿與拉桿銷軸處存在高應(yīng)力，但單純從應(yīng)力結(jié)果無法評估耐久性能，故基于該結(jié)果進(jìn)一步開展疲勞仿真。

3.3 疲勞壽命分析

前面靜態(tài)分析已經(jīng)得到結(jié)構(gòu)在不同工況下的應(yīng)力特征響應(yīng)，結(jié)合耐久臺架試驗載荷譜（如圖7所示）及材料（35#鋼）E-N曲線（如圖8所示），利用E-N靜態(tài)疲勞方法對手剎進(jìn)行疲勞壽命分析[6-7]。

分析結(jié)果顯示：單次循環(huán)下拉索拉桿最大損傷為1.274（如圖9所示），大于線性疲勞累積理論破壞準(zhǔn)則D=1，即存在疲勞斷裂風(fēng)險，且最大損傷位置出現(xiàn)在拉索拉桿靠近銷軸處，與耐久臺架試驗拉索拉桿斷裂位置基本吻合。故驗證了導(dǎo)致拉索拉桿斷裂的原因是由于拉索拉桿受交變（循環(huán)）載荷，產(chǎn)生疲勞裂紋，在足夠多的循環(huán)擾動作用后發(fā)生斷裂。

4 優(yōu)化驗證

從分析結(jié)果看，斷裂發(fā)生在局部位置，因為斷裂零件為圓棒，一般難以進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征或者型面優(yōu)化。故采用厚度優(yōu)化的方法進(jìn)行優(yōu)化并分析驗證，優(yōu)化方案如圖10所示。

優(yōu)化對比結(jié)果匯總見表4。

從優(yōu)化對比結(jié)果匯總表可以看出：優(yōu)化方案單次循環(huán)損傷為0.135 2，循環(huán)壽命為7.40，較原方案壽命0.78提升9.48倍。經(jīng)再次臺架試驗，無樣件斷裂。

5 結(jié)論

（1）針對臺架耐久試驗中手剎拉索拉桿疲勞斷裂問題，提出了一種新的疲勞仿真分析方法，并優(yōu)化解決了某車型手剎開發(fā)驗證階段耐久臺架試驗中拉索拉桿斷裂問題。

（2）本文所論證的手剎疲勞仿真預(yù)測方法具有較強的工程實用性，特別是針對類似的臺架試驗等一些循環(huán)工況下的耐久性問題，在樣件制造前，進(jìn)行疲勞仿真，能早一步發(fā)現(xiàn)問題并予以解決，以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]周傳月，鄭紅霞，羅慧強，等.MSC.Fatigue疲勞分析應(yīng)用與實例[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[2]姚衛(wèi)星.結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[3]關(guān)俊山，萬小金.手剎鉚接件失效分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版），2016，40（2）：385-389.

[4]韋江寧，陳敦佳.汽車手剎駐車制動系統(tǒng)試驗臺架設(shè)計[J].Equipment Manufacturing Technology，2018（1）：50-51.

[5]韓冬雪，韋學(xué)麗，丁曉明.基于RADIOSS的某車型手剎安裝點剛度分析及優(yōu)化設(shè)計[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2014（9）：18-20.

[6]馬明，朱玉田.基于nCode DesignLife的車載揚聲器盆架振動疲勞分析[J].計算機輔助工程，2016，25（4）：48-54.

[7]李成林，宋莎莎，韓振南.基于nCode Design-Life的某車架疲勞可靠性分析[J].圖學(xué)學(xué)報，2014，35（1）：42-45.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]