某氣室支架強度分析與優化*

冷俊強，孫章棟，任愛華

(湖北汽車工業學院，湖北 十堰 442000)

0 引 言

隨著我國汽車工業的快速發展，汽車幾乎家家都有。中國已成為世界第四大汽車生產國和第三大汽車消費國[1]。汽車的制動性能好壞會影響汽車的行駛安全，是判斷汽車安全行駛的一個重要指標。在汽車的制動系統中，氣室支架是重要的部件，其性能與汽車的行車安全有很大的關系。汽車制動的時候，氣室中的推桿會推動手柄旋轉一個角度，與手柄相連的凸輪軸隨之轉動，凸輪軸的轉動使制動蹄向兩邊張開，與制動鼓進行摩擦，促使車輛減速，實現制動[2]。制動器支架是鼓式制動器的一部分,它的作用是固定氣室，承載汽車制動時制動力產生的反作用力，但它也是讓人容易忽視的一部分。鼓式制動器中制動器支架重要力學性能是強度指標，強度過低，容易在汽車制動時造成支架的斷裂，引起制動失效，從而影響汽車行駛的安全。針對支架的斷裂問題，通過HyperMesh軟件對支架進行優化設計[3]，提出了一種優化方案，使斷裂部位受到的最大應力有了明顯的降低，增強了支架的負載能力，很好地避免了支架斷裂的危險。

1 有限元模型的建立

某車在制動的時候，氣室支架發生了斷裂，斷裂位置圖如圖1所示，斷裂的位置發生在固定板與腹板連接處附近。初步分析是支架的強度不夠引起斷裂，所以要對支架進行有限元分析。

圖1 支架斷裂位置圖 圖2 支架三維圖

1.1 支架的建模

支架是由固定板、安裝板和一個腹板組成，固定板與車橋用螺栓連接固定，安裝版連接的是一個氣室，腹板連接固定板和安裝板。采用SolidWorks軟件對支架進行三維建模，如圖2所示。

1.2 模型的刪減與導入

支架的有限元模型在進行限元分析的時候﹐因為模型的一些小的特征會對網格劃分的質量造成影響，這會極大地影響有限元分析結果的準確性，所以將支架三維模型導入有限元軟件之前，應該對支架模型進行必要的幾何簡化,將其中一些不必要的特征刪除﹐忽略一些不必要的細節,在不影響分析結果準確性的前提下,盡可能地提高分析效率[4]。

1.3 網格劃分

在Hypermesh[5]中進行網格劃分，網格是采用整體的劃分，單元類型為三角形單元，完成網格劃分之后,單元數量為79 548，節點數量為19 215，支架網格劃分圖如圖3所示。

圖3 支架網格劃分圖

1.4 網格劃分

氣室支架采用的材料是QT450-10(球墨鑄鐵)，其材料性能見表1所列。

表1 支架的材料性能參數

2 典型工況分析

2.1 載荷分布

支架的安裝示意圖如圖4所示，一端連接是氣室，另一端連接的是車架。

圖4 支架的安裝示意圖

汽車在制動時，氣室給手柄一個23 000 N的力，方向垂直于支架的安裝板，手柄給支架一個反作用力(氣室與支架的安裝板相連)[6]。采用剛性單元RBE2與受力部位相應的節點連接，如圖5所示。

圖5 支架載荷 圖6 約束位置

2.2 創建約束

支架的固定板通過螺栓連接固定在車橋上，所以在選擇邊界條件的時候，對固定板上的四個螺紋孔和固定板底面進行固定端約束。約束位置如圖6所示。

3 分析計算結果

對支架施加載荷進行求解計算，得到了支架的應力分布圖，如圖7所示。在圖中可以看出最大應力值為177.6 MPa，由于QT450-10是脆性材料，它的安全系數取2，且QT450-10的屈服強度為310 MPa，其強度安全系數為1.75，低于實際工程要求值，存在過早疲勞損壞的風險。

圖7 支架應力分布圖

另外最危險的地方出現在腹板與固定板連接的那一端的腹板上，與支架的實物圖斷裂地方是相符合的，但是腹板與安裝板連接的過渡圓弧處，也產生了應力集中，也是強度不滿足要求的地方。

4 優化設計與比較

4.1 優化方案

為了讓支架的強度性能滿足實際工程要求，就要對應力最大的部位進行改進，從而提高支架的強度性能[7]。

對原支架進行優化設計，提出了一種優化方案。把支架的腹板移到固定板中間，然后螺紋孔對稱分布在腹板兩側，然后在腹板與固定板連接處的兩側應力最大位置加上加強筋，接著將腹板與安裝板連接的過渡圓弧處的圓弧半徑變大(變大目的是減小應力集中)，得到的改進支架如圖8所示。

圖8 改進支架圖

另外，改進方案中支架的邊界條件的選定和載荷的施加與原支架是一樣的。最后進行分析求解，得到的結構如圖9所示。

圖9 改進支架應力分布圖

改進支架經過分析計算，得到最大應力為145.9 MPa，其強度安全系數為2.07，大于2，滿足強度性能要求，可以避免斷裂的風險。

4.2 優化前后對比

將支架改進前后的數據進行對比分析，結果如表2所列。

表2 支架改進前后對比

原支架工況下產生最大VonMises應力為177.6 MPa，改進后最大VonMises應力為145.9 MPa。改進支架經過分析計算，得到最大應力為145.9 MPa，其強度安全系數為2.07，大于2，滿足強度性能要求，可以避免斷裂的風險。

5 結 語

針對支架在汽車剎車制動時承受負載而發生斷裂的問題，對其構建三維模型及靜力學分析,得到最大的應力值為177.6 MPa,超出支架材質QT 400-10的許用強度155 MPa,無法滿足其使用工況,其最大應力值處與實際斷裂位置一致。然后對支架進行了優化設計，優化設計的支架最大應力為149.5 MPa，相比原支架所受到的最大應力減少了31.7 MPa，負載能力更強，滿足強度性能要求。