10.16638/jki.1671-7988.2017.16.034
基于有限元法的制动气室支架优化设计
黄东东
（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽合肥230601）
摘要：文章针对某轻型卡车使用过程中出现气室支架断裂问题进行了原因分析，采用仿真分析方法，分析气室支架应力集中点，针对应力集中点进行结构优化设计，最终提供了一种较好的解决方案，为后续其它支架开发提供了一种有效的借鉴思路。
关键词：气室支架；断裂；仿真：应力
中图分类号：U462.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)16-96-03
Based on the finite element method of the optimization and design of brake chamber
Huang Dongdong
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )
Abstract: A light-duty truck, the author of this paper in the process of using the air chamber stent fracture problem has carried on the reason analysis, the simulation analysis method, analysis of the air chamber bracket stress concentration, the concentration for structure optimization design, finally provides a good solution, for subsequent stent development provides an effective reference for other ideas.
Keywords: air chamber bracket; The fracture; The simulation; stress
CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-96-03
引言
制动系统主要功能是驾驶者通过对制动踏板的操纵来控制车辆行驶的速度。制动系统制动器通过制动气室充气推动调整臂旋转进行制动，制动气室安装在气室支架上，制动过程中气室支架受到气室推力反力作用，频繁制动过程中气室支架疲劳强度不足，导致支架断裂，制动失效，严重的会影响行驶安全，给生命财产安全带来严重的隐患。
1 问题提出
某轻型卡车，匹配气压鼓式制动器，该车在市场使用过程中驾驶员反馈车辆存在前轮制动气室支架断裂现象，更换新的气室支架后仍然重复出现该故障。
2 故障现象调查
选取上述故障车型进行调查，通过对故障件分析结果如下：
图1 气室支架故障件
①断裂位置：}气室支架断裂位置基本一致，断口在加强筋末端沉孔处；
②尺寸检测：铸件厚度、加强筋厚度均符合图纸要求；
作者简介：黄东东，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心轻型商用车研究院，从事轻卡制动系统设计。
黄东东：基于有限元法的制动气室支架优化设计97 2017年第16期
③金相分析：球化2级，基体为铁素体，珠光体﹤5%，碳化物﹤1%；材料合格。
通过对以上分析，可以排除零部件本身制造过程引起的断裂，支架断裂应为设计问题，初步判定制动过程应力集中导致支架断裂。
3 原因分析
针对结构设计问题，采用CAE仿真分析方法进行校核，仿真分析之前必须制动器工作过程，制动过程中气室支架受力状况。
3.1 制动过程分析
车辆制动时，驾驶人员踩下制动踏板，制动气室充气，气室推杆推动调整臂旋转，调整臂带动凸轮轴张开，摩擦片与制动鼓接触产生摩擦，完成制动动作。制动气室支架通过气室螺栓紧固连接，制动过程受到气室反作用力，具体见图2。
1制动气室2气室支架3调整臂4凸轮轴
图2 制动过程示意图
3.2 受力状况分析
制动气室支架强度分析前，应对制动过程中制动气室支架受到外部载荷分析，制动气室支架受到的外部载荷如下：1）制动气室对气室支架的反作用力，根据气室输出力可知制动气室推力8256N，制动气压0.8Mpa，制动气室支架受到的反作用力也为8256N；
2）制动气室支架与制动底板螺栓连接紧固约束。
具体约束，载荷位置见图3。
图3 气室支架受力分析
3.3 有限元分析
通过Pro-E三维软件建模，数据处理后导入Hyperworks 软件，气室支架材料：QT450-10，材料弹性模量E：1.5e5Mpa，泊松比δ：0.27，材料屈服极限310Mpa，材料强度极限450Mpa。根据上述制动气室支架受力分析，进行加载，并将气室支架另一端四个孔进行约束。分析结果如下：
图4 气室支架应力图
通过以上仿真结果，气室支架应力超过材料强度极限，加强筋结构设计存在缺陷，气室支架结构需要优化。
4 解决措施
4.1 结构分析
基于以上仿真分析结果，加强筋设计不合理，延伸长度短，加强筋必须沿至外力的作用点处，如图5b所示。图5a 两种肋板机构，不但对支撑没有加强作用，反而降低支架的强度和刚度，因为在某些截面上抗弯截面模量低于无肋板值，只有图5b的肋板结构对强度和刚度均得到加强。江淮汽车股份有限公司
a) 不合理b) 合理
W--有肋板抗弯截面模量W0--无肋板抗弯截面模量
σ有肋板弯曲应力σ0无肋板弯曲应力
图5 加强筋对支架强度影响
4.2 改进措施
在原气室支架基础上结构改进如下：
（1）缩短凸轮轴安装轴向尺寸，取消对多余材料，降低支架质量；
（2）气室安装螺栓部位加厚，安装孔相互独立结构；
（3）加强筋宽度增加，长度延伸至气室安装孔。
a) 原气室支架机构b) 改进后气室支架结构
图6 气室支架结构改进
汽车实用技术
98 2017年第16期
4.3 有限元分析
通过Pro-E三维软件重新设计气室支架，气室支架安装尺寸保持不变，三维数据处理后导入Hyperworks软件，气室支架材料：QT450-10，材料弹性模量E：1.5e5Mpa，泊松比δ：0.27，材料屈服极限310Mpa，材料强度极限450Mpa。根据3.2制动气室支架受力分析，进行加载8256N，并将气室支架另一端四个孔进行约束。分析结果如下：
a) 气室支架应力值b) 气室支架变形量
图7 气室支架应力图
通过以上仿真结果，气室支架最大应力值231Mpa，小于QT450-10材料屈服极限310Mpa，气室支架最大变形量1.2mm，气室支架结构优化设计后满足使用要求。
5 结论
该文提供了一种制动气室支架结构优化设计的新方法，通过CAE仿真分析方法，识别气室支架结构薄弱点，加强薄弱位置，同时去除设计过剩部位材料，可以实现轻量化设计，降低成本；通过优化加强筋结构，加强筋宽度、延伸长度设计合理，也为其它支架结构优化设计提供一种新的思路。
参考文献
[1] 刘惟信.汽车制动系的结构分析与设计计算.[M]北京：清华大学出
版社,2004.
[2] 张胜兰.基于Hyperworks的结构优化设计技术.[M]北京：机械工
业出版社,2008.
[3] 江淮汽车集团研发中心.江淮轻型卡车设计规范.第一版，合肥: 江
淮汽车集团股份有限公司,2006.
（上接第92页）
连杆在各个转速下的最小安全系数分别为1.37、1.16、1.24、1.26，均大于评价限值1.1，满足疲劳强度要求。
图8 1600rpm和3600rpm下连杆疲劳安全系数5 结论
1）连杆在燃烧压力和惯性力的作用下，受到拉伸变形和压缩变形，通过有限元分析可知连杆最大应力是532Mpa，在3600rpm下连杆小头上侧，主要原因是连杆的惯性力的影响较大；
2）对连杆做进一步的疲劳安全系数分析，最小安全系数是1.16，在1400rpm下连杆杆体上，主要原因是连杆受到惯性力和燃气压力的作用，杆体易发生疲劳失效；
3）根据连杆有限元分析结果可以进一步优化连杆，对安全系数较高、应力较小的区域可以进行减重处理。