某气室支架强度分析与优化*
时间：2023-02-17 08:45:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
冷俊强，孙章栋，任爱华
(湖北汽车工业学院，湖北 十堰 442000)
随着我国汽车工业的快速发展，汽车几乎家家都有。中国已成为世界第四大汽车生产国和第三大汽车消费国[1]。汽车的制动性能好坏会影响汽车的行驶安全，是判断汽车安全行驶的一个重要指标。在汽车的制动系统中，气室支架是重要的部件，其性能与汽车的行车安全有很大的关系。汽车制动的时候，气室中的推杆会推动手柄旋转一个角度，与手柄相连的凸轮轴随之转动，凸轮轴的转动使制动蹄向两边张开，与制动鼓进行摩擦，促使车辆减速，实现制动[2]。制动器支架是鼓式制动器的一部分,它的作用是固定气室，承载汽车制动时制动力产生的反作用力，但它也是让人容易忽视的一部分。鼓式制动器中制动器支架重要力学性能是强度指标，强度过低，容易在汽车制动时造成支架的断裂，引起制动失效，从而影响汽车行驶的安全。针对支架的断裂问题，通过HyperMesh软件对支架进行优化设计[3]，提出了一种优化方案，使断裂部位受到的最大应力有了明显的降低，增强了支架的负载能力，很好地避免了支架断裂的危险。
某车在制动的时候，气室支架发生了断裂，断裂位置图如图1所示，断裂的位置发生在固定板与腹板连接处附近。初步分析是支架的强度不够引起断裂，所以要对支架进行有限元分析。
图1 支架断裂位置图 图2 支架三维图
1.1 支架的建模
支架是由固定板、安装板和一个腹板组成，固定板与车桥用螺栓连接固定，安装版连接的是一个气室，腹板连接固定板和安装板。采用SolidWorks软件对支架进行三维建模，如图2所示。
1.2 模型的删减与导入
支架的有限元模型在进行限元分析的时候﹐因为模型的一些小的特征会对网格划分的质量造成影响，这会极大地影响有限元分析结果的准确性，所以将支架三维模型导入有限元软件之前，应该对支架模型进行必要的几何简化,将其中一些不必要的特征删除﹐忽略一些不必要的细节,在不影响分析结果准确性的前提下,尽可能地提高分析效率[4]。
1.3 网格划分
在Hypermesh[5]中进行网格划分，网格是采用整体的划分，单元类型为三角形单元，完成网格划分之后,单元数量为79 548，节点数量为19 215，支架网格划分图如图3所示。
图3 支架网格划分图
1.4 网格划分
气室支架采用的材料是QT450-10(球墨铸铁)，其材料性能见表1所列。
表1 支架的材料性能参数
2.1 载荷分布
支架的安装示意图如图4所示，一端连接是气室，另一端连接的是车架。
图4 支架的安装示意图
汽车在制动时，气室给手柄一个23 000 N的力，方向垂直于支架的安装板，手柄给支架一个反作用力(气室与支架的安装板相连)[6]。采用刚性单元RBE2与受力部位相应的节点连接，如图5所示。
图5 支架载荷 图6 约束位置
2.2 创建约束
支架的固定板通过螺栓连接固定在车桥上，所以在选择边界条件的时候，对固定板上的四个螺纹孔和固定板底面进行固定端约束。约束位置如图6所示。
对支架施加载荷进行求解计算，得到了支架的应力分布图，如图7所示。在图中可以看出最大应力值为177.6 MPa，由于QT450-10是脆性材料，它的安全系数取2，且QT450-10的屈服强度为310 MPa，其强度安全系数为1.75，低于实际工程要求值，存在过早疲劳损坏的风险。
图7 支架应力分布图
另外最危险的地方出现在腹板与固定板连接的那一端的腹板上，与支架的实物图断裂地方是相符合的，但是腹板与安装板连接的过渡圆弧处，也产生了应力集中，也是强度不满足要求的地方。
4.1 优化方案
为了让支架的强度性能满足实际工程要求，就要对应力最大的部位进行改进，从而提高支架的强度性能[7]。
对原支架进行优化设计，提出了一种优化方案。把支架的腹板移到固定板中间，然后螺纹孔对称分布在腹板两侧，然后在腹板与固定板连接处的两侧应力最大位置加上加强筋，接着将腹板与安装板连接的过渡圆弧处的圆弧半径变大(变大目的是减小应力集中)，得到的改进支架如图8所示。
图8 改进支架图
另外，改进方案中支架的边界条件的选定和载荷的施加与原支架是一样的。最后进行分析求解，得到的结构如图9所示。
图9 改进支架应力分布图
改进支架经过分析计算，得到最大应力为145.9 MPa，其强度安全系数为2.07，大于2，满足强度性能要求，可以避免断裂的风险。
4.2 优化前后对比
将支架改进前后的数据进行对比分析，结果如表2所列。
表2 支架改进前后对比
原支架工况下产生最大VonMises应力为177.6 MPa，改进后最大VonMises应力为145.9 MPa。改进支架经过分析计算，得到最大应力为145.9 MPa，其强度安全系数为2.07，大于2，满足强度性能要求，可以避免断裂的风险。
针对支架在汽车刹车制动时承受负载而发生断裂的问题，对其构建三维模型及静力学分析,得到最大的应力值为177.6 MPa,超出支架材质QT 400-10的许用强度155 MPa,无法满足其使用工况,其最大应力值处与实际断裂位置一致。然后对支架进行了优化设计，优化设计的支架最大应力为149.5 MPa，相比原支架所受到的最大应力减少了31.7 MPa，负载能力更强，满足强度性能要求。
猜你喜欢 气室腹板有限元 基于扩展有限元的疲劳裂纹扩展分析舰船科学技术(2022年20期)2022-11-28腹板开口对复合材料梁腹板剪切承载性能的影响北京航空航天大学学报(2022年5期)2022-06-06变截面波形钢腹板组合箱梁的剪应力计算分析四川轻化工大学学报(自然科学版)(2021年1期)2021-06-09某驱动桥气室失效问题的分析及改进汽车实用技术(2021年8期)2021-05-17波形钢腹板箱梁腹板受力分析山西交通科技(2020年4期)2020-09-30基于三维有限元的箱梁腹板剪力分配规律分析*沈阳工业大学学报(2020年4期)2020-08-01新型有机玻璃在站台门的应用及有限元分析上海节能(2020年3期)2020-04-13某重型特种车制动气室支架优化设计汽车零部件(2019年5期)2019-06-13振荡水柱气室结构优化设计对比船海工程(2018年5期)2018-11-01原子自旋陀螺气室加热电磁噪声抑制实验研究北京航空航天大学学报(2018年1期)2018-04-20
