汽车制动气室安装方位分析

摘要： 利用MSC软件的高级非线性求解器Marc，对某商用车制动器气室安放位置受力状态进行模拟，使得该气室连接端盖受载最小，从而达到延长使用寿命和提高可靠性的目的.模拟计算结果显示不同状态气室安放位置瞬时端盖的应力状态，为设计气室安放位置提供数据说明，对气室排布起指导作用.

关键词： 制动气室； 结构分析； Marc； 位置

中图分类号： U463.522文献标志码： B

0引言

汽车采用油压或气压助力转向或者制动，给驾驶员带来便捷的操纵性能.对于制动系统，无论是盘式制动还是鼓式制动，都要求辅助推力能有效、可靠地帮助驾驶员及时准确制动，满足最基本的协同作用.研究采用的汽车制动系统制动气室用端部螺栓固定，中心推力杆伸缩往复运动，制动气室将压缩空气的压力转化为推力来推动调整臂，产生促动力推动制动蹄的运动，靠接触摩擦制动车辆.

单独考虑气室，其形式为悬臂结构.考虑悬架的空间排布和悬架推力稳定杆等的空间安装位置，气室可能水平安装，也可能与水平面成一定角度安装.当悬架设计已定，气室的姿态位置也就被限定.设计人员需要利用现有条件，设计合理的气室安装支架，使制动系统整体可靠性最高.气室悬臂失效，往往导致制动失灵或者制动跑偏，直接导致车辆碰撞的严重后果，因此，制动气室的可靠性尤为重要.悬臂梁式气室底部安装的端盖为薄弱环节.

有限元法已经广泛地应用到机械工程和汽车等领域，特别是在复杂结构力学分析方面，显示出强大的分析能力，能有效模拟考察对象的状态、载荷和流场等，方便快捷的给设计人员提供方法指导.本文利用MSC软件模拟、探讨研究如何在给定条件下安置气室，力求气室端盖受力最小，疲劳寿命最长.

1方案的提出

悬臂式结构支撑根部受载最为严重，失效裂纹往往起源于根部，见图1.在空间排布已定、采购厂商气室产品已定的情况下，设计者需要依据已有的条件，合理安装气室，使气室底部端盖受到的应力最小，从而提高整个气室的可靠性.依据常规商用车悬架设置，气室支架安装面呈90°角竖直状态，需要固定制动气室于气室支架安装面上，见图2.普通气室用底端盖上的两个螺栓固定，可以设定两螺栓与水平面呈90°，45°和0等3种方案对气室安装设计进行指导.利用MSC软件，模拟气室螺栓不同安装角度所受的最大主应力，通过对比得出结论.结合试验验证，为气室安装方位设计明确思路，进而提高制动系统整体可靠性.

2有限元边界条件及载荷

气室支架固定于桥壳某部位，气室固定于气室支架上，依据气室安放位置，通过分析，模型简化为气室和气室支架，支架连接桥壳部位固定6个自由度.

对实验车气室检测，得知气室垂直方向加速度最大，均值在14g左右.依据汽车加速行驶情况，借助气室悬臂摆动，认为气室前后方向加速度平均值为7g比较合适，并以此作为气室部件在汽车行驶过程的惯性力.从大量用户气室端盖失效情况看，气室端盖撕裂失效部位和实验失效部位一致.考虑不同方向的加速度情况下，气室安装螺栓可能承受拉应力，也可能承受压应力，所以模拟气室端盖用螺栓固定于气室支架，螺栓添加预紧力27 kN.在振动过程中，气室端盖依靠螺栓和气室支架安装面传力.

3有限元模型建立

实体单元网格用TET10，质心加载位置用RBE3连接显示，分别建立不同工况下的坐标系.在不同坐标系下建立相应载荷，惯性力加载于气室质心.因为气室用两个螺栓支撑固定，在气室上下颠簸摆动过程中，两个螺栓受力状态不断变化，瞬时受拉，瞬时放松，所以设置气室和支架接触，用螺栓连接固定，力求真实模拟气室受力状态，有限元模型见图3，分别设置加速度竖直向下和竖直向上.对应所用材料参数见表1.

4分析与结论

经过对比不同螺栓安装角度的气室端盖受力云图可知，当气室支架安装面必须垂直设计时，两螺栓45°倾斜安装所受最大主应力分别是79.8 MPa和105 MPa，比竖直安装和水平安装时候的应力值低.两个螺栓所在平面与水平面成45°倾斜设计螺栓安装位置时，端盖受到的主应力值最低.但是，该方案仅就汽车制动气室行驶过程中的主要振动方向做了方案分析，在设计详细方案时，应将侧向振动参考纳入.

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