本文運用有限元法對雙膜片彈簧制動氣室結(jié)構(gòu)的共五種設(shè)計方案進行了強度和剛度分析，并對計算結(jié)果給出了合理的評價。為雙膜片彈簧制動氣室結(jié)構(gòu)的設(shè)計及改進提供參考和依據(jù)。

　　1 前言

　　汽車制動氣室是保證汽車行駛安全的關(guān)鍵部件，制動氣室裝配質(zhì)量的好壞及氣室泄漏性的檢測控制是保證整車性能的重要指標。

　　汽車雙膜片彈簧制動氣室一般由前、后殼、中間結(jié)構(gòu)、膜片彈簧等幾部分通過軸和卡箍等連接裝配而成(參看圖1.1)。工作中，制動氣室結(jié)構(gòu)本身除了要滿足強度和剛度要求外，連接件(如卡箍等)還必須有足夠的連接剛度，從而保證氣室的密封性。

　　本文對某汽車雙模片彈簧制動氣室結(jié)構(gòu)進行了有限元分析計算，考查殼體(前、后殼)、卡箍的厚度分別取為3.0mm和3.5mm時，雙模片彈簧制動氣室結(jié)構(gòu)在工作極限壓強(1.5MPa)下的強度及剛度是否滿足要求。并對計算結(jié)果給出合理的評價，為設(shè)計改進與定型提供參考依據(jù)。

圖1.1 雙模片彈簧制動氣室設(shè)計方案一結(jié)構(gòu)時的三維實體模型

　　2 有限元模型建模

　　2.1 結(jié)構(gòu)離散化

　　根據(jù)雙模片彈簧制動氣室的結(jié)構(gòu)特點，采用四面體單元對其進行有限元網(wǎng)格劃分，卡箍之間的螺栓連接采用剛性單元和梁單元模擬。

　　為了使本文的研究更切合氣室工作中的特點，文中考慮了卡箍與殼體和中間結(jié)構(gòu)之間的面接觸。

　　本次計算考慮了卡箍、前殼及后殼的壁厚分別取為3.0mm和3.5mm時的共五種設(shè)計方案。為方便起見，將這五種設(shè)計方案分別具體描述如表1(表中同時給出了各設(shè)計方案的有限元模型網(wǎng)格數(shù)目)。

表1 雙模片彈簧制動氣室結(jié)構(gòu)各設(shè)計方案描述

　　保持各設(shè)計方案的有限元網(wǎng)格數(shù)目基本相當，從而保證了各設(shè)計方案的有限元分析結(jié)果存在可比性。圖2為方案一的有限元模型圖。

圖2 雙模片彈簧制動氣室設(shè)計方案一結(jié)構(gòu)時的有限元模型結(jié)論

　　2.2 材料參數(shù)

　　雙模片彈簧制動氣室結(jié)構(gòu)中，卡箍所用材料為Q235鋼，其最小屈服極限為235MPa;殼體所用材料為08AL鋼，其最小屈服極限為275MPa;中間結(jié)構(gòu)所用材料為壓鑄鋁，其最小屈服極限大于100MPa。

　　計算時取鋼材料的彈性模量E為208GPa，泊松比μ為0.3，質(zhì)量密度ρ為7.8×10-6/mm3;壓鑄鋁材料的彈性模量E為105GPa，泊松比μ為0.34，質(zhì)量密度ρ為2.7×10-6Kg/mm3。

　　2.3 計算載荷與工況

　　本次分析主要為強度校核和方案比較，同時考慮了組件間的非線性接觸。計算的載荷主要考慮氣室內(nèi)的極限壓強1.5MPa，以及由此產(chǎn)生的氣室彈簧和拉板彈簧的作用力。

　　3 有限元分析結(jié)果

　　表2列出了雙模片彈簧制動氣室結(jié)構(gòu)五種設(shè)計方案下各組件的最大相對變形值、最大應力值及最大應力分布部位。

表2 五種方案的最大相對變形、最大應力及分布部位

　　各設(shè)計方案下雙模片彈簧制動氣室結(jié)構(gòu)各組件的變形和應力分布基本一致，僅僅是數(shù)值上有所不同，因此本文只給出了方案一時的結(jié)果圖。圖3—8為方案一下雙模片彈簧制動氣室結(jié)構(gòu)各組件的變形和應力分布圖(圖中應力單位為KPa，變形單位為mm)。

圖3 方案一時卡箍結(jié)構(gòu)變形圖

圖4 方案一時卡箍結(jié)構(gòu)應力分布云圖

圖5 方案一時卡箍結(jié)構(gòu)最大應力位置附近應力分布云圖

圖6 方案一時前殼結(jié)構(gòu)應力分布云圖

圖7 方案一時后殼結(jié)構(gòu)應力分布云圖

圖8 方案一時氣室中間結(jié)構(gòu)應力分布云圖

　　4 有限元分析結(jié)論

　　1. 五種設(shè)計方案下雙模片彈簧制動氣室結(jié)構(gòu)各組件的變形和應力分布基本一致，僅僅是數(shù)值上有所不同。

　　2. 五種設(shè)計方案下雙模片彈簧制動氣室結(jié)構(gòu)各組件的相對變形值都很小(見表2)，變形值能滿足要求。

　　3. 從卡箍結(jié)構(gòu)的變形圖(圖3)看，前殼與中間結(jié)構(gòu)間的卡箍相對變形較后殼與中間結(jié)構(gòu)間的大，因此為滿足氣密性的目的，前殼的料厚不應盲目減小。

　　4. 五種設(shè)計方案中，僅設(shè)計方案二(卡箍及前殼3.5mm厚，后殼3.0mm厚)和三(卡箍、殼體均為3.5mm厚)時制動氣室各組件的最大應力值低于所用材料的強度屈服極限(見表2)。其中方案二時卡箍、前殼、后殼結(jié)構(gòu)的強度安全系數(shù)為1.02、1.11、1.27，而方案三時卡箍、前殼、后殼結(jié)構(gòu)的強度安全系數(shù)為1.22、1.11、1.79，可見，方案三時各組件強度均有一定富余，而方案二時卡箍的強度基本沒有富余。

　　5. 建議采用方案三的設(shè)計。同時由于本次計算考慮的氣室內(nèi)的氣壓1.5MPa為極限壓強，實際使用中可能達不到該氣壓值，因此基于降成本的考慮，可酌情選取方案二的設(shè)計。