有限元法的双膜片弹簧制动气室设计分析

本文运用有限元法对双膜片弹簧制动气室结构的共五种设计方案进行了强度和刚度分析，并对计算结果给出了合理的评价。为双膜片弹簧制动气室结构的设计及改进提供参考和依据。

　　1 前言

　　汽车制动气室是保证汽车行驶安全的关键部件，制动气室装配质量的好坏及气室泄漏性的检测控制是保证整车性能的重要指标。

　　汽车双膜片弹簧制动气室一般由前、后壳、中间结构、膜片弹簧等几部分通过轴和卡箍等连接装配而成(参看图1.1)。工作中，制动气室结构本身除了要满足强度和刚度要求外，连接件(如卡箍等)还必须有足够的连接刚度，从而保证气室的密封性。

　　本文对某汽车双模片弹簧制动气室结构进行了有限元分析计算，考查壳体(前、后壳)、卡箍的厚度分别取为3.0mm和3.5mm时，双模片弹簧制动气室结构在工作极限压强(1.5MPa)下的强度及刚度是否满足要求。并对计算结果给出合理的评价，为设计改进与定型提供参考依据。

图1.1 双模片弹簧制动气室设计方案一结构时的三维实体模型

　　2 有限元模型建模

　　2.1 结构离散化

　　根据双模片弹簧制动气室的结构特点，采用四面体单元对其进行有限元网格划分，卡箍之间的螺栓连接采用刚性单元和梁单元模拟。

　　为了使本文的研究更切合气室工作中的特点，文中考虑了卡箍与壳体和中间结构之间的面接触。

　　本次计算考虑了卡箍、前壳及后壳的壁厚分别取为3.0mm和3.5mm时的共五种设计方案。为方便起见，将这五种设计方案分别具体描述如表1(表中同时给出了各设计方案的有限元模型网格数目)。

表1 双模片弹簧制动气室结构各设计方案描述

　　保持各设计方案的有限元网格数目基本相当，从而保证了各设计方案的有限元分析结果存在可比性。图2为方案一的有限元模型图。

图2 双模片弹簧制动气室设计方案一结构时的有限元模型结论

　　2.2 材料参数

　　双模片弹簧制动气室结构中，卡箍所用材料为Q235钢，其最小屈服极限为235MPa;壳体所用材料为08AL钢，其最小屈服极限为275MPa;中间结构所用材料为压铸铝，其最小屈服极限大于100MPa。

　　计算时取钢材料的弹性模量E为208GPa，泊松比μ为0.3，质量密度ρ为7.8×10-6/mm3;压铸铝材料的弹性模量E为105GPa，泊松比μ为0.34，质量密度ρ为2.7×10-6Kg/mm3。

　　2.3 计算载荷与工况

　　本次分析主要为强度校核和方案比较，同时考虑了组件间的非线性接触。计算的载荷主要考虑气室内的极限压强1.5MPa，以及由此产生的气室弹簧和拉板弹簧的作用力。

　　3 有限元分析结果

　　表2列出了双模片弹簧制动气室结构五种设计方案下各组件的最大相对变形值、最大应力值及最大应力分布部位。

表2 五种方案的最大相对变形、最大应力及分布部位

　　各设计方案下双模片弹簧制动气室结构各组件的变形和应力分布基本一致，仅仅是数值上有所不同，因此本文只给出了方案一时的结果图。图3—8为方案一下双模片弹簧制动气室结构各组件的变形和应力分布图(图中应力单位为KPa，变形单位为mm)。

图3 方案一时卡箍结构变形图

图4 方案一时卡箍结构应力分布云图

图5 方案一时卡箍结构最大应力位置附近应力分布云图

图6 方案一时前壳结构应力分布云图

图7 方案一时后壳结构应力分布云图

图8 方案一时气室中间结构应力分布云图

　　4 有限元分析结论

　　1. 五种设计方案下双模片弹簧制动气室结构各组件的变形和应力分布基本一致，仅仅是数值上有所不同。

　　2. 五种设计方案下双模片弹簧制动气室结构各组件的相对变形值都很小(见表2)，变形值能满足要求。

　　3. 从卡箍结构的变形图(图3)看，前壳与中间结构间的卡箍相对变形较后壳与中间结构间的大，因此为满足气密性的目的，前壳的料厚不应盲目减小。

　　4. 五种设计方案中，仅设计方案二(卡箍及前壳3.5mm厚，后壳3.0mm厚)和三(卡箍、壳体均为3.5mm厚)时制动气室各组件的最大应力值低于所用材料的强度屈服极限(见表2)。其中方案二时卡箍、前壳、后壳结构的强度安全系数为1.02、1.11、1.27，而方案三时卡箍、前壳、后壳结构的强度安全系数为1.22、1.11、1.79，可见，方案三时各组件强度均有一定富余，而方案二时卡箍的强度基本没有富余。

　　5. 建议采用方案三的设计。同时由于本次计算考虑的气室内的气压1.5MPa为极限压强，实际使用中可能达不到该气压值，因此基于降成本的考虑，可酌情选取方案二的设计。