摘要：针对某商用车后桥弹簧制动缸支架在可靠性试验中发生断裂问题，综合运用失效零件形貌分析、材料性能检验、有限元仿真分析等方法展开研究，根据有限元强度与刚度仿真分析结果确定了失效原因，并进行了结构优化。优化结构经仿真验证，强度与刚度均能满足使用要求，并通过可靠性试验验证。通过有限元仿真分析的方法解决了弹簧制动缸支架断裂失效的问题并且起到了轻量化的效果，验证了有限元仿真分析的准确性，并为解决类似结构的失效问题提供了可靠的仿真依据。
关键词：失效分析 有限元仿真分析 模态分析 结构优化
1前言
汽车制动系统作为汽车非常重要的系统之一，与汽车的安全性能息息相关，其主要作用是使行驶中的汽车减速甚至停车、使下坡行驶的汽车速度保持稳定以及使已停驶的汽车保持不动[1]。弹簧制动缸的作用是将压缩空气的压力势能转变为机械能，以推动调整臂使制动器进入工作状态，达到制动的效果。凸轮轴鼓式制动器中弹簧制动缸支架的作用则是固定弹簧制动缸，且对凸轮轴有支撑作用，因此解决弹簧制动缸支架断裂失效问题是不容忽视且对汽车的制动性能和安全性能具有重要意义的。
2问题描述
某商用车试验样车在试车场进行整车可靠性试验过程中，后桥凸轮轴鼓式制动器弹簧制动缸前壳与支架发生断裂失效，二者装配关系如图1所示。在整车行驶过程中，弹簧制动缸支架主要承受制动缸重力及制动反力的作用，以及来自路面激励引起的振动加速度。
图2 弹簧制动缸前壳材料金相组织
图4 弹簧制动缸前壳开裂形貌
弹簧制动缸支架在与前壳连接螺栓孔位置发生开裂，螺母与支架接触位置也存在压痕且有明显的压下量，同时在加强筋焊缝端部出现裂纹，并表现出对焊缝端部的敏感性，且由主裂纹扩展出多条次生裂纹，开裂形貌如图5所示。
图5 弹簧制动缸支架开裂形貌
由于疲劳断裂是指在局部应力集中或强度较低部位首先产生裂纹，裂纹随后扩展导致的断裂[2]，根据弹簧制动缸前壳与支架的开裂形貌，失效原因倾向于2个零件发生疲劳开裂。
3.3 有限元仿真分析
为了进一步寻找弹簧制动缸支架疲劳开裂的原因，采用有限元仿真分析的方法对其进行计算分析。
3.3.1 仿真分析流程确定
进行有限元仿真分析首先应明确分析思路，确定分析流程。根据弹簧制动缸前壳和支架在整车上的实际受力状态，确定仿真分析模型与仿真分析工况。强度仿真分析工况主要考虑制动力和路面激励的影响，进行制动缸制动力作用和轴头加速度载荷作用下的强度校核计算；刚度仿真分析工况主要考虑路面激励引起系统振动的影响，进行局部约束模态和扫频计算。具体仿真分析流程如图6所示。
图7 装配几何模型示意
b. 格划分与控制
根据仿真分析需求，为同时兼顾 格的质量与数量，即同时兼顾计算精度与计算效率，对弹簧制动缸前壳与支架使用ABAQUS/Standard模块中提供的C3D8I六面体单元[3-5]进行划分，提高计算精度的同时，又能减少 格数量，弹簧制动缸前壳与支架 格划分如图8所示， 格尺寸取2 mm。
根据实际装配关系，为各结构件建立连接属性，螺栓连接位置施加运动耦合约束(类型为Kincoup)，结构件接触位置在相应工况建立非线性接触对(属性为摩擦系数取0.15的有限滑移)，保证载荷传递路径的准确性。
d.边界条件建立
根据实际装配关系，在制动器支架与制动凸轮轴上施加约束。约束制动器支架与桥壳连接螺栓孔的全部自由度，同时约束制动凸轮轴头部的轴向旋转自由度。
3.3.3 强度仿真分析
a.制动缸制动力作用工况
在制动器制动工作过程中，制动器调整臂受到制动缸推力杆沿杆轴向的推力作用，制动缸则受到推力的反向作用力。为了分析制动缸及支架的强度受制动力作用的影响，根据整车相关设计参数和制动缸性能，同时参考台架试验工况，确定制动缸制动力作用工况的加载载荷即制动力F、加载方向即制动缸推力杆轴向、疲劳循环加载次数n。
有限元模型加载完成后，采用全部有限元软件ABAQUS/Standard模块进行制动力F作用下的应力计算，分别在调整臂与制动缸上施加大小相等、方向相反的制动力。
再采用有限元疲劳分析软件FEMFAT/Basic模块、应用临界平面法[6-8]进行疲劳损伤值计算，损伤值计算输入载荷为图9所示的按正弦曲线变化的等幅循环载荷。
图10 制动缸制动力作用工况损伤值分布
应用主S-N曲线法计算得到支架损伤值较大的焊缝位置如图11(a)所示，5条焊线WELD01～WELD05长度方向损伤值分布曲线如图11(b-f)所示，曲线横坐标为距离焊线起始点的距离，损伤值读取方向如图中箭头所示。
图12 制动缸与轴头加速度传动器布置位置
考虑到3个方向正负激励产生的响应不等效，将x、y、z 3个方向正负载荷分开，处理后的轴头载荷谱数据如图13所示，即由三通道变为六通道进行计算，从而提高了计算精度。
图14 轴头加速度载荷作用工况损伤值分布
应用主S-N曲线法计算得到支架损伤值较大的焊缝位置如图15(a)所示，5条焊线WELD01～WELD05长度方向损伤值分布曲线如图11(b～f)所示，曲线横坐标为距离焊线起始点的距离、损伤值读取方向如图中箭头所示。
图15 轴头加速度载荷作用工况焊缝损伤值分布
根据图14、图15疲劳损伤值的计算结果，弹簧制动缸前壳与支架在轴头加速度载荷作用工况下，损伤值均小于1.0，在不考虑共振情况下，满足强度要求。
3.3.4 刚度仿真分析
a.局部约束模态工况
采用ABAQUS/Standard模块、应用Lanczos求解器，对模型进行局部约束状态下的频率提取，即局部约束模态计算分析，得到各阶约束模态下的固有频率及振型。计算得到一阶局部约束模态变形云图如图16所示，振型为y向(坐标系见图7)对应整车侧向的横向摆动，一阶局部约束模态频率计算值为30 Hz。
图17 试车场实测轴头及弹簧制动缸y向加速度PSD曲线
扫频工况30 Hz频率下频域计算结果如图18所示，弹簧制动缸前壳上Mises应力最大的应力集中位置为螺栓孔附近；弹簧制动缸支架上Mises应力最大的应力集中位置为加强板焊缝端部，均与实际失效位置一致。
图19 铸造弹簧制动缸支架几何模型及 格划分
表2 弹簧制动缸铸造支架材料属性
图20 制动缸制动力作用工况损伤值分布
在后续可靠性试验中，铸造弹簧制动缸支架未出现失效现象，现已投入生产，实车装配状态如图24所示，后桥凸轮轴式鼓式制动器弹簧制动缸支架断裂失效问题得到解决。
图22 铸造支架一阶局部约束模态变形
图24 铸造弹簧制动缸支架实车装配状态
5结论
a.弹簧制动缸支架在可靠性试验中发生断裂失效问题，通过失效零件形貌分析、材料性能检验、多种有限元仿真方法综合运用分析，确定了失效原因为弹簧制动缸支架刚度不足，导致系统在外界激励频率为30 Hz左右时，制动缸与支架整体在整车侧向发生共振，导致传递到制动缸上的载荷较大，从而导致弹簧制动缸支架沿焊缝及前壳沿螺栓拧紧面应力集中处断裂。
b.对弹簧制动缸支架进行了结构优化，同时升级材料与改变制造方法，将20#钢材料的冲焊支架改为QT 600-3的铸造支架，经仿真验证，优化结构强度与刚度均可以满足使用要求，并通过可靠性试验验证，解决了弹簧制动缸支架断裂失效问题并且起到了轻量化的效果。
c.通过弹簧制动缸支架断裂失效问题的解决，验证了有限元仿真分析的准确性，并为解决类似结构的失效问题提供了可靠的仿真依据。
(一汽解放汽车有限公司)
END
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