手刹铆接件失效分析及结构优化设计

关俊山　万小金

(武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室、汽车零部件技术湖北省协同创新中心　武汉　430070)



手刹铆接件失效分析及结构优化设计

关俊山万小金

(武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室、汽车零部件技术湖北省协同创新中心武汉430070)

摘要：以某型乘用车的手刹为研究对象，针对手刹铆接件的磨损失效问题，利用CATIA和HyperMesh进行三维模型的建立以及网格划分，并且通过ABAQUS软件在给定边界条件下对手刹进行静力学仿真分析得出其应力场，为Fe-Safe软件进行磨损—疲劳分析提供驱动数据，使用OptiStruct软件对磨损失效部件进行结构优化设计，降低铆接件的法向载荷，减少材料的磨损量，延长铆接件的使用寿命，经方案验证，优化方案达到了预期效果.这种基于CAE的仿真分析方法，不仅提高了手刹的使用性能，而且缩短了其研发周期.

关键词：手刹；失效分析；磨损—疲劳分析；结构优化

0引言

手刹是汽车的驻车制动系统，保证汽车在原地停驻并在任何情况下不致自动滑行，其性能直接影响到汽车的安全性.在汽车的整个生命周期中，必须保证手刹安全、稳定和正常的工作，所以对手刹进行失效分析是非常重要的环节[1-2].常见的手刹失效形式是铆接件之间组成的摩擦副在使用过程中产生的磨损，当磨损量达到一定的程度时将导致手刹无法正常工作.因此，研究手刹铆接件的磨损对提高手刹的使用性能和延长使用寿命十分重要.

1理论分析

1.1手刹铆接件的磨损类型

磨损过程分为磨合期、稳定磨损期和剧烈磨损期，为保持摩擦副的正常功能，必须保证使其通过磨合期而保持在稳定磨损期工作.按照不同的机理，磨损可分为以下四种基本类型：表面疲劳磨损、粘着磨损、磨粒磨损和腐蚀磨损.

手刹部件中的大铆钉与基座、主传动板，以及操纵臂铆接在一起，它们之间的磨损属于粘着磨损，即当摩擦副表面相对滑动时，由于粘着效应所形成的粘着结点发生剪切断裂，被剪切的材料或脱落成磨削，或由一个表面迁移到另一个表面.

1.2Archard粘着磨损定律

Archard[3]提出的粘着磨损定律理论假设接触是由一些半径为a的相同的半球形峰元所形成，dP为该对峰元所受法向载荷，每个接触点的面积dA=πa2.在各种摩擦通过模式中，当采用滑动行程最长的模式2a时，表面能够完全擦过每个峰元.假设一次滑动结果产生一个磨损体积为dV的颗粒，该磨屑为半球形，于是可以得到体积磨损率

(1)

式中：S为滑动距离；n为接触面微凸体总数.总体载荷P可由每个接触点所受载荷累加表示，即P=σsπa2n(σs为材料屈服强度)，将该式带入式(1)可改写为

(2)

(3)

式中：K为磨损系数，它代表一对接触峰元在摩擦通过后产生一个磨粒的概率.式(3)表明，材料的磨损量与法向载荷和滑动行程成正比，与摩擦副中软材料的表面硬度或是屈服极限成反比.

2手刹有限元静力分析

2.1工况分析

手刹在使用过程中有3种工作状态：制动加载、制动锁止和制动解除.制动加载是驻车时驾驶员按下手柄按钮，向上转动手刹的操纵臂，使操纵臂和主传动板绕着大铆钉转动直至到达限位销的上止点停止；制动锁止是驾驶员停止对操纵臂施加外力，松开手柄按钮，棘爪和齿板处于啮合状态，因而操纵臂不能够反转,从而使得整个手刹的机械传动装置被可靠地锁定在制动位置；制动解除是汽车起步时驾驶员按下手柄按钮，向下转动操纵臂直至到达限位销的下止点停止.手刹在制动锁止时各部件所受的载荷最大属于危险工况，故选取手刹的上止点锁止工况进行分析见图1.

图1　手刹上止点锁止工况

参考《汽车制动系统结构、性能和试验方法》(GB12676—2014)确定该型手刹制动加载时驾驶员作用在操纵臂手柄上的力F1=500 N，上止点锁止工况受力分析见图2.

图2　上止点锁止工况受力分析

由力的杠杆原理可得

(4)

式中：F2为拉索的拉力；L1为力F1的作用点到大铆钉轴心的距离；R为拉索与主传动板导轨槽接触弧的半径.

设拉索接触弧上任意一点的拉力为F，则由挠性体摩擦传动的欧拉公式[4]可得

(5)

式中：f为拉索与主传动板之间的摩擦系数；α为拉索在主传动板上的接触弧对应的包角.

在任意微小角度dα段内，拉索对主传动板导轨槽表面的压力为[5-6]

(6)

角度dα处的受压面积为

(7)

式中：dA为拉索在主传动板导轨槽上的受压面积；D为拉索的直径；R为拉索与主传动板导轨槽接触弧的半径.

故拉索对主传动板导轨槽接触弧任意处的压强即其面压比为[7-9]

(8)

2.2有限元建模

将简化后的手刹各部件三维模型分别导入Hypermesh中进行前处理网格的划分， 经过几何清理对复杂部件进行相应的分割以划分出高质量的网格.在计算精度和应变特性方面六面体网格单元具有明显的优势，故采用以六面体为主，四面体为辅的网格划分方法.

由于计算机硬件的限制，要控制计算的规模，对主传动板、操纵臂、基座等主要承载零件进行细化网格处理，确保获得较好的网格质量，其它部件则采用尺寸较大的网格进行划分，共划分出865 914个网格单元.将划分好的各网格部件导入到Abaqus中，按照各零部件间的位置关系进行装配.

手刹总成中主传动板、副传动板、操纵臂的材料为Q235，基座的材料为QSTE460TM，大铆钉和小铆钉的材料为16MnCr5，棘爪和齿板的材料为1020.在Abaqus软件的材料库中添加对应材料的弹性模量、泊松比等参数，根据材料的真实应力-应变曲线，应用插值法选取若干个离散的应力-应变点数据输入到相应材料的属性中.手刹总成各部件是通过铆钉铆接在一起的，在Abaqus接触属性中选用绑定约束Tie定义相应部件的铆接关系，大铆钉与基座之间采用面-面接触，齿板与基座之间采用Tie绑定在一起.

2.3有限元分析

在Abaqus软件中对手刹进行边界条件的添加，对手刹基座与车身连接的3个螺孔采用自由度全约束，在大铆钉处添加局部坐标系，基于建立的局部坐标系对操纵臂与主传动板铆接部位、棘爪与操纵臂和主传动板铆接部位以及相应的铆钉均约束除UR3外的其他5个自由度.

根据上文的手刹工况分析结果，拉索对主传动板导轨槽接触弧任意处的压强通过使用用户子程序DLOAD编辑函数来定义，同时通过计算得到作用在调整螺母与主传动板和操纵臂接触部位的均布载荷为160 MPa，对于施加的载荷通过自定义幅值曲线使其幅值由小逐渐变大，达到设定值时变为恒值稳定的作用在模型上.定义2步载荷分析步，设置每步载荷步分析时间为1 s，将载荷分为2步依次施加到模型上，这样设置有利于有限元分析求解计算的收敛，提交分析计算得到手刹的静力分析结果见图3～5.

图3　手刹应力云图

图4　主传动板应力云图

图5　大铆钉应力云图

3手刹铆接件磨损-疲劳分析

手刹在实际工作过程中铆钉与其铆接的部件之间会出现摩擦磨损，随着磨损的加剧将导致手刹无法正常工作.手刹处于制动锁止工况时主传动板是主要的承载部件，并且在实际工作中主传动板也是最先因磨损而失效的部件，而大铆钉的磨损量则非常小，因此选择主传动板做磨损—疲劳分析.

3.1载荷谱

手刹制动加载时驾驶员施加的力决定了手刹制动锁止时所受的载荷.载荷历程与试验设定的工况相吻合，共进行3个连续循环，每个循环进行33 330次促动，每次促动历时(5±2) s，每个循环中设定的力F1大小与其发生促动次数的关系见图6.

每个循环分为4个载荷工况进行，目标载荷幅值越小，频次越高，相反幅值越大，频次越低.分别对4个载荷工况进行静力学仿真分析，静力分析结果为磨损—疲劳分析提供驱动数据.

图6　力F1与促动次数关系图

3.2磨损-疲劳分析

结合手刹的实际使用情况，将Abaqus有限元分析的结果导入到Fe-safe中进行磨损—疲劳分析.在Fe-safe中选用Blaxial Strain Life对应的Brown Miller算法，平均应力采用Morrow修正.

图7　Q235的S-N曲线

在Fe-safe的材料库中为主传动板网格单元定义材料属性，运用Origin软件从Q235的S-N曲线上利用插值法选用12个离散的点数据(见图7)输入到定义的材料属性中.同时，将采用雨流计数法处理的载荷谱导入到软件中，提交分析进行处理，将分析结果重新导入到Abaqus中进行后处理得到主传动板的磨损—疲劳循环次数云图(以对数形式表示)见图8.

图8　磨损—疲劳循环次数云图

从图8可知，主传动板最小的磨损—疲劳循环次数为104.043=11 040.79次.对比分析图8和图9可知，主传动板的磨损-疲劳仿真分析结果与实物磨损结果相吻合，说明了仿真分析的有效性和正确性.Archard粘着磨损定律表明材料的磨损量与法向载荷成正比，故可通过结构优化设计减小主传动板所受的法向载荷来减缓主传动板的磨损，以提高其使用寿命.

图9　主传动板实物磨损图

4结构优化

4.1形貌优化

形貌优化是一种形状最佳化的方法，利用形貌优化在主传动板结构中寻找最优的加强筋的分布位置，在减轻结构重量的同时满足刚度和强度等设计要求.

将主传动板的有限元网格模型导入到OptiStruct中，划分出设计空间和非设计空间，施加与静力分析时相同的边界条件、载荷以及分析步等.在topography面板中定义形貌优化的设计变量，设置起筋的宽度为3 mm，高度为2 mm，角度为60°.此次形貌优化的目标是结构总体应变能最小，优化设计变量为单元形状.提交计算，运用HyperView读取模型和优化结果见图10.

图10 主传动板形貌优化结果

4.2二次设计

主传动板形貌优化的结果(见图10)给出了最优加强筋的分布位置，在OSSmooth中运用autobead根据工艺可行性，并考虑到材料的冲压性能，通过设定加强筋层数对形貌优化结果进行快速后处理.一般情况下，加强筋层数越多则结构性能越好，但是工艺会越复杂，综合考虑各因素设定加强筋层数为1.然后，利用三维绘图软件CATIA对其进行二次设计，结果见图11.

图11　主传动板二次设计结果

4.3优化后方案验证

对二次设计后的主传动板进行有限元静力分析，在Abaqus中施加与优化前静力分析时相同的边界条件、载荷和分析步等.提交分析后的结果见图12.

图12　主传动板结构优化后应力云图

由图12可见，优化后的主传动板最大等效静应力为210.9 MPa，相比优化前的最大等效静应力236 MPa减少了25.1 MPa，同比减少10.6%.结构优化后的主传动板铆接部位的法向载荷明显减少，根据Archard粘着磨损定律，法向载荷的减少可有效减轻主传动板的磨损，提高主传动板的耐磨寿命和工作的可靠性.

5结 束 语

基于手刹总成，在充分考虑了部件几何非线性和材料非线性的情况下，通过ABAQUS软件对其进行了有限元静力分析得出其应力场，为Fe-safe软件对主传动板进行磨损—疲劳分析提供驱动数据，同时通过OptiStruct软件对主传动板进行结构优化设计，降低了铆接件的法向载荷，减少了材料的磨损，延长了手刹的使用寿命.基于CAE的仿真技术在手刹上的运用，不仅提高了产品的性能，而且有效缩短了产品的研发周期，节约开发成本.

参 考 文 献

[1]索斯洛夫斯基.摩擦疲劳学：磨损-疲劳损伤及其预测[M].高万振,译.徐州：中国矿业大学出版社,2013．

[2]洪清泉,赵康,张攀,等．OptiStruct&HyperStudy理论基础与工程应用[M]．北京：机械工业出版社,2012．

[3]ACHARD J F.Wear theory and mechanism,from wear control handbook[M].ASME United：the ASME United Engineering Center,1980．

[4]郭志国.带式输送机大扭矩滚筒的力学分析研究[D].上海: 煤炭科学研究总院上海分院,2006．

[5]张琪,马力,李媛.汽车手制动臂棘爪与齿板啮合强度非线性分析[J].汽车零部件,2010(5)：7-10．

[6]李媛.汽车手制动器操纵臂总成非线性分析[D].武汉:武汉理工大学,2009．

[7]刘明星,刘志峰,宋守许．基于ABAQUS/fe-safe的服役后轴类零件疲劳分析方法[J].机械设计与制造,2012(9):72-74．

[8]李大涛,韩卫敏,李宁,等．高空作业平台伸缩臂特定工况下疲劳分析[J]．起重运输机械,2014(10):74-75．

[9]王晓慧,郑海峰,刘昊鹏,等．基于HyperWorks的折叠翼结构优化设计[J]．固体火箭技术,2012(6):795-804．

Failure Analysis of Riveting Parts and Structural Optimization Design of Handbrake

GUAN JunshanWAN Xiaojin

(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponentsandHubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

Abstract：Taking a certain type of automobile handbrake as the research object, this paper aims at investigating the wear failure problem of the handbrake's riveting parts. The software CATIA is used to establish the three-dimensional model of handbrake and the software HyperMesh is adopted to perform meshing of the model. ABAQUS is then used to perform static analysis of the handbrake model with a given boundary condition to obtain its stress field, providing the driving data for the wear-fatigue analysis using Fe-Safe. Structural optimization design of the wear failure parts is carried out using software OptiStruct to reduce the normal load of the riveting parts and the amount of wear and to extend the lifecycle period of riveting parts. It is found that the improvement scheme achieves the desired effect through the program verification. The simulation analysis based on CAE method, not only improves the performance of the handbrake but also shortens the development cycle.

Key words：handbrake; failure analysis; wear-fatigue analysis; structural optimization

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.02.037

中图法分类号：U463.52

收稿日期：2015-12-15

关俊山(1991- )：男，硕士生，硕士，主要研究领域为汽车CAD/CAE