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

　　1 前言

　　汽車制動氣室是保證汽車行駛安全的關鍵部件，制動氣室裝配質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、中間結構、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，制動氣室結構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構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構在工作極限壓強(1.5MPa)下的強度及剛度是否滿足要求。并對計算結果給出合理的評價，為設計改進與定型提供參考依據。

圖1.1 雙模片彈簧制動氣室設計方案一結構時的三維實體模型

　　2 有限元模型建模

　　2.1 結構離散化

　　根據雙模片彈簧制動氣室的結構特點，采用四面體單元對其進行有限元網格劃分，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構之間的面接觸。

　　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時的共五種設計方案。為方便起見，將這五種設計方案分別具體描述如表1(表中同時給出了各設計方案的有限元模型網格數目)。

表1 雙模片彈簧制動氣室結構各設計方案描述

　　保持各設計方案的有限元網格數目基本相當，從而保證了各設計方案的有限元分析結果存在可比性。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計方案一結構時的有限元模型結論

　　2.2 材料參數

　　雙模片彈簧制動氣室結構中，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;中間結構所用材料為壓鑄鋁，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的極限壓強1.5MPa，以及由此產生的氣室彈簧和拉板彈簧的作用力。

　　3 有限元分析結果

　　表2列出了雙模片彈簧制動氣室結構五種設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

　　各設計方案下雙模片彈簧制動氣室結構各組件的變形和應力分布基本一致，僅僅是數值上有所不同，因此本文只給出了方案一時的結果圖。圖3—8為方案一下雙模片彈簧制動氣室結構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 方案一時卡箍結構變形圖

圖4 方案一時卡箍結構應力分布云圖

圖5 方案一時卡箍結構最大應力位置附近應力分布云圖

圖6 方案一時前殼結構應力分布云圖

圖7 方案一時后殼結構應力分布云圖

圖8 方案一時氣室中間結構應力分布云圖

　　4 有限元分析結論

　　1. 五種設計方案下雙模片彈簧制動氣室結構各組件的變形和應力分布基本一致，僅僅是數值上有所不同。

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

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

　　4. 五種設計方案中，僅設計方案二(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、后殼結構的強度安全系數為1.02、1.11、1.27，而方案三時卡箍、前殼、后殼結構的強度安全系數為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計。同時由于本次計算考慮的氣室內的氣壓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計。