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【摘 要】手刹在产品设计开发阶段必须通过耐久台架试验，以确保满足各项性能要求。目前，国内基本采用的是样机制造到试验的设计路线，试验次数多，开发周期长。文章对某车型手刹拉索拉杆在耐久台架试验中的疲劳断裂问题进行仿真分析，通过与试验断裂数据对比论证，提出了一种新的基于台架试验载荷谱的疲劳仿真预测方法。应用结果表明：该方法具有较强的工程实用性，为台架循环载荷下的工程问题提供了新的思路和预测方法。
【关键词】手刹;耐久台架试验;循环载荷;疲劳断裂;疲劳仿真方法
【中图分类号】U463.2 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）07-0077-04
0 前言
手刹作为汽车制动系统的辅助制动器，直接影响到汽车的安全性。因此，必须具备良好的强度及可靠的性能，以满足整个汽车生命周期安全、稳定和正常的工作。所以，在产品開发阶段，通常要对手刹进行台架加速试验，以验证其性能。但现阶段基本采用的是样机制造到试验的设计路线，这就可能会导致试验重复、开发周期长等问题。如何保证试验一次通过，进而缩短开发周期，非常重要。本文对某车型手刹台架试验拉杆断裂进行仿真分析，提出了一种新的基于台架试验载荷谱的疲劳仿真预测方法。
1.2 疲劳损伤累积法则
损伤，从物理角度看，通常是与失去完整性相联系。一般而言，当材料或零件承受高于疲劳极限的应力时，每一循环都使材料产生一定量的损伤，即材料性能或细微“结构”的变化。在循环载荷作用下，疲劳损伤会不断累积，当损伤累积到临界值时就会发生疲劳破坏，这就是疲劳损伤累积理论[3]。目前，疲劳理论可归纳为以下3类：线性疲劳累积损伤理论、修正的线性疲劳累积损伤理论和非线性疲劳累积损伤理论[2]。线性疲劳累积损伤理论认为在循环载荷作用下，疲劳损伤是可以线性地累加的，各个应力之间相互独立和互不相关，简称Miner理论。在工程类问题中，一般采用的是比较直接和简便的Miner线性疲劳累积损伤求和。
2 手刹台架试验
台架试验作为零部件的疲劳耐久加剧试验，能在短时间内验证零件的强度是否达到要求，并且可以对试验中的问题与对策进行及时的验证，有利于新车型开发的速度。某车型手刹在台架试验中不同批次样件拉杆相同位置出现断裂问题。
2.1 试验条件
如图1所示，试验时，将手刹底座安装孔和拉杆末端进行固定，于手柄把手处进行施力。
试验附带拉索进行考核：①F 1=350N，次数为25 000次;②F 2=400 N，次数为2 500次;③F 3=450 N，次数为250次;④F4=550 N，次数为5次，共27 775次为一个循环，做3个循环后。要求：①齿爪、折动处、开关等无过渡磨损，零部件分离及切断现象;②耐久测试后，灯开关能正常工作;③耐久测试后释放按钮不应堵塞（注：350 N对应手刹2/3行程;400 N对应手刹2/3行程+[1±1]齿;450 N对应2/3行程+[2±1]齿;550 N对应2/3行程+[3±1]齿）。
2.2 某车型手刹试验结果
对某车型手刹进行了6个批次试验，其中4个批次出现拉索拉杆断裂，且这4个批次中有2个批次出现2次拉杆断裂（断裂1根后，更换拉杆继续试验），共出现6根拉杆断裂，如图2所示。台架耐久试验结果见表1。
通过测量同批次样件拉杆尺寸，均满足图纸要求。并且，拉杆材料（35#圆钢）力学性能满足GB/T 699—1999的要求，屈服强度≥315 MPa，抗拉强度≥530 MPa（见表2）。
排除设计及制造问题，初步分析造成手刹拉索拉杆断裂的原因为拉杆在循环载荷作用下，构件局部位置存在应力集中并产生疲劳损伤，在足够多的循环次数下达到疲劳断裂。
3 仿真分析
为了找出拉杆断裂的开裂原因及为后续的项目开发提供风险预估，缩短开发周期。对手刹拉杆进行了仿真分析优化，并最终与台架试验结果进行对比论证。该仿真分析流程如图3所示。
3.1 有限元模型建立
根据手刹物理数据，综合考虑精度及计算时间的影响，对手柄、基座、棘爪、平衡块采用5 mm网格划分，单元类型采用缩减积分单元S3R、S4R，同时考虑材料的非线性和几何性[3-5]。拉索拉杆采用2 mm六面体网格划分，单元类型采用缩减积分单元C3D8R。本模型包含节点5 094个、单元7 929个。其中，手柄材料为SAPH440，基座及棘爪材料为45#钢，拉索拉杆材料为35#钢。使用一维单元模拟圆管与基座、棘爪与手柄的Y轴转动副，并对拉杆、拉杆销轴、拉杆螺母套处进行有限元建模，表达其轴向限位、径向受剪切作用的受力关系（如图4所示）。
3.2 静态分析
根据耐久台架试验边界条件，对模型基座安装孔、平衡块安装孔位置进行全约束（spc=123456），在手柄距端面25 mm处垂直手柄方向分别加载F1=350 N，F2=40 0N，F3=450 N，F4=550 N（如图5所示）。
结果云图如图6所示。
各工况应力结果见表3。
经静态分析，拉杆与拉杆销轴处存在高应力，但单纯从应力结果无法评估耐久性能，故基于该结果进一步开展疲劳仿真。
3.3 疲劳寿命分析
前面静态分析已经得到结构在不同工况下的应力特征响应，结合耐久台架试验载荷谱（如图7所示）及材料（35#钢）E-N曲线（如图8所示），利用E-N静态疲劳方法对手刹进行疲劳寿命分析[6-7]。
分析结果显示：单次循环下拉索拉杆最大损伤为1.274（如图9所示），大于线性疲劳累积理论破坏准则D=1，即存在疲劳断裂风险，且最大损伤位置出现在拉索拉杆靠近销轴处，与耐久台架试验拉索拉杆断裂位置基本吻合。故验证了导致拉索拉杆断裂的原因是由于拉索拉杆受交变（循环）载荷，产生疲劳裂纹，在足够多的循环扰动作用后发生断裂。
4 优化验证
从分析结果看，断裂发生在局部位置，因为断裂零件为圆棒，一般难以进行结构特征或者型面优化。故采用厚度优化的方法进行优化并分析验证，优化方案如图10所示。
优化对比结果汇总见表4。
从优化对比结果汇总表可以看出：优化方案单次循环损伤为0.135 2，循环寿命为7.40，较原方案寿命0.78提升9.48倍。经再次台架试验，无样件断裂。
5 结论
（1）针对台架耐久试验中手刹拉索拉杆疲劳断裂问题，提出了一种新的疲劳仿真分析方法，并优化解决了某车型手刹开发验证阶段耐久台架试验中拉索拉杆断裂问题。
（2）本文所论证的手刹疲劳仿真预测方法具有较强的工程实用性，特别是针对类似的台架试验等一些循环工况下的耐久性问题，在样件制造前，进行疲劳仿真，能早一步发现问题并予以解决，以缩短产品开发周期。
参 考 文 献
[1]周传月，郑红霞，罗慧强，等.MSC.Fatigue疲劳分析应用与实例[M].北京：科学出版社，2005.
[2]姚卫星.结构疲劳寿命分析[M].北京：科学出版社，2003.
[3]关俊山，万小金.手刹铆接件失效分析及结构优化设计[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2016，40（2）：385-389.
[4]韦江宁，陈敦佳.汽车手刹驻车制动系统试验台架设计[J].Equipment Manufacturing Technology，2018（1）：50-51.
[5]韩冬雪，韦学丽，丁晓明.基于RADIOSS的某车型手刹安装点刚度分析及优化设计[J].企业科技与发展，2014（9）：18-20.
[6]马明，朱玉田.基于nCode DesignLife的车载扬声器盆架振动疲劳分析[J].计算机辅助工程，2016，25（4）：48-54.
[7]李成林，宋莎莎，韩振南.基于nCode Design-Life的某车架疲劳可靠性分析[J].图学学报，2014，35（1）：42-45.
[责任编辑：钟声贤]
【关键词】手刹;耐久台架试验;循环载荷;疲劳断裂;疲劳仿真方法
【中图分类号】U463.2 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）07-0077-04
0 前言
手刹作为汽车制动系统的辅助制动器，直接影响到汽车的安全性。因此，必须具备良好的强度及可靠的性能，以满足整个汽车生命周期安全、稳定和正常的工作。所以，在产品開发阶段，通常要对手刹进行台架加速试验，以验证其性能。但现阶段基本采用的是样机制造到试验的设计路线，这就可能会导致试验重复、开发周期长等问题。如何保证试验一次通过，进而缩短开发周期，非常重要。本文对某车型手刹台架试验拉杆断裂进行仿真分析，提出了一种新的基于台架试验载荷谱的疲劳仿真预测方法。
1.2 疲劳损伤累积法则
损伤，从物理角度看，通常是与失去完整性相联系。一般而言，当材料或零件承受高于疲劳极限的应力时，每一循环都使材料产生一定量的损伤，即材料性能或细微“结构”的变化。在循环载荷作用下，疲劳损伤会不断累积，当损伤累积到临界值时就会发生疲劳破坏，这就是疲劳损伤累积理论[3]。目前，疲劳理论可归纳为以下3类：线性疲劳累积损伤理论、修正的线性疲劳累积损伤理论和非线性疲劳累积损伤理论[2]。线性疲劳累积损伤理论认为在循环载荷作用下，疲劳损伤是可以线性地累加的，各个应力之间相互独立和互不相关，简称Miner理论。在工程类问题中，一般采用的是比较直接和简便的Miner线性疲劳累积损伤求和。
2 手刹台架试验
台架试验作为零部件的疲劳耐久加剧试验，能在短时间内验证零件的强度是否达到要求，并且可以对试验中的问题与对策进行及时的验证，有利于新车型开发的速度。某车型手刹在台架试验中不同批次样件拉杆相同位置出现断裂问题。
2.1 试验条件
如图1所示，试验时，将手刹底座安装孔和拉杆末端进行固定，于手柄把手处进行施力。
试验附带拉索进行考核：①F 1=350N，次数为25 000次;②F 2=400 N，次数为2 500次;③F 3=450 N，次数为250次;④F4=550 N，次数为5次，共27 775次为一个循环，做3个循环后。要求：①齿爪、折动处、开关等无过渡磨损，零部件分离及切断现象;②耐久测试后，灯开关能正常工作;③耐久测试后释放按钮不应堵塞（注：350 N对应手刹2/3行程;400 N对应手刹2/3行程+[1±1]齿;450 N对应2/3行程+[2±1]齿;550 N对应2/3行程+[3±1]齿）。
2.2 某车型手刹试验结果
对某车型手刹进行了6个批次试验，其中4个批次出现拉索拉杆断裂，且这4个批次中有2个批次出现2次拉杆断裂（断裂1根后，更换拉杆继续试验），共出现6根拉杆断裂，如图2所示。台架耐久试验结果见表1。
通过测量同批次样件拉杆尺寸，均满足图纸要求。并且，拉杆材料（35#圆钢）力学性能满足GB/T 699—1999的要求，屈服强度≥315 MPa，抗拉强度≥530 MPa（见表2）。
排除设计及制造问题，初步分析造成手刹拉索拉杆断裂的原因为拉杆在循环载荷作用下，构件局部位置存在应力集中并产生疲劳损伤，在足够多的循环次数下达到疲劳断裂。
3 仿真分析
为了找出拉杆断裂的开裂原因及为后续的项目开发提供风险预估，缩短开发周期。对手刹拉杆进行了仿真分析优化，并最终与台架试验结果进行对比论证。该仿真分析流程如图3所示。
3.1 有限元模型建立
根据手刹物理数据，综合考虑精度及计算时间的影响，对手柄、基座、棘爪、平衡块采用5 mm网格划分，单元类型采用缩减积分单元S3R、S4R，同时考虑材料的非线性和几何性[3-5]。拉索拉杆采用2 mm六面体网格划分，单元类型采用缩减积分单元C3D8R。本模型包含节点5 094个、单元7 929个。其中，手柄材料为SAPH440，基座及棘爪材料为45#钢，拉索拉杆材料为35#钢。使用一维单元模拟圆管与基座、棘爪与手柄的Y轴转动副，并对拉杆、拉杆销轴、拉杆螺母套处进行有限元建模，表达其轴向限位、径向受剪切作用的受力关系（如图4所示）。
3.2 静态分析
根据耐久台架试验边界条件，对模型基座安装孔、平衡块安装孔位置进行全约束（spc=123456），在手柄距端面25 mm处垂直手柄方向分别加载F1=350 N，F2=40 0N，F3=450 N，F4=550 N（如图5所示）。
结果云图如图6所示。
各工况应力结果见表3。
经静态分析，拉杆与拉杆销轴处存在高应力，但单纯从应力结果无法评估耐久性能，故基于该结果进一步开展疲劳仿真。
3.3 疲劳寿命分析
前面静态分析已经得到结构在不同工况下的应力特征响应，结合耐久台架试验载荷谱（如图7所示）及材料（35#钢）E-N曲线（如图8所示），利用E-N静态疲劳方法对手刹进行疲劳寿命分析[6-7]。
分析结果显示：单次循环下拉索拉杆最大损伤为1.274（如图9所示），大于线性疲劳累积理论破坏准则D=1，即存在疲劳断裂风险，且最大损伤位置出现在拉索拉杆靠近销轴处，与耐久台架试验拉索拉杆断裂位置基本吻合。故验证了导致拉索拉杆断裂的原因是由于拉索拉杆受交变（循环）载荷，产生疲劳裂纹，在足够多的循环扰动作用后发生断裂。
4 优化验证
从分析结果看，断裂发生在局部位置，因为断裂零件为圆棒，一般难以进行结构特征或者型面优化。故采用厚度优化的方法进行优化并分析验证，优化方案如图10所示。
优化对比结果汇总见表4。
从优化对比结果汇总表可以看出：优化方案单次循环损伤为0.135 2，循环寿命为7.40，较原方案寿命0.78提升9.48倍。经再次台架试验，无样件断裂。
5 结论
（1）针对台架耐久试验中手刹拉索拉杆疲劳断裂问题，提出了一种新的疲劳仿真分析方法，并优化解决了某车型手刹开发验证阶段耐久台架试验中拉索拉杆断裂问题。
（2）本文所论证的手刹疲劳仿真预测方法具有较强的工程实用性，特别是针对类似的台架试验等一些循环工况下的耐久性问题，在样件制造前，进行疲劳仿真，能早一步发现问题并予以解决，以缩短产品开发周期。
参 考 文 献
[1]周传月，郑红霞，罗慧强，等.MSC.Fatigue疲劳分析应用与实例[M].北京：科学出版社，2005.
[2]姚卫星.结构疲劳寿命分析[M].北京：科学出版社，2003.
[3]关俊山，万小金.手刹铆接件失效分析及结构优化设计[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2016，40（2）：385-389.
[4]韦江宁，陈敦佳.汽车手刹驻车制动系统试验台架设计[J].Equipment Manufacturing Technology，2018（1）：50-51.
[5]韩冬雪，韦学丽，丁晓明.基于RADIOSS的某车型手刹安装点刚度分析及优化设计[J].企业科技与发展，2014（9）：18-20.
[6]马明，朱玉田.基于nCode DesignLife的车载扬声器盆架振动疲劳分析[J].计算机辅助工程，2016，25（4）：48-54.
[7]李成林，宋莎莎，韩振南.基于nCode Design-Life的某车架疲劳可靠性分析[J].图学学报，2014，35（1）：42-45.
[责任编辑：钟声贤]