张志远_基于HyperWoks的排气制动阀支架结构分析及改进

Altair2013技术大会论文集

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基于HyperWoks的排气制动阀支架结构分析及改进

Analysis and Improvement of Exhaust Brake Valve

Bracket Base On HyperWorks

张志远 陈涛 范文峰 徐铁娇

（一汽解放汽车有限公司 长春市 130000） 摘 要：某商用车排气制动阀有横向布置和纵向布置两种布置方案，横向布置方案在路试中发现容

易产生疲劳破坏。为分析横向布置方案排气制动阀支架产生疲劳破坏的原因，通过试验得到排气制

动阀安装位置X、Y、Z三个方向的加速度载荷，用HyperWorks建立排气制动阀系统的有限元模型，

计算排气制动阀支架强度和疲劳寿命，分析结构产生疲劳破坏的主要原因，并改进排气制动阀支架

结构，使横向布置方案排气制动阀支架结构满足强度和结构耐久性要求。

关键词：疲劳破坏 HyperWorks 分析原因 改进结构

Abstract：A commercial vehicle exhaust brake with horizontal and vertical arrangement of two kinds of layout program is found to be prone to fatigue failure during road test. Horizontal layout program for analyzing exhaust brake valve stent fatigue failure reasons extract exhaust brake mounting position X, Y, Z three directions of acceleration, exhaust brake system with HyperWorks establish the finite element model, calculation exhaust brake forced vibration and fatigue life, damage analysis of structural causes fatigue and optimize exhaust brake support structure, the transverse layout scheme exhaust brake support structure to meet the strength and structural durability requirements. Key words：fatigue damage， HyperWorks， Analysis， structure improvement

1 概述

排气制动阀是一个辅助制动器，是汽车行车制动器的必要补充。排气制动阀将发动机作一个空

气压缩机使用而产生制动力矩从而对汽车产生减速作用。 一般安装在排气管中，在需要减速时关闭阀门以阻塞排气通道而达到制动效果。它主要使用在

矿山或山区公路行驶的汽车或常在交通情况复杂的城市街道上行驶的汽车。其作用是在不使用或少

使用行车制动器的条件下，使车辆速度降低或保持稳定，但不能将车辆紧急制停。排气制动阀的推力缸固定在支架上，支架失效，排气制动阀将不能正常开关，因此排气制动阀支架的可靠性对于排

气制动阀的正常工作起着至关重要的作用。 2有限元模型的建立

2.1 单元的选择和网格划分

排气制动阀系统由制动推力缸、曲柄连杆机构、垫片、螺栓限位销、支撑销和排气制动阀支架、

组成，通过排气管接头与排气管连接。排气制动阀系统如图1所示。 Altair2013技术大会论文集

-2- 图1排气制动阀系统 由于推力缸缸体不是我们要关心的结构，刚度相对于较大，故可不建立实体模型，将其简化为质量单元用rigidlink耦合到与其相连的位置。在HyperMesh平台下，推力缸的质心建立质量单元来

表示推力缸的质量对排气制动阀的作用，在排气制动阀不工作的时候存在预紧力，大小为392N。在

推力缸的两端和排气制动阀的连接处施加预紧力。排气制动阀上的限位销和支撑销只起到传递载荷

的作用，可以简化为梁单元，其根部与排气制动阀焊接的位置采用rigidlink单元模拟。由于排气制

动阀支架的特征尺寸远大于其壁厚，所以排气制动阀支架结构采用壳单元，内外两个垫片也采用壳

单元。排气管接头采用六面体实体单元模拟，螺栓结构用梁单元表示，在垫片与排气制动阀支架、排气管接头与垫片之间用RADIOSS中的gap单元来模拟接触面之间的相互作用。排气制动阀系统

的有限元模型如图2所示。

图2 排气制动阀系统的有限元模型

2.2材料属性

排气制动阀支架结构的材料为Q235B，弹性模量1.99E+05、泊松比0.269 、屈服极限235、

强度极限375-500。排气管接头材料为QT400-10, 其弹性模量为1.69E+05 、泊松比0.275 、屈

服极限250、强度极限400。螺栓和垫片的材料为钢材，弹性模量2.10E+05、泊松比0.3、屈服极

限640、强度极限800。

2.3 分析工况及边界条件的确定

采用加速度传感器测得的加速度数据为结构的惯性载荷。加速度传感器布置如图3所示。 Altair2013技术大会论文集

-3- 图3 加速度传感器位置

在两种情况下测量排气制动阀系统受到的加速度，一为排气制动阀不工作时的X、Y、Z三个方

向的加速度，二为排气制动阀工作时X、Y、Z三个方向的加速度。将三个方向的加速度取最大值加

载到有限元模型上。排气制动阀不工作和工作时测得的X、Y、Z方向的加速度谱如图4所示。

不工作时加速度 工作时加速度

图4 排气制动阀不工作和工作时加速度谱 在排气制动阀不工作时，推力缸的两端由于回位弹簧的作用而产生392N的预紧力，将预紧力

作为载荷加载到与推力缸两端连接的销上。在排气管上施加X、Y、Z三个方向的平动约束。排气制

动阀工作时，推力缸产生推力，大小为1370N,加载在推力缸与定位销连接的位置，同时加载惯性力。

3 计算结果与试验对比分析

对排气制动阀系统结构两种布置方案进行强度计算，再计算排气制动阀支架结构在载荷循环下的疲劳寿命。如表1所示。

表1 排气制动阀支架各工况下最大应力和疲劳寿命

工况 方案对比 应力（MPa）

寿命（周次） 备注

横向布置方案

（原支架） 纵向布置方案

(原支架)

应力 寿命 应力 寿命

1 149.8 无限 126.8 无限 排气制动阀不工作

2 384.0 1.05E5 246.0 4.01E6 排气制动阀工作

从表1中可以看出排气制动阀横向布置方案排气制动阀不工作时横向布置方案和纵向布置方案Altair2013技术大会论文集

-4- 最大应力均小于材料Q345B的屈服极限，且为无限寿命。排气制动阀工作时横向布置方案最大应力

384MPa，大于材料的强度极限，疲劳寿命1.05E5次，小于1E6，不能满足结构的强度和疲劳寿命

要求。纵向布置方案排气制动阀工作情况下排气制动阀支架结构最大应力246MPa，大于材料Q345B

的屈服极限但小于强度极限，疲劳寿命为4.01E6MPa，满足强度和疲劳寿命要求。 从计算结果中可以看出排气制动阀横向布置方案不能满足结构的强度和疲劳寿命要求，如图5、

6。这与用户使用反馈的情况（试验结果）一致如图7。

图5 横向布置方案排气制动阀工作支架应力云图

图6横向布置方案排气制动阀工作支架寿命云图

图7 路试中横向布置方案排气制动阀支架失效情况

从图5、6中可以看出，横向布置方案排气制动阀工作时支架最大应力385MPa，疲劳寿命1.05E5

次，产生在垫片与推力缸限位销中间过渡的位置， 此位置由于推力缸限位销和垫片位置刚度大而过

渡位置刚度小而在过度位置产生应力集中。如图7路试中横向布置方案排气制动阀支架失效情况，

断裂源位置即为垫片与推力缸限位销中间过渡的位置，模拟计算结果与试验一致。 从分析结果可以看出，排气制动阀纵向布置方案支架能满足强度和疲劳寿命要求。排气制动阀384MPa

1.05E5

断裂源位置 Altair2013技术大会论文集

-5- 横向布置方案不能满足结构强度和疲劳寿命要求，但是在某些车型上由于空间布置的限制，排气制

动阀必须使用横向布置方式，因此要对排气制动阀支架进行结构改进，使其满足强度和疲劳寿命要

求。

4 结构改进

将排气制动阀支架加宽并将其翻遍加高，通过增加结构的整体承载能力来减小局部应力集中，

这样排气制动阀支架就有更强的结构承载能力。如图8所示排气制动阀支架结构改进。

图8 排气制动阀支架结构改进前后对比

结构改进后的计算结果见表2

表2 排气制动阀支架改进结构各工况最大应力和疲劳寿命

工况 方案对比 应力（MPa）

寿命（周次） 备注

横向布置方案（改进结构） 纵向布置方案(改进结构)

应力 寿命 应力 寿命

1 127.7 无限 55.0 无限 排气制动阀不工作

2 281.8 1.00E6 248.3 3.24E6 排气制动阀工作 从表2 可以看出，改进排气制动阀支架结构在横向布置排气制动阀不工作时最大应力

127.7MPa，小于材料的屈服极限，寿命为无限寿命。改进排气制动阀支架结构在排气制动阀工作时最大应力281MPa，大于材料的屈服极限但小于材料的强度极限，疲劳寿命为1.0E6满足寿命要求。

5 结论

根据计算分析结果可知，排气制动阀纵向布置方案优于横向布置方案。根据仿真和试验结果，

排气制动阀横向布置支架强度和疲劳寿命不能满足要求。对排气制动阀支架结构进行改进，加宽支

架本体并将支架翻遍加高，改进后的支架满足横向布置和纵向布置方案下的强度和疲劳寿命要求，

并经过试验的验证，满足使用要求。 Altair2013技术大会论文集

-6- 本项目是基于在HyperWorks 平台下完成结构的分析和改进，在产品的设计和开发阶段分析结

构的性能，迅速的发现结构的缺陷并进行优化改进，极大的缩短零部件的设计开发周期，提高了用

户的产品研发能力。 6 参考文献

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