改进型汽车制动系统贮气罐的设计及应用.doc

改进型汽车制动系统贮气罐的设计及应用摘要：介绍了改进型汽车制动系统贮气罐的设计过程，着重介绍了该贮气罐的结构形式和特点，论述了贮气罐结构形式的确定、罐体强度校核、贮气罐与车架连接形式及短轴距汽车结构的布局设计，对短轴距汽车的总体布局设计有一定的指导作用。关键词：贮气罐 短轴距汽车 布局设计1 前言贮气罐作为汽车制动系统中的储能元件，其各项性能参数对整个制动系统效能的发挥及整车制动性能的好坏起着至关重要的作用。同时，作为汽车底盘零部件，贮气罐结构形式直接影响短轴距汽车总体布局设计。因此，在贮气罐设计过程中，除考虑自身的强度要求外，还需考虑其自身结构形式对短轴距汽车总体布局的影响，并兼顾生产工艺条件。为满足市场的需求，针对短轴距汽车的特点，开发了一种适应短轴距车型总体布局的改进型汽车制动系统贮气罐。2 方案构思传统的贮能元件由分设的主贮气罐、再生贮气罐、辅助贮气罐、专用贮气罐框架构成，主贮气罐与辅助贮气罐贮备一定的压缩空气，再生贮气罐对系统元件干燥器活化再生，专用贮气罐框架实现主贮气罐、辅助贮气罐、再生贮气罐及附件的安装；根据车型的不同，汽车储能元件贮气罐在汽车底盘上布置形式多样，为节省车架腹面布置空间，大多采用贮气罐布置在车架内侧、或贮气罐上下布置等形式；针对于短轴距自卸车，为保证自卸机构可靠运行不干涉及整车在复杂路况的通过性，故不能采用内侧及上下布置的形式；传统的贮气罐垂直与车架腹面的布置形式，储能元件装配体纵向外廓尺寸880mm，尽管不影响整车通过性，但腹面纵向空间占用偏大，不能满足总体布置要求（图1）。改进型汽车制动系统贮气罐初步设想是，再满足整车正常使用的情况下，将再生贮气罐移植到主贮气罐上，贮气罐结构大致拟定如下：沿用传统罐体结构，罐体内腔由隔板分为左右两腔。考虑到干燥器活化再生时反冲频次及气量的要求，故将左右两腔设计为容积不等，容积小的腔作为再生贮气灌。出于轻量化和降成本考虑，在满足可靠性与功能的前提下，简化专用贮气罐支架，尽量减少材料，降低成本；改变安装布置形式，简化装配工艺，达到节约车架腹面布置空间的目的，以解决短轴距车型总体布局时空间不足的问题（图2）。 图1 ? 图2 ?3 贮气罐设计3.1 贮气罐总体尺寸的确定3.1.1 贮气罐材料的选择 贮气罐由钢板焊成，内外涂以防锈漆，也有用玻璃钢制造的，其防腐蚀性很好【1】。本贮气罐筒体采用钢板卷筒焊接，端盖、隔板采用钢板冲压成型，后期组焊而成， 板料厚度2mm，筒体、端盖、隔板材料采用Q235 ，屈服强度为235MPa.3.1.2 贮气罐外廓尺寸确定 罐体的外廓尺寸必须根据总体布局给出的腹面空间位置来确定。在短轴距车型中（轴距1800+3300mm），为满足总体布置安装要求及提高整车通过性，确定贮气筒长度为670mm，纵向断面尺寸为280mm。3.1.3 贮气罐容积校核改进后贮气罐容积取决于左右两腔（再生贮气罐、主贮气罐）容积总和，贮气罐总容积大小应适当，过大将使充气时间太长；过小将使每次制动后罐中压力降落太大，故根据系统用气量的大小，可适当增加副贮气罐，满足整车正常使用需求即可。再生贮气罐的容积根据干燥器反冲频次及反冲气量需求，容积达到选配干燥器干燥筒尽容积的130%，故确定再生贮气罐容积为5L。3.1.4 贮气罐强度校核贮气罐的直径远大于其壁厚（=2mmD/20），是一薄壁结构【1】，贮气罐受力简图如图3所示，最大内压压强P=1300KPa,贮气罐内径D=276mm,壁厚=2mm，则作用在两端筒底的总压力为PD2/4。轴向正应力的计算：x= PD2/4D= PD/4=13105Pa0.276m/40.002m=44.85106pa=44.85MPa周向正应力的计算：t= PD/2=13105Pa0.276m/20.002m=89.7106pa=89.7MPa径向压应力的计算：由于径向应力r有从里面的-P道外面的0的变化，在壁厚非常薄得情况下，r值与x、t值比较起来非常小，故可忽略不计，再者，由于容器的对称性，故单元体界面上也不应有剪切应力作用【2】。因此，单元体的三个主应力为：1=t=89.7MPa; 2=x=89.7MPa; 3=r=0。按第三强度理论的强度条件r3=134有：t= PD/2由于材料的临界值为=235MPa，此时t，该贮气罐的强度设计满足要求。 图3 贮气罐强度计算简图3.2 简化贮气筒框架设计贮气罐安装后为悬臂结构，整车运行过程中承受惯性载荷，对于像低碳钢等塑性材料，其拉、压许用应力相等，故应采用对称于中性轴的截面，如矩形、工字形截面等【3】。因此贮气筒框架选择矩形截面形式，整体冲压制作。为防止安装面局部变形及撕裂，因此局部采用仿形制作衬件，在安装面处焊接为整体，构成局部双层结构。 4 贮气罐在短轴距汽车布局上的应用4.1 贮气罐连接位置确定在总体布局设计时，油箱通常布置在司机座椅一侧（即左侧），以方便加油；气制动的贮气罐往往与空气压缩机同侧布置，制动操纵阀应尽可能接近贮气罐【1】。故油箱与贮气罐布置在同侧，为满足总体布局要求，避免油箱超出车厢，在短轴距车型中（轴距1800+3300mm），一般剩余储能元件布置空间880mm（油箱尾部到后板簧前吊耳外廓之间距离）。4.2 贮气罐的连接由于再生贮气罐与主贮气罐集合为一个罐体，可以省掉安装再生贮气罐的专用支架，贮气罐采用沿车架纵梁方向布置，紧贴车架腹面内侧的贮气罐与贮气罐支架装配为整体，通过U型螺栓与支架连接；外侧贮气罐通过U型螺栓与矩形框连接，考虑到装配要求美观简洁，U型螺栓均为10圆钢仿形制作，使用中为避免贮气罐松动，U型螺栓均采用双背目紧固。整个储能元件连接好后，用M12X1.5螺栓将贮气罐框架与车架腹面连接，为防止框架螺孔处撕裂，螺栓头与框架之间增加平垫，增大接触面积，减小应力。 5 结束语本文针对贮气罐的结构设计、材料选择、力学分析及在短轴距汽车总体布局上的应用等方面进行了论述，介绍了一种改进型汽车制动系统贮气罐产品，具有较强的针对性与适用性。在设计方面打破传统思路，将再生贮气罐与主贮气罐集合为一个整体，并简化贮气罐框架设计，从而节省材料，简化装配工艺，降低成本；在应用方面，改变布置形式，优化结构，很好的解决了短轴距汽车贮能元件布置空间不足的问题。该产品投产使用4年来，得到了用户的认可，为企业带来了良好的经济效益和社会效益。随着国家计重收费政策力度的加大，以及煤炭运输管理集约化程度的提高，煤炭储藏区的煤炭转用工具都向短轴距多轴车