汽車制動器底板結構優(yōu)化與分析

王巍　姚磊

摘要：鼓式制動器的制動底板實驗中翹曲變形，通過結構優(yōu)化、CAE分析，提高底板強度，剛度。

關鍵詞：制動底板；強度；剛度；CAE分析

1引言

鼓式制動器是通過制動傳動機構使得制動蹄片將制動摩擦片壓緊在制動鼓內(nèi)側(cè)，從而產(chǎn)生制動力，進而使車輪依據(jù)實際需要減速，或在最短的距離內(nèi)停止，以確保行車安全，同時保障汽車停放可靠而不能自動滑移。主要由制動鼓、制動底板、制動蹄、輪缸組成，制動過程中，蹄片和制動鼓由于摩擦產(chǎn)生的制動力都傳遞到制動底板上，因此制動底板需要有足夠的強度和剛度，以保證制動過程安全有效。

2制動底板變形

某車型的后鼓式制動器的制動底板在試驗過程中發(fā)生翹曲變形而影響了制動效果，如下圖1。

受力分析：

制動過程中，制動力通過蹄片作用在下圖的支點位置，F(xiàn)=10MPa×3.14×25.4×25.4×2.2/4=11142N

由于底板支點處受力較大，經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)零件變形也出現(xiàn)在這個位置，初步判斷底板強度、剛度不足是主要原因。

3CAE分析

對底板結構如圖2，進行CAE分析。

3.1分析軟件選擇

Hypermesh軟件是美國Altair公司的產(chǎn)品，具有強大的有限元網(wǎng)格劃分前處理功能，并能與眾多的有限元求解器進行方便的數(shù)據(jù)交換，對提高有限元分析工作的質(zhì)量和效率很有幫助。

Abaqus是功能強大的有限元軟件，可以分析復雜的固體力學、結構力學系統(tǒng)，特別是模擬高度非線性模型來解決問題。Hyperview是后處理軟件，用于CAE的模型檢查和結果處理。

3.2分析參數(shù)確定

（1）網(wǎng)格參數(shù)

制動底板屬于鈑金結構，網(wǎng)格類型采用殼單元，網(wǎng)格大小為5mm。

（2）材料參數(shù)

底板材料為DC04，如表1。

3.3約束與加載

在底板法蘭4個安裝孔固定約束，在底板下方支點處加載F=的載荷。

3.4分析結果

根據(jù)以上參數(shù)及約束加載，經(jīng)過軟件分析，可得以下變形云圖及應力云圖，如表2。

根據(jù)分析結果，底板最大應力238.8Mpa，已經(jīng)超過屈服強度，變形3.303mm，變形也比較大。

4結構優(yōu)化

根據(jù)分析結果和問題零件檢查，基本確定曲翹變形問題是由于底板結構強度、剛度不夠而引起，因此考慮從材料、結構兩方面進行改進，進而有效提高底盤的強度和剛度。針對該問題，做出三個參考方案：

方案一，如圖3。

（1）板厚增加0.5mm，由原來3.0mm變?yōu)?.5mm；

（2）結構上更改：加強翻邊的沖壓深度加深，徑向輻射加強筋徑向加長；

（3）法蘭安裝面沖壓加深0.5mm，防塵圈更改。

方案二，如圖4。

（1）板厚不變，仍為3.0mm；

（2）法蘭安裝面不變；

（3）結構上更改：加強翻邊的沖壓深度加深，徑向輻射加強筋徑向加長。

方案三，如圖5。

（1）板厚增加0.5mm，由原來3.0mm改為3.5mm；

（2）將底板周緣沖防塵翻邊替代防塵圈，制動鼓更改，如a處；

（3）法蘭安裝面沖壓加深0.5mm，軸承安裝孔處沖翻邊，如b處。

不同方案下分析結果的云圖對比情況，如表3。

相應方案下進行具體分析，結果的數(shù)值對比，如表4。

通過分析對比發(fā)現(xiàn)，方案一、二中增加厚度0.5mm，大概可以減小18Mpa的應力；采取更改結構加強翻邊沖壓深度加深，徑向輻射加強筋加深徑向加長，可以減小69Mpa。其具體貢獻情況如表5。

從表5可以看出，結構更改對制動底盤的強度、剛度提升顯著，同時只通過增加板厚較難達到預期效果。此外，對比結構更改方案，方案三中通過增加板厚，并翻邊提高剛度，但底盤整個結構變化較大，重量也增加較多，不推薦采用。

方案一，通過增加板厚，并加深翻邊，拉長筋條，法蘭面下沉來提高剛度，其效果與方案三接近，但結構變化較小，重量增加不多，建議采用。

綜上所述，對比可優(yōu)化方案，最終采用了方案一，有效解決了底板變形問題。

5結語

提高零件結構的強度和剛度，可以從結構優(yōu)化、增加材料厚度，替換材料等方面考慮，增加厚度，替換材料比較容易實現(xiàn)，同時可能會增加零件成本。而傳統(tǒng)的結構優(yōu)化方法不但需要工程師對零件結構比較熟悉，而且要深入了解零件的負載工況，從而預估結構更改的影響趨勢。整個具體的實施過程中可能需要較長的設計和分析的循環(huán)周期，此外還可能會增加實驗材料的消耗和成本。

CAE（Computer Aided Engineering）是用計算機輔助求解復雜工程和產(chǎn)品結構強度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結構性能的優(yōu)化設計等問題的一種近似數(shù)值分析方法。倘若借助CAE分析軟件，可以更準確地模擬各種實驗負載工況，進行機械事故原因分析及有效查找，并提供相關的分析結果來判斷產(chǎn)品結構方案是否正向優(yōu)化。

具體的CAE分析應用越來越廣泛，可以更好的分析解決問題，提高效率。在設計階段應用CAE分析，可以提高方案的準確性，避免批量生產(chǎn)時出現(xiàn)問題。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展和普及，通過網(wǎng)絡信息傳遞，不僅對某些技術難題，甚至對于全面的CAE分析過程都有可能得到專家的技術支持，這必將在CAE技術的推廣應用方面發(fā)揮極為重要的作用。然而，事實上CAE技術在我國的中小型企業(yè)發(fā)展滯后，相關專業(yè)人員缺乏。但是在當今“互聯(lián)網(wǎng)+”的時代里，利用信息通信技術與各行業(yè)的跨界融合，推動汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，不斷創(chuàng)造出新產(chǎn)品、新業(yè)務及新模式，CAE技術的發(fā)展較好地契合了實現(xiàn)中國制造2025進而逐漸成為制造強國的戰(zhàn)略目標。