汽車(chē)制動(dòng)真空助力器帶制動(dòng)主缸總成的輕量化設(shè)計(jì)

1、汽車(chē)制動(dòng)真空助力器帶制動(dòng)主缸總成的輕量化設(shè)計(jì)作者：葛宏 馬闖 卜凡彬摘要：從輕量化的概念出發(fā)，對(duì)汽車(chē)制動(dòng)真空助力器的輕量化的方法進(jìn)行總結(jié)，并利用計(jì)算機(jī)的拓補(bǔ)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)真空助力器帶制動(dòng)主缸總成的輕量化設(shè)計(jì)。 主題詞：輕量化 真空助力器 汽車(chē) 0 引言 汽車(chē)的輕量化是指在保證汽車(chē)的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能多地降低整備質(zhì)量，從而提高汽車(chē)的動(dòng)力性，減少燃料消耗以降低排氣污染。研究顯示，若汽車(chē)整車(chē)重量降低10%，燃油效率可提高6%8%；汽車(chē)整備質(zhì)量每減少100kg，百公里油耗可降低0.30.6L，汽車(chē)重量降低1%，油耗可降低0.7%。此外，車(chē)輛每減重100kg，CO2的排放量可減少約5g/km。

2、當(dāng)前，出于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車(chē)的輕量化已經(jīng)成為世界汽車(chē)發(fā)展的潮流。 1 汽車(chē)真空助力器帶制動(dòng)主缸總成 1.1 汽車(chē)真空助力器帶制動(dòng)主缸的主要作用 汽車(chē)制動(dòng)真空助力器總成產(chǎn)品是整車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中的安全件，利用發(fā)動(dòng)機(jī)或其他真空源提供的真空，通過(guò)控制腔內(nèi)的真空與大氣的壓強(qiáng)差，實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員制動(dòng)踏板力的放大，并通過(guò)制動(dòng)主缸轉(zhuǎn)換為制動(dòng)液壓，驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)制動(dòng)部件，實(shí)現(xiàn)整車(chē)的制動(dòng)。 1.2 汽車(chē)真空助力器帶制動(dòng)主缸總成的主要構(gòu)成 汽車(chē)真空助力器帶制動(dòng)主缸總成根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，約由4060個(gè)不同零件組成（見(jiàn)圖1）。其中助力器的前后殼體和制動(dòng)主缸缸體的重量約占整體重量的62%80%，因此，本產(chǎn)品的輕量化設(shè)計(jì)主要針對(duì)這3個(gè)零

3、件。 2 汽車(chē)真空助力器總成的輕量化設(shè)計(jì)方法 汽車(chē)真空助力器的輕量化設(shè)計(jì)，絕不是等同于減輕材料，它是在保證產(chǎn)品性能和整車(chē)安全性能的前提下，充分利用最新設(shè)計(jì)技術(shù)，新材料以及最先進(jìn)的分析手段和試驗(yàn)技術(shù)對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)?，F(xiàn)階段，主要從以下方面進(jìn)行。 2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-利用貫穿桿結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的汽車(chē)真空助力器的前后殼體，是主要的承力部件；貫穿桿結(jié)構(gòu)的汽車(chē)真空助力器的主要承力部件是貫穿桿，助力器的前后殼體是輔助的承力部件（見(jiàn)圖2）。由此工作原理的優(yōu)化，可大幅度減薄前后殼體的材料厚度，從而降低產(chǎn)品重量。 2.2 采用新材料進(jìn)行產(chǎn)品的輕量化設(shè)計(jì) 采用輕量化材料是另一個(gè)主要方法，主要是采用高強(qiáng)

4、度鋼材、鋁鎂合金、工程塑料和各種復(fù)合材料進(jìn)行產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)。對(duì)于汽車(chē)真空助力器總成的輕量化設(shè)計(jì)對(duì)于前3種材料，都進(jìn)行了應(yīng)用。 2.2.1 高強(qiáng)度鋼板 根據(jù)國(guó)際上對(duì)超輕鋼制汽車(chē)車(chē)身的研究（UL-SAB），把屈服強(qiáng)度在270700 MPa范圍內(nèi)的鋼板稱(chēng)為高強(qiáng)度鋼板；屈服強(qiáng)度大于700 MPa的鋼板稱(chēng)為超高強(qiáng)度鋼板。高強(qiáng)度鋼是汽車(chē)輕量化后能夠保證碰撞安全的最主要材料，所以高強(qiáng)度鋼的用量直接決定著汽車(chē)輕量化的水平。 采用高強(qiáng)度的鋼板也是汽車(chē)真空助力器產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)最行之有效的方法，可通過(guò)有限的再設(shè)計(jì)工作就可實(shí)現(xiàn)在等強(qiáng)度設(shè)計(jì)條件下減少板厚及重量，在國(guó)外已基本普及，但在國(guó)內(nèi)仍處于起步階段。 2.2.2 鋁

5、合金板 鋁的密度僅為鋼鐵的1/3，是以輕量化為設(shè)計(jì)目標(biāo)的產(chǎn)品中頻繁采用替代鋼材的材料。采用鋁殼體的汽車(chē)真空助力器總成作為一種成熟的輕量化解決方案，在國(guó)內(nèi)外的高檔車(chē)中，已開(kāi)始使用，但因成本因素，運(yùn)用到大眾車(chē)型中的機(jī)會(huì)并不看好。 2.2.3 以塑代鋼 塑料成型容易，可使形狀復(fù)雜的部件加工簡(jiǎn)單化；塑料制品的彈性變形特性能吸收大量的碰撞能量，對(duì)撞擊有較大的緩沖作用，具有吸收和衰減振動(dòng)和噪聲的能力；塑料的耐腐蝕性強(qiáng)，其抗腐蝕能力遠(yuǎn)大于鋼板，不必另外進(jìn)行防腐處理；通過(guò)添加不同的填料、增塑劑和硬化劑可制出所需性能的塑料，可以滿(mǎn)足汽車(chē)上不同部件的用途要求。 對(duì)于汽車(chē)真空助力器殼體的以塑代鋼的研究工作，在國(guó)內(nèi)外

6、已開(kāi)始進(jìn)行探索，主要難題在于其是安全件中的承力部件及結(jié)構(gòu)件，需要在高溫高濕的復(fù)雜工作環(huán)境下保持穩(wěn)定的形狀和性能。但隨著塑料材料的發(fā)展及基于汽車(chē)輕量化和低成本的持續(xù)要求，以塑代鋼的方案必將發(fā)展下去。 2.3 基于輕量化概念的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)優(yōu)化 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)計(jì)算中無(wú)法較精確地計(jì)算產(chǎn)品的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，又僅能進(jìn)行有限的試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的遴選，難以達(dá)到產(chǎn)品的輕量設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。主要存在以下不足。 為提高安全系數(shù)，片面地增加材料； 因材料分布無(wú)法進(jìn)行量化的優(yōu)化，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品上的材料最優(yōu)化分布； 試驗(yàn)驗(yàn)證費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以評(píng)估出最優(yōu)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。 而計(jì)算機(jī)模擬分析技術(shù)，為此提供了設(shè)計(jì)輔助工具，通

7、過(guò)精確建模，分析計(jì)算與有限的設(shè)計(jì)驗(yàn)證反復(fù)對(duì)比修正，可使模型和分析方法同產(chǎn)品的實(shí)際工作狀態(tài)不斷趨于一致，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供多種可靠分析數(shù)據(jù)，量化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和材料分布，使設(shè)計(jì)最優(yōu)化。 3 采用計(jì)算機(jī)的拓?fù)鋬?yōu)化，實(shí)現(xiàn)真空助力器帶制動(dòng)主缸總成的輕量化設(shè)計(jì) 3.1 競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手產(chǎn)品分析，定義開(kāi)發(fā)目標(biāo) 有針對(duì)性地選擇了市場(chǎng)上六種競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的真空助力器/主缸總成產(chǎn)品，對(duì)其性能進(jìn)行分析，然后基于對(duì)比結(jié)果，定義開(kāi)發(fā)目標(biāo)。表1舉例說(shuō)明單腔傳統(tǒng)式10英寸助力器/主缸的分析結(jié)果，以及設(shè)計(jì)目標(biāo)定義。 3.2 殼體變形FEM有限元分析，優(yōu)化殼體設(shè)計(jì) 目標(biāo)是對(duì)助力器殼體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，又不能影響整體變形?？紤]到零件試驗(yàn)需要大量的

8、模具投入，利用有限元分析（FEM）能力，進(jìn)行了一系列模擬工作。 3.2.1 不同輪廓的對(duì)比 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了4種不同的殼體輪廓（如表2所示），通過(guò)FEM對(duì)應(yīng)力以及彈性變形進(jìn)行比較，最后鎖定最優(yōu)方案。 在FEM分析之后，為了確認(rèn)設(shè)計(jì)方向，又對(duì)殼體進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，結(jié)果與以上分析吻合。 3.2.2 FEM模擬變形與實(shí)際變形對(duì)比 在這一階段，首先對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行幾組模擬分析和試驗(yàn)分析，從而找出了FEM分析結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系。進(jìn)而推斷出，F(xiàn)EM彈性變形1.11mm的結(jié)果，能夠?qū)?yīng)于實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果彈性變形1.8 mm。 3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)主缸毛坯 主缸毛坯輕量化設(shè)計(jì)主要是基于現(xiàn)有主缸模型，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化，并結(jié)合現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)毛坯鑄造能力及機(jī)械加工經(jīng)濟(jì)精度的提高現(xiàn)狀，立足輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。根據(jù)FEM分析結(jié)果，一方面對(duì)整體材料減薄，另外，對(duì)相對(duì)薄弱點(diǎn)加固，如法蘭進(jìn)行加筋，主缸底部加厚，第一腔定位筋加寬，圖3為示意主缸拓?fù)鋬?yōu)化情況。優(yōu)化設(shè)計(jì)后，主缸不但重量減輕了10%，且主缸爆破壓力均超過(guò)500 MPa。 4 結(jié)語(yǔ) “低碳”經(jīng)濟(jì)如今成為全球最熱話(huà)題，采用純電動(dòng)、混合動(dòng)力、燃