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汽车制动器底板结构优化和分析
王巍1 姚磊2
1 上汽通用五菱股份有限公司 广西柳州市 545000 2 湖南湖大艾盛汽车技术开发有限公司 广西柳州市 545000
摘 要： 鼓式制动器的制动底板实验中翘曲变形,通过结构优化、CAE 分析,提高底板强度,刚度.
关键词：制动底板；强度；刚度；CAE 分析
1 引言
鼓式制动器是通过制动传动机构使得制动蹄片将制动摩擦片压紧在制动鼓内侧,从而产生制动力,进而使车轮依据实际需要减速,或在最短的距离内停止,以确保行车安全,同时保障汽车停放可靠而不能自动滑移.主要由制动鼓、制动底板、制动蹄、轮缸组成,制动过程中,蹄片和制动鼓由于摩擦产生的制动力都传递到制动底板上,因此制动底板需要有足够的强度和刚度,以保证制动过程安全有效.
2 制动底板变形
某车型的后鼓式制动器的制动底板在试验过程中发生翘曲变形而影响了制动效果,如下图1.
受力分析：
制动过程中,制动力通过蹄片作用在下图的支点位置,F等于10MPa×3.14×25.4×25.4×2.2/4等于11142N
由于底板支点处受力较大,经过检查,发现零件变形也出现在这个位置,初步判断底板强度、刚度不足是主要原因.
3 CAE 分析
对底板结构如图2,进行CAE分析.
3.1 分析软件选择
Hypermesh软件是美国Altair公司的产品,具有强大的有限元网格划分前处理功能,并能与众多的有限元求解器进行方便的数据交换,对提高有限元分析工作的质量和效率很有帮助.
Abaqus是功能强大的有限元软件,可以分析复杂的固体力学、结构力学系统,特别是模拟高度非线性模型来解决问题.Hyperview是后处理软件,用于CAE的模型检查和结果处理.
3.2 分析参数确定
（1）网格参数
制动底板属于钣金结构,网格类型采用壳单元,网格大小为5mm.
（2）材料参数
底板材料为DC04,如表1.
3.3 约束与加载
在底板法兰4个安装孔固定约束,在底板下方支点处加载F等于的载荷.
3.4 分析结果
根据以上参数及约束加载,经过软件分析,可得以下变形云图及应力云图,如表2.
根据分析结果,底板最大应力238.8Mpa,已经超过屈服强度,变形3.303mm,变形也比较大.
4 结构优化
根据分析结果和问题零件检查,基本确定曲翘变形问题是由于底板结构强度、刚度不够而引起,因此考虑从材料、结构两方面进行改进,进而有效提高底盘的强度和刚度.针对该问题,做出三个参考方案：
方案一,如图3.
（1）板厚增加0.5mm,由原来3.0mm变为3.5mm；
（2）结构上更改：加强翻边的冲压深度加深,径向辐射加强筋径向加长；
（3）法兰安装面冲压加深0.5mm,防尘圈更改.
方案二,如图4.
（1）板厚不变,仍为3.0mm；
（2）法兰安装面不变；
（3）结构上更改：加强翻边的冲压深度加深,径向辐射加强筋径向加长.
方案三,如图5.
（1）板厚增加0.5mm,由原来3.0mm改为3.5mm；
（2）将底板周缘冲防尘翻边替代防尘圈,制动鼓更改,如a处；
（3）法兰安装面冲压加深0.5mm,轴承安装孔处冲翻边,如b处.
不同方案下分析结果的云图对比情况,如表3.
相应方案下进行具体分析,结果的数值对比,如表4.
通过分析对比发现,方案一、二中增加厚度0.5mm,大概可以减小18Mpa的应力；采取更改结构加强翻边冲压深度加深,径向辐射加强筋加深径向加长,可以减小69Mpa.其具体贡献情况如表5.
从表5可以看出,结构更改对制动底盘的强度、刚度提升显著,同时只通过增加板厚较难达到预期效果.此外,对比结构更改方案,方案三中通过增加板厚,并翻边提高刚度,但底盘整个结构变化较大,重量也增加较多,不推荐采用.
方案一,通过增加板厚,并加深翻边,拉长筋条,法兰面下沉来提高刚度,其效果与方案三接近,但结构变化较小,重量增加不多,建议采用.
综上所述,对比可优化方案,最终采用了方案一,有效解决了底板变形问题.
5 结语
提高零件结构的强度和刚度,可以从结构优化、增加材料厚度,替换材料等方面考虑,增加厚度,替换材料比较容易实现,同时可能会增加零件成本.而传统的结构优化方法不但需要工程师对零件结构比较熟悉,而且要深入了解零件的负载工况,从而预估结构更改的影响趋势.整个具体的实施过程中可能需要较长的设计和分析的循环周期,此外还可能会增加实验材料的消耗和成本.
CAE（Computer Aided Engineering）是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法[1].倘若借助CAE分析软件,可以更准确地模拟各种实验负载工况,进行机械事故原因分析及有效查找[2],并提供相关的分析结果来判断产品结构方案是否正向优化.
具体的CAE分析应用越来越广泛,可以更好的分析解决问题,提高效率.在设计阶段应用CAE分析,可以提高方性,避免批量生产时出现问题.随着互联网技术的不断发展和普及,通过网络信息传递,不仅对某些技术难题,甚至对于全面的CAE分析过程都有可能得到专家的技术支持,这必将在CAE技术的推广应用方面发挥极为重要的作用[3].然而,事实上CAE技术在我国的中小型企业发展滞后,相关专业人员缺乏.但是在当今“互联网+”的时代里,利用信息通信技术与各行业的跨界融合,推动汽车产业转型升级,不断创造出新产品、新业务及新模式,CAE技术的发展较好地契合了实现中国制造2025进而逐渐成为制造强国的战略目标.
参考文献：
[1] 姜兰兰.CAE 技术在制造业中的发展[J]. 卷宗,2013（7）：228-228.
[2] 徐毅,孔凡新. 三维设计系列讲座（3） 计算机辅助工程（CAE）技术及其应用[J].机械制造与自动化,2003,06：146-150.
[3] 王自勤. 计算机辅助工程（CAE）技术及其应用[J]. 贵州工业大学学报（自然科学版）,2001,04：16-18.
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