汽車制動器底板結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)優(yōu)化、CAE分析，提高底板強度，剛度。關(guān)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(gòu)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。

3 CAE分析

對底板結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)，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(jié)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(yīng)力云圖，如表2。

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

4結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)分析結(jié)果和問題零件檢查，基本確定曲翹變形問題是由于底板結(jié)構(gòu)強度、剛度不夠而引起，因此考慮從材料、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)果的云圖對比情況，如表3。

相應(yīng)方案下進行具體分析，結(jié)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(yīng)力；采取更改結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)語

提高零件結(jié)構(gòu)的強度和剛度，可以從結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)優(yōu)化方法不但需要工程師對零件結(jié)構(gòu)比較熟悉，而且要深入了解零件的負載工況，從而預估結(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)強度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應(yīng)、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(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)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(guān)的分析結(jié)果來判斷產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案是否正向優(yōu)化。

具體的CAE分析應(yīng)用越來越廣泛，可以更好的分析解決問題，提高效率。在設(shè)計階段應(yīng)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(shù)的不斷發(fā)展和普及，通過網(wǎng)絡(luò)信息傳遞，不僅對某些技術(shù)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(shù)支持，這必將在CAE技術(shù)的推廣應(yīng)用方面發(fā)揮極為重要的作用。然而，事實上CAE技術(shù)在我國的中小型企業(yè)發(fā)展滯后，相關(guān)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(shù)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(wù)及新模式，CAE技術(shù)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。