基于OptiStruct的汽車制動鉗體拓撲優(yōu)化

劉愛榮

（杭州一牙數(shù)字口腔有限公司，杭州 310013）

1 引言

為了滿足客戶對提高汽車制動系統(tǒng)性能和降低成本的要求，在原有產(chǎn)品的基礎上提出了輕量化制動鉗的開發(fā)計劃。輕量化的制動鉗可以減輕汽車懸架系統(tǒng)的重量，提高汽車的燃油經(jīng)濟性。但制動鉗還必須滿足剛度要求，變形過大時，司機覺得剎車踏板太軟，這會影響駕駛員的剎車踏板感覺。本文采用OpthStrut優(yōu)化軟件對制動鉗殼體進行拓撲優(yōu)化。通過拓撲優(yōu)化，可以根據(jù)產(chǎn)品的性能要求，在指定的設計空間內(nèi)快速準確地進行產(chǎn)品設計。改善結構性能、減輕產(chǎn)品質(zhì)量。

2 制動鉗結構優(yōu)化

本文研究對象是某車型盤式浮動鉗雙缸制動器。它由制動盤、托架、制動卡鉗、內(nèi)外摩擦片、活塞等組成，如圖1所示。制動器的支架通過螺栓固定在轉向節(jié)上，夾緊體通過制動器的導銷固定在徑向上，軸向可沿導銷滑動。制動時，制動液推動活塞使內(nèi)側磨擦片外移，與制動盤接觸，同時，制動鉗在制動液壓力作用下沿導向銷滑動，推動外摩擦片與制動盤之間的摩擦，在內(nèi)外摩擦板的夾緊力下產(chǎn)生制動力矩，使汽車減速。因此可見，制動鉗在工作過程中主要承受制動液制動壓力以及外磨擦片施加的接觸壓力，在這兩個載荷作用下，制動鉗在活塞軸線方向上將會產(chǎn)生擴張變形[1][5]。

圖1 盤式制動器結構

圖2 制動鉗原型設計

圖3 優(yōu)化后的模型

在優(yōu)化設計前，制動鉗原型重量為4264g，制動鉗在工作壓力10MPa作用下的變形量為0.211mm，整個模型的VonMises應力為252MPa。模型如圖2 所示。

在OpTyStRT軟件中，根據(jù)制動鉗工作狀態(tài)定義載荷和邊界條件，并對目標進行優(yōu)化。是質(zhì)量最輕，優(yōu)化約束是鉗體軸線方向變形小于0.25mm，優(yōu)化參數(shù)為鉗體的實體單元密度。經(jīng)過OptiStruct優(yōu)化后的模型如圖3所示，圖中藍色區(qū)域表示可以去除材料。

在優(yōu)化模型的基礎上，對制動鉗模型進行重建，得到新的CAD 模型如圖4 所示，重量為3976g，減輕288g。利用ANSYS軟件對新模型進行FEA 強度剛度校核，得制動鉗的軸向變形為0.247mm，VonMises應力為272MPa，如圖5 所示，低于QT450材料的屈服應力。由此可見，該模型符合剛度和強度要求。

圖4 制動鉗產(chǎn)品模型

圖5 VonMises應力

3 結束語

本文利用OptiStruct 軟件對制動鉗模型進行拓撲優(yōu)化，在保證制動鉗剛度不受影響的前提下，優(yōu)化后的制動鉗與樣機相比重量減輕了28 8g，節(jié)省了材料6.8%，降低了產(chǎn)品成本。通過優(yōu)化結構材料的布局，可以在不改變原有模型的基礎上獲得理想的形狀。這樣輕量化的同時不會造成制造成本的增加，符合制造經(jīng)濟性的要求。