基于有限元駐車拉索支架剛度優化

冼劍

【摘 要】從汽車的安全性來說，駐車制動系統是非常重要的安全系統，它不僅影響汽車的行駛性能，還直接關系人的生命安全。文章對某車型駐車制動系統失效的案例進行解析，分析問題形成的原因，并通過有限元仿真提供了一種此類問題的優化方法，最終通過對駐車拉索支架剛度進行優化，成功地解決了問題。優化后，駐車拉索支架剛性位移降低了91.3%，零件應力降低了85.2%，性能得到了很大的提升，滿足了汽車駐車制動的正常功能及符合國家相關法規標準。

【關鍵詞】駐車制動；拉索支架；剛度；有限元

【中圖分類號】U463.5 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）03-0072-03

0 引言

對于汽車的安全性，駐車制動系統是除了車輛行車過程中使用到的行車制動系統外的另一個重要的制動系統，其直接關系著駕駛員的生命安全。由駐車制動系統發生故障而引起的意外事故時有發生。

駐車制動系統不同于行車制動，駐車制動系統是一種輔助制動系統，主要由駐車制動桿、回位彈簧、駐車制動拉索及駐車制動機構組成。一般在車輛停止的時候使用，主要預防車輛非正常移動而溜車、坡道上停車而設計。

文章通過對某車型的駐車系統失效情況進行研究，根據該車型駐車制動系統的實際操作試驗情況，經過HyperMesh有限元分析軟件分析查找問題形成的原因，最終確認駐車制動系統失效原因為該車型的駐車拉索支架變形大而引起的，由于這種變形是不可恢復的，會降低駐車制動系統的實際效用，駐車制動拉索的行程也會增加。根據《機動車運行安全技術條件》（GB 7258—2017）第7.4.2條，駐車制動應能使機動車即使在沒有駕駛人的情況下，也能停在上、下坡道上。駕駛人應在座位上就可以實現駐車制動[1]，同時根據第7.4.4條規定，駐車制動操縱裝置的安裝位置應適當，操縱裝置應有足夠的儲備行程（開關類操作裝置除外），一般應在操縱裝置全行程的2/3以內產生規定的制動效能；駐車制動機構裝有自動調節裝置時允許在全行程的3/4以內達到規定的制動效能[1]。該車輛在駐車試驗時，坡道上未能達到駐車要求而溜車，對車輛及駕駛員和乘客產生了極大的安全風險。本文針對該問題，從有限元仿真分析著手，查找問題原因并提出問題解決方案，最終成功解決了該車駐車制動失效的問題，提升了車輛的安全性。

1 模型分析

1.1 模型建立

本文利用有限元法，對該車駐車系統失效的問題進行分析驗證。一般有限元模型分3種：？譹？訛中面模型（midplane），即提取零件中間曲面的方法，基于有限元控制體積，此方法適用于平板形狀特征較為簡單的模型上，如汽車鈑金類零件；？譺？訛表面模型（fusion），此模型采用二維有限元（流動方向）與一維有限差分（厚度方向）的耦合算法，能極大地減少建模的工作量及對建模的技術要求；？譻？訛實體模型（3D），依據三維有限差分法或三維有限元法對熔體的充模流動進行數值分析，此模型計算量巨大，計算時間長，一般不建議采用[2]。因為汽車鈑金件一般為簡單的平板零件，所以為了快速得出模擬分析的結果，縮短產品改善周期，本文在進行CAE模型的構建過程中采用中面模型構建車身模型，即在hypermesh中采用midsurface抽取中面或者采用曲面偏移的方法生成中面，將駐車拉索支架及車身安裝板、地板、橫梁的邊界零件的中心面作為模型，然后在中面上劃分網格，將零件簡化為由各個片體組建而成的實體，模型構建后再賦予每個零件對應的材料性能及厚度等特征參數。

在構建CAE模型時，關于CAD模型中一些微小的設計細節，如小圓孔、小圓角及零件中一些細小零碎的曲面等，此類特征會增加劃分網格的難度，增加網格處理周期，甚至可能會對后續計算和分析結果造成一定的負面影響；同時，導入模型的過程中可能還會出現模型部分曲面丟失的現象。因此，本文在hypermesh中，需對零件提取的中面進行幾何清理，將模型上以上描述的細小特征進行簡化處理，為劃分網格做好準備，避免劃分網格過程中出現畸形單元。研究表明，利用以上方法可以縮短70%的模型準備時間和50%的計算時間[2]。

1.2 模型網格

1.2.1 網格劃分

鈑金件一般用四節點的線性殼單元（quad4）劃分。為了防止幾何變形太大，也可以在特征比較復雜的局部采用三節點的線性三角形單元（tria3）來劃分。本文采用8 mm×8 mm的殼單元來模擬車身邊界模型，針對駐車拉索支架局部特征比較復雜，則采用6 mm×6 mm的單元來模擬。根據模型的簡化要求，模型的細小特征處理如下：？譹？訛對半徑R小于4 mm的非安裝孔則直接去掉，只在孔中心保留1個節點；？譺？訛半徑小于5 mm的安裝孔則用6個節點來模擬，同時避免奇數個節點的孔；？譻？訛半徑R小于3 mm的倒角直接忽略，在切線方向拉伸面至相交，并建立倒角的起始點；？譼？訛半徑R大于3 mm，弦長4～8 mm的倒角用一排單元來模擬，用一個單元來描述，單元邊是圓角割線，弦長大于8 mm的則用2個以上的單元來模擬；？譽？訛忽略折彎和翻邊的內邊高度小于3 mm的結構特征。

1.2.2 網格檢查

單元質量影響計算結果的準確性和分析的效率，良好的網格質量可以使計算過程迅速收斂，較差的網格質量會導致計算中斷，也會導致計算結果失真。網格劃分后，需對單元質量進行檢查，各項指標檢查見表1。

對網格的單一質量進行檢查后，還需進行單元連接性檢查，利用自由邊檢查，確保網格中不能含有自由邊和自由面，同時調整單元法向一致，并刪除重復單元及所有的臨時節點。

1.2.3 單元屬性設置

由于白車身零件多為鋼材，在進行CAE分析計算前，要將各個零件所用材料參數設定為對應的材料選項，同時設定相應的材料參數，包含楊氏模量、泊松比、密度。

經過對計算模型進行幾何清理、劃分網格且賦予零部件相應的材料屬性后，最終得到有限元分析模型，共計57 521個單元。

1.3 約束

由于車身局部的分析結果和整車整體結構的分析結果差異性較小，所以本文根據該車型問題實際情況，以地板與縱梁橫梁焊接位置為邊界，截取局部模型重新劃分更精細的網格，這樣可以節約大量的計算時間，同時又能保證分析模型計算的準確性[3]。

1.3.1 焊點約束

ACM類型單元是一種獨特的焊接結構模擬方法，它由RBE3單元和六面體單元共同組成，在ACM單元建立時，它會自動建立2個連接點，包含一個已經賦予材料屬性和單元屬性的實物層和一個RBE3層，其中實物單元用來模擬焊點，RBE3則起到連接的作用。由于單元本身并不會增加結構的局部剛度，對零部件的剛度分析精度影響很小，分析結果精度較高，本文選用ACM類型作為焊點約束，將焊點的直徑設為6 mm。

1.3.2 裝配約束

該車型駐車拉索支架是通過螺栓與車身安裝板來裝配連接的，本文采用REB2單元作為裝配的約束，將孔中心節點與對應孔的節點連接起來，然后用梁單元（CBEAM）連接上下層孔中心節點。

1.3.3 邊界約束

本文因采用子模型[4]，需在主模型的基礎上，將主模型在邊界上的受力情況作為強制載荷施加到局部模型的邊界上，此處本文根據實車試驗情況將其邊界視為絕對剛性，如圖1所示斷面，約束其邊界1～6全部的自由度，即約束其X、Y、Z 3個方向的移動及旋轉自由度。

1.4 載荷加載

駐車制動系統在使用時，駕駛員在車內拉起制動桿，制動桿則通過駐車制動拉索總成將拉力傳到剎車系統內，剎車鼓內的蹄片和摩擦片因此而接合，從而產生制動力。

根據以上駐車制動的力傳遞路徑，最終以駐車拉索支架上2個拉索之間的中心點為作用點，施加一個X負方向的操作力（如圖1所示）。

1.5 模型求解

從計算結果來看（如圖2所示），駐車拉索支架最大應力為1 321 MPa，而駐車拉索支架材料為Q235，本身材料的屈服強度只有235 MPa，其實際受力遠超材料屈服。根據數據分析，駐車拉索距離車身地板高度差達101 mm，而駐車拉索作用力為X負方向，作用力與高度差形成了很大的作用力矩，同時由于駐車拉索支架本體使用2顆M6的安裝螺栓固定，零件應力容易集中在2個安裝點區域，經分析其最大位移為11.5 mm，變形量大，超出設計范圍，嚴重影響了駐車拉索的有效行程及操作力，這是導致駐車制動系統失效的根本原因。

2 優化及驗證

針對上述駐車制動系統失效的原因（該車型測試時已屬于樣車試制階段，調整駐車拉索布置，改動量大，且涉及模具重制，改善周期很長，同時增加成本），本文從更改周期及成本方面考慮優化方案，最終確定通過調整駐車拉索支架安裝面的安裝傾角、增加駐車拉索支架材料厚度、增加安裝點數量3個方案來同時優化，成功地解決了駐車制動系統失效問題，并滿足國家相關法規要求。

2.1 輸入條件優化

由力矩計算公式（M=F×L×cosθ，力矩為M，作用力為F，力臂為L×cosθ）可知：作用點到安裝面的垂直距離與車身正Z向的夾角θ越大（如圖3所示），則有效力臂越小，對與車身連接區域的作用力矩就越小。根據以上公式，本文把駐車拉索支架的安裝面在模具更改的范圍內傾斜一定角度，將駐車拉索在此處的作用力矩進行分解，同時車身安裝面配合做相應的更改，最終根據模具變更的可行性及修模難度把角度定在15°，更改后作用點力臂L由101 mm減少到83 mm。經換算可知，駐車拉索對安裝板的作用力矩減少了20%。

2.2 結構本身優化

一般零件支架的材料剛性不足，可通過2個方面進行加強：一是可增加板材厚度來提高支架剛性，二是通過增加零件的結構造型來提升剛度。因為零件本身已布置有筋條等型面結構來提升支架剛度，支架依然有較大變形，再進行筋條的優化，則作用不大，所以本文通過增加支架的厚度的方案來進行優化，將支架的材料厚度由1.5 mm改為2.0 mm。

2.3 連接工藝優化

駐車拉索支架與安裝板之間通過2個安裝點連接，應力容易集中，實際試驗時安裝點處駐車拉索支架有變形，可將2個安裝點優化為4個（如圖4所示），將應力分散。

3 方案論證

綜合上述，本文對更改方案重新構建模型，劃分網格，并采用同樣條件的約束，通過求解器求解后，其分析計算結果如圖4所示。優化后，駐車拉索支架最大應力由1 321 MPa下降至195 MPa，零件應力降低了85.2%，材料本身屈服235 MPa，安全系數達1.2，最大位移由11.5 mm下降至1.2 mm，變形量減少了91.3%。

經有限元分析，該優化方案可行，經實車按此優化方案重新試制并進行試驗驗證后，試驗效果與有限元分析結果相符，駐車拉索支架剛度有很明顯的改善，駐車系統測試使用效果良好，滿足使用要求，問題得以解決。

4 結論

本文通過該車型駐車拉索支架的優化設計，總結如下。

（1）利用有限元分析的方法，可極大地縮短產品質量問題整改的周期。

（2）由駐車拉索支架與車身高度差大引起的支架變形，在不更改布置、無法縮小高度差的情況下，可通過增加支架安裝面與水平面傾角、增加材料厚度、增加裝配點數量3個方面提升駐車拉索支架的剛度，使其滿足駐車制動的使用要求。

參 考 文 獻

[1]機動車運行安全技術條件，GB 7258—2017[S].

[2]陸建軍，袁國定.基于CAE分析的網格模型的優化研究[J].新技術新工藝，2011（2）：25-27.

[3]韓冬雪，曾蔚，丁曉明.某車型手剎拉索區域剛度分析及優化設計[J].企業科技與發展，2014（6）：36-38.

[4]李幸人，張江田，楊俊杰.子模型技術在機車車體強度計算中的應用[J].鐵道機車車輛，2013，33（6）：39-41.

[責任編輯：鐘聲賢]