基于拓撲優化的某浮鉗盤式制動器鉗體設計

何代澄

基于拓撲優化的某浮鉗盤式制動器鉗體設計

何代澄

（南方天合底盤系統有限公司 技術部，重慶 402760）

基于拓撲優化方法，利用有限元仿真分析技術對某乘用車浮鉗盤式制動器鉗體進行了優化設計，確定了滿足某新乘用車浮鉗盤式制動器鉗體開發所需求的最佳拓撲結構，確保了乘用車浮鉗盤式制動器鉗體在使用過程中的可靠性，為乘用車浮鉗盤式制動器鉗體的輕量化開發提供了理論依據。結果表明，該優化設計出的乘用車浮鉗盤式制動器鉗體，其活塞腔缸孔中心變形量為0.158 mm，最大拉應力為370.2 MPa，滿足變形量及應力的設計要求。

制動器鉗體；拓撲優化；有限元分析；結構設計；浮鉗盤式；乘用車

汽車浮鉗盤式制動器的制動鉗體是可以移動的，其只有一側有制動油缸，進行制動時在液壓油的壓力作用下，活塞推動有制動油缸側的制動塊壓在制動盤上，此時在反作用力下推動制動鉗體移動使另一側的制動塊也壓在制動盤上，直到制動盤兩側的制動塊受力相等，并保持到制動過程結束[1]。浮鉗盤式制動器具有結構簡單、成本低廉、結構緊湊且易于布置的優點，在汽車制動器系統中具有廣泛應用。然而，浮鉗盤式制動器鉗體作為汽車浮鉗盤式制動器系統中的重要零部件之一，直接影響著汽車正常行駛時的可靠性以及制動時的安全性。因此，對汽車浮鉗盤式制動器鉗體的結構進行合理設計具有重要意義。

有限元仿真分析技術可以有效縮短產品開發周期，已廣泛應用到汽車及其零部件的開發過程中，用以驗證產品結構設計的合理性[2-3]。在有限元仿真分析技術中采用拓撲優化方法，可以在相應的零部件設計區域內，計算出零部件受力的最佳傳遞路徑以及材料的最優布置方式，以有效減輕汽車及其零部件的重量，達到輕量化的目的，已廣泛應用到各種汽車零部件的結構優化設計中[4-9]。

本文主要基于拓撲優化方法，利用有限元仿真分析技術對某乘用車制動器鉗體進行優化設計，確定滿足某新乘用車浮鉗盤式制動器鉗體開發所需求的最佳拓撲結構，確保乘用車浮鉗盤式制動器鉗體在使用過程中的可靠性，為乘用車浮鉗盤式制動器鉗體的輕量化開發提供理論依據。

1 鉗體設計要求

本文對乘用車浮鉗盤式制動器鉗體的有限元分析模型采用HyperMesh進行前處理，HyperView進行后處理。其中，鑄件用四面體單元進行離散，基本單元尺寸為2 mm。浮鉗盤式制動器鉗體的材料為QT550-6，彈性模量為1.7x105MPa，泊松比為0.28，密度為7.3×10-9t/mm3，屈服強度為 350 MPa，抗拉強度為550 MPa。要求設計的乘用車浮鉗盤式制動器鉗體結構，滿足7 MPa液壓作用下鉗體活塞腔缸孔中心變形量小于0.2 mm，同時最大拉應力小于材料抗拉強度550 MPa的某企業標準。

2 鉗體拓撲優化

2.1 拓撲優化模型

有限元仿真分析模型的建立是進行不同類型仿真分析的基礎，而建立準確仿真分析模型的關鍵是需要選擇合適的建模方法。本文建立的某乘用車浮鉗盤式制動器鉗體拓撲優化模型如圖1所示，包含制動器鉗體、制動塊背板、制動塊墊片、導向銷、簡化的導向銷套筒等零部件部分，同時約束兩個導向銷套筒和制動塊背板的123自由度。

圖1 浮鉗盤式制動器鉗體的拓撲優化模型

在建立乘用車浮鉗盤式制動器鉗體的拓撲優化模型時，需要確定其可設計區域和非可設計區域，從圖2中可以看出，本文乘用車浮鉗盤式制動器鉗體的設計空間，其中制動鉗導向銷安裝連接孔、進液孔、排氣孔、制動器鉗體爪部與制動塊接觸區域、活塞腔為非可設計區域，其余為可設計區域。

圖2 浮鉗盤式制動器鉗體的設計空間

2.2 拓撲優化參數

本文進行乘用車浮鉗盤式制動器鉗體的拓撲優化時，在制動器鉗體的活塞腔內施加7 MPa的制動液壓力。此外，將乘用車浮鉗盤式制動器鉗體的體積分數上限設為0.5，優化目標設置為該工況下的柔度最小（即整體剛度最大化），同時考慮對稱和拔模約束條件。

2.3 拓撲優化結果

在進行乘用車浮鉗盤式制動器鉗體結構的拓撲優化分析時，運用相應的優化策略及準則，經求解器仿真分析后，將設計區域中的不重要單元從設計區域部分去除，剩下的單元則為該浮鉗盤式制動器鉗體結構的最優拓撲結構。浮鉗盤式制動器鉗體結構的柔度在21次迭代后收斂，表明浮鉗盤式制動器鉗體的剛度在滿足設計約束條件下達到最大，此時設計區域的單元密度即為浮鉗盤式制動器鉗體的最佳傳力路徑和材料分布，其拓撲優化后的結果如圖3所示。

圖3 浮鉗盤式制動器鉗體的拓撲優化結果

3 鉗體結構設計及分析

3.1 結構設計

乘用車浮鉗盤式制動器鉗體在工作過程中，主要承受制動液產生的制動壓力和與外側制動塊接觸區域產生的接觸壓力，制動器鉗體在這兩個載荷的作用下，會在活塞軸線方向上產生相應的擴張變形，因此，設計的乘用車浮鉗盤式制動器鉗體結構需要滿足一定的剛度和強度要求。綜合考慮設計和制造因素，以圖3的浮鉗盤式制動器鉗體的拓撲優化結果為基礎，優化設計的浮鉗盤式制動器鉗體結構如圖4所示。

圖4 優化設計的浮鉗盤式制動器鉗體結構

3.2 結構分析

為了驗證基于拓撲優化結果而設計的乘用車浮鉗盤式制動器鉗體是否滿足剛度和強度要求，建立上述優化設計的浮鉗盤式制動器鉗體結構的有限元仿真分析模型如圖5所示，其中在制動器鉗體的活塞腔內施加7 MPa的制動液壓力，同時約束兩個導向銷套筒和制動塊背板的123自由度，對其進行剛度和強度分析。

圖5 優化設計的浮鉗盤式制動器鉗體結構分析模型

浮鉗盤式制動器鉗體在使用過程中必須滿足一定的剛度要求。因為當制動器鉗體變形過大時，會導致汽車駕駛人員感覺制動踏板太軟，影響駕駛人員的制動踏板感覺。圖6為優化設計的浮鉗盤式制動器鉗體的變形量結果，其活塞腔缸孔中心變形量為0.158 mm，滿足變形量小于0.2 mm的設計要求。圖7為優化設計的浮鉗盤式制動器鉗體的應力結果，可以看出，最大拉應力為370.2 MPa，小于QT550-6材料的抗拉強度550 MPa，安全系數為1.49，滿足應力設計要求。

圖6 優化設計的浮鉗盤式制動器鉗體變形結果

圖7 優化設計的浮鉗盤式制動器鉗體應力結果

4 結論

基于拓撲優化方法，利用有限元仿真分析技術對某乘用車浮鉗盤式制動器鉗體進行了合理設計，確定了某新乘用車浮鉗盤式制動器鉗體的最佳傳力路徑和材料分布，優化設計出了某乘用車浮鉗盤式制動器鉗體，其活塞腔缸孔中心變形量為0.158 mm，最大拉應力為370.2 MPa，滿足變形量及應力的設計要求。

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Design of a Floating Caliper Disc Brake Caliper Body Based on Topology Optimization

HE Daicheng

( Technical Center, CSG TRW Chassis Systems Company Limited, Chongqing 402760, China )

Based on the topology optimization method, the optimization design of the floating caliper disc brake caliper body of a passenger car was carried out by using the finite element simulation analysis technology. The optimization design determines the optimal topology structure to meet the requirements of the development of the floating caliper disc brake caliper body of a new passenger car. The optimized design ensures the reliability of the caliper body of the floating caliper disc brake of the passenger car in the use process. The optimization design provides a theoretical basis for the lightweight development of the caliper body of the floating caliper disc brake of passenger cars. The results show that the center deformation of the piston chamber cylinder hole is 0.158 mm, and the maximum tensile stress is 370.2MPa, which meets the design requirements of deformation and stress.

Brake caliper body; Topology optimization; Finite element analysis; Structural design;Floating caliper disc;Passenger cars

U463

A

1671-7988(2022)23-123-04

U463

A

1671-7988(2022)23-123-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.023

何代澄（1988—），男，碩士，高級工程師，研究方向為汽車結構設計與仿真分析，E-mail:hdcyxdz@163.com。