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汽车制动真空助力器带制动主缸总成的轻量化设计.docx

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汽车 制动 真空 助力器 总成 量化 设计
资源描述:
汽车制动真空助力器带制动主缸总成的轻量化设计 作者:葛宏 马闯 卜凡彬 摘要: 从 轻量 化的 概念 出 发, 对汽 车制 动 真空助 力器 的轻 量化 的方 法进行 总结 ,并 利用 计算 机的拓 补优 化, 实现 真空 助力器 带制 动 主缸总 成的 轻量 化设 计。 主题词 :轻 量化 真 空助 力 器 汽车 0 引言 汽车的 轻量 化是 指在 保证 汽车的 强度 和安 全性 能的 前提下 ,尽 可能 多地 降低 整备质 量, 从 而提高 汽车 的动 力性 , 减 少 燃料消 耗以 降低 排气 污染 。 研究显 示, 若汽 车整 车重 量 降低 10% , 燃油效 率可 提 高 6% ~8% ; 汽车 整备 质量 每减 少 100kg , 百公 里油 耗可 降低 0.3 ~0.6L,汽 车重量 降低1% , 油 耗可 降 低0.7% 。 此外, 车辆 每减重100kg , CO2 的 排放 量可 减 少约5g/km 。 当前, 出于 环保 和节 能的 需要, 汽车 的轻 量化 已经 成为世 界汽 车发 展的 潮流 。 1 汽车真 空助 力器 带制 动 主缸总 成 1.1 汽车真 空助 力器 带制 动主缸 的主 要作 用 汽车制 动真 空助 力器 总成 产品是 整车 制动 系统 中的 安全件 ,利 用 发 动机 或其 他真空 源提 供 的真空 ,通 过控 制腔 内的 真空与 大气 的压 强差 ,实 现对驾 驶员 制动 踏板 力的 放大, 并通 过 制动主 缸转 换为 制动 液压 ,驱动 基础 制动 部件 ,实 现整车 的制 动。 1.2 汽车真 空助 力器 带制 动主缸 总成 的主 要构 成 汽车真 空助 力器 带制 动主 缸总成 根据 结构 不同 ,约 由 40 ~60 个 不同 零件 组 成(见 图 1 )。 其中助 力器 的前 后壳 体和 制动主 缸缸 体的 重量 约占 整体重 量 的 62% ~80% , 因此, 本产 品 的轻量 化设 计主 要针 对 这 3 个零 件。 2 汽车真 空助 力器 总成 的 轻量化 设计 方法 汽车真 空助 力器 的轻 量化 设计, 绝不 是等 同于 减轻 材料, 它是 在保 证产 品 性 能和整 车安 全 性能的 前提 下, 充分 利用 最新设 计技 术, 新材 料以 及最先 进的 分析 手段 和试 验技术 对现 有 产品的 优化 设计 。现 阶段 ,主要 从以 下方 面进 行。 2.1 结构设 计- 利用 贯穿 杆 结构取 代传 统结 构 传统结 构的 汽车 真空 助力 器的前 后壳 体, 是主 要的 承力部 件; 贯穿 杆结 构的 汽车真 空助 力 器的主 要承 力部 件是 贯穿 杆, 助力 器的 前后 壳体 是 辅助的 承力 部件 ( 见图 2 ) 。 由 此工 作原 理的优 化, 可大 幅度 减薄 前后壳 体的 材料 厚度 ,从 而降低 产品 重量 。 2.2 采用新 材料 进行 产品 的轻量 化设 计 采用轻 量化 材料 是另 一个 主要方 法, 主要 是采 用高 强度钢 材、 铝镁 合金 、工 程塑料 和各 种 复合材 料 进 行产 品轻 量化 设计。 对于 汽车 真空 助力 器总成 的轻 量化 设计 对于 前 3 种材 料, 都进行 了应 用。 2.2.1 高强度 钢板 根据国 际上 对超 轻钢 制汽 车车身 的研 究 (UL-SAB ) , 把屈 服强度 在 270 ~700 MPa 范围 内 的钢板 称为 高强 度钢 板; 屈服强 度大 于 700 MPa 的 钢板称 为超 高强 度钢 板。 高强度 钢是 汽 车轻量 化后 能够 保证 碰撞 安全的 最主 要材 料, 所以 高强度 钢的 用量 直接 决定 着汽车 轻量 化 的水平 。 采用高 强度 的钢 板也 是汽 车真空 助力 器产 品轻 量化 设计最 行之 有效 的方 法, 可通过 有限 的 再设计 工作 就可 实现 在等 强度设 计条 件下 减少 板厚 及重量 ,在 国外 已基 本普 及,但 在国 内 仍处于 起步 阶段 。 2.2.2 铝合金 板 铝的密 度仅 为钢 铁 的 1/3 , 是以轻 量化 为设 计目 标的 产品中 频繁 采用 替代 钢材 的材料 。 采用 铝壳体 的汽 车真 空助 力器 总成作 为一 种成 熟的 轻量 化解决 方案 ,在 国内 外的 高档车 中, 已 开始使 用, 但因 成本 因 素 ,运用 到大 众车 型中 的机 会并不 看好 。 2.2.3 以塑代 钢 塑料成 型容 易, 可使 形状 复杂的 部件 加工 简单 化; 塑料制 品的 弹性 变形 特性 能吸收 大量 的 碰撞能 量, 对撞 击有 较大 的缓冲 作用 ,具 有吸 收和 衰减振 动和 噪声 的能 力; 塑料的 耐腐 蚀 性强, 其抗 腐蚀 能力 远大 于钢板 ,不 必另 外进 行防 腐处理 ;通 过添 加不 同的 填料、 增塑 剂 和硬化 剂可 制出 所需 性能 的塑料 ,可 以满 足汽 车上 不同部 件的 用途 要求 。 对于汽 车真 空助 力器 壳体 的以塑 代钢 的研 究工 作, 在国内 外已 开始 进行 探索 ,主要 难题 在 于其是 安全 件中 的承 力部 件及结 构件 ,需 要在 高温 高湿的 复杂 工作 环境 下保 持稳定 的形 状 和性能 。但 随着 塑料 材料 的发展 及基 于汽 车轻 量化 和低成 本的 持续 要求 ,以 塑代钢 的方 案 必将发 展下 去。 2.3 基于轻 量化 概念 的计 算机辅 助设 计优 化 传统设 计方 法因 为在 设计 计算中 无法 较精 确地 计算 产品的 静力 学和 动力 学特 性,又 仅能 进 行有限 的试 验验 证进 行设 计方案 的遴 选, 难以 达到 产品的 轻量 设计 的最 优化 。主要 存在 以 下不足 。 ⑴ 为提高 安全 系数 ,片 面 地增加 材料 ; ⑵ 因材料 分布 无法 进行 量 化的优 化, 难以 实现 产品 上的材 料最 优化 分布 ; ⑶ 试验验 证费 时费 力, 难 以评估 出最 优的 产品 结构 。 而计算 机模 拟 分 析技 术, 为此提 供了 设计 辅助 工具 ,通过 精确 建模 ,分 析计 算与有 限的 设 计验证 反复 对比 修正 ,可 使模型 和分 析方 法同 产品 的实际 工作 状态 不断 趋于 一致, 为产 品 的设计 优化 提供 多种 可靠 分析数 据, 量化 产品 结构 和材料 分布 ,使 设计 最优 化。 3 采用计 算机 的拓 扑优 化 ,实现 真空 助力 器带 制动 主缸总 成的 轻量 化设 计 3.1 竞争对 手产 品分 析, 定义开 发目 标 有针对 性地 选择 了市 场上 六种竞 争对 手的 真空 助力 器/ 主缸 总成 产品 ,对 其性 能进行 分析 ,然后基 于对 比结 果, 定义 开发目 标。 表 1 举 例说 明 单腔传 统 式 10 英寸 助力 器/ 主缸的 分析 结果, 以及 设计 目 标 定义 。 3.2 壳体变 形 FEM 有限 元 分析 , 优化 壳体 设计 目标是 对助 力器 壳体 进行 轻量化 设计 ,又 不能 影响 整体变 形。 考虑 到零 件试 验需要 大量 的 模具投 入, 利用 有限 元分 析(FEM )能 力, 进行 了 一系列 模拟 工作 。 3.2.1 不同轮 廓的 对比 根据经 验 , 设 计 了 4 种 不 同的壳 体轮 廓 (如 表 2 所 示) , 通过 FEM 对 应力 以 及弹性 变形 进 行比较 ,最 后锁 定最 优方 案。 在 FEM 分析 之后, 为了 确 认设计 方向 ,又 对壳 体进 行拓扑 优化 ,结 果与 以上 分析吻 合。 3.2.2 FEM 模拟 变形 与实 际变形 对比 在这一 阶段 , 首 先对 现有 产品进 行几 组模 拟分 析和 试验分 析, 从而 找出 了 FEM 分析 结果 与 实际试 验结 果的 关系 。 进 而推断 出 ,FEM 弹性 变形 1.11mm 的结 果, 能够 对 应于实 际试 验 结果弹 性变 形 1.8 mm 。 3.3 优化设 计主 缸毛 坯 主缸毛 坯轻 量化 设计 主要 是基于 现有 主缸 模型 ,通 过拓扑 优化 ,并 结合 现阶 段国内 毛坯 铸 造能力 及机 械加 工经 济精 度的提 高现 状, 立足 轻量 化设计 目标 ,进 行设 计优 化。根 据 FEM 分析结 果, 一方 面对 整体 材料减 薄, 另外 ,对 相对 薄弱点 加固 ,如 法兰 进行 加筋, 主缸 底 部加厚 ,第 一腔 定位 筋加 宽, 图 3 为示 意主 缸拓 扑 优化情 况。 优化 设计 后, 主缸不 但重 量 减轻 了 10% ,且 主缸 爆破 压力均 超 过 500 MPa 。 4 结语 “ 低碳 ” 经 济如 今成 为全 球最 热话题 , 采 用纯 电动 、 混 合动力 、 燃 料电池 等 新能 源汽车 是汽 车 行业发 展方 向, 但现 阶段 仍存在 一定 的技 术难 题有 待攻克 。汽 车轻 量化 ,并 非没有 技术 含 量的简 单降 低汽 车重 量, 而是利 用现 有的 成熟 技术 ,可实 现量 产的 提升 汽车 操控性 、可 靠 性、降 低油 耗、 减少 废气 排放量 、提 升安 全性 的必 要方式 。(end) 玉环县金峰实业有限公司是微型汽车底盘制动部件、转向部件的专业生产厂家。自 1986 年创办以来,公 司本着 “ 质 量是 企 业 第 一生 命 ” 的 宗 旨 , 一 直 从事 着 各 种产 品的 设 计 、 开 发、 生 产 、 配套 、服 务 等 工 作 。 企 业效益不断增加,产值逐年上升。随着生产规模的不断扩大,以及生产经营的需要,公司于 2000 年通过 了 ISO9002 和美 国 BQR 国际质量管理体系认证,为企业的生产和服务提供了可靠的质量保证。 公司占地面积 4200 平方米, 建筑面积 3500 平方米, 固定资产净值 400 万元, 现有流动资 金 800 万元。 公司拥有员工 120 余人, 其中 技术人员 10 人, 管理人员 12 人。 从产品设计到生产管理、 销售、 服务均采 用 CAD 技术及计算机管理, 拥有自己的局域网络。 公司还有先进的制动主缸带真空助力器总成、 制动器总 成装配流水线、 在线检验测试设备和专用试验设备。 公司主导产品有: SC1010 系列制动总泵总 成, SC6331 、 SC7080 、SK410 、SC6350 、SC6350A 制动主缸带真空助力 器总成,SC6350 长安之星感 载比例阀、 转向 拉杆、端接头 、前悬架 压杆总 成、前轴摆臂 总成,制 动器总 成各种管接头 等产品。 为重庆 长安汽车有限公 司,重庆长安铃木汽车有限公司、哈飞公司及昌河公司等主机厂提供长期的产品配套及服务。 公司始终把为用户提供高质量、高技术和优良服务放在首 位,对产品实行三包。热忱欢 迎国内外用户来 电来函来人洽谈业务。我们将竭诚为您服务。
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