一種盤式制動器活塞輕量化設(shè)計

李世豪，傘紅軍

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

汽車的安全性是衡量汽車性能的重要尺度，而汽車制動器又是汽車安全性的重要保障。目前市面上的汽車主要采用的制動器形式有盤式制動器和鼓式制動器。盤式制動器具有散熱性佳、制動效能穩(wěn)定、質(zhì)量和尺寸較鼓式制動器小、維修護(hù)理拆卸方便等一系列優(yōu)勢[1]，逐漸被全球各大車輛生產(chǎn)廠家青睞，成為汽車制動系統(tǒng)的主流。在汽車的生產(chǎn)制造中，將車輛質(zhì)量每降低5%，整體油耗就會下降5%，尾氣排放量會下降3%，燃油效率會提升3%～4%[2]。因此，對汽車進(jìn)行輕量化設(shè)計具有重大意義，對汽車的主要安全系統(tǒng)盤式制動器進(jìn)行輕量化設(shè)計也很有必要。

現(xiàn)有的輕量化設(shè)計方法主要有2 種，一種是先利用CAE（計算機(jī)輔助工程）軟件對需要進(jìn)行輕量化設(shè)計的零部件進(jìn)行有限元分析，然后將應(yīng)力比較小的部分去除掉；另一種是直接將需要進(jìn)行輕量化設(shè)計的零部件的材料更換為質(zhì)量輕、穩(wěn)定性好的材料[3]。第1 種方法工作量較大，需要進(jìn)行多次難以確定最優(yōu)解的建模分析過程；第2 種方法步驟簡單，卻提高了零部件的制造成本。本文在保證強(qiáng)度與剛度要求且不改變零件材料的情況下，對盤式制動器進(jìn)行了輕量化設(shè)計，達(dá)到了降本減重的目的。

1 盤式制動器輕量化研究方向

1.1 盤式制動器工作原理

以前的大部分車輛采用的是前盤后鼓式制動系統(tǒng)，即前輪安裝盤式制動器而后輪安裝鼓式制動器。隨著用戶對汽車檔次要求的提升以及主要道路安全等級的提高，越來越多的汽車開始采用前后雙盤式制動器的制動系統(tǒng)[4]。盤式制動器的主要構(gòu)成部分有剎車片、活塞、制動盤、制動鉗和導(dǎo)向銷，其主要零部件爆炸圖如圖1 所示。其中，制動盤的盤轂通過螺栓與汽車車輪固定安裝在一起，在汽車行駛過程中隨車輪一同旋轉(zhuǎn)，以其端面作為工作表面。剎車片通過導(dǎo)向銷旋裝于制動鉗上，并可以沿導(dǎo)向銷移動，制動鉗跨置安裝于制動盤上，其鉗體實(shí)際上為液壓缸缸體，活塞則位于缸體內(nèi)部。

圖1 盤式制動器爆炸圖Fig.1 Explosion drawing of disc brake

盤式制動器的工作原理如圖2 所示。當(dāng)駕駛員踩下制動踏板時，剎車助力泵會利用真空原理造成助力器的兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，將腿部施加給踏板的力量放大，將制動液通過制動管道壓入到缸體內(nèi)部，使制動管道內(nèi)和缸體內(nèi)的液壓升高，使得2 個剎車片在活塞的推動力和制動盤的相對作用力下逐漸壓緊制動盤，此時汽車行駛的動能就轉(zhuǎn)化為剎車片與制動盤之間摩擦產(chǎn)生的熱能，逐漸實(shí)現(xiàn)制動[5]。松開制動踏板后，剎車片和活塞通過密封環(huán)和彈簧的彈力回位，回位結(jié)束后剎車片與制動盤兩邊均存在有一定的間隙，保證制動解除。

圖2 盤式制動器工作原理Fig.2 Working principle of disc brake

1.2 盤式制動器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向

基于以上分析，無論從零件功能還是成本角度來看，活塞都發(fā)揮了極為重要的作用，同時活塞也占據(jù)很大的物料成本比重，并且盤式制動器的防污能力較差，常會導(dǎo)致活塞卡死，故對其強(qiáng)度和剛度也有一定的要求。因此，在盡量不影響活塞性能的前提下，如何對活塞的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到降本減重（即輕量化設(shè)計）的目的是本文的關(guān)鍵研究方向。

1.3 課題研究路線

本課題的研究路線如圖3 所示。

圖3 研究路線圖Fig.3 The procedure of research

2 盤式制動器活塞優(yōu)化設(shè)計

2.1 活塞初始分析

盤式制動器的活塞（如圖4 所示）位于制動鉗殼體內(nèi)部，它的主要作用是承載制動時引起的強(qiáng)烈慣性沖擊力，對剎車片產(chǎn)生足夠的軸向壓力使其壓緊制動盤。通過套在活塞上的密封圈將整個液壓系統(tǒng)密封起來，在發(fā)生制動時，活塞沿軸向向外移動，密封環(huán)發(fā)生彈性變形；在松開制動踏板后，密封環(huán)會產(chǎn)生回位力并帶動活塞回位，制動結(jié)束[6]。同時，活塞配合防塵罩，有效地減少了外界灰塵進(jìn)入液壓系統(tǒng)，從而減免密封圈的消耗。

圖4 活塞Fig.4 Piston

從上述分析可以得出，合理設(shè)計盤式制動器活塞的防塵罩槽及剎車片固定槽是優(yōu)化設(shè)計研究中的關(guān)鍵點(diǎn)；同時，活塞的設(shè)計剛度與強(qiáng)度、活塞的在制動過程中的變形大小也是本研究需要著重關(guān)注的點(diǎn)。

2.2 活塞材料屬性參數(shù)

根據(jù)產(chǎn)品所用材料的實(shí)際情況來定義材料的屬性參數(shù)?；钊牧贤ǔ槠胀ㄤ摚洳牧蠈傩远x如表1 所示。

表1 活塞材料屬性Tab.1 Piston material properties

2.3 活塞結(jié)構(gòu)優(yōu)化

活塞生產(chǎn)工藝較復(fù)雜，其毛坯成型方式為冷擠壓鑄造。在活塞毛坯成型后對其進(jìn)行定型、修口、研磨等操作，最后通過車削加工制出成品。這一整套活塞生產(chǎn)流程很長時間沒有任何改動。通過冷擠壓鑄造得到的活塞毛坯壁較厚，提高了后續(xù)的生產(chǎn)制造成本，同時也直接導(dǎo)致活塞成品質(zhì)量的增加。為了達(dá)到活塞降本減重的目的，需要對活塞進(jìn)行輕量化設(shè)計，替代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的活塞，并且要保證新設(shè)計活塞的性能與傳統(tǒng)的相當(dāng)。

通過對傳統(tǒng)活塞結(jié)構(gòu)以及生產(chǎn)制造方式的研究，發(fā)現(xiàn)存在的缺點(diǎn)：傳統(tǒng)活塞的剎車片安裝卡槽與防塵罩槽的位置過于接近，導(dǎo)致活塞前段必須增加壁厚以確保2 個卡槽的間距，以滿足活塞的性能要求。而且傳統(tǒng)活塞的剎車片安裝卡槽是單向卡位設(shè)計，這又導(dǎo)致活塞生產(chǎn)制造時需要將活塞毛坯壁厚增加，而后才能對活塞內(nèi)壁進(jìn)行機(jī)械加工。這種傳統(tǒng)的活塞設(shè)計方式既增加了活塞的加工用料使其質(zhì)量增加，又增加了生產(chǎn)制造所消耗的時間，還會增加機(jī)加工的加工余量。

將剎車片安裝卡槽設(shè)計成雙向卡位，并將剎車片安裝卡槽向活塞底部移動一小段距離，使其與防塵罩槽不位于同一橫截面，如圖5 所示。兩槽的位置錯開，這樣設(shè)計不僅降低活塞壁厚，也可以在加工活塞內(nèi)壁時實(shí)現(xiàn)一次成型，減少加工余量。

圖5 活塞優(yōu)化設(shè)計Fig.5 Optimized design of piston

對活塞進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，為了確保其在剛度、強(qiáng)度等方面與原設(shè)計活塞相當(dāng)?shù)那闆r下達(dá)到輕量化設(shè)計要求，利用建模仿真分析對其進(jìn)行研究，并對比兩者的結(jié)果。

3 活塞輕量化結(jié)果與驗算

3.1 有限元建模分析

3.1.1 有限元軟件介紹

選用的HyperMesh 是Altair 公司于1989 年發(fā)布的軟件，高質(zhì)量和高效率的有限元處理特點(diǎn)使其迅速在車輛工業(yè)以及多個領(lǐng)域獲得認(rèn)可。HyperMesh 的工具包完善度極高且操作簡便，網(wǎng)格生成工具已達(dá)到智能化，完成對各種幾何模型體網(wǎng)格的自動與半自動劃分，可自由便捷地調(diào)整多種網(wǎng)格參數(shù)[7]。HyperMesh 與各種CAD 軟件及有限元分析軟件兼容，并以其強(qiáng)大且迅速的模型數(shù)據(jù)讀取能力，極大地提升了計算機(jī)輔助工程建模與分析的效率，并提供完備后處理功能，縮短評估結(jié)果的時間，大大縮短工程問題分析的周期。

選用的ABAQUS 具有一個獨(dú)特的優(yōu)勢——系統(tǒng)級分析，可對非常復(fù)雜的力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分析，處理龐大的線性問題，在非線性問題的求解上，ABAQUS 的表現(xiàn)更加出色，不僅可進(jìn)行非線性問題模擬，還可直接將實(shí)驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為軟件輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行分析求解[8]。

3.1.2 有限元模型建立

使用HyperMesh 軟件對活塞進(jìn)行有限元建模。活塞為軸對稱形狀，可截取橫截面的一半進(jìn)行分析，采用軸對稱離散模型，單元尺寸控制在0.3～0.4 mm，總單元數(shù)量大約為2 600 個，如圖6 所示。

圖6 活塞有限元模型Fig.6 Finite element model of piston

模擬現(xiàn)實(shí)中的工作情況，即模仿油壓活塞外圍圓周和底部，在上面添加16 MPa 的壓力，并在活塞端部添加固定支撐，如圖7 所示。

圖7 活塞分析邊界條件Fig.7 Piston analysis boundary conditions

3.2 輕量化結(jié)果驗算

將邊界條件施加完成后的活塞有限元模型導(dǎo)出，運(yùn)用ABAQUS 作為求解器對其壁厚、質(zhì)量和體積變化量進(jìn)行求解，得到結(jié)果如表2 所示。

表2 活塞優(yōu)化前后模型參數(shù)Tab.2 Model parameters before and after piston optimization

由表2 可知，優(yōu)化后的活塞相比原始活塞質(zhì)量減少了54 g，減少了15.4%；壁厚減少了1.2 mm，減少了19.1%。結(jié)構(gòu)的體積變化量與結(jié)構(gòu)剛度有直接關(guān)系，其數(shù)值越小表示該結(jié)構(gòu)的剛度越好。由于新設(shè)計活塞的壁厚減少，導(dǎo)致其體積變化量略大于原始設(shè)計的活塞，即剛度略差于原始活塞，但差值極小，處于可接受范圍內(nèi)。

從強(qiáng)度方面來看，如圖8、圖9 所示，優(yōu)化設(shè)計后的活塞相比于原始設(shè)計的活塞，內(nèi)壁與底部連接處過渡更加平順，圓角更加平滑，有效減少了局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，對防止鋼結(jié)構(gòu)疲勞、鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂等問題起到了重要作用。

圖8 原始活塞應(yīng)力分布Fig.8 Original piston stress distribution

圖9 優(yōu)化活塞應(yīng)力分布Fig.9 Optimized piston stress distribution

通過對以上結(jié)果分析可知，優(yōu)化過的活塞不僅在結(jié)構(gòu)上得到優(yōu)化，其主要性能也與原始活塞處于同一水平，達(dá)到了輕量化設(shè)計的要求，實(shí)現(xiàn)了減重的目的。

3.3 優(yōu)化前后成本對比

原始活塞與優(yōu)化活塞的質(zhì)量對比以及兩者毛坯的質(zhì)量對比如圖10 所示。

圖10 原始活塞與優(yōu)化活塞的質(zhì)量對比Fig.10 Mass comparison between original piston and optimized piston

從圖10 可以看出，經(jīng)過輕量化設(shè)計后的活塞成品質(zhì)量比原始活塞的質(zhì)量減少了54 g，輕量化設(shè)計過后的活塞毛坯質(zhì)量則比原始活塞毛坯質(zhì)量減少了148 g。并且，原始活塞的加工余量為145 g，輕量化設(shè)計過后的活塞加工余量為51 g，下降近2/3。加工余量的減小，減少了勞動量，提高了生產(chǎn)率，還降低了工具、電力以及材料的損耗[9]，使加工成本和材料成本得以下降，實(shí)現(xiàn)了降本的目的。通過初步估算，輕量化設(shè)計的活塞成本可以比原始設(shè)計的活塞成本下降約4 元/件。

4 結(jié)論

通過SolidWorks 軟件對盤式制動器活塞進(jìn)行建模并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與優(yōu)化，之后運(yùn)用HyperMesh 和ABAQUS 對活塞模型進(jìn)行有限元分析與求解驗算，最終在保證剛度與強(qiáng)度等性能的前提下，實(shí)現(xiàn)了對活塞的輕量化設(shè)計，達(dá)到了降本減重的目的。

通過對原始活塞與輕量化設(shè)計的活塞質(zhì)量和成本的對比，經(jīng)輕量化設(shè)計后活塞成品質(zhì)量減少了54 g，減少了15.4%；成品壁厚降低了1.2 mm，降低了19.1%。同時新設(shè)計的加工余量也比傳統(tǒng)設(shè)計下降了62.3%。

采用此輕量化設(shè)計，提高了生產(chǎn)率，降低了盤式制動器的質(zhì)量，同時削減了生產(chǎn)成本。據(jù)估算，輕量化設(shè)計后的盤式制動器活塞成本可比原始設(shè)計的活塞成本降低4 元/件。按照客戶此車型12 萬輛的年均銷量，每年可降低成本約192 萬元。