王巍　姚磊

摘要：鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)底板實(shí)驗(yàn)中翹曲變形，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、CAE分析，提高底板強(qiáng)度，剛度。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)底板；強(qiáng)度；剛度；CAE分析

1引言

鼓式制動(dòng)器是通過(guò)制動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使得制動(dòng)蹄片將制動(dòng)摩擦片壓緊在制動(dòng)鼓內(nèi)側(cè)，從而產(chǎn)生制動(dòng)力，進(jìn)而使車輪依據(jù)實(shí)際需要減速，或在最短的距離內(nèi)停止，以確保行車安全，同時(shí)保障汽車停放可靠而不能自動(dòng)滑移。主要由制動(dòng)鼓、制動(dòng)底板、制動(dòng)蹄、輪缸組成，制動(dòng)過(guò)程中，蹄片和制動(dòng)鼓由于摩擦產(chǎn)生的制動(dòng)力都傳遞到制動(dòng)底板上，因此制動(dòng)底板需要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證制動(dòng)過(guò)程安全有效。

2制動(dòng)底板變形

某車型的后鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)底板在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生翹曲變形而影響了制動(dòng)效果，如下圖1。

受力分析：

制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)力通過(guò)蹄片作用在下圖的支點(diǎn)位置，F(xiàn)=10MPa×3.14×25.4×25.4×2.2/4=11142N

由于底板支點(diǎn)處受力較大，經(jīng)過(guò)檢查，發(fā)現(xiàn)零件變形也出現(xiàn)在這個(gè)位置，初步判斷底板強(qiáng)度、剛度不足是主要原因。

3CAE分析

對(duì)底板結(jié)構(gòu)如圖2，進(jìn)行CAE分析。

3.1分析軟件選擇

Hypermesh軟件是美國(guó)Altair公司的產(chǎn)品，具有強(qiáng)大的有限元網(wǎng)格劃分前處理功能，并能與眾多的有限元求解器進(jìn)行方便的數(shù)據(jù)交換，對(duì)提高有限元分析工作的質(zhì)量和效率很有幫助。

Abaqus是功能強(qiáng)大的有限元軟件，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是模擬高度非線性模型來(lái)解決問題。Hyperview是后處理軟件，用于CAE的模型檢查和結(jié)果處理。

3.2分析參數(shù)確定

（1）網(wǎng)格參數(shù)

制動(dòng)底板屬于鈑金結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格類型采用殼單元，網(wǎng)格大小為5mm。

（2）材料參數(shù)

底板材料為DC04，如表1。

3.3約束與加載

在底板法蘭4個(gè)安裝孔固定約束，在底板下方支點(diǎn)處加載F=的載荷。

3.4分析結(jié)果

根據(jù)以上參數(shù)及約束加載，經(jīng)過(guò)軟件分析，可得以下變形云圖及應(yīng)力云圖，如表2。

根據(jù)分析結(jié)果，底板最大應(yīng)力238.8Mpa，已經(jīng)超過(guò)屈服強(qiáng)度，變形3.303mm，變形也比較大。

4結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)分析結(jié)果和問題零件檢查，基本確定曲翹變形問題是由于底板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度不夠而引起，因此考慮從材料、結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而有效提高底盤的強(qiáng)度和剛度。針對(duì)該問題，做出三個(gè)參考方案：

方案一，如圖3。

（1）板厚增加0.5mm，由原來(lái)3.0mm變?yōu)?.5mm；

（2）結(jié)構(gòu)上更改：加強(qiáng)翻邊的沖壓深度加深，徑向輻射加強(qiáng)筋徑向加長(zhǎng)；

（3）法蘭安裝面沖壓加深0.5mm，防塵圈更改。

方案二，如圖4。

（1）板厚不變，仍為3.0mm；

（2）法蘭安裝面不變；

（3）結(jié)構(gòu)上更改：加強(qiáng)翻邊的沖壓深度加深，徑向輻射加強(qiáng)筋徑向加長(zhǎng)。

方案三，如圖5。

（1）板厚增加0.5mm，由原來(lái)3.0mm改為3.5mm；

（2）將底板周緣沖防塵翻邊替代防塵圈，制動(dòng)鼓更改，如a處；

（3）法蘭安裝面沖壓加深0.5mm，軸承安裝孔處沖翻邊，如b處。

不同方案下分析結(jié)果的云圖對(duì)比情況，如表3。

相應(yīng)方案下進(jìn)行具體分析，結(jié)果的數(shù)值對(duì)比，如表4。

通過(guò)分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，方案一、二中增加厚度0.5mm，大概可以減小18Mpa的應(yīng)力；采取更改結(jié)構(gòu)加強(qiáng)翻邊沖壓深度加深，徑向輻射加強(qiáng)筋加深徑向加長(zhǎng)，可以減小69Mpa。其具體貢獻(xiàn)情況如表5。

從表5可以看出，結(jié)構(gòu)更改對(duì)制動(dòng)底盤的強(qiáng)度、剛度提升顯著，同時(shí)只通過(guò)增加板厚較難達(dá)到預(yù)期效果。此外，對(duì)比結(jié)構(gòu)更改方案，方案三中通過(guò)增加板厚，并翻邊提高剛度，但底盤整個(gè)結(jié)構(gòu)變化較大，重量也增加較多，不推薦采用。

方案一，通過(guò)增加板厚，并加深翻邊，拉長(zhǎng)筋條，法蘭面下沉來(lái)提高剛度，其效果與方案三接近，但結(jié)構(gòu)變化較小，重量增加不多，建議采用。

綜上所述，對(duì)比可優(yōu)化方案，最終采用了方案一，有效解決了底板變形問題。

5結(jié)語(yǔ)

提高零件結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，可以從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、增加材料厚度，替換材料等方面考慮，增加厚度，替換材料比較容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)可能會(huì)增加零件成本。而傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法不但需要工程師對(duì)零件結(jié)構(gòu)比較熟悉，而且要深入了解零件的負(fù)載工況，從而預(yù)估結(jié)構(gòu)更改的影響趨勢(shì)。整個(gè)具體的實(shí)施過(guò)程中可能需要較長(zhǎng)的設(shè)計(jì)和分析的循環(huán)周期，此外還可能會(huì)增加實(shí)驗(yàn)材料的消耗和成本。

CAE（Computer Aided Engineering）是用計(jì)算機(jī)輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計(jì)算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題的一種近似數(shù)值分析方法。倘若借助CAE分析軟件，可以更準(zhǔn)確地模擬各種實(shí)驗(yàn)負(fù)載工況，進(jìn)行機(jī)械事故原因分析及有效查找，并提供相關(guān)的分析結(jié)果來(lái)判斷產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案是否正向優(yōu)化。

具體的CAE分析應(yīng)用越來(lái)越廣泛，可以更好的分析解決問題，提高效率。在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用CAE分析，可以提高方案的準(zhǔn)確性，避免批量生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)問題。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信息傳遞，不僅對(duì)某些技術(shù)難題，甚至對(duì)于全面的CAE分析過(guò)程都有可能得到專家的技術(shù)支持，這必將在CAE技術(shù)的推廣應(yīng)用方面發(fā)揮極為重要的作用。然而，事實(shí)上CAE技術(shù)在我國(guó)的中小型企業(yè)發(fā)展滯后，相關(guān)專業(yè)人員缺乏。但是在當(dāng)今“互聯(lián)網(wǎng)+”的時(shí)代里，利用信息通信技術(shù)與各行業(yè)的跨界融合，推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，不斷創(chuàng)造出新產(chǎn)品、新業(yè)務(wù)及新模式，CAE技術(shù)的發(fā)展較好地契合了實(shí)現(xiàn)中國(guó)制造2025進(jìn)而逐漸成為制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)。