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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100kgCO2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270～700MPa范围内的钢板称为高强度钢板；屈服强度大于700MPa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