基于有限元驻车拉索支架刚度优化

冼剑

【摘 要】从汽车的安全性来说，驻车制动系统是非常重要的安全系统，它不仅影响汽车的行驶性能，还直接关系人的生命安全。文章对某车型驻车制动系统失效的案例进行解析，分析问题形成的原因，并通过有限元仿真提供了一种此类问题的优化方法，最终通过对驻车拉索支架刚度进行优化，成功地解决了问题。优化后，驻车拉索支架刚性位移降低了91.3%，零件应力降低了85.2%，性能得到了很大的提升，满足了汽车驻车制动的正常功能及符合国家相关法规标准。

【关键词】驻车制动；拉索支架；刚度；有限元

【中图分类号】U463.5 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）03-0072-03

0 引言

对于汽车的安全性，驻车制动系统是除了车辆行车过程中使用到的行车制动系统外的另一个重要的制动系统，其直接关系着驾驶员的生命安全。由驻车制动系统发生故障而引起的意外事故时有发生。

驻车制动系统不同于行车制动，驻车制动系统是一种辅助制动系统，主要由驻车制动杆、回位弹簧、驻车制动拉索及驻车制动机构组成。一般在车辆停止的时候使用，主要预防车辆非正常移动而溜车、坡道上停车而设计。

文章通过对某车型的驻车系统失效情况进行研究，根据该车型驻车制动系统的实际操作试验情况，经过HyperMesh有限元分析软件分析查找问题形成的原因，最终确认驻车制动系统失效原因为该车型的驻车拉索支架变形大而引起的，由于这种变形是不可恢复的，会降低驻车制动系统的实际效用，驻车制动拉索的行程也会增加。根据《机动车运行安全技术条件》（GB 7258—2017）第7.4.2条，驻车制动应能使机动车即使在没有驾驶人的情况下，也能停在上、下坡道上。驾驶人应在座位上就可以实现驻车制动[1]，同时根据第7.4.4条规定，驻车制动操纵装置的安装位置应适当，操纵装置应有足够的储备行程（开关类操作装置除外），一般应在操纵装置全行程的2/3以内产生规定的制动效能；驻车制动机构装有自动调节装置时允许在全行程的3/4以内达到规定的制动效能[1]。该车辆在驻车试验时，坡道上未能达到驻车要求而溜车，对车辆及驾驶员和乘客产生了极大的安全风险。本文针对该问题，从有限元仿真分析着手，查找问题原因并提出问题解决方案，最终成功解决了该车驻车制动失效的问题，提升了车辆的安全性。

1 模型分析

1.1 模型建立

本文利用有限元法，对该车驻车系统失效的问题进行分析验证。一般有限元模型分3种：？譹？訛中面模型（midplane），即提取零件中间曲面的方法，基于有限元控制体积，此方法适用于平板形状特征较为简单的模型上，如汽车钣金类零件；？譺？訛表面模型（fusion），此模型采用二维有限元（流动方向）与一维有限差分（厚度方向）的耦合算法，能极大地减少建模的工作量及对建模的技术要求；？譻？訛实体模型（3D），依据三维有限差分法或三维有限元法对熔体的充模流动进行数值分析，此模型计算量巨大，计算时间长，一般不建议采用[2]。因为汽车钣金件一般为简单的平板零件，所以为了快速得出模拟分析的结果，缩短产品改善周期，本文在进行CAE模型的构建过程中采用中面模型构建车身模型，即在hypermesh中采用midsurface抽取中面或者采用曲面偏移的方法生成中面，将驻车拉索支架及车身安装板、地板、横梁的边界零件的中心面作为模型，然后在中面上划分网格，将零件简化为由各个片体组建而成的实体，模型构建后再赋予每个零件对应的材料性能及厚度等特征参数。

在构建CAE模型时，关于CAD模型中一些微小的设计细节，如小圆孔、小圆角及零件中一些细小零碎的曲面等，此类特征会增加划分网格的难度，增加网格处理周期，甚至可能会对后续计算和分析结果造成一定的负面影响；同时，导入模型的过程中可能还会出现模型部分曲面丢失的现象。因此，本文在hypermesh中，需对零件提取的中面进行几何清理，将模型上以上描述的细小特征进行简化处理，为划分网格做好准备，避免划分网格过程中出现畸形单元。研究表明，利用以上方法可以缩短70%的模型准备时间和50%的计算时间[2]。

1.2 模型网格

1.2.1 网格划分

钣金件一般用四节点的线性壳单元（quad4）划分。为了防止几何变形太大，也可以在特征比较复杂的局部采用三节点的线性三角形单元（tria3）来划分。本文采用8 mm×8 mm的壳单元来模拟车身边界模型，针对驻车拉索支架局部特征比较复杂，则采用6 mm×6 mm的单元来模拟。根据模型的简化要求，模型的细小特征处理如下：？譹？訛对半径R小于4 mm的非安装孔则直接去掉，只在孔中心保留1个节点；？譺？訛半径小于5 mm的安装孔则用6个节点来模拟，同时避免奇数个节点的孔；？譻？訛半径R小于3 mm的倒角直接忽略，在切线方向拉伸面至相交，并建立倒角的起始点；？譼？訛半径R大于3 mm，弦长4～8 mm的倒角用一排单元来模拟，用一个单元来描述，单元边是圆角割线，弦长大于8 mm的则用2个以上的单元来模拟；？譽？訛忽略折弯和翻边的内边高度小于3 mm的结构特征。

1.2.2 网格检查

单元质量影响计算結果的准确性和分析的效率，良好的网格质量可以使计算过程迅速收敛，较差的网格质量会导致计算中断，也会导致计算结果失真。网格划分后，需对单元质量进行检查，各项指标检查见表1。

对网格的单一质量进行检查后，还需进行单元连接性检查，利用自由边检查，确保网格中不能含有自由边和自由面，同时调整单元法向一致，并删除重复单元及所有的临时节点。

1.2.3 单元属性设置

由于白车身零件多为钢材，在进行CAE分析计算前，要将各个零件所用材料参数设定为对应的材料选项，同时设定相应的材料参数，包含杨氏模量、泊松比、密度。

经过对计算模型进行几何清理、划分网格且赋予零部件相应的材料属性后，最终得到有限元分析模型，共计57 521个单元。

1.3 约束

由于车身局部的分析结果和整车整体结构的分析结果差异性较小，所以本文根据该车型问题实际情况，以地板与纵梁横梁焊接位置为边界，截取局部模型重新划分更精细的网格，这样可以节约大量的计算时间，同时又能保证分析模型计算的准确性[3]。

1.3.1 焊点约束

ACM类型单元是一种独特的焊接结构模拟方法，它由RBE3单元和六面体单元共同组成，在ACM单元建立时，它会自动建立2个连接点，包含一个已经赋予材料属性和单元属性的实物层和一个RBE3层，其中实物单元用来模拟焊点，RBE3则起到连接的作用。由于单元本身并不会增加结构的局部刚度，对零部件的刚度分析精度影响很小，分析结果精度较高，本文选用ACM类型作为焊点约束，将焊点的直径设为6 mm。

1.3.2 装配约束

该车型驻车拉索支架是通过螺栓与车身安装板来装配连接的，本文采用REB2单元作为装配的约束，将孔中心节点与对应孔的节点连接起来，然后用梁单元（CBEAM）连接上下层孔中心节点。

1.3.3 边界约束

本文因采用子模型[4]，需在主模型的基础上，将主模型在边界上的受力情况作为强制载荷施加到局部模型的边界上，此处本文根据实车试验情况将其边界视为绝对刚性，如图1所示断面，约束其边界1～6全部的自由度，即約束其X、Y、Z 3个方向的移动及旋转自由度。

1.4 载荷加载

驻车制动系统在使用时，驾驶员在车内拉起制动杆，制动杆则通过驻车制动拉索总成将拉力传到刹车系统内，刹车鼓内的蹄片和摩擦片因此而接合，从而产生制动力。

根据以上驻车制动的力传递路径，最终以驻车拉索支架上2个拉索之间的中心点为作用点，施加一个X负方向的操作力（如图1所示）。

1.5 模型求解

从计算结果来看（如图2所示），驻车拉索支架最大应力为1 321 MPa，而驻车拉索支架材料为Q235，本身材料的屈服强度只有235 MPa，其实际受力远超材料屈服。根据数据分析，驻车拉索距离车身地板高度差达101 mm，而驻车拉索作用力为X负方向，作用力与高度差形成了很大的作用力矩，同时由于驻车拉索支架本体使用2颗M6的安装螺栓固定，零件应力容易集中在2个安装点区域，经分析其最大位移为11.5 mm，变形量大，超出设计范围，严重影响了驻车拉索的有效行程及操作力，这是导致驻车制动系统失效的根本原因。

2 优化及验证

针对上述驻车制动系统失效的原因（该车型测试时已属于样车试制阶段，调整驻车拉索布置，改动量大，且涉及模具重制，改善周期很长，同时增加成本），本文从更改周期及成本方面考虑优化方案，最终确定通过调整驻车拉索支架安装面的安装倾角、增加驻车拉索支架材料厚度、增加安装点数量3个方案来同时优化，成功地解决了驻车制动系统失效问题，并满足国家相关法规要求。

2.1 输入条件优化

由力矩计算公式（M=F×L×cosθ，力矩为M，作用力为F，力臂为L×cosθ）可知：作用点到安装面的垂直距离与车身正Z向的夹角θ越大（如图3所示），则有效力臂越小，对与车身连接区域的作用力矩就越小。根据以上公式，本文把驻车拉索支架的安装面在模具更改的范围内倾斜一定角度，将驻车拉索在此处的作用力矩进行分解，同时车身安装面配合做相应的更改，最终根据模具变更的可行性及修模难度把角度定在15°，更改后作用点力臂L由101 mm减少到83 mm。经换算可知，驻车拉索对安装板的作用力矩减少了20%。

2.2 结构本身优化

一般零件支架的材料刚性不足，可通过2个方面进行加强：一是可增加板材厚度来提高支架刚性，二是通过增加零件的结构造型来提升刚度。因为零件本身已布置有筋条等型面结构来提升支架刚度，支架依然有较大变形，再进行筋条的优化，则作用不大，所以本文通过增加支架的厚度的方案来进行优化，将支架的材料厚度由1.5 mm改为2.0 mm。

2.3 连接工艺优化

驻车拉索支架与安装板之间通过2个安装点连接，应力容易集中，实际试验时安装点处驻车拉索支架有变形，可将2个安装点优化为4个（如图4所示），将应力分散。

3 方案论证

综合上述，本文对更改方案重新构建模型，划分网格，并采用同样条件的约束，通过求解器求解后，其分析计算结果如图4所示。优化后，驻车拉索支架最大应力由1 321 MPa下降至195 MPa，零件应力降低了85.2%，材料本身屈服235 MPa，安全系数达1.2，最大位移由11.5 mm下降至1.2 mm，变形量减少了91.3%。

经有限元分析，该优化方案可行，经实车按此优化方案重新试制并进行试验验证后，试验效果与有限元分析结果相符，驻车拉索支架刚度有很明显的改善，驻车系统测试使用效果良好，满足使用要求，问题得以解决。

4 结论

本文通过该车型驻车拉索支架的优化设计，总结如下。

（1）利用有限元分析的方法，可极大地缩短产品质量问题整改的周期。

（2）由驻车拉索支架与车身高度差大引起的支架变形，在不更改布置、无法缩小高度差的情况下，可通过增加支架安装面与水平面倾角、增加材料厚度、增加装配点数量3个方面提升驻车拉索支架的刚度，使其满足驻车制动的使用要求。

参 考 文 献

[1]机动车运行安全技术条件，GB 7258—2017[S].

[2]陆建军，袁国定.基于CAE分析的网格模型的优化研究[J].新技术新工艺，2011（2）：25-27.

[3]韩冬雪，曾蔚，丁晓明.某车型手刹拉索区域刚度分析及优化设计[J].企业科技与发展，2014（6）：36-38.

[4]李幸人，张江田，杨俊杰.子模型技术在机车车体强度计算中的应用[J].铁道机车车辆，2013，33（6）：39-41.

[责任编辑：钟声贤]