汽车手刹及车身安装结构平台化设计研究

2020-09-27陈聪谢贵山马书坤吴文双

汽车零部件 2020年9期

陈聪，谢贵山，马书坤，吴文双

(1.湖南湖大艾盛汽车技术开发有限公司，湖南长沙 410205；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007)

0 引言

汽车主机厂通常会有多个车系，每个系列下又包括多个车型，随着车型的增多，零部件的种类越来越多，导致零部件技术研发与管理日益复杂，成本增加，甚至出现其他不可控问题，而平台化技术可以很好地解决这个问题。平台化开发可以实现零部件的共用，从而减少物料种类、缩短研发周期、共用制造系统与提升质量。平台化最近几年受到各主机厂推崇，大众的MQB、日产雷诺的CMF、丰田最新推出的TNGA架构、吉利与沃尔沃联合推出的CMA架构都是采用平台化的理念，实现比平台化的更大范围的概念延展。平台化对主机厂而言是一项关键而复杂的工程，涉及多个部门与众多零部件，文中所论述的手刹与地板安装结构的平台化设计是整车平台化中一项研究内容。

汽车驻车制动按照驱动方式分为有机械式驻车系统与电子式驻车系统(EPB)。机械式驻车系统，采用杠杆原理的机械手刹(或脚刹)实现驻车制动，主要由手刹操作机构、手刹拉索和后制动器构成[1]。机械式手刹与电子手刹，均是通过剁车盘与刹车片产生的摩擦力来达到控制停车制动[2]，电子手刹操作方式由机械操作机构变成了电子按钮。随着汽车行业的发展，近年来越来越多的汽车配备电子手刹，但是机械手刹由于其稳定可靠，成本低而在中低端车型上依然大量应用。

1 手刹平台化关键尺寸链的影响分析

如图1所示，手刹安装在焊接在中通道上的手刹安装板上，提取影响手刹与地板平台化的关键尺寸：

图1 手刹与地板关键尺寸链

(1)H30：人体点H到驾驶员脚部前地板的高度，轿车(Car)H30较小，SUV车型最高，MPV与Cross车型处于两者之间，部分车型MPV与SUV车型一致；

(2)H1：人体点H到手刹手柄中心的距离，平台内车型保持一致，不同平台车型可能存在差异；

(3)Ht：中通道Z方向高度，考虑兼容平台内甚至跨平台车型，实现地板平台化；

(4)Hr：中通道手刹安装板凸台上表面到中通道顶面的Z向高度；

(5)Hp1：手刹旋转中心到手柄中心的距离；

(6)Hp2：手刹旋转中心到手刹安装面的高度。

这些尺寸链等式为

H30+H1=Hp1+Hp2+Ht+Hr

项目开发前期规划平台内甚至跨平台车型H30与H1存在一系列值；平台化手刹Hp1为定值，平台化地板中通道高度Ht满足所有车型，即中通道高度也为定值；通过不同Hr与Hp2组合实现不同H30+H1高度的变化。

轿车(Car)由于车身较矮，通常坐姿较低(点H低)，手刹的位置也会相对较低，SUV车型则点H较高，手刹位置相对也较高，为了实现平台化，需要对手刹与地板进行系列化规划与开发，即分析企业内部现在与未来的车型，开发出一定数量的手刹与前地板，实现最大化零件共用，兼容所有的车型使用，零件的要求种类越少越好，通过以上分析，把手刹安装板与手刹支座作为可变部分要实现平台化与系列化是代价最小的可行方案。

2 平台化尺寸带宽分析与结构设计

陈东平、沈建东等[3]提出了基于平台带宽的车身效率评价概念，文中指出车身架构的尺寸带宽、动力总成的带宽、性能带宽与制造带宽4种类型。手刹与地板安装结构平台化要求能够兼容平台内规划的Car、MPV、SUV甚至Pickup，并为下一代车型预留良好的拓展性，所以手刹安装板与手刹支座尺寸带宽与性能带宽的设计是核心内容。

手刹支座越高，对手刹本身的强度与刚度来说越不利，经过计算分析在最低手刹支座基础上加高50 mm，在其余边界条件不更改的前提下，刚度与强度在可接受范围内，如图2所示。

图2 手刹支座加高

手刹安装板保证最小更改设计，如图3框示部分与手刹安装接口相关位置为可变部分，其余位置均保持不变，在保证零部件能成型前提下，图3(b)比图3(a)高30 mm。手刹安装板材料选择BLD，厚度1.0 mm，内部加强板材料BLD，厚度1.5 mm。

图3 手刹安装板最低与最高状态

通过以上分析，通过手刹安装板与手刹支座的可变部分，可以实现0～80 mm的H30+H1值调整带宽，实现4种组合如下：

(1)H30+H1最低，手刹安装板与手刹支座都处于最低状态，平台内轿车使用(Car)，图4(a)所示，此时Hr=0，Hp2=0；

(2)H30上移30 mm，手刹安装板最高，手刹支座最低，满足平台内其他坐姿稍高轿车或者旅行车，图4(b)所示，此时Hr=30 mm，Hp2=0；

(3)H30上移50 mm：手刹安装板最低，手刹支座最高，满足平台内MPV或者SUV高度，图4(c)所示，此时Hr=0，Hp2=50 mm；

(4)H30+H1最高，手刹安装板最高，手刹支座最高，从+50 mm至+80 mm高度为未来更高点H车型预留，图4(d)所示，Hr=30 mm，Hp2=50 mm。

图4 不同手刹与地板组合示意

如图5所示，以上4种组合都要保证手刹与手刹拉索运动包络在位置1距离不小于10 mm，地板下方固定拉索与地板在位置2距离不小于5 mm。

图5 手刹与地板距离要求

3 平台化性能带宽性能分析

每一种状态的尺寸组合对应一种性能，最差性能与最好性能之间则构成了性能带宽，性能带宽的确定可以避免设计风险，缩短设计周期，减少多轮反复结构优化与CAE分析环节。

3.1 分析方法与指标

国家标准GB 7258—2004：7.4.2规定手操纵时，乘用车不应大于400 N，其他机动车不应大于600 N，但一般操纵人员操纵力在200 N左右[4]。丁晓明等[5]通过利用Abaqus在不同工况下进行刚度分析来寻找影响手刹行程增加的关键项,并对影响行程增加的关键量进行分析，选择对手刹机构进行优化。文中论述分析工况见表1。

表1 刚度与强度分析工况与指标

3.2 分析结果

位移与强度计算结果如图6所示。

图6 位移与强度计算结果

从计算结果得出以下结论：

(1)当Hr=30 mm，Hp2=0时，中通道变形最小，手柄位移最小，加强板与安装板应力都是最小状态。对比Hr=0 mm，此时手刹安装板与加强板由于较为平，其刚度比“凸包”状态要低；

(2)Hr=0，Hp2=50 mm，中通道变形最大，手柄位置最大，加强板与安装板应力最大。此时由于Hr=0，手刹安装板与加强板的刚度处于下极限，而手刹本身刚度对比Hr=0，Hp2=0与Hr=0，Hp2=50 mm可以看出，Hp2越大，手刹本身刚度越差；

(3)中通道位置Hr=0，Hp2=0大于Hr=30 mm，Hp2=50 mm状态，而手柄的位移前者低于后者，说明此时手刹旋转点加高50 mm对刚度的影响大于地板凸包降低的影响。

从上述分析可以得知，当中通道与手刹刚度最好，手柄位移也最小，应力最小，反之则位移最大，应力最大，所以Hr=30 mm，Hp2=0为性能带宽的下极限，Hr=0，Hp2=50 mm为性能带宽的上极限，调整手刹安装板与手刹旋转点高度，刚度与强度变化都在此范围内。

4 验证与应用

某平台新车型开发过程中，第一代车型规划了CAR、MPV与SUV三款车型，后续拓展开发了包括旅行跨界车以及针对第一代车型进行换代，在开发过程中，对于采用H30+30 mm与H30+50 mm的点H变化，地板与手刹的选用完全通组合重用实现，避免了方案的反复调整与多轮CAE分析，并且保证了平台内最大的零件共用率与最少的总成零件种类。H30+H1在0～80 mm之间的尺寸带宽与性能带宽具有良好未来车型延展性。