汽车制动真空助力器带制动主缸总成的轻量化设计
葛宏 马闯 卜凡彬
上海汽车制动系统有限公司
【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100kg，CO2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270～700 MPa范围内的钢板称为高强度钢板；屈服强度大于700 MPa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
目标是对助力器壳体进行轻量化设计，又不能影响整体变形。考虑到零件试验需要大量的模具投入，利用有限元分析（FEM）能力，进行了一系列模拟工作。
3.2.1 不同轮廓的对比
根据经验，设计了4种不同的壳体轮廓（如表2所示），通过FEM对应力以及弹性变形进行比较，最后锁定最优方案。
在FEM分析之后，为了确认设计方向，又对壳体进行拓扑优化，结果与以上分析吻合。
3.2.2 FEM模拟变形与实际变形对比
在这一阶段，首先对现有产品进行几组模拟分析和试验分析，从而找出了FEM分析结果与实际试验结果的关系。进而推断出，FEM弹性变形1.11mm的结果，能够对应于实际试验结果弹性变形1.8 mm。
3.3 优化设计主缸毛坯
主缸毛坯轻量化设计主要是基于现有主缸模型，通过拓扑优化，并结合现阶段国内毛坯铸造能力及机械加工经济精度的提高现状，立足轻量化设计目标，进行设计优化。根据FEM分析结果，一方面对整体材料减薄，另外，对相对薄弱点加固，如法兰进行加筋，主缸底部加厚，第一腔定位筋加宽，图3为示意主缸拓扑优化情况。优化设计后，主缸不但重量减轻了10%，且主缸爆破压力均超过500 MPa。
4 结语
“低碳”经济如今成为全球最热话题，采用纯电动、混合动力、燃料电池等新能源汽车是汽车行业发展方向，但现阶段仍存在一定的技术难题有待攻克。汽车轻量化，并非没有技术含量的简单降低汽车重量，而是利用现有的成熟技术，可实现量产的提升汽车操控性、可靠性、降低油耗、减少废气排放量、提升安全性的必要方式。
