汽车真空助力器前壳体轻量化设计研究
马闯 葛宏
上海汽车制动系统有限公司
匡博 谭理刚
湖南大学机械与运载工程学院
【摘要】 基于工程经验设计了4种不同的助力器前壳体轮廓。通过FEA对4种不同前壳体的助力器总成的应力以及弹性变形进行比较，选择最优方案。针对最优方案进行优化效果试验验证。
关键词：前壳体轮廓 真空助力器 汽车
0 引言
制动系统是汽车最重要的主动安全系统，常见的有人力制动系统、动力制动系统和伺服制动系统。伺服制动已在很多汽车上应用，真空助力器是真空助力伺服制动系统中关键零部件，其性能好坏将影响制动性能，从而影响汽车制动安全。随着伺服制动更多的应用，开发更具可靠性，重量更轻和更具稳定性的助力器是制动发展的必然趋势。
油耗与汽车质量有着密切的关系，汽车质量每减轻1%，油耗可降低0.6%～1.0%。因此汽车轻量化对节能增效有着巨大意义，制造商都致力于减轻汽车质量的研究。真空助力器作为汽车的一个重要零部件，轻量化也是它未来发展的方向之一，减轻重量的同时还要满足强度以及性能。
目前，国内汽车零部件轻量化技术在不断发展，主要有以下两个方面：(1)越来越多地使用高强度轻质材料；(2)零部件结构优化和模块化设计水平不断提高，如采用计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）和结构分析等技术实现轻量化设计的目的。本文首先就工程经验提出几种方案，经过有限元分析，得到最优方案。随后进行了FEA与试验对比，验证了方案的可行性。
1 真空助力器
真空助力器固定在车身上，其输出端与液压制动主缸相连，控制端通过杠杆机构与制动踏板相连，低压腔通过软管与发动机相连。发动机工作时，加力气室左右两腔有一定的压强差值，使得驾驶员以较小的踏板力获得较大制动油压，使得制动更可靠。主要由伺服气室前壳体、后壳体、制动主缸推杆、控制阀推杆等20～30个不同零件组成，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%，本文对助力器的轻量化主要是针对助力器前壳体。图1所示为真空助力器结构图。
v0为在原有壳体基础上增加周向加强筋，目的是提高壳体刚度；v1为在壳体扇面上做折弯，也是为了提高壳体刚度；v2为保持扇面的整体连续性；v3是保持扇面整体连续性的基础上，为了减小外形包络，增加外圆弯角处的倒角。
针对4种方案先进行有限元分析（FEA），从理论上确定最优方案，然后对其进行试验验证，将FEA结果与试验结果对比，最后得出前壳体轻量化方案的可行性。
3 助力器有限元模型
前壳体通常与后壳体铆接。采用总成分析的方式能更好反映实际情况。助力器总成中主要包括前壳体、后壳体、法兰和加强板。因此建立这4个零件的助力器总成有限元模型。
分别将用CATIA软件建立的零件几何模型导入HYPERMESH中。由于前后壳体均属于薄壁零件，划分为壳单元最好。
（1）对前后壳体抽中面，然后对前后壳体中面划分二维四边形网格。
（2）划分时采用对称划分法，去掉几何建模生成的影响不大的轮廓线，先人工划分好弯曲部位单元，划分时根据需求调整好单元密度，保证弯曲部位单元较密集，然后划分好其余部分单元，并且三角形单元尽量少，这样能得到更好的结果。
（3）后壳体上要把添加边界条件的圆洞留出来，具体就是通过将后壳体导向螺栓末端面投影到后壳体获得。
（4）法兰先划分为一阶四面体单元，然后通过HYPERMESH工具栏order change命令，将一阶四面体切换成二阶四面体单元，以获得更精确的结果。
（5）加强板结构对称，划分六面体单元。
（6）前后壳体铆接，在两者之间的相邻单元上建立kincoup单元，建立刚性连接，保证连接的两节点之间有相同的变形。
助力器各零件单元类型、单元尺寸、单元节点数量如表1所示，助力器总成有限元模型如图3所示。
刚性连接模拟前后壳体铆接如图4所示。
6 结语
通过对方案v2的有限元分析以及试验验证，可知
（1）在10kN的载荷下，优化后前壳体弹性变形最大1.077mm，试验得出变形为1.31 mm，均远远小于预限值2.2 mm，满足实际需求。也验证了FEA的可行性。
（2）构改进前后壳体厚度由1.5 mm减少到1 mm；原设计重量991 g，优化后为680 g，减重311 g，减重比例达31.38%，实现了轻量化的目的。
