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1PE60卡钳优化设计1引言能源短缺及环境污染问题已成为制约我国汽车产业可持续发展的突出问题，无论是从社会效益还是经济效益来考虑，低油耗、低排放的节约型汽车是现代社会可持续发展的需要。汽车轻量化技术是汽车节油的重要手段，试验表明：汽车质量每下降10%，油耗约下降3%～5%。自上世纪70年代以来，随着材料技术和设计制造技术的进步，汽车自身质量逐年减少。以美国为例，上世纪80年代初，中型轿车的平均质量为1520kg；90年代初下降至1475kg；90年代末下降至1230kg；1985～1995年期间，轿车质量平均每年减少0.9%。20世纪末和本世纪初世界各国先后出现了百公里油耗3L的汽车，这类汽车的重量基本上处在750～850kg之间，比现今同类车轻50%。1998年德国大众推出的路波3LTDI，汽车自身质量只有800kg。奥迪公司最近开发的紧凑型AudiA2全铝轿车，汽车自身重量只有895～990kg。商用车的自身质量也在逐年减少，以意大利依维柯商用车为例，2004年其驾驶室的质量已降为960kg，减少了40%。1.1我国汽车轻量化技术发展现状与汽车自身质量下降相对应，汽车轻量化技术不断发展，主要表现在：①轻质材料使用比重不断攀升，铝合金、镁合金、钛合金、高强度钢、塑料、粉末冶金、生态复合材料及陶瓷等材料应用越来越多；②结构优化和零部件的模块化设计水平不断提高，如采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等，来达到轻量化的目的；③计算机辅助集成技术(CAX)(包括CAD/CAE/CAO……)和结构分析等技术发展为结构设计提供支撑。汽车轻量化促使汽车制造业在成形方法和联接技术上也不断创新。近年来，我国在汽车轻量化技术方面也取得了不少成果。“九五”和“十五”期间，一批汽车新材料项目被列为国家“863”、“973”高新技术项目和国家科技攻关重大项目，促进了汽车轻量化技术的进步。“九五”期间，我国进行了铝合金材料和铸件生产成套工艺技术的开发研究，开发出了多种铸造合金和高性能轴瓦材料；耐热铝合金、高强高韧铝合金、铝基2复合材料等新材料的研究取得了较大进展，半固态成型、快速凝固等先进成型技术研究与应用也取得了突破。一汽等几大汽车生产厂家都有自己的铝合金铸造生产线；湖南大学也正在进行汽车大型铝合金结构件整体铸造成形技术和关键设备的研究；重庆汽车研究所、西南铝、东北大学和一汽都进行了铝合金板材的成形性研究。“十五”期间，我国将镁合金应用与开发列为材料领域重点项目，一汽、东风、长安等汽车企业建立了压铸镁合金生产线；重庆汽车研究所在镁合金零件的性能测试、疲劳试验、计算机模拟等方面做了大量的工作；上海交大、湖南大学、重庆大学等高校就镁合金的强韧化、耐蚀性、阻燃性和抗高温蠕变性等开展了较深入的研究。目前，国内汽车轻量化材料正在加速发展，车用高性能钢板、镁合金已在汽车上有所应用。如上海大众桑塔纳轿车变速器壳体采用镁合金。上世纪80年代，重庆汽车研究所就开展了双相钢研究；一汽轿车、奇瑞汽车公司也在轿车车身上进行了高强度钢板的初步应用试验。在汽车结构优化设计方面，国内已从主要依靠经验设计逐渐发展到应用有限元等现代设计方法进行静强度计算和分析阶段。目前出现了一批拥有自主知识产权的汽车车身模具开发技术，如湖南大学与上汽通用五菱在薄板冲压工艺与模具设计理论方面开展了较深入的研究；北京航空航天大学开发了CAD系统CAXA，并已经开展了客车轻量化技术的研究，利用有限元法和优化设计方法进行结构分析和结构优化设计，以减少车身骨架、发动机和车身蒙皮的重量等。1.2我国汽车轻量化技术发展面临的主要问题目前，我国汽车轻量化技术无论在理论研究方面还是在实际应用方面与国外均有较大差距，轻量化技术的发展主要面临如下问题：(1)轻量化技术涉及众多学科的研究领域，需要运用多学科交叉融合所形成的综合性、系统性知识体系，而在目前的研发体系下，各研发机构往往只注重单个技术的研发，很少开展各技术间的交叉与融合；（2)汽车轻量化技术涉及众多的共性技术和前沿技术，其关键、核心技术的突破不可能由单个企业或科研机构独立完成，必须要由国家级的研究机构对其关键、重大问题进行战略性和前瞻性的超前部署，而目前此类机构尚未建立；（3)产、学、研结合不够紧密，没有明确定位、合理分工，基础研究和技术3开发研究的有机衔接不够，企业规模小而分散，轻量化技术开发能力薄弱，研发人才短缺，工艺水平落后。1.3我国汽车轻量化技术研发重点要提高我国汽车轻量化技术水平，当务之急是集成全国轻量化技术优势，开展产、学、研大联合，建立资源共享的汽车轻量化技术科技创新平台。该平台应积极推进产、学、研的合作与交流；促进汽车轻量化技术研究成果向产业化方向转化；制定汽车轻量化技术重要产品和检测方法等规范及标准；建立高水平的相关产业技术人才培养基地和提供技术咨询的服务机构。汽车轻量化技术科技创新平台，应重点开展以下五个方面的研发工作。1.汽车轻量化技术发展战略研究研究国内外汽车轻量化技术的现状、发展趋势及发展环境，随时掌握国内外汽车轻量化技术发展动态，探求突破前瞻性技术瓶颈问题的方法与措施。采用定性与定量相结合的方法，分析不同汽车轻量化材料的不同设计理念和不同制造工艺对汽车节能、环保、安全和可靠性的影响。并在此研究基础上，探索适合我国国情的全新的轻量化节能型汽车的设计制造发展方向，包括材料设计理念、制造工艺和制造装备研制的发展方向等，在汽车轻量化节能方面为汽车行业、汽车企业和相关研究机构提供有价值的咨询服务和决策参考。2.汽车轻量化先进材料开发研究针对汽车关键零部件对材料的使用要求，开发研究轻质、高性能、易成形、可回收的新型先进轻量化材料，为节能型汽车的设计制造提供材料基础和技术支撑；对汽车轻量化技术及新型材料的应用技术进行深入研究，以充分发挥各种轻量化材料的优势，并进行各种材料优势的集成，突破有关汽车轻量化材料开发与制造方面的难点和关键瓶颈技术。3.汽车轻量化结构优化设计研究开发汽车车身、底盘、动力传动系统等大型零部件整体加工技术和相关的模块化设计和制造技术，使节能型汽车从制造到使用的各个环节都真正实现节能、环保。研究常用汽车零部件模块化设计数据库及模块化方案，常用和典型模块的参数化设计等，建立模块化设计知识库和专家系统。以计算机辅助工程(CAE)方法作为获取知识的手段，建立轻量化汽车零部件性能数据库及成型工艺咨询4库；建立常用车型材料在成型前、后以及不同使用时间的参数库；建立吸能部件优化设计专家系统，开发新一代汽车CAE软件系统。通过这些数据库和专家库的建立，大幅度提高我国汽车结构设计水平，为快速进行汽车结构轻量化设计提供有力的手段和有效的工具。结合参数反演技术，多目标全局优化等现代车身设计方法，研究汽车轻量化结构优化设计技术，包括多种轻量化材料的匹配、零部件的优化分块等。从结构上减少零部件数量，确保在汽车整车性能不变的前提下达到减轻自重的目的。4.汽车轻量化材料冲压理论与工艺技术研究加强高强度、轻量化先进材料在汽车制造领域的应用基础研究。通过开展基于CAE的冲压工艺设计和优化方法研究，提出轻量化材料冲压回弹预测与补偿、起皱和拉裂预测与消除、毛坯反求与优化的新工艺、新理论与方法。从机理上研究复杂零件冲压中不同材料流动不均匀的产生原因和影响因素，开展多种形式的材料流动阻力控制方法及相应工艺理论和设计技术的研究。研发具有原创性和实用性的高强度钢冲压技术、汽车结构件的超高强度钢成型技术、应用于复杂汽车零件的液压成型技术和激光拼焊技术等。以CAE技术作为获取知识的手段，建立先进材料成型工艺专家库和零件性能数据库，为新材料的推广应用打下坚实的基础，缩短我国与发达国家在基础数据方面的差距。5.汽车轻量化激光加工技术与装备研究激光加工技术是实现汽车轻量化的重要途径之一。系统进行激光与材料相互作用机理、激光加工过程无损检测和控制等基础理论研究，建立激光加工工艺方法和工艺参数的优化数据库；研究不同材料的激光切割方式，开展激光切割、焊接、精细烧蚀、直接快速成型、激光涂敷、激光辅助切削加工等理论的研究，开发激光三维切割工艺技术，建立工艺参数数据库及专家系统；研究激光深熔焊接理论，开发激光三维焊接技术与装备；研究不同板厚、不同汽车材料，尤其是轻量化材料的激光加工拼焊技术与装备。1.4汽车轻量化的课题应用价值本人在2013年7月份进入爱德克斯有限公司研发部参与PE60卡钳的研发，我们公司主要以研发出符合汽车主机厂要求的制动系统，爱德克斯公司是世界唯一供应从加压系统的制动助力器、主缸，到行走系统的刹车片、制动盘产品，以5及供应面向摩托车、卡车制动器的企业。我主要从事制动系统的卡钳部分，根据客户的要求，我们公司需要对卡钳结构进行优化设计，主要设计要求有：1.在卡钳结构满足受力强度的情况下，对结构进行改型设计，对于生产工艺和模具加工可以大大降低难度和费用；2．卡钳的发展趋向于轻量化和简易化，可以节约成本，环保低碳，可增加产量和收益。1-4-1制动系统各部分组件1-4-2目前市场客户的需求6目前国内外汽车轻量化技术发展迅速，主要的轻量化措施是轻量化的结构设计和分析，以及轻质材料在汽车上的应用，包括铝、镁、高强度钢、复合材料、塑料等。其中结构设计方面，一般是通过更优化的设计，来减小车身骨架及车身钢板的质量，同时对车身强度和刚度进行校核，以确保汽车在满足性能的前提下减重。此外，运动化的结构也是减重的重要手段。比如采用轻量化的悬架，可以使结构更紧凑并且提升了操控性能。或采取发动机后置后驱的方式，达到使整车局部变小，从而实现轻量化的目标。2009年5月，美国总统奥巴马公布了一项汽车节能减排最新计划，目标是到2016年，美国国内生产的客车和轻型卡车百公里油耗不超过6.62升，二氧化碳排放比现在减少1/3。这项计划2012年开始实施，将使美国在2012年到2016年减少使用原油18亿桶，温室气体排放量将减少9亿立方。和美国类似的是，欧洲和日本不仅在减耗排放方面推行了相关政策，而且对废旧车辆回收也作出了严格规定。如日本2001年规划由抛弃型进入循环型的社会发展模式，推行全回收或零废弃的观念。其实2001年以前，日本已有相关法令推行绿色设计及绿色采购。事实上，在节能减排上，留给中国汽车企业的时间已经不多。来自中汽协的调查显示，我国国产轿车品牌与国外同类车在高强度钢比例和碰撞安全性方面存在较大差距，我国的自主品牌轿车较国外同类车重8%-10%，碰撞安全性差好几个星级。中汽协发布的关于《汽车轻量化意义》的报告中指出：对汽车总体结构进行分析和优化，实现对汽车零部件的精简、整体化和轻质化；发动机轻量化；变速器轻量化；悬架轻量化；车身轻量化和附件轻量化是当前实现整车轻量化的六个方面。国内外许多企业，对于汽车轻量化的设计，已经融合到了汽车设计的前期。包括铝、镁、高强度钢、复合材料、塑料等轻质材料在汽车上的应用，与结构设计以及相应的装配、制造、防腐、连接等工艺的研究应用融为一体，能直接使汽车轻量化并降低油耗。专家指出，事实上汽车轻量化后，加速性提高，车辆控制稳定性、噪音、振动方面的改善；从碰撞安全性考虑，碰撞时惯性小，制动距离减小等，都是厂家在追求的目标。不仅如此，汽车轻量化还可以起到省油，生料，省工艺，为了节能减排做铺垫。72浮动式PE60卡钳优化设计目标浮动式PE60卡钳是由PR60卡钳优化改型而来的。介于PR60卡钳内部结构的应力和固有频率等因素在实际生产和应用中表现不佳，加上迎合汽车轻量化发展的方向，为此我们对PR60卡钳结构进行优化设计，改良PR60卡钳的重量、应力和固有频率等因数，这种优化设计出的卡钳我们称它为PE60卡钳。2.1PE60卡钳的设计目的经过我们公司的综合调查，现代的大部分中档和低档汽车都使用浮动式卡钳来制动，由于对置型卡钳造价颇高，制动力也和浮动式卡钳相差不大，仅高档车使用对置型卡钳，浮动式卡钳性能逐步提高，对置型卡钳优越性在逐渐下降，目前我国汽车市场比例中百分之八十的汽车都使用浮动式卡钳。同时，汽车制造商希望制动系统：1.造价低的同时性能优越；2.满足轻量化的设计