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引言
轻卡承担极大部分的城乡运输工作，降低轻卡燃油消耗，是绿色发展的必然要求。轻卡轻量化，即减轻整备质量，可以很好地实现节能降耗。
制动器是制动系统中用以产生阻碍车辆运动或趋势的力的部件，一般制动器是通过其中的固定元件对旋转元件施加制动力矩，以使旋转元件的角速度减小，依靠车轮与路面的附着力，产生路面对车轮的制动力，以使轻卡减速。当前轻卡所使用的摩擦制动器主要包括鼓式和盘式两大类，由于鼓式制动器成本相对较低，其市场占有率稳步攀升。本文所研究的轻卡鼓式制动器，其制动鼓以内圆柱面为工作表面，其固定元件采用带摩擦片的制动蹄。制动器的性能对整车制动和安全性能有着非常关键的影响。轻量化，作为轻卡节能降耗的解决路径，本研究通过对气刹制动器进行结构优化，实现制动器的轻量化。
从制动器的力学结构特征对比、摩擦片材料性能试验、疲劳性能试验以及制动器总成制动试验等方面入手，优化了气刹制动器底板的结构，取消了传统轻卡制动器的开档结构，由蹄铁设计开档结构来代替底座功能，并进行了基础方案与轻量化方案的CAE结构强度对比分析，同时开展相关性能对比试验。试验结果表明，该轻量化气刹制动器结构紧凑，减重效果明显，满足性能目标要求。
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制动器轻量化结构设计
气压鼓式制动器结构是由制动气室提供动力，通过调整臂驱动S型凸轮轴，使凸轮轴旋转，凸轮轴的渐开线面推动滚轮与制动蹄带摩擦片总成一起绕蹄片轴旋转，摩擦片对制动鼓产生一个正向压力，从而产生摩擦力矩，阻止制动鼓旋转，达到制动的效果。气制动底板需固定，蹄铁采用开档结构并开蹄销孔，气制动底板置入蹄铁开档，通过蹄片轴将气制动底板与蹄铁连接，蹄片轴两端采用轴用挡圈进行轴向固定在蹄铁上。本研究轻量化方案优化了气制动底板的结构，取消了传统轻卡制动器的开档结构，由蹄铁设计开档结构代替底座功能，结构对比图如图1所示，该结构紧凑，单车可实现减重4.4kg，降本增效。
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轻量化制动器CAE分析
2.1 CAE建模及边界条件
CAE有限元分析是以数值分析理论为基础的计算机工程辅助设计，可快速有效进行结构强度及刚度疲劳等分析工作，节约大量的物理试验费用。本研究采用ABAQUS软件，分别对气刹制动器基础方案、轻量化方案的制动底板及制动蹄进行了有限元模型搭建，网格尺寸为3mm，单元类型为六面体及四面体Solid实体单元，模型节点数量为39000，网格单元数量为150000，网格模型建立后，进行了网格质量检查，确保仿真计算精度。其中，气刹制动器基础方案重量为7.7kg，制动材料牌号为QT550，其弹性模量E为172GPa，抗拉强度为550MPa，延伸率为5%。制动底板CAE分析边界条件：底板通过端面上的圆柱孔与车桥相连，固定其全部自由度，同时限制圆柱内孔X、Z的平动自由度以及X、Y、Z的转动自由度，在与底板相接触的面上约束Y轴平动自由度，如图2（a）所示；载荷则是通过制动气室反作用在气室支架上的作用力8000N，气室重量在加速度的作用下，对制动支架的冲击力为300N，CAE强度分析判断标准为结构的最大应力小于抗拉强度。制动蹄的CAE分析边界条件：制动蹄右端圆柱孔通过销子与制动底板连接，绕着销子旋转，故约束右端圆柱孔的自由度，即X、Y、Z的平动自由度和X、Y的转动自由度；制动蹄背面用于安装摩擦块，当制动结束时，摩擦块与制动鼓接触，故约束制动蹄背面的X、Y的平动自由度。按最大0.8MPa气压，根据蹄的受力情况，制动蹄外圆弧受到的最大压力F1=40304N，如图2（b）所示。
2.2 CAE强度对比分析
本研究按照上述工况，对气刹制动器基础方案和轻量化方案进行了CAE强度对比分析，得到如图3所示的制动蹄分析结果。分析结果显示，基础方案制动蹄应力最大值出现在制动蹄左端凸起处，应力最大值为180MPa，制动蹄所用材料为QT450-10，属于铸铁类，故选用第一强度理论校核，即最大拉应力理论，QT450-10的最大抗拉强度为450MPa，因此满足强度要求。而轻量化制动蹄应力最大值出现在制动蹄左端凸起处，应力最大值为76MPa，应力下降效果明显，结构既实现减重，又优化了强度，满足目标要求。
本研究对气刹制动器基础方案和轻量化方案底座进行了CAE强度对比分析，得到如图4的分析结果。基础方案底座应力最大值出现在气室支架的加强筋处，应力最大值为323MPa，制动蹄所用材料为QT450-10，属于铸铁类，故选用第一强度理论校核，即最大拉应力理论，QT450-10的最大抗拉强度为450MPa，因此满足强度要求。而轻量化制动器的底座的应力最大值为321MPa，较基础方案，应力下降了2MPa，优化结构满足强度要求，轻量化效果显著。
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轻量化制动器振动试验分析
完成上述制动器轻量化结构设计及CAE强度对比分析后，开展了轻量化制动器振动试验，以校核该轻量化制动器振动耐久疲劳强度性能。试验条件为在不同频率及不同加速度条件下，振动一定次数，检查轻量化制动器是否存在裂纹及螺栓松动等失效问题。试验条件：15Hz频率下，振动加速度为10g，振动次数为1125000次；22Hz频率下，振动加速度为15g，振动次数为120000次；25Hz频率下，振动加速度为20g，振动次数为195000次；35Hz频率下，振动加速度为25g，振动次数为57500次。本试验在室温环境下，利用电磁激振器及振动控制仪，采用单点控制进行试验控制，工装条件如图5所示。
按照上述试验工装条件，对轻量化制动器进行振动试验，得到如图6所示的测试结果，静置清理后，经详细检查，试样未出现裂纹及螺栓松动问题，满足设计目标。
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结语
综上所述，本研究基于有限元仿真理论，采用ABAQUS软件，优化了气制动底板结构，取消了传统轻卡制动器的开档结构，由蹄铁设计开档结构代替底座功能。基于轻卡制动器实际的安装固定条件，开展了制动器基础方案和轻量化方案的制动蹄及底座的CAE强度对比分析，分析结果显示，轻量化制动器系统中的制动蹄及底座的最大应力较基础方案都得到优化下降，满足设计强度目标要求。此外，还同步开展了轻量化制动器振动疲劳试验，在不同频率及不同加速度工况下，按照设计目标振动次数进行激励振动加载，试验后，详细检查，未发现裂纹及螺栓松动问题。因此，综合CAE分析及试验验证，轻量化制动器满足零部件设计目标要求，可实现减重4.4kg，效果显著。
