汽車手剎及車身安裝結(jié)構(gòu)平臺(tái)化設(shè)計(jì)研究

陳聰，謝貴山，馬書坤，吳文雙

(1.湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，湖南長沙 410205；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

汽車主機(jī)廠通常會(huì)有多個(gè)車系，每個(gè)系列下又包括多個(gè)車型，隨著車型的增多，零部件的種類越來越多，導(dǎo)致零部件技術(shù)研發(fā)與管理日益復(fù)雜，成本增加，甚至出現(xiàn)其他不可控問題，而平臺(tái)化技術(shù)可以很好地解決這個(gè)問題。平臺(tái)化開發(fā)可以實(shí)現(xiàn)零部件的共用，從而減少物料種類、縮短研發(fā)周期、共用制造系統(tǒng)與提升質(zhì)量。平臺(tái)化最近幾年受到各主機(jī)廠推崇，大眾的MQB、日產(chǎn)雷諾的CMF、豐田最新推出的TNGA架構(gòu)、吉利與沃爾沃聯(lián)合推出的CMA架構(gòu)都是采用平臺(tái)化的理念，實(shí)現(xiàn)比平臺(tái)化的更大范圍的概念延展。平臺(tái)化對(duì)主機(jī)廠而言是一項(xiàng)關(guān)鍵而復(fù)雜的工程，涉及多個(gè)部門與眾多零部件，文中所論述的手剎與地板安裝結(jié)構(gòu)的平臺(tái)化設(shè)計(jì)是整車平臺(tái)化中一項(xiàng)研究內(nèi)容。

汽車駐車制動(dòng)按照驅(qū)動(dòng)方式分為有機(jī)械式駐車系統(tǒng)與電子式駐車系統(tǒng)(EPB)。機(jī)械式駐車系統(tǒng)，采用杠桿原理的機(jī)械手剎(或腳剎)實(shí)現(xiàn)駐車制動(dòng)，主要由手剎操作機(jī)構(gòu)、手剎拉索和后制動(dòng)器構(gòu)成[1]。機(jī)械式手剎與電子手剎，均是通過剁車盤與剎車片產(chǎn)生的摩擦力來達(dá)到控制停車制動(dòng)[2]，電子手剎操作方式由機(jī)械操作機(jī)構(gòu)變成了電子按鈕。隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，近年來越來越多的汽車配備電子手剎，但是機(jī)械手剎由于其穩(wěn)定可靠，成本低而在中低端車型上依然大量應(yīng)用。

1 手剎平臺(tái)化關(guān)鍵尺寸鏈的影響分析

如圖1所示，手剎安裝在焊接在中通道上的手剎安裝板上，提取影響手剎與地板平臺(tái)化的關(guān)鍵尺寸：

圖1 手剎與地板關(guān)鍵尺寸鏈

(1)H30：人體點(diǎn)H到駕駛員腳部前地板的高度，轎車(Car)H30較小，SUV車型最高，MPV與Cross車型處于兩者之間，部分車型MPV與SUV車型一致；

(2)H1：人體點(diǎn)H到手剎手柄中心的距離，平臺(tái)內(nèi)車型保持一致，不同平臺(tái)車型可能存在差異；

(3)Ht：中通道Z方向高度，考慮兼容平臺(tái)內(nèi)甚至跨平臺(tái)車型，實(shí)現(xiàn)地板平臺(tái)化；

(4)Hr：中通道手剎安裝板凸臺(tái)上表面到中通道頂面的Z向高度；

(5)Hp1：手剎旋轉(zhuǎn)中心到手柄中心的距離；

(6)Hp2：手剎旋轉(zhuǎn)中心到手剎安裝面的高度。

這些尺寸鏈等式為

H30+H1=Hp1+Hp2+Ht+Hr

項(xiàng)目開發(fā)前期規(guī)劃平臺(tái)內(nèi)甚至跨平臺(tái)車型H30與H1存在一系列值；平臺(tái)化手剎Hp1為定值，平臺(tái)化地板中通道高度Ht滿足所有車型，即中通道高度也為定值；通過不同Hr與Hp2組合實(shí)現(xiàn)不同H30+H1高度的變化。

轎車(Car)由于車身較矮，通常坐姿較低(點(diǎn)H低)，手剎的位置也會(huì)相對(duì)較低，SUV車型則點(diǎn)H較高，手剎位置相對(duì)也較高，為了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化，需要對(duì)手剎與地板進(jìn)行系列化規(guī)劃與開發(fā)，即分析企業(yè)內(nèi)部現(xiàn)在與未來的車型，開發(fā)出一定數(shù)量的手剎與前地板，實(shí)現(xiàn)最大化零件共用，兼容所有的車型使用，零件的要求種類越少越好，通過以上分析，把手剎安裝板與手剎支座作為可變部分要實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化與系列化是代價(jià)最小的可行方案。

2 平臺(tái)化尺寸帶寬分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳東平、沈建東等[3]提出了基于平臺(tái)帶寬的車身效率評(píng)價(jià)概念，文中指出車身架構(gòu)的尺寸帶寬、動(dòng)力總成的帶寬、性能帶寬與制造帶寬4種類型。手剎與地板安裝結(jié)構(gòu)平臺(tái)化要求能夠兼容平臺(tái)內(nèi)規(guī)劃的Car、MPV、SUV甚至Pickup，并為下一代車型預(yù)留良好的拓展性，所以手剎安裝板與手剎支座尺寸帶寬與性能帶寬的設(shè)計(jì)是核心內(nèi)容。

手剎支座越高，對(duì)手剎本身的強(qiáng)度與剛度來說越不利，經(jīng)過計(jì)算分析在最低手剎支座基礎(chǔ)上加高50 mm，在其余邊界條件不更改的前提下，剛度與強(qiáng)度在可接受范圍內(nèi)，如圖2所示。

圖2 手剎支座加高

手剎安裝板保證最小更改設(shè)計(jì)，如圖3框示部分與手剎安裝接口相關(guān)位置為可變部分，其余位置均保持不變，在保證零部件能成型前提下，圖3(b)比圖3(a)高30 mm。手剎安裝板材料選擇BLD，厚度1.0 mm，內(nèi)部加強(qiáng)板材料BLD，厚度1.5 mm。

圖3 手剎安裝板最低與最高狀態(tài)

通過以上分析，通過手剎安裝板與手剎支座的可變部分，可以實(shí)現(xiàn)0～80 mm的H30+H1值調(diào)整帶寬，實(shí)現(xiàn)4種組合如下：

(1)H30+H1最低，手剎安裝板與手剎支座都處于最低狀態(tài)，平臺(tái)內(nèi)轎車使用(Car)，圖4(a)所示，此時(shí)Hr=0，Hp2=0；

(2)H30上移30 mm，手剎安裝板最高，手剎支座最低，滿足平臺(tái)內(nèi)其他坐姿稍高轎車或者旅行車，圖4(b)所示，此時(shí)Hr=30 mm，Hp2=0；

(3)H30上移50 mm：手剎安裝板最低，手剎支座最高，滿足平臺(tái)內(nèi)MPV或者SUV高度，圖4(c)所示，此時(shí)Hr=0，Hp2=50 mm；

(4)H30+H1最高，手剎安裝板最高，手剎支座最高，從+50 mm至+80 mm高度為未來更高點(diǎn)H車型預(yù)留，圖4(d)所示，Hr=30 mm，Hp2=50 mm。

圖4 不同手剎與地板組合示意

如圖5所示，以上4種組合都要保證手剎與手剎拉索運(yùn)動(dòng)包絡(luò)在位置1距離不小于10 mm，地板下方固定拉索與地板在位置2距離不小于5 mm。

圖5 手剎與地板距離要求

3 平臺(tái)化性能帶寬性能分析

每一種狀態(tài)的尺寸組合對(duì)應(yīng)一種性能，最差性能與最好性能之間則構(gòu)成了性能帶寬，性能帶寬的確定可以避免設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，縮短設(shè)計(jì)周期，減少多輪反復(fù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與CAE分析環(huán)節(jié)。

3.1 分析方法與指標(biāo)

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 7258—2004：7.4.2規(guī)定手操縱時(shí)，乘用車不應(yīng)大于400 N，其他機(jī)動(dòng)車不應(yīng)大于600 N，但一般操縱人員操縱力在200 N左右[4]。丁曉明等[5]通過利用Abaqus在不同工況下進(jìn)行剛度分析來尋找影響手剎行程增加的關(guān)鍵項(xiàng),并對(duì)影響行程增加的關(guān)鍵量進(jìn)行分析，選擇對(duì)手剎機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。文中論述分析工況見表1。

表1 剛度與強(qiáng)度分析工況與指標(biāo)

3.2 分析結(jié)果

位移與強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 位移與強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)Hr=30 mm，Hp2=0時(shí)，中通道變形最小，手柄位移最小，加強(qiáng)板與安裝板應(yīng)力都是最小狀態(tài)。對(duì)比Hr=0 mm，此時(shí)手剎安裝板與加強(qiáng)板由于較為平，其剛度比“凸包”狀態(tài)要低；

(2)Hr=0，Hp2=50 mm，中通道變形最大，手柄位置最大，加強(qiáng)板與安裝板應(yīng)力最大。此時(shí)由于Hr=0，手剎安裝板與加強(qiáng)板的剛度處于下極限，而手剎本身剛度對(duì)比Hr=0，Hp2=0與Hr=0，Hp2=50 mm可以看出，Hp2越大，手剎本身剛度越差；

(3)中通道位置Hr=0，Hp2=0大于Hr=30 mm，Hp2=50 mm狀態(tài)，而手柄的位移前者低于后者，說明此時(shí)手剎旋轉(zhuǎn)點(diǎn)加高50 mm對(duì)剛度的影響大于地板凸包降低的影響。

從上述分析可以得知，當(dāng)中通道與手剎剛度最好，手柄位移也最小，應(yīng)力最小，反之則位移最大，應(yīng)力最大，所以Hr=30 mm，Hp2=0為性能帶寬的下極限，Hr=0，Hp2=50 mm為性能帶寬的上極限，調(diào)整手剎安裝板與手剎旋轉(zhuǎn)點(diǎn)高度，剛度與強(qiáng)度變化都在此范圍內(nèi)。

4 驗(yàn)證與應(yīng)用

某平臺(tái)新車型開發(fā)過程中，第一代車型規(guī)劃了CAR、MPV與SUV三款車型，后續(xù)拓展開發(fā)了包括旅行跨界車以及針對(duì)第一代車型進(jìn)行換代，在開發(fā)過程中，對(duì)于采用H30+30 mm與H30+50 mm的點(diǎn)H變化，地板與手剎的選用完全通組合重用實(shí)現(xiàn)，避免了方案的反復(fù)調(diào)整與多輪CAE分析，并且保證了平臺(tái)內(nèi)最大的零件共用率與最少的總成零件種類。H30+H1在0～80 mm之間的尺寸帶寬與性能帶寬具有良好未來車型延展性。

5 結(jié)束語

汽車平臺(tái)化是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，文中所論述內(nèi)容為汽車平臺(tái)化設(shè)計(jì)的一項(xiàng)子課題，通過對(duì)多款車型進(jìn)行總結(jié)分析，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了手剎及車身安裝結(jié)構(gòu)的平臺(tái)化設(shè)計(jì)的方法，并在實(shí)際車型開發(fā)中展開應(yīng)用。