BSC 賽車油門踏板的輕量化研究

李娟 高朋 李昊 陳文剛 陳可越 田紹兵 梁警文（西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224）

1 概述

“綠色環(huán)?！保殉蔀楫?dāng)今時(shí)代的主題，研究輕量化成為汽車低碳發(fā)展的必然要求[1]。輕量化的研究對(duì)于汽車的節(jié)能減排具有重要的意義。輕量化的最終目標(biāo)是減少物體的質(zhì)量，使物品的性能等達(dá)到最優(yōu)[2]。近年來，我國(guó)輕量化的技術(shù)設(shè)計(jì)方面取得了很大的進(jìn)展，輕量化材料設(shè)計(jì)體系發(fā)展完善[3]。但對(duì)油門踏板尤其是針對(duì)BSC 賽車油門踏板，在效能的設(shè)計(jì)方面并沒有達(dá)到最佳，造成了生產(chǎn)材料并沒有得到最優(yōu)的利用。通過本次研究，實(shí)現(xiàn)了油門踏板輕量化的目的，對(duì)輕量化的研究提供了一個(gè)有效的研究方案。通過結(jié)合3D 打印，3D 金屬打印作為目前應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域[4]，是本研究的一大優(yōu)勢(shì)。目前,輕量化在汽車以及本身質(zhì)量相對(duì)較大的零部件上已有應(yīng)用[5]。本研究其提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)規(guī)模，為BSC 賽車的發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。

2 結(jié)構(gòu)部件參數(shù)化建模

以BSC 賽車為研究對(duì)象，用UG 建立了其BSC 賽車油門踏板的CAD 模型，如圖1 所示。該部件是由一組樞軸凸臺(tái)體和部件主體組成，其中，樞軸凸臺(tái)體內(nèi)孔的直徑大小為8，外孔直徑大小為25。安裝孔的距離為42。將樞軸凸臺(tái)體約束和載荷來表征安裝孔的固定情況。為避免工藝圓孔和工藝設(shè)計(jì)對(duì)有限元分析的影響，連接件根據(jù)真實(shí)的受力情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理。該模型的分析材料為Aluminum（7075-T6），總質(zhì)量為190.78g,材料參數(shù)如表1 所示。

表1 結(jié)構(gòu)部件材料屬性

圖1 BSC 賽車油門踏板模型

3 油門踏板初始強(qiáng)度分析

通過分析油門踏板的初始強(qiáng)度，驗(yàn)證Aluminum（7075-T6）材料是否滿足油門踏板的使用性能要求，確保本研究的可實(shí)施性。

3.1 油門踏板分析參數(shù)設(shè)置

受力方向垂直于油門踏板板面，位置為（-0.965,0,0.262），且施力大小均為30N。

3.2 結(jié)構(gòu)部件初始強(qiáng)度檢驗(yàn)

根據(jù)載荷條件，使用Solidthinking Inspire 對(duì)結(jié)構(gòu)部件模型進(jìn)行靜力學(xué)的分析，分析結(jié)果如圖2 所示。

圖2 油門踏板的初始強(qiáng)度分析結(jié)果

由圖表得知，該BSC 賽車油門踏板的最小安全系數(shù)為2.4，最大位移為5.711mm，最大米賽斯等效應(yīng)力為175.1Mpa。由此看來，采用Aluminum（7075-T6）材料滿足性能要求。

4 油門踏板輕量化

運(yùn)用Solidthinking Inspire 進(jìn)行輕量化的設(shè)計(jì)，通過形狀控制找到最佳的質(zhì)量分布位置，接著運(yùn)用Fit PolyNURBS 幾何工具重構(gòu)最優(yōu)的三維模型，設(shè)計(jì)流程圖如圖3 所示，用Solidthinking Inspire 對(duì)其油門踏板進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)，指定主體部件為設(shè)計(jì)空間，采用雙向拔模和對(duì)稱的形狀控制，如圖3（a）所示，利用Fit PolyNURBS 對(duì)優(yōu)化出的結(jié)果進(jìn)行幾何重構(gòu)。使用布爾運(yùn)算和倒角工具對(duì)重構(gòu)后的部件進(jìn)行處理，使之成為單一的實(shí)體模型且與非設(shè)計(jì)空間銜接更加緊密。如圖3（b）所示，優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)分析如表2 所示。

圖3 輕量化設(shè)計(jì)流程

表2 油門踏板優(yōu)化前后參數(shù)變化

由表2 可知，優(yōu)化前后的質(zhì)量、體積、最小厚度、最大厚度和最大間距都有所減少，實(shí)現(xiàn)了BSC 賽車油門踏板輕量化的目的。

5 結(jié)構(gòu)部件的強(qiáng)度校核

優(yōu)化后的油門踏板需要進(jìn)行強(qiáng)度校核，以確保其滿足實(shí)際的使用要求。最大米塞斯等效應(yīng)力小于材料的屈服應(yīng)力，最大位移和最小安全系數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求。油門踏板優(yōu)化后的強(qiáng)度校核如圖4 所示。優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對(duì)比如表3 所示。

表3 結(jié)構(gòu)部件優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)分析

圖4 油門踏板優(yōu)化后強(qiáng)度分析結(jié)果

結(jié)合圖5（a）（b）及表3 的分析數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化后的油門踏板的最大米塞斯等效應(yīng)力以及位移都有所增加。其中，最大米塞斯等效應(yīng)力增加了110.4Mpa，最大的米塞斯等效應(yīng)力發(fā)生在油門踏板與結(jié)構(gòu)部件的連接處，這是由于油門踏板的另一端通過拉線（傳統(tǒng)）或信號(hào)傳動(dòng)的方式（現(xiàn)代)與節(jié)氣門相連，在全部的載荷工況下，在其邊緣產(chǎn)生了應(yīng)力集中，使之受到的米塞斯等效應(yīng)力最大。優(yōu)化后油門踏板的米塞斯等效應(yīng)力增加了63%。位移由5.711 減少到5.072，最大位移由2.4 減少為1.4，但仍滿足油門踏板的性能要求，因此該油門踏板在設(shè)計(jì)輕量化的同時(shí)，其自身的強(qiáng)度和剛度也滿足要求。

6 結(jié)論

利用UG 對(duì)BSC 賽車油門踏板進(jìn)行參數(shù)化建模，并對(duì)其進(jìn)行初始強(qiáng)度分析，驗(yàn)證Aluminum（7075-T6）的可實(shí)施性。利用有限元法和拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合的方式，通過多次幾何重構(gòu)和強(qiáng)度校核來滿足設(shè)計(jì)要求，以達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的。研究表明，Aluminum（7075-T6）可滿足BSC 賽車油門踏板的使用性能要求。且在優(yōu)化后，油門踏板的總質(zhì)量減少了55.7%，體積、最大厚度和最大間距都有所減少，實(shí)現(xiàn)了BSC 賽車油門踏板輕量化的目的。優(yōu)化后的油門踏板的米塞斯等效應(yīng)力增加，最大位移由原來的5.711 變?yōu)?，072，滿足油門踏板的性能要求。安全系數(shù)由2.4 降低為1.4，但仍滿足設(shè)計(jì)要求，因此，BSC 賽車油門踏板輕量化設(shè)計(jì)后，既達(dá)到了基于Aluminum（7075-T6）輕量化設(shè)計(jì)的目的，又仍然具有可靠性。