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（西南林業大學機械與交通學院，云南 昆明 650224）

1 概述

“綠色環保”，已成為當今時代的主題，研究輕量化成為汽車低碳發展的必然要求[1]。輕量化的研究對于汽車的節能減排具有重要的意義。輕量化的最終目標是減少物體的質量，使物品的性能等達到最優[2]。近年來，我國輕量化的技術設計方面取得了很大的進展，輕量化材料設計體系發展完善[3]。但對油門踏板尤其是針對BSC 賽車油門踏板，在效能的設計方面并沒有達到最佳，造成了生產材料并沒有得到最優的利用。通過本次研究，實現了油門踏板輕量化的目的，對輕量化的研究提供了一個有效的研究方案。通過結合3D 打印，3D 金屬打印作為目前應用最廣泛的領域[4]，是本研究的一大優勢。目前,輕量化在汽車以及本身質量相對較大的零部件上已有應用[5]。本研究其提高了生產效率和生產規模，為BSC 賽車的發展奠定了一定的基礎。

2 結構部件參數化建模

以BSC 賽車為研究對象，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體和部件主體組成，其中，樞軸凸臺體內孔的直徑大小為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計對有限元分析的影響，連接件根據真實的受力情況進行適當的簡化處理。該模型的分析材料為Aluminum（7075-T6），總質量為190.78g,材料參數如表1 所示。

表1 結構部件材料屬性

圖1 BSC 賽車油門踏板模型

3 油門踏板初始強度分析

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

3.1 油門踏板分析參數設置

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 結構部件初始強度檢驗

根據載荷條件，使用Solidthinking Inspire 對結構部件模型進行靜力學的分析，分析結果如圖2 所示。

圖2 油門踏板的初始強度分析結果

由圖表得知，該BSC 賽車油門踏板的最小安全系數為2.4，最大位移為5.711mm，最大米賽斯等效應力為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

運用Solidthinking Inspire 進行輕量化的設計，通過形狀控制找到最佳的質量分布位置，接著運用Fit PolyNURBS 幾何工具重構最優的三維模型，設計流程圖如圖3 所示，用Solidthinking Inspire 對其油門踏板進行拓撲優化的設計，指定主體部件為設計空間，采用雙向拔模和對稱的形狀控制，如圖3（a）所示，利用Fit PolyNURBS 對優化出的結果進行幾何重構。使用布爾運算和倒角工具對重構后的部件進行處理，使之成為單一的實體模型且與非設計空間銜接更加緊密。如圖3（b）所示，優化前后的數據分析如表2 所示。

圖3 輕量化設計流程

表2 油門踏板優化前后參數變化

由表2 可知，優化前后的質量、體積、最小厚度、最大厚度和最大間距都有所減少，實現了BSC 賽車油門踏板輕量化的目的。

5 結構部件的強度校核

優化后的油門踏板需要進行強度校核，以確保其滿足實際的使用要求。最大米塞斯等效應力小于材料的屈服應力，最大位移和最小安全系數均符合設計要求。油門踏板優化后的強度校核如圖4 所示。優化前后的數據對比如表3 所示。

表3 結構部件優化前后的數據分析

圖4 油門踏板優化后強度分析結果

結合圖5（a）（b）及表3 的分析數據可知，優化后的油門踏板的最大米塞斯等效應力以及位移都有所增加。其中，最大米塞斯等效應力增加了110.4Mpa，最大的米塞斯等效應力發生在油門踏板與結構部件的連接處，這是由于油門踏板的另一端通過拉線（傳統）或信號傳動的方式（現代)與節氣門相連，在全部的載荷工況下，在其邊緣產生了應力集中，使之受到的米塞斯等效應力最大。優化后油門踏板的米塞斯等效應力增加了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計輕量化的同時，其自身的強度和剛度也滿足要求。

6 結論

利用UG 對BSC 賽車油門踏板進行參數化建模，并對其進行初始強度分析，驗證Aluminum（7075-T6）的可實施性。利用有限元法和拓撲優化相結合的方式，通過多次幾何重構和強度校核來滿足設計要求，以達到輕量化設計的目的。研究表明，Aluminum（7075-T6）可滿足BSC 賽車油門踏板的使用性能要求。且在優化后，油門踏板的總質量減少了55.7%，體積、最大厚度和最大間距都有所減少，實現了BSC 賽車油門踏板輕量化的目的。優化后的油門踏板的米塞斯等效應力增加，最大位移由原來的5.711 變為5，072，滿足油門踏板的性能要求。安全系數由2.4 降低為1.4，但仍滿足設計要求，因此，BSC 賽車油門踏板輕量化設計后，既達到了基于Aluminum（7075-T6）輕量化設計的目的，又仍然具有可靠性。