基于CAE技術(shù)的腳蹬產(chǎn)品力學(xué)性能優(yōu)化及輕量化的研究

徐利勇 黃海波 李超 裴家慶

摘要： 鑒于CAE技術(shù)能夠在產(chǎn)品研發(fā)過程中進(jìn)一步提升企業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計水平和研發(fā)質(zhì)量，確保產(chǎn)品設(shè)計的合理性并減少設(shè)計的盲目性，從而大大提高產(chǎn)品的可靠性和質(zhì)量，此文介紹了CAE技術(shù)在腳蹬產(chǎn)品研發(fā)過程中發(fā)揮的重要作用。此文首先對某款腳蹬產(chǎn)品芯軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)腳蹬芯軸和定位環(huán)過盈配合非承載應(yīng)力過大的問題，提出了異形結(jié)構(gòu)配合的改進(jìn)方案。同時在滿足原有力學(xué)性能的前提下，進(jìn)行了輕量化設(shè)計，并模擬了加工工藝的可行性。巨隆研發(fā)部門使用CAE技術(shù)完成了從發(fā)現(xiàn)問題—解決方案—制造工藝的一體化產(chǎn)品設(shè)計和制造流程，展示出了CAE技術(shù)在巨隆自行車腳蹬研發(fā)中所扮演的重要角色。其效果是芯軸設(shè)計時間縮短20.3%、研發(fā)成本降低32.1%，在滿足工作要求的前提下，芯軸實現(xiàn)輕量化減重14.1 %。

關(guān)鍵詞：腳蹬;CAE技術(shù);非承載應(yīng)力;輕量化

1 ? ?引言

輕量化可以節(jié)省材料、減少運動員克服重力慣性所做的無用功，在競技自行車領(lǐng)域，輕量化并獲得更優(yōu)的力學(xué)性能已經(jīng)成為衡量產(chǎn)品設(shè)計水平和產(chǎn)品質(zhì)量的重要內(nèi)容。腳蹬是自行車驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，通過腳蹬運動員將其自身的生物能轉(zhuǎn)化為自行車的動能并驅(qū)動自行車前進(jìn)，因此其力學(xué)性能就會顯得尤為重要。芯軸是腳蹬的核心部件，其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能會直接影響自行車的安全性和實用性。

目前，將CAE技術(shù)引入產(chǎn)品研發(fā)過程中能夠進(jìn)一步提升企業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計水平和研發(fā)質(zhì)量，確保產(chǎn)品設(shè)計的合理性并減少設(shè)計的盲目性，從而大大提高產(chǎn)品的可靠性和質(zhì)量。同時，這項技術(shù)還可以大大降低產(chǎn)品設(shè)計過程中的試驗成本，縮短設(shè)計和分析的循環(huán)周期，減少研發(fā)時間和降低人力成本?；谶@些優(yōu)勢，CAE技術(shù)已經(jīng)越來越多引起企業(yè)研發(fā)部門的重視。

本文以某款競技型腳蹬的改進(jìn)設(shè)計為例，介紹CAE在其產(chǎn)品研發(fā)中所起到的重要作用。使用CAE技術(shù)針對現(xiàn)有某款競技型腳蹬產(chǎn)品進(jìn)行了力學(xué)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，旨在能夠提高現(xiàn)有腳蹬芯軸的承載能力并進(jìn)行輕量化設(shè)計。首先，通過使用CAE技術(shù)對原有芯軸的結(jié)構(gòu)和受力進(jìn)行分析，得到結(jié)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)和導(dǎo)致產(chǎn)品失效的根本原因。然后，提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案并對新方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度驗證。最后，對芯軸模具進(jìn)行了重新設(shè)計并驗證了加工工藝的可行性。作者使用CAE技術(shù)完成了從發(fā)現(xiàn)問題—解決方案—制造工藝的一體化產(chǎn)品開發(fā)流程，其效果是芯軸設(shè)計時間縮短20.3%，研發(fā)成本降低32.1%，在滿足工作要求的前提下，芯軸實現(xiàn)輕量化減重14.1 %。

2 ? ?問題分析

某競技型腳蹬在研發(fā)過程的物理實驗測試[1]中發(fā)現(xiàn)，腳蹬芯軸的螺紋安裝根部和芯軸中段擋肩處發(fā)生早期斷裂的機率非常高，特別是芯軸中段的擋肩圓環(huán)處，這與常規(guī)的懸臂梁受力分析和推斷是不一致的。因此，使用CAE技術(shù)對其結(jié)構(gòu)和受力進(jìn)行了分析。模型裝配及受力分析如圖1所示，芯軸通過螺紋安裝在曲柄上;擋肩圓環(huán)與芯軸過盈配合，過盈量為0.015 mm，用于防止腳蹬的軸向竄動。

利用三維建模軟件建立適當(dāng)簡化的腳蹬三維裝配體模型并導(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)行模擬分析[2]，根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)指南中腳蹬靜態(tài)強度測試（Pedal-Static strength test）中的要求設(shè)置邊界和受力條件。標(biāo)準(zhǔn)中主要檢測兩個指標(biāo)，分別是：靜態(tài)強度測試[圖2（a）]為將腳蹬左端固定，用一個框架壓在腳蹬上表面，對框架施加豎直向下的大小為1 500 N的力并持續(xù)1 min，計算轉(zhuǎn)軸的芯軸力學(xué)性能指標(biāo);動態(tài)疲勞強度測試[圖2（b）]為腳蹬安裝在旋轉(zhuǎn)測試軸上，懸掛重物90 kg施加向下的載荷，旋轉(zhuǎn)軸以100 r/min的速度旋轉(zhuǎn)10萬轉(zhuǎn)，測試芯軸在持續(xù)工作狀況下的疲勞性能。在動態(tài)疲勞強度測試中，使用正弦曲線來模擬重物的加載工況[3]。

如圖3（a）所示，芯軸最大應(yīng)力發(fā)生在芯軸左端根部附近，約為542 Mpa。由于存在過盈配合，芯軸中段軸肩的圓形凸臺處也出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為531 Mpa。但是由于此應(yīng)力與芯軸根部的應(yīng)力接近且軸徑更小，因此推測軸肩擋環(huán)凸臺處也更容易發(fā)生失效，這與物理實驗得出的芯軸中段也易發(fā)生斷裂失效相吻合。由圖3（b）所示的壽命云圖中可以看出，在芯軸根部和定位環(huán)配合處的局部區(qū)域最早出現(xiàn)疲勞損傷，其原因也是由于芯軸在這個位置存在過盈配合產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力，所以會最早出現(xiàn)疲勞斷裂。因此，由于軸和擋肩圓環(huán)的過盈配合而產(chǎn)生的非承載應(yīng)力集中是芯軸早期失效的重要原因。

芯軸和擋肩圓環(huán)的過盈配合可以使圓環(huán)的周向和軸向起到固定作用，但是也提高了芯軸中段的預(yù)應(yīng)力，因此需要對這個結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)以減少非承載應(yīng)力，提高芯軸的力學(xué)特性。

3 ? ?解決方案

3.1 ? ?新構(gòu)型設(shè)計

首先，從過盈量角度考慮改進(jìn)擋肩圓環(huán)與芯軸的連接方式。圖4分別為結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的擋肩圓環(huán)和芯軸連接方式，原設(shè)計中由于擋肩圓環(huán)與轉(zhuǎn)軸之間需要保持周向和軸向的相對靜止，因此擋肩圓環(huán)與芯軸為過盈配合。其過盈量為0. 015 mm，但正由于該過盈量使芯軸的非承載應(yīng)力過大，因此重新設(shè)計芯軸擋肩圓環(huán)的配合方式減少芯軸的非承載應(yīng)力，是優(yōu)化芯軸力學(xué)特性的關(guān)鍵。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的芯軸如圖4（b）所示，與芯軸原有設(shè)計相比[圖4（a）]，將芯軸軸向擋肩位置修改為非圓形凹臺設(shè)計，將擋環(huán)與芯軸調(diào)整為過渡配合，通過擋肩圓環(huán)和芯軸的凹臺配合來保證軸肩擋環(huán)的周向固定。該方法避開了由于過盈配合導(dǎo)致的芯軸非承載應(yīng)力過大的問題，同時仍然滿足軸肩擋環(huán)周向和軸向的相對固定。引入CAE方式進(jìn)行驗證，如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在靜態(tài)強度測試[2]中[圖5（a）]，芯軸與定位環(huán)新構(gòu)型配合處最大應(yīng)力值為441 Mpa，較過盈配合的應(yīng)力值減小90 Mpa，應(yīng)力集中有了明顯改善。動態(tài)疲勞強度測試中[圖5（b）]，芯軸最早出現(xiàn)疲勞破壞的位置由芯軸中段配合處轉(zhuǎn)移到螺紋根部附近，動態(tài)疲勞壽命由7.70e9次提高到6.84e10次，疲勞壽命有了顯著提高。

3.2 ? ?輕量化設(shè)計

輕量化的目標(biāo)是在給定的邊界條件下，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)自重的最小化，同時滿足一定的壽命和可靠性要求。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，需要選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)、材料、連接技術(shù)、盡可能準(zhǔn)確的設(shè)計以及可實現(xiàn)的制造工藝。在原有構(gòu)型基礎(chǔ)上，從不同結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，并借助CAE技術(shù)保證改進(jìn)設(shè)計的可靠性。首先根據(jù)懸臂梁的特點將原芯軸構(gòu)型中間挖空，在保證力學(xué)性能的前提下使用CAE技術(shù)確認(rèn)內(nèi)孔直徑和長度。其次縮小連接螺紋的擋肩直徑，減少附加結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。再次優(yōu)化芯軸縮頸連接處曲線，進(jìn)一步減少附加結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。最終芯軸新構(gòu)型的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

新構(gòu)型力學(xué)參數(shù)與原始力學(xué)參數(shù)對比如表1所示。

3.3 ? ?仿真工藝模擬

基于芯軸原有的加工工藝，針對新構(gòu)型設(shè)計改進(jìn)模具并進(jìn)行冷鐓加工工藝過程的模擬[2]以確保模具設(shè)計的正確性。如圖7所示，設(shè)計芯軸平臺階梯冷鐓模具，為能夠使成型質(zhì)量較高同時減少成型力，擠壓過程分為兩個工位完成。考慮到計算機的性能和模擬時間，這里只取模具局部進(jìn)行模擬。

從圖7中可以看出，芯軸平臺階梯的成型質(zhì)量較高，因此可以證明冷鐓模具設(shè)計準(zhǔn)確，使用冷鐓工藝可以完成芯軸平臺階梯的加工成型。這說明在不改變冷鐓道次的前提下，只需對模具進(jìn)行一定程度的改進(jìn)就可以實現(xiàn)芯軸新構(gòu)型的制造。

4 ? ?結(jié) 語

巨隆研發(fā)在借助CAE技術(shù)對腳蹬產(chǎn)品的安全和可靠性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計和性能缺陷并改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計方案，大大提高了企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，有效降低了企業(yè)的研發(fā)成本、縮短開發(fā)周期，取得了很好的效果。以上例所示，芯軸設(shè)計時間縮短20.3%，研發(fā)成本降低32.1%，在滿足工作要求的前提下芯軸實現(xiàn)輕量化減重8.2 g，減重14.1 %。在未來，把CAE技術(shù)應(yīng)用到未來產(chǎn)品概念設(shè)計和驗證、拓?fù)鋬?yōu)化以及生產(chǎn)工藝優(yōu)化等環(huán)節(jié)中，進(jìn)一步提升企業(yè)研發(fā)能力將是重要的研究內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

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[2] 張應(yīng)遷，張洪才. ANSYS有限元分析從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2010：7.

[3] Cycle–Safety requirements for bicycles – Part 8： Pedal and drive system test methods：ISO 4210—2：? ? ? 2014[S/OL].[2020-8-4].https：//www.iso.org/standard/59915.html