基于技术的脚蹬产品力学性能优化及轻量化的研究

许黄海波裴嘉庆

CAE技术可以进一步提高企业产品的设计水平和质量，保证产品设计的合理性，减少设计的盲目性，从而大大提高产品的可靠性和质量。介绍了CAE技术在踏板产品研发中的重要作用。本文首先对某踏板产品的芯轴进行了结构力学分析，发现芯轴与定位环过盈配合存在非承载应力过大的问题，并提出了异形结构配合的改进方案。同时，在满足原有力学性能的前提下，进行轻量化设计，模拟加工工艺的可行性。聚龙RD部门利用CAE技术完成了从问题发现、解决方案到制造过程的一体化产品设计和制造过程，展示了CAE技术在聚龙自行车脚蹬研发中的重要作用。效果是在满足工作要求的前提下，芯棒设计时间缩短20.3%，研发成本降低32.1%，芯棒轻量化14.1%。

关键词:踏板；CAE技术；非承重应力；轻量

1导言

轻量化可以节省材料，减少运动员克服重力惯性所做的无用功。在竞技自行车领域，轻量化和更好的机械性能已经成为衡量产品设计水平和产品质量的重要内容。踏板是自行车驱动系统的关键部件。踏板运动员将自身的生物能转化为自行车的动能，驱动自行车前进，因此它的力学性能会显得尤为重要。作为主轴踏板的核心部件，其结构和力学性能将直接影响自行车的安全性和实用性。

目前，在产品RD中引入CAE技术，可以进一步提高企业产品的设计水平和RD质量，保证产品设计的合理性，减少设计的盲目性，从而大大提高产品的可靠性和质量。同时，该技术还可以大大降低产品设计过程中的测试成本，缩短设计和分析的周期，减少研发时间，降低人力成本。基于这些优势，CAE技术越来越受到企业RD部门的重视。

以一款竞技踏板的改进设计为例，介绍了CAE在产品研发中的重要作用。利用CAE技术对某现有竞技踏板产品进行机械和结构设计优化，旨在提高现有踏板芯轴的承载能力，进行轻量化设计。首先，利用CAE技术对原芯轴的结构和应力进行分析，得出结构的最薄弱环节和产品失效的根本原因。然后，提出了结构改进方案，并对新方案的结构强度进行了验证。最后，重新设计了芯模，验证了加工工艺的可行性。利用CAE技术，作者完成了从问题发现、解决方案到制造过程的一体化产品开发过程。效果是在满足工作要求的前提下，芯棒设计时间缩短20.3%，研发成本降低32.1%，芯棒轻量化14.1%。

2问题分析

在某竞技踏板研发过程中的物理实验测试[1]中，发现踏板主轴的螺钉安装根部和主轴中部的肩部早期断裂概率很高，尤其是在主轴中部的肩部环处，这与常规悬臂梁受力分析推断不符。因此，采用CAE技术对其结构和应力进行分析。模型装配及受力分析如图1所示，芯轴通过螺纹安装在曲柄上；肩环与心轴过盈配合，过盈量为0.015 mm，用于防止踏板轴向移动。

利用三维建模软件建立适当简化的踏板三维装配模型，导入有限元软件进行仿真分析[2]。根据ISO标准指南中踏板静强度试验的要求设置边界和应力条件。标准主要测试两项指标，分别是:静强度测试[图2(a)]固定踏板左端，在踏板上表面压一个框架，对框架施加1 500 N的垂直向下力，作用1 min，计算转轴主轴的机械性能指标；动态疲劳强度试验【图2(b)】是将踏板安装在旋转的试验轴上，悬挂90 kg的重物施加向下的载荷，旋转轴以100 r/min的速度旋转10万次，以测试芯轴在连续工况下的疲劳性能。在动态疲劳强度试验中，正弦曲线用于模拟重物的加载条件[3]。

如图3(a)所示，芯轴的最大应力出现在芯轴左端根部附近，约为542 Mpa。由于过盈配合，心轴中间肩部的圆形凸台处存在较大的应力集中，最大应力为531 Mpa。但由于该应力接近心轴根部的应力，心轴直径较小，推测肩部护环凸台更容易失效，这与心轴中段也容易断裂失效的物理实验相吻合。从图3(b)所示的寿命云图可以看出，疲劳损伤首先出现在芯轴根部与定位环配合在一起的局部区域，原因是芯轴在该位置有过盈配合产生的预应力，因此疲劳断裂首先出现。因此，轴与肩环过盈配合引起的非承载应力集中是芯轴早期失效的重要原因。

心轴和肩环之间的过盈配合可以固定环的周向和轴向，但也提高了心轴中间部分的预应力。因此，有必要对这种结构进行改进，以降低非承载应力，提高芯轴的力学性能。

3个解决方案

3.1新的配置设计

首先从干涉的角度考虑改进肩环与芯轴的连接方式。图4显示了结构优化前后的肩环和心轴的连接方式。在最初的设计中，肩部环和心轴处于过盈配合，因为需要保持它们之间的周向和轴向相对静止。干扰为0。015 mm，但正是因为这种干涉，导致芯轴的非承载应力过大。因此，通过重新设计芯轴台肩环的配合方式，降低芯轴的非承载应力，是优化芯轴力学特性的关键。

优化的心轴如图4(b)所示。与心轴的原设计相比[图4(a)]，心轴的轴肩位置修改为非圆凹形设计，挡圈和心轴调整为过渡配合。肩部扣环的周向固定通过肩部扣环和心轴的凹部的匹配来保证。这种方法避免了过盈配合引起的心轴非承载应力过大的问题，同时仍满足轴肩挡圈在周向和轴向的相对固定。引入CAE进行验证，如图5所示。可以发现，在静强度试验[2][图5(a)]中，心轴和定位环新构型处的最大应力值为441 Mpa，比过盈配合降低了90 Mpa，应力集中明显改善。在动态疲劳强度试验[图5(b)]中，心轴的最早疲劳失效的位置从心轴的中间部分移动到螺纹根部附近，并且动态疲劳寿命从7.70e9增加到6.84e10，因此疲劳寿命显著提高。

3.2轻质设计

轻量化的目标是在给定的边界条件下，使结构自重最小，同时满足一定的寿命和可靠性要求。为了实现这一目标，有必要选择合适的结构、材料、连接技术、尽可能精确的设计和可实现的制造工艺。在原配置的基础上，从不同的结构角度进行了改进设计，并通过CAE技术保证了改进设计的可靠性。首先，根据悬臂梁的特点，在保证力学性能的前提下，采用CAE技术对原始芯轴构型进行中间切割空，确定内孔直径和长度。其次，减小连接螺纹的肩径，降低附加结构的质量。再次优化心轴颈缩接头的曲线，以进一步降低附加结构的质量。最终心轴的新结构如图6所示。

新配置机械参数和原始机械参数之间的比较如表1所示。

3.3模拟过程模拟

在原有芯轴加工工艺的基础上，针对新构型设计改进了模具，并对冷镦过程进行了模拟[2]，保证了模具设计的正确性。如图7所示，设计了芯轴平台的阶梯冷镦模。为了使成型质量更高，降低成型力，挤出过程分为两个工位。考虑到计算机的性能和模拟时间，这里只取部分模具进行模拟。

从图7可以看出，芯轴平台台阶的成型质量较高，可以证明冷镦模具的设计是准确的，采用冷镦工艺可以加工成型芯轴平台台阶。这说明在不改变冷镦道次的前提下，只要对模具进行一定程度的改进，就可以制造出新构型的芯棒。

4结束语

巨龙RD正在利用CAE技术优化踏板产品的安全性和可靠性，尽早发现产品设计和性能缺陷，改进和优化设计方案。极大地提高了产品设计的效率和质量，有效地降低了RD成本，缩短了企业的开发周期，取得了良好的效果。如上例所示，芯棒设计时间缩短20.3%，研发成本降低32.1%。在满足工作要求的前提下，芯轴轻量化8.2 g，14.1%。未来，将CAE技术应用于未来产品概念设计与验证、拓扑优化和生产过程优化，进一步提升企业的RD能力，将是一个重要的研究内容。

参考

[1]中国国家标准化管理委员会。自行车安全要求:GB 3565-2005 [S]。北京:中国标准出版社，2005: 4。

[2]张，。ANSYS有限元分析从入门到精通[M]。北京:人民邮电出版社，2010: 7。

[3]自行车-自行车的安全要求-第8部分:踏板和驱动系统试验方法:ISO 4210-2:2014[S/OL]。[2020-8-4].https://www.iso.org/standard/59915.html