去除制动踏板中的金属材料

作者:Sachin Hardikar,计算机辅助设计工程师;Ryan Elliott,工程经理;Shaun Fuller,工程经理助理;Dave Morrison,团队主管助理;Ben Hill,工程专家;Grant Gabriel,设计人员;Daniel Leem,技术专家;Derek Jackson项目经理,加拿大Ridgetown市KSR International公司

传统优化方法在减重方面的作用非常有限;它们虽能更改部件尺寸,但却无法改变部件整体形状。另外,拓扑优化功能可以重新设计部件,不仅能最大限度减轻部件重量,同时还可满足设计工程师指定的载荷与其他要求。KSR International采用这种新方法将汽车制动踏板的重量降低了21%,结构优化时间从7天缩短至2天。

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brake pedal diagram

“在完成了大型部件的减重之后,OEM厂商和供应商目前正集中精力减掉较小型部件的最后一点‘赘肉’。”

brake pedal

汽车行业一直在努力降低车辆的平均油耗与排放。满足这两个目标的最有效方法是降低汽车重量。减轻25%的汽车重量可使油耗降低约10%,而降低25%的空气动力学阻力只能使油耗降低5%。

早期的减重工作主要集中在最大、最重的部件上,如:将铸铁发动机缸体变成铝合金缸体。在完成了此类大型部件的减重之后,汽车原始设备制造商(OEM)和供应商目前正集中精力减掉较小型部件的最后一点“赘肉”。KSR International工程师采用ANSYS拓扑优化功能在很大程度上实现了制动踏板重新设计过程的自动化。与传统的设计方法相比,基于拓扑优化的数字探索可将结构优化时间从7天大幅缩短到2天,同时将重量降低21%,这比传统方法所能实现的效果要好得多。

brake pedal
brake pedal
brake pedal

制动踏板的作用

KSR International是汽车传感器设计、工程与制造领域的行业领先者,公司产品包括汽车、轻型卡车与全地形车辆(ATV)的油门踏板、电子节气门控制传感器、可调与固定踏板、电动转向控制装置以及电源模块。该公司每年生产1,400多万个固定制动器与离合器踏板模块。制动踏板是驾驶员与制动系统的主要相互作用点,必须能够传递驾驶员在慌乱状况下可能施加的所有正常与异常载荷,同时还要保持完整的功能性。

在本项目中优化的制动踏板需要承受驾驶员施加的超过2,000牛顿的推力以及明显的横向与逆向载荷。采用ANSYS Mechanical执行的有限元分析表明,踏板的众多区域在所有四种载荷工况下都具有较低的应力,这意味着有可能实现减重。如果采用传统的方法减轻踏板重量,需要针对仿真研发新的设计方案,即要么通过手动定义几何结构的方式每次研发一项设计,要么通过参数化改变其尺寸的方式每次研发数十项设计。如果利用这种方法,工程师需要耗费大约1.5周的时间才能实现大幅减重,因为他们需要减少低应力区域的材料,重新执行仿真,然后再根据仿真结果修改相关设计。对于本应用而言,传统方法有可能显著减轻重量,但无法从重量角度全面优化最终设计方案。

brake pedal assembly
brake pedal assembly
Brake pedal assembly geometry
 

stress analysis brake pedal

在施加推力载荷的情况下对原始设计进行应力分析,结果表明部件大部分区域(蓝色)的应力较低。

 

topology optimization requirements

在拓扑优化过程中必须保持红色区域。

 

重新设计部件

ANSYS拓扑优化器不是做渐进式改变,如:调整个别部件的尺寸或厚度,而是“另起炉灶”,重新设计部件,才能满足工程团队指定的目标。工程师可在ANSYS Workbench中将拓扑优化器与ANSYS Mechanical完美集成在一起。KSR工程师定义了最终设计中必须保持的特性,以用作初始设计的外边界和安装面(踏板在此处与其他部件连接)。他们对仿真进行了设置,以使部件整体厚度与此前的设计保持一致,这样才能满足生产踏板时进行冲压操作的可制造性约束。工程师定义的优化目标是最大限度减轻部件重量,同时根据材料特性将应力保持在指定的最大值。

ANSYS拓扑优化器针对所有四种载荷工况定义了相关几何结构,能以最低可行的重量满足设计要求。接着,KSR工程师又对新设计进行了结构分析。他们确定整个部件应力均能达到容许水平。另外,他们还观察到部件某个边缘沿线的应力非常低,这表明存在进一步减重的可能性。由于最终部件保持整个外边界而导致了这些低应力,因此工程师通过去除该边界就进一步减轻了重量。

brake pedal diagram

在驾驶员踩下制动踏板时,力量从踏板传递到拉杆并触发制动加力器。图中所示的变速箱总成是高端大型车辆所用的可调踏板系统的组成部分,因此驾驶员可在车内将制动踏板(以及油门踏板)调节到方便舒适的位置。

 

减少重量并缩短工程时间

优化后的设计重694克,比原始设计的886克减少了192克。实现这款新设计方案无需任何额外费用,因为只要为新款汽车设计踏板,就必须制作新的冲压模具。完成这些改良仅耗时一天半,远远低于采用传统方法优化设计所需的时间。需要注意的是,这一数据是指满足踏板特定构形的结构要求所需要的时间,而针对特定车辆构形封装踏板则需要额外的时间。采用拓扑优化功能减轻的重量远大于通过手动或自动优化功能修改设计参数而实现的减重。从KSR采购制动踏板的汽车OEM厂商对这种减重效果非常满意。KSR计划将来在不投资大量工程资源的情况下采用拓扑优化功能实现大幅减重。

weight reduction optimization
通过去除不必要的材料,优化后的初始设计取得了显著的减重效果。在去除红色的薄边界之后,重量得到进一步减少。

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