102_基于EXCITE的发动机曲轴轻量化设计及评价_德来特_吴丰凯等
基于EXCITE的发动机曲轴轻量化设计及评价
吴丰凯、苏圣 ( 宁波市鄞州德来特技术有限公司，宁波 315000)
摘 要: 在曲轴的轻量化设计中，首先根据客观条件找出曲轴的减质量方案，然后设定减质量部
位结构尺寸的范围最后通过工程分析软件对不同状态的曲轴进行分析，从而找出满足设计要求
的最轻状态曲轴。
关键词: 曲轴; 轴承; 扭振; 强度; 轻量化
0. 引言
在发动机的轻量化设计中，曲轴的轻量化是其他部件轻量化设计的前提和基础。在曲轴的
设计中主要评价三部分内容: 主轴承和连杆轴承的选择、曲轴的振动特性，以及曲轴的疲劳强
度。
1. 概念设计
1.1 轻量化设计方案
某款在研 1.0 L 增压发动机曲轴轻量化设计前，首先要找出那些需要优化的结构尺寸参数，
然后再确定其尺寸的大小。
曲轴的优化通常是缩小主轴颈和连杆轴颈的直 径大小，而曲轴的轴向长度一般是由两缸
之间的缸心距所决定的，所以在这里只能对曲轴轴颈的直径大小进行优化。
该1.0 L 增压汽油机曲轴轻量化前参数: 曲轴主轴颈直径为48mm，曲柄销直径为44 mm。
出于发动机平台的考虑，如果改变主轴颈直径 大小，必须要改变发动机轴瓦、缸体布局，这
样会增加研发经费和零部件的成本。
减少发动机曲柄销的半径，同时还可以减小连杆大头尺寸；如果平衡率不变，平衡重的质
量也可以相应的降低，因此选择改变曲柄销和平衡重的尺寸。
1. 2 优化顺序
曲轴的设计必须满足三大设计要求: 第一满足轴承和连杆轴承的设计要求； 第二要满足曲
轴扭 振特性的设计要求; 第三要满足曲轴的强度要求。
曲轴的主轴颈和连杆轴颈的直径直接影响轴承的强度，所以根据轴承设计，先找出连杆
大头轴承所能承受的最小直径。在概念设计阶段中设计轴承主要考虑两个目标: 第一为轴承最
大比压; 第二为轴承最小油膜厚度。通过计算可知，连杆大头轴承满足强度的直径最小不能低
于38mm。
计算可知，连杆大头轴承上轴瓦最大比压高于下轴瓦，所以在这里只列出连杆大头上轴
瓦的计算结果。如图 1 所示各工况下轴承的最大比压满足供应商提供的滑动轴承设计强度要
求。
同样上轴瓦最小油膜厚度小于下轴瓦，所以图2只列出上轴瓦的最小油膜厚度变化曲线。 根据滑动轴承设计标准，在低转速工况下最小油膜厚度不能低于0.5μm，在高转速工况下
不能低于0.8μm。图2中的结果满足设计要求。
图 1 连杆大头轴承上轴瓦比压 图 2 连杆大头轴承最小油膜厚度 确定曲柄销直径的优化范围在38～44mm之间后，下面的工作就是要找出满足曲轴曲柄销
圆角和主轴颈圆角强度的最小曲柄销直径。
在更改曲柄销直径的同时，连杆大头的几何尺寸也要随之更改。为了使曲轴的平衡率保持
不变，不仅要减轻曲柄销和连杆大头的质量，平衡重的结构尺寸同样也要做出相应的减少。
汽车发动机曲轴最容易发生破坏的部位一般是发生在曲轴的主轴颈圆角和曲柄销圆角部
位。由于计算时主轴颈圆角的安全系数在各个工况都大于曲柄销圆角安全系数，所以在这里
只列出曲柄销圆角安全系数。
由计算可知，满足曲轴强度的最小曲柄销直径为40mm。图3为曲柄销圆角处的安全系
数。
图 3 曲柄销圆角处安全系数 图 4 临界转速 如图 3 所示，曲柄销圆角安全系数大于1.3，满足曲轴强度设计标准。强度计算之后可以
将曲柄销圆角的优化范围缩小为40～44mm之间。下面的任务就是验证40mm曲柄销直径是否满
足曲轴的扭振特性。图 4 为扭振特性分析结果。选用的减震带轮的频率为390Hz。
从图4中可以看出，曲轴第一阶扭转模态在5000r/min 时交于第4谐次激励，曲轴在该转速
下发生第 4 主谐次扭转共振; 在3400r/min时交于第6谐次激励，曲轴在该转速下发生第6主谐次
扭转共振。
图 5 减振器消耗功率 图 6 各转速下前端皮带轮榖扭振幅值 从图5可以看出，减震器所消耗的功率小于120 W，满足供应商所提供的设计指标。
图6中可以看出，减振带轮轮毂合振幅小于0.5°，单阶振幅小于 0. 2°，满足相关设计要
求。
图 7 飞轮端的转速不均匀率 图 8 各转速下的轴承最大总压对比曲线 图 7 中可以看出，发动机飞轮的转速不均匀率在1500r/min 时为0.08，满足相关评价标准。
1.3 概念设计阶段的减质量效果
曲轴在轻量化过程中，主要减轻的是曲柄销和平衡重。所以曲轴从10.38 kg减轻到
8.65kg，减轻 了1.73kg，减轻的质量占原质量的16.7% 。发动机连杆从原来的0.529kg减轻到
0.473kg，减轻了0.056kg，减轻的质量占原质量的10.6% ，4个连杆总共减轻0.224kg。曲轴与
连杆共减轻1.954 kg。
2.布局设计
2.1 轴承的计算分析
在布局设计中由于零部件的结构都已成型，所以需要考虑零部件的不同结构对其系统的影
响。
在概念设计阶段中为了减少计算时间，轴承的计算是基于轴承参数公式求得的，并不考虑
轴瓦变形和曲轴变形对轴承的影响。而在布局设计中，为了提高计算精度，选用基于有限元法
和有限体积法耦合的方式进行求解验证。
在概念设计中修改的只是连杆大头轴承结构尺寸，而主轴承结构尺寸并未修改，所以在这
里只列出连杆大头轴承的EHD结果。实际曲轴的主轴承也是经过EHD模型计算，并且均已满
足设计要求。
图8为各转速下44mm轴承总压力与40mm轴承总压力对比，在低转速下40mm轴颈滑动轴
承总压力要高于 44mm轴颈滑动轴承总压力。 图9为5000r/min下40mm连杆大头轴承总压在各时刻下的压力分布。从结果上看，轴承最
大总压为101.23 MPa，满足设计要求。
图 9 5 000 r/min 直径为 40 mm 连杆大头轴承总压力分布 图 10 各转速下连杆大头轴承摩擦损失对比曲线 图 10为各转速下连杆大头轴承 EHD 分析的摩擦损失结果。
根据图10 显示，44mm直径滑动轴承和40mm直径滑动轴承的摩擦损失随着发动机转速的
提高而增加，并且在大部分转速里，40mm直径滑动轴承的摩擦损失要小于44mm直径滑动轴承。
图11所示，40mm轴颈直径的液动压力在3000、4000r/min 转速工况下，其粗糙接触摩擦损
失最小，该工况有助于提高轴瓦的使用寿命。
由图 12、13 可知，连杆大头轴承直径44mm与40mm轴颈相比，其粗糙接触摩擦损失居多，
故轴瓦使用寿命也就没有40mm轴颈使用寿命长。
图 11 40 mm 轴承直径的摩擦功贡献率 图 12 44 mm 轴承直径摩擦功贡献率 连杆大头轴承直径尺寸减小，那么其相应的刚度有所增加，所以相应的粗糙接触压力也就
自然减小。根据图10的对比，推荐将连杆大头轴承直径设为40 mm。 2. 2 曲轴强度的计算分析
在布局设计中，40mm的滑动轴承满足设计要求，以下的目标是验证40 mm曲柄销直径的
曲轴是否满足强度要求。通过有限元动力学的计算可以获得每个工况的曲柄销和主轴颈中心的6个自由度位移量。
图 13 粗糙接触摩擦损失对比图 图 14 各个转速下曲柄销圆角安全系数 利用柔性体动力学计算出各个曲拐端的载荷力，然后将这些载荷力加载到Designer模型中
计算，最后计算出各个工况下每个曲拐的最小安全系数。从Designer软件计算的结果中找出第
几个曲拐在哪个工况下，其安全系数最低。Designer软件计算结果如图14所示，由于在这里只
是向读者讲解分析思路，所以只显示一下曲柄销圆角的安全系数结果。
图14结果显示，在4000r/min和5500r/min转速工况下第8拐曲柄销圆角的安全系数最小。
如果在有限元分析中第 8 拐的安全系数满足设计要求，那么其他拐圆角的安全系数都满足设计
要求。
将第8拐的主轴颈和曲柄销中心位移量分别依次加载到每个拐的主轴颈和曲柄销中心处，
如图15所示。
图 15 加载到曲拐的有限元模型 图 16 整体模型与子模型 为了提高主轴颈和曲柄销圆角应力的计算精度，采用有限元子模型的计算方法。子模型采
用一 阶六面体单元。图16为圆角子模型的示意图。 有了圆角的应力场和PowerUnit软件计算出的每个曲轴转角下的载荷历程，就可以得出主
轴颈圆角和 曲柄销圆角的安全系数。4000r/min工况结果要比5500r/min工况结果的安全系数
大，所以在这里只列出5 500r/min第8拐圆角的安全系数。
图 17 子模型圆角安全系数 图 18 发动机临界转速图
图 17 中曲柄销和主轴颈圆角安全系数均大于曲轴安全系数设计标准，满足设计要求。 2.3 曲轴扭振的计算分析
强度满足设计要求，下面的任务就是验证曲轴的扭振特性，因为曲轴的扭振特性可以通
过减振带轮的选型来改善，故最终来优化曲轴的扭振特性。
从图18中可以看出，曲轴总成在5100r/min时发生第4谐次激励作用的扭转共振，在3400r/min 时发生第6谐次激励作用下的一阶扭转共振，在6000r/min时发生第6谐次激励作用下
的二阶扭转共振。
从图19中可以看出，优化后的减震器所消耗的功率小于120W，满足供应商所提供的设计
指标。
图20中可以看出，减振带轮轮毂合振幅小于0.4°，单阶振幅小于0.2°，满足设计要求。
图21中可以看 出，在转速4500～5700r/min范围内，减震器轮毂在340Hz频域范围内的振型
幅值比较大。通过图18可以大致判断在4500～5700r/min 范围内一阶扭振模态发生共振。
图 19 减振器消耗功率 图 20 各转速下前端 V 带轮榖扭振幅值
图 21 减震器轮毂扭振幅值 图 22 飞轮端的转速不均匀率
图 22 可以看出，发动机飞轮转速不均匀率在1500r/min 时为 0.062，满足相关设计评价标
准。
3.试验验证
根据国家汽车行业标准QC/T637－2000《汽车发动机曲轴弯曲疲劳试验方法》进行发动机
曲轴试验。试验结果表明，轻量化之后的曲轴满足强度要求。
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基于有限元的行星架强度分析与轻量化设计
1序 言
在NGW型行星齿轮减速机中，大行星架质量占比较大，同时也是承受外力矩的主要零件，其结构强度和轻量化设计显得尤为重要。结构合理的行星架应具备质量轻、强度高以及便于加工和装配的特点，其结构设计对各个行星轮间的载荷分配以及减速机的承载能力、噪声和振动等有很大影响。但基于传统力学方法所设计的行星架往往存在设计预留量较大的问题，从而导致其结构笨重。本文采用Solidworks软件对大行星架进行三维建模并使用Simulation软件对其进行有限元分析，根据分析结果对大行星架结构进行轻量化设计，获得了质量更轻、同时满足强度和刚度要求的大行星架结构参数。
2建立有限元模型
2.1 产品参数计算
该行星齿轮减速机设计参数：输入转速n=950r/min，输入功率P=20kW，减速比i=40，则减速机输入转矩Ts=9550P/n=9550×20÷950 N·m=201N·m。
减速机使用工况选择中等冲击，选取使用系数A=1.25，则传递转矩T=TsiA=201×40×1.25=10050N·m。本文按照承受转矩10kN·m进行设计。
2.2 产品结构分析及参数定义
行星齿轮减速机模型如图1所示，其中大行星架为单臂式行星架，其上有4个行星轮轴，轴上安装有4组行星轮及其轴承组件，外面套以内齿圈组成封闭式传动系统。大行星架作为主要的转矩输出零件，主要承受轴向转矩，最大转矩达10kN·m。
图1 行星齿轮减速机模型
大行星架模型材料选取45#钢，锻造并调质处理，材料屈服强度约为355MPa，抗拉强度约为600MPa，模型材料属性界面如图2所示。 图2 模型材料属性界面
利用Solidworks基于特征的参数化建模功能可建立大行星架精准的数学模型，模拟大行星架在最大转矩下的工况进行强度分析。
2.3 边界约束与施加载荷
将大行星架的左侧安装面及连接螺栓孔采用固定几何体的方式进行约束，以便固定模型，用以模拟行星齿轮减速机安装在主机上的实际工况。
车身多性能约束下的一体压铸三角梁轻量化设计
第３５卷第４期中国机械工程Vol．３５ No．４
２０２４年４月CHINAMECHANICALENGINEERINGpp．６９１Ｇ６９９
车身多性能约束下的一体压铸三角梁轻量化设计
苏永雷１,２,３ 张志飞１
１．重庆大学机械与运载工程学院,重庆,４０００４４
２．上海小米智能技术有限公司,上海,２０００１２
３．小米汽车科技有限公司,北京,１０００００
摘要:系统性地构建了一体压铸结构的优化方法,基于车身系统超单元模型实现多性能约束下的车
身压铸件轻量化设计.首先,缩减复杂的车身系统,针对连续的车体结构,提出了子系统划分原则和方
法,分别对各子系统进行超单元缩减,保证车身系统模型的分析精度并提高计算效率,为快速优化奠定
基础;其次,同步考虑压铸结构单体性能和车身系统性能,采用折衷规划法归一化静动态子目标并构建
综合目标函数,应用层次分析法得到子目标权重系数,进而开展了多模型拓扑优化,确定了加强筋位置
分布;进一步地,同步考虑可设计与可制造性,对压铸结构变厚度拔模面进行参数化定义,并在优化过程
中施加制造约束,基于构造的组合代理模型完成厚度参数设计.研究结果表明:在保证分析精度的前提
下,缩减的车身系统模型可节省９７．３％的计算资源;通过优化,在大幅提高车身一体压铸三角梁结构相
关性能的同时,可实现轻量化,表明了所提方法的正确性和实用性.
关键词:压铸结构;模型缩减;拓扑优化;代理模型;轻量化
中图分类号:U４６２．２
DOI:１０．３９６９/j．issn．１００４１３２X．２０２４．０４．０１２开放科学(资源服务)标识码(OSID):
IntegratedCastingTriangularBeamLightweightImprovingwith
MultiＧperformanceConstraintsofBodySystems
SUYonglei１,２,３ ZHANGZhifei１１．CollegeofMechanicalandVehicleEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing,４０００４４２．ShanghaiXiaomiIntelligentTechnologyCo．,Ltd．,Shanghai,２０００１２３．XiaomiAutomobileTechnologyCo．,Ltd．,Beijing,１０００００
310_基于Excite激励对薄壁件的结构优化_奇瑞_李勤华
*芜湖市重大科技攻关计划项目（2013ZD01） 基于Excite激励对油底壳NVH的结构优化
李勤华，吕品，周君，邓晓龙
（奇瑞汽车股份有限公司，安徽省芜湖市 241009）
[摘要]: 本文采用发动机振动分析软件AVL Excite与优化软件进行仿真分析，以壳体表面的
振动速度为优化目标对发动机油底壳的NVH进行结构优化分析。经过数十轮次自动寻优计算
后，可以快速得到理论上的最优结构方案，油底壳NVH性能得到明显提高。
关键词：振动、响应、优化、油底壳
主要软件：AVL EXCITE、OPTISTRUCT
Based on the Excite incentive for the oil pan structure
optimization
Li Qinhua, Lv Pin, Zhou Jun, Deng Xiaolong
(CHERY AUTOMOBILE CO LTD& An Hui Province Wu Hu City) [Abstract] Using AVL Excite to analyze engine vibration and optimization software to optimize
vibration response, NVH performance of an engine oil pan has been optimized. After several
rounds of optimization cycles, the optimal structure scheme of the oil pan has been obtained
quickly, and its NVH performance was improved significantly.
Keywords: Vibration、 Response、Optimization、 Oil pan
商用汽车车桥轻量化设计思路与研究
商用汽车车桥轻量化设计思路与研究
摘要：现阶段，随着人们生活水平的提升，对汽车的需求也越来越多。在对汽车车桥结构进行轻量化设计时，还应保证车桥碰撞的安全性，在保障刚度的前提下了解车桥零件厚度情况，以车桥质量最小化为目标进行结构的轻量化设计。车桥轻量化设计对汽车燃油经济性的提升意义重大，能够让车桥刚度得到强化，使车桥受力分布均匀，提高材料的利用率。当前人们对车桥轻量化研究十分广泛，其设计理念主要是应用高强度钢、镁合金等轻量化材料，并基于碰撞安全性设计需求进行轻量化改造，减轻汽车内部构件重量，同时兼顾车辆安全要求。了解轻量化设计的意义，明确设计要点，优先采用高强度钢材料和铝合金材料等轻型材料，基于碰撞安全性需求应用夹层式汽车前舱罩盖技术和人员碰撞响应控制技术展开设计研究，从而达到预期目标。
关键词：汽车；轻量化；设计；研究
引言
一直以来汽车工业节能减排目标的实现主要是对车身结构进行轻量化改造，燃油汽车依然是当前应用范围最广的车辆，汽车的轻量化改造有效节约资源。目前汽车车桥骨架结构基本上都是采用矩形管焊接而成，矩形管件的力学特点是承受拉压载荷的性能强，承受弯扭载荷的性能弱。因此提高骨架的弯扭性能，一般都采用闭环结构。所谓闭环结构，是指整车骨架某一截面上的顶盖弯梁、侧围立柱及车架横断面在同一平面上形成一个完整的闭环状态。此结构不仅可以保证力流传递的连续性，还可以更好地引导力传递，而且闭环结构还能减少因为非闭环结构导致的结构错位而增加的过渡连接零件的使用数量。因此，闭环结构有利于骨架的轻量化设计。在车桥骨架设计中应尽可能多地采用闭环结构，某些位置因结构原因无法形成闭环的也可以通过斜梁连接实现力流的点到点的连通，从而使骨架导力结构更加合理。
1车桥的功能及结构组成 通过差速器实现两侧车轮差速作用，保证内、外侧车轮以不同转速转向；通过桥壳和车轮，实现承载及传递力的作用。用轻量化材料取代钢板材料，优化车身结构，使车辆零部件达到集成设计效果。汽车结构设计软件应用的发展，人们开始将 CAD 和 CAE 等软件用于车身布局与内部结构优化等方面，科学计算出各个构件的形状与材料强度。商用车驱动桥的关键部件包括主减速器、桥壳、差速器总成、半轴、制动器总成等。商用车车桥的功能就是传递车架与车轮之间各方向作用力及其产生的力矩，其对汽车的动力性、稳定性、承载能力等性能有着重要的影响。将万向传动装置传来的发动机转矩通过差速器、半轴等传到驱动车轮，实现传动系统转速降低、增大转矩；通过主减速器锥齿轮副改变转矩的传递方向；通过差速器实现两侧车轮差速作用，保证内、外侧车轮以不同转速转向；通过桥壳和车轮，实现承载及传递力的作用。商用车驱动桥的关键部件包括主减速器、桥壳、差速器总成、半轴、制动器总成等。
基于EXCITE—Designer的车用汽油机曲轴扭转振动分析和不同减振器性能对比
２０１０年第１期（总第１１５期） 内燃机与动力装置Ｉ．ｃ．Ｅ＆Ｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ ２０１０年２月
【模拟计算】
基于ＥＸＣＩＴＥ—Ｄｅｓｉｇｎｅｒ的车用汽油机曲轴扭转振动分析
和不同减振器性能对比
宋武强
（湖北汽车工学院汽车工程系，湖北十堰４４２００２）
摘要：利用ＡＶＬ公司的ＥＸＣＩＴＥ—ｄｅｓｉｇｎｅｒ软件，建立四缸发动机的曲轴扭振模型，对比
了曲轴安装减振器前后扭振特性的变化。计算结果表明减振器能明显改善曲轴扭振特性，并
且硅油减振器性能优于橡胶减振器。
关键词：曲轴扭转振动；橡胶减振器；硅油减振器
中图分类号：ＴＫ４１３．３文献标识码：Ａ文章编号：１６７３—６３９７（２０１０）０１—００２１—０４
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｔｏｒｓｉｏｎ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ ａｎｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ
Ｄｉｆｅｒｅｎｔ Ｄａｍｐｅｒｓ ｏｎ ＥＸＣＩＴＥ——ｄｅｓｉｇｎｅｒ Ｓｏｆｔｗａｒｅ
ＳＯＮＧ Ｗｕ——ｑｉａｎｇ
（Ｄｅｐｔ．ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｂｅｉ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｉｙａｎ ４４２００２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｏｎａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｆｏｕｒ—ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｅｎｇｉｎｅ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ ｉｓ ｍｏｄ—
ｅｌｅｄ ｏｎ ＥＸＣＩＴＥ—－ｄｅｓｉｇｎｅｒ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ ｔｅｎｓｉｏｎａｌ ｖｉ・－
ｂｒａｔｉｏｎ ｗｈｅｎ ｉｔ ｉｓ ｍｏｕｎｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｏｒｓｉｏｎ ａｌ ｄａｍｐｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈａｔ ｗｉｔｈｏｕｔ ｄａｍｐｅｒ。Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ
基于EXCITE的曲轴系统扭转振动分析
基于EXCITE的曲轴系统扭转振动分析
基于EXCITE的曲轴系统扭转振动分析
以扭转振动作为优化目标,建立了EXCITE模型,仿真分析了不同飞轮惯量下的轴系扭振的变化规律,然后进行了不同的皮带轮惯量和扭转刚度系数对轴系扭振影响的理论研究,通过选用合理的扭振减振器参数对轴系扭振的影响做了进一步的分析.仿真结果为认识内燃机轴系扭振提供了较为全面的参考信息,对实际工程分析具有一定的指导意义.
作 者：岳东鹏 石传龙 YUE Dong-peng SHI Chuan-long 作者单位：天津工程师范学院,汽车与交通学院,天津,300222 刊 名：天津工程师范学院学报 英文刊名：JOURNAL OF TIANJING UNIVERSITY
OF TECHNOLOGY AND EDUCATION 年，卷(期)：2009 19(2) 分类号：U464.133 关键词：轴系 EXCITE 扭转振动
汽车结构的轻量化设计措施分析
AUTO TIME 133 AUTOMOBILE DESIGN | 汽车设计
时代汽车
汽车结构的轻量化设计措施分析
贾朝贝
郑州科技学院 河南省郑州市 450000
摘 要： 汽车工业要发展，在目前必须要满足环保要求，汽车轻量化设计可实现节能减排，但轻量化设计不是单纯
减重，而是要保证安全性能的前提下去减重，因而如何进行轻量化设计值得探索，本文中重点对此进行了
分析讨论，探析了目前市面上主流的轻量化设计方法措施，仅供参考。
关键词：汽车 轻量化设计 方法措施
轻量化在当前汽车设计制造产业当中是
一个比较主流的方向，与新能源车具有相当
的地位，在传统发动机技术发展陷入瓶颈，
新能源汽车受限于电池的情况下，轻量化成
为了一种非常关键的解决手段，通过轻量化
来实现节能减排。但汽车轻量化，不是单纯
减轻汽车的重量，而是在减轻重量的同时提
升性能，因此分析讨论如何去进行轻量化设
计，具有非常典型的价值意义。
1 轻量化设计概述
1.1 轻量化产生背景
轻量化设计是目前国内外汽车设计制造
技术中的主要发展方向之一，与环保和安全
具有同等地位，随着人们环保意识增强，汽
车工业要发展，必须要走可持续发展道路，
而可持续发展显然必须要实现节约资源、减
少消耗，对于汽车工业而言，要达到相关要
求，已经得到公认的路径包括提高发动机效
率、新能源和轻量化。汽车的节能环保通常
情况下是降低油耗或提高燃油效率，降低或
者清洁排放尾气。在提高发动机效率方面，
由于传统发动机不管是柴油机还是汽油机，
实际上都已经达到了一个相当高的水准，现
阶段主要是通过对发动机进行微量调整并利用汽车电子技术来提高发动机的效率，但效
果并不是很理想，仅仅只能说达标。而新能
源汽车在环保上的效果最佳，但是问题在于
由于电池的限制，新能源车的发展还需要走
很长的一段路，而轻量化技术，在保证汽车
安全性的基础上去降低汽车的自重来实现能
耗的下降，它可以作为提高发动机能效，甚
至是新能源车能效的一种基础技术手段，在
EXCITE
2 EXCTE 产品介绍
动力单元的非线性动力学(Non-linear Dynamics of Power Units)
随着动力单元振动和噪声计算技术的不断提高及对这一技术的更高要求，需要有一种逼真
的莫拟人 。AVL的EXCITE计算软件就是专门为这些应用开发的。对曲轴系的所有运动件和
滑动轴承的非线性这动都可以用这一专门的模拟技术进行建模。大量计算结果与实验结果的对比显示用EXCITE对发动机动力学和噪声进行计算结果，这些计算结果与真值非常接近。
应用范围(APPLICATIONS)
EXCITE是一种发动机设计的优化工具，也可以对已有发动力和动力单元进行分析和优化
。主要应用对象如下：
曲轴系和发动机部件的动力学计算
* 动态负荷和变形的设计分析(隔板、曲轴、连杆、主轴承壁等)
* ？域中曲轴和飞轮的三维动态计算
* 基于发动机整个工作循环的EXCITE的结果结合有限元分析(FEA)进行应力分析
* 预测动力单元的结构振动(结构表面的绝对速度)
* 识别结构件的潜在噪声
* 分析机械激励的噪声机制
* 低噪声发动机设计的支持优化
* 设计参数的影响(材料，轴承间隙，飞轮和阻尼器设计，曲轴刚度等)
三维的活塞动力学计算
* 接触区域的可视化(油膜中的压力分析)
* 接触区域机油间隙的充填
* 随时间变化的接触压力引起的活塞对缸套的动态激励
* 设计参数对活塞动力学影响的趋势分析(活塞型线，质量分布，活塞销偏移，活塞裙部及缸套的刚度等。)
发动机固定和支架的设计(避免共振的措施)也可由EXCITE得到支持
计算方法(CALCULATION METHOD)
基本的模拟概念基于将非线性的机系统划分成线性的弹性子系统，在这些子系统之间非线
性连接。这样在模拟模型中线性的弹性体(如缸体，整体运动+振动；曲轴振动+转动)可以通过非常高的非线性连接(如滑动轴承中的油膜或位于缸套内侧与活塞缸套接触的油膜)。这样就可对具有复杂结构的动力单元进模拟，而且在频率可达3KHZ的范围内具有很好的计算效率。弹性体通过用简化结构矩陈的有限元模型代表。向EXCITE的数据转换是通过界面FESOLVERS(有
基于Inspire 的自行车部件轻量化设计方法
科技与创新┃ScienceandTechnology&Innovation
·50·2022年第14期文章编号：2095－6835（2022）14－0050－04
基于Inspire的自行车部件轻量化设计方法＊
陈亦天，梁晓娟，沈敏，陈正楠，吴瑞明（浙江科技学院机械与能源工程学院，浙江杭州310023）摘要：轻量化设计已经成为机械工业等多个领域重点发展方向之一。轻量化模型的目的是在不牺牲零件性能的前提下，通过优化模型来减少材料消耗，对于减少材料成本及减轻零件质量至关重要。所述研究使用Inspire软件进行有限元分析、拓扑优化、结构优化分析，而传统的自动几何重构方法存在一些缺点。以一种山地自行车结构部件为例，根据给定的负载情况、约束调节和性能指标，采用手动几何重构的方法，在给定的区域内对材料分布进行优化，从而大大减少成本、开发时间和物料消耗并减轻产品质量，具有一定的推广价值。关键词：轻量化设计方法；Inspire；拓扑优化；结构部件中图分类号：TH164文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2022.14.017轻量化设计优化问题的实质是零件质量的优化问题，即如何优化3D模型内部结构，在满足力学性能要求的前提下，使零件的质量达到一定条件下的极小值[1-3]。焦洪宇等将轻量化技术运用到机械臂、液压机等大型机械上[4-5]。而采用拓扑优化技术可以将零件尺寸、形状优化，以达到零件轻量化的目的[6]。张志飞等[7-8]运用拓扑优化技术对车辆的悬架等进行轻量化多目标优化设计。随着增材制造技术的不断发展，采用增材制造技术实现结构优化能最大限度地提升产品结构效率，在机械工业行业被广泛应用。赵阳等[9-10]将增材制造技术与拓扑优化技术结合起来，生产制造了复杂结构。Inspire软件是一款专业强大的衍生式设计及拓扑优化及快速仿真解决方案，可用于运行结构优化、有限元分析、运动分析和增材制造分析[11]。通过在给定的区域内对材料分布进行优化，从而大大降低成本、减少开发时间和物料消耗并减轻产品质量[12-13]。李阳等[14-15]使用Inspire软件对一些常见零件进行优化设计，但目前的研究均为拓扑优化模型后直接自动重构几何模型。通过实验发现，自动几何重构的方法无法实现最大化的轻量设计，并且自动几何重构的模型会存在网格密集、模型面缺陷等问题。张涛[16]通过调整质量目标并且分别设置安全系数，设计出了较为合理的优化模型，但是减重比例为14.6%。综上所述，自动几何重构的方法无法实现较大的零件轻量化，因此手动几何重构的方法有一定的实际应用价值。使用Inspire软件进行优化分析，根据山地自行车结构部件以及受力情况，使用“分析”功能进行有限元分析，以刚度要求为目标函数、体积厚度大小为约束条件进行拓扑运算，对模型进行手动几何重构得出轻量化模型。对轻量化设计的模型进行有限元分析，强度校核结果表明，模型的最大应力为42.56MPa，小于材料的屈服应力45MPa，满足强度要求；轻量化设计后模型的质量为20.976g，相比原始模型质量减轻了65.77g（减轻了66.5%），在一定程度上减轻了产品质量、降低了制造成本，具有一定的推广价值。１初始强度分析使用Inspire软件进行初始强度分析，模型的材料为增材制造技术常用的ABS材料（杨氏模量2000MPa、泊松比为0.35、密度为1060kg/m3、屈服应力为45MPa），约束为中间孔位置约束，载荷的情况根据山地自行车结构部件实际情况设置，各部位载荷均为100N，具体如图1所示。基于上述参数，设置单元尺寸为4mm进行计算，求得最大应力为18.13MPa。——————————————————————————＊［基金项目］国家级大学生创新创业训练计划项目“正畸托槽视觉分类及包装系统”；浙江省高等教育“十三五”第一批教学改革研究项目“基于OBE的应用型人才培养模式研究——以机械设计制造及其自动化专业为例”（编号：jg20180222）ScienceandTechnology&Innovation┃科技与创新2022年第14期