車輪剛性及其有限元分析

摘要：以三維軟件進行車輪造型，用I-DEAS建立剛性分析數學模型，對車輪剛性進行分析和處理。結合其他試驗的分析，實現對車輪的優化設計。

關鍵詞：剛性；有限元

前言

在現代汽車設計中，車輪作為汽車重要的功能件不僅要滿足強度及安全性的要求，在剛性方面也提出了更高的要求，以滿足汽車乘坐的舒適性和行駛平穩性[1]。傳統的車輪設計只考慮了車輪的強度方面的要求，只要滿足沖擊、彎曲疲勞和徑向疲勞試驗的要求即可，對車輪剛性幾乎沒有考慮。當車輪的剛性不足時，對整車行駛的平穩性會產生很大的影響，并因此產生振動，不但影響乘坐的舒適性，而且會加劇疲勞損傷，降低車輛的壽命。現今許多汽車廠越來越重視車輪剛性的研究，車輪剛性反映了車輪在外載荷作用下的抗變形能力。剛性值越大，車輪的抗變形能力越好。剛性在車輪設計中已經越來越重要，與彎曲疲勞、徑向疲勞、沖擊和固有頻率一樣，成為車輪設計的必須要考慮的重要指標[2]。

1 車輪剛性的計算方法

由于各大汽車廠和車輪生產廠研究車輪剛性的時間不是很長，對于車輪剛性的計算方法在業界還沒有形成統一的公式，但是其原理基本一致，即車輪剛性反映的是車輪在外載荷作用下的抗變形能力。通過比較各大汽車廠的標準，結合力學理論中關于剛性的定義，其表達式如公式（1）：

K=LXM/δ （1）

其中，K為車輪剛性，L為力臂，載荷M=FXL，δ為位移。

所不同的是對于測定點的選取，和評價方法不同。有的公司直接采用上述公式計算車輪的剛性；有的公司采用對位移大小進行比較，來評價車輪的剛性，從上面的公式可以看出當位移越小時，剛性越大[3]。

當計算方法確定之后，車輪的剛性的測定就可以通過有限元分析和實測得到。我公司通過用3D設計軟件建立車輪的模型，采用I-DEAS軟件建立車輪剛性的分析模型，進行位移計算，從而計算車輪的剛性。

從試驗的難易程度考慮，我公司一般采用如下的方式進行車輪剛性的試驗測量。當然根據不同汽車廠的要求，可以按照客戶的要求，進行試驗檢測和建立不同的數學模型進行分析。下面主要以如下的方式進行說明剛性的分析方法：

當車輪內輪緣固定約束，在受到作用力F后，在軸端有一個位移δ1。去掉車輪后，將軸的法蘭面做固定約束，再在軸端加同樣大小的力F，軸端位移為δ0。此時剛性的計算公式為：

K=LXM/δ=LXFXL/(δ1- δ0) （2）

2 剛性分析實例

下面以某一輪型為例說明剛性分析的基本步驟。

步驟1：同強度分析一樣要劃分網格，檢查網格質量，做好前處理工作。下圖是劃分網格之后的圖片：

按照公式（2）計算出車輪的剛性值為2167kNm/rad

從以上分析過程可以看出，影響車輪剛性的主要因素主要有以下兩方面：車輪材料性能（彈性模量、機械性能等）和車輪的結構。所以通過改善工藝條件，可以適當提高材料的彈性模量，從而提高車輪剛性。但是材料性能的提高畢竟是有限的。在材料性能不變的前提下，改變車輪的結構，可以有效提高車輪的剛性。3剛性分析結果與實測結果對比

表1是我公司為國內某汽車廠配套開發的幾款輪型的剛性分析結果與實測結果的對比。

4 總結

按照此方法計算車輪的剛性值簡便易行。試驗采用現有的設備即可進行。有限元分析，可采用現有軟件。同時，產生數據量小，占用資源少，可大幅提高效率。及時準確地為車輪優化設計提供合理的建議。

目前，德國、美國、日本、法國等世界上主要的汽車廠都對車輪的剛性的提出了要求。同時，國際上的車輪生產廠商也對車輪進一步的研究，剛性已經成為車輪的重要性能指標。我公司從2005年購入I-DEAS軟件，是國內第一家進行車輪剛性的有限元分析和實測的廠家，已經取得了一定的成果。但是，分析結果和實測結果還需要大量的數據進行對比，才能不斷縮小分析與實測結果的誤差，提高分析結果的準確性和實用性。

參考文獻

[1]鄭泉，楊方廷.車輪隨機動載與路面及車速相互關系的研究[J].合肥工業大學學報，2001，24(1):139-142.

[2]張治國，鄭明軍.彈性車輪瞬態動力響應的有限元仿真方法研究[J].北方交通大學學報，2003， 27(1):25-27，35.

[3]郭曉霞.火車車輪成形工藝研究及有限元模擬[J].鍛壓技術，2003，28(5):1-4.