汽車鎂合金車輪動態特性分析*

鄭松林,鄭鉆璽,徐洪慧,王有濤,盧蕾蕾

(上海理工大學機械工程學院,上海 200093)

前言

車輪作為承載部件,是新能源汽車輕量化主要關注的目標零件之一,傳統轎車車輪大多采用鋁合金結構。鎂的比重是鋁的 2/3,而鎂合金性能與鋁合金相近。作者嘗試采用新型鑄造鎂合金代替鋁合金開發汽車車輪,并探索利用動態設計方法對某車型的車輪進行輕量化設計與分析,從而評價其強度可靠性及模態特性。

1 鎂合金車輪有限元建模

1.1 建模準備

為配合汽車的整體外觀設計,車輪造型一般都比較復雜,多為變曲率曲面組成,所以在模型上會留有一些比較小的倒圓倒角以及大量曲面構造線,影響模型網格質量。通過Hypermesh的幾何清理功能[1],可將此類倒圓倒角去除,同時也可在不影響車輪結構前提下將部分構造線抑制掉。在表面幾何處理完后,為便于結構分析和保證邊界的對稱性,根據車輪幾何形狀的對稱性,將其劃分成 10等份,只選取其中一份做下一步網格劃分,如圖1所示。

1.2 模型建立

經幾何清理后,應用Hypermesh的幾何檢查功能,查看幾何體上最小的間距,在保證計算精度的同時,盡量選取較大的單元尺寸,減少劃分的單元數。由于車輪造型多為變曲率曲面,為了準確模擬,最后選取四面體單元,單元大小為4mm。

完成1/10車輪的網格劃分后,可用Hypermesh中網格的鏡像復制和旋轉復制來完成整體車輪的網格劃分。

2 鎂合金車輪動態有限元分析準則

我國汽車行業標準《GB/T 5334—2005乘用車車輪性能要求和試驗方法》規定了汽車輕合金車輪的動態彎曲疲勞性能、動態徑向疲勞性能要求(含加載參數)和試驗方法,這些方法可作為鎂合金車輪有限元分析的準則。圖 2和圖 3分別為車輪的動態彎曲和徑向疲勞試驗的示意圖。

2.1 鎂合金車輪動態彎曲疲勞試驗模擬

根據規范要求,在Hypermesh中模擬動態彎曲疲勞試驗環境,通過約束住車輪輪圈邊緣所有節點3個平動自由度而將車輪固定。

采用剛體單元將加載點與各螺栓孔相連,以模擬試驗中的加載力臂,在模擬力臂的加載位置施加垂直于力臂的恒力[2]。由于在動態彎曲疲勞試驗中,車輪承受旋轉彎矩,此處通過改變力的加載方向來模擬彎矩位置的變化,同時考慮到車輪的幾何形狀對稱,可在車輪 1/5即 72°的范圍內加載,每隔 9°施加一個力,設置 8個不同方向的彎矩工況分別進行應力計算,具體加載如圖4所示。

2.2 鎂合金車輪動態徑向疲勞試驗模擬

根據規范要求,在Hypermesh中模擬動態徑向疲勞試驗環境,采用剛體單元將5個螺栓孔和車輪相連,通過約束車輪所有自由度將車輪固定。

在動態徑向疲勞試驗中,車輪必須裝上對應的輪胎再安裝到轉鼓試驗臺上,所以車輪實際受到的是輪胎胎壓分布力,作用范圍是在 1/4輪輞的內外兩側,分布力大小按余弦分布,中間最大,到兩邊為零[2-3],如圖 5所示。

車輪徑向分布力為

式中:Wr為徑向分布力;Wo為最大徑向分布力;θ為加載偏轉角;θ0為最大加載偏轉角。

車輪徑向力合力Fr為

式中:b為輪胎座受力寬度;rb為輪胎座半徑。

由于試驗規范中載荷控制量是徑向壓力載荷,而計算帶函數的分布載荷比較麻煩。在此具體情況下,在計算車輪應力狀態的同時計算輪心處的約束反力,其效果就等于求出了胎壓分布力的合力,通過檢查合力是否等于試驗要求加載的徑向力來檢驗所施加的胎壓分布力大小是否合理。具體載荷施加如圖 6所示。同樣,車輪的動態徑向疲勞試驗也是在旋轉狀態下完成,所以軟件模擬時也應調整其分布力的加載中心,在 72°的范圍內,每隔 9°設置 1個工況。

3 鎂合金車輪有限元分析

在Hypermesh中做好網格劃分及工況的設置后,導入MSC.Nastran解算器中進行求解運算,并選用von Mises應力作為強度計算參數。

von Mises是一種屈服準則,又稱第四強度理論。von Mises屈服條件可解釋為:當材料八面體上的剪應力達到某一極限值時,材料開始屈服。屈服準則的值稱為Mises等效應力,其計算公式為

式中:σm為 Mises等效應力;σ1、σ2、σ3為主應力。

第四強度理論認為形狀改變比能是引起材料流動破壞的主要原因。由于車輪主要是以疲勞破壞為主,所以選用von Mises應力作為分析評價參數比較合適。分析評價結果如圖 7和圖 8所示。

在動態彎曲疲勞試驗中,最大應力主要出現在5個螺栓孔周圍,最大值為108.7MPa;在動態徑向疲勞試驗中,最大應力主要出現在輪圈內側加載點處,最大值為68.7MPa。參考其他大多數輕合金車輪的有限元分析和試驗[4-8],結果基本一致。

車輪的材料為JDM1鑄造鎂合金,彎曲疲勞極限為 110MPa,對應疲勞壽命為1×107。車輪在兩個試驗模擬中的最大應力值均小于疲勞極限值,即壽命都大于 1×107,皆滿足規范規定的動態彎曲疲勞和動態徑向疲勞的試驗中,試驗循環次數的要求。

4 鎂合金車輪模態分析

利用有限元法進行車輪模態計算,可得到車輪的固有頻率和振型。

考慮車輪的實際工作情況并簡化,在車輪內側法蘭面上施加固定約束[9]。計算得到該鎂合金車輪各階模態固有頻率相應的振型圖如圖 9所示。經與原始的鋁合金車輪的模態分析結果對比,

其振型基本一致,表 1為兩種材料的車輪模態頻率數據對比。

表1 鎂合金車輪與鋁合金車輪各階固有頻率對比

由表 1可見,用鎂合金代替鋁合金制造車輪,各階固有頻率都有所減小,但其變化率都不超過 2%,可見鎂合金材料車輪能夠滿足車輛的使用要求。

5 結論

目前鎂合金車輪已進行了近兩年的使用試驗,未出現任何失效征兆和不利的關聯影響。鎂合金車輪比鋁合金車輪約減輕 3.95kg,4個車輪總計約減輕16kg,輕量化效果明顯。

(1)鎂合金不僅只局限于制造汽車的非承載結構件,還可用來制造承受動態載荷的結構零部件。

(2)通過強度分析與計算,結合使用試驗,表明鎂合金車輪代替鋁合金車輪,能滿足國家標準規定的疲勞強度要求。

(3)應用鎂合金代替鋁合金,可在汽車輕量化設計中獲得明顯的輕量化效果,也為其它重要結構部件的鎂合金應用提供了有益參考。

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