載重汽車鋼圈的優化設計研究

蔣萬標，郝艷華，李 嘉

（華僑大學 機電及自動化學院，廈門 361021）

輕量化趨勢是未來汽車的必然選擇，而汽車鋼圈的輕量化，必然通過提高材料強度，同時減薄材料厚度來實現。為了保證材料的焊接性能，目前的鋼材主要通過添加微量合金元素、改進軋制方法等細化晶粒來實現強度的提高，但其主要成份的含量變動很小。由于彈性模量只與材料的成份有關，而與其他因素，包括組織形態、晶粒大小等無關，因此，在車輪專用鋼中，不同強度的材料，其彈性模量差異并不大。而材料厚度的減薄勢必引起鋼圈剛度的下降，因此，在鋼圈的輕量化過程中，其結構也必須作出相應改變以提高鋼圈的剛度。

1 鋼圈簡介

鋼圈由輪輞輪輻焊合而成，輪輻有中孔、螺孔、風孔等組成，輪輞則由輪緣、胎圈座、安裝面、槽底等部分組成，并以R角連接各部分。其名稱如圖1所示。

圖1 鋼圈各部分的名稱

2 有限元模型的建立

有限元仿真模型參照GB/T 5909-2009(中國商用車輛車輪性能要求和試驗方法)中的徑向疲勞試驗方法建立[1]。

在試驗中，鋼圈主要受徑向負載及輪胎氣壓。徑向負載通過輪胎傳遞，此力在圓周方向上沿中間向兩側依余弦規律遞減[2]，其合力為設備對輪胎施加的載荷，如圖2所示。

圖2 鋼圈的徑向受力示意圖

氣壓則作用于整個輪輞表面，且通過輪胎對輪緣有側向壓力。車輪重力、轉動時的離心力，忽略不計。

運用有限元分析軟件ANSYS建立車輪實體，采用Solid單元對車輪進行網格劃分[3]，材料的彈性模量取值206 800 MPa，泊松比取值0.3。依據徑向疲勞試驗某一瞬間狀態受力情況，建立有限元模型，并算出最大應力點的數值和位置。而后將車輪所受載荷沿車輪模型轉過多個小角度，以模擬車輪在旋轉過程中不同時刻的受力狀況，得出車輪旋轉時所受的最大應力。

初始設定，輪輞厚度為6 mm，輪輻厚度為11 mm。因車輪受力情況復雜，以當量應力表示其受力狀態。當車輪旋轉一周時，其最大應力出現在風孔附近[4]，最大形變量出現在輪緣處，其最大應力191.913 MPa，最大形變量0.647 9 mm，如圖3所示。

圖3 6 mm輪輞的鋼圈應力云圖

3 鋼圈結構分析

3.1 輪輞厚度影響分析

改變初始輪輞的厚度，計算同等受力下，不同厚度輪輞的鋼圈所受應力與形變量，結果如表1所列。

表1 不同板厚輪輞的應力、形變量

從表1可以看出，輪輞的減薄勢必引起鋼輪剛度下降，鋼輪所受應力、形變量隨厚度下降而上升，其變化與厚度近似成線性關系。

3.2 槽深影響分析

在輪輞設計中，槽的深度在滿足裝胎和輪轂安裝的情況下是可變的。改變槽深，計算結果如表2所列。

表2 不同槽深輪輞的應力、形變量

從表2中可以看出，應力、形變量隨槽加深而減小，基本成線性關系。適度增加槽的深度，可以提高鋼圈的剛度，改善鋼圈的受力情況。

3.3 輪緣高度影響分析

輪緣是輪輞兩側用于固定輪胎防止輪胎脫落的部分。為保證裝配和避免滑胎，其高度值可取12.7 mm～13.2 mm。輪緣的高度對最大當量應力和變形的影響如下：

表3 不同輪緣高度時的應力、形變量

從表3中可以看出，應力、形變量隨輪緣高度增高而減小。考慮到鋼圈的減薄引起的輪輞形變量增強[5]，因此，在實際制造過程中，輪緣的高度可以取上偏差，即能減小一部分應力，同時可以防止車輪輪胎脫落。

3.4 槽寬與安裝面長度分配

胎圈座須與輪胎配合，其變化較小，而輪輞的總寬一定，剩余長度由槽寬和安裝面分配。在本文選用的鋼圈中，槽寬可在25 mm至31 mm間變化，則安裝寬度也相應從26.6 mm變化至20.6 mm。因此，考慮槽寬變化對鋼圈的影響，其結果如表4所列。

表4 不同槽寬時的應力、形變量

從表4中可以看出，應力、形變量隨槽寬增加而增加。同時，槽寬降低，則安裝面會加長，較長的安裝面成型時圓度更佳，有利于焊接的穩定性。因此在設計時，應結合裝胎的要求，適度減小槽的寬度。

依上述分析，各部分均取最優值，即輪緣高度取13.2 mm，槽寬取25 mm，槽深取36 mm，相比原結構，其結果如表5所列。

表5 鋼圈結構優化前后對比

從表5中可以看出，優化后的產品，應力相比優化前降低了7.2%，而形變量下降了7.9%。

3.5 試驗結果

目前，車輪工廠已有一些產品設計，通過加高輪緣、降低槽寬、加大槽深等方法對原車輪進行了改進。隨機抽取4個改進前的車輪和四個改進后的車輪進行徑向疲勞試驗，改進前平均壽命為8.6E+5轉，改進后平均壽命為1.17E+6轉，失效形式均為風孔開裂，試驗對比如表6所示。

表6 徑向實驗對比

由此可見，產品的未來的設計方向，將是以有限元模擬分析為基礎，通過模擬求出較優參數，并通過試驗驗證[6]。

4 結束語

以某款鋼圈為例，應用ANSYS軟件建模，計算出鋼圈薄弱處。計算分析結果表明：減小板厚，會大大降低輪輞的剛度，而加高輪緣，加大槽深，減小槽寬等，可以有效提高鋼圈剛度，從而減小了鋼圈的最大應力與形變量。通過實際測試，表明此方法是可行的。

[1]GB/T5909-2009.商用車輛汽車車輪性能要求和試驗方法[S].

[2]劉海澄，柳玉起.車輪結構強度的有限元分析及應用[M].武漢：華中科技大學出版社，2004.

[3]張洪信，管殿柱.有限元基礎理論與Ansys11.0應用[M].北京：機械工業出版社，2009.

[4]張卡德，等.汽車車輪輪輻疲勞裂紋位置預估[J].華僑大學學報，2009,（11）:610-613.

[5]邱宣懷，等.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2001.

[6]趙少汴，王忠保.疲勞設計[M].北京：機械工業出版社,1992.