鋁合金汽車輪轂設計過程探討

摘要：本文介紹了汽車鋁合金輪轂結構設計的一般步驟、原則和方法；并基于CAD、UG軟件的功能和應用闡述了汽車鋁合金輪轂實體造型的設計方法，然后介紹了ANSYS軟件應用于輪轂的分析功能。

關鍵詞：鋁合金輪轂 實體造型 結構設計 性能分析

中圖分類號：TG292文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）08（c）-0018-02

當今的制造業，在產品的開發設計過程中普遍采用了電腦輔助設計技術，同樣汽車行業也不例外。在開發汽車相關產品時，需要綜合考慮到造型、外觀、工藝及制造條件的各種限制，同時應結合以往的經驗進行設計。而鋁合金輪轂作為汽車的重要零部件之一，在開發和設計的過程中，相關安全性能參數和結構的制定顯得尤為重要。為了提高鋁合金輪轂的質量及在市場中的競爭力，就需要新開發產品具有：安全可靠的性能保障、美觀大方的造型設計、同時要兼顧節能降耗、成本低廉。這就需要設計人員運用先進的鋁合金輪轂設計手段，進行二維及三維的造型設計。設計完成后，應用有限元分析軟件對鋁合金輪轂的性能進行沖擊試驗和彎曲試驗的模擬驗證，了解其應力和應變分布情況；分析后根據結果對結構進行調整。調整后，再進行分析，如此反復，直至達到理想狀態。

1 鋁合金輪轂的優勢

輪轂作為車輛承載的最重要的安全部件之一，它不僅承受車輛自重垂直作用到輪轂上的壓力，還受到車輛在起動、制動時動態扭矩的作用以及車輛在行駛過程中轉彎、凹凸路面、路面障礙物的沖擊等來自不同方向動態載荷產生的不規則交變受力，其受力情況非常復雜而且是動態變化的。作為行駛中高速旋轉的輪轂，其內在的質量和可靠性關系到車輛和車上人員、物資的安全性，還影響到車輛在行駛過程中的平穩性、操縱性、舒適性等性能。這就要求輪轂的尺寸精度高、動平衡好、疲勞輕度高、剛度和彈性好、質量輕、美觀等[1]。而鋁輪轂以其良好的綜合性能滿足了上述要求，在安全性、舒適性和輕量化等方面表現突出，博得了市場青睞，正逐步代替鋼制輪轂成為最佳選擇[2]。

與鋼輪轂相比，鋁合金輪轂降低了非載荷重量而提高了抓地性；減小了車輪等旋轉部分的熱慣性，散熱性好；硬度高，剛性好。此外還具有同心度高、徑向端向跳動低、受力合理、耐腐蝕、造型美觀等優點。據統計，鋁合金輪轂與傳統的鋼輪轂相比，重量減輕了30%～40%，可節約油耗5%，汽車的振動程度可減輕12%，加速時間可縮短7%，明顯提高了整車性能。在摩托車、汽車行業鋁合金輪轂得到了廣泛的應用，其裝車比例逐年上升，尤其是在轎車行業，整體式鋁合金輪轂幾乎一統天下[3]。

整體式鋁合金輪轂的鑄造冶金質量、X光探傷及尺寸精度要求很高，機械性能好、同時成本低，因此很受歡迎。

2 汽車鋁合金輪轂鑄件的三維實體造型設計

在造型設計過程中，首先對輪輞進行設計，再設計輪輻造型。由于國標對輪輞的形狀、尺寸有要求，所以輪輞的造型必須嚴格按照國標的要求進行。在輪輞造型的基礎上再進一步做輪輻造型。

UG軟件三維實體造型技術是利用其功能中的建模模塊實體特性，遵循由2D→3D→2D的方式進行。

2.1 2D設計

首先利用CAD軟件建立輪輞的截面曲線：通過繪制直線、圓弧、自由曲線等基本命令，并做約束、倒角、剪切、鏡像等操作，最終生成所需的曲線形狀。然后設計輪輻沿半徑方向的剖面曲線，和窗口的外形曲線，在設計窗口的形狀時要考慮窗口的分布及拔模斜度因素。根據輪輻及法蘭盤造型螺栓孔分布等因素設計輪輻套料和中間盤套料的形狀。

2.2 3D創建

在2D設計完成后，要將剖面線導入UG軟件。（2D剖面線也可在UG草圖里制作，但在CAD里設計更順手）。然后根據輪輻的截面曲線和窗口的外形曲線，利用回轉、拉伸、拔模、曲面工具，并做修剪、延伸、倒圓等操作，生成輪輞實體和輪輻實體造型，再利用合并工具將輪輞與輪輻合為一體。最后利用鏡向、陣列等命令即可生成想要的造型。

2.3 2D導出

輪轂設計完成后，即可利用UG的制圖功能生成2D正面圖、背面圖、主剖視圖、及局部剖面圖。然后導出2D平面圖格式[4]。

3 鋁合金輪轂的性能分析

鋁合金輪轂3D造型設計完成后，要運用ANSYS軟件對其進行模擬試驗分析，以驗證其性能狀況。目前應用ANSYS軟件主要是對輪轂的沖擊和彎曲試驗進行模擬分析，經多次與真實試驗結果對比，證明該軟件的分析結果是切實有效的。

3.1 輪轂沖擊試驗模擬分析

步驟概述：做符合實際試驗狀態的3D模型→對重錘和輪轂分別賦予不同的材質→劃網格→添加作用力（包括力的大小和方向）、約束面及位移量→添加施力方式→分析結果。

分述如下：

（1）將3D導入；（2）賦予材料：分別賦予沖錘和輪轂的材料材質。對沖錘賦予結構鋼材質，對車輪賦予鋁合金材質；（3）劃網格：網格的大小可以調節；（4）施加作用力；①力的大小：計算重錘與輪轂接觸的瞬間作用力的大小；②力的方向：點擊黑白按鈕可以選擇力的方向；③位移：在施力面的軸向，設定一個參考位移值。作用力施加后，要選擇施力方式；然后開始分析（5）運算結果：調節應力范圍顯示運算結果。

3.2 輪轂彎曲試驗模擬分析

步驟概述：做符合實際試驗狀態的3D模型→對力臂圓柱和輪轂分別賦予不同的材質→劃網格→添加作用力（包括力的大小和方向）、約束面→添加施力方式→分析結果。

分述如下：

（1）將3D導入；（2）賦予材料：分別賦予沖錘和輪轂的材料材質。對沖錘賦予結構鋼材質，對車輪賦予鋁合金材質；（3）劃網格：網格的大小可以調節；（其前三個步驟操作方法與模擬沖擊試驗是一致的，只是導入的分析模塊有區別；（4）施加作用力；①力的大小：根據彎矩計算作用力的大小，受力點在力臂圓柱的最底面上；②力的方向：X、Y方向要單獨分析；③選擇施力方式。（5）開始分析；（6）運算結果：調節應力范圍顯示運算結果。

沖擊、彎曲模擬分析完成后，根據分析結果綜合評定，對輪轂結構進行調整，避免應力集中的現象[5]～[6]。

4 結語

綜上所述，有了CAD、UG和ANSYS設計和分析軟件的幫助，使得一些設計工作變得十分快捷。傳統的設計和分析過程是一項耗時且復雜的工作，必須經過不斷改進、評估、試誤以獲得最佳結果。比如最初的輪轂設計是：依據個人經驗的積累對產品做出初步的設計，再由初步的設計去做出原始模型，生產出樣品。樣品完成以后，進行試驗以確保產品的可靠性。初級樣品經測試不能滿足顧客對產品質量的需求時，再去修改原設計圖，再做樣品然后再測試。此種方法費時且成本相當的高。有了電腦輔助工程用于產品的開發、設計、分析與制造，省時又省力[7]。

現在的輪轂開發是：首先運用CAD、UG設計圖紙，在圖紙設計完成后，運用ANSYS軟件作相關的性能模擬分析，然后再調整再分析，直至達到理想狀態。最終設計定型后，再進行模具設計、模具制作。模具完成后，進行試制，對試制的樣品進行試驗驗證，只要工藝正常，樣品一次通過試驗的幾率可達95%以上。

參考文獻

[1]白雪峰，陳新萍.汽車鋁合金輪轂發展概況[J].華章，2010（3）.

[2]朱利民.汽車鋁合金輪轂制造[J].汽車制造業，2007（15）.

[3]潘曉濤.汽車鋁合金輪轂低壓鑄造模具設計[J].機電工程技術，2005（9）.

[4]沈精虎.UGNX機械設計基礎教程[M].人民郵電出版社，2008.

[5]龔曙光，羅顯光.ANSYS基礎應用及范例解析[M].機械工業出版社，2009.

[6]陳精一，蔡國忠.電腦輔助工程分析[M].中國鐵道出版社，2011.

[7]徐義武.鑄造CAE在解決汽車鑄件鑄造缺陷中的應用[J].特種鑄造及有色合金，2011（8）.