某皮卡車輪蓋安裝結構的有限元分析方法

周忍，曾德欽

引言

汽車車輪蓋是裝配到鋼制或鋁制車輪上的一種零部件，其作用一是配合整車車輪造型并帶有汽車生產廠家品牌標識；二是遮蓋軸頭螺母或輪轂，防止汽車行駛時的污染物腐蝕內部部件。車輪蓋設計主要要求為 1) 造型要美觀，顏色要搭配車輪和車身，整個車輪蓋要符合整車風格；2) 安裝方式要牢固，不允許車輛行駛過程中脫落；3) 符合外部凸出物法規要求[1]。

車輪蓋結構上有幾個圓周均布的卡腳，用于與車輪預留凹槽匹配，裝配卡腳尺寸會比凹槽尺寸較大而產生一定的過盈量，此過盈量會對車輪蓋產生壓緊力，進而產生徑向的靜摩擦力來固定車輪蓋。目前市場上常出現的問題為車輪蓋脫落，其主要原因是汽車在顛簸路面行駛時張緊力過小導致松脫，或張緊力過大導致卡腳斷裂脫落。此問題輕則影響美觀，重則傷及車輛行人。

目前還沒有理論的方法對車輪蓋的裝配可靠性進行描述，僅依靠試制試驗過程的反復驗證和經驗積累[2]。本文首先提出三種車輪蓋安裝結構的模型，運用有限元分析方法模擬車輪蓋裝配到車輪的工況，得出車輪蓋的變形和應力，并對不同設計模型進行總結，得出最佳設計模型。整車道路試驗驗證良好，這表明本文方法可行有效，提高了設計的準確性，并縮短車輪蓋的研發周期。

1、分析模型

以某國產皮卡的車輪蓋為分析對象，幾何模型如圖1所示，車輪蓋裝配到鋁輪轂上。

車輪蓋的結構如圖2所示，主要由車輪蓋主體和張緊鋼絲圈組成，其中車輪蓋主體外表面根據造型和裝配需求設計而成，由塑料材質注塑而成，具有一定的剛度和強度；而鋼絲圈根據卡腳分布設計成圓環狀，其主要作用是當卡腳與鋁輪轂裝配受壓變形，保持一定的張緊力，避免變形量過大。本文從裝配角度和張緊力方面考慮，設計了三種模型：模型A為不帶鋼絲圈的車輪蓋主體；模型B為帶鋼絲圈的車輪蓋，且鋼絲圈與車輪蓋主體貼合較緊；模型C為帶鋼絲圈的車輪蓋，且鋼絲圈與車輪蓋主體貼合較松。

2、模型計算

2.1 網格處理

將幾何模型導入到 Hypermesh[3]軟件中，先進行幾何清理，忽略掉車輪蓋主體中心的LOGO等不影響裝配尺寸的局部特征，來減少網格數量和計算時間，再進行網格劃分，網格基本大小為0.4mm，車輪蓋主體采用3D四面體網格處理，局部進行細化以保證計算精度，鋼絲圈采用3D六面體網格處理。整個模型處理結果如圖3所示。

2.2 材料屬性

為配合鋁輪轂造型，車輪蓋表面采用噴銀粉漆處理，考慮材料特性和經濟性，我們選取車輪蓋主體材料為 ABS，它是一種強度高、韌性好、易于加工成型的熱塑型高分子材料，可以在-25℃到60℃的環境下表現正常，具有很好的成型性，加工出的產品表面光潔，易于染色。鋼絲圈材料選用彈簧鋼65Mn，參數如表1所示。

表1 車輪蓋材料屬性

2.3 邊界條件

為了保證分析模型與實際裝配狀態一致，所有模型的車輪蓋中心點采用6自由度全約束，載荷在圖示指定位置，施加法向力，如圖4所示，根據變形結果調整法向力的大小，使變形結果為卡扣的過盈量，三個模型的法向力大小如表2。

表2 法向載荷值

模型A和模型B采用靜力分析，模型C車輪蓋與鋼絲圈滑動接觸，采用非線性準靜態分析。

2.4 分析結果

在Hypermesh軟件中完成前處理工作后，整個模型導出為INP格式，再導入到ABAQUS軟件中提交計算。三個模型的最大應力圖如圖5所示。

應力比較數據見表3。

表3 三種模型的最大應力值

經過數據對比分析，得出：

1）增加鋼絲圈會使安裝力和拆卸力大幅增大，且鋼絲圈越貼近卡腳，所需要的力會越大；

2）增加鋼絲圈在使卡腳部位的應力增大，完全貼緊情況下，車輪蓋本體的應力值會超過材料抗拉強度而發生斷裂。

3、結論

為保證車輪蓋裝配可靠和合適的拉脫力，應增加鋼絲圈結構，并且通過改變鋼絲圈與卡腳之間的距離來調整加載法向力的大小，進而找出最佳間隙。

根據以上計算分析，調整后的車輪蓋模具件在定遠試驗場做 30000km道路試驗驗證（其中強化路 12000km，山路8000km，高環8000km，公路2000km），未出現卡腳斷裂和脫落現象，符合整車設計要求。

[1]《汽車工程手冊》編輯委員會. 汽車工程手冊設計篇[M]. 北京:人民交通出版社,2001.05.

[2] 董金虎,李春艷,李新.CAE技術在解決汽車車輪蓋注射缺陷中的應用[J].模具工業,2006,32(2)14-17.

[3] 王鈺棟等. HyperMesh&HyperView應用技巧與高級實例[M]. 北京：機械工業出版社,2013.01.