汽車輪轂結構優化分析

馬懷財

摘 要：基于ANSYS對汽車輪轂進行了靜態受力分析和疲勞分析，將輪轂分解成扇形模型，在輪轂承受載荷為146Mpa時，得出輪轂輪緣附近的最大應變和應力;在進行疲勞分析時，對輪轂施加175N·m的扭矩，循環周數取108次，得出輪轂輪心附近的最大應變和應力，通過靜態受力分析和疲勞分析提出了在本文所定義的材料屬性條件下，設計輪轂應注意輪緣的強度問題和輪心附近的圓角大小問題，使輪轂的設計更加合理、安全可靠、輕量化，對汽車行駛過程中的安全性和可操縱性有著重要的意義。

關鍵詞：靜態受力分析;疲勞分析;輕量化

引言：汽車輪轂作為汽車行駛系統中重要組成部分，除滿足相應的性能外還要求做到盡可能的輕，靜態受力分析和疲勞分析解決了汽車輪轂設計在滿足安全性、可靠性的條件下，如何使輪轂更加輕量化的問題。把汽車在行駛時受到路面的垂直反作用力簡化成輪轂在靜止狀態時受到的徑向力，進行靜態分析;把汽車行駛時地面給輪轂的切向反作用力等效成輪轂所受的扭矩，設定108的循環次數進行疲勞分析。

一、靜態受力分析

輪轂的設計采用鋁合金材料，材料屬性如表1

通過solidworks精確建模，將輪轂簡化成扇形模型，進行靜態受力分析。采用ANSYS默認網格形狀劃分，設定網格尺寸為 10mm。劃分后節點數118909，單元數66482。

在ANSYS靜力學分析中，固定軸承空面，對汽車輪轂施加徑向受力載荷146Mpa如圖1，輪轂受到的最大應力為2.2x104 Mpa，最小應力為0.397Mpa;應變云圖如圖2，輪轂最大應變為0.245m，最小應變為0，最大應變位于輪緣位置，此處最容易發生輪轂失效。

二、疲勞分析：

對輪轂進行網格劃分，網格大小為2cm。劃分后節點數343628，單元數200605。

汽車在瀝青路面行駛時，與地面的滾動摩擦系數為0.25，假設汽車重2000Kg，由公式f=λG，計算得f=500N，車輪直徑d=0.7m，M=175N·m.對輪轂施加175N·m的扭矩，如圖3，輪轂最大應力1.2Mpa，最小應力1.8x10-6pa，最大應變5.6x10-7m，最小應變0，如圖4。

疲勞壽命最大108，最小0;疲勞損傷最大1032，最小10。

三、結論：

1）輪轂在受徑向力時輪轂邊緣的應力和應變最大，汽車在行駛過程中此處最容易損壞，在設計過程中要重點考慮輪緣強度問題，在制造時避免此處出現非晶體缺陷。

2）汽車在行駛過程中，輪形與車軸結合的部位最容易產生累計損傷，輪轂設計制造時應避免此處出現表面缺陷和損傷，邊緣處應使用圓角，金屬表面是疲勞裂紋源易于產生的地方，因此需要對此處進行表面強化處理。

3）輪轂的輕量化設計應重點考慮輪輻的設計，主要包括輪輻的結構和形狀。

參考文獻：

[1]韋洲，張曉光，徐洪琛.基于有限元的鋁合金汽車輪轂彎曲疲勞分析.遼寧工業大學：機械工程與自動化學院.2018

[2]閆勝昝，劉偉鵬.基于有限元分析的鋁合金輪轂造型設計.安慶師范學院：計算機與信息學院;萬豐奧威汽輪股份有限公司：技術中心.2014

[3]張總.鋁合金輪轂的結構優化及試驗分析.長沙航空職業技術學院.2013

[4]敦勃文，張響，韓滄，劉偉鵬，張三川.鋁合金輪轂沖擊試驗瞬態有限元分析.鄭州大學力學與工程科學學院，浙江萬豐奧威汽輪股份有限公司，鄭州大學機械工程學院.2018

[5]李曉敏.我國汽車鋁合金輪轂發展現狀及建議.洛陽有色金屬加工設計研究院.2011

[6]李飛，張盛，彭海軍，陳飆松.考慮局部非線性結構振動的模型預測控制.大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室：工程力學系.2018、

[7]李奇宏，劉文勝，馬運柱，楊肅，楊力.基于Workbench的機輪輪轂靜力強度分析方法探究.中南大學粉末冶金國家重點實驗室.2018