關于CAE技術在自卸車車輪輕量化設計中的應用

張鴻剛 王莎莎

摘 要：傳統概念設計的車輪質量較重，且在螺栓孔和散熱風孔處容易出現開裂。因此，通過對某8×4工程自卸車車輪輪輻散熱風孔尺寸進行優化，利用HyperWorks有限元分析軟件，對優化前后的輪輻進行強度分析，優化后輪輻在滿足強度要求的前提下，具有更輕的質量，以實現輕量化目標，達到降低整車整備質量和整車油耗的目的。

關鍵詞：有限元分析;汽車輪輻;輕量化;優化設計

中圖分類號：U272.6+4? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）15-75-03

Abstract： The wheels of traditional conceptual design are heavy in mass and prone to cracking in bolt holes and cooling air holes. So， optimize the size of the hot air hole of wheel of the engineering dumper through the calculation of the FE model. HyperWorks is used to analyze the strength of the spoke for before optimization and after the optimization， so as to have lighter mass on the premise of the requirement and achieve the target of the lightweight and reduction of fuel consumption.

Keywords： FE analysis; Automobile spokes; Lightweight; Optimized design

CLC NO.： U272.6+4? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-75-03

1 概述

車輪做為車輛的主要承載部件，對車輛的行駛安全和經濟性有著重要影響。車輪包括橡膠輪胎和輪輞-輪輻兩大部分。基于傳統概念設計的車輪存在車輪質量較重的缺點，會造成整車整備質量和整車油耗上升，增加用戶車輛運營成本。目前，車輪輪輻在螺栓孔和散熱風孔附近容易出現開裂。為此，在保證輪輻滿足強度要求的前提下，通過對輪輻散熱風孔尺寸優化，降低車輪重量，減小整車簧下質量，以達到降低整車整備質量和整車油耗的目的，同時也可提升整車舒適性。因此，利用有限元分析法對現有車輪進行輕量化降重設計。

2 車輪有限元模型及工況描述

2.1 有限元模型的建立

以某款8×4型工程自卸車為基礎，通過CATIA軟件對車輪進行三維實體設計，利用HyperMesh作前處理，Opti -Struct、nCode進行求解。基于三維實體模型，搭建輪輻-輪輞有限元模型。輪輞-輪輻有限元模型主要采用四邊形殼單元，平均尺寸5mm。

2.2 工況描述及應力分布

車輪作為整車的承載部件，主要受到一個旋轉的彎矩作用，根據GB/T 5909-2009《商用車輛車輪性能要求和試驗方法》中幅板式車輪的強度試驗要求，按公式確定彎矩：

式中：M為車輪彎矩，單位為N·m;μ為輪胎和路面間設定的摩擦系數，取η=0.7;R為車輛或車輪制造商規定的該車輪配用的最大輪胎的靜態負載半徑，取R= 0.5m;d為車輪的內偏距或外偏距（內偏距為正，外偏距為負），取d=0.172 m;Fv為車輛或車輪制造商規定的車輪額定負載值，取Fv= 121765 N;S為強化試驗系數，取S=1.1。計算得M= 69893.11 N·m。

根據計算結果，對車輪進行靜態強度分析，靜態強度分析工況加載示意如圖1所示：

按照加載示意圖對車輪靜強度分析，車輪材料基本信息如下表：

a.車輪最小靜態安全因子和最大應力分布如圖2所示：

b.車輪散熱風孔最小靜態安全因子和最大應力分布如圖3所示：

根據強度分析結果，車輪散熱風孔應力較小，存在優化空間，可對散熱風孔尺寸進行優化，實現輕量化設計。

3 車輪尺寸優化設計

3.1 優化方案制定

根據有限元仿真分析結果，結合車輪使用工況和車輪制造工藝，確定車輪改進方案如下：對現有車輪散熱風孔尺寸進行優化改進，將車輪散熱風孔由35mm×60mm橢圓孔狀態優化為40x53孔狀態，實現降重優化。車輪優化前后結構對比見圖4。

3.2 優化后應力分布及試驗驗證

車輪優化改進后，按照前文2.2中有限元分析法對優化后車輪和車輪散熱風孔進行靜態強度分析，查看最小靜態安全因子和最大應力分布結果如下。

（1）優化后車輪最小靜態安全因子和最大應力分布如圖5所示。

（2）優化后車輪散熱風孔最小靜態安全因子和最大應力分布如圖6所示：

根據有限元仿真分析結果可知，優化后車輪散熱風孔最大應力184 MPa，小于材料屈服強度250 MPa，靜態安全因子大于評價標準1，滿足強度要求。經實際測量單只車輪在原有重量基礎上實現降重5Kg，此款8×4型工程自卸車整車實現降重65Kg（車輪優化前后數據見表2）。經后期推廣應用在整車實際試驗及客戶使用過程中，優化后車輪使用效果良好，車輪未出現變形、開裂等質量問題，優化后車輪滿足車輛使用要求。

4 結論

本文針對基于傳統概念設計的車輪存在設計冗余和車輪質量較重的缺點，利用有限元分析法對某款8×4型工程自卸車車輪進行了輕量化設計，優化設計后單只車輪降重5Kg，降幅達9.4%，優化后的車輪通過有限元仿真分析和實車試驗驗證，均滿足強度工況要求。通過此次有限元分析法對車輪

結構輕量化設計的成功應用，反映出設計開發應大量利用有限元仿真分析手段，找出產品最佳設計方案，降低設計成本，縮減產品開發周期。

參考文獻

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