商用車輪轂設計中有限元分析技術的應用

魯啟立

（廣東富華重工制造有限公司，廣東 江門 529000）

0 引言

輪轂作為車輛發揮重要作用的零部件之一，在移動過程中一直發揮荷載作用，這就要求鑄件具備良好的性能，不能有任何缺陷，例如開裂、夾渣、氣孔等。鑄件輪轂的厚壁必須均勻，整體分析相關機構的設計要求，充分考慮到鑄造手段、拔模條件以及鑄件的分型面等，把廢品率控制到最低，確保生產的可靠性和高效率。有限元方法是一種現代化的數值分析方法，它是利用數學近似的方法對真實物理系統（如幾何和載荷工況等）進行模擬，還可以通過單元（簡單而又相互作用的元素）用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統。隨著計算機技術的快速發展和普及，該方法已逐漸應用于汽車零件的強度分析[1]。隨著計算機技術的迅速發展，有限元分析廣泛應用于汽車零件的可靠性分析。商用車輪轂的特點是結構較為復雜，采用手工計算的方式很難分析輪轂的整體受力情況，而借助有限元法能快捷方便地確定出輪轂各部位的受力情況。該文結合某品牌商車輪轂的特點以及輪轂強度的需求，對其結構進行優化設計，并借助有限元法加以了分析[2]。

1 有限元分析技術的應用優勢

針對汽車輪轂的設計，通過有限元分析技術改進汽車輪轂設計中的問題，保證汽車輪轂的質量，例如目前正在應用的以有限元技術為基礎的汽車輪轂二維建模以及二維建模方案，奠定了汽車輪轂的設計基礎，為以后的三維有限元建構提供了技術支撐。該文基于汽車輪轂的三維模型，分析了汽車輪轂在三維模型下的可靠性和精度，原傳統方式采用二維模型進行設計，容易與實際施工效果產生較大偏差，利用三維模型和有限元設計技術可以很好地解決該問題，從而使汽車輪轂設計更加科學。在汽車輪轂設計制造中應用有限元設計技術，構建實驗用的仿真模型，進行沖擊載荷、疲勞應力等仿真實，檢驗汽車輪轂利用不同材料設計的軸承區的力學性能。與有限元技術的有機結合，更有助于汽車輪轂的后續設計和制造。有限元法可以很方便、清晰地顯示出輪轂各處的受力情況，在能夠確保輪轂強度的基礎上，對輪轂的設計進行優化，同時進行有限元技術實施強度分析。并對設計數據進行計算，可以優化設計效率，從而達到汽車輪轂設計的預期效果和目的。

2 輪轂的設計工作

汽車的輪轂系統借助輪轂軸承的旋轉來實現其功能，以滿足汽車行駛的要求；借助制動鼓可以使汽車停車或減速。輪轂系統的設計需要滿足汽車安全可靠的要求，要保證可以承受汽車懸掛的垂直載荷、側向滑動力以及制動系統產生的扭轉力矩等；商用車的輪轂系統組成包括前輪轂、后輪轂以及掛車輪轂。輪轂的組成包括了輪轂本體、滾動軸承、連接螺栓、油封、齒圈、制動鼓及其聯接件。輪轂本體受力復雜，關系到整車的行駛安全，其質量至關重要[3]。針對輪轂設計，為了保證其滿足國家相關要求，設計過程可以對有限元法進行有效應用，將汽車整體的結構設計與汽車輪轂設計有效融合，利用有限元分析合理完善三維建模，在整體上提升汽車輪轂設計的質量。

3 輪轂數學模型的建立

汽車的輪毅系統需要承受多種載荷，包括垂直方向、側向力以及制動產生的扭轉力矩等。通過螺栓將輪轂與輪輞進行固定連接，只有充足的摩擦力矩和靜摩擦力才可以實現預緊力，所以輪轂在結合面處需要承受各類載荷與彎矩的傳遞；輪轂和制動鼓也要保證連接預緊力有效，并且針對制動鼓制動時形成的扭矩，端面必須有足夠的承受力。設計輪轂的結構時，必須通過計算校核輪轂在極限條件下的受力情況，特別是在輪轂處于緊急制動條件下的受力計算，以分析輪轂在最大側向力作用下的可靠性[4]。

汽車在緊急制動（打滑狀態）時輪轂的強度計算如下。

輪轂所受垂直載荷力F。

式中：φ2-輪胎和地面的側向附著系數，計算數值為1.0。

4 實體模型的網格劃分及載荷與約束的加載

4.1 輕量化方案建立

根據傳統輪轂的強度分析結果，確定了以下輕量化方案。法蘭周邊存在大量冗余材料，去除冗余材料，輪轂采用花瓣結構。清除輪轂蓋周圍多余的材料，以改進鑄造工藝。但是，它位于法蘭的根部。為了避免強度和剛度的下降，加勁肋沿徑向布置。拆下材料后，輪轂蓋從原來的螺紋連接改為過盈壓接。適當減小儲油室的壁厚。

4.2 實體模型的網格劃分

該文借助UG6.0 軟件建立3D 實體造型仿真后輪轂的結構，并導入Patran 軟件加以分析。對整個零件進行網格劃分，輪轂的形狀較為復雜，采用網格劃分的方式建立起四面體實體單元，網格劃分結果如圖1。各個零部件的彈性模量、屈服強度、抗拉強度如表1 所示。

表1 材料屬性定義

4.3 載荷及約束的加載

結合已建立出的模型，在行駛條件下施加載荷與約束，結果表明，實際的約束與有限元模型存在一定的差異，為了將實際的載荷狀況真實地體現出來，通過實驗分析，把輪轂的約束狀態搞清，也就是軸承孔對輪轂的約束，同時x、y、z三個方向對其產生作用，平動與轉動也在作用之內，y、z方向的平動與x方向發生的轉動形成對軸承孔的約束[5]。

5 有限元分析結果

在輪轂結構以及定位尺寸不發生改變的基礎上，對輪轂加以優化設計，即針對輪轂的結構實施優化設計，其優化后的三維結構如圖2 的（a）和（b）所示。

圖2 輪轂三維結構

針對不同工況下輪轂載荷的變化，可以通過計算進行分析。輪轂的應力在優化前后發生變化圖3、圖4 所示。

5.1 前輪轂的仿真結果的優化

圖3（a）顯示前輪轂處于緊急制動狀態下優化應力分布圖，圖3（b）最大側向力時優化前輪轂應力分布圖。

5.2 后輪轂的仿真結果優化

圖4（a）顯示后輪轂處于緊急制動狀態下優化應力分布圖，圖4（b）后輪轂在最大側向力時優化應力分布圖。

對輪轂的結構加以優化，輪轂的應力發生的變化如表2所示。輪轂的材質：QT450-10，屈服強度310MPa，抗拉強度450MPa。通過結果對照不難看出，進行應力優化后產生明顯效果，遠小于材料本身的屈服強度[6]。經過對優化化前、后的分析云圖（見圖3、圖4）分析，得出在緊急制動、最大側向力工況下，輪轂的安全系數（見表3）。

表2 優化前后結果對比

表3 改進前后輪轂的安全系數對比

圖3 優化前輪轂應力分布圖

圖4 優化后輪轂應力分布圖

沖擊載荷下屈服極限系數下降（1.19-1.15）/1.19=3.36%，滿足要求；強度極限系數下降（1.728-1.665）/1.665=3.78%，滿足要求。

5.3 強度校核

最終優化后，輪轂的應力分布更加均勻。在滿足輪轂強度的前提下，提高了材料的利用率。對13T 橋梁試驗，輪轂質量減少3.5kg，占總輪轂質量的14.3%。結果表明，優化后輪轂的彎曲疲勞壽命為497000 周，比優化前降低了87.1%。徑向疲勞壽命為146.3 萬次，比優化前降低82.1%。但輪轂的疲勞壽命仍滿足設計要求，在規定的使用壽命內不會發生疲勞失效，因此優化結果是可靠的。

對輪轂腹板厚度和腹板夾角的分析，并與鋁合金材料的許用應力值進行比較，可以看出，當腹板厚度為16mm～20mm時，只有鋁合金材料的許用應力240MPa 超過車輪的最大應力值，才能滿足車輪的強度需求。基于必須滿足車輪最大應力值小和材料少（腹板厚度小）這兩個要求，要保證腹板厚度為 18mm～20mm。如果腹板夾角變化范圍在50°～60°時，通過模擬過程顯示，只有越大的夾角才會產生更小的車輪應力值，車輪也就更安全；車輪的最大應力最小時兩板夾角為60°時，車輪最安全。通過數次試驗，確定53°～60°為板間夾角的最佳范圍。

6 輕量化成果

為了有效提升商用車產品的綜合性能，當前已完成了多個型號的輪轂輕量化，包括10t、13t、16t 級橋型，均已進行的15 萬km 的安全性試驗。在提升產品性能的前提下，實現降重、降成本的目標（內容如表4）。

表4 輕量化輪轂降重、降成本成果

對商用汽車輪轂結構進行有限元分析，明確了結構中存在的低應力集中區域。對該區域輪轂的結構進行了輕量化設計。借助輕量化方案不僅可以提升鑄造的工藝性，還通過了15 萬km 可靠性試驗。對比傳統輪轂，通過輕量化設計可以使質量平均降低約13.7%，降低成本約13.8%，實現輪轂降重、降成本的目標，整車的運載效果、燃油經濟性以及操縱穩定性得以提升。

7 結語

綜上所述，在人們物質生活質量顯著提升的今天，汽車已經成為代步的主要工具，而為了駕駛的安全性和體驗的良好性，在汽車工程中應用有限元技術進行分析意義重大，也逐漸推動該技術在汽車生產商中的普及。汽車輪轂的設計是整體汽車結構的核心技術，如果生產中的安全問題不能解決，不僅威脅到駕駛員的安全，更會影響到汽車相關產業的經濟效益。該文的有限元分析模型就是針對輪轂的結構特點建立的，利用該模型進行仿真分析，可以確定出輪轂應力分布特點。優化設計后，在保證強度可靠的基礎上，降低了該型號輪轂的質量，對比傳統輪轂，輕量化輪轂更加安全可靠，不僅使用壽命長，而產品的質量輕，相應的成本也有所降低，具有廣闊的應用前景。