鋁合金車輪側(cè)向剛度影響因素分析

柳振，張紅斌，凌新新，夏竟鈞

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

隨著發(fā)動機噪聲的降低和新能源汽車的普及，道路噪聲已成為城市和郊區(qū)勻速行駛工況下車內(nèi)噪聲(400 Hz 以下)主要來源[1]。降低道路噪聲、改善整車NVH是一個系統(tǒng)工程，根據(jù)傳遞路徑，道路結構噪聲是在輪胎、車輪、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架、副車架、車身、連接襯套等零部件共同作用下的結果[1]。研究表明，提升車輪側(cè)向剛度(簡稱車輪剛度)可不同程度地降低車內(nèi)噪聲水平[2]，車輪剛度已受到越來越多國內(nèi)廠商的關注。但如何從結構上提升車輪剛度多處于定性研究，缺少具體參數(shù)上的分析，無法兼顧車輪剛度和質(zhì)量要求。本文作者結合鋁合金車輪(簡稱車輪)各結構尺寸變化對車輪剛度的影響開展定量分析，對車輪開展精準設計。

1 車輪參數(shù)化設計與剛度分析

車輪基本結構如圖1所示，主要由輪輻、輪輞(包括輪緣)、輪心三部分組成。使用CATIA三維設計軟件對車輪開展參數(shù)化設計，通過調(diào)整輪心結構、輪輻結構、輪輞厚度、內(nèi)輪緣結構、窗口結構(隨型設計)等得到不同的車輪三維數(shù)據(jù)，相比車輪初始數(shù)據(jù)，其他車輪數(shù)據(jù)僅有1個結構尺寸不同。

使用Hypermesh開展數(shù)據(jù)前處理及網(wǎng)格劃分，選擇二階四面體網(wǎng)格，通過Nastran求解器求解，獲取車輪某一螺栓孔處原點頻響函數(shù)的共振峰頻率、反共振峰頻率，代入公式(1)，求得車輪側(cè)向剛度。

(1)

式中：K為車輪側(cè)向剛度，kN/mm；

m為車輪質(zhì)量，kg；

f1為共振頻率，Hz；

f2為反共振頻率，Hz。

1.1 輪心結構影響

1.1.1 輪心厚度

輪心厚度分別選擇35、40、45、50 mm 4個尺寸，車輪質(zhì)量及剛度變化如圖2所示。隨著輪心厚度的增加，車輪剛度快速增加，車輪質(zhì)量增加不大。

圖2 不同輪心厚度下的車輪剛度

1.1.2 輪心直徑

輪心直徑分別選擇170、180、190、200 mm 4個尺寸，車輪質(zhì)量及剛度變化如圖3所示。隨著輪心直徑的增加，車輪剛度快速增加，輪心直徑增加至180 mm后，車輪剛度增加趨勢變緩。

圖3 不同輪心直徑下的車輪剛度

1.1.3 輪心減重窩深度

輪心減重窩深度分別選擇20、15、10、5、0 mm 5個尺寸，車輪質(zhì)量及剛度變化如圖4所示。隨著輪心減重窩深度的減小，車輪側(cè)偏剛度快速增加，車輪質(zhì)量緩慢增加。

圖4 不同輪心減重窩深度下的車輪剛度

1.1.4 輪心根部圓角

輪心根部圓角分別選擇R10、R15、R20、R25、R30 mm 5個尺寸，車輪質(zhì)量及側(cè)向剛度變化如圖5所示。隨著輪心根部圓角的增加，車輪剛度緩慢增加，車輪質(zhì)量基本無變化。

圖5 不同輪心根部圓角下的車輪剛度

1.2 輪輻結構影響

1.2.1 輪輻減重窩深度

輪輻減重窩深度分別選擇18.5、15、10、5、0 mm 5個尺寸，車輪質(zhì)量及剛度變化如圖6所示。隨著輪輻減重窩深度的減小，車輪剛度及質(zhì)量均快速增加。

圖6 不同輪輻減重窩深度下的車輪剛度

1.2.2 輪輻寬度

初始車輪數(shù)據(jù)輪輻內(nèi)外側(cè)寬度分別為73、111 mm，在保持輪輻內(nèi)側(cè)寬度不變條件下，輪輻外側(cè)寬度分別選擇111、99、87、75、62.5、50 mm 6個尺寸，在保持輪輻外側(cè)寬度不變的條件下，輪輻內(nèi)側(cè)寬度分別選擇73、64、52、40 mm 4個尺寸，車輪質(zhì)量及剛度變化如圖7所示。隨著輪輻寬度的增加，車輪剛度、質(zhì)量均快速增加，輪輻外側(cè)寬度增加，質(zhì)量增加更為明顯。

圖7 不同輪輻寬度下的車輪剛度

1.2.3 輪輻厚度

輪輻內(nèi)側(cè)厚度分別選擇29、31、32.5、33.7 mm 4個尺寸，車輪質(zhì)量及側(cè)向剛度變化如圖8所示。隨著輪輻根部厚度的增加，車輪剛度、質(zhì)量均緩慢增加。

圖8 不同輪輻根部厚度下的車輪剛度

1.3 輪輞結構影響

輪輞結構如圖9所示，輪輞厚度分為輪頸、中段、內(nèi)段3個部分，分別對應輪輞厚度1、輪輞厚度2、輪輞厚度3。

圖9 輪輞結構

1.3.1 輪輞厚度

通過調(diào)整輪輞某段厚度，其他兩段保持不變，隨著輪頸段厚度增加，車輪剛度增加極其緩慢，其他兩段厚度增加，車輪剛度無變化。

1.3.2 內(nèi)輪緣結構

選擇兩種常用內(nèi)輪緣結構，如圖10所示。隨著內(nèi)輪緣結構的加強，車輪剛度減小，如圖11所示。

圖10 兩種不同內(nèi)輪緣結構

圖11 不同內(nèi)輪緣結構下的車輪剛度

1.4 窗口結構影響

車輪窗口常見結構形式有普通結構和隨型結構兩種，如圖12所示，采用隨型結構可使車輪質(zhì)量大幅下降，剛度下降明顯，如圖13所示。

圖12 車輪窗口結構形式

圖13 不同窗口結構下的車輪剛度

2 車輪剛度影響因素敏感度分析

定義車輪結構變化引起的車輪剛度變化量與車輪質(zhì)量變化量的比值為車輪剛度影響因素的敏感度系數(shù)(無量綱)，如圖14所示，敏感度系數(shù)越大表明通過調(diào)整車輪某結構參數(shù)帶來的單位質(zhì)量剛度變化越明顯。

圖14 車輪剛度敏感度分析

根據(jù)圖14可以得出如下結論：

(1)對車輪剛度敏感度系數(shù)影響較大的車輪結構參數(shù)主要包括輪心厚度、輪心直徑、輪心根部圓角、輪輻內(nèi)側(cè)厚度、輪心減重窩深度、輪輻內(nèi)側(cè)寬度等，且呈遞減趨勢；

(2)窗口結構、輪輻外側(cè)寬度、輪輻減重窩深度對車輪剛度敏感度系數(shù)影響較??；

(3)隨著內(nèi)輪緣結構的加強，車輪剛度減??；

(4)通過調(diào)整輪心直徑、輪輻減重窩深度、輪輻寬度(內(nèi)側(cè))、輪心厚度、輪心減重窩深度可大幅提升車輪剛度。

3 車輪剛度優(yōu)化設計案例

以某7J×18規(guī)格車輪為例，結合上述分析，車輪初始及優(yōu)化后結構參數(shù)對比見表1，結構對比如圖15所示。車輪剛度由39.8 kN/mm增加至58.6 kN/mm(增加47.2%)，改善明顯，車輪質(zhì)量由11.849 kg增加至12.356 kg(增加4.3%)。

圖15 剛度改善前后車輪結構對比

表1 某車輪優(yōu)化前后結構參數(shù)表

4 結束語

強化車輪中心能夠大幅提升車輪剛度，且質(zhì)量增加不多，在尺寸允許的條件下，輪心根部圓角越大越好，建議優(yōu)先使用。強化車輪中心后剛度仍無法達標時，可考慮通過強化輪輻，遵循先內(nèi)后外原則。若質(zhì)量增加較多，可適當考慮采用隨型結構，以降低質(zhì)量，最終做到剛度與質(zhì)量的平衡。