汽車車輪的結構強度分析

唐珍珍

鹽城生物工程高等職業技術學校 江蘇省鹽城市 224000

當今社會發展中汽車已經成為人類最重要的代步工具，伴隨著汽車工業與科學技術的發展持續優化升級汽車的使用性能，促進汽車迭代升級。高速運轉中的汽車對車輪的安全性要求較高。汽車的平穩性、可操作性以及安全運行的性能很大程度取決于車輪的性能。本文通過有限元分析法對復合材料車輪進行模態分析與應力分析，綜合汽車實用性要求的角度分析車輪結構強度，優化設計汽車結構強度，以期實現在降低車輪總質量、整車質量的同時，提高續航里程。本文研究結論具有較大的參考價值。

1 車輪基本知識

汽車行駛中車輪與地面間會形成附著力，即形成制動力與驅動力，承擔簧載質量并解決道路不平而導致沖擊力的問題，從而提高汽車操作穩定性。車輪的結合形式主要可分兩種：第一種是整體式，即一體化輪輻與輪輞；第二種是組合式，即至少由兩個部件構成車輪。

輪輻與輪輞是車輪的基本部件。汽車整車的重量主要依托輪輞與最外側輪胎承載。輪緣，即輪輞的最外沿。輪緣與輪胎相配合，形成軸向載荷并作用于輪胎，能夠保護輪胎。從結構上看，常見的輪輞有三種類型：第一種是對開式；第二種是平底式；第三種是深槽式。在設計車輪結構時，需要充分考慮如下兩個參數：第一個是輪輞名義直徑；第二個是輪輞寬度。上述兩個參數共同決定了輪胎對地面的單位壓力。一般認為輪輞的寬度越大，運轉中的車輪就會受到越大的摩擦阻力，由此造成較大的油耗。綜上，從燃油的經濟性的角度分析應落實輕量化設計、輪輞結構參數設計，這有利于減少能耗。輪輻可通過鉚接或者焊接的方式將輪輞與輪盤固定為一個整體，并借助輪盤的中心孔以及周圍的螺栓孔在輪轂安裝輪輻，主要可分為盤式、輻式。本文研究中的車輪都為螺栓孔，共計5個。車輪的整體結構，如圖1 所示。

圖1 車輪結構圖

一般可按照國家指定的尺寸選配設計輪輞與輪胎，兩者都屬于標準件。在車輪中，作為支撐結構的輪輻一般是由設計者決定尺寸與外形的，其沒有可參考的國家標準。在整個設計過程中，應該確保行駛中的汽車可均勻的受到輪輻，避免應力集中的情況。輪輻中心的厚度大于輪緣的厚度，整體呈現出遞減的趨勢。具體設計時應該綜合外觀設計要求以及各種工況下車輪對強度的要求。車輪的重量主要取決于輪輻與輪輞。后續計算時可按照兩者質量在車輪中的占比為80%進行計算。建模平臺在參數化模型構建車輪方面主要運用了CreoParametric 軟件。

2 汽車車輪結構有限元建模

為了降低有限元建模的求解誤差，應合理選擇網格。殼體部件屬于汽車零部件的一部分，通常以四邊形網格進行網格劃分。如果是實體部件則多采用六面體網格、四面體網格。COMSOL Multiphysics 為了避免誤差的影響，通常采用多種網格尺寸控制法。車輪不適宜劃分為規則網格，這是因為其包含較多曲面，具有不規則性。本次運用軟件自帶的自適應網絡劃分工具實現自動生成網格，可計算離散誤差。在此基礎上，結合誤差大小對網格的大小、密度進行調整，從而提高有限元分析的精度。在劃分好網格后，需要檢查網格的質量。這是因為計算有限元分析數據的周期及計算準確性很大程度取決于網格的密度、大小及其所屬類型。在COMSOL軟件中包含多種網格檢查的標準，比如最大角度、條件數、偏斜度、體積vs 長度等。操作時可借助軟件獲取網格單元質量正態分布圖，一般情況下其擬合性越好，則代表網格質量越好。本次研究中車輪所使用的為四面體單元，其單元大小為2mm。車輪整體網格劃分如圖2 所示。

圖2 車輪網格劃分圖

設定以碳纖維-環氧樹脂作為輪轂材料，表1 為基本材料屬性。

表1 輪轂材料屬性

3 車輪的模態分析

如行駛中的汽車出現共振是一件很危險的事，它不僅會直接影響汽車正常行駛，影響車輪的NVH 性能乃至整個生命周期的使用，嚴重的還有可能演變成為車毀人亡的事故。車輪是否發生共振主要與外部激振頻率有關。如該值接近汽車固有頻率即很有可能發生共振。基于此，為了確保汽車整車平穩運行，應以車輪的結構力學特性作為研究重點。作為汽車最重要的部件之一車輪具有多自由度的屬性特點，可通過模態合成車輪的運動狀態，故此需要模態分析車輪。在研究動力學問題方面，模態分析也具有較大的價值，主要是按照設計結構的振動頻率以及振型設計的。如圖2 所示，本文主要以復合材料車輪為例，對其進行模態分析。

分析各階段材料輪轂的頻率值如表2 所示，復合材料車輪一般不會受到外界較大的影響，其能夠遠離共振頻率。另外，相較于低頻振動，高頻振動所需的能耗較小，更符合燃油經濟性要求。

表2 碳纖維-環氧樹脂輪轂各階模態對應的頻率值

分析圖3 可知，輪輞與輪輻相鄰的振動頻率復合材料車輛對應的振型有正交性。在模態計算時，可將頻率相近的振型視為振動方程的重根。一階陣型、二階陣型存在類似的固有頻率，四階陣型的固有頻率也接近于五階陣型，車輪出現一階彎曲。三階、六階陣型與相鄰陣的振動頻率差距較大。車輪的輪輻在這兩個振動頻率的作用下，其朝著軸向偏移。輪輞一般不會發生較大的變化。三階、六階陣型的輪輻分別向內側、外側偏移。從振動頻率方面分析，七階接近于八階，輪輞與輪輻受到上述兩階模態的影響會出現偏移，但是偏移的幅度一般較小。九階模態、十階模態也有較為接近的振動頻率，車輪出現二階彎曲。綜上充分說明本次設計是合理的。

圖3 碳纖維-環氧樹脂車輪模態計算

4 結語

本文在設計復合材料車輪時充分考慮了材料（碳纖維-環氧樹脂復合材料）的結構特性以及設計車輪的標準，并緊扣車輛輕量化的發展趨勢。本次研究中所建立的車輪參數模型是參照Creo 這一三維設計軟件形成的。在模態分析與強度分析方面，主要運用了COMSOL 多物理場仿真軟件。最后分析認為本次所選擇的車輪材料有利于減少車輪的質量。另外，從結構模態變化的規律來看，也符合實際使用與設計要求。