家用轎車輪轂結(jié)構(gòu)及輕量化設(shè)計(jì)

馮葉陶　梁雙福　王謙　羅嘯

摘 要：輪轂是承載汽車安全的重要安全部件，輕量化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的、降低運(yùn)輸成本的主要措施之一，本文進(jìn)行了汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與輕量化研究。以某型號(hào)家用轎車汽車輪轂為研究對(duì)象開(kāi)展輕量化研究，利用UG軟件創(chuàng)建汽車輪轂三維實(shí)體模型，進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)某型號(hào)家用轎車汽車輪轂剛度和強(qiáng)度存在一定的余量，在不影響汽車輪轂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的前提條件下，對(duì)輪轂重新設(shè)計(jì)優(yōu)化分析，輕量化后某型號(hào)家用轎車汽車輪轂質(zhì)量從5.62kg減輕到5.37kg，質(zhì)量減輕了4%。設(shè)計(jì)提出了汽車輪轂輕量化的分析體系，為之后汽車輪轂的輕量化和整車輕量化設(shè)計(jì)提供一些參考。

關(guān)鍵詞：輪轂 有限元分析 優(yōu)化設(shè)計(jì) 輕量化

1 引言

輪轂（也可稱為輪圈或鋼圈）是承載汽車安全的重要安全部件，輕量化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的、降低運(yùn)輸成本的主要措施之一。孝成美[1]通過(guò)ANSYS有限元分析，對(duì)輪輞的厚度進(jìn)行降低了4.26%，以及優(yōu)化了輪輻的厚度降低了30.08%，最終優(yōu)化后的鋁合金的輪轂減重了2.13kg。宋淵[2]對(duì)輪轂的研究在ANSYS中對(duì)輪轂進(jìn)行有限元分析、模態(tài)分析、材料彎曲實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约皼_擊實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停拐w的質(zhì)量為6.62kg比初始值減輕了8%實(shí)現(xiàn)了輕量化效果。

輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和輕量化對(duì)汽車整體質(zhì)量的減輕有著重要意義。本文以家用轎車汽車輪轂為研究對(duì)象開(kāi)展輕量化研究，設(shè)計(jì)提出了汽車輪轂輕量化的分析體系。為之后汽車輪轂的輕量化和整車輕量化設(shè)計(jì)提供一些參考。

2 輪轂有限元模型的建立

輪轂主要由輪輞與輪輻組成，輻條的半徑大小和輪圈的半徑大小相接近，輻條的中央有大于車輪傳動(dòng)軸的中心孔，中心孔的周圍有若干小孔（一般轎車的孔數(shù)為4—5個(gè)）用于螺栓固定，輻條與輪輞的曲面完全貼合輪轂主要尺寸如表1所示，建立的三維實(shí)體模型如圖1所示。

2.1 輪轂材料屬性選擇與網(wǎng)格劃分

本文研究以某型號(hào)家用轎車汽車輪轂采用A356鋁合金材料。鋁合金輪轂在高速行駛時(shí)在同等情況下，它的旋轉(zhuǎn)、徑向載荷、最大應(yīng)力，都是輕于其他材料[3]。鋁合金和鎂合金輪圈在密度、延展性韌性、抗拉強(qiáng)度和剛度方面有很大的不同[4]。通過(guò)對(duì)比分析選擇合適的材料進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，材料屬性如表2所示。

為進(jìn)行有限元分析，現(xiàn)將建立的輪轂三維實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYA軟件中，采用六面體網(wǎng)格法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將輪輞單元格的尺寸設(shè)置為4mm，輪輻單元格網(wǎng)格尺寸為6mm，合計(jì)共劃分網(wǎng)格393944個(gè)，單元數(shù)量為241641個(gè)，最后輪轂的有限元模型。

2.2 輪轂的受力加載

根據(jù)某型號(hào)家用轎車重量為參考，汽車的整備質(zhì)量為輪轂的受力來(lái)源分析，輪轂所受力通過(guò)軟件計(jì)算為4200N，通過(guò)有限元軟件分析計(jì)算時(shí)，將輪轂的受力方向作用在輪輞上面，方向豎直向下，如圖3所示。

2.3 輪轂的靜力學(xué)分析

從鋁合金輪轂的總體形變來(lái)看，該輪轂的變形主要表現(xiàn)在螺栓孔與輪輻連接的最大變形量為0.23mm左右，而在輪輻與輪輞接觸的部分變形量為0.02mm，說(shuō)明該輪轂對(duì)于軸承的連接強(qiáng)度優(yōu)化是有必要的，可以適當(dāng)?shù)脑黾铀暮穸燃捌溥吘夁^(guò)度方式改變輪轂在承受載荷的狀態(tài)下分散一部分應(yīng)力如圖4所示。

輪轂的輪輞與輪輻的加載受力大小，主要表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)是對(duì)輪輻的界面進(jìn)行應(yīng)力形變的數(shù)據(jù)分析，通過(guò)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，輪輻的最小形變?yōu)?.09e-7mm。輪輻的最大形變?yōu)?.0005mm，從總體來(lái)說(shuō)，輪輞受力的基礎(chǔ)面積是小部分的，可以細(xì)節(jié)化的減小輪轂的中心點(diǎn)力，則需要對(duì)輪轂的其他部分進(jìn)行強(qiáng)度的整體設(shè)計(jì)優(yōu)化，這才能使輪轂符合設(shè)計(jì)要求如圖5所示。

圖6顯示了鋁合金輪轂靜力分析的應(yīng)力結(jié)果，從圖6中可以看出，正對(duì)窗口加載的最大應(yīng)力為40.25Mpa，最小應(yīng)力為0.003Mpa，小于鋁合金的材料抗拉強(qiáng)度。鋁合金最大位移量也是在施加沖擊載荷的區(qū)域處，最大移動(dòng)量為4.47Mpa，在輪輞處，滿足鋁合金的輪轂剛度需求如圖所示。可以得出，輪轂強(qiáng)度和剛度存在一定余量，能夠輪轂進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)如圖6所示。

3 模態(tài)分析

輪轂的沖擊實(shí)驗(yàn)是一個(gè)外力在其中的第一時(shí)間內(nèi)，一個(gè)外力載荷從一定的高度自由落地時(shí)接觸到輪胎，模態(tài)分析研究時(shí)研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種方法，主要分析的是模態(tài)的幾個(gè)階陣狀態(tài)[5]。

3.1 自由模態(tài)分析

由下列數(shù)據(jù)可以知道，自由模態(tài)的下的9階分析結(jié)果表明，前三階的固有頻率接近于零，故此發(fā)生這個(gè)現(xiàn)象的原因是輪轂僅產(chǎn)生在平面內(nèi)的純滾動(dòng)與輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)，在剛體時(shí)的模態(tài)下，輪轂不產(chǎn)生形狀的變化。對(duì)于在輪轂可塑性彈性體模式下選擇結(jié)構(gòu)的形狀特性的時(shí)候，在模態(tài)自由分析條件下，由于輪轂的變形階段是從第4階段模態(tài)開(kāi)始的，于是從4階段開(kāi)始分析仿真結(jié)果如圖7所示的數(shù)據(jù)。

3.2 固定模態(tài)分析

在輪轂的另外一種約束力情況下，由于輪轂運(yùn)動(dòng)的方式是旋轉(zhuǎn)受力矩的作用[6]，所以需要在輪轂的設(shè)置一個(gè)固定端。通過(guò)固定輪轂懂得螺栓孔得到彈性體模態(tài)分析下的另外一種分析固定頻率如表4與圖8所示。

輪轂的1階固有頻率為276.26Hz，模態(tài)變形量集中在輪輞上為19.762mm，輪轂9階固有頻率為649.3Hz，模態(tài)變形量在輪輞兩端為36.89mm，采用數(shù)據(jù)分析方法，通過(guò)軟件計(jì)算車速主要由80千米每小時(shí)到120千米每小時(shí)，路面產(chǎn)生的最大值為94.31HZ。輪胎產(chǎn)生的不相同的平衡力[7]，通過(guò)輪胎的滾動(dòng)半徑，設(shè)置滾動(dòng)半徑的尺寸為382mm。通過(guò)計(jì)算得出平衡量引起的最大值為5.5HZ，通過(guò)比較都是小于分析中的自由模態(tài)[8]數(shù)值和約束模態(tài)下的頻率值，表明符合設(shè)計(jì)要求，可以看出輪轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。

4 輪轂輕量化設(shè)計(jì)

在ANSYS中對(duì)輪轂進(jìn)行有限元分析，對(duì)輪轂進(jìn)行應(yīng)力及模態(tài)分析計(jì)算，在分析的安全系數(shù)之內(nèi)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。主要優(yōu)化路線如圖9所示。

某型號(hào)家用轎車汽車輪轂剛度和強(qiáng)度存在一定的余量，在不影響汽車輪轂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的前提條件下，對(duì)輪轂重新設(shè)計(jì)優(yōu)化分析，輪轂質(zhì)量從5.62kg減輕到5.37kg，質(zhì)量減輕了4%。輕量化后的輪轂與優(yōu)化前相比有以下變化：

選著A356鋁合金對(duì)比同類型的其他材料質(zhì)量要減輕15%。

通過(guò)對(duì)輪輞的厚度減薄，輪輞減薄4mm，如圖10中的（b）所示。

輪輻的過(guò)度半徑從之前的110mm增加到了112mm。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)輪轂的輕量化設(shè)計(jì)研究得出以下結(jié)論：

輕量化后某型號(hào)家用轎車汽車輪轂質(zhì)量從5.62kg減輕到5.37kg，質(zhì)量減輕了4%。最小等效應(yīng)力0.003，最大應(yīng)力為40Mpa，遠(yuǎn)小于鋁合金輪轂的178Mpa。通過(guò)分析結(jié)果與輕量化設(shè)計(jì)一致，表明輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果可行。

參考文獻(xiàn)：

[1]孝成美. 汽車輪轂的結(jié)構(gòu)分析及輕量化設(shè)計(jì)[D].山東科技大學(xué)，2020.DOI：10.27275/d.cnki.gsdku.2020.001106.

[2]宋淵. 鋁合金輪轂輕量化設(shè)計(jì)（CAE）[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2014.

[3]唐淳，闞洪貴.汽車輕量化鋁合金輪轂設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2021，46（03）：37-39.DOI：10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.01

[4]Charles J.Russo. The Design and Processing of Cast Aluminum Wheels for lmpactPerformance[C]. SAE Paper No.2001-01-0749.

[5]康淑賢. 汽車輪轂造型與輕量化設(shè)計(jì)方法研究[D].華僑大學(xué)，2013.

[6]張寧. 鋁合金輪轂受力狀態(tài)的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].重慶大學(xué)，2010.

[7]劉貽華.基于有限元分析的轎車輪轂輕量化設(shè)計(jì)[J].專用汽車，2022，No.304（09）：30-33.

[8]劉程，劉偉，楊東績(jī)等.轎車車輪試驗(yàn)?zāi)B(tài)對(duì)比分析[J].噪聲與振動(dòng)控制，2020，40（02）：254-258．