鋁合金輪轂輪輻輕量化分析*

韋 遼，李 健

(廣西科技大學 機械工程學院， 廣西 柳州 545006)

1 引 言

車輪(也稱鋼圈、輪轂)是介于輪胎和車軸之間承受負荷的旋轉組件，通常由輪輞和輪輻組成，而輪輞是指在車輪上安裝和支承輪胎的部件，輪輻是指在車輪上介于車軸和輪輞之間的支承部件。車輪是汽車的一個重要部件，對汽車的行駛安全性、經(jīng)濟性和整車的外觀性都有重要的意義。

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展, 汽車制造商對車輪要求越來越高, 在保證必須的強度和疲勞壽命的前提下, 減輕車輪的重量以節(jié)省能源提高汽車的動力性成為研究的主要方向。

為了節(jié)省能源，汽車車輪向輕量化發(fā)展。鋁合金輪轂質(zhì)量小，由于車輪質(zhì)量的減小而使整車的質(zhì)量減小，減少了車輪的轉動慣性，使汽車加速性能提高，并相應減少了制動能量的消耗，從而減少了油耗。

筆者從輪輻方向對車輪輕量化進行分析與研究。應用有限元分析軟件ANSYS Workbench對車輪包括加載軸法蘭盤和螺栓在內(nèi)的整體進行有限元建模，通過加載計算車輪疲勞壽命[1]，得到車輪應力應變分布圖，預測車輪的疲勞壽命。通過改變輪輻厚度1 mm，單個車輪質(zhì)量將減少0.25 kg，每車(4個)減重1 kg，車輪質(zhì)量有所減小。

2 建模和網(wǎng)格劃分

輪轂材料為A356,國內(nèi)牌號為ZL101。材料屬性：密度為2.8 g/cm3，彈性模量為68.8 GPa，泊松比為0.33。其許用應力[σ]=240 MPa。對輪轂模型進行簡化，簡化后的輪轂結構如圖1所示。

運用Pro/E軟件完成車輪建模之后，導入ANSYS Workbench環(huán)境下進行網(wǎng)格劃分。設置單元大小為15 mm生成網(wǎng)格。輪輻厚度為12 mm的模型網(wǎng)格劃分結果如圖2所示。共有42 471個單元，76 351個節(jié)點。鋁合金車輪的有限元模型如圖2所示。

圖1 輪轂實體模型 圖2 鋁合金輪轂有限元模型

3 彎曲疲勞試驗

實驗臺應有一個旋轉裝置，車輪可在固定不變的彎矩作用下旋轉，或是車輪靜止不動，而承受一個旋轉彎曲力矩作用[2]，車輪彎曲疲勞試驗裝置如圖3所示。車輪由卡盤安裝在臺架上；加載軸軸端支點處施加徑向載荷；借助旋轉體旋轉施加動態(tài)彎矩。

圖3 彎曲疲勞試驗

加載彎矩：

M=(μR+d)FvS

(1)

式中：M為彎矩，N·m；μ為輪胎和道路間的設定摩擦系數(shù)；R為輪胎靜負荷半徑，是車輪或汽車制造廠規(guī)定的用在車輪上的最大輪胎靜半徑，m；

d為車輪的內(nèi)偏距或外偏距，m；Fv為車輪或汽車制造廠規(guī)定的車輪上的最大垂直靜負荷或車輪的額定負荷，N；S為強化實驗系數(shù)。

在對模型施加約束和載荷時, 應同試驗保持一致, 這樣才能保證計算結果能夠代表和接近試驗結果[3]。加載位置有三處：一是輪輞邊緣施加的是固定約束；二是螺栓孔通過螺栓施加預緊力；三是加載軸端面，在支點處施加徑向載荷，形成彎矩。

建立加載軸和螺栓的車輪有限元模型，加載軸長1 m，將有關參數(shù)代入式(1)得彎矩，并求得在軸端作用F=2 400 N的徑向載荷；施加29 300 N的預緊力。

4 兩種輪輻厚度的壽命預測[4]

應用ANSYS Workbench軟件依次對不同輪輻厚度的模型進行有限元分析，得出結果。最終得出輪轂在輪輻不同厚度下的應力云圖如圖4、6，應變云圖如圖5、7。

圖4 輪輻厚度為12 mm的應力分布云圖 圖5 輪輻厚度為12 mm的應變分布云圖

通過圖4和圖5中可以看出輪輻厚度為12 mm的應力最大值為170 MPa，應變最大值為0.002 4 mm。

通過圖6、7中可看出輪輻厚度為11 mm的應力最大值為202 MPa，應變最大值為0.002 82 mm。

史密斯提出用最大應力與總應變幅值的乘積作為損傷參數(shù)的觀點，并考慮零件的表面加工與尺寸等因素對高周疲勞的影響，得到改進后的史密斯修正公式[5]：

(2)

式中：σf′為疲勞強度系數(shù)；εf′為疲勞延性系數(shù)；b′為考慮了零件的表面加工與尺寸影響后的疲勞強度指數(shù)；c為疲勞延性指數(shù)；Δε為局部應變幅值；σmax為最大應力值；E為彈性模量；N為疲勞壽命[6]。

圖6 輪輻厚度為11 mm的應力分布云圖 圖7 輪輻厚度為11 mm的應變分布云圖

將計算過程程序化，將有關主要參數(shù)代入，即可計算出車輪疲勞壽命[7]。不同應力下疲勞壽命可視化的史密斯公式法分別如圖8、9所示。

圖8 應力為170 MPa可視化的史密斯公式法界面

圖9 應力為202 MPa可視化的史密斯公式法界面

通過對比可以看出，當輪輻厚度從12 mm減為11 mm時疲勞壽命都超過10萬次，這說明通過改變輪輻厚度減輕車輪重量使疲勞壽命仍達到國家標準要求這種方法是可行的。

5 輕量化分析

研究表明，約75 %的油耗與整車質(zhì)量有關 ,降低汽車質(zhì)量就可有效降低油耗以及排放。美國在歐洲全順車的實驗表明 ,在滿足歐 Ⅳ 標準條件下,每百公里油耗Y與自重X滿足以下關系：

Y=0.003X+3.3434[8]

(3)

通過改變輪輻厚度1 mm，單個車輪質(zhì)量將減少0.25 kg，每車(4個)減重1 kg，代入式(3)，每百公里減少油耗0.003 L,減少了油耗。

6 結 論

(1) 以16×7J鋁合金輪轂為研究對象，運用Pro/E軟件建立三維實體模型，利用ANSYS Workbench軟件建立車輪的有限元模型并計算分析，得到車輪的應力應變分布情況，通過計算預測車輪疲勞壽命。

(2) 通過Pro/E軟件改變輪輻厚度進行車輪不同尺寸的建模，在保證車輪強度性能的情況下，減輕車輪重量，節(jié)省油耗。

(3) 利用ANSYS Workbench對鋁合金車輪進行強度分析，通過壽命預測，當輪輻厚度減少1mm時，其疲勞壽命仍可達到國家標準要求。該方法可降低生產(chǎn)成本，為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[1] 王霄鋒，王 波，趙震偉，等.汽車車輪結構強度分析[J].機械強度，2002，24(1)：66-69.

[2] GB/T 5334—2005，乘用車車輪性能要求和試驗方法[S].2005.

[3] 趙震偉，王 波，王霄峰，等.應用有限元軟件指導車輪的結構改進[J].機械設計與制造，2000(5):27-28.

[4] 楊占春，崔勝民，趙桂范.用改進的史密斯公式預測汽車車輪疲勞壽命[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2000，32(6)： 100-12.

[5] 崔勝民，楊占春.汽車車輪疲勞壽命預測方法的研究[J]. 機械強度，2002，24(4)：617-619.

[6] 張 斌，魏勝君.鋁合金汽車輪轂疲勞壽命預測的研究[J].汽車零部件，2009(7)：51-53.

[7] 劉新宇.汽車鋼圈疲勞分析與壽命估算方法研究[D].南寧：廣西大學，2007.

[8] 馬鳴圖.論汽車輕量化[J].中國工程科學，2002，24(4)：617-619.