一種復合材料車輪的設計解析

張偉 肖令

摘 要：本文針對復合材料車輪緊固問題，設計一種輕金屬夾層結構，實現車輪的可靠連接。并分析了車輪轉矩的傳遞，以及復合材料受壓部位的壓縮強度。

關鍵詞：車輪；復合材料；設計

中圖分類號：TQ330 文獻標識碼：A

碳纖維增強復合材料具有輕質高強的特點，在民用領域的應用日益廣泛。碳纖維本身耐高溫、耐摩擦、導電、導熱及耐腐蝕，外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現出很高的強度。將碳纖維作為復合材料的增強材料，與采用其它材料增強的復合材料相比，具有顯著的性能優勢。碳纖維增強復合材料的比強度、比模量綜合指標，在現有結構材料中是最高的。

2020年，中國乘用車平均燃料消耗量標準為5L/100km，同時將實施更加嚴格的CO2排放標準。政策制定反映出，能源短缺及環境污染問題已成為國家社會關注的重點問題，也是當前及未來制約汽車產業可持續發展的突出問題。無論是從社會效益還是經濟效益來考慮，低能耗、低排放的汽車都是未來發展的需要。輕量化是汽車節能減排的重要手段，已成為汽車發展的必然趨勢。有研究表明：汽車質量每下降10%，油耗下降約6%～8%，排放量下降13%。汽車車輪作為簧下質量，對整車輕量化具有放大效應。更小的簧下質量同時意味著懸掛系統擁有更好的動態響應能力以及車輛的操控性。將碳纖維增強復合材料應用于汽車車輪與目前鋁合金車輪相比，可實現車輪輕量化30%～50%，對于汽車節能降耗及車輛舒適性具有重要意義。澳大利亞的Carbon Revolution公司在連續纖維增強復合材料車輪方面進行了廣泛研究，德國梅賽德斯-奔馳在長纖維（玻纖）增強復合材料車輪方面進行了研究。中國此方面的研究處于起步階段。

在將碳纖維復合材料應用于車輪設計的過程中，車輪的緊固問題尤為突出。采用現有的鋁合金車輪設計方案直接通過螺栓裝配車輪后，在疲勞試驗過程中出現螺栓扭矩下降。為解決此問題，保證連接可靠性，設計了漢堡結構方案，如圖1所示。并對此結構的轉矩和壓縮性能進行了分析。

1 轉矩分析

驅動軸通過螺栓將轉矩傳遞給驅動輪。驅動輪組成包括正面輕合金盤、復合材料體、安裝面輕合金盤和輪胎。復合材料體置于兩塊輕合金盤之間。

1.1 基本原理

根據汽車行駛的附著條件，地面對輪胎切向反作用力的極限值（最大值）為附著力Fxmax。

Fxmax=Fzφ

式中：Fz—地面作用在車輪上的法向反力；φ—附著系數，與路面和輪胎有關。

常見路面的平均附著系數見表1。

表1 常見路面的平均附著系數

路面條件 附著系數

干瀝青路面 0.7～0.8

濕瀝青路面 0.5～0.6

干燥的碎石路 0.6～0.7

干土路 0.5～0.6

濕土路 0.2～0.4

滾壓后的雪路 0.2～0.3

1.2 設計參數

目標車型靠前輪驅動，驅動輪承受車身質量為500kg，車輪規格17×7英寸，偏距38mm，布置5個螺栓孔，螺栓孔節圓直徑100mm，輪胎型號225/45 R17，采用10.9級M14×1.5螺栓進行緊固。

1.3 受力分析

汽車在附著系數最大的路面行駛時車輪獲得最大切向反作用力，此時車輪傳遞轉矩最大。以在平地直線行駛時的情況進行簡化分析。驅動輪受力如圖2所示。

其中：Fv—車身的垂直壓力；T—驅動軸轉矩；Gw—車輪自重；Fx—地面對輪胎切向反作用力；Fz—地面對車輪的法向反力。

地面對輪胎切向反作用力為Fx= Fzφ=（Fv+Gw）φ。其中Fv=500kg ×9.81N/kg=4905N，車輪自重Gw=18kg× 9.81N/kg=176.6N，取附著系數φ為干瀝青路面時的最大值0.8，則

Fxmax=（4905+176.6）×0.8=4065.3N

由JATAMA手冊可查得225/45 R17輪胎的動載半徑為Rdl=0.307m，則車輪可傳遞的最大轉矩為：

Tmax=Fxmax×Rdl=4065.3N×0.307m=1248.0Nm

1.4 轉矩傳遞分析

車輪受到來自驅動軸的轉矩T=T1+ T2，如圖3所示。

式中：T1—驅動軸通過螺栓傳遞到車輪的轉矩；T2—驅動軸通過安裝面之間的摩擦力傳遞到車輪的轉矩。

假設T2為零，則驅動軸的轉矩完全通過螺栓傳遞至車輪。在車輪結構中，轉矩通過正面輕合金盤傳遞至復合材料體。T2為零時是正面合金盤傳遞轉矩最大情況，需保證其與復合材料體之間不發生滑動。

1.5 螺栓預緊力

車輪正面輕合金盤如圖4所示。外半徑R為64mm，螺栓孔半徑為12mm，中心孔半徑r為28mm。根據裝配技術要求，單個M14螺栓的預緊力矩為Mt=130±10Nm，其預緊力為：

式中：K—擰緊力系數；d—螺紋公稱直徑。

表2常見表面的擰緊力系數

摩擦表面狀況 有潤滑 無潤滑

精加工表面 0.10 0.12

一般加工表面 0.13～0.15 0.18～0.21

表面氧化 0.20 0.24

鍍鋅 0.18 0.22

干燥的粗加工表面 0.26～0.3

根據車輪彎曲疲勞試驗技術要求，螺栓扭矩下降達到初始扭矩的30%判定為失效。并且此時正面輕合金盤與復合材料體之間的壓力最小，極易發生相對滑動。此時，M14螺栓最小殘余預緊力矩為：

Mtmin=0.7×120Nm=84Nm

正面輕合金盤的螺栓孔為精加工表面，選用擰緊力系數0.12，則5個M14螺栓的最小殘余預緊力合力為：

1.6 輕合金盤摩擦轉矩分析

螺栓孔簡化不計，根據圓環摩擦轉矩的傳遞公式，正面輕合金盤通過摩擦力傳遞到復合材料體的最小轉矩：

由1.4分析可知，T3=T1=T-T2，即12087.0u=1248.0

可得

選用安全系數1.2，則保證正面輕金屬盤與復合材料體之間的摩擦系數大于0.12，即滿足轉矩傳遞條件。具體措施是增加二者的表面粗糙度或采用膠接。

2 復合材料耐壓分析

對于此種結構，碳纖維增強復合材料體的另一種失效模式是發生壓縮破壞。

2.1 壓應力計算

由1.5可知，復合材料體所受最大壓力：

通過Catia V5軟件測量數模，復合材料體的承壓面積S為7963.94mm2，計算可得復合材料體受壓應力為：

2.2 壓應力測試

選取24mm長，16mm寬的樣塊進行壓縮測試，其應力-應變曲線如圖5所示。根據測試結果，可計算出復合材料體的壓縮強度為：

由此可知，螺栓緊固部位的復合材料體壓縮性能滿足要求。

結語

此次研制的復合材料車輪已進行多次試驗，緊固問題得到有效解決，多項設計方案獲得實用新型專利。同時在13°沖擊試驗、彎曲疲勞試驗和徑向疲勞試驗方面取得了突破性進展。

參考文獻

[1]國務院關于印發節能與新能源汽車產業發展規劃（2012～2020年）的通知[Z].國發〔2012〕22號.