基于Pro/E的鋁合金輪轂產品研發

李慧 曲文君

摘 要：本文基于Pro/E軟件技術，在鋁合金輪轂產品設計的初級階段進行結構分析，并且在鋁合金輪轂產品的設計和研發時，將材料本身的力學性能合理利用進來，從而優化產品的結構，較早的找到模具和結構中存在的問題或者潛在問題，這樣才能夠提高修改的針對性。不但能夠讓產品更加輕量化和美觀化，還能夠在提高質量的同時，降低成本、縮短時間。

關鍵詞：Pro/E；鋁合金輪轂

通過統計分析發現，由疲勞損壞導致的車輪輪轂損壞概率已經超了80%。并且輪轂損壞往往是兩個原因導致的，分別是疲勞和強度。在對輪轂質量進行衡量時，疲勞性能非常重要[ 1 ]。根據相關標準規定，在檢測輪轂疲勞性能時，一般都采取徑向或者彎度疲勞測試，并且彎度疲勞測試結果比較接近實際情況。

筆者在本文中，主要對輪轂彎曲疲勞試驗進行了分析，并研究了輪轂各個部位實際受力情況，科學預測了車輪輪轂彎曲破壞和疲勞的實際情況。

1 鋁合金輪轂的設計要點

1）做好加強筋的設計。在輪轂中，輪輻邊緣和安裝面之間突起，呈現出環狀的部分便是加強筋，也被稱為凸環。進行加強筋設計的目的是進行安裝面輪輻邊緣以及高應力區彎曲彈性變形的區分，改變其受力。在設計的過程中，可以進行輪輻抗彎剛度的增加，避免出現彎曲變形的情況。2）進行車輪安裝面的設計。對于車輪而言，輪轂和法蘭面二者之間鏈接非常緊密，其中包含了螺栓孔、中心孔、螺母座以及支撐面等內容。中心孔間隙必須夠寬松，這樣在環境較差時，才不會銹死車輪輪轂。設計時應該擰緊螺栓，確保其緊力能夠均勻傳遞，并且最高夾緊力符合應該在安裝面直徑最大的地方。螺栓孔通常做成錐形或球形。3）設計輪輞。此處選擇的輪輞屬于標準化輪輞。在設計氣門時應該認真分析氣門制動空間以及里程表，在確定輪輞形狀時，應該全面的考慮到壁厚、輪胎以及制動系統等方面。4）通風孔和輪輻邊緣。通風孔可以減輕車輪質量，散發由于傳動軸、制動鼓零部件間互相摩擦而產生的熱量，同時便于接近氣門嘴，作為安裝時的把手處，增強造型美感。在進行設計時，應該有意識的減小邊緣剛度，減小輪輻和輪輞合成焊縫符合。輪輻和輪輞邊緣相連，若是輪輻受到較大的沖擊負荷，那么輪輻邊緣容易出現彎曲或者變形，這也能夠緩沖負荷。圓角半徑和拔模斜度等要素，在設計車輪結構也要依據實際情況研究[ 2 ]。

1.1 低壓鑄造鋁合金輪轂的幾何結構設計

本文中的輪輞設計是根據國家相關標準，研究和分析了鋁合金車輪參數化，進行了車輪的Pro/Engineer實體模型的構建[ 3 ]，以15×7J為應用實例，輪轂為整體鑄造輻條式的鋁合金輪轂，輪轂材料為A356.2，相當于國內ZL101A。輪轂上有五個直徑為Φ15mm的PCD孔，均部在直徑為Φ114.3mm的圓周上，輪輞最薄厚度為4.3mm，輪輻最大厚度為26.65mm。圖1a便是車輪結構。將那些對結構應力造成影響較小的一些結構，比如氣門孔、圓角等，不必進行仿真計算，其車輪基本結構尺寸是五根雙輻條型構。不但其抗沖擊性能更加出色，并且整個車輪非常美觀，在提高結構強度的同時。減輕了車輪的重量，輻條表面形狀是弧形。優化輪轂的幾何模型，優化后的輪轂結構如圖1b。

在分析相關模型時，為了保證其精確度，還需要加入五個固定螺栓和加載軸，其能夠幫助車輪更好的傳遞負荷。

1.2 邊界條件的處理

合理利用夾具，通過夾具加進加載軸斷面和輪轂的安裝盤，這樣能夠固定車輪的輪緣，將其固定在旋轉試驗臺上面。這樣僅僅允許轉動輪轂中心軸，會約束輪轂螺栓孔內表面和三個平移自由度。

1.3 載荷的處理

在進行動態彎曲疲勞試驗時，荷載主要包含了三個，筆者主要分析了彎曲荷載，忽略了輪轂高速旋轉過程中出現的離心力以及緊固輪轂時出現的預緊力。求得車輪輪轂的設計參數及試驗參數分別為：

設計載荷Fv：690kg

靜載荷半徑R： 256mm

偏距d： 32mm

安全系數S：1.5

1）試驗彎距

彎矩大小我們可通過公式計算：M=W（R × μ+d）×S （1）

其中：

W—輪轂的載荷，N；

R—裝上輪胎后靜載荷半徑，可通過輪胎和輪輞協會的年度手冊查得；或根據汽車/輪轂生產商規定，mm；

μ—輪胎和地面的摩擦系數，通常取μ=0.7；

d—輪轂偏距的絕對值，mm；

S—安全系數，根據所用的標準不同而不同；

對于最小循環次數，也可以通過VIA J2530的查詢得出。

2）輪轂的試驗參數：

試驗彎矩Nm： 3415

試驗轉速rpm：1700

要求壽命h： 200000

通過試驗可以發現，在載荷作用相同的情況下，應力最大值往往會出現在輪輻最狹窄的地方，所以，在輪輻中，其最狹窄的地方，最容易出現疲勞裂紋，這和實踐中發現的情況是一樣的。

2 結論

本文應用Pro/E軟件對鋁合金輪轂進行參數化研發，并和試驗結果進行了簡要的對比，同樣載荷作用下，輪輻最狹窄的地方受到的應力值是最大的。在進行輪轂動態疲勞試驗時，疲勞裂紋最容易出現的位置也是輪輻最狹窄的地方。

參考文獻：

[1] 趙玉濤.鋁合金車輪制造技術[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2] 景仁坤.基于Pro/Engineer的三維參數化設計研究與開發[D].湖北武漢：武漢理工大學碩士論文，2005.

[3] 鐘翠霞.鋁合金車輪設計及結構分析[D].浙江杭州：浙江大學，2006.

本項目由大學生創新創業訓練項目資助

項目編號：201410452088