基于有限元分析鋁合金車輪的輕量化設(shè)計(jì)研究

鄧瑞麟，王志遠(yuǎn)，王小龍，陳英春，肖才遠(yuǎn)

（邵陽學(xué)院，湖南 邵陽 422000）

基于有限元分析鋁合金車輪的輕量化設(shè)計(jì)研究

鄧瑞麟，王志遠(yuǎn)，王小龍，陳英春，肖才遠(yuǎn)

（邵陽學(xué)院，湖南 邵陽 422000）

文章通過三維軟件Solidworks建構(gòu)車輪的實(shí)體模型，利用ANSYS軟件進(jìn)行強(qiáng)度分析和模態(tài)分析，分析結(jié)果表明，車輪的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋁合金的許用應(yīng)力，車輪的固有頻率滿足要求，存在進(jìn)一步改進(jìn)的可能和必要。最后，改進(jìn)車輪模型，改進(jìn)結(jié)果表明，車輪的重量下降了13.9%。利用有限元分析技術(shù)有助于提高車輪的設(shè)計(jì)水平、縮短設(shè)計(jì)周期、減少開發(fā)成本。

有限元分析；鋁合金輪轂；輕量化設(shè)計(jì)

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-69-03

前言

實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，是汽車節(jié)能的最有效途徑之一[1]。汽車車輪是汽車行駛系中的重要旋轉(zhuǎn)部件，傳遞汽車與地面之間的相互作用力和力矩，不僅影響汽車行駛的安全性、舒適性，還直接影響汽車整體的能源消耗，輪胎的壽命都有較大的影響[2]。根據(jù)相關(guān)資料研究表明[3]，車輪輕量化的節(jié)能效果相當(dāng)于非旋轉(zhuǎn)件的1.5倍，因此車輪的輕量化設(shè)計(jì)是未來車輪的重要發(fā)展方向[4][5]。本文借助三維軟件Solidworks，有限元分析軟件ANSYS作為虛擬樣機(jī)工具對給定的鋁合金車輪進(jìn)行強(qiáng)度分析，在保證強(qiáng)度和可靠性的前提下，對車輪進(jìn)行優(yōu)化，以進(jìn)一步減少車輪質(zhì)量，降低成本。

1、輪轂三維模型建立

車輪與輪胎是汽車行駛系統(tǒng)中的重要部件，通過車輪與輪胎直接與地面接觸，在道路上行駛。車輪為固定輪胎內(nèi)緣、支承輪胎并與輪胎共同承受整車負(fù)荷的剛性輪子。主要由輪轂、輪輞以及連接這兩元件的輪輻所組成。根據(jù)實(shí)際輪式裝載機(jī)所測量出物理樣機(jī)的外形尺寸，采用三維軟件Solidworks對工作裝置進(jìn)行三維幾何建模，然后導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中。為了節(jié)省仿真計(jì)算時間和計(jì)算量，將車輪模型進(jìn)行簡化處理，去掉對受力影響不大的裝修圓角，槽，氣門孔等。如圖1所示，相關(guān)參數(shù)如表1、表2。

圖1 車輪模型

表1 車輪模型參數(shù)

表2 車輪的載荷參數(shù)

2、鋁合金輪轂有限元分析

2.1 靜力分析結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

圖2 不同載荷下車輪應(yīng)力、應(yīng)變云圖

圖2a是在螺栓預(yù)緊力的作用下車輪應(yīng)力分布情況，從圖中可以看出：在螺栓孔與螺母接觸面上出現(xiàn)最大應(yīng)力值為298Mpa。高于鋁合金材料的屈服強(qiáng)度240Mpa，進(jìn)入材料的塑性區(qū)間，螺栓孔區(qū)域的材料將產(chǎn)生塑性變形，如圖2b所示，螺栓孔處最大變形量為0.024mm，低于設(shè)計(jì)允許的0.3mm，能夠滿足強(qiáng)度要求。圖2c是在離心力作用下車輪應(yīng)力分布情況，從圖中可以看出：車輪結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力分布較為均勻，最大應(yīng)力出現(xiàn)的地方是輻條與輪輞的連接處，最大應(yīng)力為6.8Mpa；兩輻條中間應(yīng)力也較大，在1.38Mpa～2.28Mpa之間；而輪輻上應(yīng)力值最小。說明旋轉(zhuǎn)離心力對車輪整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響有限。圖2d是在彎矩作用下車輪應(yīng)力分布情況，從圖中可以看出：在螺栓孔附近出現(xiàn)最大應(yīng)力值為189Mpa。兩輻條之間的應(yīng)力也較大，在36.5～56.7Mpa之間。由以上結(jié)果可以得出，在以上單一載荷作用下最大應(yīng)力均小于鋁合金材料的屈服強(qiáng)度，驗(yàn)證了在靜載荷作用下車輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是完全滿足要求的。

2.2 模態(tài)分析結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

圖4 自由模態(tài)振型圖和位移圖

如圖4為速度v=0情況下車輪自由模態(tài)振型圖和位移圖，前6階為剛體模態(tài)，頻率接近0，故可以忽略。從圖4a到圖4h可以看出：第7階和第8階、第9和第10階和第12和第13階頻率值很接近，振型也很相似，不同之處在于振動的方向不同，振動時輪轂同時向不同方向收縮。第11階和第14階相對于前后階頻率值有較大差異，輪輞外形改變較小，相對于前后階模態(tài)的振型變化較大，輪輻沿著軸向上下振動。

圖5 約束模態(tài)振型圖和位移圖

如圖5為速度v=0情況下對車輪內(nèi)側(cè)法蘭面上施加固定約束模態(tài)振型圖和位移圖。從圖5a到圖5h比較可以發(fā)現(xiàn)，第1階和第2階、第3和第4階、第5和第6階和第7和第8階的頻率值都非常接近，并且振型也非常相似，只是振動的方向稍有不同。

3、車輪結(jié)構(gòu)改進(jìn)

從上面的分析可以看出來，車輪受到的應(yīng)力遠(yuǎn)小于車輪的許用應(yīng)力，存在改進(jìn)的必要。改進(jìn)主要是縮減材料的厚度，以達(dá)到輕量化的目的。所以，對車輪模型進(jìn)行改進(jìn)，減少了車輪的厚度。改進(jìn)前的車輪體積為0.0040146m3，重量為9.32Kg，改進(jìn)后的車輪體積為0.00345879m3，重量為8.03Kg，重量下降了13.9%。

3.1 車輪結(jié)構(gòu)改進(jìn)后靜態(tài)強(qiáng)度分析

圖6為在螺栓預(yù)緊力、旋轉(zhuǎn)離心力及彎矩載荷綜合應(yīng)力作用下應(yīng)力分布情況。從圖中可以看出：改進(jìn)后車輪在螺母座附近產(chǎn)生最大應(yīng)力為265Mpa，該區(qū)域不處于疲勞破壞區(qū)域；輪輞同時受彎矩和轉(zhuǎn)速的影響，應(yīng)力值介于0.37MPa～ 56.2MPa之間；兩輪輻夾角處及輪輻與安裝盤的交接處應(yīng)力同時受彎矩和轉(zhuǎn)速的影響，應(yīng)力值介于56.2MPa～152MPa之間。從應(yīng)力分布結(jié)果可以得出：兩輪輻夾角處和輪輻與安裝盤的交接處是疲勞裂紋最容易出現(xiàn)的區(qū)域，最大應(yīng)力值低于鋁合金材料的屈服強(qiáng)度，驗(yàn)證了改進(jìn)后的車輪強(qiáng)度符合要求，且應(yīng)力分布更均勻，材料利用更合理。

圖6 改進(jìn)后綜合應(yīng)力作用下車輪應(yīng)力圖

4、結(jié)束語

綜上所述，基于三維軟件Solidworks和有限元分析軟件ANSYS，對車輪從模型的建立到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及模態(tài)的分析進(jìn)行了研究。通過分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的車輪應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，存在改進(jìn)的必要。本文通過減少車輪的厚度使車輪的重量從9.32Kg下降到8.03Kg重量下降了13.9%。并且對改進(jìn)后的車輪進(jìn)行強(qiáng)度分析和模態(tài)分析，結(jié)果明改進(jìn)后的車輪強(qiáng)度和固有頻率均符合要求，且受力更加均勻，材料利用率得到了提高。

[1] 蘇利陽,王毅,陳茜,汝醒君.未來中國純電動汽車的節(jié)能減排效益分析[J].氣候變化研究進(jìn)展,2013,9(4):284-290.

[2] 李忱釗，郭永進(jìn),朱平等.鋼制車輪彎曲疲勞壽命的影響因素[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2011,27(2):56-63.

[3] FroesFH,EliezerD,AghionEL.Thescience, technologyandapplication sofmagnesium[J].Journalofthe MineralsMetals& Materials Soeiety, 1998, 50(9):30-34.

[4] 黃信宏.車身輕量化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀[J].車身技術(shù),2012,4(5):80-82.

[5] SunWenlong,XieHuanxin.TheDesignof DoubleMotor Electro-hydr aulic PowerSteering Systemforthe Electric Bus[A].The5th International ConferenceonAdvancesin Construction Machineryand Vehicle Engineering(ICACMVE′2015), September 18-20, 2015, Xi′an,China.

Based on the finite element analysis of the aluminum alloy wheel lightweighting design research

Deng Ruilin, Wang Zhiyuan, Wang Xiaolong, Chen Yingchun, Xiao Caiyuan
(
Shaoyang college, Hunan Shaoyang 422000 )

The article by 3 d software Solidworks construction entity model of the wheel, strength analysis and modal analysis by use of ANSYS software, the analysis results show that the maximum stress of the wheel is much less than the allowable stress of aluminum alloy, and meet the requirements, the natural frequency of the wheel is possible and necessary of further improvement. Finally, improve the wheel model, the improvement results show that the weight of the wheel is down by 13.9%. Using finite element analysis technique helps to improve the level of the design of the wheel, shorten the design cycle and reduce development costs.

finite element analysis; Aluminum alloy wheel hub; Lightweight design

U469.7

A

1671-7988 (2017)10-69-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.024

通訊作者簡介: 肖才遠(yuǎn) ( 1979－)，男，貴州威寧人，講師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)方法與理論、機(jī)電一體化技術(shù)的研究。

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目( 15C1240) ；大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目。