汽車輪轂的有限元分析及其結構優化設計

宋小艷

摘要：本文以斯柯達昕動1.6L汽車輪轂為原型，構建產品三維建模、有限元分析、產品結構優化設計為一體的虛擬設計開發平臺。該平臺可以解決輪轂系列產品開發中涉及到的結構、強度、壽命以及優化設計等問題；在零件生產之前就能夠預測零件的應力分布、變形情況、疲勞壽命等，從而縮短產品研發周期、降低產品成本。

Abstract： This article takes Skoda 1.6L automobile hub as the prototype， constructs a virtual design platform which concludes building 3D modeling of product， finite element analysis and product structure optimization design. The platform can solve the problems of structure， strength， life and optimization design； The stress distribution， deformation， fatigue life of the parts can be predicted before the production of parts， so it can shorten the product development cycle and reduce the cost of products.

關鍵詞：輪轂；有限元分析；SolidWorks

Key words： automobile hub；finite element analysis；SolidWorks

中圖分類號：U463.343 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）16-0123-02

1 汽車輪轂介紹

汽車輪轂的性能和使用壽命在一定程度上決定了汽車的安全性和可靠性。由于鋁合金輪轂具有減震性能好、散熱快、容易制造等優點，而且鋁合金輪轂重量較輕，制作精度高，在高速轉動時產生的變形小，慣性阻力小，有利于提高汽車的直線行駛性能，減小輪胎滾動阻力，從而減少了油耗，所以，目前市場上原廠車的合金輪轂以鋁合金為主，都是由A356合金系合金生產的。

2 輪轂的材料選擇及其設計參數

輪轂材料為A356（ZAlSi7MgA）合金材料，其化學成分與ZL101合金基本相同，是ZL101的改進型，其特點是具有良好的鑄造性能，流動性高，無熱裂傾向，氣密性高，適合成形結構復雜的輪轂；同時又具有比較高的耐腐蝕性，經過熱處理強化和合金淬火后有自然時效能力，因而具有較高的塑性和強度，滿足輪轂高強度和剛度的性能要求，鎂鋁合金A356材料具體參數見表1。

本文以斯柯達昕動1.6L轎車原廠輪轂為設計基礎，不修改主要參數，只對輻條的結構外形進行適當的修改，再對其進行有限元析。輪轂的主要參數，見表2所示，其外形結構如圖1所示。

3 SolidWorks輪轂建模

輪轂的三維建模流程：利用SolidWorks繪制輪轂設計草圖，首先繪制中心線，根據實際參數繪制草圖斷面，命令草圖斷面以中軸線旋轉，繪制輪轂輻條部分，旋轉斷面形成輪轂外形，然后繪制輪轂的輻條輪廓，設計五根輻條，不僅可以減輕輪轂的重量，還可以起到擾流作用。接下來以輪轂中線為中心建立正五邊形，其內切圓半徑為50mm，確定安裝孔位置。最后裝配各零件部分，得到所需要的3D模型，如圖2所示。

4 輪轂的有限元分析

4.1 輪轂的載荷計算

本文輪轂是針對斯柯達昕動1.6L車為設計基礎，其相關資料見表3。

理論上平均每個輪轂所能承受的最大扭矩應不小于

T=155N·m×3.6×4.534×95%=2403.5N·m

根據實際情況：點剎時的扭矩大約為T×（1+6%）=2549.3N·m。

最大速度情況下的扭矩大約增加2.27倍左右，但該款車型是兩輪驅動，所以最大扭矩應該為2500N·m。

4.2 有限元分析具體步驟圖解

①將SoildWorks軟件建立好的輪轂模型導入ANSYS。

②設定網格劃分參數并進行網格劃分，如圖3所示，定義網格尺寸為15mm。

③添加材料信息，按照表1數據，添加材料屬性。

④施加載荷以及約束條件，根據輪轂的受力情況對其施加扭矩，設定接觸選項，在本文中接觸選項已綁定，添加固定約束，如圖4所示。

⑤添加扭矩在輪轂輻條中心面上。

⑥選擇參考受力面，載荷類型為standard earth gravity，方向沿負Z軸方向，大小為15000N，見圖5所示。

⑦設定結果參數，即設定要求解的問題及物理量，如圖6所示，對安全極限進行求解。

從安全極限分析圖可以看出，該輪轂最危險部位是輻條部分，由其分析結論可知：最大安全極限為14，最小安全極限為1.62。由此可見，該輪輞在受力狀態下產生的形變是比較大的，所以需要對輪轂的輻條進行優化，建議改變輪轂輻條的厚度及其邊緣過渡方式，這樣可以改變零件在受力狀態下的分散應力，進而可以增加零件的強度及其安全系數；另外也可以增加骨架設計，從而增加零件強度。

5 結論

本文運用SolidWorks建立鋁合金車輪的參數化模型，利用有限元分析軟件ANSYS對鋁合金車輪進行強度分析，找到車輪的最危險位置，計算結果與實際試驗結果基本吻合，說明有限元分析是正確性，應力計算結果是可靠的。

參考文獻：

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