基于有限元分析底切鋁合金車輪輕量化研究

郭寶賀

摘要：以18X7.5J車輪為研究對象，運用三維軟件CATIA建模，采用UG5.0建立車輪的有限元模型，對車輪強度進行有限元分析。通過車輪增加底切結(jié)構(gòu)前、后進行有限元分析結(jié)果對比，證明底切鋁合金車輪在具備非底切鋁合金車輪同等強度下，可實現(xiàn)產(chǎn)品輕量化，從而減小汽車油耗。

關(guān)鍵詞：鋁合金車輪;有限元分析;強度分析;輕量化

引言

車輪是介于輪胎和車橋之間承受負荷的旋轉(zhuǎn)件，它不僅承受著靜態(tài)時車輛本身垂直方向的自重載荷，同時也經(jīng)受著車輪行駛過程中來自各個方向因啟動、制動、轉(zhuǎn)彎、物體沖擊、路面凹凸不平等各種動態(tài)載荷所產(chǎn)生不規(guī)則力的作用，是車輛行駛系統(tǒng)中重要的安全結(jié)構(gòu)部件，其結(jié)構(gòu)性能是車輪設計中主要因素[1]。車輪通常由輪輻和輪輞組成，輪輻是指在車輪上介于車軸和輪輞之間的支撐部位，輪輞是指在車輪上安裝和支撐輪胎的部位。車輪對汽車的行駛安全性、燃油經(jīng)濟性和整車的外觀性都有重要意義，目前轎車及乘用車主要采用鋁合金材質(zhì)車輪。

隨著汽車工業(yè)不斷發(fā)展和環(huán)保要求，汽車制造商對汽車輕量化要求越來越高。實現(xiàn)汽車輕量化，提高燃油經(jīng)濟性，是汽車節(jié)能的最有效途徑之一[2]。根據(jù)相關(guān)資料表明，車輪輕量化的節(jié)能效果相對于非旋轉(zhuǎn)件的1.5倍，因此車輪的輕量化設計是未來車輪的重要發(fā)展方向[3]。

底切鋁合金車輪是將車輪輪輻與輪輞交接部位，加工一定深度，去掉部分材料的一種車輪結(jié)構(gòu)。由于輪輻與輪輞交接部位受力較小，強度過剩，將此部位材料加工掉，可有效降低車輪重量。底切車輪剖面和非底切車輪剖面見圖1和圖2。

1、強度分析

鋁合金車輪作為汽車重要的安全件，對汽車的行駛安全和操縱穩(wěn)定性有著重大影響。13°沖擊試驗和彎曲疲勞試驗是車輪性能的基本試驗，用來檢驗車輪安全性。13°車輪沖擊試驗是鋁合金車輪抗沖擊性能的主要測試方法，以模擬車輪在實際行駛中受到石塊等物的側(cè)向沖擊或車輪撞擊公路牙邊的情況。彎曲疲勞試驗是模擬車輛在行駛過程中持續(xù)轉(zhuǎn)彎時車輪承受彎矩的能力。隨著計算機模擬技術(shù)的高速發(fā)展，在鋁合金車輪的設計中引入有限元仿真的現(xiàn)代設計方法，可有效提高產(chǎn)品開發(fā)效率，減小開發(fā)周期。本文主要對車輪進行13°沖擊和彎曲疲勞進行有限元分析，車輪的試驗參數(shù)如下：

13°沖擊試驗：錘重570kg，高度230mm，輪胎235/55 R18，胎壓230kpa;彎曲試驗：彎矩2.704KN.m，轉(zhuǎn)數(shù)10萬轉(zhuǎn)

1.1建立底切車輪和非底切車輪數(shù)模

CATIA軟件是法國達索公司開發(fā)的CAD/CAE/CAM一體化軟件，其內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品從概念設計、工業(yè)造型設計、三維模型設計、分析計算、動態(tài)模擬與仿真、工程圖輸出，到生產(chǎn)加工成產(chǎn)品的全過程，功能強大。本文采用采用CATIA建立底切車輪和非底切車輪數(shù)模，底切車輪數(shù)模只是在非底切數(shù)模基礎(chǔ)上，去掉輪輻與輪輞連接部位部分材料，數(shù)模見圖3和圖4。

1.2 有限元強度分析

采用UG5.0設計仿真模塊對數(shù)模賦予材料、施加約束、施加載荷、劃分網(wǎng)格和計算處理得到強度分析結(jié)果，具體分析步驟及方法本文不做詳述。

非底切車輪重量11.03kg，底切車輪重量10.32kg，兩者重量差0.71kg，底切車輪減重明顯，但是強度有所降低。

在底切車輪和非底切車輪具備同等強度（最大應力基本相同）前提下，討論底切產(chǎn)品減重才有意義。可采取減小非底切車輪輪輻厚度，增大非底切產(chǎn)品應力值或增加底切產(chǎn)品輪輻厚度，降低底切產(chǎn)品應力值，使兩者應力值基本相同。本文采用加厚底切產(chǎn)品輪輻厚度，輪輻厚度加厚2.8mm。

2、底切車輪減重及降低油耗效果

非底切車輪重量11.03kg，底切車輪（加厚輪輻）重量10.62kg，兩者重量差0.41kg，兩者應力值從表2可知基本相同。

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

Y=0.003X+3.3434[4]??? （1）

通過增加底切結(jié)構(gòu)，單個車輪質(zhì)量減少0.41kg，整車（4個車輪）減重1.64 kg，代入公式（1），每百公里減少油耗0.0049L。

3、結(jié)論

本文通過CATIA三維軟件進行車輪建模，采用UG5.0對非底切車輪和底切車輪進行有限元強度分析，通過強度分析結(jié)果對比，證明產(chǎn)品單純增加底切結(jié)構(gòu)后，產(chǎn)品重量降低較多，但輪輻應力會加大即產(chǎn)品強度降低，但可以通過加大輪輻厚度來提高輪輻強度。在兩者具備同等強度前提下，底切車輪可以實現(xiàn)產(chǎn)品輕量化，減低油耗。由于底切車輪加工掉材料遠離中心孔軸線，因此對減小車輪轉(zhuǎn)動慣量效果更明顯，從而改善汽車加速性能。總之，底切鋁合金車輪在保證滿足強度性能情況下，可以減小產(chǎn)品重量和轉(zhuǎn)動慣量，是車輪實現(xiàn)輕量化的一種有效方案。

參考文獻：

[1]趙玉濤編.鋁合金車輪制造技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004

[2]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].氣候變化研究進展，2013，9（4）：284 -290

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

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