不同車輪結構對車輪固有頻率影響的研究

李波　臧進

摘要：本文采用三維設計軟件CATIA設計了不同結構車輪，利用有限元法計算出了車輪固有頻率，分析了不同輪輻厚度、輪輞厚度和法蘭厚度對車輪固有頻率的影響。研究結果指導產品設計，改善車輪固有頻率，使的產品固有頻率滿足工程需求。

關鍵詞：有限元;固有頻率;車輪

0? 引言

汽車作為現代交通和代步工具，已不僅僅局限于整車的安全性，對乘坐舒適性和行使平穩性的要求也越來越高。輪轂的固有頻率（固有頻率及振型）與路面載荷的關聯作用是產生路面噪聲和振動的重要影響因素，對整車行駛的平穩性將產生很大的影響，進而影響乘坐的舒適性，甚至會對整車產生破壞性損傷。 [1]

現今許多汽車廠越來越重視車輪固有頻率研究，并給配套供應商提出了車輪固有頻率的要求。車輪供應商在設計車輪時必須改變思想，與主機廠同步，把車輪固有頻率做為必要指標加以考慮。因此，有必要研究車輪結構對車輪固有頻率的影響，找出主要的影響因素，指導車輪設計，節省設計時間，使車輪快速推向市場。

固有頻率作為車輪本身固有的特性，其主要影響因素有材料（彈性模量和密度）、約束情況（有約束和無約束）、結構等。通過工藝改善來改變車輪材料的特性非常困難且不穩定。通過改變車輪結構來改善車輪固有頻率是目前采用的主要方法。故本文主要是研究車輪的不同結構對車輪固有頻率的影響，找出其中的主要影響因素，發現規律，為車輪設計提供方向，滿足工程要求。

鋁合金車輪主要由三部分組成：輪芯，輪輻，輪輞。本文以此三部分作為研究對象，找出其對車輪固有頻率的影響。

分析過程如下：

1? 建立車輪模型

利用三維設計軟件CATIA設計車輪三維模型，以19寸車輪為例，忽略氣門孔的影響。

①分析輪輞結構對車輪固有頻率的影響，保持法蘭厚度，輪輻厚度不變，設計不同輪輞壁厚的三維數模。

②分析輪輻結構對車輪固有頻率的影響，保持法蘭厚度，輪輞厚度不變，設計不同輪輻結構的三維數模。

③分析法蘭厚度對車輪固有頻率的影響，保持輪輻厚度，輪輞厚度不變，設計不同法蘭厚度的三維數模。

車輪三維模型如圖1。

2? 利用有限元方法計算車輪固有頻率

2.1 建立固有頻率有限元模型

本文采用ANSYS作為計算工具。車輪與汽車剎車盤連接，故約束車輪的安裝面。車輪網格采用實體四面體網格如圖2，材料設置鋁合金材料屬性如圖3。計算車輪前3階固有頻率。

2.2 計算不同結構車輪的固有頻率

2.2.1 計算不同輪輻厚度的車輪固有頻率

不同輪輻厚度的三維模型分析計算結果如表1。

2.2.2 數據分析

由圖4、圖5可以發現，在其他尺寸不變的情況下，輪輻厚度發生變化時，車輪固有頻率也相應發生變化，基本是線性關系。

2.2.3 計算不同法蘭厚度的車輪固有頻率

不同法蘭厚度的三維數模固有頻率分析計算結果如表2。

2.2.4 數據分析

由圖6、圖7可以發現，在其他尺寸不變的情況下，車輪法蘭厚度和車輪重量發生變化時，車輪固有頻率也相應發生變化，基本是線性關系。

2.2.5 計算不同輪輞厚度的固有頻率

不同輪輞厚度的三維模型固有頻率分析計算結果如表3。

2.2.6 數據分析

由圖8、圖9可以發現，在其他尺寸不變的情況下，車輪輪輞厚度和車輪重量發生變化時，輪輞壁厚和固有頻率呈反比關系，即輪輞壁厚越厚車輪的固有頻率越小。

2.3 試驗檢測車輪固有頻率

對車輪進行試驗檢測，本文采用的低壓鑄造鋁合金車輪，材料為鑄造鋁合金A356。把車輪安裝面固定在鋼制平臺上，輪緣放置加速度傳感器，用橡皮錘敲擊輪緣，檢測車輪固有頻率。為了方便測量，本文中只檢測一階固有頻率。

檢測數據如表4。從檢測數據可以看出，其測量結果和有限元分析結果基本相符，但是還是有一定差距，需要進一步完善有限元分析模型。

3? 結論

①車輪輪輻厚度、輪輞厚度和法蘭厚度對車輪固有頻率都有影響，其中輪輻和法蘭厚度與固有頻率呈正比關系，輪輞壁厚與車輪固有頻率呈反比關系，其中輪輻對固有頻率的影響最大。

②車輪固有頻率直接關系到車輪重量，固有頻率要求較高時，一般情況下車輪重量會相應增高，影響車輪制作成本。同時，車輪重量增加，會影響汽車的耗油量。

③本文給出了改善車輪固有頻率的設計方向，為車輪前期設計提供了設計依據。

參考文獻：

[1]李力重，王軍.固有頻率在車輪設計有限元分析中的應用.

[2]劉曉東.重型軌道車車輪異常磨耗原因分析及應對措施[J].內燃機與配件，2019（07）：124-125.

[2]吳曉東.基于ANSYS的輪轂模態分析[J].內燃機與配件，2019（16）：42-43.