車輪結構對車輪剛性影響的研究

李波

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不同結構車輪剛性值，分析了不同輪輻厚度和法蘭厚度對車輪剛性的影響，研究結果指導車輪設計，改善車輪剛性，使得車輪剛性滿足工程需求。

關鍵詞：有限元;車輪;剛性

0 ?引言

在現代汽車設計中，車輪作為汽車絕對安全部件，不僅要滿足強度及安全性的要求，在剛性方面也提出了更高的要求，以滿足汽車乘坐的舒適性和行駛平穩性。傳統的車輪設計只考慮了車輪的強度方面的要求，只要滿足沖擊、彎曲疲勞和徑向疲勞試驗的要求即可，對車輪剛性幾乎沒有考慮。當車輪的剛性不足時，對整車行駛的平穩性會產生很大的影響，并因此產生振動，使汽車噪音增大，不但影響乘坐的舒適性，而且會加劇疲勞損傷，降低車輛的壽命。故而剛性在車輪設計中已經越來越重要，成為車輪設計中必不可少的重要指標[1]。

車輪剛性分為動剛性和靜剛性，本文以車輪動剛性作為研究對象，首先利用有限元對車輪進行模態分析，找出車輪的共振頻率，進而計算出車輪剛性值。剛性屬于車輪的固有特性，其影響因素主要是車輪材料和結構。在車輪生產過程中，由于生產工藝的限制，材料特性很難改變，通過改善材料來改善產品剛性的空間不大。故目前改善產品剛性的方法主要是改變車輪結構，通過優化產品結構來達到改善車輪剛性的目的。所以，本文主要討論不同車輪結構對車輪動剛性的影響，發現規律，指導車輪設計。

鋁合金車輪由三部分組成：輪芯，輪輻，輪輞。

輪芯與汽車通過中心孔和螺栓孔連接，輪輻連接輪輞和輪芯，起主要的支撐作用，輪輞與輪胎連接。以往的研究發現，其中輪輞對車輪的剛性影響相對較小，且通過輪輞來改善車輪剛性，對車輪重量影響較大，不利于車輪的輕量化，實際設計中不建議通過輪輞來改善車輪剛性，故本文主要分析了輪輻和法蘭對車輪剛性的影響。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，本文以18寸車輪為例。為了簡化模型，車輪不設計減重窩，輪輞壁厚設計3.5mm，保持不變。氣門孔對車輪剛性沒有影響，三維模型上不設計氣門孔。

①分析輪輻結構對車輪剛性的影響，設計三維模型時，保持法蘭厚度不變，改變輪輻厚度，由17mm變化到35mm厚，輪輻厚度以2mm遞增。

②分析法蘭厚度對車輪剛性的影響，設計三維模型時，保持輪輻厚度不變，改變車輪法蘭厚度，法蘭由39mm變化到53mm，法蘭厚度以2mm遞增。

車輪三維模型如圖1。

2 ?利用有限元方法計算車輪剛性值

2.1 建立剛性有限元模型

車輪處于自由狀態，沒有任何約束。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。在車輪安裝面上施加載荷（動態激勵），計算車輪共振頻率，利用頻率與剛性的關系式計算出車輪剛性值。

2.2 利用有限元分析車剛性值

2.2.1 計算不同輪輻厚度的車輪剛性值

如前所述，對不同輪輻厚度的三維模型進行分析，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，輪輻厚度和車輪重量發生變化時，車輪剛性值也相應發生變化，基本是線性關系。

2.2.3 計算不同法蘭厚度的車輪剛性值

如前所述，車輪輪輻厚度保持不變，對不同法蘭厚度的三維模型進行剛性值計算，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，車輪剛性值也相應發生變化，基本是線性關系。

2.3 試驗室檢測結果

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，試驗時用彈力繩把車輪吊起，使車輪處于自由狀態，再安裝面上放置加速度傳感器，用橡皮錘敲擊安裝面，采集車輪共振頻率，再利用剛性與頻率的轉換公式計算車輪剛性值。實驗室檢測數據如表3，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，也驗證了利用有限元分析車輪剛性值的正確性。

3 ?結論

①車輪輪輻結構和法蘭厚度對車輪剛性影響較大，基本呈線性關系，改善車輪剛性時可以從改變輪輻結構和法蘭厚度著手。

②車輪剛性值大小，直接關系到車輪重量，剛性值要求較高時，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。故對車輪剛性值的要求不宜過高也不宜過低，需綜合評價。

③本文給出了改善車輪剛性的設計方向，為車輪前期設計提供了設計依據。

參考文獻：

[1]黃少兵.車輪剛性及其有限元分析[J].中國新技術新產品，2008（18）.

[2]李敘辰，楊振祥.低階車輪多邊形對列車運行安全性的影響[J].內燃機與配件，2019（08）：39-42.

[3]傅博，馬天才.基于半車模型的汽車車輪動載估算研究[J].內燃機與配件，2019（07）：8-12.