汽車輕量化鋁合金輪轂設(shè)計(jì)*

唐淳，闞洪貴

汽車輕量化鋁合金輪轂設(shè)計(jì)*

唐淳，闞洪貴

（江淮汽車技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

文章通過對(duì)現(xiàn)有的鑄造鋁合金輪轂進(jìn)行減重，得到最優(yōu)化的鍛造鋁合金輪轂結(jié)構(gòu)，借助有限元模擬軟件對(duì)輕量化的輪轂結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，達(dá)成滿足性能目標(biāo)要求的最優(yōu)的輪轂結(jié)構(gòu)。

鋁合金輪轂；輕量化設(shè)計(jì)；性能評(píng)價(jià)

引言

鍛造鋁合金輪轂與鑄造鋁合金輪轂相比，性能指標(biāo)上有明顯優(yōu)勢(shì)，如重量輕、安全性能高、節(jié)能等，但鍛造輪轂的應(yīng)用卻處于剛剛起步階段，僅個(gè)別車型中有應(yīng)用。對(duì)現(xiàn)有鑄造結(jié)構(gòu)的鋁合金輪轂進(jìn)行減重，通過有限元模擬軟件對(duì)輕量化輪轂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，得出最優(yōu)化的輕量化設(shè)計(jì)。

1 鑄造輪轂結(jié)構(gòu)介紹

研究載體結(jié)構(gòu)如圖1所示，輪轂重9.66kg。把鑄造鋁合金輪轂設(shè)計(jì)成鍛造鋁合金輪轂時(shí)，重量至少比鑄造鋁合金輪轂重量輕10%。

圖1 鑄造輪轂結(jié)構(gòu)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T5334-2005乘用車車輪性能要求和試驗(yàn)方法》計(jì)算出鑄造輪轂的最大等效應(yīng)力，根據(jù)鑄造輪轂的力學(xué)性能計(jì)算出鑄造輪轂的最小安全系數(shù)。若鍛造輪轂與鑄造輪轂數(shù)模相同，因鍛造輪轂的力學(xué)性能比鑄造輪轂高，鍛造輪轂的最小安全系數(shù)大于鑄造輪轂，造成材料浪費(fèi)。因此需要對(duì)輪轂進(jìn)行減重分析，減小鍛造輪轂輪輻或輪輞的厚度，重新計(jì)算鍛造輪轂的最小安全系數(shù)，直至與鑄造輪轂的最小安全系數(shù)相等或相近。[1]

2 設(shè)計(jì)過程

對(duì)研究載體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程圖2所示。

圖2 輪轂輕量化流程

2.1 優(yōu)化前的彎曲試驗(yàn)有限元模擬

按照標(biāo)準(zhǔn)《GB/T5334-2005乘用車車輪性能要求和試驗(yàn)方法》的規(guī)定，對(duì)鑄造輪轂進(jìn)行彎曲試驗(yàn)的強(qiáng)度分析。

彎曲試驗(yàn)中通過試驗(yàn)臺(tái)夾具將車輪的內(nèi)輪輞邊緣加緊固定，因此有限元前處理中需要對(duì)內(nèi)輪輞邊緣進(jìn)行固定。根據(jù)上面描述，彎曲試驗(yàn)的彎矩為M=2670.5N?m，試驗(yàn)裝置中力臂長(zhǎng)度為1m，因此，施加在力臂端面的載荷大小為2670.5N。因輪轂形狀，按照?qǐng)D3所示的方向分別對(duì)力臂施加載荷。[2]

圖3 彎曲試驗(yàn)施加載荷方向

按照?qǐng)D3所示的方向分別施加載荷時(shí)，輪轂的等效應(yīng)力分布見圖4所示。

由圖4可知，A、B、C、D方向的載荷分布作用到力臂上時(shí)，輪轂的最大應(yīng)力載荷分別是169.54MPa、167.21MPa、158.57MPa和153.46MPa，最大等效應(yīng)力均在輪輻背面，在輪輻交點(diǎn)處。A方向載荷作用到力臂上時(shí)，輪轂的等效應(yīng)力最大。

鑄造輪轂的抗拉強(qiáng)度σb=299MPa，屈服強(qiáng)度σs=199MPa，延伸率δ=12.8%。彎曲試驗(yàn)時(shí)，輪轂最大等效應(yīng)力為169.54 MPa，最小安全系數(shù)為1.17。

a）A向載荷輪轂等效應(yīng)力分布

b）B向載荷輪轂等效應(yīng)力分布

c）C向載荷輪轂等效應(yīng)力分布

d）D向載荷輪轂等效應(yīng)力分布

圖4 A、B、C、D方向的載荷時(shí)輪轂等效應(yīng)力分布

2.2 輪轂輕量化設(shè)計(jì)

輪轂輕量化后重8.69kg，比鑄造輪轂輕0.97kg。輕量化后的輪轂與鑄造輪轂相比有以下變化：

1）從輪輻內(nèi)側(cè)對(duì)輪輻厚度進(jìn)行減薄，輪輻減薄10mm，具體位置如圖5中紅色位置所示；

圖5 輪轂減重位置示意圖

2）輪輻厚度減薄后，為保證輪輻與輪芯之間的強(qiáng)度，將輪輻和輪芯之間的圓角增大至R60mm，具體位置如圖5中藍(lán)色位置所示；

3）根輪輞厚度方向也可進(jìn)行減薄，在輪輞內(nèi)側(cè)對(duì)輪輞厚度進(jìn)行減薄，減薄厚度為0.6mm，具體位置如圖5中紫色位置所示。[3]

2.3 優(yōu)化后的彎曲試驗(yàn)有限元模擬

優(yōu)化后的鍛造輪轂彎曲試驗(yàn)有限元模擬前處理與鑄造輪轂的前處理一致，此處不再描述。按照?qǐng)D3所示的A、B、C、D四個(gè)方向施加載荷后，輪轂的等效應(yīng)力如圖6所示。

圖6 A、B、C、D方向的載荷時(shí)輪轂等效應(yīng)力分布

由圖6可知，A、B、C、D方向的載荷分布作用到力臂上時(shí)，輪轂的最大應(yīng)力載荷分別是240.71MPa、236.51MPa、246MPa和229.18MPa，最大等效應(yīng)力均在輪輻背面，在輪輻交點(diǎn)處。C方向載荷作用到力臂上時(shí)，輪轂的等效應(yīng)力最大。

鍛造輪轂的抗拉強(qiáng)度σb=326MPa，屈服強(qiáng)度σs=274MPa，延伸率δ=13.7%。彎曲試驗(yàn)時(shí)，輪轂最大等效應(yīng)力為246MPa，最小安全系數(shù)為1.11。

3 結(jié)論

鍛造輪轂輪優(yōu)化后重量為8.69kg。彎曲試驗(yàn)中，最大等效應(yīng)力為246MPa，最小等效應(yīng)力為1.11，鑄造輪轂最小安全系數(shù)為1.17，兩者比較接近，因此，該鍛造輪轂為輕量化的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

[1] 朱利民等.汽車鋁合金輪轂輕量化技術(shù)[J].汽車工藝師,2007.

[2] 葉安英等.基于CAE技術(shù)的典型輪轂輕量化設(shè)計(jì)過程研究[J].邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2010.

[3] 宋淵 等.鋁合金輪轂輕量化設(shè)計(jì)[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2014.

Design of Lightweight Aluminum Alloy Wheel Hub for Automobile*

Tang Chun, Kan Honggui

（JAC Technical Center, Anhui Hefei 230601 )

In this paper, through reducing the weight of the existing cast aluminum alloy wheel hub, the optimal forging aluminum alloy hub structure is obtained. The performance evaluation of the lightweight wheel hub structure is carried out with the help of the finite element simulation software, so as to achieve the optimal hub structure meeting the performance requirements.

Aluminum alloy wheel hub; Lightweight design; Performance evaluation

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.011

U463.343

A

1671-7988(2021)03-37-03

U463.343

A

1671-7988(2021)03-37-03

唐淳（1982 -），女，遼寧沈陽(yáng)人，江淮汽車技術(shù)中心車體設(shè)計(jì)專家，碩士，主要從事車體的設(shè)計(jì)和研發(fā)工作。

闞洪貴（1983 -），男，山東臨沂人，江淮汽車技術(shù)中心車體設(shè)計(jì)專家，本科，主要從事車體的設(shè)計(jì)和研發(fā)工作。

復(fù)雜薄壁壓鑄鋁合金零部件成形與應(yīng)用關(guān)鍵共性技術(shù)（2016YFB0101603）。