基于ANSYS的某廂式貨車新型輪轂靜力結構和模態分析

亓軍，李昌朕

（山東理工大學機械工程學院，山東 淄博 255000）

0 引言

貨車輪轂是連接車輪及車軸的重要部件，對貨車的承重有重要作用。目前，隨著我國物流行業的蓬勃發展，廂式載貨車的使用更加廣泛，國內主要的廂式載貨車生產商有一汽解放、福田、重汽等，所生產的廂式載貨車的驅動形式主要為4×2或6×2后驅，車軸數為2~3軸，載重量為8-20噸。

輪轂起著支撐輪胎的作用，也是承受負載的核心旋轉部件。國內外對輪轂的研究主要包括輪轂彎曲疲勞強度實驗、徑向疲勞實驗和輕量化設計等，在實驗分析等領域取得了較多成果[1]。通過分析以往對輪轂的研究可以得出，目前主要是針對常見輪轂類型的研究，且在緊急制動等復雜工況下，輪轂會產生較為劇烈的應力集中現象，其變形主要出現在輪輞的位置，仍然存在易變形、易開裂等問題。

輪轂在高速旋轉時會受到沖擊作用、正壓力等多種不規則受力，它的性能好壞直接決定了貨車在運輸行駛中的安全性、平穩性等[2]。針對目前輪轂存在的問題，本文研究了一種新型輪轂結構，在輪輞面上等距離分布四條加強筋，通過分析其在高速行駛、扭轉變形以及緊急制動3種工況下的應力及變形情況，驗證此新型輪轂在日常使用時的強度和剛度是否滿足要求。并對輪轂進行計算模態分析，研究其固有頻率和結構動力特性，分析此輪轂結構的設計是否合理。

1 廂式載貨車輪轂三維有限元模型建立

1.1 建立三維模型

本文以國內常用的4×2兩軸廂式載貨車為研究對象，額定載重10噸，輪胎規格為12R22.5。將新型輪轂用于此車，分析其受力情況和固有頻率。輪轂是一種能夠對輪胎起到支撐作用并用于承受載荷的金屬零件，主要由輪輞和輪輻組成，輪輞是車輪周邊安裝輪胎的部件[3]，主要用于車輛承重，而輪輻則與車軸直接接觸。貨車和輪轂的參數如表1所示。

表1 貨車和輪胎參數

目前貨車輪轂普遍采用鋼材料，有制作工藝簡單，生產成本低等優點。本文采用的輪轂材料為SPFH590，其各項參數如表2所示，利用Solidworks建立該廂式載貨車輪轂的三維模型，對影響較小的因素進行局部簡化，建立的三維模型如圖1所示。

圖1 輪轂三維模型

表2 輪轂材料主要參數

1.2 設置模型材料以及網格劃分

將Solidworks中得到的輪轂三維模型輸出后導入ANSYS中，進行有限元分析。本文采用三維四面體單元劃分網格，通過ANSYS自帶的Engineering Data來新建貨車輪轂的材料，設置材料名稱、彈性模量、密度、泊松比和屈服強度等，將材料導入Mesh中對輪轂進行分析，單元取10mm。在網格劃分完成后，模型共形成221844個節點，114591個單元，輪轂模型的網格分布如圖2所示。

圖2 輪轂模型網格劃分圖

2 貨車輪轂有限元靜力結構分析

在日常的實際生活中，車輛幾乎每時每刻都承受著來自各個方向上的、不同性質的力，且這些不規則的力都在不斷地發生變化，較難用統一標準衡量。鑒于各種類型力的復雜性，本文只對貨車輪轂進行滿載時高速行駛、扭轉變形以及緊急制動3種常見工況下的靜力分析。

2.1 滿載高速行駛工況

高速行駛工況主要是指廂式載貨車以某一恒定速度行駛在鋪裝情況較好的路面，或者處于滿載時的靜止狀態。輪轂在此種工況下是否能夠正常工作主要取決于屈服強度，輪轂需要足夠的屈服強度來保證廂式載貨車在此工況下的正常運作，其在此種實際工況下最主要的失效形式為彎曲疲勞失效，對輪轂進行靜力結構分析。

約束處理：建立輪轂靜力學模型，約束輪轂螺栓處的全部自由度，約束輪轂的X、Y軸方向自由度，對其施加Z軸方向的外載荷。

載荷處理：廂式載貨車載重為10t，其重量主要集中于車箱位置，由六個車輪承擔豎直向下的載荷，由表1可知，廂式載貨車后橋軸荷遠大于前橋，故取后橋載荷施加于輪轂，取動載荷系數為1.8，根據國家標準，取安全系數為2.25，由于貨車高速行駛，忽略輪胎的變形量。對貨車輪轂進行靜力結構分析，獲得其應力云圖和變形情況云圖。

通過有限元分析得到了如圖3和圖4所示輪轂在徑向的壓力下的應力分布云圖以及變形量云圖。由圖3可看出，輪轂的最大變形量為0.38718mm，主要位于內側輪輞處，引起了較小的形變，對輪轂在正常工作條件下的影響不大，能夠保證正常工作時的可靠性。

圖3 輪轂變形情況云圖

圖4 輪轂應力分布云圖

由圖4可看出，該廂式載貨車滿載時其輪轂所承受的最大應力為182.01MPa，小于所選用鋼材的屈服強度420MPa，輪輞外側圓角處形成一條高應力環帶，與實際情況的破壞位置相符，安全系數為420/182.01=2.3>2.25，表明有限元模型可靠，此新型輪轂滿足強度要求。

2.2 滿載扭轉變形工況

貨車輪轂的扭轉變形對于行駛安全有極為重要的影響，尤其當貨車在啟動時，由于輪胎內部充有大量氣體，動力會在輪轂的輪輞面處產生較大的扭轉載荷，從而引起輪轂形變。若輪轂形變量過大，則不能保持其原有形狀，貨車在正常行駛過程中將會產生更大的振動和噪聲，也會降低輪轂的疲勞強度，減少使用壽命。

為盡量真實的模擬實際工況，對輪轂進行約束：約束螺栓孔與車軸聯接位置，將其作為支承，對輪輞施加垂直于輪軸的扭矩載荷，使其發生扭轉變形，分析各應力及變形情況。

取貨車的功率速比i為4.333:1，輸出功率P為179kw，當發動機在1800rpm時輸出峰值扭矩，計算扭矩公式為：

得到T=949.69N·m

則加在車輪上的扭矩為T·i=949.69×4.333=4115N·m，由于廂式載貨車為4×2前置后驅形式，故單個輪轂承受的扭矩為4115/4=1028.76N·m。

車輛在靜止時，輪轂會受到由于重力作用而產生的徑向載荷，會直接作用到輪輞上，是影響輪輞使用壽命的重要因素之一，此外還會受到胎壓的影響，取胎壓為350kPa，其作用力近似遵循余弦函數，根據力平衡原理，以壓強的形式直接施加均布載荷于輪輞[4]。

對貨車輪轂進行有限元分析，獲得其應力云圖和變形情況云圖：

通過有限元分析得到了如圖5、圖6和圖7所示輪轂在滿載扭轉工況下的應力分布云圖、切應力云圖以及變形量云圖。由圖5可看出，該廂式載貨車滿載啟動時，其輪轂所承受的最大應力為187.54MPa，遠小于所選用鋼材的屈服強度420MPa，主要集中在輪輞處，滿足強度要求。

圖5 扭轉應力分布云圖

圖6 扭轉變形量分布云圖

圖7 扭轉切應力分布云圖

由圖6可看出，輪轂的最大變形量為0.39015mm，主要位于靠近車軸的輪輞以及輪緣位置，但其變形量較小。由圖7可看出，輪轂最大切應力為60.257MPa，由此可以得到此新型輪轂很好的緩解了應力集中現象，即在貨車最大扭矩的作用下，輪轂滿足設計要求，結構合理。

2.3 滿載緊急制動工況

緊急制動工況主要是指貨車在正常行駛時突然踩下剎車，使得車輛在以最大制動力進行制動的過程中，地面與車輛之間形成較大制動力的情況。緊急制動的過程中地面制動力會形成較大的徑向沖擊載荷作用于貨車輪轂上，對貨車的正常行駛安全有重要影響，其結構合理性必須要得到保證。

貨車緊急制動時輪轂的受力主要包括車身自重、地面制動力等，忽略貨車制動時路面對車輪的滾動摩擦力矩和車輛的慣性力矩。載荷除同高速行駛工況外，取最大附著系數為0.7，在X軸方向取制動減速度為0.6g，動載荷系數取2.2，約束條件同高速行駛工況。

對貨車輪轂進行有限元分析，獲得其應力云圖和變形情況云圖：

通過有限元分析得到了如圖8和圖9所示輪轂在滿載扭轉工況下的應力分布云圖以及變形量云圖。由圖8可看出，該廂式載貨車在滿載緊急制動時，輪轂所承受的最大應力為224.55MPa，小于所選用鋼材的屈服強度420MPa，在加強筋的未出現應力集中現象，滿足其強度要求。由圖9可看出，輪轂的最大位移量為0.52382mm，主要位于輪輞位置，變形量較小，即在貨車緊急制動工況下，此新型輪轂的結構滿足要求，設計合理。

圖8 沖擊應力分布云圖

圖9 沖擊變形量分布云圖

3 貨車輪轂模態分析

模態分析法主要是通過對結構的固有頻率及其振型進行研究，分析結構的振動性質及其變化特征的一種方法[5]，也是在工程領域中常用的分析方法之一。眾所周知，共振會帶來十分嚴重的危害，甚至有危及生命的風險，研究輪轂的固有頻率和模態振型可掌握其在某頻段的振動頻率，從而有效地避免了共振情況的發生，保證車輛在安全可靠的環境下運行。對貨車輪轂施加約束后，利用ANSYS進行前六階模態分析，輪轂的模態振型和頻率如圖10-圖15、表3所示：

表3 貨車輪轂前6階固有頻率

圖10 第1階模態振型圖

圖15 第6階模態振型圖

圖11 第2階模態振型圖

圖12 第3階模態振型圖

圖13 第4階模態振型圖

圖14 第5階模態振型圖

通過研究新型輪轂的模態分析結果可以看出，輪轂的振動頻率在311.41-441.73Hz之間，由此可見，加入了輪輞加強筋可將輪轂的振動頻率控制在較小的范圍內，頻率過渡穩定，無突變情況。車輛在馬路上行駛時，其激勵源主要來自兩個方面，其一是車輛發動機，另一方面來自路面。通常情況下，路面的激勵頻率一般均在15 Hz以下，發動機頻率在200Hz左右。由模態振型可得，貨車輪轂的固有頻率均不在兩者的范圍內。

綜合上述分析可知，該廂式載貨車在正常行駛時不會因共振現象而產生危害，也不會引起較大的變形，進一步驗證了該新型輪轂結構的合理性。

4 結語

本文研究了一種使用輪輞加強筋的新型輪轂，利用ANSYS對輪轂進行了滿載高速行駛和緊急制動兩種工況下的分析，結果表明最大應力發生在輪輞外側的內輪緣處，呈環狀分布，輪輻位置未出現應力集中現象，與實際情況基本相符。

對輪轂進行扭轉分析，驗證了輪輞加強筋結構能夠有效緩解應力集中現象。研究結果表明，在4×2兩軸廂式載貨車的輪轂使用方面，此種新型輪轂相比于傳統輪轂在應力分布方面有明顯優勢。

此外還通過模態分析得到了輪轂的前六階的固有頻率和模態振型，結果表明該新型輪轂可良好的避免共振現象，在不耗費過多材料的情況下，能夠使輪轂質量更均衡，有效抵御路面對輪轂的沖擊，驗證了該輪轂的結構設計合理可靠，有利于對輪轂結構進一步的優化。本文的研究數據和結果對今后廂式載貨車輪轂更深層次的研究具有一定的指導意義。