轎車鋁合金輪轂力學性能有限元分析

王立偉，王 樂，趙桓禎

（西安石油大學機械工程學院，西安 710065）

0 引言

輕型汽車的概念在很長時間之前就被提出。在20世紀之前，由于需要提高車輛的安全性、操縱性和動力，大量輕質材料被用于高端或者豪華的車型，從而促使汽車朝向更高性能、更高質量全面發展，汽車的綜合實力被不斷地推高。談到汽車的輕量化，輪轂的輕量化始終是繞不開的話題，由于輪轂承載力很強，假若優化不好，汽車的壽命將會縮短，因此，如何減輕輪轂的重量非常重要。

目前來說，輪轂主要分為3 種：鋼制輪轂、鋁合金輪轂以及鎂合金輪轂。鋼制輪轂使用的比較早，主要用于那些重載車輛：鋁合金輪轂從20世紀80年代發展起來的具有成形性好、質量輕但又不影響其強度、具有可回收等一系列優點，對其改善汽車的車身重量、降低油耗保護環境、提高可操作性等都有著很大的影響。鎂合金輪轂在汽車上的使用并非最近才出現的，其因為價格昂貴及防腐性差主要用于使用于賽車和少量高級車上，就目前來看，主流的還是鋁合金輪轂。

基于過去的技術路線，大量實驗是必不可缺的，并且需要為實際實驗制作大量的實驗產品。過去的技術路線具有更精確的優點，但是也將大大增加工廠的生產周期和生產成本。因此，軟件有限元分析可以切實有效地解決這個難題[1]。近些年來，國家的相關職能部門對重型商用車輕量化、載重以及排放作出了許多法規上的限制，使得汽車朝向輕型化發展，特別是在輪轂輕量化層面，已經刻不容緩。目前的有效措施是用鋁制輪轂代替鋼制輪轂，通過這種替代品大大減輕輪轂的重量，減輕商用車的車重。在此基礎上，假若想要經一部的減輕輪轂的重量，有必要優化輪轂的結構，才能達到既定的要求。在鋁合金輪轂的鍛造過程中，其受到高溫可能會發生變形，這會改善材料的機械性。機械性能的提高將會指導輪轂的結構更加完善的設計，并實現鋁合金輪轂的再次輕型化[2]。這對輪轂的一系列研究設計制造過程意義非凡。結合生產工藝和材料特性，使用先進的鍛造工藝來增強輪轂材料的強度[3]。通過研究輪轂在實際工況下的成型規律，優化薄弱部位的結構設計，在提高輪轂的安全性的同時還減輕了重量，保證了輪轂的安全可靠。本文的分析和實驗研究為產品的優化與制成提供了指導性的意見，節省了大量的人力財力以及物力，希望能夠為企業的產品優化與創新提供一些參考建議，具有廣闊的經濟前景。

1 輪轂有限元模型建立

1.1 ABAQUS軟件

ABAQUS 是CAE 軟件，具有國際化、先進性和通用性這三大特征，其功能十分有用且強大。現有的商業有限元軟件已經在飛速發展，而ABAQUS 是功能十分全面的通用型分析軟件，其可以用來分析和計算大型數學模型。與其他商用有限元軟件相比，ABAQUS 在處理非線性問題（如不同的材料、復雜的載荷和可變的接觸條件）方面具有十分明顯的優勢。ABAQUS 不但可以用來分析模型在多個物理領域中的力學性能，而且可以完成系統級的模型分析和研究。ABAQUS 具有強大的分析能力，也能夠用來分析復雜的系統，并且該軟件的穩定性以及準確率也被認定為是符合標準的，已在許多國家和地區廣泛使用。

1.2 鋁合金輪轂的力學性能分析

對輪轂進行有限元計算，首先要定量地計算需對輪轂施加的載荷，由于輪轂在實際的行駛條件下其路況是很復雜的，就要對汽車輪轂所受到的載荷進行簡化處理[4]。

汽車輪轂所承受的最大載荷為：

式中：W為整車自身的重量；N為載荷系數；G為滿載負荷。

載荷系數計算公式：

式中：n1為輪轂制造質量系數，一般取1～1.1；n2為路況影響系數，一般取1～1.2；n3為汽車的載荷系數，一般取1～1.1；n4為其他有關影響系數，一般取1～1.1。

在實際工況下，輪轂還承受彎曲載荷，計算如下：

式中：μ為輪胎與路面間的摩擦系數，一般取0.7；R為靜負載時半徑，取0.35 m；d為輪轂的偏置距離，取0.035 m；F為最大的額定載荷，取8 477 N；S為安全系數，取1.6。

則輪轂所受偏心力計算公式：

式中：L為加載力臂，取0.6 m。

1.3 輪轂結構

輪轂（也稱為輪圈）是輪胎中的金屬部件，用于支撐與中心軸的連接。根據材料和形狀，它可以分為多種類型的輪圈。通常，輪轂主要由兩部分組成：輪輞和輪輻。除這兩個以外，還有偏距、氣門孔、輪緣、槽底、胎圈座等。輪輻是指由輪軸連接到輪輞承載的部分[5]。輪輞是指與輪胎接觸以進行安裝和配合的部分，主要用于支撐輪胎。不同的設計具有內部和外部偏差的不同偏移量。胎圈座是指輪輞上直接接觸輪胎的區域。輪緣是指承載輪胎的區域。氣門嘴連接是指從輪胎氣門嘴延伸的孔；凹槽底部是指輪輞內側的凹槽，主要用于加載和卸載車輪，如圖1所示。

圖1 輪轂結構

2 輪轂徑向強度的有限元分析

作為汽車的重要支撐部件，汽車輪轂在行駛時承擔著自身的重量以及扭矩和外部負載。因此，輪轂的機械性能直接影響汽車的安全性[6]。在本章中，使用徑向強度測試執行輪轂的有限元分析。

2.1 輪轂有限元模型建立

本文主要研究汽車的大型6061 鋁合金車輪以及車輪強度的有限元分析。 本文選擇的高性能輪轂主要由輻條、輪輞和彈性鎖緊環組成，并最終焊接形成整個輪轂。輪轂的參數如下：初始輪輻設置為12 mm，輪輞的最小厚度為6 mm，它們全部分布在直徑335 mm 的圓周上，輻條結構由5 個楔形通風孔組成，ABAQUS 中設置的提升結構如圖2所示。

圖2 輪轂的三維實體模型

在選擇鋁合金材料時，選擇A356（ZAI01A）是因為其具有良好的流動性，良好的氣密性，較低的比重，耐腐蝕性強，不存在熱裂紋的趨勢，線性收縮率低且易于氣焊[7][10]。其具有高強度和可塑性，因此可以滿足高性能車的性能要求。

2.2 有限元模型網格處理

光柵的劃分直接影響結構的后續有限元的計算精度和規模，并且光柵的質量主要取決于諸如光柵密度和單元類型的因素。通常，不同類型的分析具有不同的網格劃分要求，用戶可以根據分析對象和精細網格的組合進行選擇[8]。由于不同網格單元的順序不同，因此高階單元曲線更接近結構曲線。因此，對于復雜模型，請選擇高階元素形狀類型。

劃分方法也不同。對于三維實體分割的網格方法，有自動分割，四面體分割，掃描方法，多域方法等[9]。在該工作中，使用了用于自動分割的四面體元素和用于網格分割的一階六面體元素。網格劃分的基本原則如下。

（1）網格類型。三角形元素在平面中最常見。為了在應用三角形元素時獲得更高的精度，應將元素分開得更近一些。但是，隨著自由度的增加，4 個結元件可能比3 個結元件更多地反映實際張力，但是6 個結元件更大、更好。

（2）網格數。計算的準確性取決于網格的數量。網格劃分得越多，計算機工作效率就越慢。因此，應綜合網格數量和網格劃分所用的時間，以使網格經濟。

（3）網格的疏密程度。這意味著相應的晶格的密度在不同的結構位置上是不同的。在張力集中的某些點，必須更緊密地劃分網格才能獲得更好的數據結果。對于坡度較小的位置，應共享相對稀疏的網格。在本文中，必須將輻條盤表面和螺紋孔周圍的針跡緊密分開，而其他部分則應稀疏地分開，這樣計算效率很高。

（4）網格質量。網格的質量直接決定計算結果。通常，網格劃分要求質量滿足某些指標才能合格。用于測量柵格的質量指標通常是極限點、翹曲、位置偏差和其他因素。本文的樞紐應確保輻條的高質量，否則分析結果中會出現較大的局部誤差。

（5）位移協調。為了確保不同節點之間的協調，單元的節點必須與相鄰節點位于同一節點，否則必須對單元進行限制。這些相鄰且相同的節點具有相同的自由度。

在本文檔中，由于輪轂的形狀復雜，首先使用自由網格來指示網格的精度。鑒于輪轂主要是由于彎曲疲勞而損壞，使用“大小”選擇“網格”分支下的“大小”命令以定義網格的大小。由于采用總體網格劃分，在某些應力集中的地方，通常無法滿足網格劃分要求，可以看出，當輪轂承受外部載荷時，主張力集中在輻條上，并且可以細化網格。插入細化，選擇輻條以細化。然后選擇規則的四面體單元與輪轂嚙合。聯網后的模型如圖3所示。

圖3 輪轂網格的劃分

2.3 邊界條件設置

根據輪轂徑向疲勞測試的工作原理，應限制輪緣和法蘭上的螺孔，以將輪轂固定到安裝法蘭上[11-12]。完全定義了對完全自由度的限制，如圖4所示。

圖4 輪轂約束

在徑向疲勞測試中，車輪主要承受徑向載荷和輪胎壓力，這直接影響輪輞的疲勞強度。實際徑向載荷在120°范圍內，并作為半余弦函數分布。氣壓主要通過輪胎影響輪輞體。本文直接作用在輪輞上。

2.4 輪轂有限元結果分析

在這項工作中，輪轂的鋁合金材料用于輪轂徑向疲勞的有限元分析。由于由11R20 單輪胎設計的車輪承受的最大載荷為3 250 kg，因此最大標稱載荷為31 850 N。

鋁合金材料在載荷作用下松弛，得到等效應力云圖和變形，如圖5～6 所示。由圖可知鋁合金輪轂的總應力和應變位移集中在輪輻和車輪的接合處。最大應力為6.555×106Pa，最大位移為1.451×10-6m。

3 結束語

（1）本文詳細介紹了有限元方法，ABAQUS 軟件和車輪體積模型。然后，根據該模型，詳細解釋了有限元分析過程中最重要的晶格劃分和元素選擇，并簡要說明了軟件分析過程中容易出錯的單元選擇問題。

（2）ABAQUS 用于簡要描述在輪胎壓力和徑向載荷下的嚙合節距和輪轂上的載荷。結果表明，鋁合金轂的最大應力為83.146 MPa，鋁合金轂發生幾何突變時應力集中在通氣孔處。

圖6 輪轂變形圖

（3）該研究僅計算輪轂的徑向疲勞強度，在實際的道路條件下，輪轂會承受諸如車輪撞擊之類的應力，因此，沖擊測試對輪轂的損壞也有很大的影響。如果條件允許，仍可以測試輪轂的沖擊，以準確證明設計的準確性。