基于標準化設計的鋼制車輪快速有限元分析法

葉燕飛，吳兵華，王燕，郝彬

浙江金固股份有限公司，浙江杭州 311400

0 引言

汽車車輪是汽車上非常重要的安全零部件，它是介于輪胎和車橋之間承受負荷的旋轉件，通常由輪輻和輪輞兩個主要零部件組成。輪輞是車輪上安裝和支撐輪胎的部件，輪輻是車輪上介于車橋和輪輞之間的支撐部件。

車輪設計時，通常會運用有限元分析的方法來對車輪的強度進行分析，從而進行設計優化。現有的有限元分析方法一般采用Hypermesh進行前處理，然后使用Abaqus進行應力的求解，此類有限元分析的方法精度較高但是耗時較長。

在設計開發過程中，經常會遇到設計方案多或者開發周期緊張的問題，采用有限元分析法可解決相關實際問題。

1 標準化設計

車輪的輪輞需要和輪胎進行匹配，所以輪輞的輪廓設計都是按照國家標準來進行設計并符合其要求，例如乘用車的輪輞輪廓需要符合GB/T 3487—2015 《乘用車輪輞規格系列》。由于鋼制車輪的輪輞和輪輻是單獨加工并組裝焊接到一起的，在滿足設計載荷的情況下，同規格產品設計時輪輞通常會借用現有輪廓。但乘用車車輪輪輻的設計需要考慮到制動器輪廓以及偏距等多方面，一般新的產品都會根據上述參數重新設計輪輻。對于同一個OEM客戶或者同一家車輪制造企業來說，同規格的輪輻在螺栓孔數量、螺栓孔分布圓、中孔的選擇上往往會采用同尺寸化及標準化，這樣方便在同一平臺實現零部件的通用性，從而大大節約開發成本。針對不同的制動器輪廓以及偏距要求，需要調整的僅為安裝面以外部分的結構。

對于同一車輪制造企業來說，針對同規格的產品螺孔到中孔的區域采用相同的設計結構、材料和厚度，相同的工藝設計、產線設備，在中孔和螺孔部位的應力往往趨向性一致。因此，針對此類輪輞、安裝面進行標準化設計的輪輻，本文提出一種使用NX進行的快速彎曲疲勞有限元分析方法，該方法建模分析車輪的應力值使用時間僅占現有常規方法約4.2%。車輪的輪輻安裝面結構標準化設計示意如圖1所示，其中1～9為標準化設計尺寸。

圖1 車輪的輪輻安裝面結構標準化設計示意

2 建立有限元模型和邊界條件

本文以16X4T乘用車鋼制車輪作為設計模型進行分析方法的描述。標準化設計采用的是同樣的材料及厚度，通過應力和材料屬性對比選擇滿足要求且應力最低的方案。車輪材料以B510L為輪輞材料，SPFH590為輪輻材料，其屬性見表1。

表1 車輪材料屬性

車輪采用10節點4面體網格，輪輻網格大小為7 mm,輪輞網格大小為8 mm，輪輻和輪輞采用面與面粘連的方式連接。由于采用標準化設計，本文描述的快速仿真分析法不考慮標準部位的接口件，因此車輪模型忽略螺栓螺母和安裝盤等。

根據GB/T 5334—2005 《乘用車車輪性能要求和試驗方法》要求，選擇標準中車輪固定不動的試驗方式進行仿真分析，對車輪下端的輪緣施加固定約束。

3 施加載荷

按乘用車車輪性能要求和試驗方法標準的要求，車輪所受到的彎矩計算公式為：

=(·+)··

(1)

式中:為車輪試驗的彎矩;

為摩擦因數;

為輪胎靜負荷半徑；

為車輪偏距;

為車輪負荷;

為強化試驗系數。

圖2 1D桿連接

4 有限元計算

利用迭代求解器進行求解，得到車輪快速彎曲疲勞有限元分析的正反面應力云圖，如圖3所示。

圖3 快速分析法正反面應力云圖

由圖3可以看出，車輪較大應力位置在輪輻最高凸冠、螺母座附近，應力值分別為295.51、248.24 MPa，最大應力低于材料的屈服強度500 MPa。說明快速分析法是有效可行的。

5 分析結果對比

5.1 與現有分析方法對比

利用現有Hypermesh的方法按彎矩=2 460 N·m有限元分析，分析時增加螺栓螺母、安裝盤等接口部件，得到的正反面應力分析云圖，如圖4所示。

圖4 現有分析法正反面應力云圖

由圖4可以看出，車輪較大應力位置在螺母座附近和輪輻最高凸冠處，應力值分別為437.80、305.00 MPa。由于現有方法使用螺栓和螺母進行緊固連接且在螺孔區域有加載力，螺孔區域的應力值會較高。

本文是針對標準化設計的產品進行快速分析，因此僅對非標設計部分進行應力比對。快速分析方法和現有分析法非標設計部分應力值分布區域一致且結果吻合，應力差值約在3.11%。

5.2 與試驗結果對比

16X4T鋼制車輪按有限元分析使用的彎矩=2 460 N·m進行了試驗驗證。試驗設備采用IP45/2彎曲疲勞試驗機，試驗時車輪下端的輪緣夾緊，如圖5所示。

圖5 車輪試驗

試驗車輪樣本數量為3個，試驗需滿足4.5萬次的要求，試驗至疲勞失效時，失效位置均出現在輪輻最高凸冠處，試驗結果見表2，車輪試驗失效位置如圖6所示。

表2 試驗結果

圖6 車輪試驗失效位置

6 結束語

輪輻安裝面處結構采用標準化設計的鋼制車輪，其快速彎曲有限元分析方法計算得到的應力結果和現有分析方法的試驗結果趨勢相吻合，且應力值接近，為鋼制車輪設計開發多方案快速選擇時提供了一種高效的解決辦法，節約了開發時間,提高了開發效率。