汽車輪轂模態及剛度性能有限元分析

靖 娟，王友華

汽車輪轂模態及剛度性能有限元分析

靖 娟1，王友華2

（1.江西制造職業技術學院 汽車與航空學院，江西 南昌 330001； 2.江鈴汽車股份有限公司 整車工程研究院，江西 南昌 330031）

汽車車輪是整車系統的重要組成部分，而輪轂是車輪總成的關鍵部件，汽車輪轂設計的穩健性直接影響著整車性能。文章利用有限元法對汽車輪轂進行模態及剛度性能計算機輔助工程（CAE）仿真分析，使輪轂的模態及剛度性能滿足整車目標體系要求，有效支持了汽車輪轂的工程設計開發，有利于降低整車振動和噪聲，為良好的整車噪音、振動與聲粗糙度（NVH）性能開發提供了保障。

輪轂模態；剛度性能；有限元分析；NVH

汽車車輪對汽車車體有承載作用，可以將發動機的動力轉化為驅動汽車前進的力[1]。在汽車前進的過程中，車輪不但起著傳遞動力的作用，還能兼顧降低路面沖擊的減震作用，同時還要受到駕駛人對汽車的轉向、制動等工況帶來的沖擊，因此，車輪的設計性能將直接影響著汽車的舒適性、安全性及耐用性。

輪轂是汽車車輪總成的重要組成部件，作為車輪的“骨架”，其同樣要承受車輛重力的作用以及車輛行駛過程中各種工況下帶來的作用力[2]。由于輪轂受力較為苛刻以及結構比較復雜，給輪轂的設計開發帶來較大難度。本文將從模態和剛度性能兩方面來分析輪轂設計的合理性。模態分析可以揭示零件結構本身的振動變形特點，是振動特性的一種可靠分析，可以建立零件的響應模型，為汽車輪轂的設計提供重要方法。同時輪轂本身承受著路面不同幅值、不同頻率的激勵以及發動機的激勵，將產生不同形態的變形，其剛度性能的好壞也直接影響著汽車噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）。

由于HyperMesh軟件能夠進行復雜結構的網格處理，同時還能與常用的計算機輔助設計（Computer Aided Design, CAD）軟件進行數據交換，因此，本文的汽車輪轂設計通過HyperMesh軟件，結合數值仿真技術，對汽車輪轂進行模態及剛度性能計算機輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）仿真分析，使輪轂設計開發不但滿足模態特性要求，而且也滿足輪轂剛度性能要求，從而使汽車車輪零部件系統及整車系統有較好的NVH性能表現，提升駕駛人員的舒適性及主觀感受滿意度。

1 有限元模型的建立

1.1 CAD模型設計

在汽車輪轂CAD模型設計開發中，需根據車身輪包具體結構，考慮到車輪左右打死邊界、滿足布置空間的條件下，對車輪總成及輪轂進行產品設計。設計采用汽車行業通用的CATIA軟件對輪轂結構進行三維數據建模，并使零件滿足成型要求。汽車輪轂包括輪輞和輪輻，設計后的CAD模型如圖1所示，均為五孔安裝形式。

圖1 汽車輪轂CAD模型

1.2 CAD模型導入

汽車輪轂的三維造型一般都較為復雜，本文對輪轂分析影響較小的區域進行了簡化[3]。在不影響計算精度的基礎上，還能提高計算效率。

當汽車輪轂CAD模型簡化設計完成后，將其導出另存為STP格式的數據，并進一步導入到有限元軟件中進行CAE模型的網格處理工作。

1.3 建立材料屬性

在汽車產品開發中，輕量化是一大趨勢，不但能減少整車重量、降低能耗；還能降低生產和制造成本。在汽車輪轂開發中，鋁輪有著廣泛的應用，不但重量輕，而且美觀大方。在本文鋁輪設計開發中，采用鋁輪材質，其材料屬性參數如表1所示。在HyperMesh軟件中將鋁輪的材料參數輸入相應對話框中完成材料性能的創建。

表1 汽車輪轂材料參數

類型彈性模量/MPa泊松比/%密度/ (t/mm3) 鋁合金7.2 E+040.332.7 E-09

1.4 建立網格模型

為進行有限元分析，需將輪轂CAD模型離散化，將其分解成更細的單元，即網格劃分。在進行網格劃分之前，需將輪轂數據導入到有限元前處理軟件中。由于汽車輪轂結構復雜性，不同位置造型特征不同，且材料厚度也不一樣，為了體現輪轂結構形狀特征，需將網格劃分更細些。

本文輪轂采用10 mm單元尺寸進行有限元網格劃分工作，在不同的輪輞及輪輻結構區域，采用六面體單元和四面體單元相結合的網格類型。在進行有限元分析時，網格質量的好壞對分析結果有較大影響，在完成輪轂進網格劃分后，需對網格單元質量進行檢查，從而保證分析結果的有效性。建立好的輪轂網格模型如圖2所示。

圖2 輪轂網格模型

本文分析的汽車輪轂結構采用鋁材，在完成輪轂網格劃分工作后，需要建立材料特性參數，并將其賦予所劃的網格單元，其參數內容包括材料密度、彈性模量及泊松比。同時將有限元文件提交計算前，需要設置分析類型、文件輸出參數等。

2 輪轂模態仿真分析

2.1 模態分析機理

汽車輪轂不僅與傳動軸相連，產生驅動力，還與制動盤相連，在制動時產生制動力。同時輪轂還與輪胎相連，這些受力都將通過輪胎本身與地面接觸而產生作用與反作用力，路面的振動也將通過輪胎、輪轂傳遞到車身上。因此，輪轂是汽車行駛系統中的關鍵部件，在進行輪轂工程方案設計的過程中，需要開展有限元模態特性分析，通過分析及優化來避免輪轂發生共振現象，進而避免在汽車使用過程中輪轂發生失效，還可以減少給車內人員帶來較大的振動和噪聲，影響乘坐舒適性并能提升對整車的NVH良好的主觀感受。

模態分析是研究結構動力特性的一種方法[4]，通過建立輪轂的運動微分方程來研究其動態特性。

多自由度的通用動力學方程為

在模態分析中阻尼矩陣=0，()=0。此時動力學方程為

其對應的特征方程為

式中，為系統的質量矩陣；為系統的阻尼矩陣；為系統的剛度矩陣；為節點的位移向量；為系統外部激勵；為固有頻率；為振動初相位。求解可得固有頻率與振型。

2.2 輪轂模態計算與分析

本文采用模態分析方法對汽車輪轂進行動態特性分析，并對模態結果進行評估，避免輪轂由于頻率耦合而發生共振現象，防止產生結構破壞。

HyperWorks軟件平臺中的HyperView模塊，是特定的后處理模塊，有著強大的后處理功能，可以輸出各種結果云圖。本文進行輪轂CAE分析時，將有限元模型文件提交計算后，將計算結果文件用后處理HyperView軟件打開，在其中進行結果的后處理工作。

輪轂有限元模態仿真分析結果如圖3所示，輪轂的模態頻率結果為285 Hz，為輪輞呼吸模態。由于前6階為剛體模態，可以忽略。

圖3 輪轂模態結果

根據工程經驗，路面對汽車的激勵頻率一般在11 Hz以下。同時，對于發動機本身的振動來說，其振動頻率一般可通過如下公式計算[5]：

式中，為發動機轉速度，r/min；為氣缸數目；為沖程數，四行程=2。

發動機怠速一般為650～850 r/min，對應頻率為21.7～28.3 Hz。發動機最高轉速下對應的頻率一般為200 Hz左右。

由此可見，對于路面激勵來說，本文汽車輪轂的固有頻率為285 Hz左右，遠大于平坦路面和較差路面的激勵頻率，與輪轂的模態無交錯，不會發生共振現象；對于發動機本身的激勵頻率來說，輪轂固有頻率大于發動機怠速的頻率和最高轉速頻率，不會與輪轂發生共振。

通過對上述輪轂進行分析，結果表明，該汽車輪轂的固有頻率不會與路面激勵發生耦合，同時避開了發動機本身的激勵，避免了共振的發生，能夠保障車輛行駛的安全性，驗證該輪轂結構設計的合理性。

3 輪轂剛度仿真分析

汽車的振動和噪音不但和汽車輪轂的模態特性相關，而且還和輪轂的剛度性能密不可分。汽車輪轂剛度性能的好壞也直接影響著車輛整體的NVH性能。

汽車輪轂的剛度可體現為側向剛度，其可由原點頻響函數計算得到，其計算公式為[6]

式中，T為單獨輪轂的質量，kg；1為輪轂共振模態，Hz；2為輪轂反共振模態，Hz。

通過對汽車輪轂的原點頻響進行仿真分析，得出輪轂的原點頻響曲線如圖4所示。

圖4 輪轂頻響曲線

由圖4的輪轂頻響曲線的仿真分析結果可知，其波谷的頻率值為375 Hz，波峰的頻率值為760 Hz，通過輪轂的原點頻響函數計算可得，此輪轂的側向剛度為61 kN/mm。

在汽車整車設計開發中，不同的屬性性能有不同的目標分解體系，對于整車NVH性能來說，其對整車不同的子系統有不同的目標，其中汽車輪轂的側向剛度對整車的振動及車內噪音有著較大影響。通過對整車各級子系統的目標分解和解耦，以及通過對汽車輪轂的側向原點頻響曲線的仿真分析結果及對原點頻響函數計算可得。本文的汽車輪轂側向剛度滿足整車NVH分解的目標體系，大于58 kN/mm，同時在整車NVH性能上有著較好的表現，說明本汽車輪轂的設計是可靠有效的，為整車設計開發提供了堅實基礎。

4 結論

本文通過對汽車輪轂的工程設計、有限元仿真數值分析，揭示了汽車輪轂的NVH模態特性及剛度性能。結果表明，汽車輪轂的模態既避開了路面的激勵頻率，也避開了發動機本身的激勵，避免了共振現象的發生，防止共振產生的結構失效，保障了汽車行駛的安全性；通過對汽車輪轂的側向頻響曲線的仿真分析，利用仿真結果的頻率進行輪轂原點頻響函數計算，得出輪轂側向剛度滿足整車NVH分解的目標體系，有效降低整車振動及噪音水平，實現了較好的整車NVH性能，并且與實車相吻合，證明了本汽車輪轂設計是可靠有效的，為后續汽車輪轂的工程方案設計提供了參考依據和指導作用。

[1] 肖占龍,孫躍東.基于ANSYS的汽車輪轂的輕量化研究[J].農業裝備與車輛工程,2022,60(2):143-148.

[2] 李劍喬.基于ABAQUS的汽車輪轂模態分析[J].內燃機與配件,2020(5):42-44.

[3] 童寒川,夏偉.鋁合金輪轂彎曲性能有限元分析[J].汽車實用技術,2019,44(23):132-134.

[4] 吳曉東.基于ANSYS 的輪轂模態分析[J].內燃機與配件,2019(16):42-43.

[5] 唐貴基,喻自力,王曉龍,等.基于試驗對比的汽車輪轂動特性及疲勞壽命研究[J].遼寧工業大學學報, 2021,41(6):351-356.

[6] 張銘潔,李文中,趙勝濤.汽車輪輞輕量化與剛度關系設計研究[J].時代汽車,2021(18):152-153.

Finite Element Analysis of Modal and Stiffness Performance of the Automobile Wheel Hub

JING Juan1, WANG Youhua2

( 1.School of Automotive and Aviation, Jiangxi Technical College of Manufacturing, Nanchang 330001, China; 2.Vehicle Engineering Research Institute, Jiangling Motors Company Limited, Nanchang 330001, China )

The automobile wheel is an important part of the vehicle system, and the wheel hub is a key component of the wheel assembly, and the robustness of the design of the automobile wheel hub directly affects the performance of the vehicle. The paper uses the finite element method to carry out computer aided engineering(CAE) simulation and analysis of modal and stiffness performance of the automobile wheel hub, so that the modal and stiffness performance of the wheel hub meets the requirements of the target system of the whole vehicle. It effectively supporting the engineering design and development of the wheel hubs, which is beneficial for reducing vehicle vibration and noise, and providing guarantee for the development of the vehicle noise vibration and harshness(NVH).

Wheel hub modal; Stiffness performance; Finite element analysis; NVH

U467.14

A

1671-7988(2023)19-112-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.019.022

靖娟（1985－），女，碩士，副教授，研究方向為智能制造技術、職業教育教學與管理，E-mail:214687299 @qq.com。

江西省教育廳科學技術研究項目：汽車輪轂智能生產線的MES平臺設計與開發（214707）。