車輪剛性及其有限元分析

摘要：以三維軟件進行車輪造型，用I-DEAS建立剛性分析數(shù)學模型，對車輪剛性進行分析和處理。結合其他試驗的分析，實現(xiàn)對車輪的優(yōu)化設計。

關鍵詞：剛性；有限元

前言

在現(xiàn)代汽車設計中，車輪作為汽車重要的功能件不僅要滿足強度及安全性的要求，在剛性方面也提出了更高的要求，以滿足汽車乘坐的舒適性和行駛平穩(wěn)性[1]。傳統(tǒng)的車輪設計只考慮了車輪的強度方面的要求，只要滿足沖擊、彎曲疲勞和徑向疲勞試驗的要求即可，對車輪剛性幾乎沒有考慮。當車輪的剛性不足時，對整車行駛的平穩(wěn)性會產(chǎn)生很大的影響，并因此產(chǎn)生振動，不但影響乘坐的舒適性，而且會加劇疲勞損傷，降低車輛的壽命。現(xiàn)今許多汽車廠越來越重視車輪剛性的研究，車輪剛性反映了車輪在外載荷作用下的抗變形能力。剛性值越大，車輪的抗變形能力越好。剛性在車輪設計中已經(jīng)越來越重要，與彎曲疲勞、徑向疲勞、沖擊和固有頻率一樣，成為車輪設計的必須要考慮的重要指標[2]。

1 車輪剛性的計算方法

由于各大汽車廠和車輪生產(chǎn)廠研究車輪剛性的時間不是很長，對于車輪剛性的計算方法在業(yè)界還沒有形成統(tǒng)一的公式，但是其原理基本一致，即車輪剛性反映的是車輪在外載荷作用下的抗變形能力。通過比較各大汽車廠的標準，結合力學理論中關于剛性的定義，其表達式如公式（1）：

K=LXM/δ （1）

其中，K為車輪剛性，L為力臂，載荷M=FXL，δ為位移。

所不同的是對于測定點的選取，和評價方法不同。有的公司直接采用上述公式計算車輪的剛性；有的公司采用對位移大小進行比較，來評價車輪的剛性，從上面的公式可以看出當位移越小時，剛性越大[3]。

當計算方法確定之后，車輪的剛性的測定就可以通過有限元分析和實測得到。我公司通過用3D設計軟件建立車輪的模型，采用I-DEAS軟件建立車輪剛性的分析模型，進行位移計算，從而計算車輪的剛性。

從試驗的難易程度考慮，我公司一般采用如下的方式進行車輪剛性的試驗測量。當然根據(jù)不同汽車廠的要求，可以按照客戶的要求，進行試驗檢測和建立不同的數(shù)學模型進行分析。下面主要以如下的方式進行說明剛性的分析方法：

當車輪內(nèi)輪緣固定約束，在受到作用力F后，在軸端有一個位移δ1。去掉車輪后，將軸的法蘭面做固定約束，再在軸端加同樣大小的力F，軸端位移為δ0。此時剛性的計算公式為：

K=LXM/δ=LXFXL/(δ1- δ0) （2）

2 剛性分析實例

下面以某一輪型為例說明剛性分析的基本步驟。

步驟1：同強度分析一樣要劃分網(wǎng)格，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，做好前處理工作。下圖是劃分網(wǎng)格之后的圖片：

按照公式（2）計算出車輪的剛性值為2167kNm/rad

從以上分析過程可以看出，影響車輪剛性的主要因素主要有以下兩方面：車輪材料性能（彈性模量、機械性能等）和車輪的結構。所以通過改善工藝條件，可以適當提高材料的彈性模量，從而提高車輪剛性。但是材料性能的提高畢竟是有限的。在材料性能不變的前提下，改變車輪的結構，可以有效提高車輪的剛性。3剛性分析結果與實測結果對比

表1是我公司為國內(nèi)某汽車廠配套開發(fā)的幾款輪型的剛性分析結果與實測結果的對比。

4 總結

按照此方法計算車輪的剛性值簡便易行。試驗采用現(xiàn)有的設備即可進行。有限元分析，可采用現(xiàn)有軟件。同時，產(chǎn)生數(shù)據(jù)量小，占用資源少，可大幅提高效率。及時準確地為車輪優(yōu)化設計提供合理的建議。

目前，德國、美國、日本、法國等世界上主要的汽車廠都對車輪的剛性的提出了要求。同時，國際上的車輪生產(chǎn)廠商也對車輪進一步的研究，剛性已經(jīng)成為車輪的重要性能指標。我公司從2005年購入I-DEAS軟件，是國內(nèi)第一家進行車輪剛性的有限元分析和實測的廠家，已經(jīng)取得了一定的成果。但是，分析結果和實測結果還需要大量的數(shù)據(jù)進行對比，才能不斷縮小分析與實測結果的誤差，提高分析結果的準確性和實用性。

參考文獻

[1]鄭泉，楊方廷.車輪隨機動載與路面及車速相互關系的研究[J].合肥工業(yè)大學學報，2001，24(1):139-142.

[2]張治國，鄭明軍.彈性車輪瞬態(tài)動力響應的有限元仿真方法研究[J].北方交通大學學報，2003， 27(1):25-27，35.

[3]郭曉霞.火車車輪成形工藝研究及有限元模擬[J].鍛壓技術，2003，28(5):1-4.