基于hypermesh的某輕卡車輪總成結(jié)構(gòu)優(yōu)化

邢志斌，吳兆亮

（安徽江淮汽車股份有限公司 商用車研究院，安徽 合肥 230601）

基于hypermesh的某輕卡車輪總成結(jié)構(gòu)優(yōu)化

邢志斌，吳兆亮

（安徽江淮汽車股份有限公司 商用車研究院，安徽 合肥 230601）

本文利用hypermesh建立某車輪總成有限元分析模型，模擬車輪動(dòng)態(tài)彎曲強(qiáng)度，并結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)故障車輪進(jìn)行整改優(yōu)化，為車輪開(kāi)裂問(wèn)題的處理提供了方法和依據(jù)。

車輪；hypermesh；強(qiáng)度

CLC NO.: U463.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-37-03

1、問(wèn)題來(lái)源及初步分析

目前輕型卡車車輪的故障模式主要有兩種：一種為輪輻的開(kāi)裂，另一種為車輪的失圓。其中市場(chǎng)反饋的輪輞失圓問(wèn)題，實(shí)際測(cè)量故障件后發(fā)現(xiàn)絕大部分輪輞并未失圓，其根本原因是車輪動(dòng)平衡失效導(dǎo)致車輛抖動(dòng)，進(jìn)而反饋為輪輞失圓，此類問(wèn)題與輪輞總成結(jié)構(gòu)關(guān)系不大，故本文主要對(duì)輪輻開(kāi)裂問(wèn)題進(jìn)行探討。

市場(chǎng)反饋某輕型卡車車輪總成開(kāi)裂故障率較高，主要表現(xiàn)為輪輻通風(fēng)孔與通風(fēng)孔連接處開(kāi)裂（如圖1 所示）。對(duì)故障件的尺寸、材質(zhì)及金相進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)均滿足圖紙及標(biāo)準(zhǔn)要求，排除該問(wèn)題是由零部件的質(zhì)量問(wèn)題引起的。

根據(jù)上述情況，初步懷疑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不能滿足用戶的使用強(qiáng)度。對(duì)車輪總成進(jìn)行CAE 分析，確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2、CAE分析

依據(jù)GB/T5909 《商用車輛車輪性能要求和試驗(yàn)方法》，應(yīng)用hypermesh 模擬車輪總成動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)。結(jié)合車輪實(shí)際受力情況及臺(tái)架試驗(yàn)方法，以盡可能模擬車輛行駛過(guò)程的實(shí)際情況為原則，確定CAE 分析工況：

（1）固定方式：由于輪輞底部變形量最小，故將其看作無(wú)變形，采用“固定”約束將輪輞底部的面固定；

（2）連接方式：①由于在hypermesh 中輪輞與輪輞的連接較為困難，且開(kāi)裂位置不是輪輻與輪輞間的焊接結(jié)構(gòu)，故其連接強(qiáng)度可不考察，為簡(jiǎn)便操作可在UG中求和做成一體，②6個(gè)螺栓孔分別用RBE2 模擬螺栓連接，為使結(jié)果更為接近實(shí)際連接范圍應(yīng)與球面范圍一致；

（3）施加載荷及力臂長(zhǎng)度確定：該種車輪總成型號(hào)為5.5F，由于市場(chǎng)上貨車超載嚴(yán)重，無(wú)法得到各車型實(shí)際最大載荷質(zhì)量，因此無(wú)法根據(jù)整車來(lái)確定車輪的受力情況，在此可認(rèn)為輪胎的最大負(fù)荷能力即為輪輞的最大載荷（如超過(guò)最大負(fù)荷能力則會(huì)出現(xiàn)爆胎危險(xiǎn)），因此可確定該車輪的最大受力，即規(guī)格為7.50R16 14PR 的輪胎的單胎負(fù)荷能力1500kg；按下列公式確定彎矩M（力×力臂）：M=(μ·R +d)·Fv·S式中，M—彎矩，單位為N·m。

μ—輪胎與路面間設(shè)定的摩擦系數(shù),取0.7。

R—車輪或車輪制造商規(guī)定的該車輪配用的最大輪胎的靜態(tài)負(fù)荷半徑， 為0.375m。

d—車輛的內(nèi)偏距或外偏距，為0.127M

Fv —車輛或車輪制造商規(guī)定的車輪額定負(fù)載值。在此選所用輪胎的最大單胎負(fù)荷，即（1500×9.8）N。

S—強(qiáng)化試驗(yàn)系數(shù)，取1.10。

計(jì)算的M=（0.7×0.375+0.127）×1500×9.8×1.1,其中，可將（0.7×0.375+0.127）=0.3895m設(shè)為力臂長(zhǎng)度，在UG 中車輪中心線下側(cè)距輪輻平面0.3895m 創(chuàng)建一個(gè)點(diǎn)，作為受力主點(diǎn)，將其用RBE2 與6 個(gè)通風(fēng)孔的REB2 中心點(diǎn)相連；（在實(shí)際試驗(yàn)當(dāng)中，載荷作用在加載臂上，加載臂通過(guò)安裝螺栓與輪輻相連接；本文中CAE 模擬將加載臂及螺栓連接結(jié)構(gòu)均用RBE2 連接來(lái)簡(jiǎn)化模型，對(duì)分析結(jié)果影響不大）。

則1500×9.8×1.1=16170N 為施加載荷；為了更為合理的分析應(yīng)力情況，將施加載荷方向設(shè)為沿螺栓孔方向；

（4）材料：輪輻實(shí)際材料為BG380CL，輪輞為12LW，分析時(shí)均設(shè)為一種材料；

（5）網(wǎng)格：采用三維網(wǎng)格，網(wǎng)格大小2；

對(duì)模型進(jìn)行求解，結(jié)果顯示輪輻最大應(yīng)力在螺栓孔附近在320MPa 左右，市場(chǎng)輪輻開(kāi)裂是在螺栓孔與通風(fēng)孔之間，故查看通風(fēng)孔處應(yīng)力，最大應(yīng)力位于靠近螺栓孔的圓弧過(guò)渡處，最大應(yīng)力為140MPa 左右。而輪輻的材料為BG380CL，其抗拉強(qiáng)度為（380～480）Mpa，由上述分析可知螺栓孔附近最大應(yīng)力已接近抗拉強(qiáng)度，易發(fā)生開(kāi)裂，且車輛實(shí)際運(yùn)動(dòng)中，車輪總成承受交變載荷，使輪輻疲勞開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)大大增加。

根據(jù)輪輻實(shí)際開(kāi)裂均為螺栓孔與通風(fēng)孔之間及CAE 分析結(jié)果，必須對(duì)螺栓孔附近進(jìn)行加強(qiáng)，同時(shí)需要對(duì)通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

3、結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過(guò)上述分析并與公司其他車輪的輪輻通風(fēng)孔、螺栓安裝孔、輪輻截面形狀、材料、料厚等進(jìn)行分析，最后確定兩個(gè)主要因素對(duì)輪輞應(yīng)力影響較大：（1）通風(fēng)孔形狀、尺寸（2）材料料厚。

3.1 通風(fēng)孔優(yōu)化

要減小通風(fēng)孔應(yīng)力必須減小通風(fēng)孔的面積尺寸，同時(shí)要

兼顧制動(dòng)的散熱效果，重新設(shè)計(jì)通風(fēng)孔。

對(duì)新技術(shù)狀態(tài)車輪總成進(jìn)行CAE 分析并與老狀態(tài)的分析結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，分析模型建立同本文中第二項(xiàng)CAE 分析中的建立方法及工況。

結(jié)果顯示，最大應(yīng)力由320MPa 下降到300MPa，通風(fēng)孔處最大應(yīng)力由140MPa 下降到125MPa，應(yīng)力有一定的下降，但考慮CAE 分析與實(shí)際的符合性可能存在誤差，并不能實(shí)際說(shuō)明改善情況；需要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量是否真的有所改善。按兩種技術(shù)狀態(tài)，貼應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示?？梢源_定，通風(fēng)孔減少可以有效減小通風(fēng)孔處應(yīng)力。

表1

3.2 輪輻料厚增加

考慮對(duì)輪輻料厚進(jìn)行增加，厚度由8mm 提升至10mm，為保證加厚的車輪不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向等相關(guān)結(jié)構(gòu)造成影響，應(yīng)將輪輻厚度向車輪總成外側(cè)加厚。

首先進(jìn)行CAE 分析確定加厚對(duì)車輪總成應(yīng)力大小的影響。（分析的輪輻均采用新通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)）。

CAE 分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表2：

表2

經(jīng)過(guò)加厚的輪輻最大應(yīng)力值相比加厚前下降了20.6%，效果明顯；為充分驗(yàn)證新車輪的動(dòng)態(tài)彎曲疲勞強(qiáng)度，分別對(duì)問(wèn)題輪輞、修改通風(fēng)孔的輪輞及料厚加厚的輪輞進(jìn)行動(dòng)態(tài)彎曲疲勞強(qiáng)度臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

通風(fēng)孔減小且料厚增加后，疲勞壽命增加45%，臺(tái)架試驗(yàn)破壞位置為螺栓孔與通風(fēng)孔之間，與市場(chǎng)實(shí)際情況及CAE分析結(jié)果一致。

表3

4、改進(jìn)

通過(guò)CAE 分析及臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，通風(fēng)孔減小且料厚增加的新設(shè)計(jì)車輪相比問(wèn)題車輪有很大改善，滿足切換條件。但充分為用戶的使用安全性考慮，還需進(jìn)行可靠性路試。小批量試裝試驗(yàn)車輛后，超載1.5 倍進(jìn)行可靠性路試，車輪沒(méi)有開(kāi)裂。對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題輪輞進(jìn)行批量切換，對(duì)切換后該種型號(hào)輪輞進(jìn)行市場(chǎng)跟蹤，新車輪市場(chǎng)表現(xiàn)良好，投放市場(chǎng)一年后開(kāi)裂故障率下降為0。

5、結(jié)論

本文對(duì)車輪總成中的輪輻開(kāi)裂問(wèn)題應(yīng)用CAE 分析進(jìn)行模擬分析，避免結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中資源及時(shí)間的浪費(fèi)，同時(shí)為后續(xù)的設(shè)計(jì)工作及同類問(wèn)題解決提供了方法和依據(jù)。

[1]陳家瑞 汽車構(gòu)造．機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]王鈺棟 Hypermesh&Hyperview 應(yīng)用技巧與高級(jí)實(shí)例.機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

A light truck wheel structure optimization based on hypermesh

Xing Zhibin, Wu Zhaoliang
(Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd. Commercial Vehicle Research Institute, Anhui Hefei 230601)

In this paper,a wheel finite element analysis model was established based on hypermesh，simulate the dynamic bending strengh,combined with the bench test for the fault rectification optimization wheel,handle provides methods and basis for the wheel cracking problem.

wheel；hypermesh；strength

U463.3

A

1671-7988(2015)04-37-03

邢志斌，就職于安徽江淮汽車股份有限公司商用車研究院。