鋼制車輪產(chǎn)品性能的仿真與研究

韓世秀

廈門日上集團股份有限公司 福建省廈門市 361000

1 引言

整車輕量化、降低油耗是當(dāng)前汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向[2].在汽車的各類零部件中從節(jié)能的角度考慮，單位質(zhì)量旋轉(zhuǎn)件的效果相當(dāng)于非旋轉(zhuǎn)件的1.2-1.3倍[3].因此OE車廠對車輪產(chǎn)品的輕量化要求越來越高，另外從車輪自身角度考慮，材料厚度減薄，車輪強度下降比較明顯，鋼廠主要還是在鋼材中加入一些微量的合金元素，再加之軋鋼工藝的改進(jìn)，提高材料的強度，但是其鋼材的主要成份變化很小，因此，車輪單從鋼材強度方面考慮，對于提升車輪的性能差異并不大，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計方面考慮，使車輪產(chǎn)品性能提高，成本降低，產(chǎn)品才更有市場競爭力。

2 車輪產(chǎn)品基本信息

車輪產(chǎn)品主要輪輻和輪輞組立焊接而成，輪輻與制動轂通過螺栓直接裝配，輪輞部分與輪胎接觸，產(chǎn)品特性參數(shù)如表1：

3 仿真模型建立

本文利用SolidWorks建立22.5×9.00鋼圈靜態(tài)有限元模型導(dǎo)入Abaqus CAE仿真計算。

3.1 車輪產(chǎn)品模型建立

車輪仿真模型采用SolidWorks建立導(dǎo)入Abaqus CAE計算，材料特性通過萬能試驗機如圖1得出，數(shù)據(jù)如表2、3所示。

3.2 約束與加載

根據(jù)EUWA ES-3.11（卡車鋼制車輪的試驗要求）所知[4]，汽車車輪動態(tài)徑向疲勞試驗工況下，鋼圈會承受螺栓的預(yù)緊力與輪轂貼合、高速旋轉(zhuǎn)時的離心力、以及自身重力等，因數(shù)值對分析產(chǎn)生的影響較小，可以忽略，故主要考慮徑向負(fù)載與輪胎氣壓。

表1 產(chǎn)品特性參數(shù)

圖1 材料特性試驗機

表2 5mm590CL應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)

對上述圖1所示的車輪幾何模型進(jìn)行實體化網(wǎng)格劃分[5]，計算出最大應(yīng)力的數(shù)值和位置，在很多相關(guān)文獻(xiàn)中，一般的處理方法為：沿鋼圈圓周等間距的8個方向上施加徑向載荷，通過8次計算，研究鋼圈最危險的方位。根據(jù)現(xiàn)有資料，我們可以知道鋼圈上最危險的方位，一般位于氣門開孔方向[6]。因此，本文中直接使用這個方向進(jìn)行加載，從而得出最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置[7]，圖3所示為車輪有限元前處理圖示，圖3所示為車輪模型的應(yīng)力云圖。

表3 13mm490CL應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)

3.3 仿真信息分析

上述仿真得到的信息結(jié)論如表4所示。

通過上述分析，從圖2和表4可以得知，該產(chǎn)品的應(yīng)力集中在，沒有安裝輪輻的一側(cè)，最容易失效的位置在輪緣或輞槽底R角。

3.4 產(chǎn)品徑向疲勞試驗

產(chǎn)品分析驗證，對上述車輪產(chǎn)品隨機抽取2件樣品，送車輪檢測中心進(jìn)行實際測試，試驗設(shè)備如圖5、結(jié)果如表5所示：

根據(jù)實際測試結(jié)論表明，產(chǎn)品失效的位置與仿真分析預(yù)測的結(jié)果是一致的。

4 結(jié)語

本文通過對22.5×9.00鋼制車輪的強度分析，仿真和實際測試均表明這款產(chǎn)品的設(shè)計的薄弱點在輪輞槽底R角處，并按此結(jié)構(gòu)和材料配置，產(chǎn)品的重量和性能都能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，能適應(yīng)市場，并為以后設(shè)計開發(fā)更多的具有競爭力的產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。

圖2 車輪幾何模型

圖5 徑向疲勞試驗機

圖3 車輪產(chǎn)品仿真前處理示意圖

圖4 車輪產(chǎn)品應(yīng)力云圖

表4 車輪仿真模擬結(jié)果

表5 產(chǎn)品測試信息