基于有限元分析底切鋁合金車輪輕量化研究

郭寶賀

摘要：以18X7.5J車輪為研究對象，運(yùn)用三維軟件CATIA建模，采用UG5.0建立車輪的有限元模型，對車輪強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析。通過車輪增加底切結(jié)構(gòu)前、后進(jìn)行有限元分析結(jié)果對比，證明底切鋁合金車輪在具備非底切鋁合金車輪同等強(qiáng)度下，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化，從而減小汽車油耗。

關(guān)鍵詞：鋁合金車輪;有限元分析;強(qiáng)度分析;輕量化

引言

車輪是介于輪胎和車橋之間承受負(fù)荷的旋轉(zhuǎn)件，它不僅承受著靜態(tài)時(shí)車輛本身垂直方向的自重載荷，同時(shí)也經(jīng)受著車輪行駛過程中來自各個(gè)方向因啟動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、物體沖擊、路面凹凸不平等各種動(dòng)態(tài)載荷所產(chǎn)生不規(guī)則力的作用，是車輛行駛系統(tǒng)中重要的安全結(jié)構(gòu)部件，其結(jié)構(gòu)性能是車輪設(shè)計(jì)中主要因素[1]。車輪通常由輪輻和輪輞組成，輪輻是指在車輪上介于車軸和輪輞之間的支撐部位，輪輞是指在車輪上安裝和支撐輪胎的部位。車輪對汽車的行駛安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性和整車的外觀性都有重要意義，目前轎車及乘用車主要采用鋁合金材質(zhì)車輪。

隨著汽車工業(yè)不斷發(fā)展和環(huán)保要求，汽車制造商對汽車輕量化要求越來越高。實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，是汽車節(jié)能的最有效途徑之一[2]。根據(jù)相關(guān)資料表明，車輪輕量化的節(jié)能效果相對于非旋轉(zhuǎn)件的1.5倍，因此車輪的輕量化設(shè)計(jì)是未來車輪的重要發(fā)展方向[3]。

底切鋁合金車輪是將車輪輪輻與輪輞交接部位，加工一定深度，去掉部分材料的一種車輪結(jié)構(gòu)。由于輪輻與輪輞交接部位受力較小，強(qiáng)度過剩，將此部位材料加工掉，可有效降低車輪重量。底切車輪剖面和非底切車輪剖面見圖1和圖2。

1、強(qiáng)度分析

鋁合金車輪作為汽車重要的安全件，對汽車的行駛安全和操縱穩(wěn)定性有著重大影響。13°沖擊試驗(yàn)和彎曲疲勞試驗(yàn)是車輪性能的基本試驗(yàn)，用來檢驗(yàn)車輪安全性。13°車輪沖擊試驗(yàn)是鋁合金車輪抗沖擊性能的主要測試方法，以模擬車輪在實(shí)際行駛中受到石塊等物的側(cè)向沖擊或車輪撞擊公路牙邊的情況。彎曲疲勞試驗(yàn)是模擬車輛在行駛過程中持續(xù)轉(zhuǎn)彎時(shí)車輪承受彎矩的能力。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的高速發(fā)展，在鋁合金車輪的設(shè)計(jì)中引入有限元仿真的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，可有效提高產(chǎn)品開發(fā)效率，減小開發(fā)周期。本文主要對車輪進(jìn)行13°沖擊和彎曲疲勞進(jìn)行有限元分析，車輪的試驗(yàn)參數(shù)如下：

13°沖擊試驗(yàn)：錘重570kg，高度230mm，輪胎235/55 R18，胎壓230kpa;彎曲試驗(yàn)：彎矩2.704KN.m，轉(zhuǎn)數(shù)10萬轉(zhuǎn)

1.1建立底切車輪和非底切車輪數(shù)模

CATIA軟件是法國達(dá)索公司開發(fā)的CAD/CAE/CAM一體化軟件，其內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、工業(yè)造型設(shè)計(jì)、三維模型設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、動(dòng)態(tài)模擬與仿真、工程圖輸出，到生產(chǎn)加工成產(chǎn)品的全過程，功能強(qiáng)大。本文采用采用CATIA建立底切車輪和非底切車輪數(shù)模，底切車輪數(shù)模只是在非底切數(shù)模基礎(chǔ)上，去掉輪輻與輪輞連接部位部分材料，數(shù)模見圖3和圖4。

1.2 有限元強(qiáng)度分析

采用UG5.0設(shè)計(jì)仿真模塊對數(shù)模賦予材料、施加約束、施加載荷、劃分網(wǎng)格和計(jì)算處理得到強(qiáng)度分析結(jié)果，具體分析步驟及方法本文不做詳述。

非底切車輪重量11.03kg，底切車輪重量10.32kg，兩者重量差0.71kg，底切車輪減重明顯，但是強(qiáng)度有所降低。

在底切車輪和非底切車輪具備同等強(qiáng)度（最大應(yīng)力基本相同）前提下，討論底切產(chǎn)品減重才有意義。可采取減小非底切車輪輪輻厚度，增大非底切產(chǎn)品應(yīng)力值或增加底切產(chǎn)品輪輻厚度，降低底切產(chǎn)品應(yīng)力值，使兩者應(yīng)力值基本相同。本文采用加厚底切產(chǎn)品輪輻厚度，輪輻厚度加厚2.8mm。

2、底切車輪減重及降低油耗效果

非底切車輪重量11.03kg，底切車輪（加厚輪輻）重量10.62kg，兩者重量差0.41kg，兩者應(yīng)力值從表2可知基本相同。

研究表明，約75%的油耗與整車質(zhì)量有關(guān)，降低汽車質(zhì)量就能有效降低油耗及排放。美國在歐洲全順車的實(shí)驗(yàn)表明，在滿足Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)條件下，每公里油耗Y與自重X滿足以下關(guān)系：

Y=0.003X+3.3434[4]??? （1）

通過增加底切結(jié)構(gòu)，單個(gè)車輪質(zhì)量減少0.41kg，整車（4個(gè)車輪）減重1.64 kg，代入公式（1），每百公里減少油耗0.0049L。

3、結(jié)論

本文通過CATIA三維軟件進(jìn)行車輪建模，采用UG5.0對非底切車輪和底切車輪進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，通過強(qiáng)度分析結(jié)果對比，證明產(chǎn)品單純增加底切結(jié)構(gòu)后，產(chǎn)品重量降低較多，但輪輻應(yīng)力會(huì)加大即產(chǎn)品強(qiáng)度降低，但可以通過加大輪輻厚度來提高輪輻強(qiáng)度。在兩者具備同等強(qiáng)度前提下，底切車輪可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化，減低油耗。由于底切車輪加工掉材料遠(yuǎn)離中心孔軸線，因此對減小車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量效果更明顯，從而改善汽車加速性能?？傊?，底切鋁合金車輪在保證滿足強(qiáng)度性能情況下，可以減小產(chǎn)品重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，是車輪實(shí)現(xiàn)輕量化的一種有效方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙玉濤編.鋁合金車輪制造技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004

[2]蘇利陽，王毅，陳茜，汝醒君.未來中國純電動(dòng)汽車的節(jié)能減排效益分析[J].氣候變化研究進(jìn)展，2013，9（4）：284 -290

[3]黃信宏.車身輕量化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀[J].車身技術(shù).2012，4（5）：80-82

[4]馬鳴圖.論汽車輕量化[J].中國工程科學(xué).2002，24（4）：617 -619