不同車輪結(jié)構(gòu)對(duì)車輪固有頻率影響的研究

李波　臧進(jìn)

摘要：本文采用三維設(shè)計(jì)軟件CATIA設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)車輪，利用有限元法計(jì)算出了車輪固有頻率，分析了不同輪輻厚度、輪輞厚度和法蘭厚度對(duì)車輪固有頻率的影響。研究結(jié)果指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，改善車輪固有頻率，使的產(chǎn)品固有頻率滿足工程需求。

關(guān)鍵詞：有限元;固有頻率;車輪

0? 引言

汽車作為現(xiàn)代交通和代步工具，已不僅僅局限于整車的安全性，對(duì)乘坐舒適性和行使平穩(wěn)性的要求也越來越高。輪轂的固有頻率（固有頻率及振型）與路面載荷的關(guān)聯(lián)作用是產(chǎn)生路面噪聲和振動(dòng)的重要影響因素，對(duì)整車行駛的平穩(wěn)性將產(chǎn)生很大的影響，進(jìn)而影響乘坐的舒適性，甚至?xí)?duì)整車產(chǎn)生破壞性損傷。 [1]

現(xiàn)今許多汽車廠越來越重視車輪固有頻率研究，并給配套供應(yīng)商提出了車輪固有頻率的要求。車輪供應(yīng)商在設(shè)計(jì)車輪時(shí)必須改變思想，與主機(jī)廠同步，把車輪固有頻率做為必要指標(biāo)加以考慮。因此，有必要研究車輪結(jié)構(gòu)對(duì)車輪固有頻率的影響，找出主要的影響因素，指導(dǎo)車輪設(shè)計(jì)，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，使車輪快速推向市場(chǎng)。

固有頻率作為車輪本身固有的特性，其主要影響因素有材料（彈性模量和密度）、約束情況（有約束和無約束）、結(jié)構(gòu)等。通過工藝改善來改變車輪材料的特性非常困難且不穩(wěn)定。通過改變車輪結(jié)構(gòu)來改善車輪固有頻率是目前采用的主要方法。故本文主要是研究車輪的不同結(jié)構(gòu)對(duì)車輪固有頻率的影響，找出其中的主要影響因素，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，為車輪設(shè)計(jì)提供方向，滿足工程要求。

鋁合金車輪主要由三部分組成：輪芯，輪輻，輪輞。本文以此三部分作為研究對(duì)象，找出其對(duì)車輪固有頻率的影響。

分析過程如下：

1? 建立車輪模型

利用三維設(shè)計(jì)軟件CATIA設(shè)計(jì)車輪三維模型，以19寸車輪為例，忽略氣門孔的影響。

①分析輪輞結(jié)構(gòu)對(duì)車輪固有頻率的影響，保持法蘭厚度，輪輻厚度不變，設(shè)計(jì)不同輪輞壁厚的三維數(shù)模。

②分析輪輻結(jié)構(gòu)對(duì)車輪固有頻率的影響，保持法蘭厚度，輪輞厚度不變，設(shè)計(jì)不同輪輻結(jié)構(gòu)的三維數(shù)模。

③分析法蘭厚度對(duì)車輪固有頻率的影響，保持輪輻厚度，輪輞厚度不變，設(shè)計(jì)不同法蘭厚度的三維數(shù)模。

車輪三維模型如圖1。

2? 利用有限元方法計(jì)算車輪固有頻率

2.1 建立固有頻率有限元模型

本文采用ANSYS作為計(jì)算工具。車輪與汽車剎車盤連接，故約束車輪的安裝面。車輪網(wǎng)格采用實(shí)體四面體網(wǎng)格如圖2，材料設(shè)置鋁合金材料屬性如圖3。計(jì)算車輪前3階固有頻率。

2.2 計(jì)算不同結(jié)構(gòu)車輪的固有頻率

2.2.1 計(jì)算不同輪輻厚度的車輪固有頻率

不同輪輻厚度的三維模型分析計(jì)算結(jié)果如表1。

2.2.2 數(shù)據(jù)分析

由圖4、圖5可以發(fā)現(xiàn)，在其他尺寸不變的情況下，輪輻厚度發(fā)生變化時(shí)，車輪固有頻率也相應(yīng)發(fā)生變化，基本是線性關(guān)系。

2.2.3 計(jì)算不同法蘭厚度的車輪固有頻率

不同法蘭厚度的三維數(shù)模固有頻率分析計(jì)算結(jié)果如表2。

2.2.4 數(shù)據(jù)分析

由圖6、圖7可以發(fā)現(xiàn)，在其他尺寸不變的情況下，車輪法蘭厚度和車輪重量發(fā)生變化時(shí)，車輪固有頻率也相應(yīng)發(fā)生變化，基本是線性關(guān)系。

2.2.5 計(jì)算不同輪輞厚度的固有頻率

不同輪輞厚度的三維模型固有頻率分析計(jì)算結(jié)果如表3。

2.2.6 數(shù)據(jù)分析

由圖8、圖9可以發(fā)現(xiàn)，在其他尺寸不變的情況下，車輪輪輞厚度和車輪重量發(fā)生變化時(shí)，輪輞壁厚和固有頻率呈反比關(guān)系，即輪輞壁厚越厚車輪的固有頻率越小。

2.3 試驗(yàn)檢測(cè)車輪固有頻率

對(duì)車輪進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，本文采用的低壓鑄造鋁合金車輪，材料為鑄造鋁合金A356。把車輪安裝面固定在鋼制平臺(tái)上，輪緣放置加速度傳感器，用橡皮錘敲擊輪緣，檢測(cè)車輪固有頻率。為了方便測(cè)量，本文中只檢測(cè)一階固有頻率。

檢測(cè)數(shù)據(jù)如表4。從檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，其測(cè)量結(jié)果和有限元分析結(jié)果基本相符，但是還是有一定差距，需要進(jìn)一步完善有限元分析模型。

3? 結(jié)論

①車輪輪輻厚度、輪輞厚度和法蘭厚度對(duì)車輪固有頻率都有影響，其中輪輻和法蘭厚度與固有頻率呈正比關(guān)系，輪輞壁厚與車輪固有頻率呈反比關(guān)系，其中輪輻對(duì)固有頻率的影響最大。

②車輪固有頻率直接關(guān)系到車輪重量，固有頻率要求較高時(shí)，一般情況下車輪重量會(huì)相應(yīng)增高，影響車輪制作成本。同時(shí)，車輪重量增加，會(huì)影響汽車的耗油量。

③本文給出了改善車輪固有頻率的設(shè)計(jì)方向，為車輪前期設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李力重，王軍.固有頻率在車輪設(shè)計(jì)有限元分析中的應(yīng)用.

[2]劉曉東.重型軌道車車輪異常磨耗原因分析及應(yīng)對(duì)措施[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（07）：124-125.

[2]吳曉東.基于ANSYS的輪轂?zāi)B(tài)分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（16）：42-43.